Каждый человек, кто путешествует на поездах, знает, что доступ к интернету на смартфоны пассажиров в поездах обычно очень медленный. И так во всех странах. Поездной Wi-Fi тоже медленный, а на некоторых перегонах связь вообще отсутствует.

Последние несколько лет много хайпа вокруг перспектив использования 5G для связи «поезд-земля» (T2G, Train-to-Ground). Собираются конференции, проводятся выставки, делаются многочисленные прогнозы — как 5G решит проблемы с широкополосным доступом к интернету в поездах. Одновременно операторы железнодорожных линий, не надеясь на сотовую связь, запускают проекты выделенных беспроводных сетей (Trackside Network, TSN-сеть) вдоль ж/д путей под нужды перевозчика.

Период с 2023  по 2025 гг. может стать переломным моментом, когда крупные железнодорожные компании сделают свой выбор между мобильной связью 5G или постройкой выделенной беспроводной сети TSN.

Какова реальная скорость 5G в поездах?

Время от времени в интернете появляются видео в поездах о скорости интернета с 5G, — например, такое, снятое в поезде в пригороде Хельсинки.  

Или вот еще примеры, уже из США, поезда Бостон — Нью-Йорк (№190) и Бостон-Олбани (№449) с 5G от операторв T-Mobile, Verizon, AT&T. Источник: PC Mag:

Как видно из видео в пригороде Хельсинки, скорость на скачивание в среднем была порядка 700 Мбит/c — и это превосходный результат. В США на ж/д маршрутах "Восточного коридора" цифры заметно скромнее, и лучшие результаты у T-Mobile (в сравнении с другими операторами), но покрытие 5G очень лоскутное, и на примере поезда №449 можно видеть, что примерно на половине маршрута связи просто нет.

Можно ли сказать, что там, где покрытие 5G есть, проблема широкополосного доступа к интернету в поездах, наконец, решена и дело только за массовой установкой новых базовых станций и смартфонами с поддержкой 5G?
И да, и нет — эту тему обсудим ниже.

Плюсы и минусы 5G для связи «поезд-земля»

Большой плюс 5G — это почти бесплатно для операторов ж/д линий, а пассажирам не надо тратиться на платный Wi-Fi (справедливости ради, у многих зарубежных перевозчиков он бесплатный). Если ориентироваться на 5G, то перевозчику вообще не надо ничего делать, — просто ждать, пока мобильные операторы поставят базовые станции 5G вдоль ж/д путей. Затем провести недорогой алгрейд поездных модемов, принимающих сигнал от операторов сотовой связи, с LTE до 5G и запитать этим трафиком бортовую сеть Wi-Fi.

Слабое место этой стратегии: ждать придется долго. Особенно для ж/д направлений на большие расстояния и через малонаселенные районы. Мобильные операторы умеют считать деньги не хуже, чем ж/д перевозчики. Поэтому, как показывает практика, оборудование 5G вдоль ж/д появляется только на очень популярных и коротких маршрутах. Например, таких как Бостон – Нью-Йорк.

iXBT.com (https://www.ixbt.com/news/2023/01/31/megafon-uvelichil-skorost-interneta-na-puti-sapsana.html)
«МегаФон» увеличил скорость Интернета на участке ж/д маршрута «Москва – Санкт-Петербург».
Это новость от 31 января 2023 года, и она иллюстрирует, какова ситуация с сотовым покрытием в малонаселенных районах (неважно, в РФ или где-то еще). Впрочем, и в Финляндии на дальних перегонах через лесные массивы ожидать 5G не стоит.

Второй минус — 5G наследует общий недостаток сотовой связи в виде падения пропускной способности при регистрации большого числа абонентов в соте. Пока смартфоны с поддержкой 5G относительно мало распространены, их владельцы могут радоваться высокой скорости соединения с интернетом в поездах. Но когда такие гаджеты будут у всех пассажиров, емкость канала базовой станции расшерится на все устройства и скорость соединения ожидаемо упадет.

Третий недостаток — растущая задержка (latency) при регистрации смартфона в соте очередной базовой станции по мере набора скорости движения составом. Соответственно, скорость соединения с интернетом на устройстве будет падать. Уже для скорости движения 100 км/ч деградация соединения будет примерно на 30%, — сравните два видео в Хельсинки, уже упомянутое выше видео с замером Speedtest в поезде https://www.youtube.com/shorts/bB0dKFNCnkk и другое такое же видео этого блогера, сделанное на улице Хельсинки (https://www.youtube.com/watch?v=CVOwfWXtoHg). Ожидаемо, что для высокоскоростных поездов (250-400+ км/ч) качество связи по сотовому каналу будет еще хуже.   

Четвертый недостаток — несимметричный характер связи 5G, когда скорость скачивания (download) у всех операторов примерно в 20 раз выше, чем скорость выгрузки (upload). Этот недостаток, — и особенно в поездах, — трудно устраним ввиду физики процесса. И вот почему: базовая станция обладает мощным передатчиком, поэтому сигнал может иметь сложную форму модуляции для обеспечения широкополосного соединения. Передатчик смартфона, наоборот, маломощный, и вдобавок работает изнутри металлического корпуса вагона, — поэтому вынужденно применяется более простая схема модуляции (как правило, на уровне скорости данных для 4G – 3G), чтобы базовая станция смогла принять слабый сигнал от абонента.

Указанные недостатки сами по себе не являются критическими, но в сумме дают отрицательный синергический эффект. В современном поезде большое число цифровых систем, исключительно важной из которых является видеонаблюдение в реальном времени и онлайн-передача изображений из кабины машинистов и с камер в вагонах в центр управления движением. Это позволяет проводить машинное распознавание лиц с целью предотвращения криминальной и террористической активности в поездах, а также быстро реагировать на различные нештатные ситуации (пожар, сход с рельсов и др.).

Перебои со связью для удаленного видеонаблюдения недопустимы, а возможности 5G в части исходящего трафика (upload) довольно слабы, чтобы передавать видеопотоки с множества HD-камер. Поэтому неудивительно, что операторы ж/д линий рассматривают проекты выделенных беспроводных сетей, которые бы не зависели от наличия сотового покрытия вдоль путей и имели симметричные характеристики download/upload.

Можно встретить в СМИ обманчивую терминологию о 5G связи «поезд-земля», и все это с целью «ловли бюджетов» на хайпе вокруг 5G. Выглядит это так: в маркетинговых материалах говорится о придорожной сети 5G, но в реальности это выделенная TSN-сеть перевозчика, которая просто занимает частотный ресурс 5G, — чаще всего в диапазоне 5 ГГц. Разумеется, никакой сетью 5G такая инфраструктура не является, т.к. смартфоны пассажиров не могут с ней соединиться, а только специальные поездные терминалы. Пример: TSN-сеть британского ж/д перевозчика FirstGroup под названием “Rail-5G”, построенная в сотрудничестве с разработчиком оборудования связи Blu Wireless.

О проектах выделенных беспроводных сете Trackside Network

Альтернативный к 5G вариант — это постройка выделенной беспроводной сети TSN c широкополосным доступом к интернету и дата-центру перевозчика. Британский регуляторный орган Ofcom в своем документе Rail-connectivity-advice рекомендует иметь канал связи «поезд-земля» не менее 1 Гбит/c, а лучше 2-3 Гбит/c.

Как уже сказано, удаленное видеонаблюдение является главным потребителем upload-трафика и основной причиной запуска проектов TSN-сетей. В современном поезде устанавливается по 4-5 и более камер на каждый вагон (в тамбурах и салоне), и по 2-4 камеры в каждой из кабин машинистов. Итого на составе из 8 вагонов работает порядка 50 камер, каждой из которых требуется канал связи не хуже 10 Мбит/c. Итого порядка 500 Мбит/c на состав (хотя можно частично сэкономить трафик, сделав для некоторых камер запись только на локальный носитель). 

Очевидно, что 5G с асимметричным upload-каналом (обычно не более 40 Мбит/c на SIM-карту) трафик от HD-камер не вытянет, даже если использовать поездной 5G-роутер с несколькими SIM-картами. Ведь есть еще сотни пассажиров, которые тоже будут активно потреблять трафик и конкурировать за него с поездным 5G-роутером.

В настоящее время в открытой печати имеются примеры пилотных и исследовательских TSN-сетей на ж/д линиях, работающих на самых разных частотах, от 5 до 90 ГГц:

• 5 ГГц – сеть Amtrak на линии Бостон-Вашингтон (США);

• 5 ГГц -  сеть FirstGroup на линии  Island Line (Великобритания);

• 40 ГГц – сеть JR Tokai на линии Tokaido Shinkansen (Япония);

• 70-80 ГГц – тестовая сеть ДОК на кольце АО ВНИИЖТ (Россия);

• 90 ГГц - тестовая сеть West Japan Railway Company (Япония).

Пропускная способность связи «на поезд», объявленная в этих проектах, составляет от 1 до 10+ Гбит/c, причем с симметричным трафиком. Интересно, что наиболее высокие характеристики показала тестовая TSN-сеть, построенная в России.

Теперь о том, что из себя представляют TSN-сети перевозчиков. По своей архитектуре они практически идентичны, различаясь в основном частотным диапазоном и характеристиками оборудования в части конструкции терминалов и пропускной способности связи.

Типовая TSN-сеть состоит из 2-х основных частей:

• Оптической магистрали вдоль всей ж/д линии;

• Беспроводного оборудования в виде базовых станций на столбах и терминалов на крыше поезда.

Как видно из иллюстраций, принцип действия TSN-сети состоит в подаче радиосигнала вдоль ж/д полотна. При этом движущийся поезд поочередно устанавливает соединение с базовыми станциями, смонтированными на столбах контактной сети или иных опорах. Обмен трафиком с оптической магистралью производится через свич, входящий в комплект каждой базовой станции.

Отдельно стоит сказать про уход проектов связи «поезд-земля» в область миллиметровых волн. Это связано с наличием больших участков выделенных частот, на которых можно строить системы связи с пропускной способностью 10 Гбит/с и выше.

Как строится TSN-сеть для ж/д перевозчика

Первым и необходимым условием для строительства выделенной сети связи «поезд-земля» является прокладка оптического кабеля вдоль всей ж/д линии. На некоторых участках возможно использовать фиксированную беспроводную связь между базовыми станциями TSN-сети, но оптика вдоль путей — это основное условие.

В зависимости от выбранной технологии, частотного диапазона и иных условий (таких как дождевые зоны ITU) производятся расчеты энергетического запаса линии между терминалом на поезде и базовой станцией и определяется рекомендуемое расстояние между базовыми станциями.

Далее производится монтаж базовых станций вдоль пути, их подключение к оптике. Затем юстировка базовых станций в створ движения поезда по показателю RSL (received signal level). По опыту компании ДОК (см. статью на Хабре), юстировку можно проводить с помощью дрезины, поочередно проезжая мимо базовых станций. На дрезине на высоте реального поезда установлен комплект приемопередатчиков, имитируя тем самым поездные терминалы (приемопередатчики).

Затем приемопередатчики монтируются на поезде и проводится пробный заезд по участку с фиксацией параметров связи. Если все ОК, перевозчик запускает участок в промышленную эксплуатацию.

На видео об испытаниях гигабитной связи «поезд земля» в Подмосковье показан процесс монтажа, настройки и тестовых прогонов электропоезда Ласточка с установленными приемопередатчиками 70-80 ГГц. Графики уровня сигнала RSL и пропускной способности (см. ниже) показали стабильное соединение на один комплект приемопередатчиков не хуже 2.8 Гбит/с.

На поезде устанавливается по 2 комплекта приемопередатчиков, вперед и назад по ходу поезда, — это позволяет значительно повысить надежность связи, достичь «бесшовного» переключения между базовыми станциями, а также использовать агрегацию каналов для увеличения общей пропускной способности беспроводной связи «на поезд». На прямых участках поездные комплекты приемопередатчиков ДОК «видят» не только ближайшие базовые станции вперед и назад по ходу состава, но и следующие за ними. В любой момент времени поезд "видит" хотя бы одну базовую станцию. Поэтому связь не прерывается на время переключения (имеет нулевое значение Handover Interruption Time, HIT).    

Summary

Запуск операторами зон покрытия сотовой связи 5G вдоль ж/д путей вдохнул определенные надежды в возможность широкополосной связи «поезд-земля», как для запитки трафиком бортовой сети Wi-Fi, так и для доступа к интернету индивидуальных гаджетов пассажиров.

Слабым местом связи 5G для поездов является низкая скорость передачи в режиме upload, зависимость от скорости поезда и отсутствие покрытия 5G за пределами густо населенных районов.

Альтернатива в виде построения выделенных беспроводных сетей (Trackside Network, TSN-сеть) вдоль ж/д путей под нужды перевозчика связана с большими инвестициями. При этом, определенную роль в стимуляции запуска проектов TSN-сетей могут сыграть действия регуляторов, — к примеру, в части обязательного удаленного видеонаблюдения в поездах. В целом, на успех проектов TSN-сетей будут влиять выбор технологии, вендоров оборудования, и как итог, удельная стоимость 1 км оснащения ж/д.

При этом, системы в миллиметровом диапазоне волн выглядят более перспективными для построения TSN-сетей перевозчиков ввиду наличия большого частотного спектра и, как следствие, возможности обеспечения мультигигабитной связи "поезд-земля", с перспективой ее улучшения до 40 - 100 Гбит/c.