Выбор архитектуры проектируемой сетиОсобые требования, предъявляемые к сетям GSM-R, связаны с обеспечением гарантированной связи при скоростях движения объектов до 500 км/ч. Кроме того, необходимо обеспечить равномерное покрытие железнодорожного пространства, особенно в пределах железнодорожных станций и маневровых зон, вне зависимости от того, на какой местности лежит полотно – в тоннеле или на открытом пространстве. Связь должна устанавливаться в очень короткий срок, а скорость переключения между сетями должна быть максимальной. И наконец, каналы передачи должны быть всегда доступны. Помимо предусмотренной избыточности коммутатора и базовых станций в GSM-R должны быть реализованы некоторые дополнительные концепции, гарантирующие повышенную надежность системы. Как известно, критическим местом в любой системе является точка подключения кабеля к BTS. Поскольку надежность оптоволоконного кабеля в сочетании с необходимыми устройствами линейного окончания (мультиплексорами ввода/вывода) не является обязательно такой же, как надежность самих BTS и BSC, даже очень высоконадежная BTS не обеспечит улучшения доступности системы. По этой причине на железнодорожных сетях с высокими требованиями к данному параметру используем многоточечную петлевую архитектуру. Такой подход имеет преимущества, поскольку перекрытие BTS двух различных петель уменьшит последствия выхода из строя BTS или BSC.
Рисунок 3.8 – Петлевая архитектура сети GSM-R для участка Лазурная – Гомель – Кравцовка
На длинных участках, лежащих за пределами города, было бы выгоднее использовать следующую архитектуру (рис 3.10). Вместо установки дополнительной BTS (фиолетовые), подключенной ко второму контроллеру базовых станций BSC, между каждой основной станцией BTS (синие), устанавливать вышки с пассивными или активными ретрансляторами (зеленые). Основные станции, при этом, подключать и к первому и ко второму контроллеру BSC соответственно. Ретранслятор может ретранслировать сигнал одной соседней вышки на вторую, и наоборот. За счет нахождения ретранслятора на высоте, затухание сигнала, принятого и ретранслированного им, не столь значительно. Стоимость ретранслятора значительно меньше чем стоимость BTS. То есть, можно сэкономить на установке дорогостоящих BTS и необходимом для их работы оборудовании. Данная архитектура может использоваться как экспериментальная. В дальнейшем, если в ходе исследовании и эксплуатации окажется состоятельной, можно начать использовать её повсеместно. В случае неудачи легко докупить недостающее оборудование и достроить систему ПРС до петлевой архитектуры. Обе архитектуры можно комбинировать в рамках одной сети
Рисунок 3.9 – Архитектура сети GSM-R с ретрансляторами для участка Лазурная – Гомель – Кравцовка 3.4.3 Расчёт распределения электромагнитного поля Условия распространения радиоволн в мобильной радиосвязи могут варьироваться от простейшей ситуации однолучевого распространения радиоволн между приёмником и передатчиком в условиях прямой видимости до многолучевого распространения при многократных отражениях от искусственных сооружений и складок местности в условиях доплеровского изменения частоты при движении объекта или препятствий. Целью анализа распространения радиоволн является расчет дальности радиосвязи и определение реальных характеристик принимаемого сигнала. Классический подход к расчету распределения электромагнитного поля в присутствии отражающих и поглощающих объектов заключается в расчете напряженности поля в однородном изотропном пространстве на основе законов отражения, дифракции и рассеяния. Однако специфические условия города исключают возможность непосредственного применения такой методики. Непостоянство расположения приемников и передатчиков в мобильной сети радиосвязи, перемещение приемников, передатчиков и препятствий, огромное количество фиксированных препятствий сложной формы делают невозможным точный расчет распределения радиополя. Напряженность электромагнитного поля в городских условиях уменьшается с расстоянием значительно быстрее, чем в свободном пространстве, из-за рассеяния электромагнитных волн на многочисленных препятствиях. В результате взаимодействия с препятствиями только некоторая часть мощности передатчика дойдет до приемника, остальная часть либо будет поглощена препятствием, либо отразится под произвольным углом и пройдет мимо приемника. На начальном этапе проектирования радиопокрытия для расчета дальности связи проектная организация EIRINE рекомендует использовать эмпирическую модель Хата-Окамуры. Предложенная модель распространения сигнала позволяет оценить зависимость потерь от несущей частоты, высоты антенн базовой и подвижной станций и типа местности. Модель Хата-Окамуры хорошо отражает процессы распространения сигнала на расстояния, превышающие 1 км. Необходимо отметить, что согласно рекомендациям EIRINE минимальный уровень сигнала, принимаемый подвижной станцией от базовой станции не должен быть ниже следующих значений: – для передачи голосовых сообщений (– 98 дБм); – для передачи на линиях с уровнями ETCS 2/3 и скоростью движения ниже или равной 220 км/ч (– 95дБм). Для расчета дальности радиосвязи изначально необходимо вычислить эффективную изотропную излучаемую мощность (EIRP) базовой станции. Согласно рекомендаций EIRINE типовые характеристики базовой станции следующие: – усиление передатчика BTS (45дБм, регулируется); – внутренние потери на разъёмах джамперов (-1дБ); – потери на фильтре передатчика (-1дБ); – потери на дуплексоре (-1дБ); – потери на делителе мощности (-3дБ); – потери антенного фидера (-3дБ); – усиление антенны BTS (20дБи, в зависимости от типа). Отсюда эффективная изотропная излучаемая мощность базовой станции (BTS EIRP) равна 56 дБм. При проектировании сети GSM-R на участке железной дороги Лазурная – Гомель – Кравцовка закладывается возможность оборудования систем автоматического контроля и управления подвижным составом ETCS. Следовательно, минимальный уровень принимаемый подвижной станцией от базовой станции не должен быть ниже (– 95дБм). Произведём расчёт затухания сигнала по модели Хата-Окамуры (1). Для города: Pгор = 69,55 + 26,16∙lgf – 13,83∙lg(hBSeff) – a(hMS) + + (44,9 – 6,55∙lg(hBSeff))∙lgd, (3.3) где f – несущая частота излучаемого сигнала (925МГц); hBSeff – эффективная высота антенны базовой станции (30м); hMS – высота антенны мобильной станции (4м); d – расстояние от базовой до мобильной станции; a(hMS) – поправочный коэффициент зависящий от высоты мобильной станции. a(hMS) = (1,1∙lgf – 0,7) hMS – 1,56∙lgf + 0,8 (3.4) Для пригородной местности:
Для открытой местности:
Для примера возьмём перегон Гомель пасс. – Лисички, расчёт для остальных участков будет аналогичен. Расстояние от базовой до мобильной станции d определим по ординатам станций: Гомель пасс. 196,0; Лисички 188,6. Позиция BTS возле Лисичек 188,5 км. d = 196,0 – 188,5 = 7,5 км Реальная длина радиотрассы ввиду отсутствия прямолинейности железнодорожного пути на данном участке: d = 7,2 км
Определим поправочный коэффициент a(hMS): a(hMS) = (1,1 ∙ lgf – 0,7) hMS – 1,56 ∙ lgf +0,8; a(hMS) = (1,1 ∙ lg925 – 0,7) 4 – 1,56 ∙ lg925 +0,8 a(hMS) = 6,423дБ.
Определим ослабление сигнала на расстоянии d = 7,2 км: Pl = 69,55 + 26,16 ∙ lg925 – 13,83 ∙ lg(30) – 6,423 + + (44,9 – 6,55 ∙ lg(30)) ∙ lg7,2; Pl = 150,491 дБ. Определим уровень сигнала, принимаемого подвижной станцией на расстоянии d = 7,2 км PR = (BTS EIRP) – Pl = 56 – 150,491 = – 94.491 дБм. Полученная в результате расчёта величина принимаемого сигнала не превышает минимально допустимого уровня (–95дБм), что удовлетворяет требованиям. При получении значений уровня принимаемого сигнала ниже допустимого уровня возникает необходимость установки дополнительной базовой станции. При получении значений уровня принимаемого сигнала выше допустимого минимального уровня имеет смысл понизить эффективную высоту базовой станции или мощность передатчика. В данном случае понизим мощность передатчика до 44 дБм, тогда получаем: PR = (BTS EIRP) – Pl = 55 – 150,491 = – 95.4951 дБм. Полученная в результате расчёта величина принимаемого сигнала превышает минимально допустимый уровень (–95дБм), что не удовлетворяет требованиям. Необходимо оставить мощность передатчика 45 дБм. Так как, при высоко поднятой станции и обеспечения хорошей связи с неё на большие расстояния, где уже действуют другие соты, большинство мобильных станций будут подключаться на соту с хорошим сигналом и «испортят» её нормальную работу. При расчёте дальности радиосвязи удобно воспользоваться программой Microsoft Excel 2010. Данные полученные при расчёте сведены в таблицах 3.7 – 3.8. Усиление передатчика BTS переведено в ватты по формуле 3.7. Эскизный проект радиопокрытия сети GSM-R на проектируемом железнодорожном участке, согласно данных таблицы 3.7 – 3.8, приведён на рисунке 3.10.
Таблица 3.7 – Расчёт радиопокрытия Гомель – Терюха – гос. граница
Таблица 3.8 – Расчёт радиопокрытия Гомель – Костюковка – Лазурная
Как видно из расчёта для организации сети GSM-R на проектируемом участке необходимо установить 10 базовых станций. Четыре BTS будут установлены на станциях со зданием вокзала на близком расстоянии от антенной мачты (Костюковка, Светоч, Гомель пасс, Терюха) и шесть на перегоне и станциях без крытых помещений, т.е. необходимы монтажные контейнеры. При установке активных ретрансляторов GSM-R можно пользоваться таблицами 3.7 – 3.8. Позиция ретранслятора совпадает с позицией установки BTS.
Рисунок 3.10 – Эскизный план радиопокрытия сети GSM-R на проектируемом участке железной дороги
|
(3.5)
(3.6)
, Вт (3.7)
