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

Braunschweiger Verkehrskolloquium des Zentrums für Verkehr Braunschweig (ZVB)

15. Januar 2009

Untersuchungen von Kapazitätssteigerungen des ERTMS durch die Einführung von paketorientierten drahtlosen

Übertragungsverfahren am Beispiel GPRS

Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche

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

215.01.2009


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)

315.01.2009


ETCS Level 1

EUROBALISE

Leitstelle

415.01.2009


ETCS Level 2

EUROBALISE

GSM-R

Leitstelle

515.01.2009


Kommunikation ETCS Level 2

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)

4 km43 Sekunden

615.01.2009


ETCS Level 2: Quality of Service

95% 99% 100%

Connection Establishment Delay s <8.5 -- <10

Connection Establishment Error Ratio s -- -- ≤1/10²

Transfer Delay s -- ≤0,5 --

Connection Loss Rate /h -- -- ≤1/10²

Transmission Interference s <0.8 <1 --

Error Free Period s >20 >7 --

GSM-R Network Registration Delay s ≤30 ≤35 ≤40

715.01.2009


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

815.01.2009


ETCS Level 3

Zugvollständigkeitsprüfung!!

GSM-R

EUROBALISE

Leitstelle

915.01.2009



4.615ms

KommunikationssteuerungsinformationETCS 1ETCS 2ETCS 3ETCS 4Voice 2Voice 1Voice 3

Maximal 7 gleichzeitige ETCS-Verbindungen pro Trägerfrequenz !

Kein Betriebsfunk/Sprachverkehr via GSM-R möglich!

t

TDMA-Rahmen

1015.01.2009


t


t

4.615msTS 4 GSM-R

TS 3 GPRS

TS 6 GPRS

TDMA-Rahmen

1115.01.2009


ETCS Level 2 GPRS

GSM-RGPRS

EUROBALISE

1215.01.2009


GSM-R GPRS

BSC MSC

ISDNVLR

HLR

AUC

EIR

SGSN

GGSN

IP/X.25

BSCPCU

RBC

PCU

1315.01.2009


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)

1415.01.2009


Übertragungsstrecke GSM-R vs. GPRS

OBU MT2 NT RBCGSM-R ISDN

I-GSMI-GPRS I-FIX

OBU MT2 NT RBCGPRS IP

Transfer Delay < 500ms

Blockierwahrscheinlichkeit

Wartewahrscheinlichkeit

1515.01.2009


Vergleich „Datenübertragung“

GSM-R GPRS

Ressourcenanforderung 1x

Leitungs-Vermittlung

N*x

Paket-Vermittlung

Ident. / Auth. / Ciph. 1x 1*x

Ressourcenzuweisung 1x N*x

Laufzeit Luftschnittstelle konstant

Leitungs-Vermittlung

konstant

Paket-Vermittlung

Laufzeit Core-Netzwerk konstant konstant

Laufzeit Transport-Netzwerk konstant konstant

Verbindungsabbau 1x 1*x

80ms bis 160ms

1615.01.2009


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!!

15.01.200917


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

1815.01.2009


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

1915.01.2009


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).

2015.01.2009


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

2115.01.2009


ETCS-Telegrammlänge

Protokollschicht Zug RBC RBC Zug

Anwendung* 32 Byte 200 Byte

Transport Control Protocol TCP 32 Byte 32 Byte

Internet Protocol IP 20 Byte 20 Byte

Sub Network Dependent Convergence Protocol SNDCP 4 Byte 4 Byte

Logical Link Control LLC 6 Byte 6 Byte

Gesamt: 92 Byte 262 Byte

MAC/RLC-Blöcke** 5 14

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

2215.01.2009


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?

15.01.200923


Ressourcenbedarf GPRS-R „Uplink“

TS 1

96,915ms

5 MAC/RLC-Blöcke

TS 2

59,995ms

Zusätzliche Ressourcen

2515.01.2009


Zeitliche Abhängigkeiten „Uplink“

100% Redundanz

2615.01.2009


Zeitliche Abhängigkeiten „Downlink“

2815.01.2009


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

2915.01.2009


Vergleich „Datenübertragung“

GPRS GPRS-R

Ressourcenanforderung N*x

Paket-vermittlung

1*x

Paket-vermittlung

Ident. / Auth. / Ciph. 1*x 1*x

Ressourcenzuweisung N*x 1*x

Laufzeit Luftschnittstelle konstant

Paket-vermittlung

konstant

Paket-vermittlung

Laufzeit Core-Netzwerk konstant konstant

Laufzeit Transport-Netzwerk konstant konstant

Verbindungsabbau 1*x 1*x

3015.01.2009


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!

3115.01.2009


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

3215.01.2009


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:

Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche

Leibniz Universität Hannover

Institut für Kommunikationstechnik IKT

Appelstr. 9A

30167 Hannover

E-Mail: [email protected]

Mobil: +49 (0) 163 4933024

3315.01.2009

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