Funktechnologie in Zügen

Netmodule

Moderne WLAN-Netze im Nahverkehr ermöglichen verschiedene Anwendungen und neue Geschäftsmodelle: Zugriff der Passagiere auf das Internet, Austausch von Betriebsdaten zwischen Zügen, Betriebszentrale und Bahnhöfen, Überwachung per Voice/Video in den Zügen bis hin zur Fahrgastinformation und Digital-Signage-Systemen für Werbezwecke. Die dazu eingebundenen Geräte im Zug, zum Beispiel der Ticketautomat, der neben Bargeld auch EC- oder Kreditkarten akzeptiert, sind häufig untereinander über Ethernet verbunden. Gesteuert wird der Datenverkehr über einen Mobile-Router. Dieses Gerät organisiert sowohl die notwendige Verifikation der Karten über einen Online-Datenabgleich mit der Zentrale, als auch die kontinuierliche Übertragung von Betriebsdaten (zum Beispiel Verfügbarkeit von Fahrscheinpapier, Wechselgeld). Das erfordert eine ständige bidirektionale Verbindung, die über Mobilfunktechnologie realisiert wird.

„Da die übermittelten Daten unmittelbar ausgewertet werden müssen, ist eine Permanentverbindung zwischen dem Router und der Auswertungszentrale erforderlich“, so Jürgen Kern, Geschäftsführer von Netmodule. „Um dabei die Kosten im Griff zu halten, setzt man GPRS, UMTS und/oder LTE als Übertragungsprotokoll ein. Alle Protokolle sind paketvermittelt, so dass lediglich die übertragenen Pakete zu bezahlen sind.“

Das Herzstück eines WLAN-Netzes im Zug ist ebenfalls der Mobile-Router, dazu kommen abgesetzte Access-Points. Die Besonderheit bei Zügen sind die verschiedenen, frei zusammenstellbaren Waggonkombinationen, etwa ein verkürzter Zug, eine vordere Hälfte und eine hintere Hälfte, beziehungsweise werden die Hälften vertauscht. Darum benötigt man jeweils einen mobilen Router im vorderen und im hinteren Teil, von dem aus die Anbindung der Access Points erfolgt. Er stimmt sich automatisch auf Positionsänderungen und Ergänzung eines Waggons ab. Je nach gewünschter Signalstärke werden pro Waggon zwei bis drei verteilte Access-Points installiert. Sie sind über ein eigenständiges lokales Internet-fähiges Netz mit dem mobilen Router verbunden, der wiederum die Daten über verschiedene gebündelte UMTS-Links via Mobilfunk ins globale Internet schickt. Die Kanalbündelung führt letztendlich zu einer höheren Bandbreite, die einen Flaschenhals in der Kommunikation beim Transport der Daten vermeidet.

Software muss stabil laufen

Für die Anwendungen Einspielen von Fahrgastinformation, Internetsurfen im Zug, Übertragung von Betriebsdaten werden drei virtuelle LANs aufgebaut.Netmodule

Damit ein Wireless-Router in Zügen überhaupt eingesetzt werden darf, muss er nach EN 51055 zertifiziert sein, also strenge Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit, Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen und Feuchtigkeit sowie Stoß- und Vibrationsfestigkeit erfüllen, und seine Software muss entsprechend stabil laufen. Diese Anforderungen der Router NB2600R. Der nach EN 50155/T3, CEN/TS 45545 zertifizierte Router wird bereits ab Werk in Doppelstockzügen von Bombardier und anderen Bahnherstellern eingebaut – eine in diesem Markt gängige Vorgehensweise. Mit seinen für die Bahntechnik spezifischen M12-Drehsteckern eignet er sich sehr gut für Anwendungen, in denen mechanische Beanspruchung, Feuchtigkeit und Kondenswasser sowie Schmutz an der Tagesordnung stehen. Ausgestattet mit Mobilfunk- und WLAN-Antenne lässt er sich gleichzeitig als Mobile-Router und als Access-Point einsetzen. Eine GPS-Option ermöglicht jederzeit eine genaue Lokalisierung. Sein USB-Anschluss ermöglicht die dateibasierte Konfiguration oder dient als Expansionsschnittstelle.

Automatisch die günstigste Verbindung

„Die Verbindung zwischen Zug und Basisstation muss schnellstmöglich aufgebaut werden und zugleich die sichere Datenübertragung in unterschiedlichen Netzwerken gewährleistet sein“, erläutert Jürgen Kern. „Router, die in Zügen installiert sind, müssen so intelligent sein, dass sie unter mehreren Verbindungsmöglichkeiten immer automatisch die schnellste und günstigste wählen. Nähert sich also der Zug einem Public-WLAN-Access-Point, muss die Software des Routers von Mobilfunk (GSM/UMTS) auf das WLAN umschalten können.“ Der NB2600R vereint 3G+, WLAN- und GPS-Kommunikation in einem einzigen Gerät und unterstützt alle modernen Mobilfunkstandards GSM/GPRS/EDGE beziehungsweise HSxPA/UMTS/HSPA bis zu 14,4 Mbps Downlink und 5,76 Mbps Uplink. Damit erlaubt er sogar die drahtlose Übertragung von Audio- und Videodatenströmen – das ermöglicht beispielsweise die Videoüberwachung im Zug. Der Router ist als „Always-On-Least-Cost-Router“ konzipiert: Dank der nach RFC 3344 und RFC 5944 implementierten Mobile-IP-Software erkennt er Unterbrechungen blitzschnell und wechselt automatisch auf die nächste tiefere/höhere Priorität beziehungsweise das nächste verfügbare Kommunikationsprotokoll, ohne dass die Endgeräte von der Unterbrechung etwas merken.

Der Wireless-Router NB2600R erfüllt die hohen Anforderungen der Bahnbranche.Netmodule

Damit eine ausreichend sichere Verfügbarkeit bei der Datenübertragung „auf der Strecke“ garantiert ist, setzt Netmodule auf Redundanz: Dank Dual SIM kann der NB2600R bei einem Ausfall des einen Providers, etwa in einem Funkloch, auf das Netz eines zweiten Providers umschalten. Die Software des Wireless-Routers stellt sicher, dass die Verbindung permanent gehalten wird und keine Daten verloren gehen. Zudem verteilt er Lasten selbstständig und verhindert dadurch Datenüberlastungen.

Datenüberlastung verhindert

Werden personenbezogene Daten (zum Beispiel PINs von EC-Karten, Kreditkarteninformationen) oder persönliche Informationen (beispielsweise Emails) übertragen, ist größte Sicherheit geboten. Diese Herausforderung löst Netmodule über virtuelle LANs (VLANs). Indem mehrere VLANs ein Netzwerk in sich abgeschirmte Segmente unterteilen, sorgen sie für mehr Sicherheit, unabhängig davon, wo sich die Teilnehmer eines Segments im physikalischen LAN befinden. Alle Geräte in einem VLAN können zunächst nur ausschließlich mit den anderen Geräten im eigenen VLAN kommunizieren, so dass das Netzwerk wie eine Anzahl mehrerer, nicht verbundener LANs zu betrachten ist. Bei Bedarf verbindet der Router die segmentierten Netze. Für die Anwendungen Einspielen von Fahrgastinformation, Internetsurfen im Zug, Übertragung von Betriebsdaten werden also drei virtuelle LANs aufgebaut: VLAN1 verbindet im Zug installierte Displays, auf denen Nachrichten und Werbung dargestellt werden, mit der Zentrale des Betreibers der Werbung. VLAN2 wird den im Zug surfenden Fahrgästen zugeteilt. Das eingesetzte WLAN-fähige Gerät (Handy, PDA oder Netbook) wird darüber mit dem öffentlichen Internet verbunden. VLAN3 schließlich verbindet die im Zug über Ethernet verbundenen Geräte (Ticketautomaten, Boardcomputer) mit der Leitzentrale.

Reibungsloser Informationsaustausch

Moderne WLAN-Netze im Nahverkehr ermöglichen verschiedene Anwendungen und neue Geschäftsmodelle.Netmodule

Voraussetzung für einen reibungslosen Informationsaustausch zwischen Zentrale und Zug sind unterbrechungsfreie und transparente Verbindungen, zudem müssen die Anwendungen voneinander logisch völlig getrennt werden, um ausreichende Sicherheit zu gewährleisten.

„Egal welche Anwendung, ob Videostreams, Sprachverkehr, Betriebsdaten oder die Übertragung sensibler Kreditkarten-Daten – wichtig ist, dass alle Daten zur gleichen Zeit sicher, aber dennoch völlig unabhängig voneinander übermittelt werden“, so Jürgen Kern.

Dazu verbindet ein VPN (Virtual Private Network) die lokalen Netze im Zug und in der Zentrale miteinander über das Internet und UMTS-Mobilfunknetz. Als Protokoll dienen IPsec, OpenVPN und PPTP, die von der Internet-Protokoll (IP) Schicht unabhängig sind, so dass es auch keine Probleme mit Network Address Translation (NAT), das im Mobilfunk meist zum Einsatz kommt, gibt. Die Lösung lässt sich in bestehende Infrastrukturen integrieren, oder von Grund auf neu aufbauen. Der intelligente Router übernimmt die Verschlüsselung der Daten und die geregelte Zuordnung zum jeweiligen VLAN.

Kundenspezifische Anpassung und Finanzierung

Jede Branche ist durch spezifische Anforderungen geprägt, bei Bahnanwendungen wären das unter anderem technische Parameter des Triebwagens (Ölstand, …), der Ticketautomaten (Kleingeld, Papier, …) und Alarmroutinen. Zur schnellen und individuellen Implementierung von Zusatzfunktionen wird ein optionales SDK (Software-Development-Kit) für die auf Linux basierenden NB2600R-Router angeboten. Das gesamte Toolkit besteht aus einem SDK-Host, der die Laufzeitumgebung („Sandbox“) definiert, dabei die Zugriffe auf Systemressourcen wie Programmspeicher, Storage und CPU kontrolliert und für die passende Skalierung sorgt. Da die Sandbox-Umgebung komplett im User Space integriert ist, und Zugriffe auf das File-System unter anderem über FUSE gesteuert werden, ist das SDK ohne Kernel-Patches installierbar und vermeidet unerwünschte Auswirkungen auf das bestehende System.

Existiert erst einmal eine Funkverbindung in den Zug, rücken Zusatzdienstleistungen und neue Geschäftsmodelle in den Mittelpunkt, wie Digital Signage, wo je nach Ort und Zeit die passende Werbung im Fahrgastinformationssystem des Zugs eingespielt wird. Zusätzlich können sich die Passagiere weitere Information über WLAN auf ihre Smart Devices laden. „Dabei ermöglicht der in unseren Routern integrierte GPS-Empfänger die genaue Ortung der Position des Zugs, übermittelt diese an den Content Provider, der wiederum den regionalen Inhalt überträgt“, skizziert Jürgen Kern. Beworben werden beispielsweise der aktuelle Menüplan eines Restaurants, Angebote eines Veranstalters, der Spielplan eines Theaters – der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt.

(ah)