Telecomunicazioni ferroviarie: GSM-R, Il Global System for Mobile Communications – Railway

Sistemi di telecomunicazioni ferroviarie: dalla telefonia “fissa” alla telefonia “GSM-R”

Cosa è il GSM-R?

Il GSM-R è lo standard di comunicazione radiomobile, utilizzato in gran parte contesto ferroviario italiano, europeo, che trova sempre più applicazione nelle nazioni che hanno interesse a modernizzare le reti ferroviarie. GSM-R concorre a garantire il controllo e l’esercizio del traffico ferroviario attuando gli standard di interoperabilità.

GSM-R realizza la comunicazione tra il personale dei treni ed i sistemi di comando e controllo del traffico, anche grazie funzionalità specifiche ferroviarie come la comunicazione di gruppo, l’indirizzamento in funzione della posizione sull’infrastruttura, i livelli di priorità, le chiamate di emergenza, la comunicazione di manovra ecc.

GSM-R è l’acronimo di Global System for Mobile Communications – Railway,  fornisce anche servizi di telefonia, SMS e dati, così come le reti GSM pubbliche.

Il GSM-R è il sistema di comunicazione dei dati per il sistema europeo di controllo dei treni (ETCS), in particolare per l’ETCS di livello 2 e di livello 3. Le caratteristiche del GSM-R sono definite negli standard ETSI.

Esiste una differenza tra GSM e GSM-R?

Il GSM-R ha alla base il GSM standard, normalmente utilizzato dagli operatori di telefonia con l’implementazione di miglioramenti specifici nel settore ferroviario, quali ad esempio:

  • Servizio di chiamata di gruppo vocale (VGCS);
  • Servizio di trasmissione vocale (VBS);
  • Servizio avanzato di precedenza e prelazione multilivello (eMLPP)

Ci sono anche funzioni specifiche elaborate per il settore ferroviario, quali ad esempio:

  • Indirizzamento funzionale;
  • Indirizzamento dipendente dalla posizione del treno sull’infrastruttura;
  • Chiamate di emergenza ferroviarie;
  • Conferme di chiamata ad alta priorità.

Sei Esperto GSM-R? cosa fanno per te ETSI ed UIC

Per gli esperti del settore un punto di riferimento a livello europeo è ETSI (European Telecommunications Standards Institute), l’Istituto Europeo per le Norme di Telecomunicazione.

Se vuoi sapere cosa fa ETSI guarda il suo video di presentazione

Nell’ambito di ETSI esiste Comitato tecnico per le telecomunicazioni ferroviarie (TC RT) , che si occupa di:

  • Sviluppo e manutenzione degli standard ETSI relativi al GSM-R come stabilito dalla legislazione europea applicabile;
  • Raccolta dei requisiti delle parti interessate pertinenti dal settore del trasporto ferroviario, inclusi i sistemi urbani, suburbani, regionali e di lunga distanza per i sistemi di accesso radiomobile professionale;
  • Fornitura di standard per voce, servizi dati e altre applicazioni su interfacce aeree a banda larga e stretta per il settore dei trasporti ferroviari;
  • Identificare le esigenze dello spettro per il dominio del trasporto ferroviario e proporre soluzioni appropriate.

Sei sei già un esperto in telecomunicazioni ferroviarie ed in particolare di GSM-R, leggi una delle specifiche tecniche elaborate nel 2022 da ETSI, e visita il loro sito per approfondire ogni dettaglio

Altro punto di riferimento per gli esperti di GSM-R a livello europeo sono le specifiche dei requisiti funzionali EIRENE, curato da UIC.

EIRENE sta per European Integrated Radio Enhanced Network: è una specifica sviluppata nell’ambito del Progetto UIC EIRENE, finalizzato a definire uno standard radio per le ferrovie europee applicabile in tutto il mondo. Fa parte delle specifiche per l’interoperabilità tecnica delle reti europee.

Guarda un breve video su GSM-R elaborato da UIC

Cosa è scritto in una specifica EISENE?

Se ad esempio vuoi comprendere come eseguire i test necessari per la validazione funzionale di un Cab Radio secondo alle specifiche EIRENE, leggi il documento che segue

Vuoi diventare esperto GSM-R? cosa fa per te il CIFI

Inizia apprendendo cosa sono le Telecomunicazioni ferroviarie, attraverso il corso organizzato dal CIFI, in cui tratteremo:

  • Le normative di riferimento;
  • regole di progettazione;
  • gare d’appalto nel settore TLC;
  • progetti di investimento in telecomunicazioni ferroviarie;
  • Attivazioni e manutenzione.

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Perché è stato realizzato GSM-R?

Il sistema GSM-R nasce dagli sforzi compiuti da Gestori Infrastruttura, Imprese Ferroviarie, Enti Istituzionali (quali ad esempio ERA) enti di normazione quali Cenelec ed ETSI o che promuovono la standardizzazione come UIC. L’obiettivo è sviluppare una rete mobile standardizzata a livello europeo, adatta al contesto ferroviario e usando lo standard GSM.

GSM-R facilita la comunicazione tra il macchinista e i centri di controllo del traffico, fornendo funzionalità specifiche come la comunicazione di gruppo, l’indirizzamento dipendente dalla posizione, i livelli di priorità, le chiamate di emergenza ferroviarie, la comunicazione di manovra.

Dal 2000 in poi, il GSM-R è stato introdotto in tutta Europa come standard comune per le operazioni ferroviarie essenziali per l’interoperabilità, così come in molte altre parti del mondo. L’espansione dell’implementazione GSM-R è ancora in corso.

Un cenno storico: i circuiti telefonici per la gestione dell’esercizio ferroviario prima dell’introduzione del GSM-R

Molto tempo prima dello sviluppo dei sistemi radio e del GSM-R e prima ancora della realizzazione di impianti di segnalamento sia di tipo meccanico sia di tipo elettrico e oggi elettronico, la circolazione dei treni è stata supportata dagli impianti di telefonia per l’esercizio ferroviario.

Come si poteva gestire la circolazione treni in assenza non solo di impianti di segnalamento ma anche di impianti telefonici?

Il più semplice e rudimentale sistema era denominato il regime del “bastone pilota”; immaginiamo una linea A-B con un unico binario; il treno parte da A e va verso B se e solo se in possesso dell’unico “bastone pilota” in uso su tale tratta di linea; all’arrivo alla stazione B consegnerà tale bastone pilota al Dirigente della stazione B che – dopo aver controllato la completezza del treno ricevuto – potrà quindi consegnarlo ad un treno per consentirgli di percorrere la tratta B-A.

Tale sistema è ovviamente poco efficiente e risulta inadeguato allorché si ha necessità di utilizzare al meglio l’infrastruttura aumentando il numero dei treni circolanti.

Grazie alla realizzazione di una semplicissima linea telefonica punto-punto tra ogni coppia di stazioni limitrofe si poté implementare il regime del ‘blocco telefonico’ tramite il circuito telefonico ‘Tb’. Il licenziamento di un treno da A verso B era vincolato alla concessione del consenso via telefono che il Dirigente della stazione B concede ad A.

Non esistendo le registrazioni telefoniche il tutto doveva rigorosamente essere trascritto sui registri numerati e bollati in dotazione presso ciascuna stazione.

I circuiti telefonici erano realizzati prima con conduttori di bronzo fosforoso posati su pali in legno, poi tramite cavi con “doppini” in rame realizzati con accorgimenti tali da rendere possibile il trasporto della voce a distanza di chilometri.

Nel citato circuito Tb erano inseriti, nelle stazioni e nei posti di blocco intermedi, telefoni di tipo BL (batteria locale).

Circuiti telefonici su Linee a Dirigenza Locale

Da qui in avanti si ha un’evoluzione in termini di quantità di circuiti telefonici di pari passo all’evoluzione dei regimi di regolazione della circolazione treni oltre che dell’elettrificazione delle linee.

I primi sistemi di comunicazione “terra-treno” precursori del GSM-R

Già negli anni ’70, ancora lontani dallo sviluppo del GSMR, allo scopo di migliorare l’efficacia delle comunicazioni di supporto all’esercizio ferroviario, si realizzò il sistema di comunicazione “terra-treno” che consentiva la connessione telefonica tra il personale di “terra” (Dirigente Movimento e Dirigente Centrale) preposto al controllo e regolazione della circolazione e il personale di “bordo” (macchinista prima indicato PdM e adesso PdC).

Tale sistema terra-treno utilizzava la tecnologia “onde convogliate”. La trasmissione avveniva tramite modulazione in Alta Frequenza nella banda 292kHz-388kHz utilizzando la linea di contatto 3kV quale guida d’onda.

Questa soluzione da una parte aveva il vantaggio di utilizzare tutta l’infrastruttura esistente delle linee di trazione elettrica, dall’altra imponeva l’installazione di filtri passa-basso in corrispondenza delle sottostazioni elettriche e delle cabine di sezionamento oltre che l’uso dei dispositivi di accoppiamento delle postazioni telefoniche fisse ad uso del personale di terra.

In estrema sintesi, occorreva impedire che il segnale AF interferisse con gli impianti di trazione e contestualmente isolare le apparecchiature telefoniche di terra dalla tensione 3kV.

Con il sistema terra-treno è stata introdotta la funzionalità “SPG” (Segnale Prudenza Generalizzata). Questa permetteva sia da parte del personale di terra sia dal personale di bordo, l’invio in una data tratta di linea (la linea era suddivisa in tratte di circa 15km) di un segnale al cui ricevimento acustico e sonoro, tutti i treni presenti nella tratta avevano l’obbligo di portarsi alla velocità di 30km/h.

L’obiettivo della funzione SPG (in precedenza “segnale di allarme generalizzato”) era quello di avvisare in modo tempestivo tutti i treni presenti nella tratta, della presenza di un pericolo o di un’anomalia.

Sistema di Comunicazione Terra Treno

Il sistema radio standard europeo “GSM-R”

Vista la maggiore efficacia del sistema di comunicazione “terra-treno” rispetto alla telefonia fissa, tutte le reti europee fin dagli anni ’70 e in modo più consistente negli anni ’80, investirono nei sistemi ‘radio’. Nella rete ferroviaria italiana erano già in uso sistemi di comunicazione ‘radio’ utilizzati, limitatamente nell’ambito degli scali e delle stazioni, dagli operatori addetti alla formazione e movimentazione del materiale rotabile (‘manovre’).

Le limitazioni funzionali del sistema a ‘onde convogliate’, spinsero FS negli anni ’90 a sperimentare l’impiego del sistema radio analogico 450MHz per realizzare la connessione telefonica tra il personale di “terra” e il personale di “bordo” treno.

Il sistema radio se da un lato richiede la realizzazione di un’apposita infrastruttura e notevoli interventi per la propagazione del segnale all’interno delle gallerie dall’altro offre una maggiore potenzialità di canali e – altro grande vantaggio – la possibilità di estendere il campo degli utilizzatori anche al personale della manutenzione.

Successivamente si implementò – tramite accordo con il gestore pubblico operativo in quel periodo – una Rete Privata Virtuale ad uso esclusivo degli utenti abilitati della rete ferroviaria italiana.

Contestualmente, tutti gli stati europei, anche sotto la spinta della normativa comunitaria contribuirono alla definizione degli standard di interoperabilità nel settore ferroviario europeo.

In particolare, a seguito della definizione da parte dell’UIC (istituto per la normazione internazionale nel mondo dell’industria del trasporto ferroviario) delle specifiche EIRENE, si adottò in tutte le reti europee il sistema radio GSM-R.

L’infrastruttura tecnologica – la cui realizzazione in Italia è iniziata nel 2002 – oggi copre circa 12.000 km di linee della rete italiana e oltre all’utilizzo dei servizi ‘voce’ consente la realizzazione dei sistemi di segnalamento con tecnologia ERTMS/ETCS.

Il sistema GSM-R mette a disposizione degli operatori funzioni speciali per le comunicazioni terra-treno e per tutti gli operatori della circolazione ferroviaria e della manutenzione che saranno illustrate nel “Corso esperto telecomunicazioni ferroviarie”.

Tra tali funzioni è presente la versione più evoluta dell’SPG (presente nelle onde convogliate); la funzione adesso denominata “chiamata di emergenza” permette una configurazione flessibile delle aree in cui confinare tale chiamata e prevede che in caso di ricevimento il macchinista deve ridurre la velocità – salvo disposizioni più restrittive – alla velocità di 30km/h.

La figura – molto semplificata – riporta i macro-blocchi funzionali del sistema che saranno oggetto di approfondimento nel “Corso esperto telecomunicazioni ferroviarie”:

  • (i) MS (mobile station) ovvero i terminali portatili, consolle telefoniche di bordo treno e unità di bordo ETCS;
  • (ii) BTS (stazioni radio base) dotate di antenna;
  • (iii) sistema trasmissivo SDH su cavo a fibre ottiche;
  • (iv) BSC (Base Station Controller); (v) TRAU (Network and Switching Subsystem);
  • (vi) NSS (Network and Switching Subsystem) comprendente l’elemento principale MSC (Mobile Switching Center) per la gestione delle connessioni radio e
  • (vi) Consolle telefoniche “dispatcher” principalmente utilizzate dal personale di terra preposto al comando della circolazione treni e degli impianti di alimentazione della trazione elettrica.

Macroblocchi del Sistema GSM-R

Il corso per diventare un Esperto in Telecomunicazioni ferroviarie, anche nel GSM-R

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programma del corso CIFI sulle Telecomunicazioni ferroviarie

 

Lo stato dell'arte delle tecnologie TLC con 7 produttori

FAQ sul GSM-R

Durante il corso sulle telecomunicazioni ferroviarie risponderemo anche ad alcune delle domani più frequenti, ecco alcuni esempi:

  • come è realizzata una rete gsm-r, e come può essere visualizzata?
  • quale è attualmente il principale sistema di comunicazione ferroviario?
  • esiste un legame ERTMS/GSM-R?
  • il sistema GSM-R RFI è identico a quello delle ferrovie regionali o isolate?
  • quali sono le principali funzionalità del cellulare gsm-r?
  • quali sono le frequenze del GSM-R?
  • dove sono posizionate le antenne gsmr per le loco elettriche?
  • In ambito ferroviario è possibile attivare la funzione “vgcs voice group call service“?
  • dove possiamo trovare le specifiche REC Railway Emergency Call?
  • e molte altre risposte, per esperti e meno esperti.

Questo articolo è stato scritto con il contributo scientifico dell’ing. Giuseppe Patanè, oltre 40 anni di esperienza nel settore ferroviario, Consulente ferroviario e ingegnere specialista forense.

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