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Bahn- und Fahrgastkommunikation:
von 2G/GSM-R zu 5G/FRMCS aus SBB-Perspektive
Alex E. Brand | Christian Nänni
D
er Lifecycle von GSM-R nähert sich dem Ende. Neue Anforderungen an die Kommunikation infolge von Digitalisierungsprojekten wie smartrail 4.0 erfordern ein zukunftsfähiges
Nachfolgesystem: FRMCS. Wegen den erforderlichen Umsetzungszeiträumen drängt die Zeit. Die Verfügbarkeit notwendiger zusätzlicher Frequenzen muss 2020 geklärt werden. Ein Augenmerk gilt
einer flexiblen FRMCS-Fahrzeugarchitektur. Die Fahrgastkommunikation hat stark von der schnellen 4G-Einführung profitiert. Um 5G
in die Züge zu bringen, sind Synergien mit FRMCS zu suchen, was
im Rahmen einer 5G-Teststrecke vertieft wird.
1 Einführung von GSM-R inkl. Roaming Services in der Schweiz
Mit der Inbetriebnahme der Neubaustrecke Mattsteten – Rothrist
(NBS) 2004 begann die definitive Einführung von GSM-R. Um die Möglichkeiten von GSM-R schweizweit nutzen zu können, wurde gleichzeitig ein National Roaming auf dem GSM-Netz der Swisscom eingeführt mit wichtigen GSM-R-Funktionen wie funktionale Adressierung,
Priorisierung und Subadressing. Neben normkonformen Cab Radios
können Standard-4G-Smartphones mit GSM-R-SIM-Karten die GSMR-Roaming-Funktionen nützen. Für die Smartphones wurde 2011
3G Roaming und 2017 4G Data Roaming eingeführt. Neben diesem
«National Public Roaming» und dem «International GSM-R Roaming»
mit anderen GSM-R-Netzen wurde auch noch ein «International Public Roaming» für die Handys des Zugpersonals eingeführt sowie die
gegenseitige Nutzung des National Roamings in Deutschland durch
Schweizer Cab Radios und umgekehrt bereitgestellt. Die SBB haben
somit so ziemlich alle denkbaren Spielarten des Roamings durchexerziert und zum Nutzen des Bahnsystems verfügbar gemacht.
Auf etwa 25 % des SBB-Netzes sowie weiteren Normalspur- und
wenigen Schmalspurstrecken in der Schweiz wurde keine eigene GSM-R-Abdeckung gebaut, sondern GSM-R nur im Roaming
genutzt. Mit der Abkündigung des GSM-Dienstes der Swisscom
per Ende 2020 wird das Roaming mit Standard GSM-R Cab Radios nicht mehr möglich sein, während das 3G und 4G Roaming
mit Handys weiterhin zur Verfügung steht. Schön wäre gewesen,
wenn zu diesem Zeitpunkt das GSM-R-Nachfolgenetz FRMCS (Future Railways Mobile Communications System) bereits soweit spezifiziert gewesen wäre, dass man betroffene Fahrzeuge FRMCS-fähig hätte nachrüsten können, was leider nicht der Fall ist. Stattdessen werden einzelne «Roaming-Strecken» noch mit GSM-R
nachgerüstet. Zudem werden gewisse Cab Radios mit 3G- und
4G-Funkmodems erweitert, um vorerst auf 3G-Netzen weiter roamen zu können, später auch auf 4G-Netzen (dies setzt die relativ
aufwendige Realisierung von «Voice over LTE» Roaming voraus).
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Railway and passenger communication: the transition
from 2G/GSM-R to 5G/FRMCS as viewed by SBB
SM-R is nearing the end of its life cycle. New communication requirements resulting from digitisation projects such as smartrail 4.0 require a successor system, namely
FRMCS. Time is of essence here in terms of the period available for implementation. The availability of the required additional frequencies must be clarified in 2020. One area of focus involves the creation of a flexible FRMCS vehicle architecture. Passenger communication has benefited extensively
from the rapid introduction of 4G. Providing trains with 5G
will require the identification of synergies with FRMCS; this
is being pursued with help of a 5G test route.
1 The introduction of GSM-R, including roaming services,
in Switzerland
The launch of the Mattsteten – Rothrist line (NBS) in 2004
marked the definitive introduction of GSM-R. National roaming on the Swisscom GSM network was introduced simultaneously in order to exploit the benefits of GSM-R throughout
Switzerland. It offered key GSM-R features such as functional addressing, prioritisation and sub-addressing. Along with
standard cab radios, standard 4G smartphones with GSM-R
SIM cards can also use the GSM-R roaming services. 3G roaming for smartphones was introduced in 2011 followed by the
launch of 4G data roaming for smartphones in 2017. This “National Public Roaming” system and “International GSM-R
Roaming” with other GSM-R networks were supplemented by
the introduction of “International Public Roaming” for mobile
phones used by train crews, as well as the mutual use of national roaming services in Germany and Switzerland by cab radios operated by the respective railway companies. SBB has thus
made use of virtually every conceivable type of roaming system
for its rail operations.
Approximately 25 % of the SBB network and several other
lines in Switzerland have no GSM-R coverage of their own,
but instead use GSM-R roaming exclusively. With the discontinuation of the GSM service from Swisscom at the end of
2020, roaming with standard GSM-R cab radios will no longer
be possible, although 3G and 4G roaming with mobile phones
will still be. Several “roaming routes” are now being retrofitted with GSM-R. In addition, some cab radios are also being
equipped with 3G and 4G wireless modems in order to initially enable continued roaming in the 3G networks and later
(once Voice over LTE roaming has been introduced) roaming
in 4G networks.
2 GSM-R auf ETCS Level 2-Strecken
2 GSM-R on ETCS Level 2 routes
Die ETCS Level 2 (L2)-Strecken in der Schweiz sind in der Regel sehr
dicht befahren, mit Zugfolgezeiten im Falle der NBS von 120 Sekunden und entsprechend hohen Verfügbarkeitsanforderungen an
GSM-R. Um keine Verkehrsbeeinträchtigungen bei Ausfall einzelner
GSM-R-Basisstationen (BS) zu riskieren, werden ETCS L2-Strecken
mit voller GSM-R-Funkfeldredundanz ausgerüstet. Ein Ausfall einzelner BS führt damit zu keinen GSM-R-Versorgungsunterbrechungen.
Stromversorgung, Datennetzanbindung, Tunnelfunk und Kernnetzkomponenten sind ebenfalls redundant ausgelegt.
Etwa alle 80 Stunden (Durchschnitt 2018) ist ein Rufabbruch (Call
Drop) zu verzeichnen. Die Vergleichswerte bei den öffentlichen
Mobilfunkanbietern in der Schweiz in Zügen liegen (Stand 2017)
bei etwa 100 Minuten, was eigentlich sehr gute Werte sind, aber
trotzdem weit weg von den Verfügbarkeitsanforderungen für die
kritische Bahnkommunikation. Auf ETCS L2-Fahrzeugen sind in
der Regel zwei Funkmodems (Mobile Radio Module) verbaut, sodass bei einem Call Drop auf dem verkehrsführenden Modul das
zweite Modul sofort einen Rufaufbau starten kann. Mit den aktuellen Blockabständen bleibt im Falle eines Call Drops in der Regel
genug Zeit für ein «Call Re-Establishment», bevor ein Zug mangels Funkverbindung abbremsen muss.
The ETCS Level 2 (L2) routes in Switzerland are generally very
busy with trains travelling 120 seconds apart on the NBS. GSM-R
availability requirements are therefore very high. In order to ensure that GSM-R base station (BS) failures do not lead to traffic
disruptions, ETCS L2 lines are equipped with fully redundant
GSM-R radio coverage. The failure of individual sites therefore
does not result in any interruption to the GSM-R service. Redundancy systems have also been installed for the power supplies, data network connections, tunnel radio systems and core
network components.
The average call-drop rate in 2018 was around one every
80 hours. The public mobile network call-drop rate in trains
in Switzerland was around 100 minutes in 2017. While this is a
very good rate, it is far from what is needed for critical railway
communications. ETCS L2 vehicles are generally equipped with
two wireless modems (mobile radio modules), which means
that, if a call is dropped on one modem, a new call is immediately established on the second one. Given the current block intervals, there is usually enough time after a call-drop to re-establish
a new call before a train needs to brake due to an interruption in
radio connectivity.
3 Fahrgastkommunikation: von 2G zu 4G
3 Passenger communication: from 2G to 4G
Die Schweizer Mobilfunkanbieter investieren schon seit vielen Jahren in die Versorgung der Fahrgäste mit Mobilkommunikation, so
schon in den 1990er Jahren in Tunnelfunkanlagen. Im Hinblick auf
GSM-R wurden ab 2003 gemeinsam mit der SBB Tunnelfunkanlagen gebaut, die typischerweise neben dem GSM-R-Band auch die
Bänder 900 MHz, 1800 MHz und 2.1 GHz (3G) unterstützen.
Ab der Jahrtausendwende wurden große Teile der SBB-Fernverkehrsflotte mit einer ersten Generation GSM Repeater ausgerüstet, also Mobilfunk-Signalverstärker, die die starke Dämpfung
der Funksignale durch die Wagenkästen und die aus klimatechnischen Gründen bedampften Scheiben (Faraday-Käfig) kompensieren. Um 2010 entschied sich das Mobilfunkanbieter-Konsortium für einen Ersatz dieser Repeater mit 2G / 3G Repeater, die die
Bänder 900 MHz, 1800 MHz und 2.1 GHz unterstützen. Der Rollout
im Fernverkehr durch die SBB fand 2012 bis 2014 statt.
Ende 2012 wurde 4G in der Schweiz eingeführt. Das wichtigste
Band für die 4G-Einführung wurde nicht das neue 800 MHz-Band,
sondern glücklicherweise das bestehende 1800 MHz-Band mit
viel Spektrum (Bild 1). Bei den im Rollout befindlichen Repeatern
brauchte es minimale Eingriffe, um die 4G-Tauglichkeit dieses
Bandes sicherzustellen. Bei den Tunnelfunkanlagen mussten aber
einzelne Komponenten ausgetauscht werden, um Intermodulationen und damit insbesondere auch Störungen auf das GSM-RBand zu vermeiden. In einer gemeinsamen Anstrengung der Mobilfunkanbieter und der SBB ist es gelungen, die notwendigen
Vorkehrungen schnell zu treffen und, wenige Monate nach dem
Start von 4G in ersten Ortschaften, 4G auch in die ersten Züge
zu bringen. Neben dem vorhandenen gemeinsamen Willen passte auch zeitlich mit etwas Glück alles zusammen, was in der Bahnwelt sonst viele Jahre Vorlauf benötigt.
Die in den vorangegangenen Jahren kontinuierlich für 1800 MHz und
2.1. GHz verdichteten Antennenstandorte konnten relativ einfach auf
4G umgerüstet und schnell eine gute Streckenversorgung erreicht
werden. 4G weist neben hoher Spektraleffizienz weitere Vorteile für
die Fahrgastversorgung auf wie z. B. die flexible Nutzung und Bündelung mehrerer Bänder. Im Gegensatz zu 3G, wo pro Band eine zusam-
Swiss mobile network providers have been investing in mobile
communication services for passengers for many years, e. g. the
tunnel radio systems of the 1990s. With regard to GSM-R, the mobile network providers and SBB began jointly building tunnel radio
systems in 2003 which typically supported the GSM-R frequency
band as well as the 900 MHz, 1800 MHz and 2.1 GHz (3G) bands.
From 2000 onwards, large portions of the SBB long-distance
train fleet were equipped with first-generation GSM repeaters
(wireless signal boosters) which compensate for the extensive
radio signal attenuation caused by the coach bodies and train
windows which are metal coated for climate-control purposes (a
so-called Faraday cage). Around 2010, the mobile network provider consortium in Switzerland decided to replace the repeaters
with 2G/3G repeaters which support the 900 MHz, 1800 MHz
and 2.1 GHz frequency bands. SBB rolled them out on its longdistance trains in the period between 2012 and 2014.
4G was launched in Switzerland at the end of 2012. The most
important frequency band for the introduction of 4G was not
the new 800 MHz band, but instead, and fortunately, the existing 1800 MHz band with a lot of bandwidth (fig. 1). The repeaters involved in the roll-out only required minor adjustments to
ensure the 4G capability of this band. In the case of the tunnel
radio systems, however, certain components needed to be replaced in order to prevent intermodulation and thus disruptions
to the GSM-R frequency band. SBB and the mobile network providers joined forces to quickly take the steps needed to ensure
that 4G could be made available in trains only a few months after the 4G service had been introduced to selected locations in
Switzerland. The determination of SBB and its partners here was
supported by the fact that several things which usually require
many years of lead time in the railway sector now fell into place.
For example, the continuous increase in antenna-site density for
the 1800 MHz and 2.1. GHz ranges that had been going on for several years made it relatively easy to retrofit the sites for 4G service
and quickly provide 4G coverage over large track segments. Along
with high spectral efficiency, 4G also offers other advantages for
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Bild 1: Übersicht Mobilfunkfrequenzen
Fig. 1: An overview of mobile radio frequencies
menhängende Versorgung notwendig ist, um Verbindungsabbrüche zu vermeiden, spielt es bei 4G in der Regel keine Rolle, wenn z. B.
800 MHz im Tunnel nicht unterstützt wird, es reduziert sich nur die
gesamte verfügbare Bandbreite kurzzeitig etwas. Entsprechend wurden nach der vollständigen Umrüstung des 1800 MHz-Bandes auf 4G
auch im 2.1 GHz- und 900 MHz-Band immer mehr Frequenzen auf 4G
migriert. Mit der schnellen Bereitstellung von 4G ab 2013 in den Fernverkehrszügen und dem dann auch auf den Regionalverkehr ausgeweiteten Repeater-Rollout konnte auf großen Teilen des Bahnnetzes
die Fahrgastversorgung für die Kunden in kurzer Zeit signifikant verbessert werden. Dies wurde auch durch wiederholte, in diversen Zeitschriften publizierte Netzvergleiche mit umliegenden Ländern bestätigt. Deshalb auch die bewusste Entscheidung, mit Ausnahme von
international verkehrenden Zügen auf die Einführung von WLAN in
SBB-Zügen zu verzichten.
Im Rahmen kontinuierlicher Verbesserungsmaßnahmen wurden
die Repeater mit dem 800 MHz-Band und teilweise mit MIMO-Fähigkeit (Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen) nachgerüstet. Dies ist allerdings eine kostenintensive und im Bahnumfeld zeitraubende Materialschlacht. Eine Alternative sind spezielle Fenster, bei denen durch Laserbehandlung die Metallbedampfung so modifiziert wird, dass die Signaldämpfung deutlich reduziert werden kann und die auch MIMO nicht im Weg stehen. Nach
erfolgreichen Tests mit verschiedenen Fahrzeugtypen hat die Ausrüstung erster Teilflotten mit solchen behandelten Fenstern als Alternative zum Repeater bei den SBB in diesem Jahr begonnen.
4 Wieso brauchen wir FRMCS? Und wieso brauchen wir es schnell?
Die Nutzung leitungsvermittelter, fest zugeordneter GSM-R-Kanäle («Circuit Switched Data») für ETCS L2 ist hochgradig ineffizient.
Auf Strecken wie der NBS und in den großen Basistunnels reicht
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passenger communication, such as flexible use and the bundling
of several frequency bands. Unlike 3G, where continuous coverage is needed for each frequency band in order to prevent disconnections, a lack of support for 800 MHz in a tunnel, for example,
is generally no problem for a 4G system, as only the total available
bandwidth is slightly reduced for a short time. As a result, more
and more frequencies in the 2.1 GHz and 900 MHz range were migrated to 4G after the 1800 MHz frequency band had been completely retrofitted for 4G operations. The rapid introduction of 4G
in long-distance trains from 2013 onwards, as well as the expansion of the repeater roll-out to regional trains, led to a significant
improvement in mobile network services for passengers throughout most of the rail network in just a short period of time. This
was also confirmed by repeated comparisons with rail networks in
surrounding countries which were published in a variety of magazines. A conscious decision was therefore made to forgo the introduction of WiFi in SBB trains within Switzerland.
The repeaters were later retrofitted to accommodate the 800
MHz frequency band and in some cases were also MIMO-enabled (for the use of multiple transmission and receiving antennas). Such retrofitting is, however, very costly in terms of money, materials and time in a railway environment. An alternative
here involves the use of special windows which have been lasertreated to modify the metallised coating in such a manner as to
significantly reduce signal attenuation and to allow for MIMO
reception. Following successful tests with various vehicle types,
the first SBB sub-fleets were equipped with such laser-treated
windows this year as an alternative to the use of repeaters.
4 Why do we need FRMCS? And why do we need it quickly?
The use of circuit-switched, dedicated GSM-R channels for
ETCS L2 is highly inefficient. Nevertheless, the radio capacity
die Kapazität trotzdem und das GSM-R basierte ETCS L2 hat sich
in den letzten 13 Jahren bewährt. In Knoten reicht aber die Kapazität von GSM-R für ETCS L2 nicht mehr. Soll man sich mit GPRS
(General Packet Radio Service, also paket- statt leitungsvermittelt,
manchmal 2.5G genannt) behelfen? Damit wird das Spektrum etwas effizienter genutzt und kleinere Knoten könnten wohl bedient werden, in größeren Knoten würde es aber mit voller Redundanz gleichwohl knapp. Baseline 3 Release 2 der relevanten technischen Interoperabilitätsspezifikation (TSI) sieht GPRS grundsätzlich vor. Allerdings ist der fahrzeugseitige Aufwand zur Einführung dieser Funktion unverhältnismäßig hoch, ohne gleichzeitig
die notwendige zukunftsfähige Fahrzeugarchitektur zu ermöglichen, wie sie in Abschnitt 6 beschrieben ist. Auch netzseitig kann
je nach Ausgangslage der Aufwand groß sein. Zum heutigen Zeitpunkt, wo 2G resp. 2.5G bei den öffentlichen Mobilfunkanbietern
vor dem Lebensende steht und auch das Lebensende von GSM-R
naht, ist ein Rollout von GPRS nicht mehr sinnvoll.
Verschiedene Bahnen haben größere Digitalisierungsprojekte gestartet. Dazu gehören auch die SBB und weitere Schweizer Bahnen,
die mit smartrail 4.0 (www.smartrail40.ch, Bild 2) den flächendeckenden Rollout der Führerstandsignalisierung ermöglichen wollen, aufbauend auf ETCS Level 2, aber ergänzt um weitere Funktionen wie «Moving Block» (Level 3), Überwachung von Rangierfahrten und die Einführung von Automatic Train Operation (ATO).
Um die Trassenkapazität zu erhöhen, wird mit Moving Block eine
sehr feine Steuerung aller Züge angestrebt. Moving Block erfordert eine genaue Lokalisierung und Längenbestimmung der
Züge. Die Frequenz der ETCS Train Position Reports muss erhöht und ihr Umfang erweitert werden. Zusatzdaten für die Lokalisierung müssen über die Luftschnittstelle übermittelt werden.
Will man das Maximum erreichen, lässt man die Züge im relativen Bremsabstand hintereinanderfahren und sendet sehr kurze
«Move­ment Authorities» basierend auf den z. B. im Sekundentakt
erfolgenden Positionsmeldungen der vorherfahrenden Züge. Damit müssen sehr stringente Anforderungen an das Latenz-Verhalten von FRMCS gestellt werden, die weit über das hinaus gehen,
was heute bei GSM-R üblich ist. Ansonsten sind Fahrplanstabilität und Fahrkomfort (unerwünschtes Bremsen durch das System)
nicht gewährleistet. Können heute noch Kommunikationsausfälle, die ein paar Sekunden dauern, toleriert werden (siehe Abschnitt 2), ist das in Zukunft nicht mehr der Fall.
Mit der Digitalisierung soll nicht nur ETCS Moving Block inkl. Lokalisierung ermöglicht werden, für ATO in verschiedenen «Grades
of Automation» (GoA) werden weitere sehr zeitkritische und bei
personallosem Fahren (GoA 4) auch bandbreitenintensive Daten
übertragen werden müssen. Damit die Bahnen die zukünftigen
Anforderungen und die steigende Nachfrage befriedigen können,
müssen sie sich der Digitalisierung stellen, die ein State-of-theArt-Kommunikationssystem erfordert. Die Bahnen brauchen das
neue Bahnmobilkommunikationssystem FRMCS!
Neben dem funktionalen Bedarf für FRMCS stellt sich auch die
Problematik der GSM-R-Obsoleszenz immer dringender. Während
2G im öffentlichen Mobilfunk schon in den nächsten Jahren verschwinden wird, garantiert die GSM-R-Industrie einen Life­c ycle
bis etwa 2030. Danach wird es infolge nicht mehr verfügbarer
Komponenten und Know-how immer schwieriger und kostspieliger, den Betrieb aufrecht zu erhalten. Die Planung der SBB geht
von einer GSM-R-Ablösung per 2032 aus, ein Ziehen des Lifecycles bis 2035 ist andernorts vielleicht denkbar. Aber selbst unter
dieser Prämisse und wenn man berücksichtigt, dass ein Netz- und
Fahrzeug-Rollout schnell acht bis zehn Jahre in Anspruch nimmt,
müsste FRMCS bis 2021 durchspezifiziert und in der TSI 2022 ver-
is sufficient on routes such as the NBS and in the long base tunnels and GSM-R-based ETCS L2 has proved its worth over the
last 13 years. However, GSM-R does not offer enough capacity
for ETCS L2 in railway nodes. The question here is whether or
not to resort to GPRS (the General Packet Radio Service – i. e.
packet-switched instead of circuit-switched, sometimes known
as 2.5G), which would make for somewhat more efficient use of
the spectrum. While serving smaller railway nodes with GPRS is
possible, serving larger nodes and providing double radio coverage would be seriously challenging. Baseline 3 Release 2 for the
relevant Technical Specification for Interoperability (TSI) now
includes GPRS. The amount of effort and expense involved in
preparing vehicles for the introduction of this function is disproportionately high, however, and could only be justified by
the simultaneous implementation of the new vehicle architecture described in Section 6. The trackside effort could also be
very high depending on the GSM-R networks in place. At the
moment, it no longer makes sense to roll out GPRS with 2G and
2.5G approaching the end of their life cycles with mobile network providers and with GSM-R nearing the end as well.
Various railway companies have launched larger-scale digitisation projects. For instance, SBB and other Swiss rail operators
want to use smartrail 4.0 (www.smartrail40.ch, fig. 2) to enable
the nationwide roll-out of cab signalling on the basis of ETCS
Level 2 with additional functions such as moving block operations (Level 3) and supervised shunting, as well as the introduction of automatic train operation (ATO).
The moving block approach will be used to ensure precise control over all trains in order to increase train-path capacity. Moving block operations require precise data on train locations and
lengths. The frequency of ETCS train position reports needs to
be increased and their scope needs to be expanded as well. Additional localisation data will need to be sent via the air interface. If maximum efficiency is to be achieved, trains will have
to be operated in sequences at a relative braking distance to one
another, while transmitting very short “movement authorities”
based on the position notifications of the trains ahead which
are issued every second. This in turn will impose strict requirements regarding the latency behaviour of FRMCS which go far
beyond what is required of GSM-R today. Otherwise, timetable
stability and ride comfort (undesired braking triggered by the
system) will not be able to be guaranteed. While communication
interruptions of only a few seconds can be tolerated today (see
Section 2), this will no longer be the case in future.
Digitisation will not only enable ETCS moving block operations
with localisation; in the case of ATO at various grades of automation (GoA), additional data of an extremely critical nature
will need to be transmitted and, in instances of unmanned operations (GoA 4), such data will use up a large amount of bandwidth. If the railway companies are to meet the increasing requirements and higher demand for transport services in the future, they will need to implement this type of digitisation which
in turn calls for a state-of-the-art communication system. In
other words, the railway companies need FRMCS!
Along with the growing functional need for FRMCS, the railway companies also face the urgent problem of GSM-R obsolescence. Whereas 2G will disappear from public mobile networks
over the next few years, the GSM-R industry guarantees a life
cycle of up to around 2030. After that, a lack of components and
know-how will make continued operations increasingly difficult and more expensive. SBB planning assumes the discontinuation of GSM-R in 2032, although a life cycle extension to 2035
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Bild 2: Technisches Zielbild von smartrail 4.0
Fig. 2: The technical target vision for smartrail 4.0
ankert sein, damit es zeitlich aufgeht. Selbst in diesem Fall müssen wir wohl leider erste Funknetzplanungen machen und Bewilligungsverfahren für Antennenstandorte einleiten, bevor wir einen
Hersteller für FRMCS gewählt haben. Dies, um für die Einführung
erster smartrail 4.0-Strecken 2027 bereit zu sein und den Rollout
per 2032 abgeschlossen zu haben.
5 Herausforderungen bei FRMCS
Bezüglich grundsätzlicher Design-Prinzipien scheint sich ein Konsens herauszuschälen, wie zum Beispiel, Applikationen von der
Datenübertragung zu trennen um damit in Zukunft Rückwirkungen beim Austausch / Upgrade von Funkschnittstellen auf safety-relevante Anwendungen (oft aufwendige Zulassungen erfordernd) zu vermeiden. Ebenfalls herrscht Einigkeit, dass wie bei
GSM-R auf öffentliche Mobilfunkstandards zurückgegriffen werden soll. Im Gegensatz zu GSM-R sollen aber die bahnspezifischen
Funktionen keine speziellen Funknetzkomponenten (mit Vorbehalt bahnspezifischer Frequenzen) erfordern, sondern auf der Applikationsebene implementiert werden. Wenn man von einem zukunftsfähigen System spricht, dann impliziert dies fast zwangsläufig 5G, da die 4G-Spezifikationen inzwischen eingefroren sind
und 4G im öffentlichen Mobilfunksektor wohl bereits in der Hälfte
des Lebenszyklus angelangt ist.
Damit stellt sich sehr schnell die Spektrumsfrage, da die Mindestbandbreite eines 5G Trägers 5 MHz beträgt. Europaweit harmonisiert sind 2 x 4 MHz im 900 MHz Band den Bahnen zugeordnet, in
einigen Ländern stehen unmittelbar daneben weitere 2 x 3 MHz
(ER-Band) zur Verfügung. Der Betrieb eines GSM-R-Netzes mit weniger als 2 x 4 MHz ist kaum möglich, in Deutschland und der Schweiz
musste man aus Kapazitätsgründen an ausgewählten Orten (große
Knoten, Rangierbahnhöfe, Grenzgebiete) das ER-Band ebenfalls für
GSM-R einsetzen. EU-weit sollen von den 2 x 3 MHz im ER-Band nur
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may be possible elsewhere. However, even assuming that this assumption is correct, and given the fact that even a fast network
and vehicle roll-out can take eight to ten years, the specifications
for FRMCS will need to be complete by 2021 in order for them
to be incorporated into TSI 2022, if the planned timeline is to be
adhered to. Moreover, even if all of this occurs, we will unfortunately still need to initiate wireless network planning and the
approval process for antenna sites before we can select a manufacturer for FRMCS. We have to do this in order to ensure that
we are ready for the launch of the first smartrail 4.0 lines in 2027
and can complete the roll-out by 2032.
5 The challenges associated with FRMCS
In terms of basic design principles, a consensus seems to be
emerging with regard to, for example, the separation of applications from data transmission. It is also generally agreed that
public mobile communication standards should be used, as was
the case with GSM-R. However, unlike GSM-R, railway-specific functions should not require the use of railway-specific radio
components, but instead be implemented at the application level. Striving for a future-proof system implies choosing 5G, since
4G specifications have now been frozen and 4G has by now likely already begun to enter the second half of its life cycle in the
public mobile network sector.
This immediately gives rise to a spectrum issue, as the minimum bandwidth of a 5G carrier is 5 MHz. 2 x 4 MHz in the
900 MHz frequency band has been assigned to railway companies as a standard throughout Europe and several countries also
have an additional, directly adjacent 2 x 3 MHz (ER frequency
band) available. It is difficult to operate a GSM-R network at less
than 2 x 4 MHz, and railway companies in Germany and Switzerland have also had to use the ER frequency band for GSM-R
2 x 1.6 MHz den Bahnen zugeordnet werden. Dies hilft durchaus für
die lange Frist, weil nach Abschaltung von GSM-R dann 2 x 5.6 MHz
zur Verfügung stehen würden, in die ein 5G-Träger reinpassen würde. Für die Parallelbetriebsphase nützt dies allerdings nichts. Man
spricht zwar davon, in den 2 x 1.6 MHz einen 1.4 MHz 4G-Träger zu
nutzen, nur leider weisen kommerziell verfügbare Produkte eine
Trägerbandbreite von mindestens 3 MHz aus, die Lösung erfüllt bereits die heute bekannten Anforderungen der SBB nicht, ist nicht zukunftsfähig und ungeeignet für Bahnen, die dieses Band bereits für
GSM-R benötigen. Es braucht also auf jeden Fall zusätzliche Frequenzen, um während der für Bahnen zwingend notwendigen mehrjährigen Parallelbetriebsphase neben dem GSM-R-Netz noch ein FRMCSNetz zu betreiben. Mit zunehmender Digitalisierung und steigendem Bandbreitenbedarf ist davon auszugehen, dass ein Bedarf für
diese Frequenzen auch nach dem Lebensende von GSM-R bestehen bleibt. Statt zusätzliche 2 x 5 MHz im Frequenzduplexverfahren
könnten auch zwei 5 MHz-Träger im Zeitduplexverfahren in Frage
kommen. Hier bietet sich das Band von 1900 – 1910 MHz an, dessen Eignung für die Bahnen (neben weiteren Bändern) zurzeit untersucht wird, diese aber mit anderen Bedürfnisträgern in Konkurrenz
stehen. Das Schöne an diesen Frequenzen ist, dass hierfür bereits
kommerzielle 4G-Produkte existieren (im Rahmen von smartrail 4.0
soll damit noch 2019 ein Feldtest erfolgen) und 5G-Produkte absehbar sind. Damit würden genuine «off-the-shelf»-Funknetzkomponenten (also ohne Modifikation zur Unterstützung bahnspezifischer
Frequenzen) nutzbar. Der potenzielle Nachteil von 1900 MHz, dass
in den meisten Ländern die Antennenstandorte wegen der höheren Frequenz und damit geringeren Reichweite verdichtet werden
müssten, relativiert sich, wenn man berücksichtigt, dass absehbare
Leistungsbeschränkungen für FRMCS-Antennen im 900 MHz-Band
(wegen der kritischeren Interferenzsituation mit öffentlichen Mobilfunkanbietern) wohl ebenfalls eine Verdichtung erfordern werden.
Jetzt kann man die Frage stellen: Brauchen die Bahnen wirklich ein
eigenes FRMCS-Netz, wenn eines der Design-Prinzipien von FRMCS
ist, sich so weit als möglich an kommerzielle Technologien anzulehnen? Wieso dann nicht gleich den Dienst bei einem öffentlichen Mobilfunkanbieter einkaufen? 5G bietet ja mit «Network-Slicing» neue
Möglichkeiten, um eine hohe Verfügbarkeit bereitzustellen und
Bandbreiten für Kunden mit kritischer Infrastruktur zu priorisieren.
Zudem haben gerade die SBB gemäß Abschnitt 1 vielfältige und
gute Erfahrungen mit der Nutzung öffentlicher Netze mittels Roaming gemacht und möchten die bereits vorhandenen Synergien mit
den öffentlichen Mobilfunkanbietern weiter steigern, um auch den
Fahrgästen eine noch bessere Mobilfunkabdeckung zu bieten.
Nach der Analyse unterschiedlicher Modelle hinsichtlich Wertschöpfungstiefe / «Network Sharing» sind wir aber zu dem Schluss
gekommen, dass für «Critical Communications» (also ETCS L2/3,
ATO, Notrufe und dergleichen) ein bahneigenes Netz mit dedizierten Frequenzen unabdingbar ist. Aus Abschnitt 2 ist ersichtlich,
dass die heutigen Verfügbarkeitsanforderungen für ETCS L2 um
ein Vielfaches höher sind als das, was die Mobilfunkanbieter heute
liefern können. Natürlich kann man auch öffentliche Mobilfunknetze «härten» und 5G bietet hierzu einige neue Fähigkeiten. Wie aus
Abschnitt 4 ersichtlich, sind die Verfügbarkeitsanforderungen für
smartrail 4.0 auf dicht befahrenen Strecken noch einmal deutlich
höher als heute bei ETCS L2. Um diese zu erfüllen, braucht es neben technischer Maßnahmen auch eine entsprechende Betriebs­
kultur und ein extrem rigides Eingriffs- und Changemanagement,
was bei den Bahnen wegen der sowieso zu betreibenden Sicherungsanlagen vorhanden ist. Es ist zweifelhaft, ob diese Anforderungen durch einen öffentlichen Mobilfunkanbieter überhaupt erfüllt werden können, jedenfalls aufgrund unserer Analyse nicht zu
to ensure sufficient capacity at selected locations (big railway
nodes, shunting stations, border areas). Only 2 x 1.6 MHz of
the 2 x 3 MHz in the ER frequency band will be assigned to railway companies in the EU. This will definitely be helpful over
the long term, because 2 x 5.6 MHz will become available after
GSM-R is discontinued and 5G carrier signals would be able to
fit into this range. Nevertheless, this will offer no help during
the parallel operation phase. While there has been talk of using a 1.4 MHz 4G carrier signal in the 2 x 1.6 MHz range, commercially available products unfortunately have a carrier bandwidth of at least 3 MHz. In addition, such a solution would not
meet the requirements of SBB as they stand today, while also
being neither viable nor suitable for use by railway companies
which already need this frequency band for GSM-R. Additional
frequencies will therefore be needed in any case in order to enable the railway companies to operate an FRMCS network along
with GSM-R during the parallel operation phase which by necessity will run for several years. Given the expansion of digitisation and increasing bandwidth requirements, it can be assumed
that the need for such frequencies will remain unchanged even
after GSM-R has been discontinued. Instead of utilising additional 2 x 5 MHz with frequency-division duplexing, two 5 MHz
carrier signals could be used with time-division duplexing. The
1900-1910 MHz range could be used; studies are currently underway to assess the suitability of this range (as well as others)
for railway operations, although other industrial and consumer
stakeholders are also interested in using it. The great thing about
these frequencies is that commercial 4G products which already
exist can use them (a field test is scheduled to be conducted
here in 2019 within the framework of smartrail 4.0) and new
5G products should eventually come onto the market. This will
make it possible to utilise genuine off-the-shelf wireless network
components (i. e. without modifications having to be made to
support railway-specific frequencies). The potential drawback
of 1900 MHz, namely the fact that antenna-site density would
need to be increased in most countries due to the higher frequencies and thus the shorter ranges involved, is brought into
perspective by the fact that foreseeable power restrictions for
FRMCS in the 900 MHz band (due to the more critical interference situation with public mobile network providers) will also
most likely require site densification.
This leads to the following question: do the railway companies
really need their own FRMCS network when you consider that
one of the design principles of FRMCS is that it should be based
to the greatest possible extent on technology which is already
commercially available? In other words, why not just purchase
mobile communication services from a public provider? With
network slicing, 5G does indeed offer new possibilities for ensuring a high degree of availability and prioritising bandwidth
for customers with critical infrastructure. In addition, as described in Section 1, SBB have had extensive and positive experience with the use of public networks via roaming and would
like to further expand the synergies which they have already
achieved with public mobile network providers in order to be
able to offer its passengers even better wireless coverage.
After analysing various models with regard to vertical integration / network sharing, we have, however, come to the conclusion that in terms of critical communications (i. e. ETCS L2/3,
ATO, emergency calls, etc.), a railway-operated mobile radio
network with dedicated frequencies is absolutely essential. Section 2 makes it clear that current availability requirements for
ETCS L2 are many times higher than what mobile network proSIGNALLING + DATACOMMUNICATION (111) 7+8 / 2019
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Bild 3: Architektur FRMCS-Fahrzeugausrüstung
Fig. 3: The architecture for FRMCS vehicle equipment
kompetitiven Kosten. Auch strategisch gibt es Diskrepanzen zwischen dem sehr langfristigen Betrachtungshorizont eines Bahnin­
frastrukturbetreibers, dessen Kommunikationsinfrastruktur wegen der Digitalisierung immer näher zum Kerngeschäft rückt, und
dem viel dynamischeren Umfeld bei den Anbietern, sodass sub­
stanzielle Investitionen durch eine Bahn in die Infrastruktur eines
oder mehrerer Anbieter(s) statt in die eigene nicht angezeigt sind.
Andererseits gehen wir davon aus, dass wir uns für betriebsunterstützende Kommunikation (auch «Performance Communication»
genannt) und eventuell als Rückfallebene für die «Critical Communications» auch auf die Funknetzabdeckung von öffentlichen
Mobilfunkanbietern stützen. Dabei werden wir verstärkt Synergien mit der Fahrgastkommunikation suchen, die wie bisher vollständig auf der Infrastruktur der öffentlichen Mobilfunkanbieter
basieren soll. In anderen Worten: Infrastruktur, die für die Fahrgastkommunikation sowieso bereitgestellt wird, soll auch für die
Bahnkommunikation genutzt werden. Hierfür sind verschiedene
Zusammenarbeitsmodelle denkbar (siehe auch Abschnitt 7).
Im Lichte dieser Ausführungen lässt sich nur wiederholen: Es
braucht zusätzliches Spektrum für die Bahnen. Nun gibt es auch
andere Bedürfnisträger, die sich zum Teil geschickter für eigene
Frequenzen engagieren. Die Bahnen sehen sich nicht nur damit
konfrontiert, dass sie sich zu spät für zusätzliche Frequenzen engagiert haben und die Suche schwierig ist, es kommen sogar noch
Bestrebungen zum Beispiel durch öffentliche Mobilfunkanbieter
hinzu, den Bahnen durch Leistungslimitierungen die weitere Nutzung der bestehenden Frequenzen zusätzlich zu erschweren. Bahnen gehören eigentlich zu den geförderten Kritischen Infrastrukturen vieler europäischer Länder, um umweltfreundliche Mobilität zu ermöglichen. Damit sie in der Lage sind, die zunehmenden
Mobilitätsbedürfnisse abzudecken, ist eine adäquate Frequenzausstattung notwendig. Konsistent wäre, wenn dies von den zuständigen Regulatoren unterstützt würde, was heute nicht in allen
Ländern der Fall ist.
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viders can deliver. Naturally, it is also possible to “harden” public mobile communication networks, whereby 5G offers several
new capabilities in this regard. However, as the information in
Section 4 illustrates, the availability requirements for smartrail
4.0 on busy routes are much higher than the already challenging
current requirements for ETCS L2. Meeting these requirements
will involve not only the implementation of technical measures,
but also the establishment of an appropriate culture and the introduction of an extremely rigid intervention and change management system, which already exists at railway companies with
regard to interlocking installations. It is doubtful whether such
requirements could be met by mobile network providers at all,
or at least not at a competitive cost, according to our analyses.
In terms of strategy, a discrepancy also exists between the very
long-term view taken by rail infrastructure operators, whose
communication infrastructure is increasingly becoming more
of a core business area due to digitisation, and the much more
dynamic environment in which the mobile network providers
operate. Substantial investments by railway companies in the
infrastructure of one or more providers, rather than in the railway companies’ own infrastructure, therefore does not appear
to be a viable approach.
On the other hand, we will rely on the wireless network coverage of mobile network providers for communication which
supports our business operations (also known as performance
communication) and, possibly, as a fall-back solution for critical communication. Here, we will make a more extensive effort to identify synergies with passenger communication,
which, as has been the case up until now, will be based completely on the infrastructure operated by the mobile network
providers. In other words, the infrastructure which is already
available for passenger communication will also be used for
railway communication. Various cooperation models are conceivable here (see Section 7).
6 Die Fahrzeugarchitektur erfordert spezielles Augenmerk
Die Anzahl von Anwendungen in einem Eisenbahnfahrzeug, die
eine Datenverbindung zu einem zentralen Server oder dem Internet benötigen, nimmt stetig zu. Es handelt sich dabei sowohl um
Anwendungen, die für das Führen von Zügen relevant sind (ETCS,
ATO, Lokführerkommunikation und -information etc.), wie auch
um Kundeninformationssysteme, Videoüberwachung, Kundennotrufsysteme, Energiezähler und weitere Telemetrieanwendungen. Oft verwendet jede dieser Anwendungen ein eigenes Mobilfunkmodem für die Datenübertragung, mit eigener, aufwendiger
Antenneninstallation und teilweise ergänzt mit Antennen für Satellitennavigation. Bei einer Obsoleszenz einer Mobilfunktechnik
führt diese Architektur zu entsprechend hohen Ersatzinvestitionen. Im Fall von ETCS kommt hinzu, dass das Protokoll zur Modemsteuerung GSM(-R) spezifisch ist und mit dem Anwendungsprotokoll verwoben ist. Ein Wechsel der Mobilfunktechnologie führt damit zwangsläufig zu Anpassungen im Anwendungsprotokoll.
Um künftig schneller auf die Weiterentwicklung im Mobilfunk reagieren zu können und um Flexibilität beim Einsatz geeigneter
Übertragungstechnologien zu gewinnen, ist es unseres Erachtens
unumgänglich, die Anwendungen von der Datenübertragung zu
entkoppeln und die Anzahl solcher Installationen in den Fahrzeugen zu reduzieren.
Dieses Ziel kann mit der Spezifikation eines Kommunikations­Gateways mit einer normierten, einheitlichen Schnittstelle zu den
Anwendungen erreicht werden. Dieses Gateway sollte folgende
grundsätzliche Leistungsmerkmale aufweisen:
• Serviceorientierte Architektur, die Datenübertragungsdienste
gemäß den Quality-of-Service-Anforderungen der einzelnen
Anwendungen anbietet
• Gateway-Funktion, welche mehrere Modems (mit unterschiedlichen Technologien) steuert und die Spezifika der jeweiligen
Mobilfunktechnik von den Anwendungen fernhält
• Bedarfsorientiertes Aufsplitten der Datenströme der Anwendungen auf mehrere Datenübertragungspfade zur Erhöhung
der Zuverlässigkeit
• Dynamische Verwendung der zur Verfügung stehenden Datenübertragungsnetze (Bearer-Flexibilität).
Mit dieser Architektur gemäß Bild 3 können die Modeminfrastruktur auf den Fahrzeugen und die Mobilfunkressourcen optimiert
genutzt und damit auch die Anzahl der Antennen reduziert werden. Die Gateway-Funktion erlaubt es, den betriebskritischen Anwendungen die benötigten Ressourcen zu garantieren, indem
z. B. bei Bedarf die Datenübertragung nicht kritischer Anwendungen vorübergehend ausgesetzt oder gedrosselt wird. Durch die
Entkopplung von Anwendung und Datenübertragung können
unterschiedliche Mobilfunktechniken z. B. in Abhängigkeit der
Streckenklasse oder des Landes zur Anwendung kommen. Die
Einführungen neuer Mobilfunktechniken kann dank der GatewayFunktion ohne Rückwirkung auf die Anwendung erfolgen.
Die Normierung dieser Architektur erfolgt seit Anfang 2019 durch
die UIC „Telecom On-Board Architecture“ Arbeitsgruppe.
7 Fragen zu 5G für die Fahrgastkommunikation und
Synergien mit Bahnkommunikation durch Feldtests zu klären
Eine schnelle Einführung von 5G für die Fahrgastkommunikation wäre am ehesten dann möglich, wenn wie bei der Einführung
von 4G bestehende Frequenzbänder umgenutzt würden. Bei einer 1:1-Migration wären Verbesserungen zu erwarten, aber keine
Quantensprünge wie bei der Einführung von 4G. Quantensprün-
In light of everything presented in this article so far, it is absolutely clear that the railway companies need additional frequency spectrum. It should be pointed out that there are other stakeholders who do a better job of making the case for the frequencies they need. Railway companies not only face the problem of
having lobbied too late for additional frequencies, but also the
fact that the search for new frequencies is difficult. They also
face a situation in which mobile network providers are trying
to make it even more difficult for railway companies to continue using existing frequencies by trying to impose power limits.
Railways are actually part of the critical infrastructure promoted
in many European countries in order to enable environmentally
friendly mobility. The provision of an adequate number of frequencies for them to use is crucial to their ability to meet growing mobility requirements. It would therefore make sense, if regulatory authorities were to support the provision of an adequate
number of frequencies, but this is unfortunately not being done
in all countries.
6 Special attention needs to be paid to vehicle architecture
The number of applications in a rail vehicle which require a data
connection to a central server, or the Internet is continuously increasing. These include applications which relate to train operations (ETCS, ATO, engine-driver communication and information systems, etc.), as well as those used for customer information systems, video surveillance, customer emergency call systems, energy meters and other telemetry applications. In many
cases, each of these applications uses its own wireless modem for
data transmission with its own antenna installation. There may
even be further antennas to enable satellite navigation. If a certain mobile communication technology becomes obsolete, this
type of architecture will lead to a situation in which extensive
investments will have to be made to replace the outdated equipment. With regard to ECTS, the modem management protocol
is GSM(-R)-specific and closely bound to the application protocol. In other words, any change made to the used mobile communications technology will invariably require adjustments to
be made to the application protocol.
In order to be able to react more rapidly to the further development of mobile communication systems in the future and gain
more flexibility in the use of suitable transmission technologies,
we suggest that it is unavoidable that applications will have to be
decoupled from data transmission and that the number of such
installations in the vehicles will have to be reduced.
This can be done by specifying a communication gateway with a
standardised uniform interface to the various applications. This
gateway will need to display the following basic attributes:
• a service-oriented architecture which offers data transmission in line with the quality of the service requirements of the
individual applications.
• a gateway function which manages several modems (with
different technologies) and separates the specific features of
each wireless technology from the applications.
• needs-based distribution of the application data flows across
several data transmission paths in order to increase reliability.
• the dynamic utilisation of the available data transmission
network (bearer flexibility).
This architecture (fig. 3) enables the optimal utilisation of the
modem infrastructure in vehicles and mobile communication
resources and therefore also makes it possible to reduce the
number of used antennas. The gateway function ensures that apSIGNALLING + DATACOMMUNICATION (111) 7+8 / 2019
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Bild 4: Standardisier­
ter Antennenstandort
Fig. 4: A standardised
antenna site
ge würden eine im Vergleich zu 4G deutlich höhere spektrale Effizienz erfordern, was man mit 5G durch «Adaptive Beamforming»
(auf einzelne Nutzer dynamisch ausgerichtete «Antennenkeulen»)
resp. «Massive MIMO» erreichen will. Ob dies für die Bahn ähnliche Gewinne ermöglicht wie bei in der Fläche verteilten Nutzerpopulationen, ist noch zu prüfen. Zudem dürfte Massive MIMO
vor allem bei den neuen Frequenzen im Zeitduplexverfahren von
Vorteil sein und wäre mit Repeatern sowieso schwierig zu realisieren. Massive-MIMO-Tests mit laserbehandelten Fenstern müssen
noch durchgeführt werden. Eine spezielle Herausforderung in der
Schweiz ist die aktuell sehr strenge Verordnung zu nichtionisierenden Strahlen, die auch abseits der Bahn die Nutzung von Adaptive Beamforming resp. Massive MIMO erschwert.
Nun stehen für 5G aber nicht die bestehenden 4G-Bänder im Vordergrund, sondern zuerst neue Bänder bei 700 MHz und 3.5 GHz
sowie ein zwar bestehendes Band bei 2.6 GHz, das zumindest
in der Schweiz bis jetzt aber fast nur für 4G-Kleinzellen in Städten eingesetzt wurde. In Anbetracht der Einschränkungen bzgl.
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SIGNAL + DRAHT (111) 7+8 / 2019
plications critical to operations are provided with the required
resources by temporarily blocking or slowing the transmission
of data from non-critical applications, for example. Decoupling
applications and data transmission would enable the use of different wireless technologies in line with the route categories and
countries in question, for example. The gateway would also enable the introduction of new mobile communication technologies without disrupting applications in any way.
This architecture is being standardised since the beginning of
2019 by the UIC “Telecom On-Board Architecture” working
group.
7 Questions relating to 5G for passenger communication and
synergies with railway communications will be clarified
during field tests
The rapid introduction of 5G for passenger communication
would be easiest, if the existing frequency bands were to be
MIMO / Beamforming ist vor allem das viele zusätzliche Spek­
trum bei 3.5 GHz spannend (Bild 1), da damit der verfügbare Datendurchsatz auf jeden Fall substanziell erhöht werden kann. Um
2.6 und 3.5 GHz nutzbar zu machen, ist eine Verdichtung der Antennenstandorte notwendig, womit sich eine Korridorversorgung
(dedizierte Standorte für die Bahnversorgung entlang der Trassen
statt heutiger hybrider Versorgung mittels Macro Sites und bahnnahen Antennen) aufdrängt. Aus ersten Labormessungen lässt
sich ableiten, dass bei laserbehandelten Fenstern die MIMO Performance bei 3.5 GHz in der Mitte zwischen zwei gleisnahen Antennen (also bei flachen Einfallwinkeln) einbricht, was gegen eine
Korridorversorgung sprechen würde. Inwieweit dies in der Praxis
wirklich zu einer messbaren Leistungsdegradation führt und welche Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, soll im Rahmen
einer Teststrecke beim Kerenzerberg am Walensee in der zweiten
Jahreshälfte 2019 geprüft werden. Dort wird neben der vorhandenen GSM-R- und Public-4G-Versorgung eine 5G-Versorgung
(700 MHz, 2.6 und 3.5 GHz) mit sehr dichten Antennenabständen
(teilweise wenige 100 m) erstellt. Diese Teststrecke dient nicht nur
Untersuchungen zur zukünftigen Fahrgastkommunikation, sondern auch dazu, Erfahrungen im Hinblick auf einen FRMCS-Rollout zu sammeln und Aspekte der erweiterten «Network Sharing»
-Möglichkeiten zwischen FRMCS und öffentlichen Mobilfunksystemen zu prüfen. Wenn eine Korridorversorgung mit dedizierten
Antennen für die Fahrgastversorgung sinnvoll ist, ergibt sich auch
das Potenzial für neue Zusammenarbeitsmodelle zwischen Bahnen und Mobilfunkanbietern. Auf der Teststrecke wird auch das
Konzept des «Standard Standorts» erprobt, eines normierten, kostengünstig und schnell ohne Fundamente errichtbaren Standorts, der für Antennenhöhen bis ca. 15 m eingesetzt werden kann.
Die für die Teststrecke notwendigen Standorte wurden zwischen
März und April 2019 erstellt (Bild 4).
Mit den in diesem Artikel beschriebenen Erprobungen sowie dem
Fortschritt der FRMCS-Normierung (inklusive Klärung der Frequenzsituation) sollen bis ca. Ende 2020 die Grundlagen bereitgestellt werden, um ein smartrail 4.0-Zielkonzept für FRMCS zu definieren und ab ca. 2021 die notwendigen Beschaffungsvorhaben
einzuleiten. AUTOREN | AUTHORS
Dr. Alex Brand, Dipl. Ing. ETH, Ph.D.
Programmleiter smartrail 4.0 für Lokalisierung, Connectivity und Security /
Program Manager smartrail 4.0 Localization, Connectivity and Security
SBB Infrastruktur
Anschrift /Address: Hilfikerstrasse 3, CH-3050 Bern
E-Mail: alex.brand@sbb.ch
Christian Nänni, Dipl. Ing. FH
Spezialist FRMCS Fahrzeugarchitektur, Chair der UIC Gruppe für Telecoms Onboard Architektur (TOBA) / Expert FRMCS Vehicle architecture,
Chair of the UIC group for Telecoms Onboard Architecture
SBB Infrastruktur
Anschrift /Address: Hilfikerstrasse 3, CH-3050 Bern
E-Mail: christian.naenni@sbb.ch
re-farmed, as was the case with 4G. Such a straight migration
would lead to improvements, but not to any quantum leaps
as seen when 4G was introduced. A quantum leap would require 5G to provide significantly increased spectral efficiency as compared to 4G which entails the application of adaptive beamforming (the creation of antenna beams dynamically directed toward individual users) or “Massive MIMO”.
It still needs to be determined whether this would produce
similar benefits in a railway context as it does with an even
spatial distribution of the user population. Furthermore, massive MIMO benefits are expected to be achieved mainly when
used with time-division duplexing on the new 5G frequencies. Moreover, implementing this technology with repeaters would be difficult. Massive MIMO tests with laser-treated
windows still need to be conducted. A special challenge has
been posed in Switzerland by the currently very strict regulations governing non-ionising radiation, which would hinder
the use of adaptive beamforming / massive MIMO both in a
railway setting and in other environments.
Unlike with 4G, it currently appears that the introduction of
5G will predominantly involve new bands, i. e. frequencies at
700 MHz and 3.5 GHz. The exception is a band at 2.6 GHz
which is already used for 4G, but – in Switzerland at least – almost exclusively for small cells in cities. In light of the restrictions relating to MIMO / beamforming, the band at 3.5 GHz is
most interesting (fig. 1), as it would allow for a substantial increase in the available data throughput volume just by the very
fact that it provides a significant amount of additional spectrum. Making use of 2.6 and 3.5 GHz would necessitate increasing the density of the antenna sites, which in turn would
force a corridor coverage solution (dedicated sites along rails
rather than the current hybrid solution using both macrosites and trackside antennas). Initial laboratory tests indicate
that, if laser-treated windows are used, MIMO performance
at 3.5 GHz would drop in between two antennas situated near
the tracks (i. e. at flat angles of incidence), which would argue against using a corridor coverage solution. In the second
half of 2019, tests along a route near Kerenzerberg (at Lake
Walensee) will show the extent to which such conditions do
in fact lead to a measurable degradation of performance and
what countermeasures are possible to offset such problems.
The test track will be equipped with a 5G system (700 MHz,
2.6 and 3.5 GHz) with very short distances between antennas (a few 100 m in some cases) alongside the existing GSMR and public 4G coverage. The test track will be used not only
to study possible future systems for passenger communication, but also to gain experience for a smooth FRMCS roll-out
and to examine the options for expanded network sharing between FRMCS and public mobile communication systems. If
it turns out that a corridor coverage solution with dedicated
antennas makes sense for passenger communication, it will
also create potential for the development of new models of
collaboration between the railways and mobile network providers. The test track will also be used to study the concept of
low-cost standardised antenna sites which can be used for antennas of a height of up to 15 metres (fig. 4).
With the help of the trials described in this article and the progress made with FRMCS standardisation (including clarification
of the frequency situation), the foundation for the formulation
of a smartrail 4.0 target concept for FRMCS will have been laid
by around late 2020, to be followed by the launch of the necessary procurement operations sometime in 2021. SIGNALLING + DATACOMMUNICATION (111) 7+8 / 2019
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