GSM-R
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GSM-R(Global System for Mobile communications - Railway)はGSMを基にした移動通信システムで国際標準のシステムである。GSM-RはERTMSのサブシステムでもあり、鉄道のコミュニケーションとアプリケーションのために特化した無線通信プラットフォームで、主に列車と指令所間の通信に用いられている。GSM-RのベースとなるGSMとEIRENE - MORANEでは、どのような通信でも損失なく、500km/hの速度でもそのパフォーマンスを保証している。
GSM-RはおそらくLTE-Rに取って代わられると予想され、[1] 最初の商用化は韓国[2]となっている。しかしながら、LTE は"4G"プロトコルと見做されており、一部の鉄道ではアップグレードサイクルのタイミングに応じて"5G"に移行することを検討しているため、技術的な世代はスキップされている。[3][4]
背景
GSM-RはGSM技術を基に築き上げられた。そして、GSM技術から得られた技術から既存のアナログ鉄道通信網に取って代わる効率的なデジタル通信手段を目指している。一つの通信プラットホームを使うことにより、インターオペラビリティを達成することを目的としており、ヨーロッパの鉄道会社の間で10年以上協同してきた。GSM-Rは新しいヨーロッパの鉄道保安設備であるERTMSの一部でもあり、直接合図している情報を運転士へ伝達する。そして、高水準の安全性により高頻度の列車運行を支えている。仕様は2000年に確定したが、EUのMORANE（Mobile Radio for Railways Networks in Europe）プロジェクトに基づいている。
仕様は国際鉄道連合のERTMSプロジェクトによって維持されている。世界中で38カ国から選ばれており、EU加盟諸国とアジア、ユーラシアと北アフリカにそれぞれの国も含まれている。中華人民共和国の青蔵鉄道でも使用されている。[5]
GSM-Rは運転士を含む運行スタッフ、指令、信号所スタッフ、車両技師、駅務員などにとって音声とデータにとって安全なプラットフォームである。非常時の際には同時に複数を呼び出せる。貨物列車の追跡や、駅、列車での旅客案内サービス、ビデオ監視などもサポートしている。鉄道線路の近くに専用の基地局塔を使い情報を提供している。基地局間の距離は3～4kmで、高度な冗長でより高い有効性と信頼性を作り出している。ドイツやイタリア、フランスのGSM-R網には、3,000～4,000の基地局が存在する。
主要技術
GMS-R技術の基本構造は広範なGSM通信網にあたる。この場合、信号の交換は移動通信機器と固定通信施設の間に保証されねばならない。モジュール式で構築された通信網技術は次の三つ領域で分かれている[6]。
- 基地局サブシステム（Base Station Subsystem, BSS）
- ネットワーク転換サブシステム（Network Switching Subsystem, NSS）
- 運営補助システム（Operational Support System, OSS）
空気媒介のインターフェース（Luftschnittstelle）は通信システムのデータ転送可能性とともに実際に性能を決める。データ転送容量は帯域幅と呼ばれて、可用な周波数範囲を示す。
周波数範囲
全ての技術適用の根本は国際鉄道連合（UIC）が初期に導入したことである。目的は、世界中の国家で必要ならば既に確保された周波数範囲のほかの用途使用を終わらせ、そして選択肢の範囲を役たつようにすることである。周波数範囲は実際に国家別主務官庁で配分される。ローミングはGSM-RとGSM網の間に可能である。
ドイツの場合、連邦通信網庁（Bundesbetzagentur）は4 MHz広いUIC周波数帯域をGSM-Rの用途に確保している[7]。
- アップリンク: 876 - 880 MHz
- ダウンリンク: 921 - 925 MHz
ドイツでは2009年末以来3 MHz広い周波数帯域の追加使用は許容される[7][8]。その拡張GSM-Rはリヒテンシュタイン[9]、オーストリア[10]、スイス[11]でもまた適用可能である。
- アップリンク: 873 - 876 MHz
- ダウンリンク: 918 - 921 MHz
拡張GSM-Rの場合、15個のGSMチャンネルの使用がチャンネル間隔200 kHzに可能である。隣接する無線機および軍事施設の周波数帯域の使用は妨害されてはならないので、そのGSM-Rの使用は現在まで極度に制限されている。ただし、拡張GSM-Rの採択は鉄道交通向けに新たな無線通信技法を同時に導入する選択肢である。ベルギーの鉄道施設企業インフラベルは919.6 - 921.0 MHzの周波数帯一部を活用することを計画した[9]。
2018年の電気通信委員会（Electronic Communications Comittee, ECC）の意思決定によって、拡張GSM-Rの下位周波数帯は無線機交信の用途に開放される予定であった。それに加えて、919.9 MHzに4番目のRFIDチャンネルが導入される計画が立てられた[12]。2020年11月20日の議決により、欧州郵便電気通信主管庁会議（略: CEPT）の下位組織体ECCは一組の周波数帯874.4 - 880.0 MHz・919.4 - 880.0 MHzと単一の1900–1910 MHzをヨーロッパ鉄道に鉄道移動交信装置（Railway Mobile Radio, RMR）を供給することを決定した。RMRはその場合にGSM-Rも次世代システムFRMCSも含む[13]。2021年9月28日の決議案により、EU委員会は加盟国に、2022年1月1日まで周波数帯874.4 - 880.0 MHz・919.4 - 880.0 MHzを、2025年1月1日まで周波数帯1900 - 1910 MHzを鉄道交信向けに使用することを義務つけた[14]。その故に、2022年より少なくとも拡張GSM-Rの周波数帯の一部はEU加盟国内に有効となった。
機器の分類
GSM-R交信モジュールは通信機カテゴリーにより区分されている。
| 通信機 | 機能・説明 |
|---|---|
| キャビン交信機 （Cabin Radio, cab radio） | 運転台に固定されたデジタル化した信号による通話用度の電話機。 |
| ETCSデータ無線専用交信機 （ETCS Data Only Radio, EDOR） | 列車保安装置システムETCS向けの車上装置コンピューターと地上子閉塞センター（Radio Block Centre）間データ伝達を目的に車両に工程設置されたデータ通信。通話機能は許容されない。 |
| 一般目的の携帯型通信機 （General Perpose Handheld, GPH） | 鉄道沿線の保護壁ある環境（室内）で一般使用の目的に用いられる携帯電話。GPH携帯電話は固体の衝突および液体の浸透に対してあまり良く保護されなくて、衝撃と衝突に対してOPHより弱い。通信機では一般にOPHのバッテリーよりもっと小さい充電バッテリーが装着されて、その故に8時間勤務の間に自動連続作動に適合しない。 |
| 管制目的の携帯型通信機 （Operational Purpose Handheld, OPH） | 鉄道沿線の保護壁ない環境（室外）で一般使用の目的に用いられる携帯電話。OPH携帯電話は線路周辺設置に適している。OPH携帯電話は固体の衝突および液体の浸透に対して良く保護されて、また衝撃と衝突に対して良く保護される。通信機では一般に大型充電バッテリーが装着されて、8時間勤務の間に自動連続作動に適合する。 |
| 入換用管制目的の携帯通信機 （Operational Purpose Handheld for Shunting, OPS） | 鉄道沿線の保護壁ない環境（室外）で入換の時、運転整理者向けに用いられる携帯電話。OPS携帯電話で伝達された信号音から、運転士は通話連結の異常を認識して非常停止を開始できる。OPS携帯通信機ではデッドマンスウィッチが装着されている。デッドマンスウィッチで運転整理者の業務不能が探知される場合には、信号音は消えて運転士は非常停止を始める。 |
詳細な要求仕様はUICの文書で記述されている[16]。
GSM-R携帯電話のない場合に列車を入換するために、アナログあるいはディジタルワーキートーキーが用いられる。そのワーキートーキーはER-GSMの周波数帯以外で機能する。多数の製造者はデッドマンスウィッチおよび信号音機能をOPS形態通信機に装着して供給する。運転整理者向けの最新の解決策はGSM-R無線モジュールもワーキートーキー無線モジュールも設置することである。側線のようにGSM-Rがない区域内に運転整理者はワーキートーキーを用いて交信する。運転整理者が再びGSM-Rを利用できる区域、たとえば駅区内に戻ると、入換情報はGSM-R無線モジュールを通じて伝達される。
交信電力
GSM-R無線モジュールの交信電力は保健上の理由で制限される。車両の屋根における移動通信アンテナは人の身につける携帯電話機より強い電力で信号を搬送できない。時分割多重化によりGSM-R無線モジュールの交信電力は尖頭電力より小さくなる。
| 通信機 | GSM電力等級 | 最大電力 | 平均有効電力の最大値 |
|---|---|---|---|
| キャビン交信機（cab radio） | 2 | 8 W (39 dBm) | 1000 mW |
| ETCSデータ無線専用交信機（EDOR） | |||
| 一般目的の携帯型通信機（GPH） | 4 | 2 W (33 dBm) | 250 mW |
| 管制目的の携帯型通信機（OPH） | |||
| 入換用管制目的の携帯型通信機（OPS） |
GSM-R無線モジュールの交信電力はアンテナ電力制御により必須条件の最低値に至る。
ダウンリンクの交信電力はアップリンクの交信電力より高くなれなくて、他の場合は単信（simplex communication）だけが基地局からGSM-R無線モジュールへ可能であるが、逆方向の交信は不可能な状況である。普通ならGSM-R基地局の最大電力は5-40ワット（46 dBm）の範囲内にある[18]。セクターアンテナがGSM-R無線モジュールの電波送出に用いられると、基地局の実効輻射電力は規定により100-1000ワットの範囲内にある。
交信電力制御（Transmitter Power Control, TPC）は鉄道輸送チャンネル（TCH）向けのGSM-R基地局の交信電力を実際に必要な最低値に減少させるように機能する[19]。単一なあるいは幾つかのTCH付きGSMチャンネルの電波送出はGSM-R基地局未使用の時に可能になって、それは電力消費および送出負荷を低下させる。
鉄道に特化した機能
初期の場合、機能はGSM-R通信網が有効かどうかによって二つのモードに区別された。このモードは決定的な要因により互いに区別される。GSM-R通信網がない、近距離通信向けの「直接モード」はワーキートーキーを用いる交信と類似して作動した。そのモードはFRSヴァージョン8の改訂とともに外された。そのことからGSM-Rは固定された無線アンテナを通じる交信のみを支援する。どんな無線通話およびデータ通信の信号でも少なくとも単一GSM-R無線アンテナを経て処理される。二つのGSM-R無線モジュールの間直接な無線交信はGSM-R無線アンテナの範囲外に不可能である。
GSMモードの部門で鉄道にGSM-R標準により特化した要素は適用可能となった。GSMモードの部門ではGSM-R通信網が公衆で接続可能なGSM通信網に当たるものの、UICの側面では付加的なサービスが必要となりいくつかの標準GSM要素はより詳しく明示された。運転指令所の統制者がGSM-R機器を使用するために、特別な固定端末装置システム（Fixed Terminal System, FTS）が設置されている。GSM-Rは特殊な携帯電話機およびSIMカードのみで使用できる[20]。
業務用電話番号の提供は、SIMカードを介する電話番号で連結された通信網が特定の無線装置および運転士に利用可能であることを意味する[21]。これによって、列車の運転士や高速列車の機長・乗組員・運転整理者・整備員には、個別電話番号を記憶する必要なしに通話連結が可能になる。また、数人の運転士が同時に交信することも可能で、例として、特定区間で走行する全ての機関士が挙げられる。
鉄道に特化した非常通話の場合、多重無線通話サービス（Voice Group Call Service, VGCS）による通話が特に重要で、その通話が発信者の位置と非常電話番号に依存して特定使用者グループに伝達され、特別な信号で自動に連結される。この特別な信号で通話プロセスは短縮され、優先順位が低い通話は隠される。全てのGSM-R端末機には非常通話用の赤色ボタンが必ず備えられる[22]。入換作業の場合、運転整理者向けにネットワークに接続されたGSM-R端末機環境が設置されると、正しい電話番号が自動に認識される。必要な情報はSIMカードに伝達されMSCに保存される。ドイツでは、非常通話は連邦鉄道庁（Eisenbahn-Bundesamt, EBA）の指示に基づいて鉄道事故の事後評価のためにネット上に記録され長期間に保管される。列車の運転室に入った非常通話着信はスピーカーを経て運転台画面に表示される。
