RANDEL, Sebastian (7 Ithaca CT, Aberdeen, New Jersey NJ, 07747, US)
ZILLER, Andreas (Hugo-Weiss-Straße 15, München, 81827, DE)
RANDEL, Sebastian (7 Ithaca CT, Aberdeen, New Jersey NJ, 07747, US)
| Kommunikationssystem (1) für ein Schienenfahrzeug (16) mit Zugangspunkten (2), die entlang eines Schienensegmentes vorgesehen sind, wobei jeder Zugangspunkt (2) ein Funkmodul (10), das über eine Luftschnittstelle mit einem in dem Schienenfahrzeug (16) vorgesehenen Funkmo¬ dul kommuniziert, und ein Signaltransformationsmodul (11) aufweist, welches das von dem Funkmodul des Schienenfahrzeuges über die Luftschnittstelle empfangene Funksignal in ein optisches Signal transformiert, das über einen Lichtwellenleiter (5) zu einer für das Schienensegment vorgesehenen Sig¬ nal- und Datenverarbeitungseinheit (4) übertragen wird. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, wobei das Signaltransformationsmodul (11) des Zugangs¬ punktes (2) ein optisches Signal, das über einen Licht¬ wellenleiter (5) von der Signal- und Datenverarbeitungs¬ einheit (4) des Schienensegmentes empfangen wird, in ein Signal transformiert, welches durch das Funkmodul (10) des Zugangspunktes (2) als Funksignal über die Luft¬ schnittstelle an das Funkmodul des Schienenfahrzeuges (16) übertragen wird. Kommunikationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Funkmodul des Zugangspunktes (2) und das Funk¬ modul des Schienenfahrzeuges (16) WLAN-Funkmodule sind. Kommunikationssystem nach Anspruch 1 bis 3, wobei mehrere Zugangspunkte (2) eine Gruppe von Zugangs¬ punkten eines Schienensegmentes bilden und über einen Verteiler (13) mit der Signal- und Datenverarbeitungs- einheit (4) des jeweiligen Schienensegmentes verbunden sind . 5. Kommunikationssystem nach Anspruch 4, wobei die Verteilereinheit (13) einen Multiple- xer/Demultiplexer (14) zum Multiplexen der von den Zugangspunkten (2) gesendeten optischen Signale an die Signal- und Datenverarbeitungseinheit (4) des Schienen¬ segmentes und zum Demultiplexen der von der Signal- und Datenverarbeitungseinheit (4) des Schienensegmentes gesendeten opti¬ schen Signale an die Zugangspunkte (2) aufweist. 6. Kommunikationssystem nach Anspruch 5, wobei der Multiplexer/Demultiplexer (14) durch eine in der Verteilereinheit (13) integrierte Steuerung (15) an¬ gesteuert wird, welche die von den Zugangspunkten (2) stammenden Signale überwacht und auswertet. 7. Kommunikationssystem nach Anspruch 6, wobei die Steuerung (15) der Verteilereinheit (13) die von den Zugangspunkten (2) stammenden Signale hinsichtlich mindestens eines Signalcharakteristikums auswertet und den Multiplexer/Demultiplexer (14) zum Schalten von Signalübertragungspfaden zwischen den Zugangspunkten (2) und der Signal- und Datenverarbeitungseinheit (4) des Schienensegmentes in Abhängigkeit von ermittelten Sig- nalcharakteristika ansteuert. 8. Kommunikationssystem nach Anspruch 7, wobei die Signalcharakteristika der von den Zugangspunk¬ ten (2) stammenden Signale in der Zeit- und/oder Frequenzdomäne ausgewertet werden. 9. Kommunikationssystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Signalcharakteristika aufweisen: eine Signalstärke, ein Signalrauschverhältnis, ein Sig¬ nalformat und ein Signalspektrum der von den Zugangspunkten (2) stammenden Signale. Kommunikationssystem nach Anspruch 5 bis 9, wobei die Steuerung (15) einen lokalen Datenspeicher zum Aufzeichnen von Signalcharakteristika der von den Zu¬ gangspunkten (2) stammenden Signale aufweist und in Abhängigkeit von den ausgewerteten Signalen einen zukünftigen Aufenthaltsort eines Schienenfahrzeuges (16) auf dem Schienensegment berechnet. Kommunikationssystem nach Anspruch 1 bis 10, wobei benachbarte Gruppen von Zugangspunkten (2) unterschiedlicher Schienensegmente auf verschiedenen Frequenzkanälen mit dem Funkmodul des Schienenfahrzeuges kommunizieren . Kommunikationssystem nach Anspruch 1 bis 11, wobei die Signal- und Datenverarbeitungseinheit (4) des Schienensegmentes die von den Zugangspunkten (2) des Schienensegmentes mittels optischer Signale übertragenen Daten als Nutzdaten in Datenpaketen über Netzwerkrouter (7) an mindestens einen Zugkontrollserver (8) übertragen . Kommunikationssystem nach Anspruch 1 bis 12, wobei das Signaltransformationsmodul (6) des Zugangs¬ punktes (2) einen optischen Transceiver aufweist, der über einen oder mehrere Lichtwellenleiter mit der Verteilereinheit (13) des jeweiligen Schienensegmentes ver¬ bunden ist. Verfahren zur bidirektionalen Datenübertragung zwischen einem Kommunikationssystem und einem Schienefahrzeug mit den Schritten: (a) Austauschen von Daten zwischen dem Kommunikationssystem und mindestens einem Zugangspunkt (2) der entlang eines Schienensegmentes angeordnet ist, mittels optischer Sig¬ nale, die über Lichtwellenleiter transportiert werden; und (b) Transformieren der optischen Signale durch eine Signaltransformationseinheit des Zugangspunktes (2) in Signa¬ le, die als Funksignale über eine Luftschnittstelle zwi¬ schen dem Zugangspunkt (2) und dem Schienenfahrzeug transportiert werden. |
System und Verfahren zur bidirektionalen Kommunikation mit einem Schienenfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur bidirektionalen Kommunikation mit einem Schienenfahrzeug, insbesondere einem Zug über Zugangspunkte bzw. Access Points, die entlang eines Schienensegmentes vorgesehen sind.
Zugsysteme benötigen Kommunikationsverbindungen für unterschiedliche Zwecke. Beispielsweise bietet ein automatisches Zugsteuersystem ATC (Automatic Train Control) verschiedene Funktionen für den automatischen Betrieb eines Zuges zu des- sen Schutz und Überwachung. Dies erleichtert den Betrieb des Schienenfahrzeuges bzw. des Zuges, so dass das automatische Zugsteuersystem den Zugfahrer bzw. Lokführer bei Wahrnehmung seiner Aufgaben entlasten kann. Ein derartiges herkömmliches automatisches Zugsteuersystem ATC ermöglicht es beispielswei- se den Abstand zwischen Zügen, die sich auf der gleichen
Schiene bewegen, zu vermindern und erhöhen allgemein die Zugsicherheit .
Darüber hinaus werden in Zügen zunehmend Passagierinformati- onssysteme für die beförderten Passagiere bereitgestellt, welche die Passagiere über den Fortgang der Zugreise und mög ¬ liche Umsteigemöglichkeiten informieren. Die dabei übertragenen Informationsdaten können Multimediadaten, insbesondere Videodaten enthalten, die von einem Steuercenter geliefert werden. Die verschiedenen Anwendungen erfordern eine kontinuierliche bidirektionale Kommunikationsverbindung zwischen dem Schienenfahrzeug und einem Kommunikationssystem des Bahnbetreibers . Bei herkömmlichen funkbasierten Kommunikationssystemen befinden sich Zugangspunkte zur Herstellung einer Kommunikations ¬ verbindung zwischen dem Schienenfahrzeug und dem Kommunikati- onssystem entlang der Schiene und erfüllen verschiedene Funktionen. Einerseits enthalten die Zugangspunkte ein Funkmodul, um über eine Luftschnittstelle mit einem in dem Schienenfahrzeug vorgesehenen Funkmodul zu kommunizieren bzw. Signale auszutauschen. Weiterhin können die Zugangspunkte eine Datenverbindung mit einem Datenübertragungssystem herstellen. Dabei werden die von dem Schienenfahrzeug empfangenen Daten in den Zugangspunkten als Nutzdaten in Datenpakete, beispielsweise Ethernet-Datenpakete, verpackt und über Switches sowie Router an Server eines Zugsteuersystems übertragen.
Die herkömmlichen Kommunikationssysteme zur Anbindung von Schienenfahrzeugen weisen mehrere Nachteile auf. Die entlang der Schienen verlegten Zugangspunkte sind technisch relativ komplex aufgebaut und benötigen eine anspruchsvolle Hardware. Bei herkömmlichen Zugangspunkten weisen diese als Hardware ein Embedded-System mit einem Mikroprozessor auf, der ein Betriebssystem, beispielsweise ein Linux-Betriebssystem ausführt. Die hohe schaltungstechnische Komplexität erfordert ein entsprechend aufwändiges Gehäuse und eine entsprechende aufwändige Stromversorgung. Darüber hinaus ist die technisch komplexe Hardware des Zugangspunktes empfindlich gegenüber klimatischen Schwankungen der Umgebung. Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen müssen zudem alle Hardwarekomponen- ten wie beispielsweise das Motherboard mit dem Mikroprozessor sowie Funkmodule, Stromversorgungsmodule und Antennen redun ¬ dant in dem jeweiligen Zugangspunkt vorgesehen werden. Aufgrund der Vielzahl von Bauelementen und ihrer Komplexität ist die vor Ort benötigte Wartung daher besonders aufwändig.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass benachbarte Zu ¬ gangspunkte mit dem gleichen Übertragungskanal arbeiten und um Bandbreite miteinander konkurrieren. Da die Zugangspunkte relativ nahe beieinander liegen müssen, um eine ständige Ver- bindung bzw. Konnektivität zu garantieren, liegen mehrere Zugangspunkte jeweils in der Reichweite anderer Zugangspunkte. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System und ein Verfahren zur Kommunikation mit einem Schienenfahrzeug zu schaffen, die eine äußerst zuverlässige Kommuni ¬ kationsverbindung mit dem Schienenfahrzeug gewährleisten und gleichzeitig nur eine geringe schaltungstechnische Komplexi ¬ tät in den Zugangspunkten benötigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kommunikations System mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen ge löst .
Die Erfindung schafft ein Kommunikationssystem für ein Schienenfahrzeug, mit Zugangspunkten, die entlang eines Schienensegmentes vorgesehen sind, wobei jeder Zugangspunkt
ein Funkmodul, welches über eine Luftschnittstelle mit einem in dem Schienenfahrzeug vorgesehenen Funkmodul kommuniziert, und
ein Signaltransformationsmodul aufweist, welches das von dem Funkmodul des Schienenfahrzeuges über die Luftschnittstelle empfangene Funksignal in ein optisches Signal transformiert, das über einen Lichtwellenleiter zu einer für das Schienensegment vorgesehenen Signal- und Datenverarbeitungseinheit übertragen wird. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems transformiert das Signaltransformationsmodul des Zugangspunktes ein optisches Signal, das über einen Lichtwel ¬ lenleiter von der Signal- und Datenverarbeitungseinheit des jeweiligen Schienensegmentes empfangen wird, in ein Signal, welches das Funkmodul des Zugangspunktes als Funksignal über die Luftschnittstelle an das Funkmodul des Schienenfahrzeuges überträgt .
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems ist das Funkmodul des Zugangspunktes und das Funkmodul des Schienenfahrzeuges ein WLAN-Funkmodul . Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems bilden mehrere Zugangspunkte eine Grup ¬ pe von Zugangspunkten eines Schienensegmentes und sind über eine Verteilereinheit mit der Signal- und Datenverarbeitungs- einheit des jeweiligen Schienensegmentes verbunden.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems weist die Verteilereinheit einen Multi- plexer/Demultiplexer zum Multiplexen der von dem Zugangspunkt gesendeten optischen Signale an die Signal- und Datenverarbeitungseinheit des Schienensegmentes und zum Demultiplexen der von der Signal- und Datenverarbeitungseinheit des Schie ¬ nensegmentes gesendeten optischen Signale an die Zugangspunkte auf.
Bei einer Ausführungsform des Kommunikationssystems wird der Multiplexer/Demultiplexer der Verteilereinheit durch eine in der Verteilereinheit integrierte Steuerung angesteuert, wel ¬ ches die von den Zugangspunkten stammenden Signale überwacht und auswertet.
Bei einer Ausführungsform des Kommunikationssystems wertet die Steuerung der Verteilereinheit die von den Zugangspunkten stammenden Signale hinsichtlich mindestens eines Signalcha- rakteristikums aus und steuert den Multiplexer/Demultiplexer zum Schalten von Signalübertragungspfaden zwischen den Zugangspunkten und der Signal- und Datenverarbeitungseinheit des jeweiligen Schienensegmentes in Abhängigkeit des ermit ¬ telten Signalcharakteristikums .
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems werden die Signalcharakteristika der von den Zugangspunkten stammenden Signale in der Zeitdomäne und/oder der Frequenzdomäne durch die Steuerung der Vertei- lereinheit ausgewertet. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems umfassen die Signalcharakteristika eine Signalstärke, ein Signalrauschverhältnis, ein Signalformat sowie ein Signalspektrum eines von einem Zugangspunkt stam- menden optischen Signals.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems weist die Steuerung einen lokalen Da ¬ tenspeicher zum Aufzeichnen von Signalcharakteristika der von den Zugangspunkten stammenden Signale auf und berechnet in
Abhängigkeit von den aufgezeichneten Signalen bzw. Daten einen zukünftigen Aufenthaltsort eines Schienenfahrzeuges auf dem Schienensegment. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kommunikationssystems kommunizieren benachbarte Gruppen von Zugangspunkten unterschiedlicher Schienensegmente auf verschiedenen Frequenzkanälen mit dem Funkmodul des Schienenfahrzeuges .
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems überträgt die Signal- und Datenverarbeitungsein ¬ heit des Schienensegmentes die von den Zugangspunkten des Schienensegmentes mittels optischer Signale empfangenen Daten als Nutzdaten in Datenpaketen über Netzwerkrouter an mindestens einen Zugkontrollserver.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems weist das Signaltransformationsmodul des Zugangs- punktes einen optischen Transceiver auf, der über einen oder mehrere Lichtwellenleiter mit der Verteilereinheit des jewei ¬ ligen Schienensegmentes verbunden ist.
Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur bidirektiona- len Datenübertragung zwischen einem Kommunikationssystem und einem Schienenfahrzeug mit den Schritten: Austauschen von Daten zwischen dem Kommunikationssystem und mindestens einem Zugangspunkt einer Gruppe von Zugangspunkten, die entlang eines Schienensegmentes angeordnet sind, mittels optischer Sig ¬ nale, die über Lichtwellenleiter transportiert werden; und Transformieren der optischen Signale durch eine Signaltrans- formationseinheit des jeweiligen Zugangspunktes in Signale, die als Funksignale über eine Luftschnittstelle zwischen dem jeweiligen Zugangspunkt und dem Schienenfahrzeug transpor ¬ tiert werden.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungs gemäßen Kommunikationssystems sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur bidirektionaler Kommunikation mit einem Schie nenfahrzeug unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren be ¬ schrieben .
Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung einer möglichen
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems ;
Fig. 2a, 2b, 2c verschiedene Ausführungsbeispiele des erfin ¬ dungsgemäßen Kommunikationssystems ; Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer bei dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem eingesetzten Verteilereinheit; Fig. 4a, 4b, 4c Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems;
Fig. 5a, 5b Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems.
Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, sind bei den erfindungsge ¬ mäßen Kommunikationssystemen 1 eine Vielzahl von Zugangspunk- ten 2-i entlang einer oder mehrerer parallel verlaufender Schienen 3-i angeordnet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen Zugangspunkte 2-i in Gruppen von drei Zugangspunkten bei verschiedenen Schienen- Segmenten der beiden parallel verlaufenden Schienen bzw. Zuggleise 3-1, 3-2 angeordnet. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist somit jede Gruppe von Zugangspunk ¬ ten 2-i drei Zugangspunkte auf. Jede dieser Gruppen von Zu ¬ gangspunkten ist für ein zugehöriges Schienensegment vorgese- hen. In dem in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel sind für sechs Schienensegmente sechs verschiedene Gruppen von Zu ¬ gangspunkten mit jeweils drei Zugangspunkten vorgesehen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Zugangspunkte bzw. Access Points AP auf beiden Sei ¬ ten der Schienen 3-1, 3-2. Bei einer alternativen Ausführungsform werden lediglich auf einer Seite der Schienen 3-i Zugangspunkte vorgesehen, ohne die Funktionalität nennenswert zu beeinträchtigen. Weiterhin ist es möglich, dass die Zu- gangspunkte 2-i zwischen den beiden Schienen 3-1, 3-2 angeordnet sind.
Die Zugangspunkte 2-i einer Gruppe von Zugangspunkten sind an eine gemeinsame Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i der Gruppe angeschlossen. Diese Signal- und Datenverarbeitungs ¬ einheit 4-i kann auch als CSO-Einheit (Central Segment Opera ¬ tor) bezeichnet werden. Die Signal- und Datenverarbeitungs ¬ einheit 4-i eines Schienensegmentes ist über Lichtwellenlei ¬ ter 5-i indirekt oder direkt mit den verschiedenen Zugangs- punkten des jeweiligen Schienensegmentes verbunden. Beispielsweise bilden die Zugangspunkte 2-1, 2-2, 2-3 eine Grup ¬ pe von Zugangspunkten für ein erstes Schienensegment und sind über eine oder mehrere Lichtwellenleiter 5-1 mit dem Central Segment Operator 4-1 verbunden. Die Signal- und Datenverar- beitungseinheiten 4-i der verschiedenen Schienensegmente sind ihrerseits über Switches 6-1, 6-2 sowie Router 7-1, 7-2 mit Servern 8-1, 8-2 eines Zugsteuersystems verbunden. Das Daten- netzwerk, an welches die Signal- und Datenverarbeitungseinheiten 4-i der Schienensegmente angeschlossen sind, kann beispielsweise ein Ethernet-Übertragungssystem sein. Jeder Zugangspunkt 2-i des erfindungsgemäßen Kommunikations ¬ systems 1 verfügt über ein integriertes Funkmodul, das über eine Luftschnittstelle mit einem in dem Schienenfahrzeug vor ¬ gesehenen Funkmodul bidirektional kommunizieren kann. Das Schienenfahrzeug bewegt sich auf einem der Gleise 3-1, 3-2 über verschiedene Schienensegmente hinweg an den Zugangspunk ¬ ten 2-i, die seitlich neben den Schienen bzw. Gleisen verlegt sind, vorbei. Der Zugangspunkt 2-i enthält ferner ein Signal ¬ transformationsmodul, welches das von dem Funkmodul des
Schienenfahrzeuges über die Luftschnittstelle empfangene Funksignal in ein optisches Signal transformiert, das über einen oder mehrere Lichtwellenleiter 5-i zu der für das jeweilige Schienensegment vorgesehenen Signal- und Datenverar ¬ beitungseinheit bzw. CSO-Einheit 4-i übertragen wird. Emp ¬ fängt beispielsweise der Zugangspunkt 2-2 ein Funksignal über die Luftschnittstelle von einem Funkmodul eines Schienenfahr ¬ zeuges, transformiert eine in dem Zugangspunkt 2-2 vorhandene Signaltransformationseinheit das empfangene Funksignal in ein optisches Signal, welches über den Lichtwellenleiter 5-1 an die CSO-Einheit 4-1 übertragen wird. Umgekehrt transformiert das Signaltransformationsmodul des Zugangspunktes 2-2 ein op ¬ tisches Signal, das über den Lichtwellenleiter 5-1 von der CSO-Einheit 4-1 des Schienensegmentes empfangen wird in ein Signal, das durch das Funkmodul des Zugangspunktes 2-2 als Funksignal abgestrahlt wird und über die Luftschnittstelle an das Funkmodul des vorbeifahrenden Schienenfahrzeuges übertra ¬ gen wird.
Bei dem Funkmodul des Zugangspunktes 2-i und bei dem Funkmo ¬ dul des Schienenfahrzeuges handelt es sich vorzugsweise um WLAN-Funkmodule . Diese Funkmodule unterstützen vorzugsweise den IEEE-Standard 802.11. Bei möglichen Ausführungsformen unterstützen die Funkmodule ferner eine zur drahtlosen Signal- Übertragung gemäß dem Standard IEEE802.16, IEEE802.15 oder ähnlichen Standards.
Die Fig. 2a, 2b, 2c zeigen verschiedene Ausführungsvarianten für das erfindungsgemäße Kommunikationssystem 1. Bei der in Fig. 2a dargestellten Ausführungsvariante weist der Zugangs ¬ punkt 2-i ein Funkmodul 10-i und ein Signaltransformationsmo ¬ dul 11-i auf, das über einen Lichtwellenleiter bzw. ein Glasfaserkabel 5-i mit einem Signaltransformationsmodul 12-i ei- ner Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des jeweiligen Schienensegmentes verbunden ist. Die beiden Signaltransforma ¬ tionsmodule 11-i, 12-i führen jeweils eine Signalumwandlung von einem elektrischen zu einem optischen Signal durch. Bei einer möglichen Ausführungsform befinden sich die Signal- transformationsmodule 11-i, 12-i jeweils in einem optischen Transceiver. Bei einer möglichen Ausführungsform ist dieser optischer Transceiver in eine Buchse des Zugangs- bzw. Accesspunktes 2-i bzw. der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i einsteckbar. Bei der in Fig. 2a dargestellten Aus- führungsform verfügt jedes Schienensegment lediglich über ei ¬ nen Zugangspunkt 2-i.
Fig. 2b zeigt eine alternative Ausführungsform des erfin ¬ dungsgemäßen Kommunikationssystems. Mehrere Zugangs- bzw. Ac- cess Points 2-i, 2-j, 2-k sind an eine gemeinsame Verteiler ¬ einheit 13 angeschlossen, die über einen Lichtwellenleiter 5- i mit einem Signaltransformationsmodul 12-i der zugehörigen Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des jeweiligen Schienensegmentes verbunden ist. Bei der Verteilereinheit 13 handelt es sich um eine optische Verteilereinheit bzw. einen optischen Hub.
Fig. 2c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin ¬ dungsgemäßen Kommunikationssystems 1. Wie in Fig. 2c darge- stellt, können mehrere optische Hubs bzw. optische Verteiler ¬ einheiten 13-1, 13-2, 13-3 an Signaltransformationsmodule 12- 1, 12-2, 12-3 einer Gruppe von Signal- und Datenverarbei- tungseinheiten 4-1, 4-2, 4-3 übertragen werden, die sich beispielsweise in demselben Raum befinden.
Der Abstand zwischen den Zugangspunkten 2-i und der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des Schienensegmentes kann im Bereich von einigen Kilometern liegen. Der Zugangspunkt 2-i bildet einen Signalrepeater, der das empfangene Funksig ¬ nal des Schienenfahrzeuges in ein optisches Signal umwandelt und das Signal über eine optische Verteilereinheit 13 an eine entfernt gelegene Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des jeweiligen Schienensegmentes überträgt. Die Kommunikati ¬ onsverbindung ist bidirektional, da die optische Verteiler ¬ einheit 13 einerseits als einen optischen Multiplexer zum Multiplexen der von den Zugangspunkten 2-i empfangenen opti- sehen Signale zur Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i bildet und andererseits einen optischen Demultiplexer bildet, welcher die von der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i stammenden optischen Signale an die verschiedenen Zugangspunkte 2-i splittet bzw. verteilt.
Die verschiedenen Zugangspunkte 2-i weisen eine relativ geringe schaltungstechnische Komplexität auf, da sie, wie in Fig. 2 zu sehen, nur ein Funkmodul 10-i und ein Signaltrans ¬ formationsmodul 11-i beinhalten. Daher arbeiten die in dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem 1 eingesetzten Zugangspunkte 2-i besonders robust und zuverlässig und sind wartungsarm .
Weiterhin sind die Zugangspunkte 2-i weniger sensitiv gegen- über klimatischen Schwankungen, insbesondere Temperaturschwankungen der Umgebung. Dies wiederum vereinfacht den Aufbau des Gehäuses des jeweiligen Zugangspunktes 2-i.
Die verschiedenen Zugangspunkte 2-i tauschen optische Signale über die optische Verteilereinheit 13 mit der Signal- und Da ¬ tenverarbeitungseinheit 4-i aus, wobei diese optischen Signa ¬ le nicht empfindlich gegenüber elektromagnetischen Interfe- renzen sind. Dies erleichtert die Verkabelung an den Schie ¬ nen .
Da die schaltungstechnische Komplexität der eingesetzten Zu ¬ gangspunkte 2-i gering ist, ist die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund der geringen Anzahl von notwendigen Komponenten gering .
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kommunikationssys ¬ tems besteht darin, dass auf den verschiedenen Zugangspunkten 2-i kein Applikationsprogramm bzw. Softwareprogramm auf einem Mikroprozessor ausgeführt werden muss und somit das Kommunikationssystem im Vergleich mit herkömmlichen Kommunikationssystemen sicherer gegenüber Angriffen bzw. Hacker-Angriffen ist. Obwohl die an dem Schienen verlegten Zugangspunkte 2-i für einen Angreifer zugänglich sind, sind Software-Angriffe nicht möglich, da auf den jeweiligen Zugangspunkten 2-i keine Applikationsprogramme ausgeführt werden. Ein Angriff auf die Signal- und Datenverarbeitungseinheiten bzw. CSO-Einheiten 4- i ist physikalisch nicht möglich, da sie sich vorzugsweise in einem gemeinsamen geschützten Serverraum befinden. Bei einer möglichen Ausführungsform befinden sich die Signal- und Datenverarbeitungseinheiten 4-i zusammen mit den Routern 2-i in Switches 6-i in einem Raum, so dass der Verkabelungsaufwand minimiert werden kann. Weiterhin wird hierdurch die Datenverbindung gegenüber Angreifern ebenfalls gesichert.
Die geringe Interferenzgefahr erlaubt zudem eine gemeinsame Nutzung von Bandbreiten durch verschiedene Gruppen von Zugangspunkten. Die Zugangspunkte 2 innerhalb derselben Gruppe können über den gleichen Frequenzkanal mit dem Funkmodul des Schienenfahrzeugs kommunizieren. Benachbarte Gruppen von Zu ¬ gangspunkten 2 unterschiedlicher Schienensegmente kommunizieren beispielsweise auf verschiedenen Frequenzkanälen mit dem Funkmodul des Schienenfahrzeuges. Handelt es sich bei den Funkmodulen um WLAN-Funkmodule kann beispielsweise, wie in Fig. 1 angedeutet, eine Gruppe von Zugangspunkten 2 über ei- nen Frequenzkanal 1 und eine andere Gruppe von Zugangspunkten 2 über einen Frequenzkanal 6 kommunizieren. Die dabei verwendeten Frequenzen überlappen einander nicht. Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem 1 erlaubt die IP-basierte Daten- Übertragung zu einem Zugsteuersystem. Daher ist auch ein IP- basierter Multicast für die Datenströme möglich. Weiterhin kann ein VPN-Tunnel zu dem Zugsteuersystem aufgebaut werden, um Daten besonders sicher gegenüber Angriffen zu übertragen. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems sind zwei Segmente von Zugangspunktgruppen in verschachtelter Weise installiert und arbeiten mit unterschied ¬ lichen Frequenzen. Hierdurch ist es möglich, redundante Übertragungspfade im Frequenzbereich für die drahtlose Verbindung des Schienenfahrzeugs mit dem Kommunikationssystem 1 bereit ¬ zustellen .
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungs ¬ form eines in dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem 1 eingesetzten optischen Verteilers 13. Die Verteilereinheit
13-i weist jeweils einen Multiplexer/Demultiplexer 14-i auf. Die Multiplexer/Demultiplexer-Einheit 14-i dient zum Multip- lexen der von den Zugangspunkten 2-i gelieferten optischen Signale an die Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des jeweiligen Schienensegmentes. Weiterhin dient die Multiple- xer/Demultiplexer-Einheit 14-i zum Demultiplexen der von der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des Schienensegmen ¬ tes gesendeten optischen Signale an die verschiedenen Zugangspunkte 2-i der jeweiligen Zugangspunktgruppe.
Die optische Verteilereinheit 13-i enthält ferner vorzugswei ¬ se eine darin integrierte Steuerung 15-i, die die Schalter der Multiplexer/Demultiplexer-Einheit steuert. Die Steuerung 15-i enthält eine Signalauswerteeinheit, welche die von den Zugangspunkten 2-i erzeugten Signale überwacht und auswertet. Dabei wertet die in der Steuerung 15-i enthaltene Signalaus ¬ werteeinheit die von den Zugangspunkten 2-i stammenden Signa- le hinsichtlich mindestens einer Signalcharakteristik aus. Die Steuerung steuert den Multiplexer/Demultiplexer 14-i zum Schalten von Signalübertragungspfaden zwischen den Zugangspunkten 2-i und der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des Schienensegmentes in Abhängigkeit von den ermittelten Signalcharakteristika . Auf diese Weise können dann Übertra ¬ gungspfade gezielt an- bzw. abgeschaltet werden. Die Signal ¬ auswerteeinheit der Steuerung 15-i wertet die von den Zu ¬ gangspunkten 2-i stammenden Signale im Zeit- und/oder Fre- quenzbereich bzw. in der Zeit- bzw. Frequenzdomäne aus. Bei einer möglichen Ausführungsform wertet die Signalauswerteeinheit der Steuerung 15-i eine Signalstärke- und/oder ein Sig ¬ nal-Rausch-Verhältnis SNR und gegebenenfalls ein Signalformat der von den Zugangspunkten 2-i stammenden Signale aus.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wertet die Signalauswerteeinheit der Steuerung 15-i ein Signalspektrum der von den Zugangspunkten 2-i stammenden Signale aus. Insbesondere ist die Signalauswerteeinheit der Steuerung 15-i in der Lage zu erkennen, ob ein von einem Zugangspunkt 2-i stammendes optisches Signal von einem Funksignal abgeleitet ist, welches von einem Funkmodul eines Schienenfahrzeuges stammt. Die Signalauswerteeinheit der Steuerung 15-i ist vorzugsweise ferner in der Lage zu erkennen, ob ein erhaltenes Signal von einer ungewünschten Signalinterferenzquelle stammt.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems verfügt die Verteilereinheit 13 zusätzlich über einen lokalen Datenspeicher zum Aufzeichnen von Signalcharakteris- tika der von den Zugangspunkten 2-i stammenden Signale. Bei einer möglichen Ausführungsform berechnet die Steuerung in Abhängigkeit von den aufgezeichneten Signaldaten bzw. den historischen Daten einen zukünftigen Aufenthaltsort des
Schienenfahrzeuges auf dem jeweiligen Schienensegment. In Ab- hängigkeit von dem berechneten Aufenthaltsort kann dann die Steuerung 15-i durch Ansteuerung des Multiple- xers/Demultiplexers 14-i bzw. dessen Schalter die Signalüber- tragungspfade zwischen den Zugangspunkten 2-i und der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des Schienensegments ge ¬ zielt zu- bzw. abschalten.
In dem in Fig. 4a dargestellten Beispiel befinden sich eine Interferenz bzw. eine Störsignalquelle und ein Zug 16-1 im selben Schienensegment in dem fünf Zugangspunkte 2-1 bis 2-5 vorgesehen sind. Die Signalauswerteeinheit der Steuerung 15-i des Verteilers 13-i wertet die von den verschiedenen Zugangs ¬ punkten 2-i stammenden Signale aus und erkennt anhand der Signalcharakteristika, beispielsweise einer Signalstärke oder einer Signalform, dass das von dem Zugangspunkt 2-4 gelieferte optische Signal von dem Funksignal des Funkmoduls inner ¬ halb des Zuges 16-1 stammt. Ferner erkennt die Signalauswer ¬ teeinheit der Steuerung 15-i innerhalb des Verteilers 13, dass das von dem Zugangspunkt 2-1 gelieferte Signal von einer Störquelle, beispielsweise einem Mikrowellenherd, stammt. Aufgrund des Auswerteergebnisses schaltet dann die Steuerung 15-i innerhalb der Verteilereinheit die Datenübertragungspfa ¬ de zwischen den Zugangspunkten 2-1, 2-2, 2-3 sowie 2-5 und der Signaldatenverarbeitungseinheit 4-i ab und schaltet nur den Datenübertragungspfad zwischen dem Zugangspunkt 2-4 und der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i zur bidirektio ¬ nalen Kommunikation mit dem Schienenfahrzeug durch. In dem in Fig. 4b dargestellten Beispiel bewegen sich zwei
Züge 16-1, 16-2 auf unterschiedlichen Schienen 3-1, 3-2 aufeinander zu, wobei die Signalübertragungspfade zu den ent ¬ sprechenden Zugangspunkten 2-2, 2-4, die sich in unmittelbarer Nähe der beiden Zügen 16-1, 16-2 befinden, durch die Steuerung 15-i des Verteilermoduls 13 an die Signal- und Da ¬ tenverarbeitungseinheit 4-i des jeweiligen Schienensegmentes durchgeschaltet werden.
Bei dem in Fig. 4c dargestellten Beispiel passieren die bei- den Züge 16-1, 16-2 einander an der Stelle des Zugangspunktes 2-3, welcher entsprechend durch die Steuerung 15-i des Ver- teilermoduls 13 zu der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i des jeweiligen Schienensegmentes durchgeschaltet wird.
Die Auswahl der Frequenzen bzw. Kanäle zu den verschiedenen Schienensegmenten kann willkürlich erfolgen, solang eine verschachtelte Kanalallokation möglich ist. Auch die Größe der Schienensegmente kann variieren. Der Abstand zwischen den Zugangspunkten 2-i kann beispielsweise einige hundert Meter betragen .
Durch die Verwendung eines großen Clusters von Zugangspunkten 2-i über mehrere hundert Meter entlang einer Schienenstrecke lassen sich Über-Reichweiten, wie sie bei herkömmlichen Systemen auftreten, vermeiden. Fig. 5a zeigt eine herkömmliche Anordnung von Zugangspunkten. Dabei überlappen sich die
Reichweiten der verschiedenen Zugangspunkte mit denen benachbarter Zugangspunkte. Beispielsweise überlappt sich die Funk ¬ reichweite eines Zugangspunktes mit der Reichweite von zwei weiteren Zugangspunkten, nämlich der linken und rechten be- nachbarten Zugangspunkte. Dies ist erwünscht, um Lücken bei der Abdeckung zu vermeiden. Aufgrund sub-optimaler Planung und einem ständigen Wechsel bei den Kanalbedingungen ist die Anzahl der benachbarten Zugangspunkte höher, und kann mehr als sieben Zugangspunkte betragen. Im dargestellten Beispiel befindet sich der Knoten bzw. Zugangspunkt lediglich im Sendebereich von zwei benachbarten Knoten in beiden Richtungen. Der innere Zugangspunkt einer Gruppe wird daher von vier be ¬ nachbarten Zugangspunkten gestört. Durch diese Interferenz kann die Performance des Netzwerkes verschlechtert werden. Die Zugangspunkte konkurrieren um die gleiche Bandbreite, wenn sie sich in einem gemeinsamen Bereich befinden.
Fig. 5b zeigt die Situation bei einem Kommunikationssystem 1 gemäß der Erfindung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bilden fünf Zugangspunkte 2-i eine Zugangspunktgruppe bzw. einem entsprechenden Cluster. Bei dem dargestellten Beispiel überlappen sich lediglich zwei Zugangspunkte am Rand der Gruppe, so dass nur benachbarte Gruppen bzw. Cluster um die gleiche Bandbreite miteinander konkurrieren. Daher ist die Performance bei dem erfindungsgemäßen Kommunikationsdatensys ¬ tem 1 höher als bei einem konventionellen Kommunikationssys- tem.
Der Abstand zwischen den Routern 7-i und den Signal- und Datenverarbeitungseinheiten 4-i ist vorzugsweise gering um die Verbindung bzw. Verkabelung zu erleichtern. Der Abstand zwi- sehen den Signal- und Datenverarbeitungseinheiten 4-i und den Zugangspunkten 2-i kann einige Dutzend Kilometer betragen. Die Verteilereinheit 13 eines Schienensegmentes macht ledig ¬ lich einen Lichtwellenleiter zur Verbindung mit der Signal- und Datenverarbeitungseinheit 4-i erforderlich. Die optische Verteilereinheit 13 wird vorzugsweise in der Nähe der Zu ¬ gangspunkte 2-i des jeweiligen Schienensegmentes vorgesehen, um den Verkabelungsaufwand zu minimieren.
Die Verteilereinheiten 13 weisen vorzugsweise intelligente Multiplexer/Demultiplexer auf, die in der Lage sind, bestimmte Signalübertragungspfade zwischen den Signal- und Datenver ¬ arbeitungseinheiten 4-i und den Zugangspunkten 2-i für die Funksignale gezielt zu schalten. Störungen durch Selbstinterferenz und Interferenz mit anderen Signal- bzw. Störquellen, beispielsweise WLAN-Einrichtungen, können auf diese Weise auf ein Minimum reduziert werden.
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