GSM-R

GSM-R-Basisstation an der NBS Ingolstadt–Nürnberg

Global System for Mobile Communications – Rail(way) (GSM-R oder GSM-Rail) ist ein Mobilfunksystem, das auf dem weltweit dominierenden Funkstandard GSM aufbaut, jedoch für die Verwendung bei den Eisenbahnen angepasst wurde.

Entwicklung

Im Zuge des zusammenwachsenden Europas wurde auch im Bereich Zugfunk eine einheitliche, standardisierte und europaweit interoperable Lösung notwendig. In der EG-Richtlinie 96/48 vom 23. Juli 1996 wird deshalb die Interoperabilität für den transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsverkehr ab Mai 1999 zur gesetzlichen Pflicht gemacht.

Im Jahr 1997 verpflichteten sich deshalb 32 europäische Bahnverwaltungen zur GSM-R-Einführung. Damit wird die Interoperabilität bei der mobilen Kommunikation im Bahnbetrieb europaweit gewährleistet. Die funktionale Anforderungsspezifikation wurde Ende Juni 1998 von den Generaldirektoren der Bahnunternehmen der UIC genehmigt.

Ein weiterer Grund für die Einführung des neuen Funkstandards war, dass die bislang betriebenen analogen Funksysteme veraltet und somit nicht mehr wirtschaftlich zu betreiben sind. Alleine die Deutsche Bahn betreibt seit den sechziger Jahren acht verschiedene Analog-Funk-Systeme: Zugfunk, Rangierfunk, Kfz-Funk, Betriebs- und Instandhaltungsfunk und weitere.

Später beschlossen dann auch außereuropäische Bahnverwaltungen, GSM-R einzuführen.

Technik

GSM-R ist ein auf GSM aufbauender Mobilfunkstandard, der seit 1992 vom Internationalen Eisenbahnverband (Union Internationale des Chemins de fer, UIC) betreut und weiterentwickelt wird. Dies geschah zuerst im Rahmen des Projekts EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network), seit Ende 2006 im Rahmen des Projekts ERTMS. Auf diesem Weg werden die über GSM hinausgehenden, GSM-R-spezifischen Spezifikationen erarbeitet, die dann als FRS (Functional Requirements Specifications) und SRS (System Requirement Specification) veröffentlicht werden. Neben GSM-R ist die ERTMS-Projektgruppe der UIC auch für ETCS zuständig.

Neben der Sprachkommunikation soll GSM-R als Transportmedium für ETCS-Daten dienen, die neben der Zugsicherung auch Zugfernsteuerung, Stellwerkskommunikation und die Überwachung des Zuglaufs ermöglichen.

Um alle Applikationen des GSM-R-Netzes für die Fahrdienstleiter und Disponenten zu nutzen, kommen spezielle Fixed Terminal Systems (FTS) zum Einsatz. GSM-R kann nur mit speziellen GSM-R fähigen Mobilfunkgeräten und speziellen GSM-R-tauglichen SIM-Karten genutzt werden.

GSM-R kennt zwei Betriebsmodi, die sich in wesentlichen Parametern voneinander unterscheiden.

Betrieb im GSM-Modus

Für den Betrieb im GSM-Modus kommen die für Netze nach GSM-Standard spezifizierten Betriebsparameter zur Anwendung. Ein GSM-R-Netz im GSM-Modus entspricht weitgehend einem öffentlich zugänglichen GSM-Netz, jedoch sind seitens der UIC zusätzliche Dienste gefordert, und einige Parameter aus Standard-GSM wurden enger spezifiziert. Die Unterschiede sind im Einzelnen:

• Die Unterstützung von Funktionsrufnummern für Sprach- und Datenanrufe ist erforderlich
• Funktionsrufnummern müssen vom Netz aufgelöst und auf den Endgeräten in Textform dargestellt werden
• Die Anrufzustellung abhängig vom Aufenthaltsort des Anrufenden muss möglich sein. Auf diese Art kann etwa, abhängig vom Aufenthaltsort, mit der gleichen Rufnummer immer der zuständige Fahrdienstleiter erreicht werden
• Die Implementierung eines bahnspezifischen Notrufs ist erforderlich
• Die Implementierung der Advanced Speech Call Items ist erforderlich
• Die Implementierung des GSM-Dienstes VBS (Voice Broadcast Service) ist erforderlich. Hierbei handelt es sich um einen Sammelanruf für Einwegkommunikation, d. h. der Anrufende kann sprechen, alle Angerufenen können nur zuhören (Durchsagedienst).
• Die Implementierung des GSM-Dienstes VGCS Voice Group Call Service ist erforderlich. Hierbei handelt es sich um einen Sammelanruf, der zeitgleich an ganze Nutzergruppen zugestellt wird und in dem alle Teilnehmer sprechen können
• Die Unterstützung von Funktionsrufnummern für VBS und VGCS ist erforderlich. Hierbei müssen Adressierungsmöglichkeiten wie etwa alle Züge oder gesamtes Zugpersonal unterstützt werden
• Für Sprachverbindungen muss ein spezieller Rangiermodus implementiert werden. Dieser beinhaltet die Schaltung eines link assurance signal, eines Verbindungskontrollsignals, das allen Beteiligten regelmäßig das Bestehen einer Verbindung in Form eines Kontrolltons anzeigt
• Die Implementierung von eMLPP ist erforderlich. Jedem Anruf muss eine Prioritätsstufe zugewiesen werden, das Netz muss die Verdrängung von Anrufen niedriger Priorität durch höher priorisierte Anrufe unterstützen, verdrängte Anrufe sollen beendet werden. Die folgenden Prioritätsstufen werden in GSM-R vergeben:
  • bahnspezifische Notrufe (railway emergency)
  • sicherheitsrelevante Übertragungen (control-command (safety))
  • öffentliche Notrufe (etwa an die 112) und Gruppenanrufe zwischen Lokführern (public emergency and group calls between drivers in the same area)
  • betriebsrelevante Übertragungen und Rangiermodus (railway operation)
  • sonstige Anrufe (railway information)
• Ein spezifischer Datendienst für ETCS muss implementiert werden
• In den verwendeten SIM-Karten müssen Datenfelder für GSM-R-spezifische Daten angelegt werden
• Die Unterstützung von Endgeräten, die sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 km/h bewegen, muss sichergestellt werden
• Ein Versorgungspegel von mindestens 38,5 dBμV/m (entspricht -98 dBm) mit einer Versorgungswahrscheinlichkeit von 95 % für Sprachverbindungen und nicht sicherheitskritische Anwendungen muss sichergestellt werden
• Ein Versorgungspegel von mindestens 41,5 dBμV/m (entspricht -95 dBm) mit einer Versorgungswahrscheinlichkeit von 95 % für Strecken mit ETCS Level 2/3 bei Geschwindigkeiten von bis zu 220 km/h muss sichergestellt werden
• Rufaufbauzeiten für bahnspezifische Notrufe müssen in mindestens 95 % der Fälle kleiner als 2 Sekunden sein
• Rufaufbauzeiten für Gruppenrufe zwischen Teilnehmern eines Rufbereichs müssen in mindestens 95 % der Fälle kleiner als 5 Sekunden sein
• Fest eingebaute Endgeräte müssen bei Ausfall der Stromversorgung mindestens eine Stunde weiter funktionieren, wobei das Gerät 15 Minuten benutzt werden kann

Der GSM-Modus von GSM-R wurde für den gesamten R-GSM Frequenzbereich spezifiziert. Die tatsächliche Zuteilung der Frequenzbereiche erfolgt durch die Regulierungsbehörden der einzelnen Staaten. Roaming zwischen GSM-R und öffentlichen GSM-Netzen ist möglich.

Funktionsrufnummern

Die Implementierung von Funktionsrufnummern bedeutet, dass das Netz neben den individuellen, an die SIM-Karte gebundenen Rufnummern, zusätzliche Rufnummern für bestimmte Endstellen und Funktionsträger zur Verfügung stellt.

Auf diese Art können Funktionsträger in einem Zug (etwa der Triebfahrzeugführer oder der Zugführer bzw. bei DB Fernverkehr der Zugchef), die Besatzung einer Lokomotive, eine Rangier- oder Wartungsgruppe, ein bestimmter Fahrdienstleiter oder etwa der Zugdatenrecorder erreicht werden, ohne die jeweilige individuelle Rufnummer kennen zu müssen. Es ist außerdem möglich, Funktionsträger gruppenweise zu adressieren, beispielsweise die gesamte Besatzung eines Zuges oder alle Lokführer, die eine bestimmte Strecke befahren.

Beispiele, abgeleitet aus dem von der UIC vorgeschlagenen Rufnummernplan:

Mit der Rufnummer 1300 erreicht man den örtlich zuständigen Fahrdienstleiter

• 1 als Kennung für einen Anruf zu einer Kurzwahl
• 300 für den regional passenden, ersten Fahrdienstleiter

Mit der Rufnummer 21768701 erreicht man den Lokführer in einem Zug

• 2 als Kennung für einen Anruf zu einer Funktionsrufnummer in einem Zug
• 17687 ist die Zugnummer

01 ist der erste Lokführer dieses Zugs (Leading driver)

• Diese Nummer wird dynamisch vergeben, der Zug muss sich darauf registrieren

Mit der Rufnummer 412345678901 erreicht man den Lokführer in einem Triebfahrzeug

• 4 als Kennung für einen Anruf zu einer Funktionsrufnummer in einem Triebfahrzeug
• 123456789 ist die Triebfahrzeugnummer (vgl. Fahrzeugliste der DB)
• 01 ist der erste Lokführer dieses Zugs (Leading driver)
• Diese Nummer wird statisch vergeben und gehört fest zum jeweiligen Triebfahrzeug

Bahnspezifischer Notruf

Beim bahnspezifischen Notruf handelt es sich um einen Anruf mittels VGCS der, abhängig vom Standort des Anrufenden und der angerufenen Notrufnummer, an festgelegte Nutzergruppen zugestellt, speziell signalisiert und automatisch verbunden wird. Durch die spezielle Signalisierung wird der Rufaufbau verkürzt und Rufe mit niedrigerer Priorität werden verdrängt. Jedes GSM-R-Endgerät muss für diese Art des Notrufs eine spezielle, rote Taste haben. Über die anzurufende Notrufnummer entscheidet nicht der Anwender, sondern die Verwendung des Geräts. Zum Beispiel konfiguriert ein GSM-R-Endgerät, das für einen Rangiermitarbeiter im Netz angemeldet wird, automatisch die korrekte Notrufnummer. Die dafür notwendige Informationen sind auf der SIM-Karte des Endgerätes und in der MSC hinterlegt. Bahnnotrufe werden auf Anweisung des Eisenbahn-Bundesamtes (EBA) für eine spätere Auswertung des Unfallgeschehens aufgezeichnet.

Für die adressierbaren Notrufgruppen sind folgende Notrufnummern definiert:

• 299 Notruf für Zuggruppen und Triebfahrzeugführer
• 539 Notruf für Bahnhofs- und Sicherheitspersonal
• 569 Notruf für Technik- und Wartungspersonal (Trackside maintenance groups)
• 579 Fahrdienstleiternotruf
• 599 Rangiergruppennotruf

Betrieb im Direct-Modus

Für reine Kurzstreckenkommunikation oder Betriebsfälle, in denen kein GSM-R-Netz im GSM-Modus zur Verfügung steht, wurde der Direct-Modus spezifiziert, jedoch zurzeit nicht bei der Deutschen Bahn eingesetzt (Stand 2014). In diesem Betriebsmodus können Endgeräte ohne weitere Infrastruktur direkt miteinander kommunizieren. Die verwendeten Betriebsparameter sind in diesem Fall:

• Frequenzbereich 873,0 MHz bis 880,0 MHz, Kanalabstand 12,5 kHz
• Frequenzmodulation, Sendeleistung max. 1 W
• Halbduplexbetrieb
• Mindestempfindlichkeit des Empfängers –107 dBm
• Mindestreichweite 2000 m
• Der im GSM-Modus vorhandene Rangiermodus muss einschließlich des Verbindungskontrollsignals implementiert werden
• Tragbare Endgeräte müssen eine Mindestlaufzeit von 8 Stunden aufweisen, bezogen auf eine Aufteilung von 20 % Sendebetrieb, 20 % Empfangsbetrieb und 60 % Stand-by

Verwendung

Weltweiter Einsatz von GSM-R, Stand April 2009

Land	Betreiber	Status	Streckenlänge mit GSM-R geplant	Nutzer
Algerien	ANESRIF	im Aufbau
Australien	RailCorp	im Aufbau	40
Belgien	SNCB/NMBS	in Betrieb	3000	400
Bulgarien	NRIC	im Aufbau	1020
Dänemark	Banedanmark	in Planung	2000
Deutschland	DB Netz AG	in Betrieb	29300	31346
Kroatien		in Planung	1280
Finnland	RHK	in Betrieb	4970	100
Frankreich	RFF	in Betrieb	14400
Griechenland		Testbetrieb	707
Großbritannien	Network Rail Limited	in Betrieb	14780	8452
Indien	IR	in Betrieb	3200
Irland	CIÉ	im Aufbau
Italien	RFI	in Betrieb	10199	3000
Litauen	Lietuvos Geležinkeliai	in Betrieb	1179
Luxemburg	ACF	im Aufbau	275
Mexiko		im Aufbau	35
Niederlande	ProRail	in Betrieb	3050	6900
Nordirland		Machbarkeitsstudien
Norwegen	JBV	in Betrieb	3800	4420
Österreich	ROeEE / ÖBB Infra	in Betrieb	3500	820
Polen	PKP	im Aufbau	15000
Portugal		in Planung	2600
Rumänien		in Planung	750
Russland		Machbarkeitsstudien
Saudi-Arabien		im Aufbau	2493
Schweden	Banverket, seit 2010 Trafikverket	in Betrieb	9850	4300
Schweiz	SBB/CFF/FFS	in Betrieb	3100	5100
Slowakei		in Betrieb	884
Slowenien	AZP	Pilotbetrieb	1226
Spanien	ADIF	in Betrieb	10189	1900
Tschechien	Czech Railways	in Betrieb	5400	300
Türkei		im Aufbau	1720
Ungarn	VPE	im Aufbau	900
Vereinigte Staaten	US/DOT	Machbarkeitsstudien
Volksrepublik China	CR Group	in Betrieb	3896

In Zusammenarbeit mit der Firma Nortel hat Kapsch ein GSM-R-Netz in der Slowakischen Republik für die Bahn (ŽSR) aufgebaut und Anfang September 2006 in Betrieb genommen. Auch in Slowenien baut Kapsch gemeinsam mit Iskratel bis 2015 ein GSM-R auf einer Strecke von 1200 Kilometer auf. Ein weiterer Lieferant ist Nokia Solutions and Networks NSN (bis 2013: Nokia-Siemens-Networks). NSN-GSM-R-Netze sind zum Beispiel in Schweden (erstes GSM-R-Netz weltweit), Holland und Italien in Betrieb.

Verwendung bei der Deutschen Bahn

1998 entschied die Deutsche Bahn, den in den 1970er Jahren eingeführten analogen Zugfunk vollständig auf GSM-R umzustellen.

Im Januar 1998 wurden GSM-R-Funktests auf der Strecke zwischen Stuttgart und Bruchsal durchgeführt. Im Jahr 2001 wurde das System auf einem 15 km langen Testabschnitt Bitterfeld–Gräfenhainichen der Strecke Berlin–Halle vollständig in Betrieb genommen.

In Deutschland reservierte die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (jetzt Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen) die Frequenzbereiche 876,0–879,8 MHz und 921,0–924,8 MHz (das sind die Kanäle 955–974) für GSM-R im GSM-Modus. Somit stehen insgesamt 20 Kanäle mit einer Bandbreite von 200 kHz für die Kommunikation zur Verfügung. Ende 2009 gab die Bundesnetzagentur einem Antrag der Deutschen Bahn aus dem Jahr 2005 statt, wonach das Unternehmen zukünftig ein sieben statt bislang vier Megahertz breites Band (E-GSM-R) nutzen darf. Das Unternehmen rechnet damit, die zusätzlichen Frequenzen ab 2015^[veraltet] einsetzen zu können. Allerdings kann der zusätzlich zugewiesene Frequenzbereich von 873,0–876,0 MHz und 918,0–921,0 MHz im Moment (Stand: 2009) nicht für Anwendungen nach GSM-Standard genutzt werden, da dieser Frequenzbereich in den GSM-Spezifikationen nicht vorgesehen ist, es sind also nur PMR-Anwendungen oder Nutzung des Direct-Modus möglich. Die Deutsche Bahn kritisiert außerdem, dass in diesem Spektrum auch andere Betriebs- und Bündelfunkanwendungen zulässig sind.

Die Deutsche Bahn stellte am 1. Oktober 1999 ihre Pläne für den Aufbau eines GSM-R-Netzwerks vor. Bis Ende 2002 sollten dabei 27.000 Strecken-Kilometer mit 2800 Basisstationen abgedeckt werden. Im Frühjahr 2001 plante das Unternehmen, binnen drei Jahren 25.000 km mit GSM-R zu versorgen. Dabei sollten 1,5 Milliarden Euro in die Streckeninfrastruktur und 250 Millionen Euro in die Zugterminals investiert werden. Im Frühjahr 2004 kündigte das Unternehmen an, im Jahr 2005 GSM-R auf mehr als 24.000 Streckenkilometern in Betrieb zu nehmen. In einem ersten Schritt sollten in der Nacht zum 2. Januar 2005 rund 2.300 km im DB-Netz-Bereich Südwest umgeschaltet werden.

Umstritten war, inwieweit private Eisenbahnverkehrsunternehmen zur Umstellung auf GSM-R gezwungen werden können. Kritiker bemängelten, dass das neue System den Unternehmen kaum Vorteile bringen, jedoch hohe Kosten aufbürden würde. Ende 2003 wurde dabei ein Kompromiss zwischen den Verkehrsunternehmen und DB Netz ausgehandelt. Im Oktober 2004 wies das Landgericht Berlin den Antrag eines Eisenbahnverkehrsunternehmen auf Erlass einer einstweiligen Verfügung gegen die Einführung von GSM-R durch DB Netz ab.

Die Deutsche Bahn wird rund 29.000 km ihrer 34.000 betrieblich genutzten Netzkilometer mit GSM-R/EIRENE ausstatten. Der analoge Zugfunk wird zurzeit nach und nach durch GSM-R ersetzt. Die Schnellfahrstrecke Köln–Rhein/Main ging am 1. August 2002 als die erste nur auf GSM-R basierende Strecke in Betrieb.

Wikipedia:WikiProjekt Ereignisse/Vergangenheit/2007

Bis März 2007 war GSM-R entlang von mehr als 20.000 Streckenkilometern in Betrieb. Insgesamt wurden dazu rund 2900 Basisstationen (BTS), 63 Basisstationssteuerungen (BSC), sieben Vermittlungsstellen (MSC) und 4 Operation & Maintenance Center (OMC), davon eines als Network Management Center (NMC), aufgebaut. Insgesamt wurden rund 10.000 Fahrzeuge für GSM-R ausgerüstet und 3000 Teilnehmer im Festnetz angebunden. Seit 2006 wird GSM-R dabei auch versuchsweise zur Übermittlung von EBuLa-Fahrplan-Daten verwendet. Seit 2007 läuft am Rangierbahnhof Seelze der Probebetrieb für digitalen Rangierfunk auf GSM-R-Basis (Stand Juli 2014).

Im September 2007 war GSM-R entlang von rund 24.000 Strecken-Kilometern aktiv und für die Verwendung im Zugfunk zugelassen, auf rund 23.000 km war der Zugfunk auf GSM-R umgestellt. Von rund 5000 Strecken-km, die zusätzlich mit GSM-R ausgerüstet werden sollen, waren etwa 1000 km im Bau. Die Nutzung von GSM-R im Rangierfunk war an 1400 Rangierbereichen vorgesehen, wobei in etwa 30 Bereichen aus Frequenzmangel bis dahin keine Planung möglich war. Bis Dezember 2009 wurde digitaler Rangierfunk in 1.050 von 1.350 Rangierbereichen in Betrieb genommen. Im April 2010 waren mehr als 25.000 Kilometer des Streckennetzes auf GSM-R-Zugfunk umgestellt.

In Vorbereitung für die Einführung von ETCS wurde entlang von Neu- und Ausbaustrecken im Umfang von 3444 km ein erhöhter Funkpegel von mindestens -95 dBm (gemäß EIRENE SRS) realisiert. Auf rund 3000 km wurde eine für ETCS benötigte, erhöhte BTS-Verfügbarkeit realisiert.

Bis Mitte 2007 waren rund 9800 Fahrzeuge der Deutschen Bahn für GSM-R umgerüstet worden.

Eigentümer und Betreiber des deutschen GSM-R-Netzes ist die DB Netz AG.

Generalunternehmer und Hersteller des Mobilfunknetzes der Deutschen Bahn war die kanadische Firma Nortel (heute Kapsch Carrier Com KCC), seit Februar 2008 werden Basisstationen von Nokia Siemens Networks (heute Nokia Solutions and Networks, NSN) aufgebaut. Die Dualmode-GSM-R-Terminals, welche neben dem GSM-R-Standard auch noch den analogen Zugfunk unterstützen, wurden von der Hörmann Funkwerk Kölleda GmbH über Nortel Networks an die Deutsche Bahn geliefert.

Die Zahl der MSC-Server soll bis 2014^[veraltet] von sieben auf zwei reduziert werden. Dabei wird die Architektur des Core-Netzes von der veralteten Release-99-Architektur modernisiert auf 3GPP-Release 4.

Verwendung in der Schweiz

GSM-R Bedienteil für die SBB

Anfang 1999 erteilten die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) erstmals den Auftrag zum Aufbau und Betrieb eines GSM-R-Netzes. Die SBB gaben dabei die Versorgung einer 36 km langen Pilotstrecke, zwischen Zofingen und Sempach, in Auftrag. Die ersten Versuchsfahrten waren für die zweite Jahreshälfte 1999 geplant. 2003 erteilte die SBB den Auftrag zum Aufbau und Betrieb eines GSM-R-Netzes entlang aller Hauptlinien und den wichtigsten Nebenlinien. Die SBB hatten die Hauptlinien für über 431 Millionen Schweizer Franken mit GSM-R ausgerüstet. Wegen vieler Einsprachen explodierten die Kosten und der Aufbau des GSM-R-Mobilfunknetzes auf zahlreiche Nebenlinien ist auch heute noch nicht fertig gestellt. Der fest installierte Teil des Mobilfunk-Netzwerks wurde von Nokia Siemens Networks geliefert und wird von Nokia Siemens Networks betrieben. Die SBB betreiben das Schweizer GSM-R Mobilfunknetz auf dem 4 MHz breiten UIC-Frequenzband:

   Uplink: 876–880 MHz
   Downlink: 921–925 MHz
   ARFCN: 955–973

Hauptnutzer des GSM-R Mobilfunknetzes ist das Zugpersonal. Weiter wird das GSM-R Mobilfunknetz für Zugfahrten mit ETCS Level 2 benötigt. Auf Schweizer Bahnstrecken ohne streckenseitige ETCS Level 2-Ausrüstung ist das GSM-R-Netz nicht mit einer redundanten Base Station Controllers (BSC)-Mobilfunkinfrastruktur aufgebaut. Bei einem GSM-R Ausfall (zum Beispiel Ausfall BSC) kann das Zugpersonal dank Roaming ins GSM-Netz des Schweizer Mobilfunkanbieters Swisscom („Swiss GSM“/GSM-P/GSM-Public) weiterhin telefonieren.

Für Zugfahrten unter der Sicherheitsverantwortung von ETCS Level 2-Sicherungsanlagen muss das GSM-R-Mobilfunknetz aus Sicherheitsgründen erhöhte Verfügbarkeit-Anforderungen genügen. Für ETCS Level 2 müssen alle Mobilfunkkomponenten des GSM-R Mobilfunknetzes redundant aufgebaut sein. Die Lokomotive verfügt über zwei GSM-R-Funkmodule für den ETCS-Fahrzeugrechner (EVC). Zwei BSC versorgen unabhängig voneinander den gleichen Bahnstreckenabschnitt mit GSM-R-Mobilfunkempfang. Zwischen zweier am BSC A angeschlossenen Mobilfunkantennen (BTS) befindet sich immer eine am BSC B angeschlossene Mobilfunkantenne (BTS). Fällt eine Mobilfunkantenne (BTS) aus, übernehmen die benachbarten Mobilfunkantenne die Versorgung des vom Ausfall betroffenen Streckenabschnitts. Fällt ein BSC aus, stellt der zweite BSC mit seinen Mobilfunkantennen den GSM-R Empfang auf dem gesamten Streckenabschnitt sicher. Auch die zentralen GSM-R-Mobilfunkinfrastrukturkomponenten des Network Switching Subsystem (NSS) sind redundant ausgelegt (z. B. MSC).

Alle in der Schweiz eingesetzten In-Train-Repeatern müssen über eine Bandsperre für das UIC-Frequenzband verfügen. Bedingt durch die Bandsperre ist mit einem GSM-R-Mobilfunkgerät in den mit In-Train-Repeatern ausgestatten Personenwagen der Mobilfunkempfang von GSM-P (Swisscom -> „Swiss GSM“) besser als mit GSM-R („GSM-R CH“).

Die aktuelle GSM-R Netzabdeckung ist in den Streckentabellen RADN ersichtlich. Die Angaben zur GSM-R Netzabdeckung gelten auch für Eisenbahntunnel, dort wird die GSM-R Mobilfunkversorgung über die Tunnelfunkanlage realisiert. Auf Streckenabschnitten mit fehlender GSM-R Netzabdeckung kann die Tunnelfunkanlage fehlen und es ist in diesen Eisenbahntunneln kein Mobilfunkempfang (GSM-R/GSM-P) vorhanden.

Verwendung bei den RFF

Der französische Netzbetreiber Réseau ferré de France vergab im Frühjahr 2010 einen Vertrag zur GSM-R-Ausrüstung an das Konsortium Synerail. Bis 2015^[veraltet] sollen im Rahmen des mehr als eine Milliarde Euro umfassenden PPP-Projektes rund 14.000 Streckenkilometer mit GSM-R ausgerüstet werden. Eingeschlossen ist dabei der Betrieb über 15 Jahre.

Technische Probleme

GSM-R hat seit seiner weltweiten Einführung mit neuen technischen Probleme zu kämpfen.

Störungen durch benachbartes UMTS/LTE 900-Mobilfunksignal

Um Kosten zu sparen, wurde von den europäischen Eisenbahninfrastrukturbetreiberinnen nur eine minimale Mobilfunkinfrastruktur realisiert. Die Mobilfunkinfrastruktur wurde meistens so ausgelegt, dass beim Ausfall einer Mobilfunkstation (BTS) die Signalstärke des durch das Zugfunkgerät empfangenen GSM-R-Mobilfunksignals auf dem betroffenen Streckenabschnitt mindestens -98 dBm beträgt. Die GSM-R Spezifikation EIRENE SRS Version 15 fordert eine minimale Signalstärke von -98 dBm auf Bahnstrecken mit optischer Signalisierung und -95 dBm bei Führerstandssignalisierung (ETCS-Level-2-Strecken) bis 220 km/h.

Bis vor wenigen Jahren strahlten die europäischen Mobilfunkanbieter im benachbarten Frequenzband E-GSM nur Mobilfunksignale für GSM aus. Seit einigen Jahren dürfen die europäischen Mobilfunkanbieter im E-GSM-Frequenzband auch breitbandige UMTS- oder LTE-Signale ausstrahlen (UMTS 900/LTE 900). Das benachbarte UMTS/LTE-900-Mobilfunksignal kann im Empfänger zu einer Intermodulation 3. Ordnung führen. Dabei mischen sich an Nichtlinearitäten im Empfängerzweig die beiden Nutzsignale und es entsteht als Mischprodukt unter anderem $2\cdot f_{1}-f_{2}$, was wiederum in den Empfangsbereich des Zugfunkgerätes fällt. Faktisch können also die beiden Nutzsignale nicht als Störer bezeichnet werden. Die Störungen treten insbesondere beim Befahren von schlecht mit GSM-R versorgten Bahnstreckenabschnitte auf, wo sich UMTS- oder LTE-Mobilfunkantennen von Mobilfunkanbietern befinden, welche mit großer Leistung senden, wodurch auch das Intermodulationsprodukt 3. Ordnung einen hohen Signalpegel an den Empfänger liefert. Durch das breitbandige UMTS/LTE-Nutzsignal ist auch das Mischprodukt breitbandig.

In Schweden musste das GSM-R-Mobilfunknetz wegen der Störungen von benachbarten UMTS-/LTE 900-Mobilfunksignalen für über 12 Millionen Euro mit zahlreichen neuen Mobilfunkantennen aufgerüstet werden, damit auch bei einem Mobilfunkantennen-Ausfall die GSM-R-Mobilfunkversorgung gewährleistet ist. Die minimale Signalstärke des Schwedischen GSM-R-Mobilfunknetzes musste wegen der Breitbandstörungen von -95 dBm auf -83 dBm verbessert werden.

Möglichkeiten zur Vermeidung des Problems sind

• Absprachen mit den Betreibern der öffentlichen Mobilfunknetze
  • über einen Frequenzwechsel, sodass das Mischprodukt nicht mehr in den GSM-R-Frequenzbereich fällt
  • eine Reduzierung der Sendeleistung, sodass das Mischprodukt einen geringeren Signalpegel an den Empfänger liefert
• Vorschalten eines auf den GSM-R-Frequenzbereich abgestimmten Filters vor das Zugfunkgerät

Fehlende Unterstützung eines paketorientierten Datendienst für ETCS Level 2

Es ist absehbar, dass die für ETCS Level 2 erforderlichen GSM-R-Funkkanalkapazitäten im Bereich von Rangierbahnhöfen und Eisenbahnknoten nicht ausreichen. Das Problem lösen würde der Einsatz eines paketorientierten Datendienst (PSD) für ETCS Level 2. Die derzeitigen EIRENE-Spezifikationen erlauben aber nur den Einsatz des verbindungsbasierten Datendienst (CSD). CSD ist ein sehr ineffizienter Datendienst. Bei der Nutzung wird der Funkkanal auch reserviert, wenn keine Daten gesendet oder empfangen werden. Deshalb wird CSD von den meisten europäischen Mobilfunkanbietern nur noch an Geschäftskunden für ältere Machine-to-Machine (M2M)-Anwendungen angeboten.

In Europa kann praktisch nur das UIC-Frequenzband für GSM-R genutzt werden:

• Uplink: 876–880 MHz
• Downlink: 921–925 MHz
• ARFCN: 955–973

Das UIC-Frequenzband besteht aus 19 GSM-Kanälen mit einem Kanalabstand von 200 kHz. Pro GSM-Kanal können sich maximal 8 Züge am RBC anmelden. Durch die Redundanz-Anforderungen und die überlagerten Funkzellen schrumpft die reale Funkkanalkapazität von GSM-R auch bei einfacher, linienförmiger Streckenführung stark zusammen. Feldversuche zeigen, dass sich beim Einsatz des paketorientierten Datendienst (PSD) statt des CSD für ETCS Level 2 die Zugskapazität pro Funkzelle um den Faktor:

• 5x GPRS
• 7x EGPRS (EDGE) in Eisenbahnknoten mit niedrigen Fahrgeschwindigkeiten
• 5x EGPRS (EDGE) auf Eisenbahnstrecken mit hohen Fahrgeschwindigkeiten (Doppler-Effekt reduziert die Datenübertragungsrate)

für ETCS Level 2-Anwendungen erhöht. Die technische Herausforderung bei der Realisierung eines paketorientierten Datendienst (PSD) für ETCS Level 2 ist die Erfüllung aller QoS-Anforderungen für ETCS. Die QoS-Anforderungen für ETCS sind im UNISIG Subset 093 definiert.

Insbesondere die Erfüllung der Anforderung „Maximum end-to-end transfer delay“ ist bei einem paketorientierten Datendienst (PSD) deutlich schwieriger als bei einem verbindungsbasierten Datendienst (CSD). Mit der Anforderung „Maximum end-to-end transfer delay“ wird definiert, um wieviele Millisekunden die Übertragung eines ETCS-Telegramm durch das Mobilfunknetz höchstens verzögert werden darf. Die Anforderung „Maximum end-to-end transfer delay“ ist zum Beispiel sicherheitskritisch bei durch die fest installierte Sicherungsanlage oder durch den Fahrdienstleiter ausgelösten Notbremsungen von Fahrzeugen (Emergency Stop). Je schneller die fest installierte Sicherungsanlage die Notbremsung des Fahrzeugs auslösen kann umso besser.

PSD ist ein Best Effort-Dienst: Datenpakete können nur versendet werden, wenn die Luftschnittstelle freie Übertragungskapazität hat. In einem störungsfreien, nicht überlasteten GPRS-Mobilfunknetz wird ein Datenpaket mit 32 Byte-Nutzdaten in weniger als 100 Millisekunden vom Sender zum Empfänger übertragen. Wird das Mobilfunknetz durch ein zu hohes Datenverkehrsaufkommen überlastet, stauen sich die Datenpakete in der Sendeelektronik-Warteschlange. Bei Überlast erreicht das gleiche Datenpaket den Empfänger erst nach über 1000 Millisekunden. Im schlimmsten Fall wird das Datenpaket von der Sendeelektronik nicht versendet (verworfen), da die Sendewarteschlange zu lang ist. Damit die zeitkritischen ETCS-Datenpakete mit PSD möglichst unverzögert übertragen werden, müssen die Mobilfunknetzbetreiber genügend Übertragungskapazitäten bereitstellen und in der Sendeelektronik sind QoS-Mechanismen zu implementieren.

Zukunft

GSM-R basiert auf GSM. GSM ist ein Mobilfunkstandard der zweiten Generation (2G). Die meisten GSM-R-Mobilfunknetze werden fortlaufend modernisiert und erlauben heute (2015) die Nutzung von paketorientierten Datendienst (PSD) über die Erweiterung GPRS oder EDGE. Unterstützt das GSM-R Mobilfunknetz die Erweiterung GPRS, ist die Rede von einem Mobilfunknetz der zweieinhalben Generation (2.5G). Die meisten in Betrieb stehenden GSM-R Mobilfunknetze sind bereits auf den Standard 3GPP Release 4 aktualisiert (Stand: 2015) worden. Bei 3GPP Release 4 sind die Kernkomponenten des GSM-R Mobilfunknetzes (z.B. NSS und GPRS Kernkomponenten) redundant und geographisch an zwei unterschiedlichen Standorten aufgebaut.

Ein 3GPP Release 4 Mobilfunknetz ist ein Zwischenschritt zum All-IP-Netzwerk. Im All-IP-Netzwerk sind alle fest installierten Komponenten des GSM-R Mobilfunknetz über ein IP-Netzwerk miteinander verbunden. Im Endausbau sind auch Dritt- und Nachbarsysteme (z.B. RBC) über ein IP-Netzwerk mit dem GSM-R Mobilfunknetz verbunden. Einige Komponenten der GSM-R Mobilfunknetze werden in den nächsten Jahren modernisiert, damit das All-IP-Netzwerk realisiert werden kann.

Die nutzbaren Mobilfunkfrequenzen sind ein kostbares Gut. Damit das zugewiesene Mobilfunkfrequenzband noch besser genutzt werden kann (Spektrale Effizienz), wird die Mobilfunktechnologie fortlaufend weiterentwickelt. LTE ist ein Mobilfunkstandard (3GPP Release 8) der vierten Generation (4G). LTE nutzt das Mobilfunkfrequenzband um den Faktor 15 besser als EDGE. Die bahnspezifische Anpassung von LTE wird als LTE-R bezeichnet. LTE-R erfüllt die ETCS-Anforderung „Maximum end-to-end transfer delay“ an den paketorientierten Datendienst (PSD) besser als GSM-R mit GPRS/EDGE. In einem störungsfreien, nicht überlasteten LTE-Mobilfunknetz wird ein Datenpaket mit 32 Byte-Nutzdaten in weniger als 25 Millisekunden vom Sender zum Empfänger übertragen. Durch die fortlaufenden Modernisierungen der GSM-R-Mobilfunknetze könnte LTE-R in ferner Zukunft (> 2025) die Mobilfunktechnologie GSM-R weltweit vollständig ablösen. Voraussetzung für die Modernisierung eines bestehenden GSM-R Mobilfunknetzes auf LTE-R ist die vollständige Realisierung des GSM-R Mobilfunknetzes als All-IP-Netzwerk.

Für bahnspezifische Anwendungen wird UMTS nicht eingesetzt. UMTS ist ein Mobilfunkstandard der dritten Generation (3G).

Bilder

• 
  GSM-R-Mobilfunkgerät Sagem TiGR 155R
• 
  GSM-R-Mobilfunkgerät Sagem TiGR 350R
• 
  Portable GSM-R-Zugfunkanlage
• 
  Kompaktes GSM-R-Zugfunkgerät
• 
  Dual-Mode-Zugfunkgerät in 19"-Technik
• 
  Notruftaste eines GSM-R-fähigen Zugfunkgerätes (Bediengerät)
• 
  Eine GSM-R-Station der DB.
• 
  Die S8002, eine Outdoor-Station für GSM-R von Nortel
• 
  Die BS 241-II, eine Outdoor-Station für GSM-R von Nokia Siemens Networks
• 
  Redundante Antennen zur Tunnelversorgung mit GSM-R

Literatur

• Bernd Kuhlmann: Der Mobilfunk der Bahn: Was ist, was kann GSM-R? In: Verkehrsgeschichtliche Blätter, 41. Jahrgang, Nr. 4 (Juli/August 2014), S. 96–98.

Weblinks

Commons: GSM-R – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• GSM-R/EIRENE bei der UIC
• Systembeschreibung und Netzarchitektur auf dem Portal der DB Netz AG
• Private Webseite über GSM-R
• Mobilkommunikationsnetz der SBB
• GSM Frequenz- und Providerübersicht DE, AT, CH, GB