© 2018–2019 Train and Brain

Пятый элемент

5G скоро станет универсальной железнодорожной связью. Ее будут использовать для движения автономных поездов, организации работы вокзалов, контроля за состоянием путей, запуска маркетинговых программ лояльности, развлечения пассажиров, но как минимум 10 лет она будет сосуществовать со старым стандартом GSM.

Время первых

По всему миру развертывать 5G сети начали в 2016 году. Но не на железной дороге. Туннели, отражающие поверхности, скорость поездов 300 км/ч и более, высокая проходимость станций и вокзалов, множество изолированных помещений — лишь часть причин, по которым операторы не спешили внедрять связь нового поколения.

Триумфальное шествие нового стандарта началось в конце 2019 года, когда China Mobile и Huawei запустили на городском вокзале Хунцяо цифровую внутреннюю систему 5G. Железнодорожный вокзал Хунцяо — место с высокой проходимостью, которое обслуживает более 60 млн пассажиров ежегодно. В отдельные дни он пропускает через себя 330 тыс. пассажиров.

Cтартап в Хунцяо расшевелил операторов мобильной связи. Сегодня можно назвать уже десяток экспериментов по развертыванию сетей 5G на крупных станциях и вокзалах.
Железнодорожный вокзал Хунцяо обслуживает более 60 млн пассажиров ежегодно.
Фото: maoyunping/Shutterstock/FOTODOM

Сложность проектов, их масштаб, разу­меется, отличаются. Самый амбициозный был анонсирован в 2021 году в Будапеште. Huawei, East-West Intermodal Logistics и Vodafone начали создание первого в Европе интеллектуального мультимодального узла, управляемого частной сетью 5G. На территории площадью 85 га в Фенешлитке сеть 5G будут использовать для внутренней связи и дистанционного управления оборудованием, в том числе впервые в мире для манипулирования самоходными автоматическими кранами при погрузке и разгрузке. Работники смогут контролировать работу из центральной диспетчерской, наблюдая трансляцию HD-видео. После завершения работ в 2022 году новый порт должен будет обработать 1 млн стандартных двухфутовых контейнеров в год.

В конце 2021 года началось развертывание сетей нового поколения на станции Джиюгаока в Японии. С помощью сети 5G предполагается ретранслировать фото и видео, поступающие с 4K-камер высокого разрешения, установленных на поездах или на платформе. Полученные данные искусственный интеллект использует для оптимизации маршрутов патрулирования железнодорожных путей, а главное, сигнализации о закрытии и открытии дверей вагонов поезда. Раньше контроль входа/выхода пассажиров был невозможен без визуального осмотра. Проект реализуют Sumitomo Corporation, Mitsubishi Research Institute, Inc. и Fujitsu.
В конце 2019 года на вокзале Хунцяо заработала сеть 5G. Фото: Wang Yadong/Imaginechina via AFP/East News
Непростые решения
Во время демонстрационного запуска China Mobile и Huawei достигли пиковой скорости 1,2 Гбит/с. Это обычный для сети 5G показатель для ­2019–2021 годов. Он позволяет пассажиру, использующему систему, загружать файл с фильмом весом 2 ГБ менее чем за 20 секунд. Также оператор пообещал обеспечить высокоскоростное соединение, видеозвонки в формате 4K HD и многостороннюю загрузку видео в формате Ultra HD на территории всего вокзала. Сети предыдущего поколения не могли похвастаться такими возможностями.

China Mobile и Huawei, как и всем первопроходцам, при работе над проектом пришлось решать много неожиданных задач. Традиционно большинство базовых станций 5G развертывается на открытом воздухе, но они в основном используют короткие частоты диапазона ­24–100 ГГц, которые не способны распространяться на расстояние более нескольких сотен метров. Потому в отдаленных секциях вокзала качество связи могло падать. Решение, позволившее снять проблему, получило название 5G DIS (digital indoor system). Оно, помимо прочего, преду­сматривает установку большого числа передатчиков сигнала под потолком в помещениях. Каждый из них действует в радиусе около 25–30 м.

Встали на рельсы

Постепенно сети 5G стали использовать и для обеспечения связи при движении поездов. Обычно точки трансляции сигнала оборудуют на крышах вагонов. Поддерживать устойчивый сигнал им помогают вагонные сети Wi-Fi.

Интересный проект начали реализовывать осенью 2021 года в метро Глазго (Шотландия). Ученые Университета Стратклайда развернули сеть 5G, призванную обеспечить связь при движении в туннелях между станциями Бьюкенен-стрит и Сент-Енох. К работе они привлекли специалистов из южнокорейской ETRI, которая ранее экспериментировала с развертыванием 5G в метро города Сеула.

Вагон поезда за счет автономных точек трансляции 5G получил возможность в движении обмениваться информацией через сети других (более ранних) стандартов связи, обслуживающих маршрут. Внутри вагона с помощью модемов Cisco Wi-Fi страховалось подключение к интернету пассажиров. Чтобы максимально нагрузить пользовательскую сеть, участники эксперимента в ходе поездки использовали «затратные» приложения, передающие в том числе контент с элементами дополненной реальности (AR).

5G уже начали использовать для организации автономного движения рельсового транспорта. DB и Siemens Mobility представили в октябре 2021 года в Гамбурге первый поезд S-Bahn, оборудованный системами автономного движения, который будет получать коман­ды и управляться посредством сетей 5G. На демонстрационных заездах поезд достиг станции Бергедорф с машинистом-наблюдателем, а в обратном направлении проехал уже без человека в кабине на борту.
Cтартап в Хунцяо расшевелил операторов мобильной связи
Поезд от DB и Siemens будет получать команды через сеть 5G. Фото: press.siemens.com
Оборудование для трансляции сигнала, а также устройства для осуществления контроля автономного движения размещали в специальных нишах в среднем вагоне, чтобы сохранить обычную эргономику внутри салона.

Регулярное автономное движение пока организовали на 23-километровом участке линий S2/S21, между станциями Берлинер Тор и Аумюле. Четыре поезда городской железной дороги начали пассажирское движение в Гамбурге в конце года.

В Siemens рассчитывают, что в перспективе массовое внедрение нового стандарта связи позволит DB на 30% повысить пропускную способность путей при движении автономного транспорта. Определение точного места нахождения поезда на маршруте с помощью 5G позволит уменьшить расстояние между составами. В то же время система коммуникации между локомотивами T2T (поезд — поезд) поможет создать виртуальное соединение, благодаря которому два состава смогут двигаться синхронизированно, как если бы они были физически соединены.

За экспериментом внимательно следят в разных странах. Зеленый курс, реализуемый в ЕС, предусматривает перераспределение пассажиропотока от автомобильного и авиационного транспорта к железнодорожному. Благодаря 5G поездам легче будет справиться с новой нагрузкой.
В Венгрии с помощью 5G создают первый в Европе интеллектуальный мультимодальный узел .
Фото: East-West Intermodális Logisztikai Zrt./youtube.com

Универсальный ресурс

В перспективе 5G и вовсе станет незаменимым и безальтернативным источником связи для поездов. Именно он ляжет в основу глобального стандарта Европейской системы управления железнодорожным движением (FRMCS).

FRMCS должен к 2030 году постепенно стать основой для европейской системы управления поездом (ETCS), которая сейчас работает на базе GSM-R — версии стандарта 2G с дополнительной адаптацией для железнодорожных систем. ETCS неплохо зарекомендовала себя в последние несколько десятилетий, но в нынешнем виде, очевидно, устарела.

Многие сети 2G и 5G в настоящее время часто используют одни и те же полосы частот, что сделает обновление безболезненным, то есть операторы могут развертывать новые системы 5G, используя в том числе мощности 2G, какое-то время использовать частоты одновременно, а переключиться по мере готовности. Не будет необходимости разбирать старые системы или быстро наращивать энергосети, проводить веерные отключения.
Без альтернативы
5G претендует на то, чтобы со временем стать и международной железнодорожной связью. Сейчас такой монополии нет. Хотя Международный союз железных дорог (UIC) выбрал ETSI GSM в качестве основы для первой цифровой системы железнодорожной радиосвязи еще в 1994 году, в мире все еще применяют различные стандарты. Например, в США система организации железнодорожного движения Positive Train Control (PTC) использует частоты 220 МГц, а система распределения мощности локомотивов Locotrol — 900 МГц.

Более того, сегодня железнодорожные операторы часто устанавливают несколько различных систем безопасности, эксплуатации и обслуживания пассажиров. К ним относятся голосовая связь, сигнализация, мониторинг состояния, телевидение замкнутого контура (CCTV), мониторинг отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC). Все они используют разные стандарты связи: 2G, 3G, 4G или Wi-Fi.
5G ляжет в основу Европейской системы управления железнодорожным движением
5G ориентирован на обслуживание не только людей, но и бесконечного количества устройств .
Фото: Mariia Korneeva/Shutterstock/FOTODOM

Сосуществовать два стандарта связи начнут с 2025 года. В швейцарских кантонах Фрибур и Невшатель Nokia и оператор SBB уже провели тестирование радиочастоты LTE 1900 МГц с временным разделением каналов (TDD), чтобы определить частоту для нового стандарта. Во Франции Nokia вместе с SNCF открыла лабораторию 5G Lab. Ее аналитика упростит переход от GSM-R к FRMCS.

В перспективе 5G сможет вытеснить связь всех предыдущих поколений. Ее можно использовать для радиосистемы голосовой связи между поездом, систем сигнализации, коммуникации между автономными поездами, для электронных систем продажи билетов и в качестве источника интернета для развлечения пассажиров. На новый уровень выйдут мобильные приложения лояльности, которые смогут предоставлять в режиме реального времени актуальный «бортовой» контент, например видео с отображением уровней занятости вагонов или помещений вокзалов. Одновременно 5G гарантирует работу умных датчиков, которые будут осуществлять мониторинг путей, подвижного состава, энергосистем и условий окружающей среды. Единая связь для управления всеми этими процессами позволит операторам эффективнее использовать искусственный интеллект для анализа, обобщения данных, пронозирования аварий и нештатных ситуаций.
Тауфик Бен Режеб,
декан факультета «радио и телевидение» МТУСИ:
«Изначально стандарт 5G New Radio ориентирован на обслуживание не только людей, но и бесконечного количества устройств вокруг нас, таких как датчики, беспилотники, автономный транспорт и прочие. Cети 5G должны обеспечивать пиковую пропускную способность 1 ГБ/с. Это очень высокий показатель.

При этом автоматизированные процессы и большое количество устройств умного города зачастую не требуют высокой пропускной способности сети, которая обеспечивает скорость передачи данных. Критичным показателем для умного города является емкость сети, то есть количество устройств, которые могут работать в ней одновременно.

Стандарт 5G может выступить в роли опорной инфраструктуры для сбора информации с устройств. Системы 5G отличаются так называемой гибкостью — в них есть три отдельных сценария обслуживания абонентов, нацеленных на эффективность предоставления тех или иных запрашиваемых услуг. Для обслуживания устройств интернета вещей в стандарте 5G есть специальный сценарий обслуживания mMTC — Massive machine type communications.

Сети 5G нацелены на решение самых сложных задач. В том числе они обеспечат бесперебойную работу технологий виртуальной и дополненной реальности (AR/VR), которые станут привычным инструментом визуализации.

Беспроводная связь эволюционирует, развивается очень быстро, многое меняется. Мы переходим на все более высокие диапазоны радио­частот: по мере распространения интернета вещей необходимо обеспечивать рост пропускной способности, а это один из способов достижения цели.

За все приходится платить, переход на более высокие диапазоны частот уменьшает зону покрытия базовой станции/локальной точки доступа, поэтому, чтобы гарантировать устойчивость сигнала вдоль вытянутых территорий, в первую очередь нужно увеличивать число точек доступа на этих участках».

КОРОТКО

  • В конце 2019 года China Mobile и Huawei запустили на городском вокзале Хунцяо цифровую внутреннюю систему 5G.
  • На территории площадью 85 га в Фенешлитке (Венгрия) сеть 5G будут использовать для внутренней связи, дистанционного управления оборудованием.
  • В метро Глазго (Шотландия) развернули сеть 5G, призванную обеспечить связь при движении в туннелях между станциями Бьюкенен-стрит и Сент-Енох.
  • 5G претендует на то, чтобы со временем стать единственной и безальтернативной международной железнодорожной связью.
Фото: Gorodenkoff/Shutterstock/FOTODOM