Vorlesung Elektrotechnik - Spezialisierung LST Bahnspezifische Telekommunikationsanlagen E3S2

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1 Vorlesung Elektrotechnik - Spezialisierung LST Bahnspezifische Telekommunikationsanlagen E3S2 DB ProjektBau GmbH/ DB International GmbH Michael Burzlaff 1 I.TP-MI-P Berlin, Oktober 2015

2 Inhalt Funksysteme 8. 2

3 Funksysteme bei der Deutschen Bahn 3

4 GSM-R - Digitaler Bahnmobilfunk - MSC = Mobile Switching Center - BSC = Base Station Controller - BTS = Base Transceiver Station - Ausrichtung des Funkfeldes in Längsrichtung - GeFo = ortsfester GSM-R Fernsprecher - Tischtelefone mit GSM-R - tragbare Fernsprecher GPH und OPH - Vertrag/Abwicklung DB KT DB Netz AG Analoger Funk - Vereinfachter Zugfunk - Instandhaltungsfunk, BiFu - Rangierfunk ETCS - European Train Control System - Level 2 mit Verknüpfung zur ESTW-Technik - RBC: Radio Block Center - geschlossenes Übertragungsnetz - höhere Verfügbarkeit des Funksignals als bei GSM-R Zugfunk - LWL- Ringbildung der Funkstellen - Verknüpfung ESTW mit GSM-R über das RBC = Radio Block Center 4

5 Analoger Zugfunk Bei den beiden deutschen Eisenbahnunternehmen DB und DR gab es analogen Zugfunk im 70-cm Frequenzband (Duplexkanäle im Bereich von 460 MHz. Die Funkversorgung wurde durch eine Kette von Streckenfunkstellen sichergestellt. Da alle Streckenfunkstellen gleichzeitig mit nicht stabiler Phasenlage senden, wurden Frequenzgruppen gebildet, innerhalb derer die Sendefrequenz der aufeinanderfolgenden Funkstellen so wechselt, dass die gleiche Sendefrequenz sich erst an der drittfolgenden Streckenfunkstelle wiederholt. Nur in Bereichen mit hohen Kommunikationsbedarf (z. B. große Eisenbahnknoten) realisierte man den in dieser Technik aufwändigen Gleichwellenfunk. Hier wird anstelle von drei lediglich ein Frequenzpaar benötigt. Zugfunk der Bauform VZF95 Auf Strecken mit einfachen betrieblichen Verhältnissen kann der vereinfachte Zugfunk aufgebaut werden. Analoger Rangierfunk Die Sprechverbindungen dienen zur Verständigung der ortsbeweglichen Mitarbeiter des Rangierdienstes untereinander und mit den festen Teilnehmern auf Betriebsstellen ( z. B. Stellwerke). Die Kommunikation in einem Rangierfunkbereich findet auf einem offenen Kanal im Simplex Betrieb statt. Betriebs- und Instandhaltungsfunk (BiFu) Im Bereich der betriebsnotwendigen Instandhaltung wird der BiFu von allen Fachdiensten eingesetzt. Der Frequenzbereich ist im 2-m Band, die Betriebsart Simplex. 5

6 GSM-R Global System for Mobile Communications Rail Das GSM-R Mobilfunknetz stellt eine einheitliche, standardisierte und europaweit interoperable Systemplattform zur Verfügung, auf der die mobilen Sprach- und Datenanwendungen aufsetzen. Dieses digitale Zugfunknetz ist eine Eisenbahnsicherungsanlage und dient primär der Kommunikation zwischen den betriebsführenden Stellen und dem Zugpersonal der EVU. Dieser Zugfunk bietet viele Vorteile: - störungsfreie Kommunikation im Bahnbetrieb - hohe Sicherheit in der betrieblichen Kommunikation, da von anderen Netzen nicht beeinflussbar - Möglichkeit spezieller Gruppenrufe - Möglichkeit der gezielten Kontaktaufnahme z. B. zum zuständigen Fdl - abgestufte Prioritäten der einzelnen Rufe Das GSM-R netz dient neben dem Zugfunk auch als Rangier-, Betriebs- und Instandhaltungsfunk, zur Übermittlung von SMS, zur Fahrzeugfernüberwachung und zur Abgabe von Zugvorbereitungsmeldungen und zu weiteren Datenübertagungen, z.b. für das System EBuLa sowie Telefongespräche ins Bahnnetz. Quelle: Fiedler, Scherz - Bahnwesen 6

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9 GSM-R basiert auf dem durch ETSI (European Telecommunications Standard Institut) verabschiedeten GSM-Standard für öffentliche Mobilfunknetze, der um bahnspezifische Leistungsmerkmale erweitert wurde. GSM-R ist als geschlossenes Netz nicht von außen beeinflussbar. Für den Betrieb der GSM-R Netze steht den europäischen Bahnen ein einheitlicher Frequenzbereich zur Verfügung. Die Lizenzverteilung ist mit der Auflage verbunden, das GSM-R Netz nur für bahnbetriebliche Zwecke zu nutzen und die bisher benutzten analogen Frequenzbereiche nach dem Systemwechsel zurückzugeben. Die GSM-R Infrastruktur besteht aus drei Hierachie Ebenen: - Die Basisstationen sind entlang der Strecke so installiert, dass ein Endgerät jeweils immer von mindestens zwei Basisstationen versorgt werden kann. Dadurch wird die für Bahnanwendungen notwendige Verfügbarkeit gewährleistet. - Mehrere Basisstationen sind an einem Base Station Controller angeschlossen und zusammengefasst. - Die Base Station Controller werden bezirksweise in einem Mobil Switching Center zusammengefasst. Die insgesamt sieben MSC sind an den Standorten der sieben Betriebszentralen der DB Netz AG installiert. 9

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12 Die mobilen Endgeräte werden in 4 Gruppen unterteilt: - Mobile Endgeräte (marktübliche Systeme mit zusätzlichen Betriebsfunktionen) - Mobile Endgeräte in robuster Ausführung, z. B. für den Rangierbetrieb - Geräte für den Einbau in die Schienenfahrzeuge - Stationäre Geräte für die Anbindung der Betriebsleitstellen, z. B. Disponenten, özf GSM-R stellt folgende Funktionalitäten zur Verfügung: - Priorisierung von Rufen - Ortsabhängige Adressierung (ohne Kenntnis der örtlichen Zuständigkeit wird der Ruf zum richtigen Teilnehmer geroutet) - Funktionale Adressierung (z. B. bundesweit eindeutige Zugnummer) 12

13 Die technischen Vorteile von GSM-R sind: - hohe Netzverfügbarkeit - höhere Empfindlichkeit - geringe Störanfälligkeit - gute Funkversorgung entlang der Strecken GSM-R ist technischer Standard für die europaweite Implementierung von European Traffic Management System (ERTMS). Ein wichtiger Aspekt der Priorisierung ist der Bahnnotruf (Railway Emergency Call REC). Dieser wird benötigt, um Bahnpersonal in einem bestimmten Bereich bei einem Notfall zu alarmieren. Der Bahnnotruf ist ein Ruf mit höchster Priorität (0) beim Verbindungsaufbau. 13

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18 Die für die Anwendungen nach GSM-Standard reservierten Frequenzen befinden sich im GSM900-Band. Stand 2012 besteht das GSM-R Mobilfunknetz der DB Netz AG aus: - ca Base Transceiver Station - 63 Base Station Controller Trans Coding Units - 7 Mobile Switching Center [300] 18

19 Vermittlungssysteme Mobile Switching Center MSC Die Mobilfunk-Vermittlungsstelle MSC ist eine digitale Vermittlungsstelle hoher Leistungsfähigkeit, die sowohl normale Vermittlungsaufgaben ausführt als auch das Netz verwaltet. Jede MSC vermittelt in dem ihr zugeordneten geographischen Bereich die Mobilfunkteilnehmer untereinander und zu anderen angeschlossenen Netzen. Zu den Aufgaben der MSC gehören alle Signalisierungsprozesse, die zum Aufbau, Abbau und zum verwalten von Verbindungen benötigt werden. Weiterhin steuert sie mobilfunkspezifische Funktionen, wie den BSC-übergreifenden Zellwechsel (Handover). Weitere Aufgaben sind die Realisierung der aus dem ISDN bekannten Zusatzdienste Rufweiterleitung, Rufsperre, Konferenzschaltung, geschlossene Benutzergruppe. Betrieb und Wartung Das NOC / OMC (Network- und Operation Center / Operation and Maintenance Center) ist die zentrale Stelle zur Steuerung und Überwachung der Netzelemente und zur Kontrolle der Qualität der vom Netz insgesamt bereitgestellten Dienste. 19

20 Netztopologie Aufgrund der Relevanz der Anwendungen für den Bahnbetrieb ist die hohe Verfügbarkeit des Netzes ein wesentlicher Aspekt. Übertragungswege verbinden die Komponenten des Netzes untereinander. Redundanzen in der Anbindung, wie z. B. Ringstrukturen, senken das Ausfallrisiko, erhöhen die Verfügbarkeit, sind jedoch ein Kostentreiber. Hier gilt es, in der Festnetzplanung unter geschickter Ausnutzung der Ressourcen das Notwendige mit dem wirtschaftlich Machbaren in bester Weise zu verbinden. Auf der zentralen Vermittlungsebene im GSM-R sind alle MSC mit allen anderen MSC übertragungstechnisch untereinander verbunden. Ein Totalausfall einer MSC würde sich somit auf den Bereich der MSC beschränken. Bei der Anbindung der BTS entlang einer Strecke existieren verschiedene Anbindungsvarianten. Kette: BTS sind in einer logischen Kette hintereinander geschaltet und an denselben Port der BSC geschaltet Stern: An eine Kette von BTS wird an eine BTS eine zweite BTS angeschaltet Loop: eine BTS Kette, von deren letzter BTS eine Verbindung zur BSC zurückgeführt wird 20

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22 Roaming Roaming ermöglicht dem Teilnehmer eines Mobilfunknetzes, in einem fremden Mobilfunknetz Rufe oder Daten zu senden oder zu empfangen. Technische Voraussetzung ist, dass das Endgerät das fremde Netz unterstützt. Im GSM-R ist dies europaweit sichergestellt durch die gemeinsamen Spezifikationen zur Interoperabilität und deren Anwendung bei der Zulassung der Endgeräte. National Roaming als Rückfallebene im GSM-R Zugfunk Sollte in einem Streckenabschnitt über einen längeren Zeitraum die Funkversorgung gestört sein, werden betriebliche Ersatzmaßnahmenergriffen. Dazu kann das GSM-R Zugfunkgerät (Cab Radio) in ein nationales öffentliches Mobilfunknetz eingebucht werden. International Roaming Die DB Netz AG hat mit den europäischen Nachbarbahnen, die ebenfalls GSM-R betreiben, Verträge zum International Roaming geschlossen. Z. B. mit Österreich, Belgien, Schweiz, Tschechien, Frankreich, Italien, Niederlande usw. [300] 22