TETRA đã phát triển và mở rộng đáng kể, đặc biệt là ở châu Âu, nhờ sự phát triển của thiết bị vô tuyến trên mặt đất ở băng tần 450 MHz. Ban đầu chúng được sử dụng chủ yếu cho thông tin bằng giọng nói với bộ điều khiển hoặc thực hiện chức năng dừng tàu. Phương thức hoạt động phổ biến là chế độ gọi nhóm, trong đó có một nút ấn, khi ấn sẽ kết nối tới các đầu cuối khác trong nhóm hoặc tới người điều độ nhóm. Sau đó, nó phát triển để truyền thông tin dữ liệu dành riêng cho điều khiển từ xa và duy tu bảo dưỡng tàu. Tuy nhiên TETRA có hai hạn chế chính về công nghệ như sau:
- Băng thông rất hạn chế
- Phổ UHF hiện bị quá tải, cạn kiệt
Hệ thống vô tuyến di động mặt đất (P25) tương tự như TETRA đã được phát
triển ở Bắc Mỹ bởi hiệp hội APCO (The Global Alliance of the Association for Public-Safety Communications Officials ) và là chủ yếu cung cấp các ứng dụng an toàn công cộng làm việc ở băng tần 700 MHz
1.1.3.2. Công nghệ WiFi
Công nghệ WiFi trong thông tin vô tuyến đoàn tàu mặt đất có một số ưu điểm sau:
- Băng thông lớn (thường là 10/20 MHz đường lên và đường xuống)
- Tỷ lệ mất gói thấp (tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu, quỹ công suất, điều chế) - Chuyển vùng nhanh (cứng / mềm)
- Chế độ hoạt động: không trong tầm nhìn thẳng (non-line of sight) - Cơ sở hạ tầng mạng lõi đơn giản
Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm:
- Giới hạn phạm vi: độ phủ sóng từ 250m đến 450m do lượng công suất phát cho phép hạn chế và các vấn đề liên quan đến chế độ chọn tần số động. - Băng tần không được cấp phép
12 - Tần số 2.4GHz và 5.xGHz cho thấy một số nhược điểm, đặc biệt là khả năng
gây nhiễu hoặc sự can nhiễu.
- Giải pháp chuyển vùng không tiêu chuẩn: mọi nhà cung cấp đều phát triển theo hướng riêng mình không có sự tương tác.
1.1.3.3. Hệ thống GSM-R
Hệ thống GSM- R với các đặc tính kỹ thuật được hoàn thành vào năm 2000 là hệ thống thông tin di động số tiêu chuẩn dành riêng cho đường sắt dựa trên công nghệ GSM được sử dụng phổ biến trên thế giới, cụ thể đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, và một số nước châu Á, Bắc Phi, Úc…. [13]. Nó sử dụng dải tần số khoảng 800/900Mhz [14]. Ngoài ra, các băng tần 873 –876 MHz (đường lên) và
918-921 MHz (đường xuống) được sử dụng làm băng tần mở rộng cho GSM-R, dưới tên GSM-R mở rộng (E-GSM-R) ). GSM-R thường được khai thác bằng cách sử dụng các trạm thu phát gốc chuyên dụng gần đường ray. Khoảng cách giữa hai BS lân cận trong khoảng 7-15 km. Ở Trung Quốc, nó thường là 3-5 km vì đáp ứng yêu cầu về phủ sóng dự phòng để đảm bảo tính sẵn sàng và độ tin cậy cao hơn. Hệ thống này cung cấp đường truyền thông tin vô tuyến với tốc độ dữ liệu tối đa 200Kbps và được cải tiến để có các chức năng cung cấp cuộc gọi tiên tiến để đáp ứng được các yêu cầu đặc biệt phục vụ điều khiển, giám sát đoàn tàu và một số dịch vụ khách hàng cơ bản.
Hệ thống GSM-R là một phần của hệ thống điều khiển tàu châu Âu ETCS (European Train Control System), ETCS là hệ thống tín hiệu được sử dụng để điều khiển tàu. ETCS có ba cấp độ hoạt động và sử dụng mạng vô tuyến GSM-R để gửi và nhận thông tin từ các tàu. Ở cấp độ đầu tiên, ETCS-1, GSM-R chỉ được sử dụng
cung cấp thông tin giọng nói. Ở hai cấp độ khác, ETCS-2 và ETCS-3, hệ thống GSM-R được sử dụng chủ yếu cho việc truyền dữ liệu. GSM-R rất phù hợp với ETCS-2 và ETCS-3, nơi tàu chạy với tốc độ tối đa 350 km/h và do đó cần phải đảm bảo giám sát liên tục vị trí và tốc độ của tàu. Khi cuộc gọi bị mất, tàu phải tự động giảm tốc độ xuống 300 km/h (ETCS-1) hoặc thấp hơn. Hệ thống này có các chức năng để cung cấp các dịch vụ tiếng nói và dữ liệu chuyên dụng phục vụ điều khiển chạy tàu tốc độ cao như sau [15] :
13 a) Dịch vụ gọi nhóm tiếng nói VGCS (Voice Group Call Servive): Thực hiện cuộc gọi nhóm giữa tàu và BS hoặc thực hiện cuộc gọi nhóm giữa nhân viên điều độ, nhân viên nhà ga và các nhóm tương tự.
b) Dịch vụ phát thanh thoại VBS (Voice Broadcast Servive): VBS chủ yếu được sử dụng để phát các bản tin đã được ghi lại hoặc để thông báo trong hoạt động của HSR. BS phát quảng bá bản tin cho một số nhóm tàu, hoặc tàu phát bản tin đến BS và các tàu khác trong một khu vực xác định. So sánh với VGCS thì VBS chỉ có người khởi xướng của cuộc gọi có thể nói trong VBS, và những người khác tham gia cuộc gọi chỉ có thể được nghe.
c) Cuộc gọi ưu tiên và chiếm giữ tài nguyên eMLPP (Pre-emption service) eMLPP xác định ưu tiên của người dùng và được sử dụng để đạt hiệu quả cao cho
các cuộc gọi nhóm khẩn cấp. Hệ thống GSM- R có tính năng ưu tiên cuộc gọi eMLPP, quy định cấp ưu tiên khác nhau khi xác lập cuộc gọi hoặc cắt chuyển sang khu khác và khả năng chiếm giữ tài nguyên khi nguồn tài nguyên thiếu.
Chức năng của eMLPP cho phép các cuộc gọi ưu tiên có cấp độ cao hơn chiếm lấy tài nguyên mạng của các cuộc gọi có cấp độ ưu tiên thấp hơn trong trường hợp thiếu tài nguyên mạng, eMLPP gốm có hai phần: Phần một là quyền ưu tiên: Gán một mức độ ưu tiên cho các cuộc gọi thiết lập và các cuộc gọi liên tục trong trường hợp chuyển vùng. Phần hai là quyền chiếm trước: Trong tính trạng thiếu tài nguyên mạng, cuộc gọi có mức ưu tiên cao hơn có thể chiếm lấy tài nguyên mạng của cuộc gọi có quyền ưu tiên thấp hơn. Tính năng này cung cấp khả năng cưỡng chế, phù hợp với đặc điểm điều độ của thông tin điều độ tàu bằng vô tuyến.
d) Đánh địa chỉ theo chức năng FN (Functional Addressing) và tìm kiếm theo chức năng. Để thực hiện việc tìm kiếm địa chỉ chức năng thì phải thực hiện kế hoạch đánh số liên quan đến tìm kiếm địa chỉ chức năng, sau đó thực hiện quá trình tìm kiếm địa chỉ chức năng.
Tìm kiếm địa chỉ chức năng có nghĩa là thuê bao có thể tìm kiếm địa chỉ từ vai trò chức vụ mà hiện tại họ đảm nhận chứ không phải thông qua số máy thiết bị đầu cuối mà họ đang sử dụng. Trong cùng một thời điểm chỉ có thể phân phối địa chỉ chức năng cho một thuê bao. Thuê bao có thể đăng ký và xóa bỏ địa chỉ chức năng với mạng.
14 e) Tìm kiếm địa chỉ theo vị trí LDA (Location Depending Addressing): LDA đánh địa chỉ phụ thuộc vào vị trí. Tìm kiếm địa chỉ theo vị trí định tuyến cuộc gọi của thuê bao di động dựa vào chức năng địa chỉ đích có liên quan đến vị trí của thuê bao gọi lúc đó, chính xác dẫn đến nhân viên điều độ nào hoặc nhân viên trực ban nhà ga nào là do vị trí của đầu cuối di động lúc đó xác định. Như trong điều độ tàu bằng vô tuyến, nhân viên điều độ mà đầu cuối di động cần gọi được quyết định bởi vị trí hiện tại của đầu cuối di động gọi lúc đó. Ví dụ, khi đoàn tàu đang trong quá trình vận hành mà lái tàu muốn gọi cho nhân viên điều độ lúc đó anh ta hoàn toàn không biết số điện thọai của nhân viên điều độ khi đó, nhưng anh ta có thể phát đi một số rút gọn như 1200 để phát đi yêu cầu cuộc gọi cho mạng. Mạng sẽ nhận biết số điện thoại rút gọn này, đồng thời định tuyến nó đến đúng nhân viên điều độ cần gọi.
Hạn chế của GSM-R
Mặc dù hệ thống GSM-R vẫn đang phát triển, tuy nhiên hệ thống này dựa trên công nghệ GSM (thế hệ thứ 2), bên cạnh đó dải tần làm việc được phân gây hạn chế dung lượng nên hệ thống này tồn tại các hạn chế như sau:
1) Nhiễu: Nhiễu giữa GSM-R và các mạng thông tin vô tuyến công cộng khác tăng lên vì cả đường sắt và các nhà mạng công cộng muốn có độ phủ sóng tốt dọc
theo đường ray. Thay vì hợp tác trong quy hoạch mạng lưới, các nhà khai thác đường sắt và công cộng cạnh tranh để phủ sóng. Nhiễu có thể dẫn đến suy giảm nghiêm trọng về thông tin thoại và dữ liệu cũng như mất mạng trên khoảng vài trăm mét đường ray. Về mặt lý thuyết, nhiễu này có thể tránh được nếu các nhà mạng công cộng không sử dụng các băng tần gần kề với các băng tần GSM-R cho các khu vực gần đường ray, thực tế luôn tồn tại băng tần liền kề này nên nhiễu này vẫn tồn tại. Trong tương lai, nhiễu có thể tăng do sự phát triển mạng GSM-R và tăng trưởng của mạng công cộng.
2) Dung lượng: Băng thông 4 MHz của GSM-R có thể hỗ trợ 19 kênh với băng thông 200 KHz. Kênh này đủ cho thông tin giọng nói, vì các cuộc gọi thoại bị hạn chế về thời gian và không chiếm dụng tài nguyên liên tục. Tuy nhiên, dung lượng hiện tại này không đủ cho hệ thống đường sắt thế hệ tiếp theo, trong đó mỗi tàu cần thiết lập kết nối dữ liệu liên tục với một trung tâm khối radio RBC (Remote Base
15 Control), và mỗi kết nối RBC cần phải chiếm một khe thời gian một cách liên tục. Hơn thế nữa các hệ thống điều khiển tàu hiện đại như ITS (Intelligent Transport System) đường sắt, IoT trong giao thông vận tải cần đường truyền thông tin vô tuyến băng rộng.
3) Tốc độ: Là một hệ thống băng hẹp, GSM-R không thể cung cấp các dịch vụ tiên tiến và thích nghi với các yêu cầu mới. Tốc độ truyền tối đa của GSM-R cho mỗi kết nối là 9,6 kb/s, chỉ đủ cho các ứng dụng có nhu cầu thấp; thời gian trễ bản tin nằm trong phạm vi 400 ms, quá chậm để hỗ trợ bất kỳ ứng dụng thời gian thực và thông tin khẩn cấp nào [16]. Các dịch vụ tương lai của HSR như giám sát thời gian thực đòi hỏi một hệ thống băng rộng để có tốc độ dữ liệu lớn hơn và trễ ngắn hơn.
Hệ thống GSM-R không cung cấp được các dịch vụ thông tin băng rộng cho hoạt động điều khiển tàu cũng như các dịch vụ thông tin băng rộng của hành khách. Hiện nay có các hệ thống phức hợp khác nhau để truyền thông tin vô tuyến băng rộng cho tàu tốc độ cao.
1.1.3.4. So sánh các công nghệ thông tin vô tuyến đoàn tàu mặt đất
Việc lựa chọn một hệ thống thông tin vô tuyến tối ưu cho đường sắt và các thành phố lớn cần phải xem xét nhiều thông số và thuộc tính dịch vụ như hỗ trợ giọng nói, lưu lượng truy cập, mức độ ưu tiên, tính khả dụng, tần suất. Bảng 1.1 so sánh các công nghệ khác nhau thông qua các thông số cơ bản mà các mạng đó cung cấp [17].
Bảng 1.1. So sánh các công nghệ thông tin vô tuyến trong đường sắt
SO SÁNH CÁC CÔNG NGHỆ
GSM-R TETRA P25 WiFi LTE
Tiếng nói + + + VoIP VoIP Quảng bá dữ liệu <10kb/s <10kb/s <100kb/s >100Mb/s >10Mb/s
16 IP - - - + + Hỗ trợ lưu lượng ảo + + + + Thời gian thiết lập cuộc gọi 1 đến 5 s 250ms 800ms 100ms 100ms Cơ chế chuyển giao Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn
Ưu tiên Tiêu chuẩn
Cơ chế ưu tiên + + + 3 mức/không 9 mức/có Tần số hoạt động 900MHz UIC 400MHz PMR 700MHz+ VHF 2,4GHz/5.x GHz 450MHz tới 3,5GHz
1.1.4. Thông tin vô tuyến trên một số tuyến đường sắt tốc độ cao hiện tại
Thông tin vô tuyến trên tàu đường sắt tốc độ cao phải đối mặt với các đặc tính phức tạp như [18]:
- Môi trường rung động cao do tàu khi di chuyển gây ra rung ảnh hưởng đến các thiết bị thông tin đặt trên tàu.
- Môi trường “có thách thức nhiệt”, đây là một trong những vấn đề quan trọng đối với thiết bị thông tin đặt trên tàu.
- Môi trường điện khắc nghiệt do các đường ray đặt gần điện cao áp, việc cung cấp điện cho các thiết bị thông tin trên tàu cũng khó so với trên mặt đất
- Trên tàu ngoài các thiết bị thông tin còn có các thiết bị tín hiệu phục vụ điều khiển tàu gây ra ảnh hưởng lẫn nhau.
17 thông tin trên đoàn tàu thường xuyên thay đổi.
- Tuyến đường sắt thường trải dài và di chuyển qua các khu vực địa lý khác nhau có những khu vực như qua hầm cũng gây khó khăn cho việc đảm bảo chất lượng tín hiệu.
- Ngoài ra môi trường di chuyển tốc độ cao còn gây ra một số các vấn đề ảnh hưởng đến hệ thống thông tin vô tuyến
Dù những khó khăn này, hành khách trên tàu đường sắt tốc độ cao vẫn được cung cấp truy nhập Internet trên tàu bằng nhiều công nghệ, bao gồm Wi-Fi, công nghệ vệ tinh và vô tuyến. Hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng trong HSR một số tuyến điển hình như sau:
Ở châu Âu sử dụng hệ thống truyền thông vô tuyến băng rộng toàn cầu đa phương thức (MOWGLY), sử dụng GSM-R để cung cấp thông tin vô tuyến điều khiển hoạt động chạy tàu và sử dụng WiFi cho hành khách trên tàu và công nghệ vệ tinh cho thông tin đoàn tàu mặt đất, với thời gian trễ trong khoảng 3s [19].
Hệ thống đa phương thức này cũng được sử dụng trong tàu cao tốc như Thalys và TGV của Pháp để cung cấp thông tin điều khiển tàu ETCS-2 thông qua hệ thống GSM-R và cung cấp thông tin Internet băng rộng cho hành khách. Khi đoàn tàu đang di chuyển với tốc độ 300km/giờ, tốc độ dữ liệu tối đa là 4Mbps trong tuyến xuống và 2Mbps trong tuyến lên [20].
Thông tin vệ tinh có độ bao phủ lớn, và thiết bị mặt đất cạnh đường ray cần thiết ít hơn nhiều so với các mạng di động. Hầu như không có chuyển giao do chiều cao của vệ tinh. Tuy nhiên, tồn tại các điểm mù trong vùng phủ sóng, nơi có những tòa nhà cao, đồi, núi và đường hầm. Phương pháp áp dụng WLAN (Local Area Wireless Networks) đã bù vào các lỗ hổng của thông tin vệ tinh [21]. Tuy nhiên, thực tế vùng phủ sóng của nó nhỏ hơn nhiều so với thực tế triển khai. Ngoài ra, tín hiệu vệ tinh bị suy hao lớn khi điều kiện thời tiết xấu, đường truyền thông tin vệ tinh với băng thông giới hạn (thường là 4MB) và chi phí cao (chi phí thuê vệ tinh và giá thành thiết bị sử dụng) không thể đáp ứng nhu cầu của một số lượng lớn hành khách. Hơn nữa, thông tin vệ tinh có thời gian trễ đáng kể (khoảng 4 giây khi hoạt động tốt), làm cho nó không phù hợp cho các ứng dụng thời gian thực, đòi hỏi độ tin cậy cao.
18 Tại Nhật Bản, một hệ thống vô tuyến dựa trên cáp đồng trục xẻ rãnh LCX (Leaky Caxial Cable) được triển khai trên tàu tốc độ cao N700 để truyền thông tin băng thông rộng giữa tàu và mặt đất, trong khi WiFi cũng được lựa chọn cho truyền thông tin trong đoàn tàu. Từ năm 2009, N700 có thể cung cấp các dịch vụ dữ liệu không dây 2Mbps cho hành khách trong cả tuyến xuống và tuyến lên [22]. Hơn thế nữa, WiMAX đã được thử nghiệm tại Đài Loan cho băng thông rộng được truyền đi trên các đoàn tàu tốc độ cao. Hiện nay, có thể đạt được tốc độ dữ liệu là 3Mbps và 2Mbps trong tuyến xuống và tuyến lên tương ứng [23].
LCX có thể cung cấp phạm vi phủ sóng đồng nhất mà không có xuyên nhiễu lẫn nhau giữa các tín hiệu vô tuyến. Nó có thể tái sử dụng tần số trên tuyến dài HSR với hiệu quả sử dụng băng thông cao. Chiều dài một đoạn điển hình là 100-400m [24]
được đặt gần tàu, vì vậy chất lượng tín hiệu tốt và công suất tín hiệu thấp. Tuy nhiên, các yêu cầu nghiêm ngặt về kích thước khe xẻ rãnh, cùng với sự suy hao lớn