GSM-Rail

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Sicher sind dem einen oder anderen schon die Antennenanlagen entlang der Bahnstrecken aufgefallen, die den Handybasisstationen sehr ähnlich sind, offensichtlich aber keine sind.

GSM-Rail Standort, Bahnhof Mühlheim am Main

Es handelt sich hierbei um Standorte fürs GSM-R Netz, welches gerade im Aufbau ist. Die Deutsche Bahn AG plant derzeit einen Ausbau von 24500 km von insgesamt 36600 km ihres Netzes mit GSM-R.

Da die hierzu erhältlichen Informationen eher spärlich sind, will ich hier ein paar Dinge zusammentragen. Hierbei geht es mir hauptsächlich um die Unterschiede zu den normalen, öffentlichen GSM Netzen. Eine komplette Beschreibung des GSM Standards wird man hier nicht finden. Wer sowas sucht, folgt bitte meinen Links.

Wozu GSM-R?

Die Bahnbetreiber sind sehr daran interessiert, ein neues System für die Kommunikation zu bekommen. Der bisherige Zustand ist nämlich der, daß jeder Staat seine eigenen natürlich völlig inkompatiblen Systeme verwendet. Ein grenzüberschreitender Verkehr, der innerhalb Europas, aber auch weltweit immer größere Bedeutung erlangt, wird damit sehr erschwert.

Und wenn es nur das wäre. Im Bahnbetrieb gibt es eine Vielzahl von Kommunikationssystemen für Daten und Sprache, die natürlich auch alle nicht zueinander kompatibel sind.

Alleine die Deutsche Bahn betreibt acht unterschiedliche Systeme. Europaweit sind 14 Kommunikationssysteme und 12 Signalsysteme implementiert.

AnwendungSystem
Kommunikation mit dem Zugführeranaloger Zugfunk
ZugsteuerungKabel im Gleis
GleisarbeiterFunkgeräte auf diversen Frequenzen
Notrufebahneigener Funk und Funk der Rettungsleitstelle
Streckenarbeiterkabelgebundene Telefone am Gleis
bahninterne Kommunikationeigene und öffentliche Telefonnetze
öffentliche Telefone in Zügenöffentliche GSM Netze

Diese Vielzahl von Systemen bringt erhebliche Nachteile mit sich.

Die Anforderung grenzüberschreitende Kompatibilität und eine Integration der obigen Dienste in einem System macht die Verwendung von GSM als Basis geradezu ideal. Im Moment sind die beiden letzten Anwendungen nicht geplant und ob sie jemals kommen, ist schon aus Kapazitätsgründen fraglich. Ebenso erkennt man, daß die obigen Anforderungen mit einem normalen GSM System nicht erreichbar sind.

Entwurf und Planung

Zur Anpassung des GSM Standards auf die Anforderugen der Zugnetzbetreiber wurde das EIRENE (European Integrated Railway radio Enhanced NEtwork) Projekt von der UIC ins Leben gerufen. 1995 hat die ETSI die beiden Frequenzbänder von 876 - 880 MHz und 921 - 925 MHz für diesen Zweck freigegeben. Laut der GSM-Spezifikation umfaßt GSM-R zwar das gesamte GSM-Frequenzband im 900 MHz Bereich. Um weltweit mit den öffentlichen GSM Netzen nicht in Konflikt zu geraten, werden aber nur die Kanäle unter dem E-GSM Band verwendet. Außerdem hält man noch den angrenzenden Kanal zur Sicherheit frei. Somit bleiben 19 Kanäle für die Bahn übrig.

Bis heute haben bereits 32 UIC Mitglieder ein Memorandum of Understanding unterzeichnet und sich darauf verständigt, das vom EIRENE Projekt entwickelte System einsetzen zu wollen. 16 europäische Mitglieder wollen bereits noch in diesem Jahr starten.

Die von EIRENE entwickelten Spezifikationen werden inzwischen von einem Konsortium aus Bahnnetzbetreibern und Systemherstellern unter dem Namen MORANE (MObile RAdio for railways Networks in Europe) zu einem funktionsfähigen Mobilfunksystem entwickelt.

Die Deutsche Bahn AG hat sich selbst ehrgeizige Ziele gesetzt. So soll nicht nur bis spätestens Ende 2004 die komplette Infrastruktur von Nortel Networks aufgebaut sein. Mit Stand vom 24.09.2002 meldet die Bahn, es seien bereits 1000 der geplanten 2600 Standorte aufgebaut. Warum dann bis Ende 2004 nur wenige hundert Kilometer Strecke mit GSM-R in Betrieb genommen werden, ist mir unklar. Und am 01.10.2004 meldet die DB Netz, in der Nacht vom 02.07.2005 auf den 03.07.2005 gingen über 4000 km in Betrieb und GSM-R nehme gleichzeitig den Regelbetrieb auf. Mutig - Mutig!

Im Laufe des Jahres 2005 sollen die verschiedenen Stellen und 11.000 Fahrzeuge der Bahn mit insgesamt 150.000 Terminals ausgerüstet worden sein, so daß das bisherige analoge Netz abgeschaltet werden kann.

In der Übergangszeit kommen in den Fahrzeugen Dualmodeterminals der Hörmann Funkwerk Kölleda GmbH zum Einsatz. Sie beherrschen sowohl das derzeitige Kommunikationssystem, als auch GSM-R. Die Mobilgeräte ähneln den derzeitigen Handys und kommen wie hier zum Beispiel von Sagem, welche aber von Nortel Networks unter eigenem Namen vertrieben werden.

MESA 23 Terminal
MESA 23 Terminal
Bilderspende von Tom Roch.
Nortel GPH 940 Mobileterminal
Nortel GPH 940 Mobileterminal
Bilderspende von Tobias Jüttner.

Umsetzung

Als Basis wurde, wie bereits angesprochen, der GSM Standard Phase 2 und Phase 2+ genommen. Somit sieht die Netzarchitektur exakt gleich wie bei den öffentlichen GSM Netzen aus und man kann ebenso auf die Standard Bauteile der Zulieferer zurückgreifen, die allerdings an die höheren Anforderungen angepaßt werden müssen. Dies spart einerseits Kosten und sichert die Kompatibilität weltweit.

Stark verbessert werden muß für jeden einleuchtend jedoch die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Netzes. Hier ist mit den Werten, die die öffentlichen Netzbetreiber ansetzen, kein Blumentopf zu gewinnen. Jeder Netzausfall würde als Konsequenz zum sofortigen Stillstand des Zugverkehrs führen. Und was das bedeutet, kann jeder einschätzen, der gelegentlich mit dem Zug unterwegs ist.

Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit sollen die BTS nicht wie in öffentlichen Netzen üblich in Ketten, sondern über Ringstrukturen an den BSC angebunden werden.

Für besonders kritische Strecken, bei denen auch die drahtlose Zugsteuerung eingesetzt werden soll, sind redundante Systeme angedacht. MSC, TRAU, BSC und BTS sind jeweils doppelt vorhanden und bilden immer zwei deckungsgleiche Funkzellen, die jeweils alleine die volle Funktionalität bieten.

Insgesamt wird das von Arcor betriebene Netz der Deutschen Bahn aus 7 MSC, 60 BSC und wie schon oben erwähnt, 2600 Stationen bestehen. Als Verbindung zwischen den MSC wird das SDH-Glasfasernetz von Arcor eingesetzt.

abweichende Anforderungen

Vorgaben EIRENE

KlasseArtZeit
1Notrufe< 1 Sekunde
2Rundrufe zwischen mobilen Teilnehmern< 2 Sekunden
3gewöhnliche P2P Kommunikation< 5 Sekunden
4Verbindungen geringer Priorität< 10 Sekunden

In 95 Prozent der Fälle müssen die obigen Zeiten erreicht werden. In den restlichen 5 Prozent darf es maximal 1,5-mal so lange dauern.

Jeder, der schonmal auf die Uhr gesehen hat, wenn er ein anderes Handy anrufen wollte, wird einschätzen können, welche Herausforderung gerade Klasse 1 und 2 an die Netztechnik stellt. Damit diese Vorgaben erreicht werden können, wird man wahrscheinlich für diese Calls auf Verschlüsselung und Authentifizierung verzichten.

Zusätzlich wurden von MORANE noch die folgenden QoS Parameter für die Datenübertragung gefordert.

Verbindungsaufbau fehlgeschlagen< 1 Prozent
Übertragungsfehler< 10-4
Datenunterbrechung beim Handover< 1 Sekunde
Datendelayje nach Datenrate zwischen 179 ms und 344 ms

implementierte Dienste

  1. allgemeine Sprachkommunikation
    Die verschiedenen Szenarien habe ich weiter oben ja bereits angesprochen. Die Anpassung beschränkt sich hierbei auf die Einführung von Gruppen und dem Funkbetrieb, wo ein Teilnehmer alle anderen Teilnehmer im definierten Umkreis gleichzeitig ansprechen kann. Die dazu nötigen Adressierungsmöglichkeiten sind sehr differenziert angedacht. Wer es ganz genau wissen will, liest sich bitte die EIRENE Spezifikation selbst durch.
  2. Direktmodus
    Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Handgeräten bei komplett ausgefallener Infrastruktur
  3. Datenkommunikation
    Auch die Datenkommunikation wird einen immer höheren Anteil haben. Terminals werden den Zugführer mit aktuellen Informationen versorgen und im Gegenzug kann man sich die Echtzeiterfassung der Zugtelemetriedaten vorstellen.
  4. automatische Zugsteuerung ETCS (European Train Control System)
    Es ist ein interessanter Gedanke, einen Zug drahtlos fernzusteuern. Hierbei gibt es aber so viele Sicherheitsaspekte von Zuverlässigkeit des Datenkanals bis zu der Sicherstellung, daß die Daten nicht sabotiert werden können, daß es sicher ein langer Weg ist, bis das Eisenbahnbundesamt hierfür die Freigabe erteilt. Zur Zeit erprobt die Deutsche Bahn das System auf der Strecke zwischen Berlin, Halle und Leipzig. Es wird damit gerechnet, daß die Freigabe Ende 2003 erfolgt. Lassen wir uns überraschen!
  5. Transportlogistik
    Wenn das funktioniert, kann die Bahn vielleicht endlich auch wieder im Güterverkehr konkurrenzfähig werden. Sendungsverfolgung und zeit- und wegoptimierter Warenverkehr ist bei jedem Spediteur oder Paketdienst Standard. Bei der Bahn bisher allerdings nur Vision.

Ausblick

Das System ist noch garnicht richtig in Betrieb, da macht man sich natürlich schon Gedanken, wie alles noch viel schöner und besser wird. Auch hier zeigt sich der enorme Vorteil, daß man sich für das standardisierte GSM System entschieden hat. So kann man nützliche Dinge, die für den öffentlichen Markt entwickelt wurden, leicht in GSM-Rail implementieren.

Die wichtigsten sind, denke ich:

  1. HSCSD für höhere Datenraten
  2. GPRS für eine bessere Effizienz
  3. Location Based Services für zielgerichtete, regionale Informationen an das Personal
  4. personalisierte Umgebungen denn ein Schaffner braucht andere Infos, als ein Streckenarbeiter
  5. Fahrwegsteuerung vom Fahrzeug aus Stellen von Weichen, Signalen und Schranken

© Matthias Fonfara
http://www.senderlisteffm.de/gsm-r.html