A GSM-R rendszer, hazai vonatkozásai éselektromágneses kompatibilitási kérdései

Unger Tamás IstvánTávközlési Tanszék

Széchenyi István EgyetemB.Sc. szakos villamosmérnök hallgató

Gyor, Magyarországunger.tamas.taisze@gmail.com

Kulcsszavak—GSM-R, vasúti kommunikáció, mobiltávközlés, elektromágneses kompatibilitás, rendszerarchi-tektúra, projekt

Kivonat—Cikkem a vasútspecifikus mobil távközlésirendszer, a GSM-R (Global System for Mobile com-munications - Railway) kérdéskörével foglalkozik. Avasúti kommunikáció múltját röviden érintve bemuta-tom azokat az okokat és motiváló tényezoket, melyekarra sarkallták a távközlési innováció katalizátorakéntmuködo piaci szereploket, hogy az analóg rádiórend-szerek lecserélése érdekében egy új infokommunikációsrendszert tervezzenek és implementáljanak a kötött-pályás közlekedés kiszolgálására. Röviden felvázoloma GSM-R megszületésének szabályozási hátterét, frek-venciáinak kiosztását, annak okait. Ismertetem azonvasúti alkalmazásokat, melyeket az új rendszernek kikell szolgálnia, érintve azok muszaki igényeit is. Át-tekintést nyújtok a GSM-R rendszerarchitektúrájáról,rendszerszintu felépítésérol, ajánlott megoldásairól, azegyes megoldások jellegzetességeirol, ismertetve azokelonyeit, hátrányait. Rövid betekintést nyújtok a GSM-R projekt hazai helyzetébe, érintve az aktuális kérdé-seket is. Kitérek a GSM és a GSM-R közös pontjaira,különbségeire, végül érintem a vasúti rendszer és anyilvános mobil távközlo rendszerek elektromágneseskompatibilitási kérdéseit is.

I. BEVEZETÉS

A világ vasúthálózatainak üzemeltetése és fenn-tartása rendkívül sokszínu kommunikációs, távköz-lési követelményrendszerrel rendelkezik, amit a vas-úttársaságoknak figyelembe kell venniük, ki kellelégíteniük. Ezen követelményeket napjaink vasútitelekommunikációs rendszere sokféle, eltéro típusúinfokommunikációs megoldással igyekszik kiszol-gálni, szem elott tartva a kötöttpályás közlekedéssajátosságait, legyen az hang- vagy adatátvitel. Saj-nálatos, hogy a jelenleg üzemelo rendszerek egybizonyos része az évtizedes múltjával a rohamosanfejlodo távközlési környezetben elavulttá vált, ígyazok korszerusítése, cseréje vitán felül aktuális kér-dés.

A modern vasúti távközlési rendszer feladata,

hogy hibamentesen, magas színvonalon teljesítse arégi rendszerek által megvalósított szolgáltatásokat,így alkalmas legyen azok kiváltására, továbbá fel kellkészíteni a jövo telekommunikációs igényeinek telje-sítésére is, így például a nemzetközi vasúthálózatokkiszolgálására, ami országhatárokon átnyúló össze-hangolást igényel, de a hatékonyság és a minoségiparaméterek javítása is hasonlóan fontos szempont.

Az új rendszerrel szemben támasztott legfonto-sabb követelmények általánosságban, néhány pontbaszedve összefoglalhatók:

• Nemzetközi (európai) szabványosítás;

• Hatékony és gazdaságos megvalósítás ésüzemeltetés;

• Nagy megbízhatóság és rendelkezésre állásegészen 500 km

h sebességig;

• A vasúti szolgáltatások egyetlen rendszerbetörténo megvalósítása;

• Késobbi szolgáltatások könnyu integrálható-sága;

• A költségek minimalizálása érdekében márszabványosított, a piacon is kapható átvitel-technikai eszközök alkalmazása.

A modern vasútspecifikus távközlési rendszer fej-lesztésének úttörojeként az UIC (Union Internati-onale des Chemins de fer, angolul InternationalUnion of Railways) nevu szervezetet jegyezheto,amely már a tervezés kezdeti fázisában kijelentette,hogy a rendszer megvalósításának kulcsfontosságúpontja a nemzetközi összehangoltság érdekében tör-téno frekvenciasáv-harmonizáció. A GSM-R rend-szer kialakulásának és fejlodésének története jó kö-zelítéssel innen, a kilencvenes évek elejétol datálható[1].

II. GSM-R FREKVENCIAKIOSZTÁS

A folyamatok 1995-ben gyorsultak fel: az UICfelállította az EIRENE (European Integrated Ra-

ilway Radio Enhanced Network) nevu munkacso-portot, melynek elsodleges feladata az volt, hogymegvizsgája a GSM és a TETRA (Terrestrial Trun-ked Radio) rendszereket alkalmazhatóság szempont-jából. A munkacsoport úgy találta, hogy a vasútialkalmazásra a GSM a legmegfelelobb rendszer, ígyerre esett a választás. Ismeretes, hogy ez a rendszera kilencvenes évek végére körülbelül 100 országtöbb mint 180 hálózatában üzemelt, és nagyjából 70millió elofizetot tudott felmutatni évi másfélszeresnövekedéssel. Ez a maga korában korszeru, inspirálóés tekintélyes eredmény volt.

A frekvenciakiosztás kérdéskörének vizsgálatasorán az UIC két lehetséges ötletet vetett fel: a450/460 MHz-es, valamint a 900 MHz-es frekven-ciasávot. Elobbi legnagyobb problémája, hogy szinteteljes egészében foglalt a klasszikus, analóg vasútirádióalkalmazások által, így nem áll rendelkezésreelegendo mennyiségu frekvenciablokk az új rend-szer implementálására, a használatban lévo frekven-ciablokkok újraosztása pedig átállási idot igényel,ez pedig nem bizonyulna jó megoldásnak. Emiatt,valamint a hullámterjedési tulajdonságok és a rend-szerek rendelkezésre állásának figyelembevételéveljobb megoldásnak bizonyult a 900 MHz-es sávbantörténo allokáció. A frekvenciakiosztás az 1. ábránlátható. A rendszer uplink-tartománya a 876 MHz −

GSME-GSM

890 MHz 915 MHz880 MHz

GSM-R

876 MHz

GSME-GSM

935 MHz 960 MHz925 MHz

GSM-R

921 MHz

Uplink Downlink

1. ábra. GSM-R frekvenciakiosztás

880 MHz-es sávban, míg a dowlink-frekvenciablokka 921 MHz − 925 MHz-es sávban található, köz-vetlenül a kiterjesztett GSM-sáv (Extended GSM,E-GSM) alatt, a TR 25-09-es ETSI-szabvány [2](European Telecommunications Standards Institute)alapján. Az európai frekvenciaharmonizáció alapjántehát megtörtént az elso lépés a rendszer nemzetköziösszehangolása felé.

A következokben az UIC a vasúti rendszerkö-vetelmények teljesítése érdekében néhány új szol-gáltatási igényt nyújtott be az ETSI mobil munka-csoportjának (Special Mobile Group, SMG), melyeka GSM szabványosításának utolsó fázisában (Phase2+) kerültek be a GSM-szabványba, majd 1997-benaz UIC EIRENE 32 európai vasúttársasággal együttegy szándéknyilatkozatban rögzítette (Memorandumof Understanding, MoU), hogy elkötelezett a GSM-R bevezetése, implementálása mellett [3]. A rendszeralapjait tehát 1998-ra teljes egészében lefektették,így a fejlesztés, a finomítás és a megvalósítás már

az ezredfordulón elkezdodhetett.

III. A VASÚTI TÁVKÖZLÉS MÚLTJA

A vasúti távközlési rendszerek világa meglehe-tosen összetett, sokszínu, az egyes alkalmazásokatgyakran teljesen eltéro technológiák szolgálják ki,valósítják meg, nemzetközi összehangoltságról gya-korlatilag nem beszélhetünk. Az alkalmazásokat ésaz azokhoz rendelt (tipikus, de nem kötelezo érvé-nyu) kommunikációs rendszereket tartalmazó táblá-zat jól szemlélteti, hogy miért van szükség a GSM-Rbevezetésére.

Alkalmazás RendszerVonatirányítás, Trönkölt rádiórend-

vezetoi kommunikáció szerek 460 MHz-enAutomatikus vonat- Sínmenti sugárzó

irányítás, vonatvezérlés kábel (35/36 KHz)Tolatási 8 MHz, 450 MHz

csoportok walkie-talkieVészhelyzeti Trönkölt rádiórend-

kommunikáció szerek 460 MHz-enSínmenti Analóg vezetékes

karbantartás telefon, PLMN-GSMVonatsegíto változó,

kommunikáció gyakran nincsenWAN ISDN, analóg hálózat

Utasszolgálat analóg mobil, ha vanÁllomáson belüli PABX hálózat,kommunikáció 160 MHz-es rádió

Nagy problémát jelent, hogy ezen analóg ésdigitális rendszerek eltéro frekvenciasávokban üze-melnek, valamint rendszerszinten egyaránt megjele-nik a vezetékes és a vezeték nélküli megoldás is,így a közöttük történo együttmuködés gyakorlatilaglehetetlen, kivitelezhetetlen, nem is beszélve a drágafenntartásról és üzemeltetésrol, a kábelezés nehéz-ségeirol és egyéb problémákról. A GSM-R többekközött ezeket a problémákat is kiküszöböli, áthidalja.

IV. GSM-R FEJLESZTÉS, ALKALMAZÁSOK

A GSM-R rendszer kialakításában résztvevoszervezeteket, azok feladatait és kapcsolatait szem-lélteti a 2. ábra.

UIC

EIRENE

MORANE

GSM-R követel-mények megfogalma-zása

Szabányosítás alap-jai, működési jellem-zők, együttműködés

Fejlesztés, tesztelésaz EIRENE által elő-írt specifikációkkal

GYÁRTÓK

ETSIETSI-SMG

2. ábra. Specifikáció és validáció

Eddig még nem esett szó a MORANE-rol (Mo-bile Radio for Railway Networks in Europe), amelytulajdonképpen egy vasúttársaságok, GSM eszközö-ket gyártó cégek és kutatócsoportok alkotta konzor-cium, mely kutatás-fejlesztéssel, eszközök vizsgá-latával és gyártásával foglalkozik egyéb, nem cso-porttag cégekkel összhangban. Látható, hogy a szer-vezetek a szabványosítástól a gyártáson keresztül atesztelésig a teljes tervezési, specifikációs feladatotellátják, így fedve le nemzetközi szinten a GSM-Rrendszerrel kapcsolatos legfontosabb feladatokat.

A rendszer követelményei, alkalmazásai két nagycsoportba sorolhatók:

• Az EIRENE által támasztott követelmények,melyek a teljes európai vasúthálózatra érvé-nyesek, így nemzetközi hatásköruek;

• Ország- és/vagy gyártóspecifikus követel-mények az igényeknek megfeleloen kiala-kítva.

Az EIRENE által meghatározott alkalmazások táblá-zata a 3. ábrán látható. Megfigyelheto, hogy a mun-

Vasútijelzőrendszerek

Üzemeltetésihangalapú

kommunikáció

Helyi és WANhang és adat

Utasszolgálat

Automatikus vonatirányítás

Távvezérlés

Vasútirányítás-vezető kommunikáció

Vészhelyzet jelzése

Tolatási kommunikáció

Vezető-vezető kommunikáció

Sínmenti karbantartás

Vonattámogatási kommunikáció

Állomáson belüli kommunikáció

WAN-kapcsolat

Kényelmi szolgáltatások

3. ábra. EIRENE alkalmazások

kacsoport által felállított táblázat gyakorlatilag teljesegészében lefedi a klasszikus feladatokat, így tu-lajdonképpen végrehajtja a feladatok egyetlen rend-szerbe történo integrálását.A kimaradt alkalmazásoknemzeti szinten implementálhatók a rendszer kereteiközött.

V. A GSM-R RENDSZER FELÉPÍTÉSE

Miként azt már említettem, a GSM-R rendszerszabványosítása során a munkacsoportok arra töre-kedtek, hogy a meglévo GSM-alapokra építsék a

rendszert, a leheto legkevesebb új elem definiálásá-val. A rendszer a 4. ábrán látható, amely ezek alapjántulajdonképpen nem más, mint a klasszikus GSM-architektúra [4]. A mobil állomások (Mobile Station,

BTS BSC

MS

BSS

Air

MSC/SSP

AEIR

VLRHLR

AC GCR

SCP

SMP

SMSVMSOMS

ABCCBS

PSTN

ISDN

PLMN

DN

Más hálózatok

IN

SSS

OMSS

Abis

4. ábra. A GSM-R rendszer felépítése

MS) az Air Interface-en keresztül csatlakoznak aBTS-ekhez (Base Transceiver Station), melyeket azAbis interface-en keresztül a BSC-k (Base StationController) vezérelnek. A BSC-k az A interface-en keresztül csatlakoznak az SSS-hez (SwitchingSubsystem), melyet tulajdonképpen az MSC (MobileSwitching Centre) és a hozzá tartozó regiszterekalkotnak. A rendszer a klasszikus PLMN-hez ha-sonlóan rendelkezik interface-szel egyéb hálózatokirányába is, valamint tartalmazza az OMSS-t (Ope-ration and Maintenance Subsystem) az üzemeltetésiés fenntartási célok érdekében.

Érdemes figyelembe venni, hogy az allokáltGSM-R frekvenciasáv igen keskeny: 4 MHz uplinkés downlink sávszélesség a klasszikus 200 kHz-es csatornákkal számolva mindösszesen 20 csatornahasználatát teszi lehetové, így a hálózat tervezésesorán különös figyelmet kell fordítani az effektívfrekvenciakijelölésekre, eroforrás-újrafelhasználásra.A GSM-R speciális hálózat, így mindenképpen szemelott kell tartani a felhasználók jellegzetességeit:kijelentheto, hogy a pályaudvarok, megállóhelyekközelében jelentosen több felhasználói igény merülfel, így itt célszeru mikrocellákat alkalmazni, melyekezt képesek effektíven, zökkenomentesen kiszol-gálni. A nagy sebességgel közlekedo szerelvények

f1

f1

f2

f2

f3

f3

f4

f4

f1 f2 f3

f1 f2 f3

Logikai cella

5. ábra. A cellák átlapolódása

esetén felmerül a handover minoségének a kérdése

is: olyan hálózatot kell tervezni és megvalósítani,ami extrém nagy sebességek esetén is képes úgyátadni a mobil állomásokat a bázisállomások között,hogy abból a felhasználó nem érzékel semmit. Ezaz igény teljesítheto az 5. ábrán látható módonátlapolódó cellákkal, azok egyetlen logikai cellábatörténo rendelésével. Elonye, hogy zökkenomentes ahandover, hátránya, hogy egy-egy BTS kisebb terü-letet képes lefedni a közös területek szükségességemiatt. Ugyanezen pályaudvaron kívüli szakaszokonkisebb hálózati terheléssel lehet számolni, hiszenaz egy idoben a cellában tartózkodó felhasználókszáma (néhány szerelvény személyzete) nem mér-heto össze a pályaudvari kommunikáció igényeivel,így a vágányok mentén elhelyzett BTS-ek kisebbkapacitással tervezhetok és kivitelezhetok. Összes-ségében tehát elmondható, hogy a GSM-R rendszerkörülbelül 95%-ban megegyezik a klasszikus GSMrendszerrel [5], különbségek elsosorban a hálózatitopológiában, valamint a tervezés vasúti igényekhezigazított menetében adódnak.

A GSM-R rendszer alkalmazásai a következokritériumokat támasztják a hálózattal és a tervezésselszemben [1]:

• Stabil összeköttetés és kommunikáció egé-szen 500 km

h -ig;

• Hatékony frekvenciafelhasználás (összesen20 csatorna);

• C/I ≥ 12 dB (EIRENE eloírás: 15 dB);

• 95 százalékos lefedettség az ido 95 szá-zalékában az elvárt területen, -90 dB-nélnagyobb szinttel;

• 99,5 százalékos handover-sikeresség GSM-R hálózatok között;

• Az átviteli utak és a hálózati eszközök ma-gas rendelkezésre állása;

• Lefedettség az alagutakban;

• Kiemelkedoen jó lefedettég a pályaudvaro-kon, tolatási zónákban;

• Az esetek 95 százalékában a táblázatbanfeltüntetettnél rövidebb hívásfelépülési ido,és a maradék 5 százalékban sem lehethosszabb, mint az itt eloírt érték másfélsze-rese.

Osztály Hívás típusa IdoI. osztály Vasúti segélyhívás 1 sI.a osztály MS-MS sürgosségi csoport 2 sII. osztály Egyéb üzemi 5 sIII. osztály Alacsony prioritású 10 s

A GSM-R hálózat összefoglalásképpen tehát szá-mos, úgynevezett elliptikus cella összessége a vágá-

nyok mentén, ahol a hálózatnak eleget kell tennie anagy sebességgel közlekedo szerelvények kiszolgálá-sának (stabil kapcsolat, handover). Ez tipikusan a vá-gányok felé irányított antennák sokaságával oldhatómeg (a minoség biztosítása érdekében használhatópéldául duplikált szektorantenna is, ami tulajdonkép-pen egyfajta térdiverziti-rendszernek felel meg). Apályaudvarok esetén eltéro a helyzet: a sebességgelkapcsolatos követelmények kisebbek, hiszen a mobilállomások többnyire állnak (vagy kis sebességgelhaladnak), viszont a hálózat terhelése, a BTS-ekhezkapcsolódó állomások száma jelentosen nagyobb(hot spot). Ezek az igények a klasszikus szektorizáltcellákkal is kiszolgálhatók. Ritka, de elofordulhatolyan eset, hogy a lassan közlekedo mobil állomásokés a felhasználók alacsony számának helyzete egy-szerre áll fenn (például kisebb megállóhelyek eseté-ben), ebben az esetben egy cella egy körsugárzóval(tehát három darab 120◦-os szektorsugárzóval) iskiszolgálható.

VI. GSM-R HÁLÓZATI STRUKTÚRÁK

Az eddigiek alapján belátható, hogy a GSM-R hálózatoknak igen magas minoségi és megbíz-hatósági elvárásoknak kell megfelelniük, eleget ten-niük, ami értheto is, hiszen a vasút veszélyes üzem.A kritériumok teljesítése BSS- és/vagy SSS-szinturedundanciával oldható meg. A legegyszerubb eseta BSS-szintu redundancia, így elsoként ezeket azeseteket célszeru áttekinteni. A struktúrákban fel-tüntetett TRAU (Transcoder and Rate AdaptationUnit) feladata a BTS-ek adatsebességeinek illesztéseaz MSC-hez (az MSC tipikusan 64 kbit

s interface-szel rendelkezik, de a GSM rádiós interface 13 kbit

s

vagy 6 kbits ). Egy lehetséges megoldás a 6. ábrán

látható lánckapcsolat. Ebben az esetben a BTS-

HLR/AC

MSC/VLR

TRAU

BSC

BSC

BTS BTS BTS BTS

BTS BTS BTS BTS

6. ábra. BTS-ek lánckapcsolása

ek sorban felfuzve, egyetlen interface-en keresztülkapcsolódnak a BSC-hez, így alakítva ki a láncot.Amennyiben egy BTS muködésében hiba lép fel,vagy a mobil állomás az Abis interface-en keresztülképtelen azzal kapcsolatot létesíteni, úgy a rendszerészrevétlenül egy másik BTS-re kapcsol.

Csillag topológiára mutat példát a 7. ábra. Eb-ben az esetben az egyes bázisállomások közvet-

lenül, külön-külön kapcsolódnak a bázisállomás-vezérlohöz, közöttük közvetlen összeköttetés nin-csen definiálva. Ezt a típusú redundanciát többnyire

HLR/AC

MSC/VLR

TRAU

BSC

BSC

BTS

BTSBTS

BTS

BTS

BTS

7. ábra. BTS-ek csillag topológiája

sokvivos rendszerekben, szektorizált bázisállomásokesetén alkalmazzák (tipikusan PLMN), de a GSM-Rrendszer keretei között is elofordulhat. A meglévo

HLR/AC

MSC/VLR

TRAU

BSC BTS BTS

BTS

BTS

BTS

8. ábra. BTS-ek hibrid topológiája

hálózatok kábelezésének felhasználásával olcsó éskönnyen eloállítható a 8. ábrán látható, az elozo kéttopológia keresztezodésébol keletkezo hibrid rend-szer, amely az eddigiekkel teljesen analóg módonmuködik, vált az egyes bázisállomások között egyesetleges meghibásodás esetén.

Az eddig ismertetett topológiák alkalmazása so-rán a kritikus út az egyes bázisállomásokat összekötokábelszakasz. A nagy megbízhatóságú kábel (legyenaz réz vagy optika) a megfelelo végzodtetéssel semolyan megbízható, mint a BTS-BSC-kapcsolat, ígya megbízható BTS-ek lánckapcsolása sem növelitovább a megbízhatósági faktort, más megoldás utánkell tehát nézni. Olyan redundáns hálózatot kellépíteni, amely áthidalja az olyan hibákat is, melyekesetlegesen a BTS-ek kapcsolatában lépnek fel. Erremegoldás a hálózati hurok alkalmazása.

A szakirodalom két típusú hurkot említ: az egyBSC-hez tartozó hurkot, és a két BSC által létreho-zott keresztátszövésu hurkot. Az elso eset a legegy-szerubb: maximum 7 BTS kapcsolható egy hurokba,amennyiben az átvitel közöttük PCM30 alapú, debiztonsági okokból ezt a számot a gyakorlatban nemszokták négynél tovább növelni. Ebben az esetben

a BSC kétirányú kapcsolatot tud létesíteni, hiszeneléri a bázisállomásokat a hurok elejérol, de a hurokvégérol is. Amennyiben az eloreirányú kapcsolat

HLR/AC

MSC/VLR

TRAU

BSC

BTS BTS BTS BTS

9. ábra. BTS hurok

valamilyen okból kifolyólag meghibásodik, úgy arendszer a hátrairányú kapcsolattal el tudja érni ateljes bázisállomás-láncot, az átkapcsolás gyakorla-tilag észrevehetetlen. Így kiküszöbölheto a BTS-ekközötti összeköttetések hibaforrása is a rendszerbol,hiszen ha valamely BTS-BTS-kapcsolat megszakad,a hurok visszirányú használatával az átkapcsolászavarmentesen végrehajtható.

Belátható, hogy ez a struktúra megoldja ugyan aBTS-BTS-összeköttetésbol adódó hibát, de a BTS-BSC-kapcsolat meghibásodásával nem tud mit kez-deni. Ezt a hiányosságot küszöböli ki a 10. ábránlátható keresztátszövésu, két BSC-vel felépülo re-dundáns duplahurok. Az eddig bemutatott megol-

HLR/AC

MSC/VLR

TRAU

BSC

BTS BTS BTS

BTSBTSBTS

BSC

10. ábra. Keresztátszövésu hurok

dások mindegyike alkalmazható rendszerszinten, dea legmegbízhatóbb, legjobb hálózatot a 11. ábránlátható teljes duplikáció, a rendszer megkettozésefogja biztosítani, hiszen kizárólag ebben az esetbenbiztosított a kapcsolat még abban az esetben is, haaz MSC-nél felsobb szinten történik hiba (példáulaz SSS-ben, kapcsolóközponti szinten). A rendszerhibamentes muködése is gyakorlatilag garantáltanbiztosítható, hiszen bármely eleme is hibásodik megaz egyik ágnak, a másik teljes egészében, mindenelemében tudja helyettesíteni azt olyan átkapcsolás-sal, hogy abból a végfelhasználó nem vesz észresemmit. A teljesen, tehát minden síkon duplikált,megkettozött rendszer minden olyan tulajdonsággalbír, amire a GSM-R rendszerben szükség van, ígyaz itt bemutatott struktúrák közül ennek az alkalma-zása a legcélszerubb, nagy hátránya viszont, hogy

rendkívül drága, tulajdonképpen a tényleges hálózatiköltségek kétszeresét igényli, hiszen a rendszer két-szeresen kerül implementálásra.

MSC/VLR

HLR/AC

MSC/VLR

HLR/AC

TRAU

A

TRAU

B

BSC

A

BSC

B

BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS

A1 A2 A3 A4

B1 B2 B3 B4

11. ábra. Teljesen duplikált rendszer

VII. A GSM-R PROJEKT HAZAI VONATKOZÁSAI

A távközlés minden területére érvényes hazaijelenség, hogy − sajnálatos módon − a technoló-giák, valamint azok fejlodésének tekintetében jelen-tos hátrányban vagyunk a többi európai országgalszemben. Nincs ez másként a GSM-R esetén sem:bár a rendszer alapjait már az ezredforduló idejénlefektették, hazánkban csak 2013-ban kezdodött elannak tervezése és kivitelezése. A hazai projekt a2007-2013-as Európai Uniós költségvetési periódusKözlekedési Operatív Programjának keretében kerülfinanszírozásra, megrendeloje a Nemzeti Infokom-munikációs Szolgáltató (NISZ) Zrt. A projektet ötfeladatra, és ennek megfeleloen öt közbeszerzésipályázatra bontották: rendszerszállítás és -integráció,az optikai hálózat megépítése, muszaki ellenorzés,a szükséges méromuszerek szállítása, az elkészülthálózat európai uniós minosítése.

A rendszer kiépítésével kapcsolatos függetlenmérnöki feladatok ellátására kiírt közbeszerzési el-járást a T-Systems Magyarország Zrt. és a MagyarTelekom Nyrt. konzorciuma nyerte meg 875,1 millióforintos ajánlatával. Feladatuk a GSM-R rendszerszállítására szerzodött vállalkozók tervezési és kivi-telezési tevékenységének muszaki ellenorzése, mun-kájuk összehangolása és ellenorzése, elorehaladásukkövetése, a NISZ folyamatos tájékoztatása és dön-téseinek végrehajtása a dokumentációban foglaltakszerint. A projekt megvalósítását érinto további, azoptikai kábelhálózati, a muszerszállítási, valamint azEK-hitelesítési pályázatok még nem zárultak le.

A szerzodések értelmében 2015 végéig a MÁVés a GYSEV összesen 935 kilométernyi pályasza-kaszán, a Magyarországon áthaladó legfontosabb

európai vasúti folyosókon építik ki a 900 MHz-essávban muködo, az Európai Unió vasúttársaságaiáltal elfogadott és egyre szélesebb körben terjedo,korszeru vasúti rádiókommunikációs rendszert. Lefe-dik a Rajka-Gyor-Budapest-Szolnok-Lökösháza, azÁgfalva-Szentgotthárd, a Bajánsenye-Celldömölk-Gyor, a Székesfehérvár-Budapest, valamint a Szajol-Püspökladány vonalat. Ezután − 2020-ra − továbbbovül a GSM-R lefedettsége. A hálózat kialakítása anemzeti közlekedési stratégiával összhangban zajlikmajd, és várhatóan további 2300-2400 kilométervasúti szakaszt érint [6]. A két fázisban megvaló-

12. ábra. Tervezett GSM-R lefedettség [7]

sult magyarországi GSM-R projekt lefedettségét, amagyar vasút érintett vonalait a 12. ábra mutatja.

VIII. A BÁZISÁLLOMÁSOK ANTENNÁINAKBEÁLLÍTÁSA

A GSM-R hálózat tervezésének egyik sarkalatospontja a megfelelo bázisállomási eszközök, antennákkiválasztása, megfelelo telepítése. Mivel a hálózatkiépítése során a tervezok és a kivitelezok arratörekednek, hogy egyrészt a leheto legkevesebb al-kalmazásspecifikus eszközt szerezzék be és építsékbe a hálózatba (ha lehet, akkor kizárólag a PLMN-GSM hálózat klasszikus alkotóelemeit alkalmazzák),másrészt igyekeznek a már meglévo bázisállomásitornyok alkalmazására, kihasználására, hiszen ezzelkikerülheto az engedélyeztetés és az építés, amimegkönnyíti és jelentosen olcsóbbá teszi a kivitele-zést. Ezek a szempontok néhány kritériumot, kérdéstmegfogalmaznak az antennák kiválasztásával, beál-lításával kapcsolatosan.

A zavar megelozésének egyik lehetséges módjaa megfelelo bázisállomási antenna kiválasztása, va-lamint annak optimális beállítása, elhelyezése. Azelhelyezés során arra kell törekedni, hogy az ugyan-arra a toronyra telepített PLMN és GSM-R an-tennák megfelelo mértékben kerüljenek elszepará-lásra. Általános szabály, hogy a GSM-R antennát

horizontálisan legalább 1 m, vertikálisan legalább0,5 m távolságban kell elhelyezni a többi anten-nától. Fontos kérdés a tiltezés is. A tiltezés se-gítségével kétféleképpen befolyásolható a szektor-sugárzók iránykarakterisztikája: a 13. ábrán láthatómechanikus, valamint elektromos úton is, a panelhelyzetének megváltoztatása nélkül. A GSM-R há-

13. ábra. Mechanikus tiltezés és hatása a horizontálisiránykarakterisztikára [8]

lózat tervezése során arra kell törekedni, hogy atiltezést minimálisra csökkentve érjük el a kívántiránykarakterisztikát. A városi, surun lakott, jelen-tosen terhelt területeken az elektromos tiltezés al-kalmazása célszeru, mert az antenna iránykarakte-risztikája így rugalmasabban, könyebben kezelheto,változtatható. A vidéki, kevésbé terhelt bázisállo-mások antennái esetén alkalmazható a mechanikustiltezés, itt ugyanis kevésbé kell rugalmasan kezelniaz antenna iránykarakterisztikáját, annak megváltoz-tatását. A 14. ábrán látható horizontális és veritkálisszektorsugárzó-antennakarakterisztika segít megér-teni a tilezés kérdéskörének nehézségeit. A GSM-

14. ábra. Horizontális és vertikális antennakarakte-risztika [9]

R hálózat tervezése során arra kell törekedni, hogy

a horizontális iránykarakterisztika minél szélesebb,de annál keskenyebb legyen, így igazodva a vasútialkalmazás igényeihez, miszerint átlapolódó ellip-tikus cellákkal kell lefedni a vasúti területeket (avágánymenti lefedettség érdekében). Amennyiben atelepítésre kerülo szektorsugárzó horizontális irány-karakterisztikája nem a megkívánt formájú, úgy aztiltezéssel az alkalmazáshoz igazítható. Ebben azesetben viszont különös figyelmet kell fordítani arra,hogy a tiltezéssel nem csak az antenna horizontális,hanem a vertikális iránykarakterisztikája is megvál-tozik, és ez problémát okozhat. A vertikális nyalábannál jobb, minél keskenyebb, hiszen egy szektor-sugárzóval minél pontszerubb vertikalitás elérése acél. Az iránykarakterisztika ezen metszetén gyakranmelléknyalábok kialakulását figyelhetjük meg, me-lyek tiltezés esetén problémát okozhatnak az azonostoronyra szerelt antennák zavarásából, illetve lefedninem kívánt területek elérésébol adódóan, így a ter-vezés során különös figyelemmel kell eljárni.

IX. A GSM-R RENDSZER ELEKTROMÁGNESESKOMPATIBILITÁSI KÉRDÉSEI

MEGJEGYZÉS: AZ ITT BEMUTATÁSRA KERÜLOMÉRÉSI EREDMÉNYEK A NEMZETI MÉDIA- ÉSHÍRKÖZLÉSI HATÓSÁG SZELLEMI TULAJDONÁTKÉPEZIK, MELYEKHEZ GYAKORNOKI MUNKÁMSORÁN JUTOTTAM, AZOKAT A MUNKÁM KERETÉ-BEN VIZSGÁLTAM, ÉRTÉKELTEM. MIVEL AZ ADA-TOK, ÁBRÁK ÉS A VÉLEMÉNYEZÉS NEM PUBLI-KUS, EZÉRT A DOKUMENTUM TERJESZTÉSE ÉSFELHASZNÁLÁSA NEM LÉPHETI TÚL A TÁVKÖZ-LÉSI TANSZÉK KERETEIT! AZ ÁBRÁK NEM AZ ÉNSZELLEMI TERMÉKEIM, A VÉLEMÉNYEZÉSRE VI-SZONT NÉHÁNY JOG FENNTARTVA!

A GSM-R rendszer bevezetésével és elterjedé-sével fontos kérdéssé vált annak elektromágnesesszempontból értelmezett összeférhetosége a már üze-melo rendszerekkel. A kompatibilitás vizsgálata el-sosorban azért fontos és indokolt, mert a GSM-sávkiterjesztésével (E-GSM) a nyilvános mobil háló-zatok frekvenciasávja gyakorlatilag közvetlen szom-szédja lett a GSM-R részére allokált frekvenciablok-koknak, nulla frekvenciatartománybeli védelmi inter-vallummal. A két rendszer szimultán muködésénekköszönhetoen a tervezési és kivitelezési fázisok soránkülönös figyelmet kell fordítani arra, hogy a kölcsö-nös zavar a leheto legkisebb, minimális legyen.

A GSM-R rendszer bevezetése elott célszeru te-hát megvizsgálni elsosorban azt, hogy a 900 MHz-es sávban muködo PLMN BTS-ek mennyire, milyenmértékben, valamint hogyan, milyen szempontbólokoznak káros zavart a telepítésre kerülo GSM-RBTS-ek számára. A mobilszolgáltatók a 900 MHz-es sávban három típusú PLMN-hálózatot üzemeltet-nek, melyek három típusú csatornasávszélességgel

dolgoznak: GSM (200 kHz), UMTS (5 MHz) és LTE(5 MHz és 10 MHz). Az elektromágneses kompati-bilitási vizsgálatok során a következo esetek meg-vizsgálása szükséges: a kisugárzás során keletkezointermodulációs termékek hatása a GSM-R vevo be-menetén (mellékhullámú sugárzás), a GSM-R vevobemenetén keletkezo intermodulációs termékek ha-tásra, a GSM-R vevo blokkolása, valamint a GSM-Rvevo bemenetére kerülo modulálatlan szinuszos vivohatása.

A vizsgálatok elott két rendkívül fontos, gyártó-és/vagy eszközspecifikus vevoparamétert kell meg-vizsgálni: az érzékenységet és a frekvenciaszelektivi-tást. Nagy GSM-R vevoérzékenység esetén már igenkis szinttel megjeleno intermodulációs termékek isproblémát okozhatnak, míg a frekvenciaszelektivitásaz intermodulációs termékek frekvenciatartomány-beli megjelenési szélességétol függoen befolyásoljaa zavarás mértékét. Az ideális GSM-R vevo han-golható sávátereszto szurovel rendelkezik: a vételi200 kHz sávszélességu csatornában tökéletesen át-ereszt, azon kívül végtelenül meredek levágássalsemmit nem enged a vevorendszer bemenetére. Eznyilvánvalóan kivitelezhetetlen. Egy GSM-R vevoszelektivitására mutat példát a 15. ábra két eltéroGSM-R csatorna vizsgálata esetén. Megállapítható

15. ábra. Vevoszelektivitás két eltéro GSM-R csator-nában

tehát az is, hogy a szelektivitás a berendezéseknekmuködési frekvenciájának kis mértékben függvénye.

Az intermodulációs termékek vizsgálatának fon-tosságát célszeru demonstrálni egy példával, amialátámasztja azt a kérdést, hogy miért van szükség azelektromágneses összeférhetoség vizsgálatára. A de-monstrációt egy egyszeru, ingyenes internetes prog-ram segítségével végeztem el [10]. A 16. ábra kétGSM-R downlink csatorna intermodulációs terméke-ire mutat példát. Amennyiben egy ARFCN=1, tehátf = 935, 2 MHz középfrekvenciával rendelkezo, 200kHz sávszélessu downlink csatorna, valamint egy

ARFCN=55, tehát f = 946 MHz középfrekvenci-ával rendelkezo, szintén szabványos 200 kHz sáv-szélessu downlink csatorna egyszerre jelenik meg,úgy az létrehoz olyan intermodulációs termék(ek)et,melyek a GSM-R sávban zavaró jelként jelenhet-nek meg (a két csatorna teljesítménye egyaránt -25dBm). A két csatorna hatására két intermodulációs

16. ábra. Két GSM downlink-csatorna intermodulá-ciós termékei

termék keletkezik a teljes GSM-sávon belül: egya számunkra fontos GSM-R sávon belül -63 dBmteljesítményszinttel az ARFCN=971-es csatornában(924,4 MHz), valamint egy másik szintén −63 dBmteljesítmlényszinttel az ARFCN=109-es csatornában(956,8 MHz). Ennél is nagyobb problémát okozhathárom, E-GSM sávban szimultán üzemelo csatorna,miként az a 17. ábrán látható. A három csatorna szé-

17. ábra. Három E-GSM downlink-csatorna intermo-dulációs termékei

lessávú, nagy jelszintu, burst-szeru zavart hoz létre,ami jelentosen befolyásolhatja a GSM-R rendsze-reket, így a kompatibilitási vizsgálat egyértelmuenindokolt a rendszer bevezetése elott.

18. ábra. GSM-R-GSM mellékhullámú vizsgálat

A 18., 19. és 20. ábrák a mellékhullámú sugárzás

elleni védelmet mutatják két különbözo GSM-R vé-teli szint mellett, egy adott gyártó vevoje esetén. A

19. ábra. GSM-R-UMTS mellékhullámú vizsgálat

vizsgálat eredményei azt mutatják, hogy míg GSM-R - GSM zavarás esetén a C/I értéke a frekvenciá-nak jó közelítéssel exponenciális függvénye, addig aszélessávú technológiák (UMTS, LTE) esetén a C/Icsökkenése ugrásszeru. Ennek fizikai tartalma, hogyszélessávú rendszerekkel történo interferencia eseténszélesebb frekvenciasávban elegendo igen kis zavaróteljesítményszint a GSM-R összeköttetés minoségé-nek romlásához. Az eredmények a vizsgált vevoké-szülékek szempontjából nem mutatnak különbséget.

20. ábra. GSM-R-LTE mellékhullámú vizsgálat

A blokkolási vizsgálatok eredményei azt mu-tatták, hogy a vevokészülékek e tekintetben közellineáris viselkedést mutatnak: amennyiben növekszika vételi szint értéke, úgy egyre nagyobb zavaró szintszükségeltetik a blokkolási hatás eléréséhez, ennekértelmében jó közelítéssel lineárisan növekszik a C/Iértéke is. A kisugárzott intermodulációs termékek ki-szurésére a mérés során beiktatott szuro eltávolításajelentosen befolyásolja a mérési eredményeket: szuro

nélkül egy adott hasznos vételi szinthez lényegesenkisebb zavaró szint szükséges a blokkolás eléréséhez,mint szurovel. Ez azt jelenti, hogy a blokkolástjelentosen befolyásolják a zavaró adóban keletkezo,kisugárzott intermodulációs termékek, hiszen azokhatása szuperponálódik a tiszta, egyfrekvenciás za-varra, így növelve meg az interferenciát a vevoké-szülék bemenetén.

A szinuszos zavaró jellel végzett vizsgálatokeredményei azt mutatták (21. ábra) hogy amennyibena GSM-R és a zavaró jel frekvenciája megegyezik,úgy a C/I értéke a GSM-R jelszintjétol függet-len, konstans. A függetlenség annak következmé-nye, hogy az ofszet zérus, így nem keletkeznek avevo bemenetén intermodulációs termékek, így azoknem befolyásolják érdemben a mérési eredménye-ket. Amennyiben a hasznos és a zavaró jel közöttfrekvencia-ofszet lép fel, úgy a létrejövo intermodu-lációs termékek a megbontják a szintfüggetlenséget,így C/I értéke a hasznos jel szintjének függvényelesz.

21. ábra. Egyfrekvenciás zavar vizsgálata

X. A GSM-R JÖVOJE

Talán nem túlzás azt állítani, hogy a GSM-R jö-voje már a hazai kivitelezési fázis elott megpecséte-lodött. Ha áttekintjük, hogy a nyilvános mobilhálózatmiként fejlodott az ezredforduló óta, a generációkmiként, milyen sebességgel és milyen elképesztotechnológiai fejlodéssel épültek egymásra (GSM,UMTS, LTE), valamint miként bovültek egyre gyor-sabban a felhasználói igények, úgy belátható, hogy avasúti hálózat hogyan, miként fog fejlodni a jövoben.

A GSM-R rendszer komoly korlátokat jelenta jelen és a jövo elvárásaivanak megvalósításávalszemben: viszonylag kis kapacitású rendszerrol be-szélünk, a forgalmi csatornák szukösek, ami elso-sorban a magas prioritású kapcsolatoknál (biztosító

berendezések), határátlépéseknél és a rendkívül for-galmas területeken érzékelheto. A rendszer technoló-giai elavultsága miatt kis adatátviteli sebességet tudbiztosítani a felhasználók számára (9,6 kbps, 150kbps), és azt is csak igen magas csomagkésleltetéssel(t > 400 ms), a modern interaktív-multimédiásszolgáltatások biztosítására éppen ezért alkalmatlan,pedig erre szükség lenne az utasok kiszolgálása soránpéldául (szélessávú fedélzeti internet, mint kényelmiszolgáltatás, Facebook, Tumblr, stb.), és akkor mégnem is említettük a 900 MHz-es interferenciát aGSM-sávban. Tény továbbá, hogy a vasúti forga-lomvezérlés, biztosítás biztonságkritikus rendszerek,robosztusabb, biztonságosabb technológiát igényel-nek (RF-szempontból is) [11].

Nagyon valószínu tehát, hogy a GSM-R kiépítéseután az gyors technológiai fejlesztésen fog átesni,ráadásul úgy, hogy a vasúti alkalmazások a PLMNgenerációs evolúciós lépéseit kihagyva rögtön LTE-re fognak átállni. Ezt érdemes a hálózat kialakításasorán figyelembe venni, így olyan eszközöket tele-píteni, melyek rugalmasan fejleszthetok a késobbieksorán LTE-re. A ZTE [12] nevu cég cég az egy-elore LTE-R névvel illetett technológia szabványosí-tását 2020-ra prognosztizálja, annak kiépítését pedignagyjából 2030-as távlatra teszi. Az LTE spektrum-hatékonyabb és robusztusabb technológia (OFDM +MIMO, jobb RF-paraméterek), a rendszeren bizto-sítható a szélessávú adatátvitel, továbbá késleltetés(regisztráció és csomagkésleltetés) tekintetében sok-kal jobb, megbízhatóbb. A ZTE a 22. ábrán láthatómódon tekint a jövore. Várhatóan szükség lesz a két

22. ábra. A GSM-R fejlodése a ZTE szerint [11]

technológia, tehát a GSM-R és a tervezett LTE-R szi-multán, egyszerre történo muködtetésére, hiszen azátállás csak két lépcsoben valósítható meg: elsokénta nem biztonságkritikus alkalmazások helyezhetokát a szélessávú technológiára, majd után a teljesmigráció is megvalósítható, mely után a GSM-Rösszes berendezése kikapcsolható, lecserélheto.

XI. KONKLÚZIÓ

Összefoglalásképpen elmondható, hogy a klasszi-kus, különféle közegeken különféle technológiákatalkalmazó, éppen ezért nehezen kezelheto és össze-hangolható vasúti kommunikációs alkalmazások le-cserélése, egyetlen technológiára, rendszerre történoillesztése olyan cél, amely önmagában indokolttá

teszi a GSM-R bevezetését és elterjedését. A klasszi-kus PLMN-technológiára, annak építoelemeire, meg-oldásaira, de a vasúti alkalmazások biztonságkriti-kusságát és igényeit figyelembe vevo rendszer meg-felelo harmonizációs megoldást biztosít.

Azt viszont látni kell, hogy a GSM-R 900 MHz-es frekvenciakiosztása komoly kérdéseket vet fel azelektromágneses összeférhetoség szempontjából azüzemelo PLMN-hálózatokkal, melyet a bevezetéselott vizsgálni kell, és a vizsgálati eredményeketmérlegelni szükséges. A GSM-R tervének imple-mentálása során arra is különös figyelmet kell for-dítani, hogy a modern technológiai igények figye-lembe vételével a rendszer fel legyen készítve afejlesztésre, és a majdani LTE-re való cserére is.Elmondható, hogy a jelen kérdései nem csak a GSM-R implementálása körül kerülnek feltevésre, az LTE-R már valós jelenkori alternatíva, így biztos, hogy akövetkezo idoszakban párhuzamosan fog zajlani aGSM-R hálózatok kialakítása, valamint az új tech-nológia alapjainak lefektetése, szabványosítása. AGSM-R és a vasút távközlési megoldásai tehát mégévtizedekig meghatározó szeletet fognak kihasítania világ távközlési tortájából, így erre a területrekiváltképpen érdemes lesz odafigyelni.

HIVATKOZÁSOK

[1] Hillenbrand W. GSM-R: The Railways Integrated MobileCommunication System. C. A. Siemens, 1999.,

[2] www.etsi.org (utolsó látogatás: 2014. október 23).[3] http://www.gsm-rail.com/sites/default/files/documents/MoU.pdf

(utolsó látogatás: 2014. október 20).[4] Proakis J. G. Wiley Encyclopedia of Telecommunications.

Wiley & Sons Publications, New Jersey, 2003.[5] Maros D. GSM. Egyetemi jegyzet, Óbudai Egyetem, Buda-

pest, 2001.[6] http://computerworld.hu/computerworld/gsm-r-500-kmh-

ig.html (utolsó látogatás: 2014. október 22).[7] Agárdi F. GSM-R projekt. HTE Infokom 2014, konferencia-

eloadás, Kecskemét, 2014.[8] http://www.kathrein.pl/down/9986223.pdf (utolsó látogatás:

2014. október 22).[9] http://www.telecomhall.com/what-is-antenna-electrical-and-

mechanical-tilt-and-how-to-use-it.aspx (utolsó látogatás:2014. október 24).

[10] http://www.triorail.com/trio-im3-sim/ (utolsó látogatás:2014. október 24).

[11] Benkovics L. A GSM-R fejlodése a ZTE szerint. HTEInfokom 2014, konferenciaeloadás, Kecskemét, 2014.

[12] http://www.ztehungary.hu/