Bauelement, Vorrichtung und System zur unidirektionalen

Datenübertragung

Bei hohen Anforderungen an den Schutz bzw. die Sicherheit eines Netzwerkes kann eine Datendiode zum Einsatz kommen, die einen Datentransport nur in eine Richtung zulässt. Bei der Übertragung von Daten aus einem ersten Netzwerk mit erhöhter Sicherheitsstufe in ein zweites Netzwerk mit vergleichsweise geringerer Sicherheitsstufe ist die Datendiode beispielhaft so eingerichtet, den Datentransport ausschließlich in

Richtung des zweiten Netzwerkes zuzulassen und den Zugang zum ersten Netzwerk zu blockieren, insbesondere physikalisch. Hierzu ist es bekannt, eine optische Schnittstelle wie LEDs oder Laserdioden zur Übertragung der Daten auf eine elektro optische Empfangseinheit einzusetzen (sog. Optokoppler) .

Optische Übertragungsverfahren, die auf Optokopplern beruhen, sind in der Übertragungsrate stark beschränkt. Laserbasierte Verfahren sind überdies kostenintensiv.

Es ist jeweils eine Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement, eine Vorrichtung und ein System zur unidirektionalen

Datenübertragung anzugeben, das bzw. die eine hohe

Datenübertragungsrate ermöglicht und zugleich kostengünstig umzusetzen ist.

Diese Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der

unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein

Bauelement zur unidirektionalen Datenübertragung.

Das Bauelement umfasst eine Sendeeinheit. Die Sendeeinheit ist zur drahtlosen Übertragung eines Datensignals mit einer Frequenz kleiner 300 GHz eingerichtet. In anderen Worten ist die Sendeeinheit zur Übertragung des Datensignals ohne

Verbindung mit einer Empfangseinheit wie mittels eines elektrischen Leiters oder eines Lichtwellenleiters

ausgebildet. Das Datensignal weist dabei eine Frequenz außerhalb des infraroten bzw. optischen Frequenzbereichs auf. Beispielsweise ist die Sendeeinheit zur Übertragung des

Datensignals im Frequenzbereich zwischen 0,3 GHz und 300 GHz ausgebildet. In vorteilhafter Weise kann so eine hohe

Übertragungsrate zur Übertragung des Datensignals erreicht werden. Bei der Sendeeinheit handelt es sich beispielsweise um eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte. Optional ist der Sendeeinheit darüber hinaus ein Schaltkreis umfassend einen Verstärker und/oder einen Filter zugeordnet.

Ferner umfasst das Bauelement eine Empfangseinheit. Die

Empfangseinheit ist zum drahtlosen Empfang des Datensignals eingerichtet. Insbesondere ist die Empfangseinheit optimiert hinsichtlich des Empfangs eines durch die Sendeeinheit übertragenen Datensignals. Beispielhaft ist die

Empfangseinheit in diesem Zusammenhang baugleich zu der

Sendeeinheit ausgebildet. Mit Vorteil kann durch den

drahtlosen Empfang des Datensignals beigetragen werden, einen Nebenkanalangriff über ein jeweiliges System zur

Stromversorgung der einzelnen Datenübertragungseinheiten zuverlässig zu verhindern. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass eine entsprechende Stromversorgung der Senderseite von der Empfängerseite durch die drahtlose Übertragung des Datensignals potentialfrei entkoppelt bzw. galvanisch getrennt ist. Bei der Empfangseinheit handelt es sich beispielsweise ebenfalls um eine Leiterbahn auf der Leiterplatte. Optional ist der Empfangseinheit darüber hinaus ein Schaltkreis umfassend einen Verstärker und/oder einen Filter zugeordnet. Eine drahtlose Übertragung des

Datensignals erfolgt beispielsweise durch Übersprechen zwischen der Sende- und Empfangseinheit.

Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind jeweils in das Bauelement integriert. Das heißt, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit bilden eine Baueinheit. Insbesondere sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Integration der Sendeeinheit und der Empfangseinheit in dasselbe Bauelement ermöglicht eine gute Abschirmung des Datensignals bezüglich einer Umgebung des Bauelements sowie eine kompakte Bauform. Bei dem Gehäuse handelt es sich beispielsweise um eine gemeinsame

Leiterplatte. Insbesondere sind die Sende- und

Empfangseinheit in diesem Fall von Schichten der Leiterplatte vollständig umgeben.

Darüber hinaus sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in einem Abstand von weniger als 10 mm voneinander

angeordnet. Insbesondere beträgt der Abstand weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 100 gm, beispielhaft weniger als 10 gm. Mit Vorteil kann so eine Senderausgangsleistung zur

Übertragung des Datensignals gering gehalten werden. Zugleich wird eine kompakte Bauform des Bauelements ermöglicht.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die

Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils als induktive Übertragungseinheiten ausgebildet. Hierbei handelt es sich beispielhaft jeweils um eine Spule.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils als Antennen ausgebildet. In einer Ausführungsvariante sind die

Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils als Lambda/4- Antennen ausgebildet. In diesem Zusammenhang sind die

Sendeeinheit und die Empfangseinheit insbesondere parallel zueinander ausgerichtet angeordnet. In einer weiteren

Ausführungsvariante sind die Sendeeinheit und die

Empfangseinheit jeweils als Patch-Antennen ausgebildet.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt beträgt eine Funkfrequenz zur Übertragung des Datensignals größer als 1 GHz. In anderen Worten ist die Sendeeinheit zur drahtlosen Übertragung des Datensignals mit einer Frequenz zwischen 1 GHz und 300 GHz eingerichtet. In vorteilhafter Weise kann so eine Baugröße der Sendeeinheit und der Empfangseinheit, beispielsweise eine Antennenlänge, gering gehalten werden.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt entspricht eine Übertragungsstrecke zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit im Wesentlichen dem Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit. In anderen Worten umfasst die Übertragungsstrecke keine Reflektion des

Datensignals, vielmehr erfolgt die Übertragung des

Datensignals von der Sendeeinheit auf direktem Weg zu der Empfangseinheit. Mit Vorteil kann so eine

Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals gering gehalten werden. In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist eine

Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals derart beschränkt, dass ein Störabstand des Datensignals in einem Abstand zu der Sendeeinheit, der dem doppelten Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit entspricht, 2 dB oder weniger beträgt. In anderen Worten ist die

Senderausgangsleistung derart limitiert, dass das Datensignal in dem doppelten Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit bereits ohne Abschirmung kaum mehr empfangbar ist .

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt beträgt eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals 500 pW oder weniger.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst das Bauelement einen Träger mit mehreren übereinander

angeordneten Schichten. Bei dem Träger handelt es sich insbesondere um eine Leiterplatte (engl, printed Circuit board, PCB) . Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind auf jeweils unterschiedlichen Schichten des Trägers

angeordnet. Insbesondere sind die Sende- und Emfangseinheit als Leiterbahnen ausgebildet, beispielsweise Antennen- oder Spulenförmig .

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die

Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils von wenigstens einer Schicht des Trägers zur Abschirmung des Datensignals bedeckt. Der Träger dient beispielhaft als Gehäuse des

Bauelements. Insbesondere ist das Datensignal derart

abgeschirmt, dass ein Verhältnis der Senderausgangsleistung zur Strahlungsleistung des Datensignals in einem Abstand zu der Sendeeinheit, der dem doppelten Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit entspricht, -100 dB oder weniger beträgt. In anderen Worten ist die Abschirmung so gewählt, dass das Datensignal durch die Empfangseinheit im Wesentlichen störungsfrei empfangbar ist, im weiteren Umfeld des Bauelements jedoch nicht.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine

Vorrichtung zur unidirektionalen Datenübertragung. Die

Vorrichtung umfasst ein Bauelement gemäß dem ersten Aspekt. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung einen Dateneingang zum Anschluss an ein Ursprungsnetzwerk. Bei dem Dateneingang handelt es sich beispielhaft um eine Ethernet-Schnittstelle. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Datenausgang zum Anschluss an ein Zielnetzwerk. Bei dem Datenausgang handelt es sich beispielhaft ebenfalls um eine Ethernet- Schnittstelle. Die Vorrichtung kann auch als Datendiode bezeichnet werden. Die Vorrichtung ist beispielhaft für den Einsatz als Unterbaugruppe in einem Netzwerk-Switch

vorgesehen .

Der Dateneingang ist mit der Sendeeinheit gekoppelt. Der Datenausgang ist mit der Empfangseinheit gekoppelt. Der

Dateneingang ist von dem Datenausgang galvanisch getrennt.

In einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt umfasst die Vorrichtung eine Eingangsrecheneinheit. Die

Eingangsrecheneinheit ist zwischen dem Dateneingang und der Sendeeinheit angeordnet. Die Eingangsrecheneinheit ist zur Aufnahme und Verarbeitung eines Datensignals aus dem

Ursprungsnetzwerk eingerichtet. Bei der Eingangsrecheneinheit handelt es sich beispielhaft um einen Mikrocontroller, der auf dem Ursprungsnetzwerk bereitgestellte Daten an die

Sendeeinheit überträgt. Beispielhaft empfängt die Eingangsrecheneinheit ein Datensignal gemäß eines ersten Übertragungsprotokolls des Ursprungsnetzwerks und gibt das Datensignal gemäß eines zweiten Übertragungsprotokolls an die Sendeeinheit aus. Das erste Übertragungsprotokoll ist zum Beispiel ein Ethernet-Protokoll. Die Eingangsrecheneinheit kann in einer Ausführungsvariante in der Sendeeinheit

integriert sein. In anderen Ausführungsvarianten ist die Eingangsrecheneinheit extern bezüglich des Bauelements angeordnet. In weiteren Ausführungsvarianten kann die

Eingangsrecheneinheit zwei oder mehrer Bauteile umfassen, wobei ein erstes Bauteil das Datensignal gemäß des ersten Übertragungsprotokolls entgegennimmt und signaltechnisch mit einem oder mehreren weiteren Bauteilen gekoppelt ist, welche (s) eine Übersetzung des Datensignals gemäß des zweiten Übertragungsprotokolls vornimmt bzw. vornehmen.

Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine

Ausgangsrecheneinheit. Die Ausgangsrecheneinheit ist zwischen der Empfangseinheit und dem Datenausgang angeordnet. Die Ausgangsrecheneinheit ist zur Verarbeitung und Ausgabe des Datensignals an das Zielnetzwerk eingerichtet. Bei der

Ausgangsrecheneinheit handelt es sich beispielhaft ebenfalls um einen Mikrocontroller, der an der Empfangseinheit

empfangene Daten an das Zielnetzwerk überträgt. Beispielhaft liegt an der Ausgangsrecheneinheit ein Datensignal gemäß des zweiten Übertragungsprotokolls an, das die

Ausgangsrecheneinheit gemäß eines dritten

Übertragungsprotokolls des Zielnetzwerks ausgangsseitig bereitstellt . Das dritte Übertragungsprotokoll ist zum

Beispiel ein Ethernet-Protokoll, beispielhaft gleich dem ersten Übertragungsprotokoll. Die Ausgangsrecheneinheit kann in einer Ausführungsvariante in der Empfangseinheit

integriert sein. In anderen Ausführungsvarianten ist die Ausgangsrecheneinheit extern bezüglich des Bauelements angeordnet. In weiteren Ausführungsvarianten kann die

Eingangsrecheneinheit zwei oder mehrer Bauteile umfassen, wobei ein erstes Bauteil das Datensignal gemäß des zweiten Übertragungsprotokolls entgegennimmt und signaltechnisch mit einem oder mehreren weiteren Bauteilen gekoppelt ist,

welche (s) eine Übersetzung des Datensignals gemäß des dritten Übertragungsprotokolls vornimmt bzw. vornehmen.

In einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt sind die Eingangsrecheneinheit und die Ausgangsrecheneinheit zur

Übertragung des Datensignals nach einem oder mehrerer der folgenden Übertragungsverfahren eingerichtet: WLAN,

Bluetooth, ZigBee, Software Defined Radio. In anderen Worten handelt es sich bei dem zweiten Übertragungsprotokoll um ein Protokoll eines der vorgenannten Verfahren.

In einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt werden parallel gleiche oder unterschiedliche Übertragungsverfahren und/oder Funkfrequenzen zur Übertragung des Datensignals eingesetzt. In diesem Zusammenhang sind der Vorrichtung beispielhaft mehrere Sendeeinheiten und Empfangseinheiten zugeordnet .

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Überwachung und Diagnose eines Kontrollnetzwerks zum Betreiben von Schienenfahrzeugen und/oder von Stellwerken.

Das System umfasst eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt. Das System umfasst ferner eine Überwachungs- und

Diagnoseeinheit. Die Überwachungs- und Diagnoseeinheit weist insbesondere Mittel auf, die ein Auslesen von Status- oder Kontrollsignalen aus dem Kontrollnetzwerk erlauben, die repräsentativ sind für einen Betriebszustand eines Schienenfahrzeugs und/oder eines Stellwerks.

Das Kontrollnetzwerk ist als Ursprungsnetzwerk mit der

Vorrichtung gekoppelt. Die Überwachungs- und Diagnoseeinheit ist als Zielnetzwerk mit der Vorrichtung gekoppelt.

Die Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise ein

sicheres Auslesen der Status oder Kontrollsignale durch die Überwachungs- und Diagnoseeinheit.

Die oben genannten Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung und die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden durch die folgende Beschreibung der

Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den entsprechenden Figuren weitergehend erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den

Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu

betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.

Es zeigen:

Figuren 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements zur unidirektionalen Datenübertragung,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur

unidirektionalen Datenübertragung, und Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Systems zur Überwachung und Diagnose eines Kontrollnetzwerks zum Betreiben von

Schienenfahrzeugen und/oder von Stellwerken.

Anhand der Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements 1 zur unidirektionalen Datenübertragung eines Datensignals S dargestellt. In einer gedruckten Leitplatte, die als Träger 4 sowie Gehäuse fungiert, ist auf zwei verschiedenen Leitplattenschichten 4a, 4b (vgl.

Explosionsansicht in Fig. 2) jeweils eine Leiterbahn

ausgebildet. Die Leiterbahnen sind in dieser

Ausführungsvariante jeweils als Funkantenne aufgebaut, wobei eine Funkantenne als Sendeeinheit 2 und die andere als

Empfangseinheit 3 eingerichtet ist. Die Funkantennen sind eingerichtet, über eine sehr kurze Entfernung von wenigen Millimetern oder Mikrometern Daten zwischeneinander zu übertragen. Insbesondere wird sich dabei die Eigenschaft von benachbarten Leitern zu eigen gemacht, bei denen ein

Übersprechen stattfindet (englisch „crosstalk") . Das

Bauelement 1 ermöglicht damit eine Einwegdatenübertragung mithilfe eines drahtlosen Funksystems. Die Sendeeinheit 2 verfügt dabei über eine sehr geringe Sendeleistung. Die

Einwegdatenübertragung erfolgt damit lediglich über eine sehr kurze Distanz.

Die Funkantennen sind in einem Abstand d zueinander

angeordnet. Beispielhaft ist in einem Abstand d2, der dem doppelten Abstand zwischen Sende- und Empfangseinheit 2, 3 entspricht, eine Strahlungsleistung bereits so gering, dass eine Rekonstruktion des Datensignals S nicht oder nur mit hoher Fehleranfälligkeit möglich ist. In einer

Ausführungsvariante handelt es sich bei den Funkantennen jeweils um einen Lambda-Viertel-Strahler . Die beiden Antennen sind dann in einem geeigneten Abstand parallel zueinander ausgerichtet. In anderen Ausführungsvarianten, wie im Falle von Patch-Antennen, kann beispielhaft ein anderes Layout gewählt werden.

Um die Baugröße bzw. Antennenlänge möglichst klein zu halten, ist eine Funkfrequenz der Funkantennen vorliegend größer als 1 GHz gewählt. Weitere Leiterplattenschichten 4c, 4d dienen der Abschirmung. Ein solcher Aufbau der Funkstrecke in einem PCB mit Abschirmungsflächen ermöglicht eine

potentialgetrennte, sehr kompakte Aufbauform.

In einem nicht näher dargestellten, alternativen

Ausführungsbeispiel erfolgt die Datenübertragung über eine induktive Übertragungseinheit, die in Form eines PCB-Layouts realisiert ist.

Der Sendeeinheit 2 und der Empfangseinheit 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel überdies Schaltkreise zugeordnet, die die Aufbereitung des Sendersignals bzw. die Rückwandlung des Empfangssignals durchführen (nicht näher dargestellt) .

Hierbei handelt es sich insbesondere um eine

Verstärkerschaltung und/oder einen Filter.

Anhand Figur 3 ist eine Vorrichtung 10 zur unidirektionalen Datenübertragung gezeigt, die auch als Datendiode bezeichnet wird .

Die Vorrichtung 10 weist einen Dateneingang 12 zum Anschluss an ein Ursprungsnetzwerk 20 sowie einen Datenausgang 13 zum Anschluss an ein Zielnetzwerk 30 auf. Beispielhaft handelt es sich hierbei jeweils um Ethernet-Schnittstellen. Insbesondere kann die Vorrichtung 10 über ein Netzwerkkabel auf jeder Seite mit dem entsprechenden Netzwerk 20, 30 verbunden werden .

Die Vorrichtung 10 umfasst wenigstens eine Eingangs- und eine Ausangsrecheneinheit . In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Mikrocontroller 14 auf einer beispielhaft

sicherheitskritischen Seite angeordnet, der Daten über die Sendeeinheit 2 an die Empfangseinheit 3 überträgt. Die

Empfangseinheit 3 ist beispielsweise ebenfalls mit einem Mikrocontroller 15 verbunden. Die Mikrokontroller 14, 15 sind insbesondere zur Übersetzung von Übertragungsprotokollen eingerichtet. Nach Empfang von Daten werden diese mit einem jeweilig gewählten Protokoll an das Zielnetzwerk 30 mit beispielhaft geringerer Sicherheitsstufe ausgegeben. Durch die Netztrennung mithilfe des Bauelements 1 findet eine

Potentialtrennung bzw. galvanische Entkopplung statt.

Bausteine mit Funksendern und solche mit Empfängern sind heute in sehr kompakter Bauform erhältlich, so dass ein sehr kompakter Gesamtaufbau des Bauelements 1 bzw. der Vorrichtung 10 ermöglicht wird. Denkbar sind hier Sendeverfahren gemäß WLAN, Bluetooth, ZigBee, Software Defined Radio Lösungen oder andere proprietäre Verfahren. Die Mikrocontroller 14, 15 sind als Protokollbearbeitungseinheiten in der dargestellten

Ausführungsvariante in das Bauelement 1 integriert. In anderen Ausführungsvarianten können die Mikrocontroller 14,

15 auch extern bezüglich des Bauelements 1 in Form

eigenständiger Baugruppen realisiert werden. Dadurch lassen sich sehr kompakte Baueinheiten realisieren.

Die dargestellte Vorrichtung 10 kann insbesondere als

Unterbaugruppe in einem Netzwerk-Switch lokalisiert werden. Beispielhaft sind der Vorrichtung 10 mehrere Bauelemente 1 sowie Datenein- und ausgänge 12, 13 zugeordnet, so dass einzelne Übertragungsstrecken parallel mit gleichen oder unterschiedlichen Übertragungsverfahren und/oder Frequenzen realisiert werden können.

Anhand der Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 abgebildet, in dem die Vorrichtung 10 eingesetzt wird.

Das System 100 umfasst ein Kontrollnetzwerk 200, das mit einem oder mehreren Schienenfahrzeugen 201 und/oder einem oder mehreren Stellwerken 202 gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich ist das Kontrollnetzwerk 200 beispielhaft mit Leit- und/oder Sicherungstechnik einer Schienen- bzw.

Straßeninfrastruktur gekoppelt. Bei dem Kontrollnetzwerk 200 handelt es sich insbesondere um ein sicherheitsrelevantes, geschlossenes Netzwerk. Eine Überwachungs- und

Diagnoseeinheit 101 ist über den durch die Vorrichtung 10 gebildeten unidirektionalen Datenkanal mit dem

Kontrollnetzwerk 200 verbunden, so dass ein sicheres Auslesen von Status- oder Steuersignalen einzelner Komponenten des Kontrollnetzwerks 200 ermöglicht wird. Die Überwachungs- und Diagnoseeinheit 101 umfasst z.B. ein portables, lokales Speichermedium oder einen Server. Über einen von der

Vorrichtung 10 getrennten Kanal ist z.B. eine Steuerung des Kontrollnetzwerks 200 möglich (gestrichelt dargestellt) .

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen

detailliert dargestellt und beschrieben wurde, ist die

Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele und die darin erläuterten konkreten Merkmalskombinationen

beschränkt. Weitere Variationen der Erfindung können von einem Fachmann erhalten werden, ohne den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste

1 Bauelement

2 Sendeeinheit

3 Empfangseinheit

4 Träger

4a-4d Trägerschicht

10 Vorrichtung

12 Dateneingang

13 Datenausgang

14 Eingangsrecheneinheit

15 Ausgangsrecheneinheit

20 Ursprungsnetzwerk

30 Zielnetzwerk

100 System

101 Überwachungs- und Diagnoseeinheit

200 Kontrollnetzwerk

201 Schienenfahrzeug

202 Stellwerk

5 Datensignal

d Abstand

d2 doppelter Abstand