GSM-R

O GSM-R (em inglês: Global System for Mobile Communications – Railway ou GSM-Railway) é o subsistema de comunicação do Sistema europeu de gestão do tráfego ferroviário (ERTMS). É um padrão internacional de comunicações sem fio para as comunicações ferroviárias e as suas aplicações.

O GSM-R é usado para a comunicação entre os comboios (trens) e os centros do controlo de regulação ferroviária e está baseado nas especificações GSM e EIRENE - MORANE que garantem um desempenho para velocidades de até 500 km/h (310 mph), sem qualquer perda de comunicação.

O GSM-R poderia ter sido suplantado pelo LTE-R, cuja primeira implementação deste produto ocorreu na Coreia do Sul. No entanto, o LTE é geralmente considerado um protocolo 4G, e o programa FRMCS (Future Railway Mobile Communication System) da UIC está a considerar adotar um produto baseado em 5G (especificamente 3GPP R15/16), saltando assim duas gerações tecnológicas.

O GSM-R baseia-se na tecnologia GSM e beneficia-se das economias de escala da sua antecessora tecnologia GSM, com o objetivo de ser um substituto digital de baixo custo para as redes existentes de cabo incompatíveis e as redes ferroviárias de rádio analógicas. Há relatos que confirmam a existência de mais de 35 sistemas diferentes de comunicação apenas na Europa.

Este padrão é o resultado de mais de dez anos de colaboração entre as várias companhias ferroviárias europeias, com o objetivo de alcançar a interoperabilidade através de uma plataforma de comunicação única. O GSM-R faz parte da norma Sistema Europeu de Gestão do Tráfego Ferroviário (European Rail Traffic Management System, ERTMS) e transporta as informações da sinalização diretamente para o maquinista, possibilitando velocidades e densidade de tráfego mais altas e com um alto nível de segurança.

As especificações foram finalizadas em 2000, com base no projeto MORANE (Rádio Móvel para Redes Ferroviárias na Europa, em inglês: Mobile Radio for Railways Networks in Europe) financiado pela União Europeia. A especificação está a ser atualizada pelo projeto ERTMS da União Internacional dos Caminhos-de-Ferro (UIC). O GSM-R foi o padrão selecionado por 38 países em todo o mundo, incluindo todos os estados membros da União Europeia e países da Ásia, Eurásia e norte de África.

GSM-R é uma plataforma segura para a comunicação de voz e dados entre a equipa operacional ferroviária, incluindo maquinistas, factores, despachantes, membros da equipa de manobras, engenheiros ferroviários e controladores de estação. Ele oferece recursos como chamadas em grupo (VGCS), transmissão de voz (VBS), ligações baseadas em localização e preferência de chamada em caso de emergência. Isto oferece suporte a aplicações como o rastreamento da carga, a vigilância por vídeo nos comboios (trens) e nas estações e serviços de informação aos passageiros.

O GSM-R é tipicamente implementado usando antenas dedicadas nas estações base próximas à linha férrea, com a cobertura nos túneis efetuada utilizando antenas direcionais ou através da transmissão por cabo radiante (leaky feeder). A distância entre as estações base é de 7–15 km (4,3–9,3 mi). Isto cria um alto grau de redundância e uma maior disponibilidade e confiabilidade. Na Alemanha, Itália e França, a rede GSM-R tem entre 3.000 e 4.000 estações base. Em áreas onde são utilizados os Níveis 2 e 3 do Sistema Europeu de Controlo Ferroviário (ETCS Níveis 2 e 3), o comboio (trem) mantém uma ligação por modem digital com comutação de circuito para o centro de controlo do comboio (trem) em todos os momentos. Este modem opera com uma maior prioridade do que os utilizadores normais (eMLPP). Se a ligação do modem for perdida, o comboio (trem) irá parar automaticamente.

O GSM-R é uma camada do ERTMS (Sistema Europeu de Gestão do Tráfego Ferroviário, em inglês: European Rail Traffic Management System) que é composto por:

• GSM–R: comunicação,
• ETCS (Sistema Europeu de Controlo Ferroviário, European Train Control System): sinalização,
• ETML (Camada Europeia de Gestão do Tráfego, European Train Management Layer): gestão do tráfego.
• EOR (Regras Operacionais Europeias, European Operating Rules).

O GSM-R está padronizado para ser implementado na banda de frequência E-GSM (900 MHz-GSM) ou DCS 1800 (1.800 MHz-GSM), ambas usadas em todo o mundo.

A Europa inclui os estados membros da CEPT (Conferência Europeia das Administrações de Correios e Telecomunicações), que engloba todos os membros da UE e Albânia, Andorra, Azerbaijão, Bielorrússia, Bósnia e Herzegovina, Geórgia, Islândia, Liechtenstein, Macedónia do Norte, Moldávia, Mónaco, Montenegro, Noruega, Rússia, San Marino, Sérvia, Suíça, Turquia, Ucrânia, Reino Unido e Cidade do Vaticano.

O GSM-R usa uma banda de frequência específica, que pode ser descrita como a banda GSM-R padrão:

• Uplink: 876-880 MHz usado para a transmissão dos dados
• Downlink: 921-925 MHz usado para a receção dos dados

Na Alemanha, esta banda foi estendida com canais adicionais na faixa dos 873-876 MHz e 918-921 MHz. Sendo usada anteriormente para os sistemas de rádio troncalizados regionais, o uso total das novas frequências iniciou em 2015.

O GSM-R ocupa uma ampla faixa dos 4 MHz da banda E-GSM (900 MHz-GSM).

• Uplink: 885-889 MHz
• Downlink: 930–934 MHz

O GSM-R ocupa uma ampla faixa dos 1,6 MHz da banda P-GSM (900 MHz-GSM) cuja manutenção é assegurada pela agência Ferrovias Indianas:

• Uplink: 907,8-909,4 MHz
• Downlink: 952,8-954,4 MHz

O GSM-R está a ser implementado na banda DCS 1800:

• Uplink: 1.770-1.785 MHz
• Downlink: 1.865-1.880 MHz

A banda DCS 1800 foi inicialmente dividida e leiloada em parcelas emparelhadas cada uma de 2 × 2,5 MHz com espaçamento duplex de 95 MHz. Os operadores ferroviários estaduais adquiriram seis parcelas, na sua maioria não agrupadas, que cobrem 2 × 15 MHz do espetro para implementar o GSM-R.

Os operadores ferroviários estaduais re-licenciaram 2 x 10 MHz do espectro de 1800 MHz, em Adelaide, Brisbane, Melbourne, Perth e Sydney, para assegurar a segurança ferroviária e as comunicações para o controlo ferroviário. Todos, exceto o Departamento do Planeamento dos Transportes e Infraestrutura da Austrália do Sul (Adelaide), re-licenciaram 2 x 5 MHz de espectro de 1800 MHz a taxas comerciais estabelecidas pelo governo australiano.

A modulação usada é a modulação GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying). O GSM-R é um sistema de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (em inglês: Time-division multiple access, TDMA). A transmissão dos dados é feita por quadros (frames) TDMA periódicos (com período de 4,615 ms), para cada frequência portadora (canal físico). Cada quadro (frame) TDMA está dividido em 8 intervalos de tempo, denominados canais lógicos (577 µs de comprimento, em cada intervalo de tempo), transportando 148 bits de informação.

Há preocupações de que a comunicação móvel LTE afete o GSM-R, uma vez que lhe foi atribuída uma banda de frequência bastante próxima à do GSM-R. Isto poderia causar distúrbios no ETCS, travagem de emergência aleatória devido à perda das comunicações, etc.

Como resultado, há uma tendência crescente para monitorizar e gerir a interferência no GSM-R usando testes ativos e automatizados a bordo dos comboios (trens) e ao longo da via férrea.

A especificação do padrão GSM-R está dividida em duas especificações EIRENE:

• Especificação do Requisito Funcional (em inglês: Functional Requirement Specification, FRS): a definição dos requisitos funcionais de alavanca mais elevados
• Especificação dos Requisitos do Sistema (em inglês: System Requirement Specification, SRS): a definição das soluções técnicas que suportam os requisitos funcionais

O EIRENE define as Especificações Técnica de Interoperabilidade (ETI) como o conjunto das especificações obrigatórias a cumprir para manter a compatibilidade com as outras redes europeias; as ETI atuais são o FRS 7 e o SRS 15. O EIRENE também define as especificações não obrigatórias, designadas como a versão provisória, que definem as características extras que se tornarão obrigatórias nas próximas ETI. As versões provisórias atuais são FRS 7.1 e SRS 15.1. As especificações do GSM-R são bastante estáveis.

A versão atual do GSM-R pode ser executada tanto nas redes R99 como nas R4 3GPP.

O GSM-R permite novos serviços e aplicações para as comunicações móveis em vários domínios:

• transmissão dos anúncios do Long Line Public Address (LLPA) para as estações remotas ao longo da linha
• controle e proteção (Controlo Automático do Comboio / ETCS) e ERTMS
• comunicação entre o maquinista e o centro da regulação ferroviária
• comunicação dos funcionários a bordo
• envio das informações para o ETCS
• comunicação entre as estações de comboio (trem), pátio de triagem ou manobras e os carris (trilhos)

É usado para transmitir dados entre os comboios (trens) e os centros da regulação ferroviária com os Níveis 2 e 3 do ETCS. Quando o comboio (trem) passa por uma eurobaliza, ele transmite a sua nova posição e a sua velocidade, recebe de retorno a autorização (ou a recusa) para entrar na próxima linha e a sua nova velocidade máxima. Além disso, os sinais da via tornam-se redundantes.

Tal como outros dispositivos GSM, o equipamento GSM-R pode transmitir dados e voz. Os novos recursos GSM-R para a comunicação móvel são baseados em GSM e são especificados pelo projeto EIRENE. Os recursos da operação de chamada são:

• Chamada PtP: Chamada Ponto a Ponto (em inglês: Point-to-Point Call), o mesmo tipo de chamada que uma chamada GSM normal
• VGCS: Sistema de Chamada de Voz em Grupo (em inglês: Voice Group Call System), bastante semelhante à comunicação walkie-talkie, mas com um único uplink administrado pela rede (apenas uma pessoa pode falar de cada vez)
• VBS: Sistema de Transmissão de Voz (em inglês: Voice Broadcast System), como um VGCS, mas apenas o iniciador da chamada pode falar (os outros são apenas ouvintes)
• REC: Chamada de Emergência Ferroviária (em inglês: Railways Emergency Call), é um VGCS especial definido como um 299 com a maior prioridade possível (0)
• SEC: Chamada de Emergência de Manobramento (em inglês: Shunting Emergency Call), é um VGCS especial definido como um 599 com a maior prioridade possível (0)
• Controlo da prioridade de todas as chamadas diferentes (chamadas PtP, VGCS, VBSm, REC e SEC)

Existem outros recursos adicionais:

• Endereçamento Funcional (em inglês: Functional Addressing), sistema alias para chamar alguém registado na rede GSM-R, apenas conhecendo o utilizador da função temporária (maquinista do comboio senhor tal e tal,...)
• Endereçamento Dependente da Localização (em inglês: Location Dependent Addressing), sistema de roteamento para chamar o controlador ferroviário mais apropriado em relação à posição atual do comboio (trem) marcando um código de acesso pré-definido
• Modo de Manobramento (em inglês: Shunting Mode), quando os utilizadores trabalham nos carris (trilhos).

As seguintes definições dos recursos dos Itens Avançados de Chamadas de Voz (em inglês: Advanced Speech Call Items, ASCI) fazem parte da Especificação dos Requisitos do Sistema (em inglês: System Requirements Specification, SRS), conforme definido pelo padrão EIRENE.

O Serviço de Chamada de Voz em Grupo (em inglês: Voice Group Call Service, VGCS) permite que um grande número de utilizadores participe numa mesma chamada. Este recurso imita a chamada de grupo analógica Rede Móvel Privada (em inglês: Private Mobile Radio, PMR) com a tecla Pressione para Falar (em inglês: Push-to-Talk, PTT).

Três tipos de utilizadores podem ser definidos: o Locutor, o Ouvinte e o Despachante. O locutor pode tornar-se num ouvinte ao largar a tecla PTT e um ouvinte torna-se num locutor ao pressionar a tecla PTT.

Uma vantagem do VGCS em comparação com as chamadas multipartes (recurso das chamadas em conferência GSM) é a eficiência do espetro. De fato, quando muitos utilizadores estão na mesma célula, eles vão usar apenas uma frequência para todos os ouvintes e duas frequências para o locutor (como nas chamadas ponto a ponto). Numa chamada com vários participantes, um intervalo de tempo fica reservado a cada utilizador. A segunda vantagem em relação às chamadas multipartes é que não é necessário saber quais são os telemóveis (celulares) que vão participar na chamada. Uma chamada VGCS é estabelecida numa base puramente geográfica, desde que um telemóvel (celular) tenha sido previamente configurado para receção do grupo em questão.

O Serviço de Transmissão de Voz (em inglês: Voice Broadcast Service, VBS) é uma chamada de grupo de transmissão: isto significa que, em comparação com o VGCS, apenas o iniciador da chamada pode falar. Os outros que entrarem na chamada só podem ser ouvintes. Este tipo de chamada é utilizada principalmente para transmitir mensagens gravadas ou fazer anúncios.

A Chamada de Emergência Ferroviária (em inglês: Railway Emergency Call, REC) é uma chamada de grupo (ou VGCS), dedicada a uma emergência. É a chamada de prioridade mais alta (a prioridade da REC é o Nível 0 – consultar em baixo: eMLPP).

A Chamada de Emergência de Desvio (em inglês: Shunting Emergency Call, SEC) é uma chamada de grupo reservada com o número 599. A chamada é estabelecida com um nível de prioridade de emergência Nível 0, que é o nível de maior prioridade possível. A SEC está configurada para ser utilizada com dispositivos registados para operações de desvio. O estabelecimento desta chamada conduz à aceitação automática da chamada em todos os dispositivos configurados dentro da área atual ou no grupo de células configurado.

O Serviço de Precedência e Preempção Multinível (em inglês: Multi-Level Precedence and Pre-emption Service, eMLPP) define a prioridade do utilizador. Os diferentes níveis de prioridade são:

• Níveis A e B: Níveis de prioridade mais altos (não usados pelas redes do GSM-R)
• Nível 0: Níveis de prioridade mais altos para chamadas ASCI e normais (usado principalmente para as chamadas REC)
• Nível 1: Prioridade mais baixa que o Nível 0
• Nível 2: Prioridade mais baixa que o Nível 1
• Nível 3: Prioridade mais baixa que o Nível 2
• Nível 4: Nível de prioridade mais baixo (prioridade padrão, atribuída a chamadas ponto a ponto)

Um recurso de Atendimento Automático (Auto-Answering) com temporizador (timer) também está disponível para as chamadas com prioridades dos Níveis 0, 1 e 2.

O documento EIRENE SRS define um plano de numeração fixa para o GSM-R. É definido por prefixos numéricos.

Estes números são utilizados para registo funcional e entradas fixas para o MSISDN ou códigos de marcação curtos conforme definido no HLR. O código 807660, por exemplo, define um MSISDN de um assinante de um serviço móvel. O número 23030301, por exemplo, define um número funcional de uma composição ferroviária associada à locomotiva número 30303 e à função do utilizador 01.

As principais caraterísticas do EIRENE são:

• Numeração funcional
  • Permite chamar uma estação móvel pela sua função: maquinista do comboio xxx, ...
  • Ela utiliza:
    • USSD e Segue-me (Follow Me)
    • UUS1 (para mostrar o número)
• Endereçamento dependente da localização
  • Estabelece uma chamada de uma estação móvel para (habitualmente) um assinante/despachante fixo que executa uma função na área onde a estação móvel está localizada.

O recurso Confirmação do Fim da Chamada (End Call Confirmation) só está disponível para chamadas de grupo (VGCS) e chamadas de transmissão (VBS) de prioridade mais alta (prioridade de Nível 0) (consultar encima o eMLPP).

Consiste num relatório de fim de chamada enviado por todas as estações móveis que aderiram à chamada de alta prioridade (iniciador incluído). Este relatório informa sobre:

• Tipo de chamada
• Duração da chamada
• Identidade da estação móvel
• Chamada Normal encerrada por um motivo, encerrada pelo utilizador, estação móvel desligada pelo utilizador, desligada devido à bateria fraca, …
• …

Se o relatório não puder ser enviado (encerramento da estação móvel pelo utilizador ou encerramento devido à bateria fraca), a estação móvel tentará novamente (várias vezes se for necessário) enviar o relatório da próxima vez que for ligada.

O modo de desvio (shunting mode) é o aplicação que regula e controla o acesso do utilizador às comunicações de desvio.

Um Sinal de Garantia de Ligação (em inglês: Link Assurance Signal, LAS) é fornecido para garantir ao maquinista que o ligação ao rádio está a funcionar.

O modo direto (direct mode) é o modo walkie-talkie (estações móveis a conversar entre si sem rede) e foi proposto para o EIRENE, mas ainda nunca foi aplicado desde que está baseado em rádio analógico.

A Sagemcom afirma que já criou um modo direto para o GSM, mas atualmente o mesmo ainda não é reconhecido pela especificação do GSM-R, e não dispõe ainda de uma alocação de frequência.

Diferentes grupos compõem o mercado do GSM-R:

Os operadores de rede e os operadores ferroviários

• 
  Estação exterior do GSM-R com poste transmissor na Linha de Alta Velocidade (LAV) entre Nuremberga e Ingolstadt, na Alemanha.
• 
  Antena de Painel do GSM-R num poste de rede do fabricante Kathrein.
• 
  Antena do GSM-R numa linha de alta velocidade, na Alemanha.
• 
  BS 241-II, uma estação exterior para o GSM-R do fabricante Nokia Siemens Networks, na Alemanha.
• 
  S8002, uma estação exterior para o GSM-R do fabricante Nortel, na Alemanha.
• 
  Poste do GSM-R, instalado na Estação de Jistebník, na Chéquia.
• 
  Um rádio GSM-R (à direita) instalado nas cabinas dos comboios (trens) do operador Connexxion, nos Países Baixos.

Referências

• UIC: subsistema GSM-R