GSM-R

Le GSM-R est un standard international de communication mobile pour les chemins de fer.

Définition

Le GSM-R (Global system for mobiles - Railways) est un sous-système de l'ERTMS (Système européen de surveillance du trafic ferroviaire).

Le GSM-R est standard de communication sans fil développé spécifiquement pour les applications et les communications ferroviaires. Il permet aux train dans son application principale de communiquer avec les postes de régulation du trafic ferroviaire. Il est une variante du GSM.

Les normes EIRENE - MORANE spécifies une utilisation fonctionnelle et sans coupure de communication du GSM-R jusqu'à une vitesse de déplacement du train de 500 km/h.

Histoire

Le standard GSM-R à été développé dans le cadre de la mission que s'est donnée l'Union internationale des chemins de fer (UIC). Son but initial était la standardisation et l’amélioration des conditions de construction et d’exploitation des chemins de fer, particulièrement en matière de trafic international. Afin de développer ce standard le projet EIRENE a été mis en place en 1993 par l'UIC. C'est au sein de ce projet que les spécifications auxquelles le réseau GSM-R doit satisfaire ont été développées.

Le GSM-R, qui est construit à partir de la technologie GSM, bénéficie des économies découlant de cet héritage. Il autorise une mutation numérique à un coût compétitif, permettant le remplacement de tous les systèmes de communication filaire (le long de la voie) et des réseaux radio ferroviaires analogiques existant dans chaque pays qui sont incompatibles entre eux : on comptabilise en effet plus de 35 systèmes de communication ferroviaire différents, rien qu'en Europe…

Le GSM-R est une plateforme sécurisée pour les communications de voix et de données, entre les différents membres des équipes ferroviaires : conducteurs, régulateurs, membres de l'équipe de manœuvre, personnels à bord du train, chefs de gare. Il apporte des dispositifs tels que les appels de groupes (VGCS), les annonces ou appels diffusés (VBS), les appels localisés, et la préemption des appels dans en cas d'urgence. Il pourra supporter des applications telles que le suivi des marchandises, la vidéo-surveillance dans les trains et dans les gares, ainsi que les services d'informations des usagers.

Ce standard qui est le résultat de plus de dix ans de collaboration entre les nombreuses compagnies ferroviaires Européennes, finalise l'interopérabilité par l'utilisation d'une plateforme de communication unique. Le GSM-R fait partie du nouveau standard ERTMS et permet le transport des informations de signalisation ferroviaire directement jusqu'au conducteur, permettant une vitesse de circulation du train plus élevée ainsi qu'un trafic plus dense, tout en maintenant un haut niveau de sécurité.

Les spécifications finalisées en 2000, sont basées sur le projet européen MORANE (Mobile Radio for Railways Networks in Europe). Les spécifications sont maintenues par le projet ERTMS de l'Union internationale des chemins de fer.

Le GSM-R a été choisi par 38 pays à travers le monde, incluant tous les états membres de l'Union européenne, ainsi que des pays d'Asie, d'Eurasie et d'Afrique du Nord.

Le GSM-R utilise en général des tours relais (Base Transceiver Station) dédiées, proches de la voie ferrée. La distance entre chaque BTS est de 3-4 km. Cette proximité crée un haut degré de redondance et une plus grande couverture et fiabilité. Le train maintien une connexion numérique par modem vers le centre de régulation des trains tout le temps. Ce modem utilise une priorité plus grandes que les autres utilisateurs (eMLPP). Si la connexion du modem est perdue, le train s'arrête automatiquement. En Allemagne, en Italie et en France le réseau GSM-R compte entre 3000 et 4000 BTS.

Système supérieur

Le GSM-R est une composante de l'ERTMS qui comprend :

• L'ETCS (système européen du contrôle des trains).
• Le GSM-R.

Bande de fréquence

En Europe, le GSM-R utilise la bande de fréquence dédiée suivante :

• 876,2 MHz - 915 MHz : pour l'émission de données (uplink)
• 921,2 MHz - 960 MHz : pour la réception de données (downlink)

L'espacement en fréquence entre chaque canal physique est de 200kHz.

La modulation est de type GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).

Le GSM-R est également un système TDMA ("Time-Division Multiple Access"), c'est à dire de multiplexage temporel où la transmission des données et organisée pour chaque porteuse (ou canaux physiques) par Trame TDMA périodiques (période de 4.615 ms).

Chaque Trame TDMA est découpée en 8 intervalles de temps ("Time Slots") également appelés canaux logiques (d'une durée de 577 µs chacun), composés de 148 bits d'information.

Le GSM-R utilise une extension inférieure des fréquences du GSM 900 MHz (bande 890 MHz - 915 MHz pour l'émission et bande 935 MHz - 960 MHz pour la réception). En Chine le GSM-R utilise une plage de 4 MHz de la bande E-GSM (GSM 900Mhz).

Le GSM-R permet de nouveaux services et applications; il offre notamment des possibilités de communication mobile dans les domaines de :

• la maîtrise et de la protection (Surveillance automatique des trains (Automatic Train Control/ETCS) et ERTMS)
• la communication entre le mécanicien et le dirigeant de service,
• la communication pour le personnel de train, ainsi que les équipes travaillant à bord du train
• l'envoi de message du train pour le service de contrôle du train
• la communication pour le personnel sur les gares, les sites de marchandises et sur les voies
• des applications spécifiques à chaque pays, comme la communication dans les tunnels, le transfert et l'analyse des données de service, des données de contrôle…

Première application

Il sert à transmettre les données entre les trains et les postes de régulation du trafic ferroviaire avec les niveaux 2 et 3 du système ETCS. Ainsi quand le train arrive sur une des Eurobalises, il communique sa nouvelle position et sa vitesse et reçoit en retour l'autorisation d'entrer ou non sur le canton suivant et la nouvelle vitesse maximale. Il n'y a donc plus besoin de signalisation latérale.

Autres applications

Tout comme les équipements de téléphonie GSM, les équipements GSM-R permettent de transmettre des données et également de la voix. Les fonctionnalités nouvelles apportées par le GSM-R en termes de communication mobile, s'appuient sur les normes GSM, et sont décrites par les normes du projet EIRENE. On trouve notamment pour les appels :

• l'appel point-à-point (PtP Call : Point-to-Point Call), appel identique à ceux d'un GSM normal
• l'appel de groupe (VGCS : Voice Group Call System), sorte de communication semblable à l'alternat en Radiotéléphonie
• l'appel de diffusion (VBS : Voice Broadcast System), où il n'y a qu'une seule personne qui peut parler (les autres écoutent seulement)
• l'appel d'urgence (REC : Railways Emergency Call), qui est une sorte d'appel de groupe dédié à une urgence
• une gestion des différents types appels (PtP, VGCS, VBS et REC) par priorité

On trouve également les fonctionnalités suivantes :

• l'adressage fonctionnel (Fonctional Adressing), système d'alias qui permet d'enregistrer auprès du réseau GSM-R le numéro d'un téléphone en tant qu'une fonction temporaire occupée par son utilisateur (conducteur, contrôleur d'un train particulier…)
• un mode de fonctionnement spécifique aux manœuvres (Shunting), c'est-à-dire le travail sur les voies à l'élaboration où le stockage d'un convoi ferroviaire.

Dispositifs ASCI (Advanced Speech Call Items)

VGCS (Voice Group Call Service)

Le VGCS permet à un grand nombre d'utilisateurs de participer au même appel. Ce dispositif imite l'appel de groupe PMR (Private Mobile Radio) analogique avec le bouton PTT (Push-to-Talk).

Trois sorte d'utilisateurs sont définis : le Talker (Celui qui parle), le Listener (Celui qui écoute) et le Dispatcher (Le Régulateur). Le talker peut devenir un listener en relâchant le bouton PTT et le listener devient un talker' en appuyant sur le bouton PTT.

Le principal avantage du VGCS comparé à un appel multi-party (le dispositif d'appel de conférence du GSM) est l'optimisation de l'occupation de la bande de fréquence. Ainsi, quand de nombreux utilisateur sont dans la même cellule (GSM) ils vont utiliser une fréquence pour tous les listeners et deux fréquences pour le talker (comme pour un appel point-à-point). Lors d'un appel multi-party il y a deux fréquences utilisées pour chaque utilisateur.

VBS (Voice Broadcast Service)

Le VBS est un appel de diffusion : à la différence d'un VGCS, seule la personne ayant initié cet appel peut parler, les autres participants à l'appel ne peuvent qu'écouter. Ce type d'appel est utilisé principalement pour diffuser des messages pré-enregistrées ou faire des annonces.

REC (Railway Emergency Call : Appel d'urgence train)

Le REC est appel de groupe, ou VGCS, dédié à une urgence. Il possède une priorité supérieur à celle des autres appels (un REC a une priorité de niveau 0 - voir ci-dessous : eMLPP)

Service eMLPP (Multi-Level Precedence and Pre-emption Service)

Ce service définie des priorités pour les appels des utilisateurs. On trouve les niveau de priorité suivant :

• A et B : Niveau de priorité les plus important (Réservés au message du réseau)
• 0 : Niveau le plus prioritaire parmi le service ASCI (Principalement utilisé pour l'appel d'urgence train - REC)
• 1 : Niveau moins prioritaire que le niveau 0
• 2 : Niveau moins prioritaire que le niveau 1
• 3 : Niveau moins prioritaire que le niveau 2
• 4 : Niveau le moins prioritaire (Priorité par défaut, elle est attribuée aux appels point à point)

Un système de réponse automatique (Auto-Answering) temporisé est également disponible pour les appels de priorité 0, 1 et 2.

Dispositifs EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network)

Gestion de numéro fonctionnel (Functional Number)

• Adressage par numéro fonctionnel

Permet d'appeler un terminal mobile (MS ou Mobile Station) à partir de sa fonction : Conducteur du train xxx…

Cette fonction utilise

les fonctions USSD et Follow Me

la fonction UUS1 (pour l'affichage du numéro fonctionnel)

• Adressage dépendant de la localisation

Amélioration du principe d'adressage par numéro fonctionnel

Permet d'appeler le plus proche MS rattaché à une fonction : plus proche conducteur, plus proche contrôleur, …

Confirmation d'appel

Le système de confirmation d'appel n'est valable que pour les appel de groupes (VGCS) et les appels de diffusion (VBS) de priorité 0 (voir eMLPP).

Le principe consiste pour chaque terminal mobile ayant participé à l'appel (initiateur compris), à envoyer un rapport lorsque l'appel est quitté ou terminé. Ce rapport doit contenir comme information :

• Le type d'appel
• La durée de l'appel
• L'identification du mobile émetteur du rapport
• La cause de la fin de l'appel (Normal, fin volontaire par l'utilisateur, extinction du mobile volontaire, extinction pour cause batterie déchargé,...)
• ...

Si le rapport n'a pas pu être envoyé (extinction du terminal mobile volontaire ou pour cause de batterie déchargé), le terminal mobile essai à nouveau de le renvoyer lors de son redémarrage.

Mode manœuvre (Shunting mode)

Le mode "Shunting" est le terme utilisé pour décrire l'application qui régule et contrôle les utilisateurs qui accèdent aux communications shunting.

Un signal sonore, le "LAS" (Link Assurance Signal) est émis dans le but de confirmer au mécanicien (conducteur du train) que le lien radio est opérationnel et fonctionne.

Mode direct (Direct mode)

Le mode direct est le mode de communication par alternat (talkie-walkie) ou les terminaux mobiles communiquent ensemble sans utiliser le réseau mobile. Il à été proposé par le projet Eirene, même s'il n'a jamais été mis en application depuis lors.

SAGEM dit avoir développé un mode direct GSM, actuellement non reconnu dans les spécifications GSM-R, et pour lequel aucune fréquence n'est encore allouée.

Groupes constituants le marché GSM-R

Les différents groupes qui constituent le marché du GSM-R sont :

Les gestionnaires de l'infrastructure et les opérateurs ferroviaires

Les fournisseurs d'équipements de télécommunications

Les compagnies Huawei, Nortel et Siemens sont les principaux fournisseurs de l'infrastructure du réseau GSM-R.

Solutions pour centre de contrôle et de régulation 

Siemens Transportation Systems et Frequentis.

Les constructeur de terminaux mobiles 

Constructeur de téléphones :

Sagem (SAFRAN group) est le principal fournisseur de téléphone GSM-R, suivi par Selex, Triorail et Huawei.

Constructeur de Cab-radio (Radio de Cabine Train) :

Alstom, Siemens, Nortel et Hörmann sont les principaux fournisseurs. Kapsch (CarrierCom AG) et Sagem fournissent principalement le cœur GSM-R de ces Cab-radios.

Utilisations commerciales

En France, la première ligne commerciale entièrement couverte par le réseau GSM-R est la LGV Est européenne entre "Paris – Gare de l'Est" et "Strasbourg", mise en service le 10 juin 2007.

• C'est le dimanche 10 juin 2007 à 06H43, que le premier train à grande vitesse à l'emprunter fût un ICE, le train à grande vitesse de la Deutsche Bahn en Allemagne. Il relia la Gare de l'Est à Paris pour Sarrebruck (Allemagne).
• C'est le dimanche 10 juin 2007 à 07H15, que l'emprunta à son tour le TGV POS, le train à grande vitesse de dernière génération de la SNCF en France. Il relia quant à lui Strasbourg à Paris (Gare de l'Est).

(Réf. SNCF - Paris AFP, 10/06/2007)

• ASCI : « Advanced Speech Call Items »

Dispositif d'appels voix avancés, regroupant les VGCS (normaux et REC), VBS, et service eMLPP.

• eMLPP : « Multi-Level Precedence and Pre-emption Service »

Service de gestion de priorités attribué aux appels voix.

• GSM-R : « Global System for Mobiles - Railways »

Standard international de communication mobile pour les chemins de fer, basé sur le GSM.

• PtP Call : « Point-to-Point Call »

Appel point à point, c'est-à-dire une communication GSM normale entre deux interlocuteurs (appel voix).

• EIRENE : « European Integrated Railway Radio Enhanced NEtwork »

On distingue trois entitées : le projet EIRENE, les normes EIRENE et le dispositif EIRENE.

1. Le projet EIRENE (projet de Réseau Amélioré de Radiocommunication Ferroviaire Intégré Européen) est un projet de concertation crée par l'UIC.
2. Les normes EIRENE.
3. Le dispositif EIRENE regroupe les fonctionnalités d'adressage par numéro fonctionnel,le système de confirmation d'appel (pour les VGCS et VBS de priorité 0), le mode manœuvre et le mode direct.

• VGCS : « Voice Group Call Service »

Appel de groupe (service ASCI).

• VBS : « Voice Broadcast Service »

Appel de diffusion (service ASCI).

• REC : « Railway Emergency Call »,

Appel d'urgence train (VGCS spécifique de priorité 0).

Voir également: Glossaire de la Téléphonie Mobile