Železniční bezdrátová přenosová síť

Vědeckotechnický sborník ČD č. 27/2009

1

Aleš Márovec, David Žák1

Železniční bezdrátová přenosová síť

Klíčová slova: ŽBPS, komunikace, datové přenosy, GPS, poloha, GPRS, GSM-R, GSM-P, InteGRail

1. Úvod Drážním komunikacím v 19. století vládl telegraf, ve 20. století pak dálnopis

a telefon. Začátek 21. století lze charakterizovat rychlým nástupem bezdrátových technologií ve všech možných oblastech použití. Bezdrátová řešení jsou v posledních letech preferovaným způsobem zajištění přenosu dat, a to nejen mezi navzájem pohybujícími se objekty, ale i mezi objekty stacionárními, a to díky jejich jednoduchosti a ekonomické výhodnosti. Velkosériová výroba zařízení navíc výrazně snížila cenu jednotlivých komponent bezdrátových sítí a umožnila tak jejích rozšíření do všech možných typů zařízení.

Využití bezdrátových přenosů dat na železnici však má určitá specifika a odlišnosti od bezdrátových sítí pro potřeby domácností, kancelářských prostor či výrobních závodů. Železnice je prostředím velice komplexním, ve kterém jsou na bezdrátové datové přenosy kladeny velmi rozdílné požadavky týkající se objemu a četnosti přenášených dat, typu komunikujících zařízení, zabezpečení přenosu nebo velikosti teritoria, na němž je třeba komunikovat. Proto se setkáváme jak s řešeními velice obdobnými domácím WLAN (například WiFi sítě v čekárnách ČD Lounge určených pro cestující 1. třídy), tak i s řešeními naprosto odlišnými (jedním z příkladů jsou přenosy diagnostických dat z vozidel.

Koncept Železniční Bezdrátové Přenosové Sítě (ŽBPS) vznikl za účelem konsolidace různých přenosových sítí, komunikačních zařízení apod. v jeden celek, který integruje dostupné přenosové sítě a zároveň šetří náklady na datové komunikace. ŽBPS je od začátku koncipována tak, aby vyhověla požadavkům železničního prostředí a usnadnila implementaci telematických aplikací pro železniční dopravu.

2. Obecný pohled na komunikace v ŽBPS

ŽBPS je koncipována s cílem umožnit aplikacím na mobilní (komunikační terminály, zařízení na kolejovém voze, apod.) a stacionární straně (např. serverová řešení) komunikovat pomocí standardu TCP/IP bez nutnosti zabývat se sestavováním

1 Ing. Aleš Márovec, 1975, České Vysoké Učení Technické v Praze, fakulta elektrotechnická, specializace telekomunikační technika. V současné době ČD - Telematika, a. s., aktuální specializace vývoj telematických aplikací na bázi přenosu dat mezi pevnou infrastrukturou a mobilními objekty. RNDr. David Žák, Ph.D., 1970, Univerzita Palackého Olomouc, specializace experimentální technika, nyní Univerzita Pardubice, Fakulta elektrotechniky a informatiky, odborný asistent


2

spojení, výběrem dostupných sítí, směrováním apod. ŽBPS nabízí transparentní prostředí datových komunikací a umožňuje tak aplikacím například komunikovat přímo s odpovídajícími aplikačními servery. Schéma obecného modelu je uvedeno na Obr. 1. Současné realizované pilotní řešení zahrnuje pouze jednu mobilní přenosovou síť.

Komunikační brána (KB) zajišťuje směrování mezi stacionárními a mobilními sítěmi, tak aby oddělila aplikace například od řešení problémů týkajících se výběru sítě, směrování provozu, prioritizace a kvality služeb (QoS). Aplikacím, především na stacionární straně, je nabízena služba dynamického DNS, která v rámci Komunikační brány řeší identifikaci objektu připojeného do ŽBPS a poskytuje v daný okamžik dostupné nebo nejvhodnější komunikační spojení (skutečnou IP adresu) pro komunikaci s ním. Pro vybranou třídu požadavků na komunikace pak může zajišťovat přímo zpracování odpovědi (poskytnutí dat) z dat uložených v databázích KB nebo pracovat jako proxy cache/server mezi stacionární a mobilní částí síťového prostředí.

Národní

roaming

GPRS

CDS, GPRS

Obr. 1: Obecné schéma ŽBPS

3. Přehled stávajícího stavu mobilních datových přenosů vozidel

Českých drah, a.s. (ČD)

3.1 Používané aplikace s přenosy dat Aktuálně jsou v reálném provozu, v rámci českého železničního prostředí,

provozovány 4 aplikace využívající bezdrátových přenosů dat mezi hnacími vozidly a centrálními systémy. Jde o tato řešení a aplikace: Informace o poloze vlaku.


3

Aplikace „Aktuální poloha“ [1], je provozována na všech komunikačních

terminálech, které jsou integrovány do prostředí ŽBPS. Informace o poloze vlaku se předávají do informačního systému pro řízení provozu s názvem ISOŘ.

Další využití dat z aplikace „Aktuální poloha“ je poskytování údajů o poloze systému VoSer (VOzidlový SERver). Na VoSer jsou zasílána data aplikací „Aktivní odstavení“, „Diagnostika“ a „Pohony“. Data o poloze jsou využita k určení míst událostí, které vznikly na vozidle. Tato informace je následně využita k optimalizaci procesů spojených s provozem vozidel.

V současné době je také v rámci dopravní obsluhy regionu Jihomoravského kraje postupně budovaným systémem IDS, provozováno více než 18 železničních hnacích vozidel (lokomotiv), ze kterých se informace o poloze vlaku automatizovaně předávají také mimo drážní prostředí. V tomto případě do dispečinku Integrovaného dopravního systému (IDS) Jihomoravského kraje. To umožňuje zejména koordinovat návaznosti mezi autobusovými a železničními spoji v rámci integrovaného dopravního systému a při drobných zpožděních nebo jiných nepravidelnostech v dopravě v rámci IDS, jehož je železniční doprava součástí, přijmout operativní opatření k zajištění přestupních vazeb a zabezpečit informovanost cestujících. Další aplikace jsou implementovány pouze na elektrických jednotkách řady 471. Jedná se o následující aplikace: Aktivní odstavení, Diagnostika, Pohony

Aplikace „Aktivní odstavení“ elektrických jednotek řady 471 je realizována u více než 40 souprav řady 471 (CityElefant) a postupně se rozšiřuje na všechny nově předávané jednotky této řady. Soupravy zůstávají připojené k trakčnímu vedení, aby bylo možné zajistit temperování soupravy a vody zejména v období mrazu, přičemž stanoviště strojvedoucích jsou neobsazena, ale pod stálým dozorem strojmistra.

Aplikace „Diagnostika“ zajišťuje odesílání všech požadovaných alarmů ze soupravy na určené centrální pracoviště, kde jsou ukládány a monitorovány dispečerem.

Aplikace „Pohony“ zajišťuje možnost vzdáleného přístupu k diagnostickým datům jednotek trakčních pohonů výrobcem jednotek řady 471 Škoda Transportation.

3.2 Současný stav využití přenosových sítí Datové komunikace z hnacích vozidel a na ně jsou v současné době řešeny

přes síť veřejného operátora GSM-P (Telefonica O2 Czech Republic, a.s). V 1. čtvrtletí roku 2009 bude dokončen projekt výstavby sítě GSM-R (Global System for Mobile Communication for Railway) mezi Kolínem a Břeclaví navazující na pilotní projekt výstavby GSM-R státní hranice Německo/Česko - Děčín – Kolín. Síť GSM-R je určena zejména pro hlasovou komunikaci, ale v souvislosti s dokončením projektu se připravuje spuštění pilotního provozu GPRS v GSM-R a jeho začlenění do komunikačního prostředí popisovaného v tomto dokumentu.


4

3.3 Přenosová zařízení na hnacích vozidlech

Ke konci roku 2008 bylo již 179 hnacích vozidel nebo elektrických jednotek ČD, a.s. a ČD Cargo, a.s. vybaveno několika typy přenosových zařízení s funkcí společné (centrální) komunikační jednotky (terminálu), schopných přenášet data s využitím technologií GPRS v sítích GSM-P (dnes konkrétně operátora Telefonica O2 Czech Republic, a.s.). Vybavení uvedených vozidel touto moderní technikou je realizováno spolu s budováním GSM-R sítě SŽDC v ČR. Většina instalovaných zařízení je připravena pro komunikaci ve více typech sítí včetně GSM-R.

V současné době jsou v České republice nasazeny na hnací vozidla tyto typy komunikačních terminálů: Telerail TLR-ZJ (výrobce Unicontrols, a.s.) Radiostanice VS67 (výrobce T-CZ, a.s.)

Komunikační terminály TeleRail a datová část radiostanice VS67 jsou obdobného HW a systémového řešení. Pracují pod operačním systémem Linux v proprietární instalaci. Mají modulární HW stavbu a již v základním provedení několik typů komunikačních rozhraní včetně Ethernetu. K Ethernet portu (do lokální vozidlové sítě) je možné připojit další zařízení komunikující v prostředí TCP/IP, která mohou používat prostředí sítě ŽBPS k přenosům dat. Komunikační datová karta (výrobce RADOM, s.r.o.)

Je volitelnou součástí radiostanic FXM-20 a FMX-21 (radiostanice FXM-21 je zjednodušenou verzí FMX-20). Tato zařízení jsou proprietárním hardwarovým i softwarovým řešením výrobce a umožňují připojit další zařízení na kolejovém vozidle prostřednictvím sériového portu RS-485. Komunikační datová karta použitá v zařízeních FXM-20 a FXM-21 pracuje s jedinou IP adresou odpovídající IP adrese GPRS portu. Jednotlivá zařízení připojitelná přes rozhraní RS-485 mohou být rozlišována různými čísly portů TCP/IP protokolu.

3.4 Komunikační infrastruktura

Komunikační a aplikační infrastruktura nezbytná pro realizaci zakázky Implementace GSM-R v síti Českých drah, a.s. byla uvedena do provozu v prosinci 2007 [2]. Na obr. 2 je zobrazeno základní schéma celého řešení. Komunikační a aplikační infrastruktura ŽBPS v ČR se skládá především z: Komunikační brány, viz 3.4.1 Komunikačních terminálů, viz 3.4.2 Přístupových a přenosových sítí, viz 3.4.3

Komunikační infrastruktura je plně postavena nad standardy TCP/IP.


5

Obr. 2: Stav řešení pro přenosy dat v ŽBPS v roce 2008

3.4.1 Komunikační brána

Komunikační brána představuje rozhraní mezi intranetem ČD a přenosovými sítěmi (v současné době APN sítě GPRS/GSM-P), které zajišťují vlastní mobilní datové komunikace na hnací vozidla. Komunikační brána zajišťuje: správu a přidělování IP adres v síti ŽBPS, služby dynamického DNS, směrování TCP/IP komunikací, překlad virtuálních IP adres aplikačních serverů, bezpečnost komunikací a přístupu do sítě ŽBPS, funkce AAA – Authentication, Authorization, Accounting, přímé zpracování a distribuci některých provozních dat.

Komunikační brána je umístěna ve stacionární částí komunikační infrastruktury. Popis funkcí Komunikační brány

Dynamické DNS DNS server je základní částí Komunikační brány. Úkolem DNS serveru je poskytovat DNS služby serverům/aplikacím

stacionární části ICT infrastruktury a komunikačním prvkům v mobilní části sítě na vozidlech, perspektivně v personálních terminálech a případně v dalších typech řešení. Operativně a dynamicky vyhodnocuje vazbu mezi reálnou IP adresou komunikačního terminálu, případně jiného zařízení a jednotlivými částmi URI (Uniform Resource Identifier – „jednotný identifikátor zdroje“), mezi které náleží číslo


6

vlaku, UIC číslo vozu, funkce na vlaku. Struktura URI jména má ve vazbě na zvolené provozní charakteristiky pevnou logickou stavbu, která je popsána v dalších částech textu.

Důležitou funkcí DNS serveru komunikační brány je odlišné chování oproti DNS serverům v běžné TCP/IP síti. DNS server poskytuje v rámci ŽBPS překlad IP adres pouze pro jednotky, které jsou v danou chvíli aktivní – tj. komunikují a jsou autorizované.

Řešení realizované v České republice, uvedené do provozu v prosinci roku 2007, umožňuje jmennou adresaci zařízení na vozidle pomocí dynamického DNS serveru, viz [3]. Toto řešení umožňuje jmennou adresaci konkrétních zařízení na vozidle či vlaku a reverzní překlad IP adresy na základní jmenný název obsahující např. UIC kód vozidla. Struktura DNS jména odvozená z [6] je:

device.car.consist.train.operator.rcn

Význam jednotlivých částí DNS jména je: device – označení koncového zařízení, car – UIC označení vozu, případně pozice vozu na vlaku, consist – skupina vozů, zachováno pro kompatibilitu, train – číslo nebo označení vlaku, operator – železniční síť, pro ČR hodnota „czechrailways“, rcn – doména nejvyšší úrovně, konstanta „rcn“. Každá část DNS jména odpovídá logice doménových úrovní v rámci TCP/IP

sítí a v síti ŽBPS musí obsahovat specifickou nebo nespecifickou informaci. Žádnou část DNS jména nelze vypustit, lze ji však nahradit informací nespecifickou. Nespecifická / zástupná funkční identifikace je použitelná především pro část „train“ a „consist“ – její tvar je „nuTrain“, „nuCst“. Zástupnou identifikaci nelze aktuálně použít pro část „operator“. Identifikace „rcn“ (doména nejvyšší úrovně), je dána pevně a zajišťuje možnost globální komunikace mezi prvky v síti postavené dle logiky ŽBPS a nekolizní provoz v obecném TCP/IP prostředí (v internetu).

Jednotlivé dílčí aplikace využívající ŽBPS nemusí při respektování uvedené logiky DNS jmen řešit problematiku fyzické adresace koncových zařízení na jednotlivých vozidlech či vlacích, ale plně využívají logickou jmennou strukturu v obecně definovaném prostředí. To umožní významně zjednodušit samotnou aplikaci, zrychlit její vývoj a implementaci, snížit náklady na vývoj, správu a provoz při zajištění vysoké míry přenositelnosti mezi dopravci v rámci jednoho komunikačního prostředí (státu) stejně tak i mezi prostředími jednotlivých operátorů. Dotazy na doménu 2. řádu czechrailways.rcn jsou podporovány DNS server Intranetu ČD a.s.


7

Příklady DNS jména v ŽBPS: Komunikační terminál (MCU – Mobile Communication Unit) na kolejovém (hnacím) vozidle: dané pouze UIC kódem hnacího vozidla v síti (doméně) na železnici v ČR:

mcu.UIC94541471011.nuCst.nuTrain.czechrailways.rcn

Vedoucí hnací vozidlo vlaku číslo 210 (volané ve funkčním/symbolickém tvaru) mcu.engine01.nuCst.tr210.czechrailways.rcn

Další možnosti DNS jména pro zařízení umístěná na stejném kolejovém (hnacím) vozidle, při jeho přihlášení na vlaku 210 : MAT terminál vedoucího hnacího vozidla vlaku číslo 210 (funkční tvar)

mat.engine01.nuCst.tr210.czechrailways.rcn

Tachograf vozidla UIC515439410488 na vlaku číslo 210 (volané UIC kódem) tachograph.UIC94541471011.nuCst.tr210.czechrailways.rcn V databázi dynamického DNS serveru Komunikační brány ŽBPS probíhají

změny v souvislosti s přiřazením kolejových vozidel na vlak konkrétního čísla a stanovením jejich funkce na vlaku. Tyto informace se získávají mimo jiné také ze zpráv o poloze.

V databázi komunikační brány jsou pro zajištění spolehlivého provozu systémů dynamického DNS a prvků AAA uloženy potřebné informace, především:

o koncových zařízeních instalovaných na jednotlivých kolejových vozidlech, UIC kódy drážních vozidel s komunikačními terminály, vztahy mezi čísly vlaků a konkrétní národní železnicí, další údaje dle specifikace.

Informace o poloze vlaku Komunikační brána přijímá data o poloze vlaku odesílaná z komunikačních

terminálů lokálních aplikací Aktuální poloha. Přijatá data jsou ukládána do DB Komunikační brány, která je používá pro zajištění vlastních funkcí (dynamické DNS, vizualizace dat o poloze, apod.) a dále jsou předávána do informačního systému pro řízení provozu ISOŘ (a případně dalších navazujících IS).

Aplikace Aktuální poloha je detailně popsána v kapitole 3.4.2. Údaje o poloze se získávají z GPS modulu komunikačního terminálu. Informační systém pro řízení provozu má k dispozici i další zdroje dat určující polohu vlaku. Informace o poloze se zobrazují v aplikaci „Dopravní deník“. Dispečer tak například pro dané číslo vlaku vidí, pod jakým rádiovým systémem vlak jede. V případě jízdy pod GSM-R je možné přímé funkční volání přímo z prostředí aplikace „Dopravní deník“.


8

3.4.2 Komunikační terminály Komunikační terminály (Komunikační jednotky - KJ) zajišťují datovou

komunikaci pro aplikace běžící přímo v jejich vnitřním prostředí (pod jedním OS) a také pro další aplikace a zařízení, pro které je komunikační terminál bránou do ŽBPS.

Komunikační terminály jsou nakonfigurovány tak, aby v případě výpadku komunikace v dané mobilní síti automaticky obnovily GPRS připojení, jakmile jsou k tomu technické podmínky. Zajišťují zejména: komunikaci koncových zařízení umístěných na kolejových vozidlech

prostřednictvím ŽBPS, automatickou volbu přenosové sítě na základě předem definovaných algoritmů

(například dostupnost sítě, druh sítě), překlad IP adres mezi jím obsluhovanou LAN kolejového vozidla nebo uceleného

vlaku2 a základní sítí ŽBPS, sestavování IP tunelů podle požadavků zařízení nebo i jednotlivých aplikací, bezpečnost a dodržování QoS, prioritizaci.

Komunikační terminál může být samostatným zařízením, volitelným modulem vozidlové radiostanice nebo součástí jiného zařízení na železničním kolejovém vozidle (ŽKV). Do budoucna se předpokládá i implementace komunikačních terminálu ŽBPS sítě do zařízení, která nebudou instalována (pevně svázána) s konkrétním ŽKV (pod specifickým UIC kódem).

Aplikace Aktuální poloha (získání, vyhodnocení a přenos informací o poloze vlaku)

Aplikace Aktuální poloha [1] je provozována na komunikačním terminálu vybaveném GPS přijímačem. Podle možností daného komunikačního terminálu čte data buď přímo ze svého GPS portu, nebo z jiné vnitřní aplikace výrobce komunikačního terminálu, která umožňuje sdílení dat o poloze mezi více aplikacemi.

Zprávy z každého komunikačního terminálu jsou číslovány modulo 255 a kromě níže popsaných informací nesou příznak stavu systému, na základě kterého byla zpráva odeslána. Tento příznak vypovídá o tom, zda zpráva byla odeslána: při jízdě nebo stání na základě vypršení stanoveného časového intervalu od

okamžiku odeslání předchozí zprávy, při jízdě nebo stání na základě ujetí předem stanovené vzdálenosti od okamžiku

odeslání předchozí zprávy, při překročení rychlosti přes/pod prahovou hodnotu – informace

o rozjezdu/zastavení, při změně informací, jako jsou číslo vlaku, identifikaci strojvedoucího, informaci

o radiové síti. Zpráva o poloze obsahuje mimo jiné: polohu, rychlost a azimut,

2 Ucelený vlak je zásilka stejného druhu zboží podaná k přepravě odesílatelem jedním nákladním listem CIM s určením pro jednoho příjemce, stejnou železniční stanici určení a o délce nebo hmotnosti, která odpovídá normativu délky nebo hmotnosti pro pojížděné tratě


9

číslo kolejového vozidla, číslo vlaku, funkci hnacího vozidla na vlaku, identifikaci strojvedoucího, informaci o radiové síti, v níž pracuje vozidlová radiostanice.

Aplikace „Aktuální poloha“ umožňuje vzdálenou konfiguraci parametrů, které ovlivňují její chování – např. intervaly odesílání zpráv při jízdě či stání, příznaky určující, které změnové informace posílat, apod. Změna konfiguračních parametrů je možná z prostředí aplikace „RCN Manager“ (rozhraní pro správu Komunikační brány).

Data aplikace Aktuální poloha jsou použita také pro vnitřní potřebu

Komunikační brány, zejména zajištění funkce dynamického DNS. Zároveň jsou poskytována do dalších informačních systémů ČD (ISOŘ). Adresace koncových zařízení na kolejovém vozidle

Komunikačnímu terminálu je vždy přiřazena IP adresa GPRS rozhraní (PPP). Tuto IP adresu získá při úspěšném přihlášení do GPRS APN ŽBPS a je pevně spojena s MSISDN číslem SIM karty. Po úspěšné ověření může dostat další údaje, například IP adresy DNS serverů.

U jednoduchých komunikačních terminálů se předpokládá využití jediné přenosové sítě (např. GSM-P) a jediné IP adresy (adresy přenosové sítě).

Všechna koncová zařízení na kolejovém vozidle (připojená například přes sběrnici RS-485) pak budou sdílet IP adresu komunikačního terminálu a budou rozlišována číslem TCP/UDP portu.

Komunikační terminály založené na OS Linux a vybavené rozhraním Ethernet jsou dále konfigurovány s tunelem (v současné době GRE) a je jim přidělena síť z rozsahu 172.16.x.y/28 s maskou /28, v které je 14 použitelných IP adres pro adresaci konkrétních zařízení na kolejovém vozidle.

3.4.3 Přenosové sítě Ke konci roku 2008 je do prostředí ŽBPS integrována přenosová síť GPRS

v rámci služby APN poskytované veřejným GSM operátorem. V souvislosti s dokončením pokrytí koridoru Kolín-Břeclav signálem GSM-R se rozbíhá projekt, jehož cílem je integrovat GPRS v síti GSM-R do prostředí ŽBPS.

Síť GSM-R pokrývá aktuálně pouze území Prahy a koridor Děčín – Břeclav. Z důvodu většího pokrytí území bude i nadále používáno GPRS veřejných GSM operátorů. Výhledově, bude-li realizováno propojení sítí GSM-R a GSM-P pro datové přenosy, budou komunikační terminály primárně používat síť GSM-R a mimo území pokryté signálem GSM-R síť GSM-P.

Na Obr. 3. je uveden příklad komunikace v současném prostředí ŽBPS.

Komunikační terminál je vybaven pouze GPRS rozhraním sítě veřejného operátora.


10

V případě dostatečné úrovně signálu GSM-P je automaticky zajištěno připojení do APN a sestavení GRE tunelu do komunikační brány. Pro IP adresaci v lokální síti hnacího vozu je použita síť 10.0.0.0/24, přičemž IP adresa 10.0.0.1 je vyhrazena pro Ethernet rozhraní Komunikačního terminálu a představuje tak výchozí bránu pro zařízení do LAN připojená.

Obr. 3: Příklad komunikace

V databázi Komunikační brány je pro Komunikační jednotku na soupravě 471.011 nastaveno, že rychloměr používá 14-tou IP adresu použitého IP rozsahu 172.16.107.16/28. Komunikační jednotka překládá IP adresy mezi tímto rozsahem a IP adresami LAN vozu 1:1. Takže 14-tá IP adresa (172.16.107.30) se přeloží na 14-tou IP adresu (10.0.0.14) LAN vozu a naopak. Tímto způsobem mohou být všechny rychloměry konfigurovány naprosto stejně a správná funkčnost je zajištěna nastavením Komunikační brány a Komunikační jednotky.

4. Přechod na dynamické adresování v ŽBPS

Přechod na dynamické adresování má za cíl využít v rámci otevřené architektury přenosové infrastruktury možnost využití více druhů mobilních (GPRS, EDGE, CDMA, LTE) a bezdrátových (WiFi,WiMax, apod.) technologií pro zajištění datové komunikace s mobilními terminály a provoz aplikací, které vyžadují aktuální a operativní informace z těchto terminálů.

Řešení datových komunikací popsaných v kapitole 3.4 je dnes realizováno pomocí GPRS připojení v síti veřejné GSM operátora. Případně již v rámci pilotního provozu GPRS v prostředí GSM-R.

Funkce zajišťující ověřování přístupu Komunikačních terminálů, dynamického DNS apod. jsou zajištěny Komunikační bránou. Je při tom využito propojení všech subsystémů s DB serverem, což usnadňuje vlastní správu a vyhodnocování informací o připojených komunikujících jednotkách. Komunikační terminál může mít v databázi RADIUS serveru několik na sobě nezávislých atributů. Kterýkoliv atribut


11

může také obsahovat informaci pro výběr/volbu konkrétní sítě nebo pravidla sdílení kapacit více sítí používaných pro komunikaci s terminálem. Tato pravidla se použijí v konkrétní situaci, kdy bude terminál dostupný zároveň prostřednictvím několika komunikačních technologií/přístupových sítí.

V současné době jsou komunikační terminály osazeny pouze jedním provozně použitelným rozhraním datových komunikací a to GPRS modulem v síti GSM-P případně GSM-R. V budoucnu bude přibývat implementovaných aplikací a jejich požadavků na širokopásmové datové přenosy mezi zařízeními na vlaku a pevnou datovou sítí, kterým parametry GPRS sítí nebudou vyhovovat. Lze předpokládat nejméně pro blízkou budoucnost, že reálnou komunikaci pro aplikace vyžadující vysokou kapacitu a propustnost komunikačních kanálů nebude nutné zajišťovat nepřetržitě a v každém místě drážní infrastruktury. Potřeby těchto aplikací bude možné uspokojit formou „dávkového zpracování“. Pokrytí širokopásmovými přístupovými technologiemi postačí zpočátku jen ve významných dopravních uzlech, prostorách dep kolejových vozidel apod. Předpokládá se, že především v těchto lokalitách bude přibývat pokrytí sítěmi WiFi, WiMAX (obecně BWA) budovanými jejich vlastníky nebo uživateli. Tyto lokality budou do ŽBPS integrovány. To znamená, že komunikační terminály budou osazovány rozhraními i těchto BWA sítí.

Rozšíření a integrace BWA sítí nejsou v pilotním řešení Komunikační brány plně implementovány. Vyžádají si dílčí změny v aktuální implementaci a konfiguraci Komunikační brány, případně dopracování některých funkcí a modulů. Ke změnám dojde i u mobilních Komunikačních terminálů samotných. Do budoucna lze uvažovat také o použití personálních Komunikačních terminálů, které budou moci slučovat funkce stávajících analogových radiových sítí, funkce mobilních telefonů s funkcemi a datovými komunikacemi prostřednictvím služeb ŽBPS sítě a její komunikační brány. Jako základ budou obsahovat GPRS rozhraní pro již v dnešní době provozované aplikace. Implementaci GPRS jako základního rozhraní bude nutno zachovat, zejména z důvodu výhody pokrytí velké částí území. Dále přibudou rozhraní širokopásmových sítí (BWA). Komunikační terminál, centrální Komunikační brána a lokální brány přístupových sítí musí i v tomto novém otevřeném prostředí zajistit spolehlivé směrování okamžité komunikace a plnou funkci dynamického DNS bez ohledu na to, ve které síti je komunikační terminál v daném okamžiku připojen. Zároveň je nutné řešit otázky směrování a výběrů vhodné sítě, prioritizace a QoS i na komunikačním terminálu, případně až na úrovni aplikací na mobilních systémech/vozidlech. Ne každý provoz je možné nebo vhodné směrovat do všech dostupných rozhraní (např. download velkého objemu dat přes rozhraní GRPS).

4.1 Vrstvový model Komunikační brány

Na Obr. 4 je znázorněn vrstvový model Komunikační brány. Základní vrstvy vlastního řešení ŽBPS sítě představují: přístupová vrstva ŽBPS, IP Komunikace, uložení a zpracování dat.


12

Další vrstvy, vázané na vnější prostředí: kontrola stavu služeb, propojení.

Obr. 4: Architektura Komunikační brány

4.1.1 Popis jednotlivých vrstev

Železniční Bezdrátová Přenosová Síť - přístupová vrstva Představuje rozhraní do jednotlivých přenosových sítí (GPRS GSM-R/P,

CDMA, BWA apod.). V případě sítí, u kterých není možné z technických/ekonomických důvodů centralizovat přístup do komunikační brány, je součástí této vrstvy i zajištění přístupu k jednotlivým lokalitám. Příkladem může být pokrytí významného dopravního uzlu signálem WiFi a propojení realizované do Komunikační brány pomocí již vybudované infrastruktury (například IPSec tunel).


13

IP komunikace

Vrstva IP komunikací zajišťuje procesy spojené se směrováním IP provozu mezi stacionární a mobilní částí. Zařízení v této vrstvě dále řeší otázky spojené se zajištěním bezpečnosti z pohledu povolení určitého typu komunikace jen z definovaných IP adres v stacionární části na určitou množinu Komunikačních terminálů. Příkladem může být přístup na management rozhraní komunikačního terminálu na lokomotivě určitého dopravce.

Propojení do jednotlivých sítí jsou uvažovány s dostatečnou šířkou pásma a dostupnou možností navýšení konektivity v případě narůstajících požadavků na objem přenášených dat. Vlastní mechanismus směrování musí brát v úvahu typ datového přenosu, tak aby přenosové sítě s malou šířkou pásma ke koncovému zařízení, typicky GPRS , nebyly tímto provozem zahlceny. Pokud je možné v rámci jedné přenosové sítě a komunikačního terminálu rozlišit datový provoz, který má vyšší prioritu, tak je úkolem této vrstvy zajištění QoS formou vhodného frontovacího mechanismu.

Komunikační brána podporuje IPv4 a IPv6, v rámci této studie není řešena otázka možného použití IPv6 jako nativního protokolu přes jeho nesporné výhody. Vzhledem k různorodosti HW a SW vybavení síťových prvků, vlastních Komunikačních terminálů, ale i technickým řešení přístupových sítí, které jsou vlastněny a spravovány různými subjekty, je plný a okamžitý přechod na IPv6 velmi problematický. IPv6 má výhody spojené s velkým adresním rozsahem a podporou mobily přímo v rámci protokolu a jeho využití by řadu problémů v rámci ŽBPS sítě vyřešilo nebo posunulo do jiné roviny. V současné době v rámci ŽBPS by bylo možné IPv6 použít v rámci některých přístupových sítí, nikoli však obecně.

Uložení a zpracování dat

Aplikační a databázové servery zajišťující podporu ostatním vrstvám, jejichž služby jsou nutné k zajištění inteligence komunikační brány a poskytování služeb systémům v stacionární části.

• Radius, AAA servery, Registrační servery – servery poskytující služby zařízení v přístupové vrstvě (CPE), ale i aplikačním serverům a dalším, které potřebují provádět akce spojené s AAA . Jejich úkolem je ověřovat správnost poskytnutých autentizačních dat, autorizovat oprávněnost požadavku na přístup k dané službě a provádět accounting těchto událostí. Ověřování nemusí být nutně postaveno na protokolu RADIUS, ale je nutné, aby AAA servery byly součástí Komunikační brány z důvodu jejich návaznosti na služby zajišťující její „inteligenci“, např. dynamické DNS.

• Aplikační servery – zajišťují zpracování, změnu formátu a distribuci dat primárně určených Komunikační bráně. Příkladem jsou data aplikace Aktuální poloha (viz kapitola 3.4.2), která jsou zpracovávána aplikačním serverem, ukládána do databáze Komunikační brána a dále distribuována do informačního systému řízení provozu. Zejména se jedná o zpracování dat nesoucích informaci například o vazbě zařízení na číslo vlaku apod.

• Databázové servery – slouží jako primární úložiště dat potřebných k zajištění funkčnosti provozovaných služeb. Služby používající DB jako úložiště svých provozních dat obvykle při jejich změně nevyžadují restart, což zvyšuje dostupnost poskytovaných služeb,


14

• Správa programů a nastavení klientských zařízení – zajištění centralizované správy verzí aplikací, konfigurací a provozních dat pro komunikační terminály a aplikace na nich provozované. Servery zajišťující tuto službu poskytují rozhraní správci aplikace (konfigurace nebo provozních dat) k distribuci aktualizací na všechna nebo skupinu specifikovaných zařízení. Distribuce těchto dat je zajištěna interně v rámci služeb ŽBPS. Správci aplikace je poskytnuto rozhraní se statusem probíhajících akcí.

• Poskytování dat – data zpracovaná aplikačními servery slouží zejména k zajištění funkcí Komunikační brány a dalších navazujících systémů. Ne všechny služby vyžadují okamžité předání informace, ale stačí jim možnost dotazu v okamžiku, kdy to potřebují. Příkladem může být dotaz na polohu vlaku v určité datum a čas. Informace ze systémů Komunikační brány jsou obvykle poskytovány pomocí webové služby.

• Správa Komunikační brány – jedná se o rozhraní určené pro správu vlastní Komunikační brány. Svým způsobem je to množina webových služeb zajišťujících potřebná rozhraní ke změně konfigurací, analýze dat, testování a dohledu služeb. Příkladem takového rozhraní je RCN Manager.

Kontrola stavu služeb Vrstva zajišťující služby spojené s dohledem funkčnosti všech vrstev

Komunikační brány, reporting chybových stavů, statusu dostupnosti zařízení připojených do ŽBPS. Poskytuje rozhraní směrem k dohledovým centrům (NOC) uživatelů služeb Komunikační brány.

Propojení

Vrstva zajišťující propojení se sítí dopravce České dráhy, a.s. a dalších subjektů, jejichž aplikace a systémy potřebují komunikovat na komunikační terminály anebo využívat služeb Komunikační brány. Propojení může být realizováno na fyzické vrstvě přímým připojením datového okruhu o Komunikační brány nebo zabezpečeným tunelem skrz intranet ČD a veřejný Internet.

4.2 Vrstvový model Komunikačního terminálu

Pro optimální funkci zajištění datových komunikací doporučuje [3]: použití jediného komunikačního terminálu (na úrovni vlaku či vozu) pro všechny

datové přenosy z vozidla (výjimkou mohou být specifické potřeby zabezpečovací techniky),

využití kombinovaných antén pro více pásem (např. GSM, WiFi a GPS) snižuje náročnost a náklady na zástavbu zařízení.

Obr. 5 znázorňuje obecné schéma Komunikačního terminálu. Vrstvy GPRS,

CDMA, BWA apod. představují fyzická rozhraní, kterými může být Komunikační terminál současně vybaven. Každé takovéto rozhraní získá svou IP adresu v okamžiku připojení do dostupné sítě ŽBPS, do níž má Komunikační terminál


15

povolen přístup. Výjimkou jsou lokální rozhraní, jako zde uvedený Ethernet, který má IP adresu konfigurovánu staticky. Funkce dalších vrstev Mobile IP, IPv4 IPv6 [6] – vrstva zajišťující funkcionality spojené s přechodem

Komunikačního terminálu mezi různými sítěmi ŽBPS. Jejím úkolem je zajistit, aby Komunikační terminál byl dosažitelný pomocí rozsahu IP adres, které má přidělen, bez ohledu na to, do kterých přístupových sítí je momentálně připojen.

Výběr sítí [6] – vrstva zajišťující směrování IP do aktivních rozhraní, tunelů apod. Výběr sítě (nastavení pravidel směrování) zohledňuje typ datové komunikace, odesílajícího a příjemce. Modul Výběr sítí (Network Selector) aktivně sleduje dostupnost přístupových sítí ŽBPS a stav aktuálního připojení. V případě, kdy nalezne dostupnou síť s lepšími přenosovými parametry (síť s větším šířkou pásma, lepší úroveň signálu než aktuálně připojená WiFi síť, apod.), iniciuje spojení v nové síti a sestaví tunel do Komunikační brány přes toto rozhraní.

Aplikace, Moduly Komunikační brány (KB) – vrstva modulů, které získávají data z dalších subsystémů vozu/vlaku a poskytují je dalším aplikacím v LAN vozu/vlaku (například distribuce čísla vlaku z jednoho místa, dalším subsystémům, které jej potřebují). Tyto aplikace data vyhodnocují a výstupy odesílají na servery v stacionární síti a zároveň je poskytují do centrálního úložiště dat (může být součástí komunikačního terminálu nebo je umístěno na jiném subsystému v LAN vozu/vlaku). Smyslem centrálního úložiště je již jednou získaná data poskytnout ostatním aplikacím. V některých případech, jako jsou například GPS data, je tento přístup nutný. Součástí vrstvy je část nazvaná „KB Moduly“. Jedná se o SW moduly Komunikační brány (KB), které ze subsystémů vozu/vlaku sbírají, vyhodnocují a na Komunikační bránu odesílají údaje nutné pro zajištění činnosti Komunikační brány, zejména vstupy pro služby zajišťující funkce DNS, reporting stavu dostupnosti Komunikačních terminálů, a další. Z důvodu vyhodnocování kvality a dostupnosti přenosových sítí je naznačena vazba na modul Výběru sítí. Komunikační brána tak může získávat a centrálně vyhodnocovat pokrytí v různých lokalitách. Dostupnost informačních zdrojů se může na různých typech vozů lišit podle stavu osazení jednotlivými subsystémy a jejich vzájemným propojením. Součástí této vrstvy jsou uvažovány moduly, které na Komunikační terminál zajistí doručení změn konfigurací nové verze aplikací apod.


16

Obr. 5: Architektura Komunikační jednotky (terminálu)

Toky dat znázorněné na Obr. 5 představují komunikaci na samotnou komunikační bránu (aplikace Aktuální poloha), ale i další servery umístěné v Intranetu ČD (diagnostika elektrických jednotek řady 471), případně v síti konkrétního dopravce.

Komunikační terminál pomocí komponenty Výběr sítí (Network Selector) vyhodnocuje dostupné sítě a snaží se zajistit připojení přes síť s nejlepšími přenosovými parametry. Komunikační terminál je vždy konfigurován se sítí z rozsahu ŽBPS, tak jako je tomu v současném řešení. Rozdílem je, že přidělený rozsah IP adres je směrován do tunelů přes různá rozhraní/přístupové sítě (v jeden okamžik jen přes jednu nejlepší síť). Tento model je popsán i v projektu InteGRail [6].

QoS je zajištěno na rozhraní tunelu sestaveného do Komunikační brány. Komunikační terminál však rozlišuje, přes jakou síť je tunel sestaven a podle toho jsou upravena pravidla. QoS a směrování jsou společné nejen pro datový provoz generovaný vlastním Komunikačním terminálem, ale i pro zařízení připojená za ním.

Úkolem Komunikačního terminálu je zajistit funkci „výchozí brány“ pro všechny aplikace provozované na něm, i na dalších subsystémech v LAN vozu. V současné době není možné adresovat zařízení na jednotlivých vozech vlaku, který disponuje jedním Komunikačním terminálem a pořadí vozů se může v průběhu času měnit.


17

5. Závěr

Funkční základ pro mobilní datové komunikace v prostředí české drážní dopravy byl položen. ŽBPS dnes představuje projekt, jehož rozšiřování je, kromě naplňování vizí a cílů popsaných v úvodu článku, značnou měrou ovlivňováno výstupy evropského projektu InteGRail [6], jehož jsou České dráhy, a.s. členem.

6. Definice a zkratky Zkratka Význam AAA Authentication, Authorization and Accounting protokol - autentizační,

autorizační a účtovací protokol. APN Access Point Name – slouží k identifikaci služby v GPRS síti BWA Broadband Wireless Access - širokopásmový bezdrátový přístup CDMA Code Division Multiple Access – technologie přenosu dat v sítích 2. a 3.

generace, používá k přenosu dat najednou více kmitočtů CPE Customer Premises Equipment DNS Domain Name System - hierarchický systém doménových jmen GPRS General Packet Radio Service - technologie 2,5 generace mobilních sítí

určená pro přenos dat na bází přepínání paketů GPS Global Positioning Systém – navigační systém GRE Generic Routing Encapsulation GSM Global System for Mobile Communication GSM-P GSM Public - veřejná síť typu GSM (v ČR t. č. 3 provozovatelé sítí GSM-P)GSM-P/R Obecné označení pro kombinaci sítí GSM-R a GSM-P GSM-R GSM for Railways - mobilní síť typu GSM určená výhradně pro potřeby

železnice HV Hnací vozidlo HW Hardware IP Internet Protocol - datový protokol používaný pro přenos dat přes paketové

sítě IPSec IP security - bezpečnostní rozšíření IP protokolu IS Informační systémy LAN Local Area Network - lokální síť MAT Multi Aplikační Terminál QoS Quality of Service – kvalita služby RCN Railway Communication Network (RCN) SŽDC Správa železniční dopravní cesty, s. o. TCP Transmission Control Protocol – protokol poskytující transportní služby

v IP sítích se spojením UDP User Datagram Protocol – protokol poskytující transportní služby v IP

sítích bez spojení UIC International Union of Railways – Mezinárodní svaz železnic URI Uniform Resource Identifier – jednotný identifikátor zdroje VOSER Aplikace „Vozidlový server“ VPN virtual private network, viruální privátní síť WLAN Wireless LAN WiFi Wireless Fidelity – technologie bezdrátové lokální sítě WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access – technologie bezdrátové

metropolitní sítě


18

7. Literatura [1] Aplikace aktuální poloha kolejového vozidla – popis aplikace. Projekt TANDEM

FT-TA3/031, Pardubice: Radom s.r.o., KS 800 92, 2007. [2] Návrh obecné platformy systému umožňující bezdrátový přenos dat na hnací

vozidla. (studie) Projekt TANDEM FT-TA3/031, Pardubice: Univerzita Pardubice, 2006.

[3] David Žák: Architektura řešení pro datovou komunikaci s kolejovými vozidly. Sborník konference InfoTrans, Pardubice: Univerzita Pardubice, 2007.

[4] Train to Wayside Addressing. Projekt InteGRail PL 012526, IGR-I-BTG-147-01, 2005.

[5] Train On board Addressing. Projekt InteGRail PL 012526, IGR-I-BTG-112-02, 2005.

[6] Intelligent integration of railway systems. Projekt InteGRail PL 012526, IGR-I-ALS-254-01, 2008.

V Praze, březen 2009

Lektorský posudek: Ing. Dobromil Nenutil UniControls a.s.

Železniční bezdrátová přenosová síť

Documents