Die neuen 5G (fünfte Generation) Mobilfunksysteme ermöglichen eine zuverlässige, sichere und drahtlose Datenübertragung. Damit wird im Schienenverkehr das virtuelle Kuppeln, das heißt das selbstständige und berührungslose Kuppeln von Zügen während der Fahrt zu längeren, virtuellen Einheiten möglich. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben bei einer Messkampagne auf dem Testgelände der RWTH Aachen untersucht, ob Züge mit einem für diese Anwendung entwickelten Millimeterwellen-Funksystem mit hohen Datenraten und bei minimaler Verzögerungszeit untereinander kommunizieren können. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine stabile und sichere Kommunikation bis zu einer Distanz von rund 130 Metern möglich ist.
Digitalisierung ermöglicht mehr Effizienz und Flexibilität im Schienenverkehr
Das automatische Kuppeln von Zügen und die virtuelle Verbindung von einzelnen Zugwaggons oder ganzen Zügen ist ein wesentlicher Schritt hin zu mehr Flexibilität und Effizienz im Schienenverkehr. Für die sichere und schnelle Kommunikation der Züge untereinander eignet sich eine Funkwellenübertragung im Millimeterwellenband zwischen 63 und 64 GHz. Für diesen im Mobilfunk noch wenig genutzten Frequenzbereich entwickelten Forscher des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation ein neuartiges Millimeterwellen-Funkmodul. „Für eine sichere Automatisierung im Zugverkehr muss die Datenübertragung selbst unter schwierigsten Verhältnissen, wie zum Beispiel einer hohen Zuggeschwindigkeit, in Echtzeit funktionieren. Deshalb haben wir die Übertragungseigenschaften in unserer Messkampagne unter die Lupe genommen“, sagt Stephan Sand, Projektleiter und Teamleiter Nachrichtensysteme.
Die Messkampagne untersucht Kommunikation zwischen Zugwaggons
Im Rahmen ihrer Messkampagne haben die Forscher auf einem Schienentestgelände in Aachen die Übertragungsmöglichkeiten zwischen Zugwaggons auf kurzen und mittleren Distanzen untersucht. Dabei konnten die Forscher erstmals in Europa dynamische Messungen der Funkausbreitung zwischen Zügen im Millimeterwellen-Band durchführen. Das Institut für Schienenfahrzeuge und Transportsysteme (IFS) der RWTH Aachen stellte zwei selbstgetriebene Versuchszugwagen zur Verfügung, wodurch die Messungen unter eisenbahnspezifischen Bedingungen durchgeführt werden konnten. Die Millimeterwellen-Funkmodule wurden auf den Kupplungen der Zugwagen montiert. „Neben den Übertragungseigenschaften konnten wir mit diesem Versuchsaufbau auch den Einfluss der Zugvibrationen und des Kopplungsvorgangs auf die Millimeterwellen-Systeme analysieren“, erläutert Sand.
Die Gleise der RWTH Aachen bieten auf kleinstem Raum eine Vielfalt an unterschiedlichen Umgebungsbedingungen. So konnten automatische Kopplungsmanöver in verschiedenen Umgebungen, wie freies Umfeld, in der Nähe des Bahnsteigs und neben Bäumen und Büschen durchgeführt sowie gerade und gekrümmte Gleisabschnitte verglichen werden. Zur Analyse der Übertragungseigenschaften, wurden die Millimeterwellen-Signale mit dem DLR-„Channel Sounder“ aufgezeichnet, ein vom DLR entwickeltes Messinstrument, mit dem die Ausbreitung der Funksignale analysier wird. Darauf aufbauend können dann sichere und schnelle Kommunikationssysteme entwickelt werden.
5G-Funksystem: Austausch sicherheitskritischer Daten möglich
Die ersten Ergebnisse haben gezeigt: die Kommunikation über Millimeterwellen ist selbst über größere Distanzen bis zu 130 Metern möglich. Eine vielversprechende Erkenntnis, denn auch physisch gekoppelte Zugwagen sollen künftig sicherheitskritische Daten über Millimeterwellen-Funkverbindungen übertragen, die drahtlose Zugsteuerungs- und Überwachungssysteme (Train Control and Monitoring Systems; TCMS) ermöglichen. Drahtloses TCMS bietet viele Vorteile gegenüber den aktuell verdrahteten TCMS.
Zunächst bietet das Funksystem einen zusätzlichen, extrem sicheren Übertragungsweg zur elektrischen Kupplung, die mehr als 100 sensible elektrische Kontakte enthält. Da die elektrischen Kupplungen stark elektromechanisch beim Kuppeln belastet werden und auch den Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, fallen diese häufig aus und müssen repariert werden. Dies führt wiederum zu Zugausfällen und Verspätungen. Da drahtloses TCMS inhärent kontaktlos die Daten überträgt, kann hier kein Ausfall aufgrund von elektro-mechanischen Belastungen passieren. Die 5G ultra Reliable Low Latency Communications (uRLLC) für drahtloses TCMS ermöglicht auch eine präzise und zuverlässige Distanzschätzung zwischen den Zügen beim Kuppeln. Dadurch kann der Kupplungsvorgang mit drahtlosen TCMS und 5G uRLLC voll-automatisiert werden.
Forschungsprogramm vom BMBF gefördert
Die Messungen mit dem Funksystem wurden im Rahmen des deutschen Forschungsprojekts „Sichere und latenzarme Breitbandübertragung über kurze Distanzen“ (SBDist) durchgeführt. SBDist ist eines der Leuchtturmprojekte des Programms „Zuverlässige drahtlose Kommunikation in der Industrie“ (ZDKI) für Industrie 4.0 Anwendungen. Die Projekte werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert, um Schlüsseltechnologien in verschiedenen Industriesektoren zu entwickeln. Im Projekt SBDist wird eine neue Funktechnologie entwickelt, die eine äußerst zuverlässige und latenz-arme Übertragung großer Datenmengen zwischen bewegten Einheiten, wie Zügen, über wenige Meter ermöglicht. Das Projekt ist eng mit dem Projekt DLR Next Generation Train verbunden.
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