Braunschweiger Verkehrskolloquium des Zentrums für Verkehr Braunschweig (ZVB) 15. Januar 2009

1. Untersuchungen von Kapazitätssteigerungen des ERTMS durch die Einführung von paketorientierten drahtlosen Übertragungsverfahren am Beispiel GPRS Braunschweiger Verkehrskolloquium des Zentrums für Verkehr Braunschweig (ZVB)15. Januar 2009

2. Agenda • European Rail Transport Management System ERTMS • European Train Control System ETCS • Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung • General Packet Radio Service GPRS • Konzept • Diskussion • Eisenbahnspezifische Systemanpassung: GPRS-R • Zusammenfassung und Ausblick

3. ERTMS • ERTMS: European Rail Transport Management System • Vereinheitlichung der ca. 18 europäischen Zugsicherungs- und Zugsteuerungssysteme • Erhöhung der Streckenauslastung • GSM-R • Basierend auf dem öffentlichen Mobilfunksystem GSM • Betriebsfunk • Datenübertragung • ETCS: European Train Control System • Verschiedene Betriebsstufen (Level 1 bis 3)

4. ETCS Level 1 Leitstelle EUROBALISE

5. ETCS Level 2 Leitstelle GSM-R EUROBALISE

6. Kommunikation ETCS Level 2 43 Sekunden 4 km Meldung der Position und Geschwindigkeit maximal alle 5 Sekunden seitens des Zuges an das RBC (Uplink) Zuweisung der Streckenfreigabe (Movement Authority) in der Regel alle 30 Sekunden seitens des RBC an den Zug (Downlink)

7. ETCS Level 2: Quality of Service

8. Herausforderungen von ETCS L2 via GSM-R • GSM-R basiert auf leitungsvermittelter Kommunikation. • Eine ETCS-Verbindung belegt einen Verkehrskanal für die gesamte Dauer der Fahrt. • Bei nur einer Trägerfrequenz ist die Anzahl der verfügbaren Verkehrskanäle auf maximal 7 beschränkt. (Erläuterung folgt ) • Mehr Teilnehmer lassen sich entweder nur durch die Zuweisung von weiteren Trägerfrequenzen oder durch eine bedarfsgerechte sowie dynamische Nutzung der vorhandenen Trägerfrequenzen versorgen. • Stichworte: • Paketvermittlung • GPRS: General Packet Radio Service

9. ETCS Level 3 Leitstelle Zugvollständigkeitsprüfung!! GSM-R EUROBALISE

10. Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung Kommunikationssteuerungsinformation ETCS 1 ETCS 2 ETCS 3 ETCS 4 Voice 2 Voice 1 Voice 3 Maximal 7 gleichzeitige ETCS-Verbindungen pro Trägerfrequenz ! TDMA-Rahmen 4.615ms t Kein Betriebsfunk/Sprachverkehr via GSM-R möglich!

11. Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung t TS 3 GPRS TS 4 GSM-R TDMA-Rahmen 4.615ms TS 6 GPRS t

12. ETCS Level 2  GPRS GSM-R GPRS EUROBALISE

13. GSM-R  GPRS PCU BSC MSC BSC PCU VLR AUC SGSN ISDN HLR EIR GGSN IP/X.25 RBC

14. Chancen durch GPRS Versorgung von mehr Teilnehmern bei konstanter Anzahl von Ressourcen als mit GSM-R Dynamische Zuweisung von mehr Datenrate an einen einzelnen Anwender als mit GSM-R Erhöhter Fehlerschutz / Höhere Übertragungssicherheit Praktisch kein Verbindungsabbruch Vollständige Wiederverwendung des Zugangsnetzes von GSM-R Geringe Investitionen in das Kernnetzwerk notwendig Zukunftsfähige Kommunikationsinfrastruktur durch den Umstieg auf das Internet Protocol (IP)

15. Übertragungsstrecke GSM-R vs. GPRS Blockierwahrscheinlichkeit OBU MT2 GSM-R ISDN NT RBC I-GSM I-GPRS Transfer Delay < 500ms I-FIX OBU MT2 GPRS IP NT RBC Wartewahrscheinlichkeit

16. Vergleich „Datenübertragung“ 80ms bis 160ms

17. Zufallszugriff / Random Access Die Mobilstation äußert den Sendewunsch über eine sog. Kanalanfrage Es steht nur ein Kanal für diese Anfrage pro Träger zur Verfügung RACH: Random Access Channel Bei gleichzeitigem Zugriff kommt es zu einer Kollision Die kollidierten Mobilstationen versuchen erneut zu senden Der Prozess der Kanalzuweisung verzögert sich Die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision steigt mit der Anzahl der Teilnehmer Verzögerungszeiten von 80ms bis 160ms Bei GPRS erfolgt dieser Prozess vor jeder Datenübertragung!!

18. Herausforderungen durch GPRS • Eigenschaften von GPRS: • Keine physikalische Dauerverbindung Nur virtuelle Verbindung • Kopplung von Ressourcenanforderung und Datenübertragung • Kollisionsbehafteter Kanalzugriff durch Zufallszugriff • Erhöhung des sogenannten „Transport Delay“ • Herausforderungen: • Minimierung der Kollisionen • Minimierung der Verzögerung durch die Ressourcenanforderung

19. GPRS  GPRS-R • Eisenbahnspezifisches GPRS  GPRS-R (RAIL) • Grundprinzipien: • Die ETCS-Nutzer sind dem System bekannt und können über eine eindeutige ID identifiziert und gesteuert werden. • Wechsel von zufallsgesteuerter Ressourcenanforderung zu einer zentralen Vergabe der Kanalkapazität. • Random Access vs. Polling • Das Netz weißt den Mobilstation aktiv Ressourcen zu

20. GPRS-R: Konzept Ein vollen allen Zügen abgehörter Rundfunkkanal beinhaltet die Informationen über die Frequenzen und den Zeitschlitz/-e für die Übertragung von ETCS-Telegrammen (Uplink und Downlink). Die Züge melden sich vor Fahrtbeginn im System an, so dass die Zentrale weiß, wann sich welcher Zug wo befindet. Basierend auf einer eindeutigen ID scannen die Züge dann die Downlink-Richtung des vorab definierten ETCS-Zeitschlitzes und können entscheiden, ob ein Block ausgewertet werden muss. Die Fahrwegfreigabe kann somit direkt an die Züge übertragen werden. Darüberhinaus kann das Netz über diesen Downlink-Zeitschlitz einem Zug auch Informationen über die zugewiesenen Ressourcen im Uplink des ETCS-Zeitschlitzes dynamisch zuweisen (k+1).

21. GPRS-R: Proof of Concept • Wie groß ist der maximale Verkehr in einer Zelle? Kann dieser zeitgerecht abgearbeitet werden? • Sendeperiode • Übertragungsdauer • Wieviele Nutzer können versorgt werden? • Wieviele Ressourcen (Zeitschlitze pro Trägerfrequenz) werden benötigt? • Übertragungssicherheit? • Redundanz / Wiederholungen • Empfangsbestätigung

22. ETCS-Telegrammlänge *Empfehlung der UIC **Radio-Block: Übertragung mit Coding Scheme 1 (CS-1)

23. Maximale Verkehrslast • Verkehrsmenge „Uplink“ pro Nutzer: 5 Radio-Blocks • Verkehrsmenge „Downlink“ pro Nutzer: 14 Radio-Blocks • Maximale Nutzerzahl pro Zelle: 40 • Anzahl Gleise pro Zelle: 4 • Zellradius: 2km • Fahrzeuglänge: 200m • Annahme: Stehender Verkehr / Stau in der Zelle • Maximale Verkehrsmenge „Uplink“: 200 Radio-Blocks • Maximale Verkehrsmenge „Downlink“: 560 Radio-Blocks • Wieviele Kanäle sind notwendig, um die zeitlichen Vorgaben einzuhalten?

24. Ressourcenbedarf GPRS-R „Uplink“ 5 MAC/RLC-Blöcke TS 1 59,995ms 96,915ms TS 2 Zusätzliche Ressourcen

25. Zeitliche Abhängigkeiten „Uplink“ 100% Redundanz

26. Zeitliche Abhängigkeiten „Downlink“

27. Übertragungssicherheit • Redundanz / Wiederholungen: • Bei konsekutiver Ressourcen-Zuweisung werden bei 40 Nutzern folgende Sendeperioden erreicht: • Positions- und Geschwindigkeitsmeldung: Alle 2,4 Sekunden möglich! • Fahrwegfreigabe: Alle 6,4 Sekunden möglich! • Damit liegt man in Bezug auf die Vorgabe einer maximalen Sendeperiode im Uplink mindestens Faktor 2 und im Downlink mindestens Faktor 4 besser als die Vorgabe der UIC. • Empfangsbestätigung: • Die Nutzung von 2 Zeitschlitzen im Uplink und Downlink lässt ausreichend Kapazitäten zur Übertragung von Empfangsbestätigungen auf Anwendungsebene

28. Vergleich „Datenübertragung“

29. Bewertung von GPRS-R • Nutzerzahl: • Die Reservierung von nur 2 Zeitschlitzen pro Träger für ETCS stellt eine ETCS-Versorgung für bis zu 40 Nutzern sicher! • Das Konzept lässt auf diesen 2 Zeitschlitzen ausreichend Kapazität für Redundanzkonzepte übrig!  Re-Transmission • Die verbleibenden 5 Zeitschlitze pro Trägerfrequenz können für mobile Sprachkommunikation genutzt werden! • Ende-zu-Ende-Verzögerung: • Die Kopplung von Ressourcenanforderung und Datenübertragung von GPRS entfällt gänzlich! • Die zeitlichen Vorgaben bzgl. Sendeperiode und Transport Delay werden eingehalten! • Der Einfluss häufiger Zellwechsel (Handover) muss noch untersucht werden!

30. Zusammenfassung und Ausblick • Beschränkte Ressourcen bei GSM-R • Besondere Betriebssituationen können nicht abgebildet werden • Umstieg auf paketvermittelnde Konzepte wird diskutiert • GPRS erscheint aufgrund geringer Investitionskosten sinnvoll • Aber: Zu hohe Übertragungsverzögerung bei GPRS • Lösung: • Zentrale Zuweisung der Ressourcen  GPRS-R • Reservierung von 2 Kanälen pro Zelle für ETCS ausreichend

31. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche Leibniz Universität Hannover Institut für Kommunikationstechnik IKT Appelstr. 9A 30167 Hannover E-Mail: ruesche@ikt.uni-hannover.de Mobil: +49 (0) 163 4933024