Sprawny transport kolejowy towarów i pasażerów wymaga bezpośredniej i niezawodnej komunikacji między stacją sterującą ruchem pociągów a maszynistą prowadzącym skład oraz pracownikami obsługującymi kolejowe trakty komunikacyjne. Takie wymagania spełniają jedynie najnowsze rozwiązania europejskiego systemu komórkowego GSM-R, specjalnie projektowanego dla aplikacji kolejowych.

W zależności od charakteru żądanej usługi systemy łączności kolejowej tworzy się za pomocą różnych rozwiązań infrastruktury teleinformatycznej. Większość działających resortowych systemów analogowej łączności wykorzystuje do tego celu pasmo radiowe 450/460 MHz, które nie pozwala jednak na realizację nowoczesnych aplikacji dla kolejnictwa, wymagających szerszego pasma przenoszenia. Bardziej użyteczne okazuje się przydzielone radiokomunikacji ruchomej pasmo w zakresie częstotliwości 900 MHz - przeznaczone do cyfrowych transmisji głosu i danych w zmodyfikowanym, kolejowym systemie komórkowym GSM-R (GSM-Railway).

Początki systemu GSM-R sięgają 1992 r., kiedy to członkowie organizacji UIC (Union Internationale des Chemins de Fer) zainicjowali prace nad specyfikacją radiowej sieci zintegrowanej EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network), której celem było zdefiniowanie komunikacji bezprzewodowej, spełniającej wymagania europejskich kolei. Nadzorowany przez ETSI projekt EIRENE, po modyfikacjach z udziałem producentów systemów GSM, zaowocował (1995 r.) prototypowymi rozwiązaniami takiej łączności w konsorcjum MORANE (Mobile Radio for Railway Network in Europe). Urządzenia i terminale dla nowego systemu łączności dostarczały różne firmy: Siemens, Nortel, Alcatel, Kapsch, Alsthom oraz AMC (zastąpiony później przez Sagem).

Pierwsze systemy nowoczesnej łączności dla kolejnictwa były projektami badawczymi - DIBMOF (Niemcy), DART (Wlk. Brytania) czy paneuropejskie MORANE i EIRENE - których celem było zbadanie przydatności rozwiązań komórkowych GSM 900 do specyfiki eksploatacyjnej i obsługi tras kolejowych z szybkimi pociągami klasy Eurostar. Uzyskane doświadczenia pozwoliły najpierw na podpisanie odpowiednich porozumień MoU z 32 krajowymi zarządami kolejowymi (1997 r.), a następnie zdefiniowanie wymagań europejskiego standardu GSM-R, który miał być wdrażany w Europie do 2003 r. w zakresie częstotliwości 900 MHz. Kluczowym elementem rozwoju było pozyskanie i zatwierdzenie wspólnego dla wszystkich rozwiązań pasma częstotliwości radiowych. Nowe częstotliwości pracy Międzynarodowa Unia Kolei (UIC) pozyskała w 1995 r., po ich akceptacji przez Europejski Instytut Standardów Telekomunikacyjnych (ETSI).

Podobna infrastruktura

Większość elementów infrastruktury łączności kolejowej GSM-R jest wykonana w sprawdzonej technologii komórkowej GSM. Zastosowana w nowych systemach redundancja sprzętowa i rozbudowane oprogramowanie umożliwiają eliminowanie błędów i awarii, zapewniając odpowiedni poziom niezawodności. Podobieństwo rozwiązań GSM-R do infrastruktury sieci komórkowej GSM 900, w której istnieją i funkcjonują gotowe algorytmy zarządzania i utrzymania sieci oraz przydziału kanałów radiowych, eliminuje konieczność projektowania od podstaw nowych procedur dostosowanych do odmiennych wymagań transportu kolejowego. Takie postępowanie redukuje koszty operatora kolejowego związane z projektowaniem, eksploatacją i utrzymaniem nowego systemu.

Dla resortu kolejnictwa zaproponowano standard GSM w rozszerzonej wersji Phase 2 (GSM 2G+), doposażony w szybsze transmisje w technologii GPRS, a ostatnio również EDGE. Pasmo radiowe GSM-R obejmuje dwa niespójne, ale komplementarne przedziały częstotliwości: od 876 MHz do 880 MHz do komunikacji w stronę sieci (uplink) oraz pasmo od 921 MHz do 925 MHz (downlink) do transmisji w kierunku terminali. Standaryzacja pasma radiowego zapewnia międzynarodową współpracę poszczególnych kolei krajowych - wykorzystujących przydzielone UIC pasmo 4 MHz - i pozwala zwolnić część zajmowanych do tej pory przez służby kolejowe innych zakresów radiowych.

Infrastruktura systemu GSM-R nie różni się zasadniczo od lądowej łączności GSM powszechnego użytku. Standard GSM-R jest w ok. 85% oparty na ogólnodostępnej technologii GSM, z wykorzystaniem transmisji pakietowych GPRS (2G+) działających ze średnią szybkością 30-40 kb/s. Większość elementów i urządzeń funkcyjnych pochodzących z systemu GSM (moduły terminali ruchomych, stacje bazowe, sterowniki, rdzeń sieci, systemy dyspozycyjne oraz systemy sterowania operacyjnego) znajdują się w produkcji masowej, a więc nie są to drogie składniki systemu łączności.

Stosunkowo wąskie pasmo dostępnych w systemie GSM-R częstotliwości radiowych (2 x 4 MHz) wymaga stosowania tych samych częstotliwości w blisko siebie położonych komórkach radiowych, co zmienia i utrudnia sposób gospodarowania zasobami nośnymi systemu w stosunku do GSM. Wielokrotne wykorzystanie tych samych grup częstotliwości w różnych niespójnych komórkach sieci zwiększa ich pojemność, natomiast instalacja wielu mikrokomórek na obszarach o dużej gęstości aktywnych użytkowników (dworce, stacje przeładunkowe) zapewnia podwyższenie ruchu telekomunikacyjnego.

W nowej infrastrukturze rozwiązano problem właściwego pokrycia sygnałem radiowym terenów o ograniczonej propagacji sygnału radiowego (tunele, wykopy, lasy czy przełęcze). Ze względu na problemy techniczne, wynikające z odmiennych warunków propagacji fal radiowych, istnieje potrzeba wyposażenia sieci GSM-R w kanały o wysokiej niezawodności oraz niewielkiej prędkości transmisji danych (minimum 250 b/s z szyfrowaniem komunikatów). Ponadto potrzeby kolejnictwa wymagają uzupełnienia standardu GSM funkcjami typowymi dla radiowych systemów dyspozytorskich, wśród których istotną rolę odgrywają natychmiastowe połączenia bezpośrednie, połączenia grupowe oraz przekaz wielu rodzajów sygnałów alarmowych.

Tradycyjne sterowanie ruchem pociągów wymaga specyficznych rozwiązań łączności kolejowej, utrzymywanej przez kilka zainstalowanych wzdłuż traktu szynowego systemów komunikacji (łączność radiotelefoniczna, łącza selektorowe z dyspozytorem liniowym, łącza zapowiadawcze). Instalowane na szlaku systemy radiowe GSM-R stanowią przede wszystkim wsparcie już istniejących rozwiązań komunikacyjnych, które usprawniają automatyzację sterowania i bezprzewodowej łączności kolejowej na szlaku.

Prace adaptacyjne nad systemem dla kolejnictwa polegały na wprowadzeniu jedynie kilku modyfikacji, istotnych z punktu widzenia niezawodności tradycyjnego systemu komórkowego GSM:

• zmodyfikowaniu zakresów pasma częstotliwości i zasad przydziału kanałów radiowych w podsystemie stacji bazowych BSS (Base Station Subsystem);
• optymalizacji parametrów oprogramowania podstacji BSS pod kątem procedur przełączania handover;
• wprowadzeniu usługi wspomagającej adresowanie stacji ruchomych typu FollowMe;
• realizacji transmisji z przełączaniem pakietów GPRS i EDGE.

Za względu na wyższą niezawodność działania w kolejnictwie jest potrzebna wyższa klasa obsługi niż w systemach GSM. Oferowane w tradycyjnych rozwiązaniach GSM pokrycie ok. 90% na obrzeżach sieci zwiększono do 99%, a niekiedy nawet więcej. Niezbędna stała się również komunikacja w połączeniach grupowych i rozsiewczych dla głosu, a więc realizacja połączeń dyspozytorskich typu PMP (Point to Multipoint) między jednym źródłem a wieloma odbiorcami jednocześnie.