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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
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ETCS Level 1
EUROBALISE
Leitstelle
415.01.2009
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ETCS Level 2
EUROBALISE
GSM-R
Leitstelle
515.01.2009
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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
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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
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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
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ETCS Level 3
Zugvollständigkeitsprüfung!!
GSM-R
EUROBALISE
Leitstelle
915.01.2009
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Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung
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
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t
Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung
t
4.615msTS 4 GSM-R
TS 3 GPRS
TS 6 GPRS
TDMA-Rahmen
1115.01.2009
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ETCS Level 2 GPRS
GSM-RGPRS
EUROBALISE
1215.01.2009
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GSM-R GPRS
BSC MSC
ISDNVLR
HLR
AUC
EIR
SGSN
GGSN
IP/X.25
BSCPCU
RBC
PCU
1315.01.2009
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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
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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
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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
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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
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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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
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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
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Ressourcenbedarf GPRS-R „Uplink“
TS 1
96,915ms
5 MAC/RLC-Blöcke
TS 2
59,995ms
Zusätzliche Ressourcen
2515.01.2009
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Zeitliche Abhängigkeiten „Uplink“
100% Redundanz
2615.01.2009
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Zeitliche Abhängigkeiten „Downlink“
2815.01.2009
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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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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
Braunschweiger Verkehrskolloquium des ZVB Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
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