На Хабре уже рассказывалось о классификации систем связи V2X (Vehicle to Everything, автомобиль ко всему), одним из вариантов таких систем назывались выделенные беспроводные сети малого радиуса действия DSRC (Dedicated Short-Range Communications). Эта статья — о российском проекте оборудования DSRC на скорость доступа 10 Гбит/c Full duplex. Такие скорости недостижимы в ближайшей перспективе ни для уличного Wi-Fi, ни для спутниковой связи или 5G.

Зачем нужна ультра-широкополосная сеть DSRC? Ответ — для устойчивого и безопасного управления беспилотными транспортными средствами (ТС). В их бортовые компьютеры на старте маршрута требуется закачать большой объем данных (это могут быть сотни гигабайт или даже единицы терабайт) и далее поддерживать постоянный и интенсивный обмен данными между ТС и опорной сетью.

Проект DSRC, который выполняет петербургская компания «ДОК» в диапазоне 60 ГГц, дошел до стадии опытных образцов. Система связи для беспилотных автомобилей MobiBridge 10G доступна для передачи на тестирование компаниям-разработчикам беспилотных ТС.

Почему 5G не панацея для беспилотного транспорта (пока)

Вопрос, который наверняка возникнет у многих читателей — зачем изобретать какие-то проприетарные (выделенные) сети передачи данных для беспилотного транспорта, если нас вот-вот накроет счастье в виде 5G?

Посмотрим на факты: в 2021 году МТС и Мегафон в Москве и в Петербурге отчитались о запуске пилотных зон 5G для мобильных абонентов, а достигнутые скорости передачи в 1.2-1.5 Гбит/c на абонентское устройство выглядят здорово. Что здесь может быть не так?

Вот что не так — у каждого у нас есть опыт использования 4G/LTE и этот опыт говорит следующее: в зонах с большим числом абонентов реальная скорость передачи данных будет не такой уж и высокой.

А теперь представим ситуацию, что беспилотный электробус (автобус) везет несколько десятков пассажиров со смартфонами 5G, и при этом сам обменивается данными с теми же базовыми станциями, что обслуживают район движения по маршруту. А если таких автобусов будет на маршруте (в обоих направлениях) достаточно много, то получим факт одновременного появления множества новых абонентов в зоне соты, которые при этом смотрят видео, шлют картинки в чатах и всеми иными способами конкурируют за трафик. И что останется автобусу(ам), даже если транспортная компания сможет выкупить для автобусов приоритет на трафик? Ответ — «без комментариев».

Идем далее и посмотрим, на какую скорость передачи данных 5G можно рассчитывать в России в ближайшем будущем. Смотреть будем на ширину выделенного диапазона частот, от которой впрямую зависит возможность применения сложных схем кодирования сигнала и, соответственно, скорость передачи данных. Начнем с упоминания международных диапазонов частот 5G, согласованных консорциумом 3GPP, разрабатывающим спецификации для мобильной телефонии.

Согласно 3GPP, для связи 5G выделены два больших набора частот: Frequency range 1 (FR1) от 450 МГц до 6 ГГц и Frequency range 2 (FR2) от 24.25 ГГц до 52.6 ГГц. Причем частоты FR2 планируются в основном для построения инфраструктуры базовых станций, поскольку сигнал в этом диапазоне распространяется только по принципу прямой видимости и сильно поглощается стенами домов, корпусами транспортных средств и даже листвой деревьев.   

Как видим, FR1 и FR2 достаточно велики (в теории). А вот что пишет CNews — в России сеть 5G развернута на частотах 4,4-5 ГГц (частотный диапазон n79), который поддерживают не все существующие 5G-смартфоны. CNews напоминает, что наиболее международный диапазон частот для смартфонов 5G — это 3,4-3,8 ГГц, но в России он занят спутниковой связью и силовыми структурами. Итого у нас доступна полоса 600 МГц — не так уж и густо.

Подытожим сказанное про российский 5G: это многообещающая технология широкополосной связи, но выделенная полоса частотного спектра относительно невелика и связь уровня 10 Гбит/c на беспилотный транспорт при существующих технологиях обеспечить не может. 

Почему 60 ГГц (V-band) — "горячий" диапазон связи на сегодня

Этот раздел будет коротким, но без него нельзя — тогда неясны причины выбора диапазона V-band (57-64 ГГц в РФ / 57-71 ГГц в США и некоторых других странах) для мультигигабитной подвижной связи. Уточню, что, когда пишут «диапазон 60 ГГц» — это не значит, что используется именно эта частота из всего 7- или 14-гигагерцевого диапазона, тут просто дань устоявшемуся выражению, отраслевой сленг.

Если говорить кратко, то V-band имеет два основных преимущества, в том числе перед ближайшим конкурентом в лице диапазона Е-band 71-76/81-86 ГГц (где также можно достигнуть скорости передачи 10 Гбит/c):

·        Дешевизна оборудования для V-band;

·        Отсутствие лицензирования частот V-band практически во всем мире.

Про цены: в статье на NAG.RU «Сколько стоят 10-гигабитные радиорелейные линии?» было показано, что для конкурирующего диапазона Е-band 71-76/81-86 ГГц цена одного комплекта оборудования (два приемопередатчика с антеннами) лежит в пределах от 5 до 25 тысяч долларов (в эквиваленте валют). Это очень много, если речь идет о массовом применении широкополосной связи на транспорте. Т.е. требуется оборудование, которое дешевле примерно на порядок при крупносерийном производстве, и это вполне достижимо для V-band.

Идем далее, — при массовом применении не должен стоять вопрос лицензирования частоты. Благодаря инициативе американского регулятора FCC (Federal Communications Commission), диапазон 57-64 ГГц был сделан нелицензируемым сначала в США, а затем эту инициативу поддержали национальные регуляторы, включая российский ГКРЧ (Решение ГКРЧ от 10.03.2017 № 17-40-03).

Конкурирующий диапазон Е-band 71-76/81-86 ГГц, — опять-таки благодаря инициативе FCC, поддержанной во всех странах, включая РФ, — все-таки имеет пусть упрощенный, но обязательный порядок лицензирования частот. С точки зрения массового применения на транспорте, это все равно хуже, чем полностью нелицензируемый диапазон V-band 57-64 ГГц. Если кому интересно как происходит лицензирование Е-band в РФ, на портале NAG.RU выложена моя статья «Памятка-инструкция по регистрации в Роскомнадзоре радиорелейных линий диапазона 71-76/81-86 ГГц (70-80 ГГц)».

Подытожим этот раздел — за последние 2-3 года на рынке появилось достаточно много недорогого оборудования фиксированной беспроводной связи «точка-точка» для диапазона V-band 57-64 ГГц, причем производители (MikroTik, Ubiquiti, Cambium и другие) продолжают конкурировать друг с другом по цене. Да, это оборудование не подходит для подвижной связи диапазона 57-64 ГГц, но начинает появляться элементная база и для таких применений, а плюс в том, что частотное регулирование для диапазона V-band уже сформировано и принято.

Сети 60 ГГц Terragraph — Facebook нам в пример

Тут отметим, что один из главных мировых пропагандистов применения радиолинков (радиорелейных линий, РРЛ) диапазона 60 ГГц (V-band) — это компания Facebook с ее проектом Terragraph. Речь идет о городских ячеистых сетях, построенных на недорогом беспроводном оборудовании фиксированной связи, работающем в диапазоне частот V-band (подробнее в статье "Terragraph — проект ячеистых сетей 60 ГГц").

С помощью таких беспроводных сетей можно подключать по гигабитному каналу жилые дома и малый бизнес, дорожные камеры, камеры и датчики систем «Безопасный город», создавать зоны Wi-Fi на остановках общественного транспорта и в местах прогулок горожан, и т.д.

Terragraph-подобные сети удобны еще и с эстетической точки зрения — не уродуют городскую среду воздушными кабелями между крышами зданий и сооружений. Хорошим примером является подобная сеть, развернутая в историческом районе Лондона.

Важное преимущество Terragraph-подобных сетей в том, что они обладают функциями автопоиска, автонастройки и высокой доступности. Каждое устройство может искать себе подобных и автоматически подключаться в сеть. При возникновении отказов, трафик перенаправляется через рабочие устройства. Вот вся эта функциональность "1 к 1" востребована в подвижной связи для транспортных применений.

В чем новизна питерского оборудования для диапазона 60 ГГц  

О применении оборудования V-band именно для подвижной связи в мире стали задумываться совсем недавно, буквально в последнее время. Толчком стало появление промышленных образцов миниатюрных антенн с фазированной решеткой (ФАР), обеспечивающих возможность электронного сканирования лучом в поисках ответных устройств. Среди пионеров этой технологии стоит назвать израильскую фирму Radwin, предлагающую миниатюрные устройства беспроводной связи на скорость соединения до 1 Гбит/c для различных видов наземного транспорта.

Да, 1 Гбит/c — это хорошая скорость и сегодня, в 2021 году, — и, по сути, стандарт массового подключения по Ethernet, но для беспилотного транспорта такой скорости передачи данных все равно маловато. Для этой индустрии гигабайтный объем трафика на управление одним транспортным средством на маршруте — обычное дело. А если это беспилотный электробус, и внутри множество пассажиров со смартфонами, то скорость передачи данных 10 Гбит/c уже не кажется излишней.

Инженерам петербургской компании «ДОК» первыми в мире удалось создать 10-гигабитное оборудование диапазона 60 ГГц для системы подвижной связи. А далее — о самом оборудовании MobileBridge 10G, разработанном в петербургской компании «ДОК» для применений ультра-широкополосной связи на различных видах транспорта.

Как работает радиомост MobileBridge 10G

В целом, схемотехника MobileBridge 10G мало отличается от классической, в которой режим полного дуплекса обеспечивается двумя парами «приемник-передатчик» с выходом на общую или раздельные антенны.

Каждый абонентский модуль имеет два выходных разъема: SFP + 10GBase-LR / SR для данных и 1000Base-Tx для мониторинга и сервисных функций. Питание подается по кабелю Ethernet (Power over Ethernet), — оборудование может запитываться от бортовой сети автомобиля, поезда, судна, самолета (на стоянке).

Антенны с фазированной антенной решеткой в MobileBridge 10G обеспечивают большие сектора обзора, 90 градусов по горизонтали и 60 градусов — по вертикали. Таким образом, решается задача автоматического наведения антенны станции, расположенной на транспортном средстве, на неподвижные станции MobileBridge 10G в опорной сети на объектах дорожной инфраструктуры (мачты, фермы, опоры освещения).

При движении ТС соединение поддерживается за счет стабилизации направления луча и программно-управляемой отработки возможных колебаний антенны ТС при проезде неровностей дорожного покрытия или уклонов рельефа местности.

Достижением российских инженеров стала имплементация в компактном абонентском устройстве целого набора функциональных возможностей, которые обычно присутствуют у магистральных радиорелейных линий операторского класса. Для покупных комплектующих оборудования был написан свой софт, управляющий антенной, а также процессором приема и передачи радиосигналов.

В первую очередь, к важным функциям MobileBridge 10G следует отнести адаптивную модуляцию радиосигнала, позволяющую поддерживать неразрывность установленного соединения за счет перехода от более сложной схемы модуляции (QAM-128), к более простым (QAM-64 — BPSK) и наоборот.

Например, при приближении ТС к неподвижной станции радиомоста соединение устанавливается уже на расстоянии порядка 300 м при скорости передачи данных 2.8 Гбит/с, и при дальнейшем сближении скорость передачи данных достигает номинальных 10 Гбит/с. Далее происходит переключение на следующую станцию по ходу движения ТС. 

Второй важной функцией, реализованной в MobileBridge 10G, является «честная» 10-гигабитная дуплексная связь по 10 Гбит/с одновременно на uplink и downlink. Многие производители оборудования, указывая скорость соединения в своих буклетах, в маркетинговых целях удваивают реальную скорость соединения. Например, пишут «2 Гбит/с», что в действительности означает скорость соединения 1 Гбит/с по каналам «туда» и «обратно». 

Сервисные функции абонентского устройства включают возможность удаленного мониторинга и изменения параметров устройства, что позволяет поддерживать высокую доступность и связность опорной сети, а также оперативно реагировать на сбои в работе абонентских устройств на ТС.

Дальность связи в реальных городских условиях

Тестирование, проведенное в компании «ДОК», показало, что устойчивые 10 Гбит/с full duplex обеспечиваются в пределах дальности до 15м. Типичные ситуации: остановка ТС на АЗС (на зарядной станции) или, если речь идет об электробусе (автобусе), — в зоне остановки общественного транспорта.

При движении ТС к стационарному приемопередатчику, скорость передачи данных сохраняется на стабильном уровне (см. графики с профилями модуляции на 2.8, 5.6 и 8.5 Гбит/с), при этом возможны кратковременные сбои ввиду перекрытия лучей какими-либо препятствиями.

Общая дальность связи достигает нескольких сотен метров за счет снижения скорости передачи данных по мере удаления устройств друг от друга. Например, скорость соединения 5.6 Гбит/с full duplex устойчиво достижима на дальности не менее 200 м, что является очень хорошим показателем для систем V2X.

Примечание: графики надо читать справа налево. Т.е. стационарная станция справа, и чем ближе к ней приближается авто (чем ближе к правой границе графика), тем выше уровень сигнала.

Сферы применения связи 10 Гбит/с в транспортной отрасли

Кроме пока еще зарождающейся индустрии беспилотных автомобилей, компактные 10-гигабитные радиомосты малого радиуса действия могут найти применение на различных видах наземного транспорта.

Выделенная сеть из устройств MobileBridge 10G может обслуживать маршруты общественного транспорта (включая скоростной трамвай), станции метрополитена, работать как беспроводной коннектор для подключения к широкополосному Интернету пассажирских судов у причалов, частных яхт на рейдах и стоянках в маринах.

Одно из актуальных применений 10-гигабитных радиомостов — быстрое скачивание накопленных видео-данных с флеш-памяти регистраторов междугородних автобусов, пригородных электропоездов и составов метро. На крупных вокзалах, оборотных станциях метро и автостанциях время стоянки составов и автобусов очень ограничено, — они прибывают и сразу готовятся отправляться на маршрут.

К примеру, у составов метро время оборота вообще составляет минуту-другую. За это время надо скинуть видеозаписи обстановки из вагонов, видео рабочего места машиниста и видео с камеры переднего обзора на путь. Это вполне возможно сделать с MobileBridge 10G — при скорости передачи 10 Гбит/с файлы с флешки на 128 ГБ можно переписать менее чем за 2 мин.

Стоит сказать еще и о таком применении MobileBridge 10G как организация беспроводного соединения между вагонами скоростных и фирменных поездов в единую 10-гигабитную сеть. При этом легко решается задача сетевого соединения при перестановке, удалении и добавлении вагонов в составе в зависимости от потребностей маршрута.

Перспективы оборудования MobileBridge 10G на рынке V2X  

Благодаря 10-гигабитной скорости передачи данных в дуплексе, устройства MobileBridge 10G могут быть интересны для многочисленных приложений в транспортной отрасли, систем «Безопасный город», для целей передачи видеопотоков от камер дорожного движения АСУДД, а также при построении сетей передачи данных на роботизированные транспортные системы и производственные линии на современном производстве.

При развертывании 10-гигабитных сетей подвижной связи перспективным видится сочетание радиомостов MobileBridge 10G с беспроводным оборудованием диапазона 71-76/81-86 ГГц, обладающем высокой дальностью передачи 10-гигабитных потоков на движущиеся транспортные средства (не менее 2 км при наличии прямой видимости).

Видео об испытаниях «дальнобойной» 10-гигабитной системы связи в диапазоне 70/80 ГГц для беспилотных автомобилей и иных транспортных применений.

Мульти-гигабитные скорости становятся де-факто стандартом для автономного вождения и широкополосного соединения сетей фиксированной связи с транспортными средствами на автодороге, рельсах и на воде.

И последнее — команды разработчиков перспективных видов транспортных средств и дорожной инфраструктуры могут взять оборудование в компании ДОК 10 Гбит/с 60 ГГц на тестирование под свои проекты.