Мультигигабитная связь «поезд-земля» российской разработки

№ 3-4’2021
Российская компания «ДОК» зарегистрировала патент на концепцию и оборудование широкополосной связи «поезд-земля» для высокоскоростных железных дорог. Связь «поезд-земля» обеспечивается в миллиметровом диапазоне волн 70–80 ГГц (71–76/81–86 ГГц), разрешенном в России и других странах для упрощенного частотного лицензирования. Рассмотрим особенности предложенной технологии.

Разработанная в компании «ДОК» технология связи на базе радиорелейных станций PPC-10G-E-Rail предполагает использование приемопередатчиков миллиметрового диапазона (71–76/81–86 ГГц) в голове и хвосте поезда, которые обеспечивают соединение с базовыми станциями на столбах контактной сети (рис. 1). Каждый из двух приемопередатчиков поезда рассчитан на скорость передачи данных до 10 Гбит/с, эти каналы суммируются поездным сетевым оборудованием.

Схема обеспечения мультигигабитной связи «поезд-земля»

Рис. 1. Схема обеспечения мультигигабитной связи «поезд-земля»

В испытаниях на участке пути скоростной ж/д под Санкт-Петербургом была достигнута скорость соединения 11,3 Гбит/с в режиме агрегации двух каналов при движении вдоль 3-х пролетов (участков между соседними базовыми станциями) общей длиной 6,3 км.

 

На поколение впереди

Оборудование, разработанное в Санкт-Петербурге и испытанное на Октябрьской железной дороге, на поколение опережает лучшие образцы зарубежных технологий в этой области. В частности, с 2021 года в Японии запущен широкомасштабный проект внедрения гигабитной связи «поезд-земля» (T2G, Train to Ground) на всей маршрутной сети высокоскоростной железнодорожной линии Токайдо Синкансэн (Tokaido Shinkansen) общей протяженностью более 500 км. Это самая старая в мире скоростная железная дорога, действующая с 1964 года. Последние модели поездов «Синкансэн», также известные как «поезд-пуля», развивают скорость до 350 км/ч (рис. 2).

Высокоскоростная железнодорожная линия Токайдо Синкансэн

Рис. 2. Высокоскоростная железнодорожная линия Токайдо Синкансэн

В настоящее время Токайдо Синкансэн использует поездную радиосвязь, основанную на методе LCX (Leaky Coaxial). На сегодня это устаревшая технология, которую относят к разновидности Wi-Fi — вдоль железнодорожной линии проложен кабель, излучающий радиоволны на частоте 400 МГц. Скорость передачи составляет в среднем 3 Мбит/с в режиме «на весь поезд», связь предназначена для команд диспетчера, для телеметрии и предоставления различной текстовой информации пассажирам. Ввиду низкой пропускной способности, связь LCX невозможно использовать для обеспечения пассажиров широкополосным доступом к Интернету и удаленного видеонаблюдения из кабины машиниста и за обстановкой внутри вагонов.

По окончании проекта, запланированного на 2027 год, на линии Токайдо Синкансэн будет развернута связь «поезд-земля» с каналами связи 1 Гбит/с на частоте 40 ГГц. Кроме доступа к Интернету, в японских поездах будет доступно видеонаблюдение с камер, установленных в кабине машиниста и внутри пассажирских салонов, и передача в режиме реального времени данных о состоянии систем поезда в центры управления движением.

Как считают в компании JR Central, операторе ж/д линий Tokaido Shinkansen, гигабитная связь «поезд-земля» позволит не только повысить комфорт пассажиров, но и улучшить безопасность скоростных железнодорожных перевозок. Благодаря удаленному видеонаблюдению в реальном времени из кабины машиниста и в пассажирских вагонах, любые нештатные ситуации будут своевременно выявлены и отслежены в центрах управления движением, которые смогут оперативно оказывать поездной бригаде необходимую помощь.

 

Проблемы обеспечения связи «поезд-земля»

Отдельного пояснения требует актуальность и сложность создания технологий мультигигабитной связи «поезд-земля». Абоненты мобильной связи привыкли к почти повсеместному высококачественному покрытию 4G в городах, а также во время поездок на автомобиле или автобусе. Однако пассажиры, путешествующие по железной дороге, не могут пользоваться мобильными услугами такого же качества.

Доступная связь в поездах для пассажиров железных дорог во всех странах, включая Россию, ЕС, Великобританию и США, — как правило, очень плохая. Существующие сегодня технологии связи «поезд-земля» предусматривают несколько вариантов, из которых основным является сотовая связь с использованием мультиканального маршрутизатора МАR (Multiple Aggregation Router) на большое число SIM-карт разных операторов. Связь обеспечивается за счет нескольких радиоканалов между оборудованием MAR и базовыми станциями сотовых операторов по стандартам 3G и LTE. Различные модификации MAR могут использовать 4, 8, 10, 16, 24 и даже 32 SIM-карты.

При применении мультиканального маршрутизатора МАR речь идет о скорости соединения «поезд-земля» на уровне 300 Мбит/с в режиме «на весь поезд», и на этой основе развертываются сервисы для пассажиров и различные служебные приложения. К недостаткам технологии сотовой связи для поездов следует отнести конкуренцию за трафик между поездным маршрутизатором МАR и мобильными устройствами пассажиров. Кроме того, при росте скорости поезда увеличивается время хендовера (время переключения абонентов от одной базовой станции к другой), что ухудшает связь.

Ожидаемый переход на мобильную связь 5G улучшит, но, возможно, не решит проблему кардинально. Скорость соединения с сетями операторов повысится за счет улучшения характеристик оборудования и снижения конкуренции за трафик со стороны мобильных устройств пассажиров (в первое время не у всех будут телефоны с поддержкой 5G). Однако пока 5G — это один из вариантов будущего. План внедрения 5G для железных дорог в ЕС, по концепции, опубликованной Nokia, будет осуществляться с 2025-го до примерно 2030 года. В течение этого периода железнодорожные операторы могут запустить сети 5G параллельно с сетью GSM-R, используемой сегодня на европейских ж/д для предоставления критически важных услуг связи.

Интересной представляется информация о том, что, как пишет Nokia, внедрение 5G в ЕС ориентировано на замещение существующего спектра сотовой связи: «…ожидается, что более низкие частоты будут использоваться для 5G в ЕС. Первые развертывания 5G сосредоточены на более высоких частотах, но все страны проявляют большой интерес к развертыванию 5G в диапазонах частот ниже 1 ГГц». Это можно прокомментировать так: очень скудный спектр ниже 1 ГГц не позволит развернуть гигабитную 5G-связь на поездах. По сути, опубликование такого документа от Nokia является признанием, что пропускной способности связи, сопоставимой с системами миллиметрового диапазона в России и Японии, от технологии 5G не стоит ожидать в ближайшем будущем.

Еще одной, гораздо менее распространенной и значительно более дорогой технологией связи «поезд-земля» является развертывание точек доступа Wi-Fi вдоль ж/д пути. Также предпринимались попытки использовать для связи «поезд-земля» спутниковые терминалы, но эта технология не получила развития ввиду помех приему от придорожной застройки, инфраструктуры контактной сети, различных естественных и искусственных преград (высокие деревья, близко расположенные здания, холмы, туннели и т. д.).

При этом, независимо от выбора технологии — сотовая связь или придорожный Wi-Fi, — качество соединения значительно ухудшается с ростом скорости поезда ввиду задержек хендовера, то есть прерывания связи в момент передачи обслуживания абонентов от одной базовой станции к другой. На различных конференциях приводились данные о падении пропускной способности сотового соединения «поезд-земля» с 300 Мбит/с до 100 Мбит/с уже при достижении составом скорости движения 100 км/ч с дальнейшей деградацией связи по мере набора скорости движения.

Для высокоскоростных поездов хендовер в сотовой сети становится особенной проблемой, так как соты меняются настолько часто, что абонентские устройства затрачивают значительное время на хендовер в сравнении с общим временем нахождения в соте. Поэтому общая скорость соединения падает, связь становится нестабильной или даже полностью отсутствует.

 

Мультигигабитная связь «поезд-земля» — область хайтека

Суть российского патента состоит в подаче сигнала для связи «поезд-земля» строго вдоль пути. При этом любой электрифицированный железнодорожный путь рассматривается как подобие коробчатого туннеля, ограниченного по бокам опорами контактной сети, снизу — землей, а сверху — фермами с контактными проводами и системой их подвеса. Хотя визуально такой ж/д путь на открытой местности не похож на туннель, для радиоволн он фактически таковым является из-за переотражений (интерференции) сигнала от столбов с фермами, от земли и системы подвеса контактной сети.

Традиционные длинноволновые системы связи, имеющие высокую дальность, при работе в условиях железнодорожных путей оказались неэффективными ввиду интерференции сигнала от боковых препятствий. Также есть проблема чувствительности связи к помехам от электромагнитного поля контактной сети и искрения токоприемников локомотивов, но она менее сложная, чем интерференция радиоволн от придорожных препятствий.

Оборудование для подачи сигнала вдоль пути

Рис. 3. Оборудование для подачи сигнала вдоль пути

Единственный вариант избежать интерференции радиоволн в таком условно-коробчатом пространстве — подать сигнал узким лучом строго вдоль ж/д пути (рис. 3). Здесь выбор технологий определяется минимальной шириной луча, и можно рассматривать системы лазерной или светодиодной связи FSO (Free Space Optics) и радиолинки миллиметрового диапазона, где распространение радиоволн имеет квазиоптический характер, также с очень узким лучом.

При этом использование FSO-систем на железной дороге имеет серьезные ограничения, связанные с невозможностью их работы в условиях тумана и дыма, а также с очень строгими требованиями по точному наведению устройств FSO друг на друга (что трудно реализуемо при движении поезда по сложной траектории и с вибрацией). Поэтому оптимальной становится технология радиосвязи, причем на наиболее высокой частоте из технологически возможных. Сегодня речь идет об оборудовании на частотах от 40 до 94 ГГц, хотя будущие системы связи вполне вероятно смогут работать на частотах от 130 ГГц и выше.

Установка базовых станций миллиметрового диапазона или точек доступа Wi-Fi вдоль ж/д маршрутов, насчитывающих сотни и тысячи километров, требует больших бюджетов. При этом в экономике таких проектов значительную роль играет допустимое расстояние между базовыми станциями — чем оно больше, тем дешевле проект. И в этом системы связи миллиметрового диапазона имеют существенные преимущества.

В запатентованной технологии компании «ДОК» рекомендованное расстояние между базовыми станциями на прямых участках пути составляет в среднем 2 км, допуская отдельные участки до 4 км. Для сравнения: точки доступа Wi-Fi требуется устанавливать через каждые 50-–100 м. В японском проекте заявленное расстояние между базовыми станциями составляет 500 м, а общая стоимость достигнет 44 млрд иен (около $350 млн), то есть порядка $0,6 млн за каждый километр маршрутной сети Tokaido Shinkansen.

Оборудование для связи, установленное на поезде

Рис. 4. Оборудование для связи, установленное на поезде

Частота радиосигнала в диапазоне миллиметровых критически значимо влияет на дальность связи — чем выше частота, тем более узкий луч можно создать при том же диаметре антенн и тем дальше друг от друга можно разместить базовые станции для удешевления проекта. Японская система «поезд-земля» использует диапазон 40 ГГц, и этим объясняется расстояние между базовыми станциями 500 м, в то время как российская система работает в диапазоне 71–76/81–86 ГГц при расстоянии между базовыми станциями 2 км.

Российским разработчикам удалось решить проблему хендовера за счет большой дальности действия приемопередатчиков и агрегации связи от нескольких базовых станций одновременно. Приемопередатчики на поезде (рис. 4) «видят» не только ближайшие базовые станции впереди и позади (по ходу поезда), но и следующую пару базовых станций за ними. Вероятность того, что все базовые станции войдут в режим хендовера, практически отсутствует — так реализуется бесшовное соединение с высокой пропускной способностью.

 

Связь в кривых пути и на территории станций

Хотя в топологии высокоскоростных магистралей преобладают прямые участки, там есть и движение в кривых пути, а также по территории станций и сооружений со сменой пути и иными перестроениями. Для такой ситуации в компании «ДОК» разработана дополняющая система связи на частоте 60 ГГц, названная MobiBridge 10G (рис. 5).

Система связи MobiBridge 10G

Рис. 5. Система связи MobiBridge 10G

Это компактные устройства для сетевого покрытия кривых пути и станционных территорий обеспечивают поезд связью с сопоставимой пропускной способностью до 10 Гбит/с. MobiBridge 10G можно причислить к устройствам уровня ультра хай-тек, они оснащаются фазированной антенной решеткой для автоматического поиска и слежения базовых станций за приемопередатчиками поездов. Оборудование обеспечивает высокоскоростные поезда надежной всепогодной связью в условиях, когда использовать основную систему PPC-10G-E-Rail не представляется возможным.

Дополнительным применением MobiBridge 10G является беспроводное межвагонное соединение емкостью 10 Гбит/с. Например, с помощью MobiBridge 10G можно соединить поездные сети двух сцепленных «Сапсанов», что актуально при формировании сдвоенных составов на линиях с большим пассажиропотоком (рис. 6).

Использование MobiBridge 10G для обеспечения беспроводного межвагонного соединения в «Сапсане»

Рис. 6. Использование MobiBridge 10G для обеспечения беспроводного межвагонного соединения в «Сапсане»

Более подробную информацию о российском оборудовании связи «поезд-земля» PPC-10G-E-Rail и MobiBridge 10G можно получить в отраслевом буклете компании «ДОК» для операторов железных дорог.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.