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DLR / RWTH Aachen Zug-zu-Zug-Kommunikation: 5G-Funksystem im Test

| Redakteur: Jürgen Schreier

Eine Messkampagne der DLR untersuchte auf einem Testgelände der RWTH Aachen die schnelle und sichere Datenübertragung zwischen Zügen. Diese Form der Kommunikation ist eine wichtige Voraussetzung für das berührungslose Kuppeln von Waggons.

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Zug-zu-Zug-Kommunikation im Test: Damit wird das virtuelle Kuppeln von Zügen während der Fahrt zu längeren, virtuellen Einheiten möglich.
Zug-zu-Zug-Kommunikation im Test: Damit wird das virtuelle Kuppeln von Zügen während der Fahrt zu längeren, virtuellen Einheiten möglich.
(Bild: DLR)

Mit den neuen 5G-Mobilfunksystemen wird im Schienenverkehr das virtuelle Kuppeln (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. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass eine stabile und sichere Kommunikation bis zu einer Distanz von rund 130 Metern möglich ist.

RWTH Aachen stellt selbstgetriebene Versuchszugwagen zur Verfügung

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", erläutert Stephan Sand, Projektleiter und Teamleiter Nachrichtensysteme.

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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 sich die Messungen unter eisenbahnspezifischen Bedingungen durchführen ließen. Die Millimeterwellen-Funkmodule wurden auf den Kupplungen der Zugwagen montiert. Neben den Übertragungseigenschaften konnte mit diesem Versuchsaufbau auch den Einfluss der Zugvibrationen und des Kopplungsvorgangs auf die Millimeterwellen-Systeme analysiert werden.

Austausch sicherheitskritischer Daten per Funk möglich

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, einem vom DLR entwickeltes Messinstrument, mit dem die Ausbreitung der Funksignale analysiert wird. Auf der Basis dieser Analysen können sichere und schnelle Kommunikationssysteme entwickelt werden.

Die Messergebnisse zeigen, dass eine Kommunikation über Millimeterwellen selbst über größere Distanzen bis zu 130 Metern möglich ist - 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 hat im Vergleich zu den aktuell drahtgebundenen TCMS zahlreiche Vorteile. Zunächst bietet drahtloses TCMS einen zusätzlichen, sehr sicheren Übertragungsweg zur elektrischen Kupplung, die mehr als 100 sensible elektrische Kontakte enthält. Weil die elektrischen Kupplungen beim Kuppeln stark elektromechanisch belastet werden und auch den Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, fallen diese häufig aus und müssen repariert werden. Zugausfälle und Verspätungen sind die Folge. Da drahtloses TCMS inhärent kontaktlos die Daten überträgt, kann hier kein Ausfall aufgrund von elektromechanischen Belastungen passieren.

Präzise Distanzschätzung mit 5G uRLLC

Die 5G ultra Reliable Low Latency Communications (uRLLC) für drahtloses TCMS ermöglicht außerdem eine präzise und zuverlässige Distanzschätzung zwischen den Zügen beim Kuppeln. Dadurch kann der Kupplungsvorgang mit drahtlosen TCMS und 5G uRLLC komplett automatisiert werden.

Die Messungen 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 latenzarme Übertragung großer Datenmengen zwischen bewegten Einheiten, wie Zügen, über wenige Meter ermöglicht. Das Projekt ist eng mit dem Projekt DLR Next Generation Train verbunden.

AUTOMATION 2019 - 5G vernetzt die Industrie

Der Mobilfunkstandard 5G verspricht vernetzte Produktionsabläufe und einen höheren Automatisierungsgrad. Doch muss das Netz flexibel sein, um allen Nutzern gerecht zu werden. Diese und weitere Themen diskutieren Experten der Mess- und Automatisierungstechnik auf dem VDI-Leitkongress „AUTOMATION 2019“ am 2. und 3. Juli 2019 in Baden-Baden.

Vorteile birgt 5G insbesondere in der Fertigungsindustrie in Form eines erhöhten Automatisierungsgrades. Es ermöglicht so z.B. die digitale Lagerhaltung oder vernetzte Produktionsabläufe. Die Bundesnetzagentur will ab Anfang 2019 regionale 5G-Frequenzen vergeben. Das macht es den Unternehmen erstmals möglich, an Produktionsstandorten eigene, lokal begrenzte 5G-Industrienetze zur Kommunikation zwischen Maschinen, Systemen und Anlagen zu betreiben. Eine Lizenz für die regionalen Frequenzen erhalten die Unternehmen ganz einfach per Nutzungsantrag. Produktionsstätten würden somit unabhängig von den Ausbauplänen der Mobilfunknetzbetreiber. 5G bietet damit die Grundlage, Smart Factories auf die nächste Entwicklungsstufe zu heben.

Nutzer und Anwendungen haben jedoch einen sehr individuellen Bedarf an Datenraten, Kapazität oder Geschwindigkeit. Abhilfe schafft das sogenannte Network Slicing. Die Technik ermöglicht Betreibern, ihre Infrastruktur anwendungsbezogen und auf Abruf bereitzustellen; beispielsweise mit einer zugesicherten Datenkapazität oder Reaktionszeit. So ermöglicht Network Slicing den kontinuierlichen Austausch zwischen den Maschinen einer Produktionsanlage.

Parallel zur AUTOMATION 2019 findet die VDI-Konferenz „5G in der AUTOMATION“ statt. Der Besuch ist in der Teilnahmegebühr des Kongresses AUTOMATION inbegriffen.

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