Компания «ДОК» испытала мультигигабитную систему связи «поезд-земля» 70-80 ГГц на электропоезде «Ласточка»
Компания «ДОК», российский производитель радиорелейных систем на скорость до 40 Гбит/с, сообщила об успешных испытаниях радиолинков мм-диапазона волн PPC-10G-Rail на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ». Скорость передачи данных в каждом из двух каналов связи составила стабильные 2.8 Гбит/c. Оборудование предназначено для организации мультигигабитной связи «поезд-земля» между сетью оператора и скоростными поездами. Испытания проводились на электропоезде ЭС2Г-136 «Ласточка» на скоростях движения до 110 км/ч.
Отличительной чертой прошедших испытаний была подготовленная сетевая инфраструктура ж/д полотна на полигоне АО «ВНИИЖТ», включающая наличие оптоволоконного кабеля между базовыми станциями и широкополосного соединения с удаленным сервером в здании университета. Такая инфраструктура полностью моделировала условия промышленной эксплуатации мультигигабитных систем связи PPC-10G-Rail при их развертывании на скоростных пассажирских маршрутах.
Удаленный сервер в здании университета использовался для обмена трафиком с сетевым оборудованием, смонтированным в электропоезде «Ласточка». С поезда на удаленный сервер и обратно передавались объемные файлы, а также видеопоток Full HD с камеры внутри электропоезда. Этот видеопоток затем возвращался в режиме реального времени с удаленного сервера обратно на поезд для показа технической комиссии, позволяющей оценить качество беспроводного соединения. При этом, влияние скорости электропоезда в диапазоне от 20 до 110 км/ч на качество соединения обнаружено не было (110 км/ч является предельной разрешенной скоростью для движения на данном круговом участке).
Испытания связи «поезд-земля» проводились ООО «ДОК» на коммерческой основе, компания оплачивала аренду электропоезда и ж/д инфраструктуры.
Программа испытаний связи «поезд-земля» в диапазоне 70–80 ГГц
Проверка возможности передачи данных в режиме Full Duplex на поезд была ключевым пунктом в программе испытаний, при этом состав был оснащен двумя комплектами оборудование для двух каналов связи, вперед и назад по ходу поезда. Комплект включается в себя два 10-гигабитных приемопередатчика диапазона 70–80 ГГц с антеннами.
По факту, обеспечивалось стабильное соединение 2.8 Гбит/с на каждый комплект приемопередатчиков, что позволяет говорить, о пропускной способности 5.6 Гбит/c на поезд. При промышленной эксплуатации PPC-10G-Rail на подвижном составе также предполагается установка двух комплектов оборудования связи на каждый скоростной пассажирский поезд (вперед и назад по ходу поезда).
Для проведения испытаний на кольцевом маршруте на опорах контактной сети были смонтированы базовые станции системы связи PPC-10G-Rail в комплектации, обеспечивающие уверенный прием и передачу IP-пакетов по беспроводному каналу связи «поезд-земля» в кривой пути (железнодорожный термин, обозначающий криволинейные участки пути). Общая длина участка для измерения подвижной связи составила 2.2 км.
Кольцевой полигон АО «ВНИИЖТ» с отметками установленных базовых станций 70–80 ГГц и тестовым участком (показан зеленым цветом)
Базовые станции были смонтированы на высоте 5 м от уровня рельсов, что соответствует высоте эксплуатируемых в РФ скоростных поездов — Ласточки и Сапсана. После монтажа БС специалисты проехали маршрут на дрезине с подъемной платформой, где был смонтирован тестовый комплект поездных радиолинков — для юстировки антенн базовых станций на опорах контактной сети. В процессе юстировки подстраивалось наведение антенн БС и поезда по параметру RSL (Received Signal Level, уровень принимаемого сигнала).
Процесс юстировки антенн базовых станций связи «поезд-земля» 70–80 ГГц с дрезины
Испытания связи «поезд-земля» на криволинейных участках ж/д полотна
Тестовые заезды электропоезда ЭС2Г-136 «Ласточка» выполнялись на скоростях движения от 20 до 110 км/ч. Время установки устойчивой связи в канале передачи данных «поезд-земля» не превышало нескольких миллисекунд после входа электропоезда зону действия базовых станций PPC-10G-Rail.
Работа беспроводного соединения с внешней сетью проверялась в режимах передачи файлов и видеопотоков от удаленных серверов до поезда и обратно, включая проверку бесшовного хэндовера (handover) — процесса передачи обслуживания от одной базовой станции к другой в подвижной связи. Генерация трафика осуществлялась в том числе анализатором трафика «Беркут».
Блок-схема оборудования на испытаниях связи «поезд-земля»
Хотя оборудование PPC-10G-Rail в первую очередь предназначено для скоростного движения, где преобладают прямолинейные участки ж/д пути с большими расстояниями между базовыми станциями, на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» была экспериментально подтверждена и возможность использования радиосвязи в диапазоне частот 70–80 ГГц в кривых пути.
Прогон и сравнение видеопотока напрямую с головной камеры «Ласточки» и закольцованное видео по каналу связи «Поезд — Удаленный_сервер — Поезд»
Проходившие ранее испытания системы связи PPC-10G-Rail производства «ДОК» проводились на прямолинейном участке «Солнечное — Зеленогорск» Октябрьской железной дороги (линия Санкт-Петербург — Выборг). На этом этапе испытаний была продемонстрирована работа беспроводного соединения «поезд-земля» на прямолинейном участке с пропускной способностью двух агрегированных каналов связи, в сумме превышающих 10 Гбит/с, при расстояниях между базовыми станциями в среднем 2 км. Одновременно, эти испытания экспериментально определили предельную дальность работы системы связи «поезд-земля» PPC-10G-Rail, равную 4 км на прямых участках пути.
Регистрация пропускной способности канала связи
Для обеспечения устойчивой связи в кривых пути при скорости поезда 110 км/ч (30.5 м/с), где базовые станции расположены каждые 230–270 м, было применено специальное программное обеспечение маршрутизации пакетов.
В условиях движения электропоезда по кольцу и частого проезда мимо базовых станций было удобно тестировать значение задержки переключения (хэндовера) и отслеживать возникновение ошибок при переходе от одной базовой станции к другой. Благодаря ПО с усовершенствованным алгоритмом, не были зафиксированы задержки переключения, а также не было ошибок в канале или пропадание сигнала.
Рабочий момент измерений параметров связи «поезд-земля», экран внутри поезда
Учитывая длину э/поезда 130 м, на скорости 110 км/ч переключение маршрутов между сервером на борту электропоезда и наземной инфраструктурой через радиолинки на головном и хвостовом вагонах и происходило в среднем каждые 4.5 с. При этом была достигнута высокая надежность канала беспроводной связи при сохранении пропускной способности 2 Гбит/c и более (фактическая, 2.8 Гбит/c).
Примечание. скорость передачи данных 2 Гбит/с была установлена на тестере Bercut-ETX по требованию согласованной «Программы и методики испытаний». В данном случае, измерительное оборудование Bercut-ETX было настроено на проверку прохождения трафика 2 Гбит/с через канал, который давал 2.8 Гбит/с.
Инженеры ООО «ДОК» вне официальной программы испытаний протестировали систему связи «поезд-земля» в режиме передачи данных 5.6 Гбит/с (в программе испытаний акцент был на хэндовере, ошибках и качестве связи). Было показано, что и режим 5.6 Гбит/с отлично работает в обе стороны от состава. Это позволяет говорить, что при промышленной эксплуатации агрегированная пропускная способность «на поезд» будет обеспечиваться на уровне 10+ Гбит/c (5.6 Гбит/с в одну сторону и 5.6 Гбит/c в другую). Такие показатели аналогичны тем, что в предыдущих испытаниях были зафиксированы на прямом участке ж/д полотна.
Результаты испытаний подтверждены протоколом
Комплект приемопередатчиков 10 Гбит/c 70–80 ГГц на крыше э/поезда «Ласточка»
По результатам испытаний совместной комиссией был подписан «Протокол испытаний». Протокол подтвердил наличие устойчивой радиосвязи «поезд-земля» с пропускной способностью не хуже 2 Гбит/c на всем протяжении участков ж/д полотна с установленными базовыми станциями PPC-10G-Rail в следующей формулировке:
«В ходе проведения испытаний контролируемые в соответствии с ПМ (программой и методикой испытаний) требования по пропускной способности (не менее 2 Гбит/с) и вероятности ошибки на бит BER (не более 1×10–6) выполнены для MTU с размером пакетов данных в диапазоне 256–1500 байт», — выдержка из протокола.
Интересный факт испытаний — отсутствие ошибок в канале связи при всех включенных базовых станциях членам комиссии показалось странным, поэтому по их просьбе было произведено искусственное ухудшение качества канала путем кратковременного нарушения контакта в оптических разъемах подключения подвижного (в электропоезде «Ласточка») и наземного (в серверной) тестер-анализаторов Bercut-ETX. При этом в канале возникали ошибки, которые фиксировались тестер-анализатором Bercut-ETX. Данное действие выполнялось кратковременно, чтобы имитировать ошибки, но не вызвать полный обрыв связи.
При движении электропоезда комиссии был продемонстрирован так называемый «бесшовный» характер связи при всех включенных базовых станциях. Для проверки механизма обнаружения потерь на переключение между базовыми станциями (выполнение хэндоверов) во время проведения испытаний по просьбе комиссии была проведена имитация неисправности в радиоканале, путем отключения двух радиоблоков БС РРС-10G-Rail, расположенных на одной из опор контактной сети. Имитация показала потерю трафика при движении поезда по участку обслуживания отключенных базовых станций.
Требования программы испытаний по вероятности ошибки на бит BER (не более 1×10–6) были выполнены с большим запасом для MTU с размером пакетов данных в диапазоне 256–1500 байт. В частности, при скорости электропоезда 110 км/ч зарегистрировано значение параметра BER 1×10–12, (значение, которое показывает Bercut-ETX при полном отсутствии ошибок) и значение пропускной способности канала не хуже 2 Гбит/c при полном отсутствии потерь на хэндовер.
О преимуществах технологии IP-связи «поезд-земля» в диапазоне миллиметровых волн
Поезд-лаборатория DB TrainLab на базе состава, аналогичного Сапсану (Источник: DB)
В заключение, небольшая справка о состоянии дел в мире в области подвижной связи на железнодорожном транспорте. Сейчас существующие и планируемые системы подключения рельсового транспорта к Интернету в массе своей основаны на применении GSM-модемов с агрегацией нескольких сим-карт от разных операторов на поездной роутер.
В частности, в 2022 году Nokia получила контракт на развертывание 160 базовых станций LTE/4.9G на 250 км маршрутной сети в Западной Австралии, а немецкие железные дороги DB и оператор Vodafone заявили об обновлении инфраструктуры придорожных базовых станций сотовой связи по всей маршрутной сети с характеристиками LTE 125 Мбит/с на 13800 км пригородных маршрутов и LTE/5G 225 Мбит/с на маршрутах скоростных поездов общей протяженностью 7800 км.
Немецкие железные дороги (DB) объявили о работе двух лабораторий поездной связи TrainLab на базе поездов модели Siemens Velaro (в России такие составы эксплуатируются под маркой «Сапсан»), где испытывается связь «поезд-земля» в диапазоне 1.9 ГГц в вариантах LTE и 5G.
В обоих проектах в Германии и Австралии заложено несколько лет на выполнение работ, что сегодня выглядит как явное отставание от темпов роста потребностей пассажиров в широкополосном соединении с Интернетом.
Общее замечание к проектам широкополосной связи «поезд-земля» — при любой сегодняшней технологии это очень дорогостоящее мероприятие. Поэтому для выбора технологии проекта важное значение имеет соотношение «Цена за 1 км/Скорость передачи данных», где универсальные сотовые решения проигрывают специализированным системам связи диапазона миллиметровых волн.
К примеру, по вышеназванному сотовому проекту Nokia в Австралии, его заявленная стоимость составляет US$230M на 250 км маршрутной сети (немногим менее 1 млн долларов за 1 км). При этом, пропускная способность связи «поезд-земля» в этих сотовых проектах не превышает 300 Мбит/с в режиме «на весь поезд». Хотя в спецификациях к сотовым проектам могут указываться и более высокие цифры, — например, 500 Мбит/с, —, но на практике надо ориентироваться на 300 Мбит/с и менее, т.к. за трафик сотовых базовых станций будут конкурировать и смартфоны пассажиров.
Признавая, что GSM-модемы даже в конфигурации 5G не способны обеспечить мульти-гигабитное соединение «поезд-земля» на всем маршруте (включая малонаселенную местность), в настоящее время в разных странах ведутся исследования и внедряются пилотные проекты в области применения выделенных проприетарных систем связи для доступа к Интернету в скоростных поездах.
В США для Amtrak разрабатывается проект выделенной связи для так называемого «Восточного ж/д коридора» на протяжении 457 миль пути от Вашингтона, округ Колумбия, до Бостона. Первые пилотные зоны начали действовать с 2017 года на частоте 5 ГГц, но качество связи оказалось недостаточным и впоследствии принято решение перейти на более высокие частоты. На момент написания статьи параметры связи (пропускная способность и используемые частоты) для апгрейда выделенной связи «поезд-земля» на линии «Восточного ж/д коридора» не были объявлены в Amtrak.
Прямо сейчас потребители обычно могут использовать услугу Wi-Fi Amtrak только для просмотра веб-страниц и e-mail. Cеть Wi-Fi зависит от полосы пропускания, предоставляемой операторами сотовой связи, у которых есть башни на маршрутах Amtrak. Чтобы обеспечить достаточную пропускную способность для всех пассажиров, Amtrak принудительно блокирует доступ к потоковому мультимедиа и ограничивает загрузку файлов. По публикациям, например в PC Mag, в среднем пропускная способность Amtrak Wi-Fi внутри поездов сейчас не превышает 1–3 Мбит/с, — притом, что личные гаджеты с поддержкой 5G обеспечивают связь до 140 Мбит/с на участках, где имеется покрытие 5G.
В Японии компания JR Central, являющаяся оператором высокоскоростной железнодорожной линии Токайдо Синкансэн (Tokaido Shinkansen) запустила масштабный проект внедрения гигабитной связи «поезд-земля» в миллиметровом диапазоне волн (40 ГГц) на всей маршрутной сети протяженностью более 500 км. Заявленная стоимость проекта составляет 0.6 млн долларов за 1 км пути при пропускной способности 1 Гбит/с.
Там же, в Японии, проводились исследования по использованию еще более высокочастотного диапазона 92–95 ГГц для организации связи «поезд-земля». В результатах, опубликованных RTRI (японский НИИ ж/д транспорта), отмечается, что достигнута пропускная способность 1.5 Гбит/с при расположении базовых станций на расстоянии 250–300 м друг от друга.
Схема организации связи «поезд-земля» в диапазоне 90 ГГц в Японии
Результаты испытаний связи «поезд-земля» в диапазоне 90 ГГц в Японии
Для сравнения, российская система PPC-10G-Rail 70–80 ГГц на прямых отрезках пути обеспечивает пропускную способность более 10 Гбит/с (2×5.6 Гбит/с) при расстоянии между базовыми станциями 2 км (испытания на прямом участке под Выборгом), и 2×2.8 Гбит/с в кривой пути (испытания на кольце АО «ВНИИЖТ», где в том числе получены значения 2×5.6 Гбит/с) с базовыми станциями на расстоянии до 300 м друг от друга.
Оценочная стоимость развертывания системы PPC-10G-Rail также предполагается на порядок ниже, чем у зарубежных проектов, — даже с учетом стоимости прокладки оптического кабеля, установки повторителей, иных сетевых устройств и организации электропитания на всем протяжении маршрута. Значительную роль играет возможность монтажа базовых станций на опоры контактной сети, что исключает затраты на установку коммуникационных вышек.
Заключение
Проведенные на кольце АО «ВНИИЖТ» испытания связи с применением серийных систем PPC-10G-Rail 70–80 ГГц показали надежность технологического решения и высокую пропускную способность беспроводной связи «поезд-земля».
«Использование системы для организации доступа в интернет пассажиров высокоскоростных и скоростных поездов на высокоскоростных магистралях (ВСМ) возможно после проведения технико-экономического обоснования данного решения», — из Акта приемки контрольных эксплуатационных испытаний.
