Conséquences d’une absence de capacité de communication

La radio sol-trains GSM-R possède un rôle important dans le fonctionnement de la signalisation ferroviaire telle qu’implémentée dans ERTMS/ETCS. Des règles ont été édictées afin d’assurer la sécurité de circulation des trains. Une règle importante au regard de notre étude précise que le train doit s’arrêter automatiquement si la communication GSM-R est perdue. Cette règle permet d’assurer que le train ne continue pas à circuler avec des informations de signalisation qui ne sont pas actualisées. [1.23] précise ainsi qu’en France, une perte de connexion d’une durée de 20 secondes sur le réseau TGV entraîne l’arrêt du train. L’immobilisation en voie du train engendrée par cet arrêt d’urgence et causée par les perturbations du lien GSM-R génère des perturbations en cascade sur le trafic ferroviaire, car chaque train est lié aux autres sur le réseau. Cela met en défaut le système ETCS, ce qui force le système de gestion du trafic ERTMS à arrêter l’exploitation pour une durée indéterminée. Après restauration de la connexion, des procédures particulières s’appliquent afin de redémarrer l’ensemble de l’exploitation de la ligne. Les réactions du système présentent donc un impact économique et des conséquences sur la qualité de service du système de transport (QoS). GSM-R permet de gérer différentes fonctions ferroviaires critiques qui seraient dès lors interrompues en cas de pertes de connexion. Il s’agit de :

L’alerte radio : ce système est spécialement dédié aux conducteurs, il permet de réagir dans des situations dangereuses afin d’alerter les agents au sol ainsi que les trains se trouvant dans une zone proche. Le dispositif exploite un signal sonore qui retentit dans toutes les cabines de conduite des trains de la zone afin de les arrêter. Pour assurer ce service, 95 % des alertes émises doivent être reçues en moins de deux secondes, 99 % en moins de trois secondes [1.23]. A la réception de ce signal, un appel de conférence téléphonique est automatiquement établi entre les conducteurs concernés et les agents au sol responsables de la cellule où se trouve le train émetteur de l’alerte ainsi que dans les cellules voisines. Le système ferroviaire réagit à cette alerte par l’arrêt du train concerné ainsi que

Chapitre 1 : Objectif et contexte du travail

celui des trains circulant sur des lignes proches, dépendantes de celle où s’est produit l’incident. Cet arrêt est établi pour une durée indéterminée. La circulation des trains non concernés par l’alerte n’est pas modifiée.

L’alarme VACMA : le système de Veille Automatique par Contrôle du Maintien de l’Appui couplé avec la radio constitue le système qui veille à ce que le conducteur ne perde pas sa vigilance. En cas de détection de pertes de vigilance, le train est arrêté. Le service radio permet de transmettre les informations et les coordonnées du train au régulateur de la ligne pour faciliter l’arrivée des secours. Pour des raisons de sécurité, le lien de transmission avec le train en circulation doit être maintenu en permanence avant le déclenchement d’un arrêt d’urgence. Pour cela, la durée maximale de perte de connexion est de 20 secondes. Le développement des niveaux de l’ETCS tend à améliorer ce fonctionnement en doublant la couverture radio afin d’assurer au maximum 52 minutes de perte de service par année glissante.

VIII. Description des normes EIRENE

GSM-R implémente certaines spécificités ferroviaires. Afin d’assurer des besoins de mobilité et de couverture radio, le réseau est constitué de cellules assurant une couverture au plus près de l’emprise ferroviaire. Chaque cellule couvre approximativement une longueur de 6 à 7 km selon une couverture latérale voisine de 800 mètres [1.24].

Les spécificités du système GSM-R ont fait l’objet de travaux et notamment ceux du projet EIRENE, qui regroupe les niveaux requis pour une exploitation opérationnelle de GSM-R. Les spécifications EIRENE complètent celles du GSM et de l’ETSI afin de garantir l’interopérabilité du GSM-R entre les différents réseaux ferroviaires européens. Ces spécifications EIRENE, écrites par l’UIC, ont été reprises par la normalisation ferroviaire.

Selon celles-ci, le protocole de communication doit gérer un certain nombre d’exigences. Nous en présentons dans la section suivante certaines, d’intérêt pour ce travail.

VIII.1. Couverture réseau

Les spécifications EIRENE traitent notamment de la couverture réseau, elles permettent de définir les niveaux de couverture comme étant les niveaux de puissance reçus par l’antenne du train disposée à 4 m au-dessus des voies, lorsque ce dernier circule. Une antenne de rayonnement isotrope est utilisée. Les niveaux minimums de puissance requis à l’entrée du récepteur en fonction de la vitesse ou de type de communication sont indiqués dans le tableau suivant [1.25].

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Tableau 1.1 Niveaux de couverture.

Système de communication Vitesse km/h ^{Niveau de puissance minimum} requis

Voix et donnée critiques - -98 dBm

Lignes avec ETCS niveaux 2/3 > 220 -95 dBm Lignes avec ETCS niveaux 2/3 > 280 -92 dBm

Lignes avec ETCS niveaux 2/3 220-280 entre -95 dBm et -92 dBm

Comme on peut le constater, pour des vitesses élevées et pour les lignes exploitant les niveaux 2 et 3 du système ETCS, -95 dBm s’avère être le niveau de puissance minimum requis afin de maintenir la communication. Ce niveau de puissance reçu est faible. De ce fait, il devient probablement possible de générer un signal en provenance d’une source de brouillage disposée dans l’environnement proche de l’antenne de réception GSM-R pouvant atteindre, voire dépasser cette valeur.

VIII.2. Handover

Le handover représente l’opération permettant la transition de la communication depuis une cellule vers la suivante. Il s’effectue sans interrompre la communication mais en perdant les informations transmises durant la période de quelques centaines de millisecondes de basculement d’une cellule à l’autre. Afin d’assurer cette opération, les spécifications EIRENE stipulent les exigences regroupées dans le tableau 1.2 [1.26]. Tableau 1.2 Handover Spécifications du Handover Taux de réussite 99.8 % Temps d’exécution ± 300 ms Distance de chevauchement 600 m

Le handover est décidé par le BSC et commandé par les BTS aux mobiles. Afin de limiter l’impact de l’interruption de communication liée au handover, certains opérateurs utilisent les équipements de CABRADIO de tête et de queue du train en basculant de l’un à l’autre pour pallier la brève période de perte de données. Un brouillage de la communication durant cette phase pourrait perturber, voire faire échouer cette opération de basculement d’une cellule à la suivante.

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VIII.3. Qualité de service

Il existe différentes exigences qui ont été mises en place afin de définir des valeurs requises en termes de QoS. Le tableau 1.3 précise les temps d’établissement des communications en fonction du type d’appel [1.26].

Tableau 1.3 Durée d’établissement d’appels pour les différentes classes.

Class Type d’appel Durée d’établissement

Class I Appel d’urgence ferroviaire < 1s

Class la Appel de groupe urgent mobile-à-mobile < 2s

Class II Toute opération couverte par le handover < 5s

Class III Tous les appels de priorité faible < 10 s

Le temps d’établissement correspond à la durée entre la requête d’établissement et l’indication du succès de la connexion. Tout délai supérieur au temps précisé est considéré comme une erreur de connexion et correspond à une défaillance du système. Ces éléments sont récapitulés dans le tableau 1.4 [1.24].

Tableau 1.4 Paramètres de QoS du système

Paramètres QOS valeurs

Délai d’établissement de la connexion pour un appel d’origine

< 8.5 s (95%), ≤ 10 s (100%)

Taux d’erreur pour l’établissement des connexions < 10^-2 Temps de transfert maximum (end-to-end) de 30 bits

de données

≤ 0.5 s (99%)

Taux de perte de connexion ≤ 10-2

/ h

Période de transmission d’interférences < 0.8 s (95%), < 1 s (99%) Période de retransmission de la donnée erronée > 20 s (95%), > 7 s (99%)

Délai d’enregistrement sur le réseau ≤ 30 s (95%), ≤ 35 s (99%), ≤ 40 s (100%)

Taux d’erreur binaire BER < 10^-4 sur 90% du temps

Temps sans connexion < 300 ms

Probabilité de perte de la connexion <10^-4

Vitesse de transmission > 2.4 kbps

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Ce tableau établit un récapitulatif des exigences requises pour une bonne transmission. Le non-respect de ces valeurs signifie l’apparition d’un défaut. Le système admet cependant une certaine probabilité d’échec d’appel de perte de connexion, ainsi qu’une probabilité d’erreur binaire de la communication tout en assurant des délais de transfert et de retransmission corrects.

Lorsque ces valeurs attendues et mesurées lors de la recette de la ligne ne sont plus respectées, ceci peut vouloir indiquer la présence de perturbations, dont des brouillages intentionnels.

VIII.4. Niveau de puissance

Différentes études de planification du réseau cellulaire sont menées afin d’optimiser les niveaux de puissance présents le long de l’infrastructure ferroviaire. Les BTS sont disposées le long des voies de manière à assurer les communications sur plus de 95 % de la zone de couverture. Pendant son trajet et en fonction des positions des stations de base rencontrées sur son itinéraire, la puissance du signal reçu par l’antenne train ou par celle de l’antenne BTS varie entre -95 et -20 dBm [1.24].

La figure 1.6 fournit un enregistrement de puissance reçue à bord d’un train lors de son déplacement. Dans ce cas particulier de couverture radioélectrique, à proximité de la BTS, la puissance croît jusque -30 dBm au point kilométrique repéré par la valeur 9.10. Celle-ci décroît de façon dissymétrique de part et d’autre de ce maximum. Cette dissymétrie est liée à l’utilisation d’une antenne directive de type Yagi présentant un rapport avant arrière significatif. La valeur de puissance reçue reste au-dessus de -95 dBm jusqu’au point kilométrique repéré par la valeur 10.80, soit 1.7 km plus loin. Des baisses ponctuelles du niveau de réception en dessous de -95 dBm peuvent être tolérées dès lors qu’elles ne concernent pas plus de 5% du temps et de l’espace.

Points kilométrique Puis sanc e (dBm ) 95% de couverture 50% de couverture

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