Das Future Railway Mobile Communication System (FRMCS) ist ein Kommunikationssystem für Schienenverkehrssysteme. Es wird vom Internationalen Eisenbahnverband (UIC) koordiniert und gemeinsam mit der Europäischen Union und wichtigen Unternehmen der westeuropäischen Eisenbahnindustrie entwickelt. Als Nachfolger von GSM-R soll FRMCS dem Zugfunk dienen, sowohl für Sprach- als auch Datenkommunikation (insbesondere ETCS).
Für die beabsichtigte Ablösung ist eine vollständige Neuentwicklung gewählt worden, die nicht abwärtskompatibel ist und das bestehende System ersetzt. Die Ursachen liegen in stark erweiterten Anforderungen seitens des European Rail Traffic Management Systems (ERTMS) wie automatischem Zugbetrieb (ATO) und erhöhter Netzwerksicherheit (Cybersecurity).
Hinsichtlich des OSI-Modells ist das neue System oberhalb von Ebene 4 anzusiedeln, da es ausschließlich paketorientierte Kommunikation nach Internetstandards (TCP/IP) verwendet. Zur Bereitstellung des Gesamtsystems musste aber sehr viel Arbeit im Bereich der Kommunikationsgeräte, der Funknetzstrukturen sowie der Bereitstellung von spektraler Bandbreite geleistet werden. Aufgrund der durchgehenden IP-Technik sind keine inhaltlichen Datenkonvertierungen zwischen den Kommunikationsendpunkten mehr notwendig und es werden sehr kurze Datenlaufzeiten erreicht.
Organisation
Die Europäische Union unterstützt ein Projekt 5GRail zur Validierung der FRMCS-Spezifikationen, für die die Prototypen sowohl für das strecken- als auch das fahrzeugseitige System entwickelt und getestet werden sollen. Bei 5GRAIL sind beteiligt:
- UIC (als Koordinator),
- UNIFE,
- DB,
- SNCF,
- SBB,
- ÖBB,
- IP,
- Nederlandse Spoorwegen,
- Nokia,
- Kontron,
- Alstom,
- Thales,
- Siemens,
- CAF und
- Teleste.
Weiterhin sind Forschungszentren und Universitäten aus Frankreich und Dänemark beteiligt.
Geschichte
Als Verwalter der GSM-R-Spezifikationen EIRENE (Europe Integrated Railway Radio Network Enhancement) and MORANE (Mobile radio for Railway Networks in Europe) startete die UIC die Untersuchungen um FRMCS im Jahre 2015 in Zusammenarbeit mit der gesamten Eisenbahnbranche. Der Antrieb dazu war hauptsächlich die Abkündigung der bisherigen GSM-Funktechnik ab 2030 und die Ermittlung der Migrationsbedingungen für die Ablösung der westeuropäischen GSM-R-Installationen.
Nach ersten Übersichtsuntersuchungen legte die UIC ein strukturiertes Programm fest, um alle Aspekte der wichtigen Migration des Kommunikationsstandards im Eisenbahnsektor zu bedenken:
- Funktionsumfang von FRMCS mit den vermuteten Kommunikationsanforderungen für Modernisierung und Digitalisierung der Züge festlegen, welcher weit über den aktuellen von GSM-R hinausgeht;
- Spezifikationmethoden: Findung und Festlegung von Benutzer-, funktionellen and Systemanforderungen;
- Standardisierungsstrategie: Einbindung der internen speziellen Anforderungen in vorhandene Mobilfunk-Normierungsprozesse (3GPP) durch aktive Beiträge des Eisenbahnsektors in den Normierungsgruppen SA1, SA2 und S6 mit ständiger Unterstützung des Europäischen Institutes für Telekommunikationsnormen (ETSI) TC-RT (Technical Committee for Rail Telecommunications);
- Spectrum-Strategie und Unterstützung von ad-hoc-Netzen in CEPT- / ECC-Gruppen: Die Erweiterung der digitalen Anwendungsbereiche von FRMCS wird weitere spektrale Bandbreite erfordern.
- Definition einer neuen Telecom On-Board Architecture (TOBA): Zusammenfassendes Funkgerät für alle Außenkommunikationsverbindungen der betrieblichen Dienste des Zuges
- Prüfung verschiedener Migrationsszenarien: Auswirkungen und technische Vorschläge für Eisenbahnbetreiber;
Ende 2020 war FRMCS in einem Stadium, in dem
- die User Requirements Specification (URS) für eine erste Version (FRMCS V1) stabilisiert wird,
- die Functional Requirements Specification (FRS) und
- die System Requirements Specification (SRS) in einem vorläufigen Zustand sind,
- nach Review durch ETSI TC-RT die kompletten Listen für die Anwendungsfälle und für die Standardisierung entsprechend FRMCS V1 in den 3GPP-Prozess für Aufnahme in die Releases 16 and 17 eingereicht worden sind.
Im Februar 2020 erschien die implementierungsunabhängige Anforderungsspezifikation der Benutzer an FRMCS in Version 5.0.0.
Dabei gibt es drei Meilensteine:
- Praktische Überprüfung der technischen, funktionalen und Systemelemente von FRMCS V1 zusammen mit wichtigen Telekommunikationslieferanten, um nach Anpassungen und Justierungen eine betriebsfähige Spezifikation zu erhalten;
- Lieferung einer abgeschlossenen FRMCS V1-Spezifikation an die Europäische Eisenbahnagentur (ERA), die Ende 2022 in die CCS TSI-Revision aufgenommen werden kann;
- Schaffung aller Voraussetzungen zur Vorbereitung von praktischen FRMCS-Betriebserprobungen, die vor der produktiven Einführung 2025 notwendig sind.
Im November 2020 wurde das Projekt „5G Rail“ gegründet, das bis 2023 abgeschlossen werden soll.
Mit Entscheidung vom 20. November 2020 beschloss das Electronic Communications Committee der CEPT, das gepaarte Frequenzband 874,4–880,0 und 919,4–925,0 MHz und das ungepaarte Frequenzband 1900–1910 MHz für Eisenbahnen in Europa als Railway Mobile Radio (RMR) bereitzustellen. RMR beinhaltet dabei GSM-R und Nachfolgesysteme wie FRMCS. Mit Beschluss vom 28. September 2021 verpflichtet die Europäische Kommission die Mitgliedsstaaten, bis zum 1. Januar 2022 die gepaarten Frequenzbänder 874,4–880,0 MHz und 919,4–925,0 MHz sowie, ab 1. Januar 2025, das ungepaarte Frequenzband von 1900 bis 1910 MHz für Bahnmobilfunk auszuweisen.
Die im September 2023 bekanntgemachte Neufassung der TSI CCS (Verordnung (EU) 2023/1695) enthält eine Schnittstelle zu FRMCS (“FRMCS Readiness”). Der Fokus dieser TSI liegt auf einer FRMCS-Vorbereitung, sodass FRMCS später ohne wesentliche Änderung umgesetzt werden können soll. Ein Standard der ETSI soll bis Ende 2022 vorliegen. 2024 soll eine abgeschlossene FRMCS-Spezifikation vorliegen. Ein flächendeckender Rollout könnte ab 2025 beginnen.
Einführung und Migration
Für die Migration von GSM-R zur FRMCS wird ein zeitweiliger Parallelbetrieb beider Systeme als notwendig erachtet. Die Einführung von FRMCS soll allein in Europa schätzungsweise 25 Milliarden Euro kosten. Durch die geplante Verwendung des Frequenzbereichs bei 1900 MHz sind zusätzliche Funkstandorte erforderlich.
In der Schweiz soll FRMCS bis 2035 GSM-R ablösen. Dabei sollen die GSM-R-Standorte möglichst weiterverwendet werden. Das FRMCS-Netz sollte ab 2022 aufgebaut werden. Das Netz soll ca. 3800 km sowie bis zu 3500 Standorte für GSM-R und/oder FRMCS umfassen. Laut Angaben von Anfang 2023 sind 1800 Antennenstandorte für FRMCS geplant, die auch von den drei öffentlichen Mobilfunknetzbetreibern mit benutzt werden sollen. Aufgrund geringerer Reichweiten seien mehr Antennenstandorte als bisher erforderlich. Es werden verschiedene Ausrüstungsszenarien untersucht, darunter die Nutzung eines privaten Netzes oder eine Mischlösung von bahneigenem und einem öffentlichen Mobilfunknetz. Auf dieser Grundlage soll eine Ausschreibung erfolgen.
Die Deutsche Bahn plant, FRMCS zwischen 2026 und 2035 einzuführen. Dabei soll ab etwa 2027 eine Betriebserprobung laufen. Zur Versorgung von ca. 33.000 Streckenkilometern sind im Endausbau zwei zentrale Standorte, etwa 50 regionale Standorte und etwa 9.000 Antennenstandorte geplant. FRMCS soll zunächst parallel zu GSM-R betrieben werden. Ein Roaming mit öffentlichen Mobilfunkanbietern ist geplant. Zunächst soll FRMCS bei 1.900 MHz betrieben und mit voranschreitender Migration zunehmend auch bei 900 MHz eingeführt werden. Durch die Nutzung beider Bänder soll im Endzustand ausreichend Bandbreite für Anwendungen wie ATO und automatisiertes Störungsmanagement (engl. Incident Management, in Anlehnung an ITIL) bereitstehen. Grundlage für das FRMCS-Netz soll ein bahnbetriebliches IP-Netz auf der Grundlage von Lichtwellenleitern aufgebaut werden. Das Unternehmen kündigte Ende 2021 an, eine branchenweite FRMCS-Arbeitsgruppe zu bilden, die im Frühjahr 2023 ihre Arbeit aufgenommen hatte. Die DB rechnet damit, GSM-R noch bis zu 2035 zu betreiben. Anforderungen zu FRMCS sollen in das Betriebliche Zielbild eingearbeitet werden.
Die französische SNCF beauftragte 2023 Frequentis, ein Bahnfunksystem für das gesamte französische Netz zu entwickeln und bis 2030 einzuführen sowie Wartung bis 2036 bereitzustellen. Unter anderem sollen über 3600 feste Endgeräte und bis zu 40.000 mobile Nutzer eingerichtet werden. Damit soll der Weg für die Umstellung auf FRMCS bereitet werden.
FRMCS über öffentlichen Mobilfunk wird in Finnland getestet. Über ein Multi-Path Management soll das jeweils beste der drei öffentlichen Mobilfunknetze genutzt und zwischen den Trägern (aus Sicht der Anwendung) nahtlos gewechselt werden. Nach Planungen von 2021 sollte ein Labor ab 2022 zur Verfügung stehen, eine Teststrecke 2024. An die Erprobung auf der rund 190 km langen, eingleisigen Strecke, bei der noch eine Vorabversion von FRMCS zum Einsatz kommen soll, soll sich die flächenhafte Einführung zwischen 2028 und 2040 anschließen. Drei öffentliche Mobilfunkanbieter decken das 6000 km lange Netz nahezu lückenlos ab. Die Züge sollen priorisierte SIM-Karten mit einer garantierten Datenrate von 50 Kilobyte pro Sekunde erhalten. Inzwischen sind Testfahrten über das gesamte, 6000 km lange Netz erfolgt, bei denen eine ETCS-Kommunikation (mit 5 kBit/s) gleichzeitig über alle drei Netze simuliert und weitere Parameter erhoben wurden. Dabei wurden alle sieben Bänder des öffentlichen Mobilfunks genutzt, soweit Latenz, Jitter und Bandbreite innerhalb akzeptabler Grenzen lagen. In den verschiedenen Testfällen kamen 99,77 bis 100 Prozent der mehreren hunderttausend verschickten Datenpakete innerhalb der vorgegebenen Zielwerte an. Teilweise wählte der Router das beste verfügbare Netz aus, teilweise wurden alle Pakete mit allen drei Modems über alle drei Netze parallel übertragen, womit bessere Werte (wenigstens 99,98 Prozent) erreicht wurden. Für diese Multipath-Lösung soll zukünftig entweder Multipath TCP oder Multipath QUIC verwendet werden. Mit Ausnahme von fünf Stellen in der Nähe der russischen Grenze wurde eine ausreichende Abdeckung und Kapazität (mit wenigstens 50 kBit/s für mehrere parallele ETCS-Verbindungen) gemessen. Finnland hatte sich bereits 2015 entschieden, sein GSM-R-Netz abzuschalten und vorübergehend ein TETRA-Netz zu nutzen, um anschließend auf FRMCS zu wechseln, das ab 2022 kommerziell verfügbar sein sollte.
In Spanien gilt FRMCS als eine Möglichkeit, funkbasiertes ETCS auf Nahverkehrsstrecken zum Einsatz zu bringen.
Erprobung
In einem Testfeld im Erzgebirge wollen die Technische Universität Chemnitz und die DB Technologien zur Digitalisierung und Automatisierung des Schienenverkehrs unter realen Bedingungen testen. Dort sollen auch neue Mehrantennen-Funkverfahren (MIMO, Coordinated Multi-Point, Beamforming) erprobt werden. Ergebnisse, die auch in die laufende FRMCS-Standardisierung einfließen sollen, wurden Ende 2021 erwartet.
Die SBB planen, 5G auf der Bahnstrecke Bern–Thun zu erproben. Dazu sollen 43 Antennenstandorte aufgebaut werden. Das Plangenehmigungsverfahren hierfür soll im 2. Quartal 2023 aufgebaut werden.
Die tschechische Správa železnic schrieb im Februar 2023 eine 5G/FRMCS-Implementierungsstudie für die Strecke zwischen dem tschechischen Brno und dem slowakischen Bratislava aus.
Technik
Fahrzeugausrüstung
Telecom On-Board Architecture (TOBA): Zusammenfassendes Funkgerät für alle Außenkommunikationsverbindungen der betrieblichen Dienste des Zuges.
Bei der Fahrzeugnachrüstung für den Digitalen Knoten Stuttgart (DKS) war FRMCS Gegenstand einer Innovationskooperation. FRMCS ist dabei eine Voraussetzung, um Fördermittel des Bundes zu erhalten. 333 Triebzüge sollen im Rahmen ihrer ETCS-Ausrüstung bis 2024 für FRMCS vorbereitet und von etwa 2025 bis etwa 2027 damit ausgerüstet werden. Auch 130 neue Doppelstock-Regionaltriebzüge sollen entsprechend ausgerüstet werden. Durch den weitestmöglichen Einbau der notwendigen Hardware in der ersten Stufe (zusammen mit ETCS) soll die Umrüstzeit in der zweiten Stufe auf wenige Tage je Triebzug begrenzt werden. Dabei soll ein FRMCS-Gateway integriert und eine aktualisierte Software eingespielt werden. FRMCS zählt dabei zu einer Reihe von Techniken und Funktionen, die in der Serienausrüstung gegenüber einer möglichst einfachen ETCS-Ausrüstung zu Mehrkosten von etwa zehn Prozent führen, wobei ein Großteil jener zehn Prozent auf ATO entfällt. Die Kosten der Serienausrüstung werden damit mit insgesamt etwa 350.000 Euro je Triebzug beziffert. Im Rahmen des Nachrüstprojekts wurden auch ein Lasten- und ein Pflichtenheft für die FRMCS-Fahrzeugausrüstung entwickelt. FRMCS-Antennen waren Anfang 2023 eingebaut.
Auch 130 neue Regionaltriebzüge für den DKS werden schrittweise mit FRMCS ausgerüstet. Bei der Ausschreibung von 20 bis 30 Ersatzfahrzeugen für den DKS bestanden ebenfalls Anforderungen an FRMCS. Diese Mitte 2023 beauftragten Siemens-Mireo-Triebzüge sollen bis 2030 mit FRMCS ausgerüstet werden. Bei der Nachrüstung von Nebenfahrzeugen soll FRMCS vorbereitet, aber noch nicht umgesetzt werden.
Im September 2021 schrieb DB Cargo die Ausrüstung von mindestens 32 Lokomotiven der Baureihe 189 mit der Vorrüstung einer Option für FRMCS aus, um dieses ab 2026 zu nutzen.
Bei einer Ausschreibung zur Ausrüstung von Lokomotiven der Baureihe 186 sind mindestens FRMCS-Vorleistungen zu erbringen.
Bei der Ausschreibung von Neufahrzeugen für die S-Bahn Köln wird eine modulare Architektur des Zugfunks gefordert, die die Integration neuer Mobilfunkstandards wie FRMCS zulässt.
Funknetz
Die FRMCS-Spezifikation sieht ein eigenständiges 5G-Mobilfunknetz in den bahnspezifischen Frequenzbändern bei 900 MHz und 1900 MHz in der EU vor. In 5G ist eine Mindestbreite eines Trägers von 5 MHz vorgesehen.
FRMCS setzt eine Datenübertragung mit durchgehender IP-Technik voraus. Das ermöglicht auch den Ausbau und die Inbetriebnahme in bestehenden 4G-LTE-Netzen, die als öffentliche Mobilfunknetze eine weite Verbreitung haben und für die eine breite Gerätebasis vorhanden ist.
In den Frequenzbereichen 874,4-880,0 MHz (für die Übertragung vom Endgerät zum Festnetz) und 919,4-925,0 MHz (für die Übertragung von der Festnetzstation zum Endgerät) wird der Frequenzduplex verwendet. Für den bisher häufig genutzten Mobilfunkbereich 1900 bis 1910 MHz wird im bidirektionalen Zeitduplex gefunkt. Die im Frequenzduplex betriebene Bandbreite von 2×5,6 MHz ist ein traditioneller Funkbereich für die Eisenbahn, der aber vom 3GPP-Standard ausgenommen war. Deshalb gibt es nur ein eingeschränktes Produktangebot dafür.
Im Gegensatz dazu ist der Frequenzbereich 1900 bis 1910 MHz (im LTE-Band 39/n39 von 1880 bis 1920 MHz) Gegenstand der 3GPP-Norm. Die meisten normalen Geräte, eingeschlossen die Festnetzstationen und Handgeräte, unterstützen bereits das LTE-Band 39. Damit hat man im Bereich des neuen Frequenzspektrums eine große Auswahl an Geräten. Großausrüster schlagen vor, für die Migrationszeit den unteren Frequenzbereich für GSM-R zu belassen und im neuen Spektrum schnell einen Nutzen mit der etablierten LTE-Technik zu schaffen. Bei Vorhandensein neuer 5G-Technik können beide Bereiche schrittweise für die neue Technik bereitgestellt werden.
Für nachfolgende Versionen ist vorgesehen, FRMCS auch über bahnfremde Zugangsnetze (öffentliche Mobilfunknetze) zu ermöglichen.
Nutzen
Im ETCS-Betrieb kann FRMCS durch gegenüber GSM-R verkürzten Laufzeiten zu einer erhöhten Fahrwegkapazität beitragen. Kurze Übertragungszeiten könnten auch zu einer Vereinfachung der Haltfallbewertung mit ETCS beitragen.
Weblinks
Einzelnachweise
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