Analiza ośrodków propagacji i transmisji komunikatów w systemie dodatkowego ostrzegania kierowców na niestrzeżonych przejazdach kolejowych

Transkrypt

1 BESTER Lucyna 1 TORUŃ Andzej Analiza ośodków popagacji i tansmisji komunikatów w systemie dodatkowego ostzegania kieowców na niestzeżonych pzejazdach kolejowych WSTĘP Szybki ozwój technologii teleinfomatycznych w tanspocie kolejowym daje możliwość modenizacji istniejącej infastuktuy kolejowej w celu popawy bezpieczeństwa na pzejazdach oaz podwyższenie opeatywności steowania systemami pzejazdowymi klasy ssp. Zastosowanie bezpzewodowych standadów tansmisji danych do ostzegania kieowców znajdujących się w obębie pzejazdu kolejowego o zbliżającym się pociągu może w skuteczny sposób wpłynąć na zmniejszenie liczby wypadków na niestzeżonych pzejazdach kolejowych kategoii D. Pzyjęta pzez autoów koncepcja systemu polega na pzekazaniu, z odpowiednim wypzedzeniem, infomacji kieującym pojazdami kołowymi, o zbliżającym się pociągu tak, aby mógł on zatzymać pojazd lub bezpiecznie opuścić pzejazd. Jako główne medium tansmisji zapoponowano zastosowanie standadów tansmisji takie jak technologia WiMax (IEEE 80.16x, Wold Inteopeability fo Micowave Access), Wi-Fi (IEEE 80.11x, Wieless Fidelity) i bezpzewodowe sieci sensoowe WSN (Wieless Senso Netwok). W niniejszym atykule analizie poddano zjawiska i pocesy zachodzące podczas tansmisji telegamów ostzegawczych w óżnych ośodkach popagacji fal adiowych w celu oszacowania zasięgu adiowego oaz skuteczności dostaczenia tansmitowanych komunikatów. 1 OSZACOWANIE ZASIĘGU TRANSMISJI PAKIETÓW OSTRZEGAJĄCYCH KIEROWCÓW W RÓŻNYCH ŚRODOWISKACH PROPAGACJI FAL RADIOWYCH Analiza zjawisk i pocesów zachodzących podczas tansmisji telegamów ostzegawczych w óżnych śodowiskach popagacji fal adiowych pozwoli oszacować poziom niezawodności systemu dodatkowego ostzegania kieowców. Poponowany system ostzegania jest taktowany, jako system komunikacji w czasie zeczywistym, dlatego odpowiedni dobó typowych paametów sieciowych, takich jak; algoytmy i potokoły komunikacyjne, pzepustowość oaz opóźnienia i staty pakietów wpływają na niezawodność systemu ostzegania ozumianą, jako pawdopodobieństwo dostaczenia do pojazdu telegamu ostzegawczego. Badania symulacyjne śodowiska pozwolą wykazać, w jakim stopniu pzestzeń popagacji adiowej wpływa na efektywność tansmisji telegamów. Pzykład ealizacji modelu systemu dodatkowego ostzegania pzedstawiony został na ysunku 1. 1 Uniwesytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimieza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Tanspotu i Elektotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 9. Tel: , , Fax: , l.beste@uthad.pl Andzej Touń - Instytut Kolejnictwa, Zakład Steowania Ruchem i Teleinfomatyki ul. Józefa Chłopickiego 50, Waszawa. Tel: () fax: () , atoun@ikolej.pl 1863

2 Dystans pokycia sieci adiowej x=400m Rys. 1. Ilustacja wysyłania komunikatów ostzegawczych w systemie wczesnego ostzegania [źódło: opacowanie własne] Modele popagacji adiowej Analiza tansmisji sygnału w kanale adiowym jest badziej złożona niż analiza tansmisji sygnału w kanale pzewodowym, ponieważ właściwości popagacyjne kanałów mogą zmieniać się gwałtownie i losowo. W systemach łączności bezpzewodowej sygnał adiowy dociea do odbionika dwoma sposobami dogą bezpośednią oaz po odbiciu od powiezchni ziemi. Liczba fal adiowych odbijających się od ziemi zależy od ukształtowania teenu natomiast od odzaju teenu (np. pokycie oślinne) zależy poziom mocy fali odbitej, zatem intefeencja fali bezpośedniej i odbitej od ziemi geneuje zaniki sygnału. Moc sygnału odebanego zależy od mocy sygnału nadawanego, zysku anteny oaz od odległości nadajnika od odbionika. Dlatego też zgodnie z zależnością S=P/4π moc sygnału odebanego maleje waz z kwadatem odległości. Wato wspomnieć, że model idealnych waunków popagacji sygnału jest model popagacji w wolnej pzestzeni (ang. Fee Space Model), któy zakłada, że idealne waunki popagacji fal istnieją tylko w bezpośedniej linii widzenia odbionika z nadajnikiem (ang. Line-of-sight popagation). W niniejszym atykule ozpatzone zostały konfiguacje popagacji, opisujące ozchodzenie się fal adiowych w śodowisku miejskim, najbadziej zbliżone do waunków zeczywistych tzn. uwzględniające tłumienie wynikające z odległości nadajnika od odbionika oaz zaniki sygnału. Są to następujące modele kanałów tansmisji: kanał dwu-pomieniowy (ang. Two Ray Goung) kanał z zanikami Rayleigh fading (ang. Shadowing, model logo-nomalny), kanał adiowy z addytywnym gaussowskim szumem białym AWGN (ang. Additive White Gaussian Noise). Model kanału adiowego AWGN jest powszechnie wykozystywany do symulacji szumu tła badanego kanału. Zasada modelu zakłada, że sygnał, któy dociea do odbionika jest sumą sygnału wysłanego (t) pomnożony pzez stały w czasie twania tansmisji współczynnik tłumienia kanału g(t) (g=const, 0<g<1) oaz sygnału szumu. Sygnał szumu jest epezentowany pzez zmienną losową n(t) o ozkładzie nomalnym N(μ,σ ) i jeśli μ=0, σ =1 to ozkład ten nazywa się standadowym ozkładem nomalnym, i jego funkcja gęstości opisana jest wzoem: f 0,1 x 1 ( x) e (1) to jest ealizacją gaussowskiego pocesu stochastycznego o zeowej watości oczekiwanej (śedniej) i waiancji σ [, 5]. ( t) g * ( t) n( t) () Addytywny szum biały n(t) jest zmienną losową o symetycznym ozkładzie Gaussa (nomalnym) o zeowej watości oczekiwanej i stałej gęstości widmowej mocy w całym paśmie pzepustowym kanału. W tansmisji bezpzewodowej z kanałem Rayleigh a mamy do czynienia w pzypadku, gdy odbionik jest w uchu i do odbionika dociea wiele sygnałów o losowo zmiennych amplitudach i 1864

3 fazach. Rozkład obwiedni sygnału odebanego wyaża się funkcją Rayleigh a, gęstość pawdopodobieństwa tej funkcji opisuje wzó 5. a a f ( a) * e dla a 0, 0 f ( a) 0 dla a 0 (3) gdzie: α paamet ozkładu, a obwiednia sygnału Model kanału Rayleigh a dla mocy opisana jest ozkładem wykładniczym [,5]: f a ( p) e (4) Model popagacji Shadowing opisuje zjawisko cieniowania. Zakłada, że moc sygnału odbieanego maleje w sposób logaytmiczny waz z odległością d. Model ten pzewiduje moc P(d) na podstawie dwóch części, w piewszej obliczany jest wykładnik utaty ścieżki, w dugiej obliczana jest moc w odległości d na podstawie ównania Fiisa (popagacji w wolnej pzestzeni). Śednia moc w zależności od odległości od anteny nadawczej zmienia się następująco [3]: P ( d) P ( d gdzie: d odległość Faunhofea d=/λ λ długość fali wysokość anteny β współczynnik popagacji śodowiska.7<β<5 Dla modelu logo-nomalnego moc wyażona wzoem 6 w punkcie odbiou sygnału p (d) w mieze logaytmicznej wynosi [3]: 0 ) * d d 0 (5) d P ( d) P ( d X d 0 ) 10 log 10 0 gdzie: P (d 0) moc w punkcie Faunhofea [db] 10βlog 10(d 0/d) stata mocy śedniej na odcinku d 0 d [db] Xσ zmienna gaussowska o watości śedniej 0 i odchyleniu standadowym σ[db] moc śednia: P (d 0) = EIPR+0log 10(λ/4πd 0) (6) W modelu tego kanału pzyjmuje się, że sygnał nadany z nadajnika dociea do odbionika dwiema dogami, dogą bezpośednią oaz po odbiciu od ziemi. SYMULACJA OŚRODKÓW PROPAGACJI I TRANSMISJI KOMUNIKATÓW Do pzepowadzenia badań symulacyjnych dotyczących zasięgu adiowego oaz skuteczności dostaczenia tansmitowanych komunikatów związanej z konketnym ośodkiem popagacji wykozystano symulato NS-. Analiza wpływu ośodków popagacji na zasięg i skuteczność tansmisji wymaga zastosowania odpowiednich nazędzie symulacyjnych. Nazędzie takie musi umożliwiać modelowanie śodowisk popagacji fal w sieciach bezpzewodowych zgodnych ze standadem IEEE 80.xx w tym bezpzewodowych sieci mobilnych. Najlepszym do tego symulatoem według autoów jest Netwok Symulato (NS-) (dystybucja na zasadach open souce) wybou dokonano kieując się możliwościami tego symulatoa jest on symulatoem zdazeniowym. Pogam pacuje w systemie Linux i jest powszechnie używany w śodowisku akademickim. Istotną cechą pzepowadzanych w pogamie symulacji jest wizualizacja upływu czasu, kontola zdazeń oaz możliwość dogodnej konfiguacji powadzonego ekspeymentu (np. liczba węzłów, topologia i śodowisko sieciowe). 1865

4 Podobnie jak w zeczywistych sieciach bezpzewodowych konfiguacja symulowanej sieci w pogamie NS- umożliwia pecyzowanie zdefiniowanie jej poszczególnych elementów: węzłów, w któych dokonywany jest uting i geneowanie uchu, łącza pomiędzy węzłami mogą być jedno i dwukieunkowe, pzewodowe i bezpzewodowe. Dla każdego łącza definiuje się pzepustowość, opóźnienie i typ kolejkowania (np. FIFO), fomy uchu sieciowego, unicast, multicast, boadcast, wiele implementacji potokołów TCP, UDP, RTP, RTCP, modeli popagacji np. model kanału dwu-pomieniowego z dobiciem od powiezchni ziemi (ang. Two ay Gound) oaz model logo-nomany (ang. Shadowing). Sposób tansmisji telegamów ostzegawczych oaz lokalizacja instalacji i pacy systemu (np. obsza zubanizowany lub podmiejski) może wpłynąć na jakość pacy systemu ostzegania. Aby spawdzić słuszność tej tezy pzepowadzono badania symulacyjne i analizie poddano model kanału tansmisji telegamów ostzegających do zbliżających się pojazdów, co obazuje ysunek 1 natomiast ysunek pzedstawia model symulacyjny uuchomiony w symulatoze NS-. Rys.. Fagment wizualizacji pocesu symulacji [źódło: opacowanie własne]. W badaniach symulacyjnych wykozystano model kanału dwu-pomieniowy (Two ay Gound) bez zaników oaz model logo-nomany z zanikami (Shadowing), któe modelowały ozchodzenie się fal adiowych w śodowisku miejskim. Poces symulacji opato na dziesięciu węzłach i tansmisji pakietów do kolejnych węzłów będących w uchu. Scenaiusz symulacji zakłada pzesyłanie pakietów o wielkościach 51 i 104 bitów. Geneowanie danych o stałej pzepływności (CBR, ang. Constant Bit Rate), co 50 ms, z pędkością 10 i 1Mb/s, opóźnienie odczytane z apotu symulacji dla najbadziej oddalonego węzła o 500 metów wyniosło 0 ms. Obsza tansmisji pakietów typu boadcast jest oganiczony zasięgiem 500 m. W symulatoze wymagane jest okeślenie następujących paametów symulacji: wskaźnik stat β, pathlossexp_.7 (.7<β<5) odchylenie standadowe σ std_db_ 4 (σ<4) odległość efeencyjna d0 dist0m_1 (d0>1) geneato danych CBR (ang. Constant Bit Rate) emisja pakietów z intewałem 50 ms szybkość tansmisji 1Mb/s, 10Mb/s wielkość pakietów 51bitów, 104b. Poniżej na ysunkach 3, 4, 5 pzedstawiono poównanie badanych modeli kanałów tansmisji w celu oszacowania pocenta taconych pakietów na odcinku tansmisji danych 500 metów. Na ysunku 4 pzedstawiono w fomie gaficznej wyniki symulacji opisujące pocent taconych pakietów w zależności od odległości węzła (pojazdu) od anteny nadawczej uwzględniając dwa ośodki popagacji Two Ray Gound (dwupomieniowy) i Shadowing (logonomalny). Natomiast na ysunkach 5 i 6 pzedstawiono pocent taconych pakietów uwzględniając ozmia pakietów i szybkość tansmisji dla poszczególnych ośodków popagacji. 1866

5 Rys. 4. Odsetek pakietów taconych w modelu śodowiska popagacji fal Two Ray Gound (dwupomieniowy) i Shadowing (logonomalny) [źódło: opacowanie własne na podstawie wyników symulacji]. Rys. 5. Odsetek pakietów taconych w modelu śodowiska popagacji fal Shadowing dla óżnych wielkości tansmitowanych pakietów i óżnych szybkości tansmisji [źódło: opacowanie własne na podstawie wyników symulacji]. Rys. 6. Odsetek pakietów taconych w modelu śodowiska popagacji fal Two Ray Gound dla óżnych wielkości tansmitowanych pakietów i óżnych szybkości tansmisji [źódło: opacowanie własne na podstawie wyników symulacji]. Dokonując oceny wyników badań (ysunki 4-6) można zauważyć, że oba ośodki popagacji niosą ze sobą utatę pakietów, a ozkład utaty pakietów wynika z właściwości tych ośodków. Na pzykład (ysunek. 4) w modelu Shadowing utata pakietów zaczyna się na 300 metze odległości od anteny nadawczej, co jest właściwe z tym modelem popagacji, ponieważ zgodnie z zależnością 6 moc sygnału odbieanego maleje w sposób logaytmiczny waz z odległością. Inaczej jest dla modelu ośodka dwu-pomieniowego (Two Ray Gound) gdzie pojedyncze pakiety są tacone już na początku badanego odcinak, wpływ na staty ma też wielkość emitowanych pakietów, co pokazują wyniki zamieszczone na ysunku 6. Wyniki tego etapu symulacji wskazują, że znajomość ośodka popagacji jest pomocna do oceny właściwego funkcjonowania systemu tansmisji. W kolejnym etapie badań symulacyjnych systemu tansmisji pzepowadzono symulacje w celu oszacowania pawdopodobieństwa wystąpienia pzekłamania w telegamie ostzegawczym w zależności od pędkości pouszania się pojazdu. Dlatego zbudowano model symulacyjny, w któym z całej stuktuy systemu wyodębniono elementy nadajnika, kanału tansmisyjnego oaz odbionika. 1867

6 Stuktuę modelu symulacyjnego pzedstawiono na ysunku 7. Na potzeby symulacji wykozystano moduły pogamu MATLAB/Simulink v. R001a [4], któe ealizują szeeg pzypisanych im zadań takich jak: mechanizmy kodowania i dekodowania CRC, modulacji i demodulacji QAM, a także, co najważniejsze umożliwiają detekcję błędu. Do tansmisji pakietów zastosowano blok kanału tansmisji Multipath Rayleigh Fading, ponieważ najlepiej odzwieciedla właściwości pacy mobilnych systemów łączności bezpzewodowej. Rys. 7. Stuktua modelu symulacyjnego zaimplementowanego w Matlab/Simulink dla modelu kanału tansmisji adiowej [źódło: opacowanie własne] Analizę modelu kanału tansmisji pakietów pzepowadzono pzy założeniach, któe odnoszą się do pacy zeczywistych systemów tansmisji: modulacja tylko QAM-16 i QAM-3 (ang. Quadatue Amplitude Modulation) z wykozystaniem kodowania detekcyjnego CRC-16 i CRC-3 (ang. Cyclic Redundancy Check). Miaą jakości tansmisji pzyjętą podczas badań symulacyjnych było pawdopodobieństwo błędu elementanego BER (ang. Bit Eo Rate) w zależności od pędkości pouszania się odbionika. Pozwoliło to na okeślenie paametów sieciowych, związanych z zakesem zmian mocy nadawanego sygnału. Rys. 8. Pawdopodobieństwo pzekłamania bitu (BER) w komunikacie w funkcji pędkości pojazdu [źódło: opacowanie własne na podstawie wyników symulacji]. Jak widać na ysunku 8 pawdopodobieństwo pzekłamania pakietu dla óżnych pędkości uchu pojazdów zmienia się w niewielkim zakesie pzedziału 10*10-3, co jest akceptowalnym wynikiem. Otzymane wyniki są miaą tylko wydajności kodowania CRC i do oceny jakości tansmisji należy wziąć pod uwagę inne istotne czynniki takie jak moc nadajnika, wysokość masztu antenowego, ukształtowanie teenu. Podsumowując powyższe badania można stwiedzić, że efektywność steownia mocą oaz wybó odpowiedniej metody tansmisji infomacji i dostosowanie do śodowiska popagacyjnego może pzyczynić się do skutecznego dostaczania komunikatów ostzegawczych. Technologie bezpzewodowe zapoponowane w atykule chaakteyzują się heteogenicznymi waunkami pacy ze 1868

7 względu na pacę w óżnych śodowiskowych teenowych (teeny miejskie, podmiejski, gózyste) oaz zmieniającą się dynamicznie lokalizacja odbioników, założeniem systemu dodatkowego ostzegania kieowców jest zapewnienie użytkownikom dostępu do systemu wykozystując możliwości lokalnej infastuktuy na danym obszaze. PODSUMOWANIE W wyniku pzepowadzonych analiz stwiedzono, iż zastosowanie dodatkowego systemu ostzegania kieowców na pzejazdach kategoii D może być skutecznie zealizowane pzy wykozystaniu publicznych standadów tansmisji danych. Dobó metod i sposobów tansmisji umożliwia skuteczne pzekazanie infomacji do pojazdu bez względu na śodowisko (ukształtowanie teenu) w jakim odbywa się popagacja adiowa. Steszczenie W atykule autozy na pzykładzie systemu dodatkowego systemu ostzegania kieowców na pzejazdach kolejowych niestzeżonych, pzedstawili poblem skutecznego pzekazywania infomacji do pojazdu (samochodu) w aspekcie skuteczności i zasięgu działania takiego systemu. W tym celu autozy wykonali, pzy wykozystaniu symulatoa NS- oaz na zaimplementowanych w śodowisku Matlab/Simulink modelach symulacyjnych, badania symulacyjne dla óżnych typów kanałów tansmisji. Uzyskane wyniki symulacji potwiedziły możliwość skutecznego dostaczenia do pojazdu infomacji zbliżającym się pociągu, dla zakładanego w systemie dodatkowego ostzegania zasięgu oddziaływania 500m. Analysis of the envionment of adio wave popagation and tansmission of messages in the additional waning system of dives on unguaded level cossings Abstact In the pape the authos, on the example of the additional waning system at unguaded level cossings, pesented the poblem of efficient povide infomation to the vehicle (ca) in tems of effectiveness and ange of opeation of such a system. Fo this pupose, the authos pefomed, using a simulato NS- and implemented Matlab/Simulink simulation models, simulation studies fo diffeent types of tansmission channels. The esults of simulation confimed the possibility of effective delivey of the vehicle on the appoaching tain, the expected additional waning system impact ange 500m. BIBLIOGRAFIA 1. Beste L. Analiza zintegowanego systemu bezpieczeństwa w tanspocie lądowym na pzykładzie pzejazdów kolejowych, Rozpawa doktoska, Uniwesytet Technologiczno- Humanistyczny im Kazimieza Pułaskiego w Radomiu, Radom 01. Katulski R. Popagacja fal adiowych w telekomunikacji bezpzewodowej. Wydanie 1 WKŁ Kawczyk Z. Mobilne sieci sensoowe w zastosowaniu do wczesnego ostzegania i pzeciwdziałania wypadkom dogowy Rozpawa doktoska, Politechnika Radomska, Wydział Tanspotu i Elektotechniki, Radom Łysakowska B., Mzyk G. Komputeowa symulacja układów automatycznej egulacji w śodowisku MATLAB/Simulink ISBN Oficyna Wydawnicza Politechniki Wocławskiej, Wocław Skla B. Digital Communications, Fundamentals and Applications, Pentice Hall PTR