5G für die Zug-zu-Zug-Kommunikation

Die neuen 5G-Mobilfunk­systeme ermöglichen eine zuver­lässige, sichere und drahtlose Daten­übertragung. Damit wird im Schienen­verkehr das virtuelle Kuppeln – selbstständig und berührungslos – 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 Tech­nischen Hochschule 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.

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 Frequenz­bereich zwischen 63 und 64 Gigahertz. Für diesen im Mobilfunk noch wenig genutzten Frequenzen 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 Projekt­leiter Stephan Sand.

Im Rahmen ihrer Messkampagne haben die Forscher auf einem Schienen­testgelände die Übertragungs­möglichkeiten zwischen Zugwaggons auf kurzen und mittleren Distanzen untersucht. Dabei konnten sie 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 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 werden sowie gerade und gekrümmte Gleis­abschnitte verglichen werden. Zur Analyse der Übertragungs­eigenschaften, wurden die Signale aufgezeichnet, um deren Ausbreitung zu analysieren. Darauf aufbauend können dann sichere und schnelle Kommunikations­systeme entwickelt werden.

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 diese Funkver­bindungen übertragen, die drahtlose Zugsteuerungs- und Überwachungs­systeme (Train Control and Monitoring Systems; TCMS) ermöglichen. Drahtloses TCMS bietet viele Vorteile gegenüber den aktuell verdrahteten Systemen wie etwa einen zusätzlichen, extrem sicheren Übertra­gungsweg zur elek­trischen Kupplung, die mehr als 100 sensible elektrische Kontakte enthält.

Da die elek­trischen Kupplungen stark 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, droht hier kein Ausfall aufgrund von elektro­mechanischen Belastungen. 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 vollauto­matisiert werden.

DLR / JOL