Digitale Schiene Deutschland und Partner entwickeln FRMCS-Systemdesign für das digitale Bahnsystem
Die Digitale Schiene Deutschland hat in vier Forschungsprojekten gemeinsam mit den Industriepartnern Ericsson, Kontron Transportation, Nokia und Vodafone die Kernaspekte des 5G-basierten Future Railway Mobile Communication Systems (FRMCS) untersucht. Die Erkenntnisse ermöglichen ein FRMCS-Design, das den Anforderungen des digitalisierten Bahnsystems gerecht wird und effizient umsetzt.
Digitalisierung, Automatisierung und künstliche Intelligenz sind der Schlüssel für eine höhere Kapazität und eine optimale Auslastung des Schienennetzes. Im Rahmen der Sektorinitiative Digitale Schiene Deutschland (DSD) hat sich die Deutsche Bahn AG zum Ziel gesetzt, den Bahnbetrieb auf ein neues Niveau zu heben, indem sie innovative digitale Technologien zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Bahnsystems erprobt und einführt. Der höhere Automatisierungsgrad geht mit neuen Anwendungsfällen und anspruchsvolleren Anforderungen an die Datenkommunikation einher. Die Datenraten steigen durch die Übertragung von Video- und Sensorinformationen, während Systeme zur Vorbeugung und zum Management von Störungen geringe Latenzzeiten und eine hohe Zuverlässigkeit der Kommunikation erfordern.
Moderne 5G-Technologie ist die Grundlage für ein leistungsfähiges und flexibles Bahnkommunikationssystem der Zukunft: Future Railway Mobile Communication System, kurz FRMCS. FRMCS wird das derzeitige 2G-basierte GSM-R-System ersetzen, welches die Konnektivitätsanforderungen des digitalisierten Bahnsystems nicht erfüllen kann und für Mitte der 2030er abgekündigt ist. Ein zentrales Design-Paradigma ist die maximale Nutzung von kommerziellen Standardkomponenten, die den Anforderungen der Bahn entsprechen, ohne explizit für die Bahn entwickelt zu werden. Zusätzlich zur 5G Technologie wird FRMCS die „Mission Critical Services“ (MCX) nutzen, ein Framework, welches Applikationen im Eisenbahnbereich spezifische Funktionalitäten bietet und von 3GPP (3rd Generation Partnership Program) standardisiert wird.
Gemeinsam mit wichtigen Industriepartnern hat DSD in vier Forschungsprojekten verschiedene Designaspekte von FRMCS untersucht.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen Ericsson und DSD wurde das allgemeine 5G Ende-zu-Ende-Design für FRMCS untersucht. Gegenstand waren relevante 5G-Funktionen, Konfigurationen und Deployment-Optionen, welche den Anforderungen des digitalisierten Bahnsystems entsprechen sollen. Das Kommunikationssystem wurde in Bezug auf geringe Latenzen und minimale Unterbrechungen zur Erhöhung der Service-Kontinuität im Zusammenhang mit Zellübergaben, Edge-Cloud Deployments und Grenzübertritten untersucht. Es wurden 5G-basierte Quality of Service (QoS)-Mechanismen einbezogen und Empfehlungen für geeignete Konfigurationen identifiziert, die die angestrebten Konnektivitätsanforderungen widerspiegeln. Darüber hinaus wurde eine vorläufige 5G-Referenzarchitektur mit Optionen für das Deployment von Netzfunktionen vorgestellt. Weitere Einzelheiten zu dem Projekt und den Ergebnissen finden sich hier.
Die Unterstützung der MCX-Technologie in FRMCS wurde im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen Kontron Transportation, einem weltweit führenden Anbieter von Ende-zu-Ende-Kommunikationslösungen für unternehmenskritische und Carrier-Netzwerke, betrachtet. Zur Unterstützung der noch laufenden FRMCS-Standardisierungsaktivitäten fokussierte das Projekt darauf, MCX-Funktionalitäten zu untersuchen, die für FRMCS bestmöglich genutzt werden können, um die Anforderungen des zukünftigen digitalisierten Bahnbetriebs zu erfüllen. Darüber hinaus wurden potenzielle technische Realisierungen, einschließlich MCX-Services, 3GPP Bausteinen und Schnittstellen im FRMCS-System ausgearbeitet. Schließlich wurde die Integration von 5G und MCX in das FRMCS-System untersucht, was zu technischen Empfehlungen für künftige FRMCS-Standardisierungsarbeiten führte. Weitere Einzelheiten sind hier zu finden.
Der Bahnbetrieb ist von Natur aus „mission-critical“. Die Ausfallsicherheit spielt daher eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Leistung durch Minimierung von Betriebsunterbrechungen und Gewährleistung der Sicherheit. Im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen Nokia und DSD wurden verschiedene Architekturoptionen und Funktionen, die in 5G verfügbar sind, auf ihre Eignung für die Ausfallsicherheit zukünftiger Anwendungsfälle im Bahnbetrieb hin analysiert. Es wurden Redundanzkonzepte für das glasfaserbasierte, streckenseitige Transportnetz sowie für aktive 5G-Komponenten und die Compute Plattform untersucht. Die Anwendbarkeit verschiedener Split-Optionen im Radio Access Netzwerk der Bahn wurde zusammen mit ihren Auswirkungen auf die Kosten untersucht. Darüber hinaus wurden die Themen Orchestration und IT-Sicherheit berücksichtigt, um ein robustes FRMCS-Netzwerkdesign zu erreichen. Weitere Einzelheiten über die Zusammenarbeit und die Ergebnisse finden sich hier.
Flexible und zuverlässige Datenkommunikation ist der Schlüssel für die Digitalisierung des Bahnsystems. Aus verschiedenen regulatorischen und rechtlichen Gründen beabsichtigt die DB, sich hauptsächlich auf eine DB-eigene FRMCS-Infrastruktur zu stützen. Diese muss jedoch gegebenenfalls durch die Nutzung öffentlicher Netze ergänzt werden, zum Beispiel als Rückfalllösung oder Kapazitätserweiterung. In einem gemeinsamen Projekt haben Vodafone und DSD die Vorteile hybrider FRMCS- Netzarchitekturen entwickelt und analysiert, die Redundanz für den Fall bieten, dass das DB betriebene 5G Netz nicht verfügbar ist. Darüber hinaus bietet der hybride Ansatz die Möglichkeit, beide 5G-Netze parallel zu nutzen, um die Netzkapazität für nicht-kritische Anwendungen im Bahnbetrieb zu erhöhen. Als Ergebnis wurden verschiedene realisierbare Netzarchitekturen ermittelt, für welche kürzlich spezifizierte 3GPP Schnittstellen verwendet werden. Weitere Einzelheiten zu diesem Projekt finden sich hier.
Die vier Kooperationsprojekte boten für alle Beteiligten hohen Mehrwert bezüglich der Abstimmung von Architekturprinzipien, der Bewertung potenzieller Implementierungsoptionen und der Identifizierung von Standardisierungslücken, die für den laufenden Standardisierungsprozess in den verschiedenen Gremien relevant sind. Die Ergebnisse der Kooperationen ebnen den Weg zu einem zukünftigen Mobilfunksystem, welches nicht nur die Anforderungen des digitalisierten Bahnsystems erfüllt, sondern dies auch kosteneffizient und zukunftssicher ermöglicht.
Im Downloadbereich finden Sie alle vier Forschungsberichte sowie weitere Veröffentlichungen der Digitalen Schiene Deutschland.