Braunschweiger Verkehrskolloquium des Zentrums f

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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

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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

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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)

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ETCS Level 1
Leitstelle
EUROBALISE
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ETCS Level 2
Leitstelle
GSM-R
EUROBALISE
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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 km
43 Sekunden
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ETCS Level 2 Quality of Service
95 99 100
Connection Establishment Delay s lt8.5 -- lt10
Connection Establishment Error Ratio s -- -- 1/10²
Transfer Delay s -- 0,5 --
Connection Loss Rate /h -- -- 1/10²
Transmission Interference s lt0.8 lt1 --
Error Free Period s gt20 gt7 --
GSM-R Network Registration Delay s 30 35 40
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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

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ETCS Level 3
Leitstelle
Zugvollständigkeitsprüfung!!
GSM-R
EUROBALISE
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Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung
Kommunikationssteuerungsinformation
ETCS 1
ETCS 2
ETCS 3
ETCS 4
Voice 2
Voice 1
Voice 3
Maximal 7 gleichzeitige ETCS-Verbindungen pro
Trägerfrequenz !
TDMA-Rahmen
4.615ms
t
Kein Betriebsfunk/Sprachverkehr via GSM-R möglich!
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Leitungsvermittlung vs. Paketvermittlung
t
TS 3
GPRS
TS 4
GSM-R
TDMA-Rahmen
4.615ms
TS 6
GPRS
t
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ETCS Level 2 ? GPRS
GSM-R
GPRS
EUROBALISE
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GSM-R ? GPRS
BSC
MSC
BSC
PCU
PCU
VLR
AUC
SGSN
ISDN
HLR
EIR
GGSN
IP/X.25
RBC
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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 Übertragungssicherh
  eit
• 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)

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Übertragungsstrecke GSM-R vs. GPRS
Blockierwahrscheinlichkeit
OBU
MT2
NT
RBC
GSM-R
ISDN
I-GSM I-GPRS
Transfer Delay lt 500ms
I-FIX
OBU
MT2
NT
RBC
GPRS
IP
Wartewahrscheinlichkeit
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Vergleich Datenübertragung
GSM-R GSM-R GPRS GPRS
Ressourcenanforderung 1x Leitungs- Vermittlung Nx Paket- Vermittlung
Ident. / Auth. / Ciph. 1x Leitungs- Vermittlung 1x Paket- Vermittlung
Ressourcenzuweisung 1x Leitungs- Vermittlung Nx Paket- Vermittlung
Laufzeit Luftschnittstelle konstant Leitungs- Vermittlung konstant Paket- Vermittlung
Laufzeit Core-Netzwerk konstant Leitungs- Vermittlung konstant Paket- Vermittlung
Laufzeit Transport-Netzwerk konstant Leitungs- Vermittlung konstant Paket- Vermittlung
Verbindungsabbau 1x 1x
80ms bis 160ms
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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!!

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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

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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 Ressourcenanforderu
  ng zu einer zentralen Vergabe der Kanalkapazität.
• Random Access vs. Polling
• Das Netz weißt den Mobilstation aktiv Ressourcen
  zu

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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 (k1).

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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

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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)
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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?

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Radio-Block vs. TDMA-Multirahmen
52er-Multirahmen
TS 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
11
TA
TA
TA
I
Radio-Block 4 x 4,615ms

• Kleinste Ressourceneinheit pro Nutzer!!

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Ressourcenbedarf GPRS-R Uplink
5 MAC/RLC-Blöcke
TS 1
96,915ms
59,995ms
TS 2
Zusätzliche Ressourcen
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Zeitliche Abhängigkeiten Uplink
100 Redundanz
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Ressourcenbedarf GPRS-R Downlink
8 MAC/RLC-Blöcke 156,91ms
TS 1
52er-Multirahmen
TS 2
Zusätzliche Ressourcen
28
Zeitliche Abhängigkeiten Downlink
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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

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Vergleich Datenübertragung
GPRS GPRS GPRS-R GPRS-R
Ressourcenanforderung Nx Paket-vermittlung 1x Paket-vermittlung
Ident. / Auth. / Ciph. 1x Paket-vermittlung 1x Paket-vermittlung
Ressourcenzuweisung Nx Paket-vermittlung 1x Paket-vermittlung
Laufzeit Luftschnittstelle konstant Paket-vermittlung konstant Paket-vermittlung
Laufzeit Core-Netzwerk konstant Paket-vermittlung konstant Paket-vermittlung
Laufzeit Transport-Netzwerk konstant Paket-vermittlung konstant Paket-vermittlung
Verbindungsabbau 1x 1x
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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!

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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

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• Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
• Kontakt
• Dipl.-Ing. Simon F. Rüsche
• Leibniz Universität Hannover
• Institut für Kommunikationstechnik IKT
• Appelstr. 9A
• 30167 Hannover
• E-Mail ruesche_at_ikt.uni-hannover.de
• Mobil 49 (0) 163 4933024