S-Bahn-Lösung beschleunigt Veränderungen in der Branche

„Bahnbetreiber auf der ganzen Welt machen sich zunehmend Gedanken darüber, wie sie die Vorteile innovativer Lösungen der Informations- und Kommunikationstechnologie nutzen können, um Transportkapazitäten zu maximieren und differenzierte Wettbewerbsvorteile basierend auf den bestehenden Schienennetzen und der bestehenden Infrastruktur zu schaffen“, sagte Norman Frisch von Huawei, Chairman der eLTE Industry Alliance, anlässlich der 2016 Asia Pacific Rail Show in Hongkong.

Ein aktueller Trend – der städtische Schienenverkehr – wird aufgrund seiner Fähigkeit, eine große Anzahl von Fahrgästen bei hohen Geschwindigkeiten zu transportieren, zur idealen Beförderungsart – pünktlich, sicher und umweltfreundlich. Gleichzeitig werden diese Vorteile von disruptiven Kommunikationstechnologien beeinflusst.

Bodensteuerung

Das auf IEEE 1474 basierte CBTC-Bahnsignalsystem (Communication-Based Train Control, kommunikationsbasierte Zugsteuerung), das bereits in den neunziger Jahren entwickelt wurde, nutzt ATC (Automatic Train Control, automatische Zugsteuerung), die ATO-Subsysteme (Automatic Train Operation, automatischer Zugbetrieb) und ATS-Subsysteme (Automatic Train Supervision, automatische Zugüberwachung) enthalten können. Durch die Nutzung moderner kabelloser Kommunikationstechnologien haben CBTC-Lösungen Signalsysteme mittels „beweglicher Blöcke“ implementiert, die dafür sorgen, dass die berechneten Bremswege in Echtzeit aktualisiert werden, um den Mindestabstand zwischen Zügen zu erzwingen. Das Aufrechterhalten sicherer Bremswege zwischen den Zügen ist eine Komponente von CBTC-Systemen, die die Geschwindigkeit steuern, die Haltedauer an Stationen regulieren sowie Daten bezüglich der Fahrtzeiten und der verbleibenden Entfernung zur nächsten Station überwachen. CBTC-Systeme sind für die Sicherheit und den reibungslosen Betrieb moderner Hochgeschwindigkeitszüge unerlässlich.

Das DCS-Subsystem (Datenkommunikationssystem) stellt eine bidirektionale Verbindung für den Datenaustausch zwischen CBTC-Modulen dar, die sich sowohl im Zug als auch außerhalb des Zugs befinden. Das DCS besteht aus einem kabellosen Zug-Boden-Kommunikationsnetzwerk und einem kabelgebundenen Netzwerk. Fehler im Netzwerk führen dazu, dass die Züge daran gehindert werden, planmäßig weiterzufahren, bzw. die Weiterfahrt gestoppt wird. Die CBTC-Systeme von Huawei wurden dazu entwickelt, mehrere seit langem bestehende Beschränkungen abzubauen.

Herausforderungen für traditionelle DCS-Systeme

Neuere DCS-Lösungen verwenden die „WLAN + Industrie-Switch“-Architektur für die CBTC-Zug-Boden-Kommunikation über öffentliche Frequenzbereiche, die für externe Störungen anfällig sind. Neben der Gefahr, den sicheren Zugbetrieb zu beinträchtigen, gehört die begrenzte Abdeckung von WLAN bei CBTC-Netzwerken, durch die eine hohe Anzahl an eingesetzten Geräten und Übergaben an stationären Basisstationen von vorbeifahrenden Zügen erforderlich ist, zu den Nachteilen. WLAN-Netzwerke sind wartungsintensiver.

Switches, die auf der herkömmlichen Layer-2-Technologie basieren – stabil, pflegeleicht und anpassungsfähig in verschiedenen Umgebungen –, waren die ideale Wahl für kabelgebundene DCS-Übertragungsnetze. Allerdings können diese Switches die neuesten Anforderungen städtischer Schienensignalsysteme nicht mehr erfüllen.

Die Integration der LTE-Technologie im Bahnsektor erfordert die Synchronisierung der LTE-Frequenz und Phasenkomponenten mit der Systemzeit der Bahn. Eine GPS-Antenne wird an jeder Basisstation (BTS) installiert und dient als Quelle für eine synchronisierte Zeitreferenz. Selbst wenn Kanäle ausreichend vorhanden sind, ist die physikalische Standortwahl von GPS-Antennen für die Unterstützung von tief in Eisenbahntunneln gelegenen BTS-Sockeln komplex, und ein RF-Signal über lange Kabelwege hinweg unterliegt einer großen Dämpfung. Das Problem ist, dass bei einigen Standorten die Kanäle für GPS-Antennen fehlen.

Die LTE-Technologie erfordert auch kabelgebundene Netzwerke, die das Zeitsynchronisationsprotokoll (PTP) IEEE 1588v2 Precision unterstützen. Kabelgebundene DCS-Netze sollten eine hohe Layer-3-Routing-Performance aufweisen und offene, standardmäßige Layer-3-Verbindungsprotokolle unterstützen. Wenn herkömmliche Industrie-Switches verwendet werden, können beim Layer-2-Switching schwere Übertragungstörungen auftreten, die das Netzwerk daran hindern, den normalen Datenverkehr zu übermitteln. Veraltete Layer-2-Netzwerkmanagementfunktionen sind nicht in der Lage, die durch das PTP angegebenen Stufen des detaillierten Ethernet-Managements zu unterstützen.

Fahrt aufnehmen

Basierend auf den Branchenerfahrungen mit S-Bahn-Trends und zukünftigen Anforderungen hat Huawei LTE-Technologien und Industrie-Router der NE-Serie verwendet, um eine S-Bahn-DCS-Lösung der nächsten Generation zu entwickeln. Nachfolgend werden einige der technischen Verbesserungen angegeben, die diese Lösung erfüllt, um die Anforderungen von Signalsystemen in S-Bahn-Netzen zu erfüllen und das DCS zu transformieren.

LTE verwendet dedizierte Frequenzbereiche, die ausgezeichnete Störsicherheit bieten und für die Sicherheit und Zuverlässigkeit der CBTC-Dienste sorgen. LTE unterstützt unterbrechungsfreie, schnelle und nahtlose Übergaben, die die heutigen schnellen S-Bahnzüge mit dem neuesten Technikstand ausstatten.

Aufgrund einer effektiven Reichweite von bis zu 1,2 km sind weniger LTE-Basisstationen zwischen Stationen erforderlich. Die Kombination von einem flachen Netzwerk und weniger BTS-Standorten innerhalb von Tunneln sorgt für eine Reduzierung der Betriebs- und Wartungskosten um mehr als 80 %.

Die innovative ATOM-GPS-Lösung von Huawei überträgt GPS-Zeitsignale in optische 1588v2-Signale. GPS-Antennen und -Geräte in Technikräumen sind durch optische Fasern verbunden, sodass die Installation von GPS-Antennen nicht durch räumliche Distanzen begrenzt ist. Aus technischer Sicht wird dadurch die Installation erleichtert.

Wegweisende Industrie-Router

Das kabelgebundene DCS-Übertragungsnetz stützt sich auf die NE-Serie von Industrie-Routern von Huawei, was für eine umfassendere Unterstützung des IEEE-1588v2-Protokolls sorgt. Das Netzwerk verfolgt gleichzeitig mehrere Zeitquellen. Falls eine aktive Zeitquelle fehlerhaft ist, wird das Netzwerk sofort mit einer weiteren Zeitquelle synchronisiert. Diese Industrie-Router unterstützen standardmäßige Layer-2-Netzwerke, um ein Failover innerhalb von 50 ms und die Kompatibilität mit herkömmlichen Netzwerkmodi und der IP/MPLS-Datenübermittlungstechnologie sicherzustellen. Dies ermöglicht starke Layer-3-Switch- und Routing-Funktionen, die die Anforderungen aller Routing-Richtlinien für verschiedene Verbindungs-Telekommunikationsnetze erfüllen.

MPLS-VPNs bieten die sicherste und zuverlässigste Isolationstechnologie der Branche. MPLS-OAM (Betrieb, Verwaltung und Wartung) ermöglicht Umschalttechnologien mit Mehrfachschutz. Die Netzwerkumschaltzeit wird nicht durch die Anzahl der Knoten beeinträchtigt.

Huaweis einzigartige BFD-Technologie (Bidirectional Forwarding Detection) überträgt mindestens alle 3,3 ms Pakete zur Fehlerprüfung, was die Genauigkeit der Fehlererkennung erhöht. Die IPFPM-Technologie verbessert die Genauigkeit der Netzwerkleistungserfassung erheblich.

Netzwerkleistungsindikatoren wie z. B. Durchsatz, Verzögerung, Jitter und das Paketverlustverhältnis können ohne Zähler und Geräte getestet werden. Das uTraffic-Tool überwacht die netzwerkweite Leistung, ortet Netzwerkprobleme genau und generiert mehrdimensionale Berichte, die den Betriebs- und Wartungsaufwand reduzieren und ein schnelleres Orten von Fehlerquellen ermöglichen.

Auf dem Punkt gebracht

Huaweis S-Bahn-DCS-Lösung der nächsten Generation bietet hochentwickelte kabellose LTE-Netzwerke und kabelgebundene All-IP-Netze. Die Lösung erfüllt selbst die strengsten, durch die ständig steigenden Geschwindigkeiten von fahrenden Zügen verursachten Anforderungen, verbessert die Störfestigkeit von Kommunikationsnetzen und vereinfacht die Wartung.

Indem Huawei dem digitalen Zeitalter der Umbrüche aktiv begegnet, baut das Unternehmen besser vernetzte Transportsysteme durch den Einsatz sicherer, zuverlässiger und fortschrittlicher Lösungen für die Bahnbranche mithilfe kontinuierlicher technologischer Innovationen und Partnerschaften mit Kunden.