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Mobile M2M-Kommunikation im ÖPNV

Schnelles und sicheres Roaming

29. Oktober 2015, 11:33 Uhr | Ralf Higgelke

On-Board-Computer und GPS für Bus und Bahn sollen laut Berg Insight von 45,6 Prozent in 2014 auf 58,2 Prozent in 2019 ansteigen. Um dort schnell und sicher große Datenmengen in Echtzeit, etwa für betriebsrelevante Dienste, zu übertragen, ist das Fast-and-Secure-Roaming eine Voraussetzung.

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von Benjamin Amsler, Director New Market & Technologies, und Jürgen Kern, CEO von NetModule.

Der Trend zur Automatisierung im öffentlichen Nahverkehr ist nicht aufzuhalten, und schon in naher Zukunft sollen Metros und Straßenbahnen »von ganz alleine fahren«. Eine Schlüsselrolle dafür spielen die Kommunikationstechnologien für sicherheitskritische Anwendungen wie Bahnautomatisierungs- und Zugbeeinflussungssysteme (Communication-Based Train Control, CBTC) mit extrem hohen Anforderungen an die Systemverfügbarkeit und sichere Kommunikation in Bussen, Metros und Straßenbahnen. International normierte Standards wie 2G/3G/4G/Wi-Fi lösen dabei die bislang dominierenden proprietären Systeme ab.

Unbedingte Voraussetzung für den vollautomatischen Betrieb (Automatic Train Operation, ATO) von CBTC-Systemen ist wegen der Sicherheitsaspekte eine redundante Netzwerkinfrastruktur und eine unterbrechungsfreie Verbindung mit höchster Verfügbarkeit. Die daraus entstehenden Anforderungen können durch die bestehende Mobilfunk-Infrastruktur alleine nicht erfüllt werden. Auch erzeugt eine kontinuierliche 24/7-Kommunikation über das Mobilfunknetz erhebliche Kosten, und es gibt oft zu wenig flächendeckende Netzkapazitäten. Letztlich ist den Verkehrsbetrieben die Abhängigkeit von einem Netzbetreiber zu groß.

Diese Defizite sollen firmeneigene und zweckgebundene Netzwerke für M2M-Kommunikation, meist auf Basis von Wi-Fi (IEEE 802.11) im 2,4-GHz- und 5-GHz-Bereich oder GSM-R beziehungsweise LTE, ausgleichen. Weil diese Netze schon heute beachtliche Ausdehnungen erreichen, verstärken sie den Trend hin zu einer zunehmend heterogenen Netzwerklandschaft, wo sich breitbandige Technologien wie LTE und Wi-Fi in die flächendeckende 3G/4G-Abdeckung einreihen. Dass sich eine der Technologien komplett durchsetzt, ist in naher Zukunft kaum absehbar. Darum sind Lösungen gefragt, die zuverlässig und nahtlos zwischen 2G/3G/4G/Wi-Fi-Netzwerken wechseln und mehrere Links zu maximaler Kapazität bündeln können (Bild 1).

Unterbrechungsfrei wechseln

Am häufigsten ist Seamless-Roaming (unterbrechungsfreier Funktechnologiewechsel) innerhalb einer Technologie beim Wechsel von einer Netzwerkzelle zu nächsten sicherzustellen. Besonders kritisch ist dies vor allem bei Breitbandnetzen wie WLAN, dessen Funkreichweite physikalisch bedingt auf circa 100 m beschränkt ist, was mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit häufige Zellenwechsel mit sich bringt. Beispielsweise durchquert ein Fahrzeug mit 60 km/h eine Zelle von 200 m Ausdehnung in 12 s.

Das im Standard IEEE 802.11r definierte »Fast Roaming« ist ein Mechanismus, der dieser Roaming-Zeit in verschlüsselten WLAN-Netzwerken optimiert. Es beschleunigt die BSS-Transition (Basic Service Set) zwischen den Accesspoints durch eine optimierte Aushandlung der Sicherheitsschlüssel in weniger als 100 ms. Die Kompatibilität zum IEEE-802.11r-Standard lässt sich meist mittels einer spezifischen Treiberoption aktivieren. Als weitere Herausforderung, zusätzlich zum technischen Feintuning, ist bei WLAN-Netzwerken im Gegensatz zu den verwalteten Mobilfunknetzen keine Kontrollinstanz vorgesehen, sondern der Client muss selbst entscheiden, wann und in welche Zelle er sich als nächstes einwählt, bevor die Verbindung abbricht.