Příjem signálu GSM vylepší unikátní okna

Okna jsou v budovách zřizována proto, aby jimi ve dne vstupovalo do místnosti světlo. Ze stejného důvodu mají okna i osobní železniční vozy. Jakkoliv se to na první pohled nezdá, není okno osobního železničního vozu až tak jednoduchým komponentem, ale jde o dosti složitý konstrukční prvek.

Příběh oken

Z bezpečnostních důvodů, ve snaze předejít zraněním osob dlouhými ostrými střepy, jsou ve vozidlech používána výhradně bezpečnostní skla ve dvou provedeních: jednovrstvá skla tepelně upravená (dále kalená) a vícevrstvá skla lepená. Sklo tepelně upravené prochází při výrobě technologickým procesem, lidově nazývaným kalení, kterým je v tabulce skla vytvořeno vnitřní pnutí. Díky němu se sklo po rozbití rozsype na malé kostičky, které nejsou tak nebezpečné, jako dlouhé střepy. Sklo lepené se skládá ze skleněných desek vzájemně spojených polyvinylbutyralovou vrstvou (PVB fólií). To, co se jeví jako kompaktní skleněná tabule, je ve skutečnosti svazek dvou či více skel, která jsou navzájem spojena pevnou, pružnou a houževnatou fólií, která po rozbití drží velké střepy skla pohromadě. Tato fólie je podobně jako sklo průhledná (transparentní), proto vícevrstvé sklo působí dojmem jedné homogenní okenní tabulky.

Pro zvýšení tepelné a akustické izolační schopnosti mohou být v železničních vozidlech, podobně jako v budovách, použita izolační okna s dvojitým zasklením, s vnitřní hermeticky uzavřenou mezerou mezi dvěma bezpečnostními skly, vyplněná vzduchem, případně argonem.

Specifikem železničních vozů, zejména pro vyšší rychlosti, je působení tlakových vln při míjení vlaků či v tunelech. Již rozdíl tlaků 1 kPa (tedy 100 mm vodního sloupce) namáhá okno o ploše 1 m² silou 1 kN, což odpovídá tíze tělesa o hmotnosti 100 kg. Okno tedy musí být v bočnici vozu velmi dobře upevněno, aby se účinkem tlakové vlny nevytrhlo.

Nutnost pevného uchycení

Uchycení okenního skla není nic jednoduchého. Musí být pružné. Kovová vozová skříň je poddajná, působením statických i dynamických sil se za jízdy vlaku pružně deformuje. Tyto deformace by vedly k poškozování skel, která jsou tuhá a křehká. Proto musí být mezi vozovou skříní a okenní tabulkou náležitě silný pružný, ale pevný element.

Tuto funkci plní buď masivní pryžový profil, nebo silná vrstva pružného lepidla na bázi tmelu z umělého kaučuku. Dostatečně silná pružná vrstva mezi okenním sklem a bočnicí vozové skříně též umožňuje vyrovnávat dilatace, které vznikají vlivem odlišné tepelné roztažnosti okenní tabulky ze skla a vozové skříně z oceli či hliníkové slitiny.

Ve snaze ochránit cestující před přímými účinky slunečního záření, jež má též nepříznivý vliv na potřebný chladící výkon při použití klimatizace, byla v průběhu druhé poloviny minulého století zavedena šedě tónovaná okenní skla. Ta propouští do vozu jen část energie slunečního záření. Zbývající energii tónované sklo z části pohltí a z části odrazí. Pro docílení potřebné odolnosti a trvanlivosti není sklo tónováno nátěrem, ale pokovením.

Na přelomu 20. a 21. století se už zdálo, že téma oken po 150 letech vývoje osobních železničních vozů nepřinese nic překvapivého. Vývoj digitalizace a mobilní komunikační techniky však postavil před tuto oblast nové výzvy. Pokovená okenní skla se stala překážkou.

Příběh telefonu

Bývaly doby, kdy před jízdou císaře Františka Josefa vlakem z Prahy do Vídně telegrafovali z Pražského nádraží do Veselí-Mezimostí (dnes Veselí nad Lužnicí), aby v tamní nádražní restauraci připravili oběd pro císaře a přinesli mu jej k vlaku. A není tomu tak dávno, kdy byla v sazebníku poštovních služeb nabízena možnost zaslání vytištěného telegramu cestujícímu do vlaku (včetně taxy 1 Kčs za vyhledání cestujícího průvodčím ČSD) i možnost podání cestujícím napsaného telegramu z vlaku.

Až rozvoj rádiových sítí umožnil koncem minulého století z vlaku telefonovat. Německé železnice (DB) začaly zřizovat v osobních železničních vozech hovorny s mincovými telefonními automaty po vzoru pouličních telefonních budek. ČD zavedly podobnou službu před 30 lety v expresu Ostravan formou použití telefonu u vlakvedoucího ve služebním voze.

Vývoj osobní elektroniky šel však rychle vpřed, a tak dříve, než se služba nabízející cestujícím telefony ve vlaku rozšířila, už nebyla potřeba. Lidé měli v průběhu několika let mobilní telefon v kapse. Podobně dopadl i záměr poskytování sluchátek pro sledování audiopořadů v jednotkách řady 680.

Špatné spojení má více příčin

Ani telefonování z vlaku není technicky jednoduché. To, co se telefonujícímu cestujícímu jeví jako chybějící pokrytí, může mít i jiné příčiny:

• při vyšších rychlostech jízdy si již nemusí dvě sousední základnové stanice stihnout předat hovor svého účastníka (srdce pravověrného železničáře zaplesá: jedem tak rychle, že ujíždíme i telefonnímu operátorovi!),
• bezdrátové telefonní sítě nejsou zejména v pusté málo osídlené krajině dimenzovány na velký počet aktivních účastníků. Občasný průjezd vlaku s velkou koncentrací hovoru chtivých cestujících tak může způsobit jejich přetížení,
• signál mobilních telefonů je uvnitř železničních  vozidel slabší než v jejich okolí.  

S cílem vyjít cestujícím vstříc, je snaha odstranit všechny tři příčiny neúspěšného či obtížného volání. Prvé dvě řeší telefonní operátoři, třetí je tématem pro železnici. 

Elektricky vodivá vozová skříň železničního vozidla z oceli či z hliníkové slitiny působí jako Faradayova klec – vnější elektromagnetické pole do ní obtížně proniká. U starších vozidel s okny bez pokovení je situace vyhovující, ale novější vozidla s pokovenými okny vnitřní prostor silně zastíní. Útlum signálu mobilních telefonů činí kolem 24 dB. To je velmi významné. Je potřebné si uvědomit, že jde o logaritmickou stupnici:

• • - 3 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/2,
  • - 6 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/4,
  • - 9 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/8
  • - 12 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/16,
  • - 15 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/32,
  • - 18 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/64
  • - 21 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/128,
  • - 24 dB znamená pokles úrovně signálu na 1/256.

Tak slabý signál brání cestujícím uvnitř železničního vozu v průběhu cestování v klidu telefonovat. Možným řešením je instalace repeaterů (opakovačů signálu) ve vozech. Ty pomocí vnější antény snímají vnější signál, zpracují jej a následně jej pomocí vnitřní antény šíří uvnitř vozu. Zařízení musí pracovat oběma směry. Je také nezbytné vyvarovat se nežádoucí interference vnějšího a vnitřního signálu, která jsou vzájemně časově posunuty. Paradoxně potom vzniká situace, čím více je signál při průchodu pokovenými okny utlumen, tím pro fungování repeateru lépe. Naopak značné problémy s kvalitou telefonování mohou vznikat třeba ve stanicích při otevřených dveřích a volném pronikání signálu z vnějšího prostředí do vozu. Repeater je navíc aktivní elektrické zařízení, které vyžaduje určitou péči, zejména upgrade při technologickém vývoji na straně telefonních operátorů a vývoji nových standardů mobilní komunikace (vývoj sítí G3, G4 a nejnověji G5).

Signál ano, slunce nikoliv

Cestující nechtějí být v létě obtěžováni sluncem, a přitom potřebují nerušeně telefonovat. Tradiční uvažování vede ke dvěma možným řešením – použít pokovená okna a signál přenášet repeatery, nebo instalovat čirá skla, což však znamená zvětšit potřebný chladící výkon klimatizace a tím i spotřebu energie.

V hlavě jednoho z techniků společnosti Siemens Mobility ve Vídni se zrodil nápad. Co se pokusit okno železničního vozidla zastínit, aby nevpustilo dovnitř do vozu cestujícím nepříjemné paprsky slunečního záření, a přitom ho upravit tak, aby mezi vozem a jeho okolím dobře procházelo elektromagnetické pole, které přenáší signály mobilních telefonů?

Zatímco sluneční paprsky přenášejí tepelný výkon po celé ploše, elektromagnetické pole dokáže projít i malou mezerou. Vznikla tedy myšlenka povrch okenního skla pokovit, ale v pokovené vrstvě vyřezat laserem okem sotva znatelnou tenkou mřížku, která nezhorší ochranu proti slunečnímu záření a zároveň vytvoří průchod elektromagnetickému poli se signálem mobilních telefonů.

Cesta od nápadu k praktickému využití vyžadovala zvládnout technologii laserového odstraňování vrchní pokovené vrstvy skla. Bylo nutno okna vyrobit a instalovat ve voze k ověření jejich optických, termických i elektromagnetických vlastností.

Nasazení vozidel s rastrovanými okny v běžném každodenním provozu s cestujícími plně potvrdilo teoretické předpoklady. Kvalita telefonováni i přenášení dat se výrazně zlepšila. Cestující jsou spokojeni, bezemisní veřejná hromadná doprava tak získala důležitý stimul k náhradě energeticky a emisně náročné individuální automobilové dopravy moderní železnicí. Proto bylo dohodnuto použít tuto inovativní technologii na důležité zakázce 50 osobních železničních vozů pro České dráhy.

Rastrovaná okna, zajišťující jak tepelnou pohodu, tak i kvalitní telefonování se nově stávají standardem i na dalších železničních kolejových vozidlech pro přepravu osob z portfolia společnosti Siemens Mobility, a to jak ve vysokorychlostní a dálkové dopravě (Velaro, Viaggio), tak i v regionální dopravě (dvoupodlažní Desiro HC a Mireo v trolejovém, akumulátorovém i vodíkovém provedení).

Bmz utlumí signál až o 45 dB

V rámci Zprávy o výsledcích měření pokrytí tranzitních železničních koridorů signály mobilních radiokomunikačních sítí se tímto útlumem zabýval také Český telekomunikační úřad (ČTÚ), který provedl sérii měření na v Česku používaných osobních železničních vozidlech. Studie sledovala dopad konstrukce vozu na snížení intenzity signálu uvnitř vozu u radiokomunikačních sítí LTE a GSM s kmitočty 800, 900 a 1 800 MHz.

Zatímco u velkoprostorového vozu Bdtee276 s polospouštěcími čirými okny se pohybuje útlum signálu od 10 až 12 dB, u klimatizovaných vozů s celistvými pokovenými okny je útlum signálu vyjádřeny v decibelech přibližně dvojnásobný a u vozů s oddíly, tedy s větším počtem vnitřních přepážek, dokonce až trojnásobný. Podle výsledků měření ČTÚ tlumí jednotky Panter signál o 12 až 25 dB, soupravy railjet o 20 až 25 dB, Pendolino o 22 až 25 dB a tlakotěsné oddílové vozy Bmz²⁴¹ pak dokonce o 35 až 45 dB.

K zajištění průchodu signálu mobilních operátorů a snadnému příjmu hovorů a dat v interiéru osobních vozů se v minulosti využívaly již výše zmíněné speciální elektronické aktivní repeatery. Jejich pořízení a provoz jsou však poměrně drahé. Zařízení musí splňovat požadavky na radiokomunikační provoz ve všech zemích, kam příslušný vůz zajíždí. Nutná je také jeho údržba, napájení a v neposlední řadě úprava, resp. úplná výměna zařízení v případě rozvoje komunikačních sítí a zavádění nových standardů, jako byla síť 4G nebo je připravované zavedení sítě 5G.

Jde to i bez repeaterů

Vývojáři Siemensu ve Vídni proto hledali řešení, jak bez vysokých nákladů zlepšit kvalitu telefonních hovorů a příjem dat ve vlacích. Vyvinuli okna s vrstvou chránící interiér vozu před slunečním zářením a zároveň díky laserem vytvořenému mikroskopickému a běžným okem prakticky neviditelnému rastru umožňují průchod elektromagnetických vln.

„Tento způsob velmi zlepšuje příjem mobilního signálu,“ říká Lukas W. Mayer, vedoucí projektu v Siemens Corporate Technology. „Ve vysokorychlostních vlacích umožňuje naše řešení přenést dovnitř do vozu mobilní signál v pracovních kmitočtových pásmech nejméně 50krát silněji než při použití běžných pokovených skel. Nové řešení okenních skel dovoluje průchod všech frekvencí užitečných pro mobilní komunikaci. A navíc, budoucí mobilní standardy, jako je 5G, budou uvnitř vozu okamžitě k dispozici bez dalších investic do upgrade repeaterů.“ Okna tak slouží k lepšímu spojení mobilní komunikační techniky po celou dobu životnosti vozu bez nutnosti dalších investic a údržby, kterou by vyžadovala jiná řešení.

Odborníci ze Siemensu uvedli do reality teorii, podle níž mohou určité vzory malých mezer na kovových površích dosáhnout lepšího přenosu rádiových vln. V roce 2015 začali simulovat chování mobilních telefonů za okny, na kterých byly vytvořeny v kovovém povlaku různé rastry. S každým byla prováděna série měření, aby se potvrdily výsledky a vylepšil simulační model. Výsledkem bylo několik vzorů, které splňují požadavky na zachování vysoké tepelné neprůchodnosti a zároveň snadný průchod elektromagnetických vln radiové komunikace. 

Konečný výsledek nyní vypadá jako kolekce šestihranných pláství s různými délkami hran. Tento vzor je laserem vytvořen do kovového povlaku na okenních tabulích. Vzorovaný kovový povlak je vidět, pokud se na sklo podíváte z určitých úhlů. Pro cestující to však není v běžném provozu rušivé. V testu, který pro Siemens provedla Univerzita přírodních zdrojů a biologických věd, si žádný z testovaných cestujících nevšiml změny v provedení okenních tabulí.

Ve střední Evropě poprvé u Českých drah

Nový typ oken je poprvé ve střední Evropě použit právě u 50 nejmodernějších vozů Českých drah určených pro vlaky Západního expresu na trase Praha – Plzeň – Cheb a Krušnohor Praha – Ústí nad Labem – Karlovy Vary – Cheb.

Úplně premiérově byl použit tento nový typ oken v západní Evropě u souprav Desiro HC pro Rhein-Ruhr-Express (RRX). „Projekt RRX je významný pro naše odborníky v konstrukčním a vývojovém centru, které sídlí v Praze, Ostravě a nově v Plzni. Vysoce kvalifikovaný český tým spolupracoval na konstrukčních návrzích v oblasti vozové skříně, interiéru, systému řízení vozidla a na vybraných klíčových komponentech, jakými jsou dveřní systémy, klimatizace a sanitární systémy,“ dodává k projektu ředitel společnosti Siemens Mobility ČR Roman Kokšal.

Nová okna dobře prostupná elektromagnetickými vlnami využívanými v mobilní komunikaci budou v příštích letech instalována také do nejnovějších projektů společnosti Siemens pro rakouské ÖBB (nová generace vlaků railjet) a německou DB (nové kontrakty na rychlovlaky ICE).