Welche Vorteile 5G für den Bahnsektor hat

| Redakteur: Hendrik Härter

Ein dynamischer Kupplungsvorgang: Für die sichere und schnelle Kommunikation der Züge untereinander eignet sich eine Funkwellenübertragung im Millimeterwellenband zwischen 63 und 64 GHz.
Ein dynamischer Kupplungsvorgang: Für die sichere und schnelle Kommunikation der Züge untereinander eignet sich eine Funkwellenübertragung im Millimeterwellenband zwischen 63 und 64 GHz. (Bild: DLR)

Auf einem Testgelände hat das DLR die sichere Datenübertragung über 5G zwischen Zügen gemessen. Messergebnisse zeigten, dass die Kommunikation bis zu 130 m möglich ist.

Mit 5G lassen sich nicht nur bei Autos C2Car-Kommunikation etablieren: 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 m 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 Millimeterwellenband zwischen 63 und 64 GHz. Für diesen im Mobilfunk noch wenig genutzten Frequenzbereich entwickelten Forscher des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation ein neues Millimeterwellen-Funkmodul. „Für eine sichere Automatisierung im Zugverkehr muss die Datenübertragung selbst unter schwierigsten Verhältnissen, wie hoher Zuggeschwindigkeit, in Echtzeit funktionieren. Deshalb haben wir die Übertragungseigenschaften in unserer Messkampagne unter die Lupe genommen“, sagt Stephan Sand, Projektleiter und Teamleiter Nachrichtensysteme.

Funkausbreitung im Millimeterwellen-Band messen

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 ermittelt 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.

Zur Analyse der Übertragungseigenschaften wurden die Millimeterwellen-Signale mit dem Channel-Sounder aufgezeichnet, ein vom DLR entwickeltes Messinstrument, mit dem die Ausbreitung der Funksignale analysiert wird. Darauf aufbauend können dann sichere und schnelle Kommunikationssysteme entwickelt werden.

Millimeterwellen bis 130 m messen

Die ersten Ergebnisse haben gezeigt: die Kommunikation über Millimeterwellen ist selbst über größere Distanzen bis zu 130 m 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 drahtloses TCMS 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.

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