История о фейлах Amtrak со связью «поезд-земля». Просьба к РЖД — не повторять

Написать эту статью сподвигла новость с форума ПМЭФ-2023 о ВСМ (высокоскоростной магистрали) Петербург-Москва. Поездка займет 2.5 часа и на это время пассажирам надо себя чем-то занять. А для этого в поездах нужен широкополосный интернет — как люди привыкли в городской среде. Ж/д оператору скоростной интернет тоже нужен, для удаленного видеонаблюдения и возможности продать Wi-Fi скучающим в дороге пассажирам. Но проекты внедрения связи «поезд-земля» дорогие, долгие, и должны быть рассчитаны на 7-10 лет вперед. Тут важно не ошибиться с технологиями. Как это бывает при походе по граблям — в истории про Amtrak и связь «поезд-земля».

Сначала было слово, или вернее — тендер

Начну с того, что вся история раскопана автором по очень разрозненным открытым источникам, поэтому это не перевод западной статьи, а вполне оригинальный лонгрид.

История началась в достаточно далеком уже 2014 году, когда в Amtrak, национальном операторе железных дорог США, озаботились откровенно дохлым W-Fi для пассажиров в своих скоростных поездах-экспрессах. Согласно корпоративной процедуре, Amtrak выставила на своем тендерном сайте запрос на получение предложений от вендоров (RFQ, Request for quotation) на оборудование для обустройства скоростной связи «поезд-земля» для ж/д линии так называемого Северо-восточный коридора (Northeast Corridor). Это самое загруженное пассажирское направление в Америке, идущее вдоль восточного побережья и соединяющее Вашингтон с Бостоном.

Справедливости ради, в наших Сапсанах качество Wi-Fi и в 2014, и годами позже —тоже не айс.  

Проект был нескромно назван Next-Generation Passenger Wi-Fi, и тут надо признать, что PR-службы в больших американских компаниях обычно работают лучше технических комитетов. Неведомыми путями, т.к. процессы принятия решений тендерного комитета Amtrak непубличны и принимаются не спеша, контракт Amtrak на оборудование поездов  Acela Express был заключен со шведской компанией Icomera, и произошло это уже в 2016 году. Контракт был рассчитан на пять лет с возможностью продления еще на два года. Первый заказ предполагал оснащение 20 поездов Acela Express.

Возможно, сегодня многие уже не очень помнят, каким был Интернет в 2014, или уже в 2017 году, когда оборудованием связи «поезд-земля» от Icomera был оснащен первый состав Acela Express, но параметры этого решения все равно удивляют. «Amtrak noted the new train‐to-ground network will need to deliver sustained downlink throughput of at least 25 Mbps per train at train speeds up to 160 miles per hour and will be required to scale to over 100 Mbps per train by 2019», — см. в источнике.

Мне одному кажется, что канал связи 25 Мбит/c на весь поезд — это для уровня Next-Generation Passenger Wi-Fi явно слабовато? Да и планируемый апгрейт канала до уровня 100 Мбит/c на весь поезд в 2019 году, когда в домохозяйства уже пришел гигабитный Интернет, тоже не впечатляет. Повторюсь, речь идет о канале связи «на весь поезд», т.е. внутри вагонов бортовой Wi-Fi расшаривается пассажирам на таком уровне, разве что только почту отправить.

Что не так пошло у Amtrak

Теперь немного о технологиях, которые лежали в основе Next-Generation Passenger Wi-Fi. Речь идет о придорожной сети базовых станций диапазона 5 ГГц, и приемопередатчиках на крыше поездов. Вообщем-то, это стандартная архимтектура сети для всех вендоров оборудования диапазона 5 ГГц, применяемого для связи «поезд-земля» и поныне.

К счастью или нет, но до 2019 года проект не дожил. При развертывании связи Amtrak обратился за частотным согласованием используемых диапазонов 5,15-5,25 ГГц (U-NII-1) и 5,75-5,85 ГГц (U-NII-3) к американскому регулятору FCC. И, как не велико было лоббистское влияние национального оператора железных дорог США, ответ FCC оказался обескураживающий.

Регулятор пришел к выводу о возможной интерференции системы связи «поезд-земля» от вендора Icomera с другими приоритетными системами, используемыми в США. В частности, полоса U-NII-1 выделена в США на первичной основе для службы аэронавигации, а диапазон U-NII-3 выделен на первичной основе Службе радиолокации для федеральной эксплуатации.

В результате, в 2017 году FCC выпустила для Amtrak «Разрешение на ограниченное использование частотного ресурса», по сути поставившее крест на судьбе проекта. Amtrak разрешили установить базовые станции только в полосе отвода ж/д линии Бостон-Вашингтон, числом не более 1000. При этом работа станций в постоянном режиме была запрещена, они могли включаться на прием-передачу только при прохождении поезда. Общее число одновременно включенных поездных радио не должно было превышать 50.
Кстати длина этой ж/д линии 730 км, немногим дальше, чем Питер-Москва. Несложный подсчет показывает, что базовые станции стояли в среднем каждые 700-750 м.

Это решение FCC по своей букве запрещало дальнейшую экспансию проекта за пределы линии Бостон-Вашингтон. Неизвестно, смог ли вендор Icomera доработать базовые станции, чтобы они находились в режиме радиомолчания, и включались лишь при прохождении поезда. Журналисты PC Mag, исследовавшие качество связи в поезде Нью-Йорк — Бостон летом 2022 года, нашли поездное оборудование, призванное работать с базовыми станциями придорожной сети Icomera, — выключенным.

Урок #1 — задача тендерного комитета ж/д оператора — правильно выбрать свободный от претензий и технологически перспективный частотный диапазон для оборудования «поезд-земля», а не поддаваться маркетинговым обещаниям вендора, что все будет Ок.

Повторный тендер Amtrak в 2022

Удивительным в кейсе 2017 года оказались не списанные в убыток средства (что нам до денег Amtrak), а повторение истории уже в наши дни. В середине 2022 года Amtrak разместила RFQ на новый проект связи «поезд-земля» для линии Вашингтон-Бостон, названный Northeast Corridor Gigabit Connectivity Network. Свободно доступная аннотация подчеркивает, что предполагается не хуже, чем 1-гигабитная скорость передачи данных на всем протяжении ж/д трассы.

Сегодня этот RFQ недоступен на тендерном портале Amtrak ввиду завершения сроков подачи предложений от вендоров, но желающие ознакомиться могут за деньги запросить архивную копию через независимые агентства - агрегаторы бидов (bids), такие как Bidprime.

Достаточно забавным в RFQ по Northeast Corridor Gigabit Connectivity Network выглядит пункт, напоминающий нам о том, чем кончились разборки Amtrak с FCC в 2017 году. Теперь вендор должен тщательно избегать использования полос частотного спектра в злополучном диапазоне 5 ГГц (они помнят☺), занятых для иных целей, не допускать интерференции с любым оборудованием 5 ГГц, а также получить в FCC сертификат, заранее подтверждающий возможность использования предлагаемого на проект оборудования для связи «поезд-земля» в США. Памятуя о суровой бюрократии в регуляторных органах типа FCC, это сама по себе задача не из простых и легких.

Кроме выпадов в адрес диапазона 5 ГГц, Amtrak также будет отвергать любое оборудование, которое занимает частотный спектр американских сотовых операторов. Иными словами, не предполагается Private LTE и тому подобных решений. Купить трафик у сотовых операторов, видимо, тоже не предполагается, — зачем тогда затевать тендер на самостоятельно эксплуатируемое оборудование.

Покупной трафик у сотовых операторов, который ж/д компании через GSM-модемы, установленные на крыше поезда, отдают в виде Wi-Fi пассажирам, стоит в США 50-80 центов за 1 ГБ.

Что еще из технологий остается на рынке связи «поезд-земля» для Amtrak — это диапазон миллиметровых волн, по которому в США есть разрешения FCC (V-band, 57-71 ГГц и E-band 71-76/81-86 ГГц). Будут ли они его использовать для связи «поезд-земля», мы пока не знаем. К слову, в России решениями ГКРЧ эти диапазоны разрешены для использования широкополосной связи любыми организациями, в т.ч. для корпоративных целей.

А что еще примечательного и "не так" в новом проекте Amtrak, где же тут очередной фэйл, спросите вы? А не так в RFQ Amtrak то, что 1 гигабит пропускной способности канала на поезд все равно уже было мало в 2022 году, а на момент публикации этой статьи в июне 2023 года еще даже не принято решение, кто будет этот контракт исполнять. Поэтому, когда проект запустят, а это явно не ранее 2024 года, потребность будет уже в мульти-гигабитном трафике, а еще лет через 5-7 — в 20 или даже 40-гигабитном.

Урок #2 — при выборе технологий для долгоиграющих проектов связи «поезд-земля», с большими бюджетами, долгим сроком внедрения и эксплуатации решения, — лучше ориентироваться на технологии, опережающие сегодняшние на поколение вперед.

Кстати, на другой стороне океана есть еще один пример, когда технологии развиваются быстрее, чем мыслят солидные мужи. Британский регуляторный орган Ofcom (аналог FCC в UK) в своем документе, составленном в 2018 году, Rail-connectivity-advice рекомендовал иметь канал связи «поезд-земля» не менее 1 Гбит/c, а лучше 2-3 Гбит/c. Документ рассчитан на действие до 2025 года,, хотя действительность быстро опережает эти рекомендации. 

А что, если бы FCC разрешила проект на 5 ГГц?

Вишенкой на торте, — если рассматривать проект Amtrak - 2017 с позиций 2023 года, — была бы ограниченная возможность будущего апгрейда 5-гигагерцового оборудования связи» поезд-земля» до значений выше 100 Мбит/c. Даже, если FCC разрешила бы использовать этот диапазон в 2017 году, имеющиеся выделенные полосы частотного спектра 5 ГГц все равно достаточно узкие, чтобы раскачать связь "поезд-земля" заметно выше 100 Мбит/c, — и 300-500 Мбит/c будут пределом даже в технологиях 2023 года.

Вот, к примеру, таблица «Дальность связи / Пропускная способность» для решения Cisco Rail Connect в диапазоне 5 ГГц. Дистанция в данной таблице — это расстояние от поезда до базовой станции, установленной у ж/д полотна, а две звездочки в заголовке напоминают заказчикам о том, что это расчетная скорость передачи данных, а в реальных условиях может быть меньше.

Чем чаще натыкать базовые станции вдоль пути, тем скорость передачи данных на поезд будет выше, поскольку при движении состава расстояние "поезд-БС" будет меньше. Поэтому, когда вы видите в спецификациях у тех же Cisco скорость канала связи 500 Мбит/с на поезд, то это замерено в тестах, когда поезд находился совсем рядом с базовой станцией.

Вендоры оборудования диапазона 5 ГГц также не приводят примеры реализованных проектов для высокоскоростных поездов. Например, для оборудования Cisco Rail Connect указывается предельная скорость поезда 350 км/ч, но как пример реализванного проекта называется сеть метро в Лионе (Франция). Возможно, существуют технологические ограничения в виде Допплеровского эффекта при OFDM модуляции, когда характеристики канала связи быстро изменяются во времени. Соответственно, для высокоскоростного ж/д движения технология не вполне подходит.

Если вы знаете примеры реальных проектов связи "поезд-земля" в диапазоне 5 Ггц для высокоскоростного ж/д движения — прошу сообщить в комментариях.
Лайк от автора гарантирован )

Что имеем в сухом остатке от истории с Amtrak

В зарубежной практике проектов связи «поезд-земля» операторы железных дорог сегодня делают выбор между связью на основе 5G и собственной придорожной сетью на базе иного оборудования, в т.ч. 5 ГГц или миллиметрового диапазона.

Кроме широкополосного Интернета для пассажиров, для ж/д операторв есть еще более важный критерий — возможность технологии связи обеспечить канал, достаточный для удаленного видеонаблюдения в движущихся поездах из центров управления движением. Причем качество картинки должно быть хорошим, т.к. распознаванием лиц сейчас занимается софт на базе ИИ.

Иногда бывает, что для разных направлений ж/д линий выбираются разные технологии. Тот же Amtrak для поездов Северо-восточный коридора ориентируется на еще не выбранную технологию (но не в диапазонах сотовых операторов), а для Amtrak Midwest (Иллинойс, Мичиган, Миссури и Висконсин) отдал предпочтение 5G.

К примеру, в Европе Nokia вовсю заключает контракты на оснащение поездов терминалами 5G и установку оборудования для придорожных сот 5G. Можем ли мы последовать этому примеру? Вряд ли — оборудование 5G производства Nokia, или к примеру, решение Cisco Rail Connect в Россию уже не продадут.

А собственное оборудование в диапазоне миллиметровых волн для связи «поезд-земля» на 10 Гбит/с в России есть и испытано на «Ласточке». Не буду тут повторяться, недавняя статья на Хабре рассказывает об этом подробно. Причем технология позволяет делать апгрейды на скорость передачи данных 20 Гбит/с в режиме «на поезд», что должно хватить до 2030 года точно. А там, скорее всего, появится связь «поезд-земля» с еще более широким каналом.

На этом, собственно, все — учиться лучше на чужих ошибках, а смотреть вперед — самостоятельно.

В заключение хотелось бы узнать мнение хабровцев о том, за какой Wi-Fi в скоростных связи в Росиии вы готовы платить — ниже в небольшом опросе. Не стесняйтесь, голосуйте, нужен всего один клик.