Способы и система обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге Российский патент 2021 года по МПК B61L3/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области связи и коммуникаций, а именно к способам и системе обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге. Изобретение может быть использовано в вычислительных сетях класса «поезд-земля».

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Известна система обеспечения связи на высокоскоростном железнодорожном транспорте, раскрытая в статье Dat, Pham Tien, et al. "High-speed and handover-free communications for high-speed trains using switched WDM fiber-wireless system." 2018 Optical Fiber Communications Conference and Exposition (OFC). IEEE, 2018. Известная система включает несколько связанных с базовой станцией выносных антенных блоков, на которые поступают передаваемые по оптико-волоконной линии связи сигналы, сгенерированные в централизованном приемо-передающем узле и которые модулируются радиочастотным сигналом. Затем эти сигналы на антенном блоке переносят в миллиметровый частотный диапазон и передают на приемник, установленный на движущемся поезде. Для переключения антенн между сотами, в которых оказывается по ходу своего движения поезд, в систему вводят быстро-перестраиваемые лазеры, изменяющие длины волн сигнала. В описанном примере используют два лазера, первый из которых изменяют длину волны сигнала для переключения между первой и третьей сотой, находящейся на пути поезда, а второй лазер изменяет длину волны сигнала для переключения между второй и четвертой сотой. Маршрутизация сигналов, предназначенных для передачи на приемник поезда, осуществляется при использовании технологии бесшовного спектрального уплотнения каналов.

Известна система обеспечения широкополосного доступа в Интернет на железнодорожном транспорте, раскрытая в патенте на изобретение № US10292058B2 (опубл. 14.05.2019, англ. «Radio over fiber antenna extender systems and methods for high speed trains»). Известная система включает множество антенн, установленных на внешней стороне вагонов поезда, множество беспроводных точек доступа, установленных внутри вагонов поезда, и контролирующую систему. Антенны выполнены способными обмениваться данными с сетью сотовой связи. Антенны и точки доступа связаны соответственно между собой и с контрольным блоком посредством волоконных линий связи. Контролирующая система выполнена способной устанавливать канал связи с базовой станцией, собирать данные о скорости поезда и времени приема-передачи сигнала между антеннами поезда и базовой станцией. На основе этих данных контролирующая система способна адаптировать процедуры обработки данных.

Известен способ обеспечения связи с сетевым шлюзом, установленным на транспортном средстве, раскрытый в заявке на патент № US20160249233A1 (опубл. 25.08.2016, англ. «Providing broadband service to trains»). Известный способ предполагает, что упомянутый сетевой шлюз выполнен с возможностью предоставления сотовой радиосвязи мобильным устройствам пользователей, находящихся внутри транспортного средства. Для этого способ предусматривает наличие покрытия сотовой связью пути следования транспортного средства. При этом каждая сота сети предназначена для коммуникации с упомянутым шлюзом, а все множество сот сконфигурировано таким образом, чтобы обеспечивать связь между шлюзом транспортного средства и опорной сетью сотовой радиосвязи.

Однако, несмотря на то, что в известных изобретениях предусмотрено выполнение программных инструкций, предназначенных для компенсации разрыва связи между пользователем и базовой станцией по причине высокой скорости движения поезда, возможны ошибки в передаваемых данных от базовой станции на поезд и обратно.

Помимо этого, для того чтобы рассчитать модель, компенсирующую шумы в передаваемых данных, необходимо использовать расписание движения поезда, его скорость на всем пути, учитывать погодные условия и много другое. Такая модель становится крайне сложной в реализации и с трудом может быть использована в вычислительных сетях, предназначенных для обеспечения сетью Интернет пользователей в пассажирских поездах.

Также в целом для обеспечения возможности подключения к базовой станции, необходима ее доступность, что не всегда возможно по всему пути следования пассажирского поезда и экономически невыгодно по причине отсутствия абонентов, постоянно находящихся на пути следования поезда. Как известно, поезд по большей части проходит по незаселенным или малозаселенным территориям.

Наконец, используя технологии Long Term Evolution (LTE) на данный момент невозможно обеспечить скорость передачи данных, достигающей 10 Гбит/сек по причине отсутствия используемых при реализации этой технологии частотных диапазонов, в которых возможен обмен данными на такой скорости. Канал с такой пропускной способностью между базовой станцией и движущимся поездом возможен при условии обмена данными в миллиметровом радиочастотном диапазоне. Однако для того, чтобы гарантировать скорость передачи данных, достигающей 10 Гбит/сек, необходимо соблюсти условие обеспечения прямой видимости между базовой станцией и движущимся поездом, что является актуальной технической задачей, учитывая, что поезд движется по территории, имеющей значительное количество естественных препятствий для распространения волны.

Что касается использовании технологий на базе W-Fi, то они также в настоящий момент имеют существенные ограничения для обеспечения доступа в Интернет на высокоскоростных поездах. Сигнал Wi-Fi чувствителен к допплеровскому смещению. На практике это означает, что скорость передачи данных падает при увеличении скорости движения поезда. Помимо этого, сигнал Wi-Fi имеет свойство быстро затухать при перемещении поезда от одной точки доступа к другой. Дешевая технология Wi-Fi становится крайне дорогой для решения задачи обеспечения широкополосного соединения на высокоскоростных поездах, поскольку потребует коротких расстояний между базовыми станциями, установленными по пути следования железнодорожная состава.

Известна радиорелейная система связи для высокоскоростной железной дороги, раскрытая в международной публикации заявки PCT № WO2012097567A1 (опубл. 26.07.2012, приоритет по заявке № CN2011100205309A от 18.01.2011, англ. «High-speed railway microwave communication network»). Известная система включает множество радиорелейных приемопередатчиков, размещенных вдоль железнодорожного пути, радиорелейных приемопередатчиков, установленных на движущемся транспортном средстве, при этом упомянутые приемопередатчики образуют зону покрытия. По меньшей мере один из приемопередатчиков, установленных на транспортном средстве, ретранслирует радиосигнал между установленным вдоль железнодорожного пути устройством, входящим в зону покрытия по ходу движения транспортного средства, и внутренней сетью транспортного средства. Диапазон частот радиосигнала соответствует диапазону от 4ГГц до 42ГГц.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в обеспечении широкополосного соединения между движущимся поездом и наземным оборудованием для обмена данными с использованием сетевой модели OSI/ISO за счет радиорелейных линий связи класса «поезд-земля» со скоростями передачи информации порядка 2-10 Гигабит в секунду.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в улучшении качества канала связи, обеспечиваемого радиорелейными линиями связи класса «поезд-земля».

Первый аспект изобретения раскрывает способ обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге, в котором вдоль пути следования железнодорожного состава установлены объединенные во внешнюю сеть передачи данных базовые станции, снабженные узконаправленными антеннами и способные устанавливать связь с установленными на железнодорожном составе головными и хвостовыми радиочастотными модулями, снабженными узконаправленными антеннами и объединенными во внутреннюю сеть передачи данных, причем расположение базовых станций относительно железнодорожного габарита обеспечивает прямую видимость между антеннами базовых станций и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе, при этом способ включает этапы, на которых:

– излучают радиоволны в диапазоне коротких миллиметровых волн на антеннах базовых станций и радиочастотных модулей движущегося состава;

– устанавливают канал связи между первым головным модулем и ближайшей к нему расположенной впереди базовой станцией и канал связи между первым хвостовым модулем и ближайшей к нему расположенной позади базовой станцией;

– до проезда расположенной впереди базовой станции устанавливают канал связи между вторым головным модулем со следующей ближайшей к составу базовой станцией;

– после проезда составом базовой станции, которая была расположена впереди состава, устанавливают канал связи между вторым хвостовым модулем и этой базовой станцией;

причем радиосигналы, обмен которыми осуществляют через устанавливаемые каналы связи, обрабатывают на коммутационном оборудовании, связанном с радиочастотными модулями, и обеспечивают доступ сетевых устройств на составе к внешней сети обмена данными.

Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящего изобретения могут быть представлены в следующих частных вариантах осуществления.

В частности, антенны первого и второго головных модулей ориентированы в направлении находящихся впереди движущегося состава базовых станций, а антенны первого и второго хвостовых модулей ориентированы в направлении базовых станций, находящихся позади состава.

В частности, радиорелейные антенны базовых станций настроены на излучение волн с узкой шириной луча.

В частности, каналы связи между приемопередатчиками базовых станций и приемопередатчиками радиорелейных модулей железнодорожного состава устанавливают в режиме полного дуплекса с частотным и поляризационным разделением каналов.

В частности, излучаемые радиоволны находятся в одном из радиочастотных диапазонов, выбранных из группы V-Band, E-Band, W-Band, F-Band, D-Band.

Второй аспект изобретения раскрывает способ обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге, в котором вдоль пути следования железнодорожного состава установлены объединенные во внешнюю сеть передачи данных базовые станции, снабженные узконаправленными антеннами и способные устанавливать связь с установленными на железнодорожном составе головными и хвостовыми радиочастотными модулями, снабженными узконаправленными антеннами и объединенными во внутреннюю сеть передачи данных, причем расположение базовых станций относительно железнодорожного габарита обеспечивает прямую видимость между антеннами базовых станций и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе, при этом способ включает этапы, на которых:

– излучают радиоволны в диапазоне коротких миллиметровых волн на антеннах базовых станций и радиочастотных модулей движущегося состава;

– устанавливают каналы связи между первым головным модулем, первым хвостовым модулем и ближайшей к ним расположенной позади базовой станцией, при этом устанавливают канал связи между вторым головным модулем и ближайшей расположенной впереди базовой станцией;

– до проезда расположенной впереди базовой станции устанавливают канал связи между вторым хвостовым модулем и этой базовой станцией;

причем радиосигналы, обмен которыми осуществляют через устанавливаемые каналы связи, обрабатывают на коммутационном оборудовании, связанном с радиочастотными модулями, и обеспечивают доступ сетевых устройств на составе к внешней сети обмена данными.

Второе изобретение решает техническую задачу, решенную также первым изобретением. Частный вариант осуществления второго изобретения предполагает, что антенны первого головного и первого хвостового модуля ориентированы в направлении находящихся позади движущегося состава базовых станций, а антенны второго головного и второго хвостового модуля ориентированы в направлении базовых станций, находящихся впереди состава.

Третий аспект изобретения раскрывает систему обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге, которая включает внутреннюю и внешнюю сети обмена данными, при этом:

– внутренняя сеть объединяет установленные в задней части железнодорожного состава хвостовые радиочастотные модули, снабженные узконаправленными антеннами, установленные в передней части упомянутого состава головные радиочастотные модули, снабженные узконаправленными антеннами, и коммутационное оборудование, способное обрабатывать сигналы от упомянутых модулей и предоставлять сетевым устройствам, связанным с этим оборудованием, доступ к внешней сети обмена данными;

– внешняя сеть обмена данными объединяет базовые станции с узконаправленными антеннами, при этом базовые станции способны устанавливать связь с хвостовыми и головными радиочастотными модулями упомянутого состава и установлены вдоль пути следования железнодорожного состава таким образом, что расположение базовых станций относительно железнодорожного габарита обеспечивает прямую видимость между антеннами базовых станций и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе;

причем антенны базовых станций и установленных на составе радиочастотных модулей настроены на излучение радиоволн в диапазоне коротких миллиметровых волн.

Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящего изобретения могут быть представлены в следующих частных вариантах осуществления.

В частности, антенны первого и второго головных модулей могут быть ориентированы в направлении находящихся впереди движущегося состава базовых станций, а антенны первого и второго хвостовых модулей могут быть ориентированы в направлении базовых станций, находящихся позади состава.

В частности, антенны первого головного и первого хвостового модуля могут быть ориентированы в направлении находящихся впереди движущегося состава базовых станций, а антенны второго головного и второго хвостового модуля могут быть ориентированы в направлении базовых станций, находящихся позади состава.

В частности, базовые станции размещены на опорах контактной сети железной дороги.

В частности, базовые станции размещены на опорах между границей железнодорожного габарита и ближайших к этой границе опорах контактной сети железной дороги.

В частности, базовые станции объединены в сеть оптико-волоконной линией связи.

В частности, каждая базовая станция и каждый из установленных на железнодорожном составе радиочастотных модулей состоят из нескольких устройств, обеспечивающих коммутацию, маршрутизацию, прием и передачу радиосигналов.

Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы показал, что совокупность признаков настоящего изобретения не известна из уровня техники, следовательно, существуют основания полагать, что изобретение удовлетворяет условию патентоспособности «новизна».

При этом не было выявлено патентных или иных источников информации, в которых бы раскрывалось влияние отличительных признаков изобретения на обеспечиваемый ими технический результат, т.е. не следует для специалиста явным образом из уровня техники, следовательно, существуют основания полагать, что настоящее изобретение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение может быть реализовано на практике, будучи основанным на известных широко распространенных и перспективных технологиях, а также объективных законах физики, что свидетельствует в пользу того, что изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

В настоящем описании термин «радиочастотный модуль» преимущественно использован для указания на оборудование, установленное на железнодорожном составе. При этом следует понимать, что такой узел, как радиочастотный модуль использован также и в конструкциях базовых станций. Для исключения возможных разночтений, в описании дополнительно даны прямые указания на то, что рассматриваемый радиочастотный модуль относится именно к базовой станции. Там, где этого не сделано, следует расценивать как упоминание радиочастотного модуля как части оборудования сети передачи данных железнодорожного состава. Термин «радиочастотный модуль» указывает не на законченное отдельное устройство связи, а как на совокупность приемопередающих, маршрутизирующих, коммутирующих узлов, функционально объединенных вместе в составе одного радиочастотного модуля.

При этом в тексте дополнительно будет указано, что радиочастотный модуль включает в свой состав радиочастотный приемопередатчик. В этом случае следует понимать, что термин «радиочастотный приемопередатчик» с указанием на его свойство работать на частотах радиоволн, является составной частью хвостового или головного радиочастотного модуля, установленного на железнодорожном составе, базовой станции, установленной на опорах контактной сети.

Под термином «железнодорожный габарит» понимается предельное поперечное перпендикулярное оси железнодорожного пути очертание, внутрь которого помимо железнодорожного подвижного состава не должны попадать никакие части сооружений и устройств, а также лежащие около железнодорожного пути материалы, запасные части и оборудование, за исключением частей устройств, предназначаемых для непосредственного взаимодействия с железнодорожным подвижным составом (контактные провода с деталями крепления, хоботы гидравлических колонок при наборе воды и другие), при условии, что положение этих устройств во внутригабаритном пространстве увязано с соответствующими частями железнодорожного подвижного состава и что они не могут вызвать соприкосновения с другими элементами железнодорожного подвижного состава [ГОСТ 9238-2013 «Габариты железнодорожного подвижного состава и приближения строений»].

Под термином «V-Band» понимается диапазон радиоволн с частотами 40-75 ГГц.

Под термином «E-Band» понимается диапазон радиоволн с частотами 71-76 и 81-86 ГГц.

Под термином «W-Band» понимается диапазон радиоволн с частотами 75-110.

Под термином «F-Band» понимается диапазон радиоволн с частотами 90-140.

Под термином «D-Band» понимается диапазон радиоволн с частотами 110-170 ГГц.

Под термином «IQ-сигнал» понимается цифровой или аналоговый сигнал, представленный в форме синфазной I (англ. In-Phase), и квадратурной Q (англ. Quadrature) составляющих сигнала.

Под термином «ФАПЧ» понимается фазная автоподстройка частоты.

Под термином «PoE» понимается стандартизированная технология Power over Ethernet, в соответствии с которой одно устройство позволяет передавать другому устройству электрическую энергию вместе с данными через стандартную витую пару в сети Ethernet.

Под термином «сетевая модель OSI» понимается стандартизированная сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO. Посредством данной модели различные сетевые устройства могут взаимодействовать друг с другом. Модель определяет различные уровни взаимодействия систем. Каждый уровень (обозначен префиксом L и номером в модели) выполняет определенные функции при таком взаимодействии.

Термины “головной” и “хвостовой”, использованные в отношении радиочастотных модулей условно отражают их пространственное расположение на железнодорожном составе и употребление этих терминов зависит только от направления движения состава. При движения поезда в обратном направлении термином “головной модуль” может быть обозначен модуль, который был расположен до этого в условном хвосте состава, и наоборот, без изменения технической сущности этого узла.

Другие пояснения к настоящему изобретению, его признаки и решаемые им задачи более детально раскрыты в подробном описании вариантов его осуществления с ссылками на приложенные к настоящему описанию чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ. 1a и ФИГ. 1b иллюстрируют препятствия в канале связи «поезд-земля».

ФИГ. 1c иллюстрирует схему организации канала связи «поезд-земля».

ФИГ. 2 и ФИГ. 3 иллюстрируют функциональные блок-схемы радиочастотного приемопередатчика и маршрутизирующего модуля для головного, хвостового радиочастотного модуля и базовой станции.

ФИГ. 4a и ФИГ. 4b иллюстрируют блок-схемы способов обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге.

ФИГ. 5a иллюстрирует вариант размещения базовой станции на опоре контактной сети.

ФИГ. 5b, ФИГ. 5c, ФИГ. 5d иллюстрируют расчетные графики для первой зоны Френеля при распространении радиоволны вдоль железнодорожного полотна.

ФИГ. 6 иллюстрирует график уровня принимаемого сигнала для приемников, установленных на железнодорожном составе.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описание вариантов осуществления изобретения может быть использовано в качестве примера для лучшего понимания его сущности и изложено со ссылками на фигуры. При этом приведенные ниже подробности призваны не ограничить сущность изобретения, а лишь сделать его более ясным.

В основу изобретения положена технология обеспечения радиорелейной связи, которая позволяет передавать данные на большие расстояния с повышенной пропускной способностью устанавливаемого канала связи. Для того чтобы сделать возможной передачу данных с лучшей пропускной способностью, в изобретении введены базовые станции, расположенные вблизи железнодорожного габарита вдоль пути следования железнодорожного состава. По регламенту, принятому на железной дороге, пространство внутри железнодорожного габарита всегда является свободным. Такое расположение базовых станций позволяет обеспечить прямую видимость между их антеннами и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе.

Поскольку требуемая скорость передачи информации порядка 10 Гигабит в секунду требует наличия свободных частотных полос с шириной порядка нескольких гигагерц, то технически это может быть реализовано только в миллиметровом диапазоне длин волн. При этом необходимо соблюсти прямую видимость, что обусловлено характером распространения волн миллиметрового диапазона длин волн. При этом важным является требование обеспечения свободной зоны в пределах первой зоны Френеля при распространении радиоволны. Первая зона Френеля в пространстве занимает объем, являющийся эллипсом вращения, внутри которого сосредоточена вся полезная передаваемая информация. ФИГ. 1a иллюстрирует случай, в котором вдоль пути следования железнодорожного состава 101 установлены базовые станции 102 на отдельных мачтах. При распространении волны в объем, соответствующий первой зоне Френеля, непременно попадают препятствия 103, которые имеют естественный (ландшафт, лесной покров) либо техногенный (здания, железнодорожная инфраструктура, мосты, тоннели) характер. При этом в случае отсутствия очевидных препятствий 103, возникающих на пути распространения волны, прямая видимость для базовых станций 102, установленных за пределами расстояний, на которых расположены опоры 104 инфраструктуры высоковольтного питания железнодорожного пути, будет ограниченна самими опорами 104 этой инфраструктуры. ФИГ. 1b иллюстрирует эффект перекрытия прямой видимости от отдельно стоящей базовой станции 102 на движущийся состав 101. Указанный эффект будет тем больше, чем дальше состав 101 проходит от базовой станции 102 и чем меньше угол зрения от базовой станции 102 на железнодорожный путь. В этом случае ряд опор 104 высоковольтной инфраструктуры визуально сливается в перспективе в сплошную преграду.

В конструкциях базовых станций 102 применены антенны, способные излучать радиоволны в миллиметровом диапазоне. Как известно, миллиметровые волны входят в диапазон радиоволн с длиной волны от 10 мм до 1 мм, что соответствует частоте от 30 ГГц до 300 ГГц. По сравнению с более низкочастотными диапазонами, радиоволны миллиметрового диапазона характеризуются меньшими длинами волн. Это позволяет обеспечить улучшенную дальность и качество радиосвязи на больших расстояниях в условиях работы внутри коридора, образованного опорами 104 инфраструктуры подвеса высоковольтного силового провода, поскольку упомянутая первая зона Френеля занимает объем, который при уменьшении длин волн становится более компактным. Устранение соприкосновения радиоволны с препятствиями 103, имеющимися на траектории ее распространения, позволяет существенно снизить вероятность потери полезной нагрузки сигнала. В этом смысле целесообразно применение как можно более коротких длин волн. Однако следует учитывать тот факт, что препятствием для распространения коротких радиоволн могут являться погодные условия. Как известно, радиоволны миллиметрового диапазона длин волн хорошо проходят через туман, поэтому применение более коротких радиоволн, например, видимого света, которые эффективно затухают в тумане, не целесообразно. С этой точки зрения наиболее оптимальным выглядит применение рабочих частотных диапазонов V-Band, E-Band, W-Band, F-Band, D-Band, для которых с одной стороны разработаны коммерческие решения, а с другой стороны волны в этих диапазонах беспрепятственно проходят через туман.

Помимо этого, используемые в базовых станциях 102 антенны имеют узкую направленность луча. Все антенны ориентированы либо в направлении движения железнодорожного состава 101, либо в противоположном направлении: на его голову или хвост. В настоящем изобретении не использованы антенны, которые способны излучать радиоволны в иных направлениях, кроме пути следования состава, как это обычно бывает при применении технологий LTE или WiFi. Узкая диаграмма направленности используемых антенн обеспечивают значительную концентрацию излучения в одном заданном направлении. Благодаря сфокусированной, узкой ширине луча в этом направлении достигается большая дистанция, на которой эффективным образом может быть установлена радиосвязь. Узкая ширина луча позволяет осуществлять более точное излучение радиосигнала в направлении железнодорожного состава 101. Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение относительной напряженности поля, излучаемого или принимаемого антенной. Помимо этого, расположения базовых станций вблизи железнодорожного габарита приводит к тому, что узконаправленный луч распространяется без касания железнодорожной инфраструктуры и интерференции с ней.

Другим существенным отличием изобретения является применение радиочастотных модулей, размещенных в задней и передней частях железнодорожного состава. Это необходимо для того, чтобы обеспечить гарантированное качество сетевого соединения между пользовательскими устройствами и внешней сетью передачи данных. Так, возможны случаи, когда канал связи может быть разорван между головным модулем и базовой станцией или, когда канал связи может быть разорван между хвостовым модулем и базовой станцией. Однако случай, в котором происходит прерывание сразу двух каналов связи с участием разных радиочастотных модулей одномоментно крайне маловероятен или даже почти невозможен.

Рекомендованное расстояние между базовыми станциями, при котором с большей долей вероятности обеспечивается постоянный канал связи со скоростью номиналом в 10 Гбит/с, составляет величину, равную 2 км. Однако, как уже было отмечено, это является более эффективной альтернативой, нежели установление каналов связи между движущимся составом и базовой станцией, поддерживающей технологии LTE или Wi-Fi. К примеру, в случае с Wi-Fi расстояния между базовыми станциями будут равными нескольким десяткам метров для обеспечения надежного канала связи. Стоимость одной единицы радиорелейного оборудования превышает стоимость одной единицы точки доступа Wi-Fi, но при этом на больших расстояниях применение технологий радиорелейной связи становится более экономически эффективным, менее требовательным к техническому обслуживанию и более надежным. Стоит отметить, что во всех случаях стоимость работ по монтированию оборудования вдоль железной дороги достаточно высока. При этом экономически более выгодной становится та технология, которая позволяет решить задачу обеспечения высокоскоростной связи при помощи меньшего количества единиц оборудования, в частности, базовых станций.

При этом следует отметить, что предлагаемые способ и система не требуют возведения сложной громоздкой инфраструктуры. Особенность проектирования железнодорожных путей состоит в том, что на протяжении длительных участков дороги установлены контактные опоры сети, которые принимают на себя нагрузку от кабелей, протяженных вдоль железной дороги и на которых смонтировано специальное коммутационное оборудование. Заявленное изобретение использует эту особенность и предполагает размещение радиорелейных базовых станций на опорах контактной сети.

Наибольшую дальность передачи данных, со скоростью до 10 Гбит/сек, но не ограничиваясь этим значением, настоящее изобретение способно обеспечивать на прямолинейных высокоскоростных участках железной дороги, которые являются перспективным направлением развития железнодорожного сообщения в России, активно вводятся в эксплуатацию в странах Европы, Японии, Китае и во многих других развитых странах мира. Следует отметить, что поезда, следующие по таким железным дорогам, способны развивать скорости вплоть до 300-400 км/час, что еще сильнее затрудняет использование технологий LTE и WiFi для обеспечения связи с поездом.

В соответствии с ФИГ. 1c, железнодорожный состав 101 движется по высокоскоростному участку железной дороги. Вдоль пути следования состава 101 размещены опоры контактной сети 104. На каждой или на некоторых опорах 104 могут быть смонтированы радиорелейные базовые станции 102. Расстояние между базовыми станциями 102 выбирают, исходя из особенностей рельефа, типичный погодных условий местности, наличия или отсутствия естественных преград. Например, базовые станции 102 могут быть размещены каждые 1 км, 2 км, 3 км, но не ограничиваются лишь этими примерными расстояниями друг от друга. Предпочтительно расстояние между базовыми станциями выбирают таким образом, чтобы при установлении связи между ними и радиочастотными модулями состава 101 было соблюдено условие прямой видимости, т.е. препятствия различной природы не попадали в первую зону Френеля. Базовые станции 102 размещают на примерно одинаковом расстоянии друг от друга либо на разном расстоянии, выбранном из группы упомянутых выше примерных расстояний.

Каждая базовая станция 102 содержит в своем составе один или несколько радиомодулей. Радиомодуль состоит из радиочастотного приемопередатчика с узконаправленной антенной и, возможно, маршрутизирующего модуля. В случае если в составе базовой станции 102 содержится несколько радиомодулей, то они могут быть включены в вычислительную сеть и обслуживаться одним общим для них маршрутизирующим модулем, который может являться как составной, так и внешней частью для такого радиомодуля, в том числе, быть частью другого радиомодуля, входящего в состав той же базовой станции. Базовые станции 102 соединены оптико-волоконной линией связи посредством коммутаторов 105, обеспечивающих сетевое подключение к магистральной инфраструктуре оператора связи 106. Предпочтительно коммутаторы выбирают таким образом, чтобы они могли поддерживать максимальную скорость передачи данных, поддерживаемую радиомодулями. В частных случаях сетевые интерфейсы (порты) каждого коммутатора поддерживают пропускную способность обмена данными с номинальным значением 10 Гбит/сек либо коммутаторы поддерживают возможность увеличения своей пропускной способности кратно увеличению нагрузки, которая поступает от приемопередатчиков радиомодулей. Соединение совокупности узлов 102, 105, 106 образует внешнюю сеть передачи данных.

В головной части железнодорожного состава 101 установлены по меньшей мере два головных радиочастотных модулей 107, в задней части состава 101 установлены по меньшей мере два хвостовых радиочастотных модуля 108. Модули 107 и 108 объединены во внутреннюю сеть передачи данных состава 101. Эта сеть дополнительно включает установленное внутри вагонов состава 101 сетевое коммутационное оборудование, способное обрабатывать, преобразовывать, обмениваться данными с модулями 107 и 108. Упомянутое оборудование обеспечивает беспроводные или проводные точки доступа для подключения пользовательских устройств пассажиров состава 101 или служебных сетевых устройств, например, камер видеонаблюдения. При следовании по маршруту состав 101 всегда оказывается между двумя базовыми станциями 102, расположенными непосредственно впереди и позади состава 101. В одном из вариантов осуществления головной модуль 107 устанавливает канал связи 109 с ближайшей к нему размещенной впереди базовой станцией 102, а хвостовой модуль 108 устанавливает канал связи 109 с ближайшей к нему размещенной позади базовой станцией 102. Однако возможны частные варианты, в которых радиочастотные модули 107, 108 сконфигурированы таким образом, чтобы быть способными подключаться к базовым станциям 102, расположенным как впереди, так и позади состава 101, одновременно или попеременно.

Агрегированный канал связи «поезд-земля» позволяет решить следующие задачи передачи коммерческого, служебного сетевого трафика:

– обеспечить доступ к высокоскоростному подключению к сети Интернет;

– обеспечить доступ к аудиовизуальному медиа-контенту из удаленных сетевых хранилищ, в том числе, к информации о достопримечательностях на пути следования состава 101;

– обеспечить возможность для пассажиров загружать видео- и графические материалы, созданные в дороге, в социальные сети.

Помимо этого, канал связи «поезд-земля» позволяет воспользоваться следующими преимуществами передачи служебного сетевого трафика:

– обеспечить удаленное централизованное видеонаблюдение за ситуацией в вагонах, детектировать происшествия, например, случаи возгорания;

– обеспечить передачу в режиме реального времени параметров систем управления поездом в центральное управление дороги, произвести обратную связь, например, реагирование на событие путем вызова функции удаленного экстренного торможения.

В соответствии с ФИГ. 2, хвостовой, головной радиочастотный модуль и базовая станция содержат радиочастотные приемопередатчики 200. Радиочастотный приемопередатчик 200 включает передающий тракт, реализованный на микросхеме передатчика, на которую напаяны корректор 201 IQ-сигналов, конвертер 202 IQ-сигналов в миллиметровый диапазон. Приемный тракт связан с диплексером 203. Диплексер 203 связан с приемным трактом, реализованным на микросхеме приемника, на которую напаяны конвертер 204 IQ-сигналов из миллиметрового диапазона, усилитель 205 IQ-сигналов. Диплексер 203 соединяет передающий и приемный тракты между собой.

Один из входов усилителя 202 связан с выходом синтезатора частот 206 с ФАПЧ сигналов гетеродина передающего тракта. Один из входов конвертера 204 связан выходом синтезатора частот 207 с ФАПЧ сигналов гетеродина приемного тракта. Входы синтезаторов частот 206 и 207 связаны с выходами синтезатора 208 частоты связанного с ним опорного кварцевого генератора 209.

Синтезаторы частот 206 и 207 способны перестраивать рабочую частоту по команде блока управления 210. Блок фильтрации питания 211 обеспечивает блоки приемопередатчика отфильтрованным электропитанием

В качестве микросхем, на которых в совокупности реализован приемопередатчик, предпочтительно используют микросхемы Analog Devices поверхностного монтажа с волноводными входами и выходами без необходимости применения волноводно-полосковых переходов.

На цифровой вход радиочастотного приемопередатчика 200 поступают синфазная и квадратурная составляющие информационного радиосигнала. В корректоре 201 происходит выравнивание параметров составляющих сигнала так, чтобы компенсировать неидентичность их трактов. Сигнал поступает на передающий тракт, в котором происходит перенос информационного сигнала в радиочастотный диапазон E-band на конвертере 202. Диплексер 203 соединяет передающий и приемный тракты с антенным входом/выходом, одновременно гальванически развязывая их между собой. В приемном тракте происходит преобразование сигнала радиочастотного диапазона E-band в синфазную и квадратурную составляющие информационного сигнала на конвертере 204. В усилителе 205 происходит увеличение уровня составляющих сигнала для их последующей передачи на модем.

Применение независимой подстройки каждого из I/I`/Q/Q` каналов позволяет формировать выходной спектр высокого качества без просачивания гетеродина на выход передатчика. Цифровая регулировка выходной мощности передатчика и коэффициента усиления приемника позволяет использовать радиорелейный мост как на предельно дальних дистанциях, так и на коротких.

Регулировка частоты работы приемопередатчика 200 позволяет работать во всей выделенной полосе частот от 71 ГГц до 76 ГГц и от 81 ГГц до 86 ГГц. Высокая степень интеграции позволяет поместить его в корпус с небольшими габаритами, как законченное устройство, снабженное интерфейсами данных IQ, питания и управления SPI, собранные в один разъем. Полоса частот передаваемого сигнала регулируется от 64,5 МГц до 2 ГГц. Низкий фазовый шум гетеродина позволяет использовать следующие типы модуляций: BPSK, QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM. Выходная мощность составляет не менее 22 дБм. Коэффициент шума приемника не более 5 дБ. При использовании совместно с Base-Band модемом 10GbE приемопередатчик 200 позволяет обеспечить радиорелейный канал связи «точка–точка» со скоростью передачи информации до 10 гигабит в секунду.

В соответствии с ФИГ. 3, хвостовой, головной радиочастотный модуль и базовая станция может содержать маршрутизирующие модули 300. В маршрутизирующий модуль 300 включены последовательно связанные блок модема 301, Host-контроллер 302, блок коммутатора 303. Блок коммутатора связан с интерфейсами передачи данных, которые представлены оптическими интерфейсами 10GbE SFP+ 304, и с узлами 1GbE PHY 305. Каждый из узлов 305 связан с узлами медных интерфейсов 306. Блок коммутатора 303 также связан с узлом оперативной памяти DDR3 307 и с узлом памяти NAND FLASH 312. Блок модема 301 и блок коммутатора 303 также связаны с цифровым узлом PLL 309. Питание маршрутизирующего модуля обеспечено блоком питания 310. Блок питания 310 выполнен с поддержкой PoE и связан с узлом PoE 311. Несмотря на то, что на ФИГ. 3 не указана в явном виде связь блока питания 310 с другими блоками и узлами модуля, помимо узла PoE 311, следует понимать, что блок питания обеспечивает питанием все блоки и узлы, которые того требуют. В различных вариантах осуществления блок питания 310 может обеспечивать питанием иные устройства и узлы, не являющиеся частями маршрутизирующего модуля. При этом блок питания 310, блок модема 301 и блок коммутатора 303 смонтированы на одной общей плате. Это обеспечивает компактность устройству и возможность его выполнения в виде моноблока в едином герметичном корпусе.

Блок модема 301 реализован на цифровом сигнальном процессоре SoC MaxLinear, позволяющем реализовать исчерпывающий перечень функций цифровой обработки для обеспечения обмена сигналами с радиочастотным приемопередатчиком. Поскольку предполагается, что радиорелейный модуль с использованием маршрутизирующего модуля, предназначен для применения вне помещений, например, на крыше зданий, то выбор такого многофункционального процессора является оправданным для того, чтобы снизить требования к обслуживанию, периодичности замены комплектующих.

Для обеспечения возможности использования маршрутизирующего модуля в радиорелейных линиях связи, программные инструкции блока модема 301 могут быть способны реализовать одну или несколько из следующих опций:

– алгоритм компенсации нелинейности передающего тракта Predistortion, который позволяет добиться высокой выходной мощности приемопередатчика на высоких модуляциях (128-QAM);

– алгоритм исправления ошибок в сигналах FEC, который позволяет улучшить показатель чувствительности приемника при определенных BER;

– алгоритм адаптивной модуляции и полосы ACMB, который позволяет автоматически подстраивать режим работы радио к погодным условиям, тем самым увеличивая коэффициент доступности радиорелейной линии связи.

Host-контроллер 2 снабжен программными инструкциями для управления установленным в блоки модема и коммутатора программным обеспечением, обеспечения микроклимата внутри корпуса модуля, журналирования программной активности модуля и обеспечения графического интерфейса администрирования.

Блок коммутатора 303 реализован на сетевом процессоре с внутренней шиной, способной обрабатывать данные на скорости до 120 гигабит в секунду. Примером такого процессора может являться процессор операторского класса Marvell. В отсутствие такой производительности обработки данных использование маршрутизирующего модуля будет затруднено или почти невозможно в случае использования для радиорелейной линии связи. Блок коммутатора 303 снабжен программными инструкциями для поддержки протоколов выше второго уровня сетевой модели OSI. В частном варианте осуществления блок модема способен поддерживать реализацию протоколов уровня L2+ модели OSI, т.е. функции второго уровня и выше – коммутации и маршрутизации пакетов с поддержкой VLAN (англ. «Virtual Local Area Network»), QoS (англ. «Quality of Service»). В других частных вариантах осуществления упомянутый процессор позволяет выполнять программные инструкции для поддержки протоколов уровней L3-L4. Это делает модуль масштабируемым и гибко конфигурируемым.

Головной, хвостовой радиочастотный модуль, базовая станция выполнены в едином герметичном корпусе радиорелейного модуля, в котором заключены радиочастотный приемопередатчик 200 и маршрутизирующий модуль 300. Возможно, что оба устройства выполнены на общей для них плате. Помимо упомянутых устройств радиочастотный модуль может включать дополнительные узлы, необходимые для его работы. Возможность работы через PoE исключает необходимость подведения силовых кабелей к модулю. Вся конструкция в сборе может получать питание через Ethernet-кабель («витая пара»). Это позволяет упростить и удешевить монтаж и конфигурирование конструкции.

В соответствии с ФИГ. 4a, способ обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге осуществляют следующим образом.

На этапе 401 излучают радиоволны в диапазоне коротких миллиметровых волн на антеннах базовых станций (БС) 104 и радиочастотных (РЧ) модулей 107 и 108 движущегося состава 101. Радиорелейные антенны базовых станций 102 сконфигурированы таким образом, чтобы излучать волны с узкой шириной луча. При этом антенны характеризуются узкими диаграммами направленности. Несмотря на то, что этап 401 в последовательности действий способа указан первым, следует понимать, что излучение радиоволн с антенн оборудования состава 101 и базовых станций 102 осуществляется непрерывно, вне зависимости от того, находится ли состав 101 в зоне покрытия, обеспечиваемой базовыми станциями 102 и, по существу, одновременно с остальными действиями в способе. Излучение радиоволн с антенн модулей 107 и 108 может быть осуществлено как для поиска ближайшей базовой станции 102, так и для обмена радиосигналами с полезной нагрузкой.

На этапе 402 устанавливают по меньшей мере один канал связи между головным модулем 107 и ближайшей к нему расположенной впереди базовой станцией 102, при этом устанавливают по меньшей мере один канал связи между хвостовым модулем 108 и ближайшей к нему расположенной позади базовой станцией 102. Количество устанавливаемых каналов связи определяется в зависимости от количества хвостовых, головных радиочастотных модулей 107, 108 и радиомодулей в составе базовых станций 102. Несколько каналов связи может быть установлено в частности, для их резервирования, чтобы в случае разрыва одного из каналов связи перевести сетевой трафик на резервный канал, либо для кратного увеличения скорости передачи данных.Каналы связи между базовыми станциями 102 и модулями 107, 108 работают в режиме полного дуплекса с частотным разделением каналов по методу FDD (англ. «Frequency Division Duplex»).

Для того чтобы обеспечить непрерывность соединения при преодолении каждой последующей базовой станции применяют метод бесшовного роуминга, который в настоящем изобретении постоянно реализуется на этапах 403 и 404.

На этапе 403 незадолго до проезда составом расположенной впереди базовой станции 102 устанавливают по меньшей мере один канал связи 109 между головным модулем 107 и следующей ближайшей к нему базовой станцией 102.

На этапе 404 после проезда составом, а именно, его хвостовой частью, базовой станции, которая была расположена впереди, устанавливают по меньшей мере один канал связи 109 между хвостовым модулем 108 и упомянутой базовой станцией 102.В одном варианте осуществления антенны каждого из головных модулей ориентированы вперед, по существу в том же направлении, что и движение поезда, а антенны каждого из хвостовых модулей ориентированы, соответственно, назад. В этом варианте при переключении каналов связи 109 один из головных модулей 107 (резервный) начинает работать со следующей ближайшей к нему базовой станцией 102, а один из головных модулей 107 (основной) продолжает работать с ближайшей базовой станцией до момента пересечения ее головной частью состава 101. Аналогичным образом может быть осуществлено переключение каналов связи между хвостовыми модулями 108 и базовыми станциями 102. Так, один из хвостовых модулей 108 (резервный) после проезда базовой станции 102, которая до проезда была расположена впереди, начинает работать с этой станцией, а один из хвостовых модулей 108 (основной) продолжает работать с предыдущей базовой станцией 102.

Частотный план составлен так, чтобы соседние отрезки дистанции между базовыми станциями 102 имели разные частоты и/или разную поляризацию: четные отрезки с одним частотным планом и/или поляризацией, нечетные с другим частотным планом и/или поляризацией. Также разделены по частоте и поляризации резервные и основные радиомодули, как головные 107, так и хвостовые 108. Таким образом обеспечивается одновременная работа основного и резервного модуля без их взаимного влияния на участках в непосредственной близости к базовым станциям 102, хотя и весьма короткое время. Головной 107 и хвостовой модули 108 попеременно работают, то в одном частотном плане и поляризации, находясь на четных участках дистанции, то в другом, находясь на нечетном участке дистанции. Лишь незадолго до приближения поезда к базовой станции 102 и резервный и основной модули 107, 108 могут работать одновременно. Переключение маршрута трафика с одной базовой станции на следующую происходит по существу мгновенно, так как канал связи со следующей базовой станцией уже установлен и готов к передаче трафика на момент, пока поезд еще не проехал текущую базовую станцию 102.

Рассмотрим пример переключения каналов связи между базовыми станциями 102 и модулями 107, 108. На определенном участке железной дороги состав 101 находится между первой и второй базовыми станциями 102, находящимися в непосредственной близости к составу. Поскольку головная часть состава 101 и его хвостовая часть пересекает вторую базовую станцию не одновременно, а с некоторой задержкой, то на короткое время переключения головного модуля 107 на третью базовую станцию 102 связь будет обеспечиваться через канал связи между хвостовым модулем 108 и первой базовой станцией 104. А затем, когда уже установится связь между головным модулем 107 и третьей базовой станцией 102, наступит момент переключения хвостового модуля 108 на вторую базовую станцию 102. Таким образом в основное время следования состава между базовыми станциями задействованы оба канала и трафик агрегируется. Лишь в короткие и не одновременные моменты переключения головных 107 или хвостовых модулей 108, задействован один канал связи, хвостовой или головной, соответственно.

Этапы 403 и 404 осуществляют циклически до тех пор, пока состав 101 не проедет последнюю базовую станцию 102, к которой могли бы подключиться модули 107, 108 на пути следования состава 101.

В соответствии с ФИГ. 4b, в другом варианте осуществления антенна первого головного модуля 107 и антенна первого хвостового модуля 108 ориентированы назад, по существу в том же направлении, что и движение поезда. Антенны вторых радиомодулей в парах 107 и 108 ориентированы, соответственно, вперед. На этапе 405, следующим в этом случае за этапом 401, устанавливают канал связи между первым головным модулем и базовой станцией, расположенной позади состава 101, и первым хвостовым модулем 108 и той же базовой станцией 102. Одновременно с этим устанавливают канал связи между вторым головным модулем 107 и ближайшей базовой станцией 102, расположенной впереди состава 101. Перед первым переключением каналов связи первые модули 107 и 108 подключены к одной и той же базовой станции 102, расположенной позади состава 101, а второй головной модуль 107 подключен в базовой станции, расположенной впереди. При приближении к этой базовой станции 102, второй головной модуль 107 незадолго до ее проезда головой состава направляет сигнал на второй хвостовой модуль 108 с требованием подключиться к этой же базовой станции 102. Когда состав 101 проезжает находящуюся впереди базовую станцию, первый головной модуль 107, чья антенна ориентирована назад, устанавливает канал связи с ней, а первый хвостовой модуль 108, чья антенна также ориентирована назад, продолжает работать с предыдущей базовой станцией до тех пор, пока не удастся установить канал связи со следующей базовой станцией 102, что произойдет после ее проезда хвостом состава 101. Второй хвостовой модуль 108 после проезда хвостом состава базовой станции 104, с которой у него установлен канал связи, переходит к ожиданию требования подключиться к следующей базовой станции 102. В этом варианте осуществления расстояния между первыми и вторыми модулями 107, 108 и базовыми станциями составляют меньшую величину, нежели в варианте осуществления, представленном выше.

Перед вторым переключением каналов связи первый головной модуль 107 и первый хвостовой модуль 108, чьи антенны ориентированы назад, повторили этап 405 и работают с базовой станцией 102, расположенной позади состава, второй головной модуль 107, чья антенна ориентирована вперед, повторил этап 406 и работает с ближайшей к нему базовой станцией 102. Незадолго до ее проезда головой состава второй хвостовой модуль 108, чья антенна также ориентирована вперед, повторяет этап 407, и подключается к базовой станции, с которой уже работает второй головной модуль 107.

Перед каждым последующим переключением канал связи аналогичным образом модули 107, 108 повторяют этапы 405, 406, 407 до тех пор, пока состав 101 не проедет последнюю базовую станцию 102, к которой по меньшей мере один из упомянутых модулей мог бы подключиться на пути следования состава 101.

На этапе 408 на коммутационном оборудовании внутренней сети передачи данных состава 101 обрабатывают сигналы от модулей 107, 108 и обеспечивают доступ пользовательских устройств к внешней сети обмена данными. Следует отметить, что этап 408 не является следующим этапом после окончания выполнения этапа 404, а осуществляется параллельно с этапами 402, 403, 404 в соответствии с блок-схемой, представленной на ФИГ. 4а. Этап 408 также осуществляется параллельно с этапами 405, 406, 407 в соответствии с блок-схемой, представленной на ФИГ. 4b.

ФИГ. 5a иллюстрирует расположение базовых станций 102, установленных на опорах 104 высоковольтной инфраструктуры, на определенном расстоянии от центральной оси железнодорожного габарита 501. Рассмотрим случаи, в которых расстояния между базовой станцией 102 и осью 501 различны.

ФИГ. 5b, ФИГ. 5c, ФИГ. 5d иллюстрируют графическое изображение первой зоны Френеля при распространении радиоволны вдоль железнодорожного полотна, где на горизонтальной оси отмечены значения для расстояния между радиопередатчиком и радиоприемником, на вертикальной оси отмечены значения для расстояний между центром железнодорожного полотна и опорами контактной сети, при этом на вертикальной оси 0 – центральная ось 501 железнодорожного полотна, линия 502, проходящая через значение -3,3 м, указывает на расположение столбов контактной сети относительно оси 501. Направлению луча от приемника (точка на правой вертикальной границе графика) к передатчику (точка на левой вертикальной границе графика) соответствует линия 502. Первая зона Френеля представляет собой эллипс, ограниченный на графике линиями 504. Наилучшая стабильность сигнала и качество его передачи достигается в том случае, когда в первую зону Френеля не попадает никаких препятствий, то есть граница 504 этой зоны не должна касаться или пересекать линию 502, проходящую через значение -3,3 м, на которой расположены опоры контактной сети.

ФИГ. 5b иллюстрирует случай расчета первой зоны Френеля, в котором антенна базовой станции размещена в предельной близости к габариту, на расстоянии 1,8 м от центральной оси 501. При этом обеспечивается предельная дальность связи без интерференции с опорами высоковольтной инфраструктуры. Из графика видно, что она составляет приблизительно 4.5 км, т.е. на этом расстоянии между приемником и передатчиком соблюдается условие прямой видимости.

ФИГ. 5c иллюстрирует случай расчета первой зоны Френеля, в котором антенна базовой станции размещена на расстоянии 2,6 м от центральной оси 501. При этом расстояние между приемником и передатчиком, на котором первая зона Френеля подходит предельно близко к столбам инфраструктуры, соответствует 2 км.

ФИГ. 5d иллюстрирует случай расчета первой зоны Френеля, в котором антенна базовой станции размещена предельно близко к опорам инфраструктуры, на расстоянии 3,0 м от центральной оси 501. Максимальное расстояние, на котором первая зона Френеля остаётся свободной составляет порядка 500 метров.

Представленные выше расчетные значения для зоны Френеля могут быть использованы при выборе расстояний между базовыми станциями вдоль пути следования железнодорожного состава.

ФИГ. 6 иллюстрирует уровень принимаемого сигнала для радиочастотных модулей состава. Вертикальная ось соответствует значению уровня принимаемого сигнала в дБм, горизонтальная ось соответствует расстоянию в километрах между базовыми станциями. Линия 601 на графике отражает уровень сигнала между хвостовым модулем 108 и базовой станцией, находящейся позади состава 101. Линия 602 на графике отражает уровень сигнала между головным модулем 107 и базовой станцией, находящейся впереди состава 101.

Линия 601 характеризует постепенное волнообразное снижение уровня сигнала при удалении состава 101 от находящейся позади базовой станции 102. Линия 602 характеризует постепенное волнообразное увеличение уровня сигнала при приближении к базовой станции 102, находящейся впереди. Синусоидальный характер может быть обусловлен сложением основного сигнала и сигнала, отраженного от поверхности земли. Характер графика соответствует теоретическим расчетам.

Представленные выше варианты осуществления призваны проиллюстрировать решение следующих частных технических задач:

– обеспечение скорости в канале связи класса “поезд-земля” номиналом в 10 Гбит/сек за счет использования радиоволн в коротком миллиметровом диапазоне волн;

– соблюдение условия прямой видимости между базовыми станциями, расположенными на пути следования состава, и радиочастотными модулями, установленными на составе, что необходимо для обеспечения их работы в коротком миллиметровом диапазоне;

– соблюдение нормативных требований к возведению железнодорожной инфраструктуры, касающихся запрета установки стороннего оборудования в пределах железнодорожного габарита, за счет установки базовых станций вблизи железнодорожного габарита;

– исключение препятствий для миллиметровых волн при их распространения вдоль железнодорожной инфраструктуры за счет уменьшения первой зоны Френеля;

– обеспечение работы в коммерчески развитых диапазонах V-Band, E-Band, W-Band, F-Band, D-Band за счет использования соответствующей компонентной базы для базовых станций и радиочастотных модулей.

Следует понимать, что представленные выше варианты осуществления изобретения только поясняют его сущность и не должны быть истолкованы как ограничивающие. Изобретение может быть дополнено иными деталями, свойствами, модификациями без отклонения от его сущности, выраженной независимыми пунктами формулы и уточненной зависимыми пунктами.

Изобретение относится к средствам обеспечения связи на высокоскоростной железной дороге. Система включает внутреннюю и внешнюю сети обмена данными. Внутренняя сеть объединяет установленные в задней части железнодорожного состава хвостовые радиочастотные модули, снабженные узконаправленными антеннами, головные радиочастотные модули, установленные в передней части упомянутого состава и снабженные узконаправленными антеннами, коммутационное оборудование, способное обрабатывать сигналы от упомянутых модулей и предоставлять сетевым устройствам, связанным с этим оборудованием, доступ к внешней сети обмена данными. Внешняя сеть обмена данными объединяет базовые станции с узконаправленными антеннами, при этом базовые станции способны устанавливать связь с хвостовыми и головными радиочастотными модулями упомянутого состава, при этом расположение базовых станций относительно железнодорожного габарита обеспечивает прямую видимость между антеннами базовых станций и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе. Антенны базовых станций, установленные на составе радиочастотных модулей, настроены на излучение радиоволн в диапазоне коротких миллиметровых волн. Достигается повышение качества канала связи, обеспечиваемого радиорелейными линиями связи класса «поезд-земля». 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге, в котором вдоль пути следования железнодорожного состава установлены объединенные во внешнюю сеть передачи данных базовые станции, снабженные узконаправленными антеннами и способные устанавливать связь с установленными на железнодорожном составе головными и хвостовыми радиочастотными модулями, снабженными узконаправленными антеннами и объединенными во внутреннюю сеть передачи данных, причем расположение базовых станций относительно железнодорожного габарита обеспечивает прямую видимость между антеннами базовых станций и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе, при этом способ включает этапы, на которых:

– излучают радиоволны в диапазоне коротких миллиметровых волн на антеннах базовых станций и радиочастотных модулей движущегося состава;

– устанавливают канал связи между первым головным модулем и ближайшей к нему расположенной впереди базовой станцией и канал связи между первым хвостовым модулем и ближайшей к нему расположенной позади базовой станцией;

– до проезда расположенной впереди базовой станции устанавливают канал связи между вторым головным модулем со следующей ближайшей к составу базовой станцией;

– после проезда составом базовой станции, которая была расположена впереди состава, устанавливают канал связи между вторым хвостовым модулем и этой базовой станцией;

причем радиосигналы, обмен которыми осуществляют через устанавливаемые каналы связи, обрабатывают на коммутационном оборудовании, связанном с радиочастотными модулями, и обеспечивают доступ сетевых устройств на составе к внешней сети обмена данными.

2. Способ по п.1, в котором антенны первого и второго головных модулей ориентированы в направлении находящихся впереди движущегося состава базовых станций, а антенны первого и второго хвостовых модулей ориентированы в направлении базовых станций, находящихся позади состава.

3. Способ по п.1, в котором антенны базовых станций настроены на излучение волн с узкой шириной луча.

4. Способ по п.1, в котором каналы связи между базовыми станциями и установленными на железнодорожном составе модулями устанавливают в режиме полного дуплекса с частотным и поляризационным разделением каналов.

5. Способ по п.1, в котором излучаемые радиоволны находятся в одном из радиочастотных диапазонов, выбранных из группы V-Band, E-Band, W-Band, F-Band, D-Band.

6. Способ обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге, в котором вдоль пути следования железнодорожного состава установлены объединенные во внешнюю сеть передачи данных базовые станции, снабженные узконаправленными антеннами и способные устанавливать связь с установленными на железнодорожном составе головными и хвостовыми радиочастотными модулями, снабженными узконаправленными антеннами и объединенными во внутреннюю сеть передачи данных, причем расположение базовых станций относительно железнодорожного габарита обеспечивает прямую видимость между антеннами базовых станций и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе, при этом способ включает этапы, на которых:

– излучают радиоволны в диапазоне коротких миллиметровых волн на антеннах базовых станций и радиочастотных модулей движущегося состава;

– устанавливают каналы связи между первым головным модулем, первым хвостовым модулем и ближайшей к ним расположенной позади базовой станцией, при этом устанавливают канал связи между вторым головным модулем и ближайшей расположенной впереди базовой станцией;

– до проезда головы состава расположенной впереди базовой станции устанавливают канал связи между вторым хвостовым модулем и этой базовой станцией;

причем радиосигналы, обмен которыми осуществляют через устанавливаемые каналы связи, обрабатывают на коммутационном оборудовании, связанном с радиочастотными модулями, и обеспечивают доступ сетевых устройств на составе к внешней сети обмена данными.

7. Способ по п.6, в котором антенны первого головного и первого хвостового модуля ориентированы в направлении находящихся позади движущегося состава базовых станций, а антенны второго головного и второго хвостового модуля ориентированы в направлении базовых станций, находящихся впереди состава.

8. Система обеспечения высокоскоростной связи на высокоскоростной железной дороге, которая включает внутреннюю и внешнюю сети обмена данными, при этом внутренняя сеть объединяет установленные в задней части железнодорожного состава хвостовые радиочастотные модули, снабженные узконаправленными антеннами, установленные в передней части упомянутого состава головные радиочастотные модули, снабженные узконаправленными антеннами, и коммутационное оборудование, способное обрабатывать сигналы от упомянутых модулей и предоставлять сетевым устройствам, связанным с этим оборудованием, доступ к внешней сети обмена данными; внешняя сеть обмена данными объединяет базовые станции с узконаправленными антеннами, при этом базовые станции способны устанавливать связь с хвостовыми и головными радиочастотными модулями упомянутого состава и установлены вдоль пути следования железнодорожного состава таким образом, что расположение базовых станций относительно железнодорожного габарита обеспечивает прямую видимость между антеннами базовых станций и антеннами радиорелейных модулей, установленных на железнодорожном составе; причем антенны базовых станций, установленные на составе радиочастотных модулей, настроены на излучение радиоволн в диапазоне коротких миллиметровых волн.

9. Система по п.8, в которой антенны первого и второго головных модулей ориентированы в направлении находящихся впереди движущегося состава базовых станций, а антенны первого и второго хвостовых модулей ориентированы в направлении базовых станций, находящихся позади состава.

10. Система по п.8, в которой антенны первого головного и первого хвостового модуля ориентированы в направлении находящихся впереди движущегося состава базовых станций, а антенны второго головного и второго хвостового модуля ориентированы в направлении базовых станций, находящихся позади состава.

11. Система по п.8, в которой базовые станции размещены на опорах контактной сети железной дороги.

12. Система по п.8, в которой базовые станции размещены на опорах между границей железнодорожного габарита и ближайших к этой границе опорах контактной сети железной дороги.

13. Система по п.8, в которой базовые станции объединены в сеть оптико-волоконной линией связи.

14. Система по п.8, в которой каждая базовая станция и каждый из установленных на железнодорожном составе радиочастотных модулей состоят из нескольких устройств, обеспечивающих коммутацию, маршрутизацию, прием и передачу радиосигналов.