CH626761A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage für die drahtlose Nachrichtenübertragung zwischen sich längs vorgegebener Strecken bewegenden Sende-Empfangsstationen und längs dieser Strecken in vorgegebenden Abständen angeordneten, in beiden Streckenrichtungen wirksamen Sende-Empfangsstationen, bei der die Stationen einer Strecke mit einer zentralen Sende-Empfangsstation in Verbindung stehen.

Funksystemen dieser Art kommt besondere Bedeutung im Schienenverkehr zu. Die wirtschaftliche Auslastung bestehender Streckennetze und die in diesem Zusammenhang angestrebte hohe Dichte der Zufolge bei hoher Geschwindigkeit macht einen zunehmenden Daten- und Signalaustausch zwischen den Zügen und den ortsfesten Streckeneinrichtungen erforderlich.

Durch die Literaturstelle «Elektrische Bahnen» 44(1973), Heft 4, Seite 83 bis 92 ist es bekannt, den Informationsaustausch mittels eines sogenannten Linienleitersystems durchzuführen. Beim Linienleitersystem werden im Gleisbereich induktive Drahtschleifen verlegt, die als Sende-Empfangsantennen für die ortsfesten Stationen wirksam sind. Die Übertragung von Informationen zwischen den beweglichen Sende-Empfangssta-tionen auf den Zügen und diesen ortsfesten Stationen erfolgt mittels Frequenzumtastung im Frequenzbereich um 50 kHz, wobei die maximale Übertragungsrate auf etwa 1200 Baud begrenzt ist. Abgesehen von dieser Begrenzung des Informationsflusses, hat das Linienleitersystem den grossen Nachteil, dass die Drahtschleifen insbesondere bei Gleisoberbauarbeiten in hohem Masse der Gefahr einer mechanischen Beschädigung ausgesetzt sind.

Die Gefahr einer mechanischen Beschädigung lässt sich bei einem solchen Funksystem dadurch verhindern, dass auf die Übertragung mittels induktiver Schleifen verzichtet wird und die miteinander in Verbindung stehenden Stationen ihre Informationen über Funk austauschen. Solche Systeme sind beispielsweise durch die Literaturstelle ETR, Heft 10,1971, Seiten 402 bis 441 bekannt. Die hierfür benutzten Frequenzen liegen im Bereich unterhalb von 1 GHz. In diesem Frequenzbereich lässt sich die Bündelung der Sendestrahlung, wie sie für strek-kengebundene Nachrichtenübertragungssysteme angemessen wäre, nur unzureichend verwirklichen. Als Folge hiervon ergibt sich eine erhöhte Gefahr der gegenseitigen Störung zwischen den in diesem Frequenzbereich arbeitenden Funkdiensten. Ausserdem bereitet die Knappheit der zur Verfügung stehenen Frequenzen in diesem Bereich immer wieder erhebliche Schwierigkeiten beim Aufbau von Netzen. Die Schwierigkeit der Bündelung der Sendestrahlung der miteinander verkehrenden Stationen bewirkt des weiteren auch sehr viele von ausserhalb der vorgegebenen Verbindungsrichtung herrührende Reflexionen an Bergen, Gebäuden, Bäumen und dergleichen mehr. Die Überlagerungen der direkten und der reflektierten Strahlung führen am Empfangsort zu mitunter sehr tiefen und gegebenenfalls längs der Strecke wenigstens teilweise verlaufenden Pegeleinbrüchen. Mitunter muss diesen Erscheinungen durch eine sehr aufwendige Empfangstechnik (Diversity-Tech-nik) bei den beweglichen Stationen Rechnung getragen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Anlage der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die einerseits die Vorteile der Funksysteme gegenüber dem Linienleitersystem aufweist und darüber hinaus die aufgrund der mangelnden Bündelung bei bekannten Funksystemen aufweisenden Schwierigkeiten überwindet.

Ausgehend von einer Anlage für die drahtlose Nachrichtenübertragung zwischen sich längs vorgegebener Strecken bewegenden Sende-Empfangsstationen und längs dieser Strecken in vorgegebenen Abständen angeordneten, in beiden Strecken2

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richtungen wirksamen Sende-Empfangsstationen, bei der die Stationen einer Strecke mit einer zentralen Sende-Empfangs-station in Verbindung stehen, wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Übertragungsstrecke unterteilt ist in Übertragungsabschnitte, die aus jeweils einer mit der Zentralstation direkt verbundenen Hauptstation und beiderseits der Hauptstationen angeordneten Hauptstationen bestehen, dass die Zwischenstationen zusammen mit der Hauptstation des betreffenden Übertragungsabschnittes oder die betreffenden Hauptstationen allein die Gegenstationen für den Signalaustausch mit den beweglichen Stationen darstellen, und dass in aneinandergrenzenden Übertragungsabschnitten von unterschiedlichen Sende-Empfangsfrequenzen im Bereich oberhalb 1 GHz Gebrauch gemacht ist.

Wie umfangreiche, der Erfindung zugrundeliegende Untersuchungen und Streckenmessungen ergeben haben, lässt sich bei Verwendung von Sende- und Empfangsfrequenzen oberhalb 1 GHz eine gute Bündelung der Sendestrahlung mit relativ geringem Aufwand erreichen. Als Folge davon ergibt sich nicht nur eine starke Reduzierung unerwünschter Reflexionen, sondern auch eine auf die optische Sicht im wesentlichen begrenzte, von Beugungserscheinungen der Strahlung im wesentlichen freie Übertragung. Mit andern Worten treten hier Schwierigkeiten, die mit den Erscheinungen der sogenannten Überreichweiten zusammenhängen, praktisch überhaupt nicht auf.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird der Signalaustausch zwischen einer Hauptstation und den ihr zugeordneten Zwischenstationen über Verbindungskabel vorgenommen, und zwar in Form einer Parallelschaltung des Eingangsanschlusses der Hauptstation mit den Ausgangsanschlüssen der Zwischenstationen und des Ausgangsanschlusses der Hauptstationen mit den Eingangsanschlüssen der Zwischenstationen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind die Zwischenstationen also Relaisstationen ausgeführt und stellen Signalübertagungsket-ten zu und von den ihnen jeweils zugeordneten Hauptstationen dar.

Besonders günstige Betriebsverhältnisse ergeben sich,

wenn der gegenseitige, die optische Sicht gewährleistende Abstand zweier aufeinanderfolgender Stationen längs der Strecke im Mittel 1 km und der gegenseitigen Abstand zweier aufeinanderfolgender Hauptstationen im Mittel 10 km beträgt. Dabei erfolgt die Signalübertragung vorzugsweise im Mikro-wellenbereich zwischen 10 und 40 GHz.

Zweckmässig erfolgt der Signalaustausch zwischen den beweglichen Stationen und den die Übertragungsabschnitte darstellenden Haupt- und Zwischenstationen unter Anwendung der Zeitmultiplextechnik im Vielfachzugriff mit starrem Zeitrahmen und einer Adressen-Kanalsynchronisation. Auf. diese Weise lässt sich eine hohe Dichte der zu übertragenden Informationen erzielen, und zwar bei optimaler Flexibilität hinsichtlich der zeitlich schwankenden Informationsflussmenge. Dabei ist die Adressierung sowohl als Orts- als auch als Individualadresse darstellbar.

In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, die Übertragung der Signale digital, beispielsweise in Form von phasen-oder frequenzumgetasteten Trägerschwingungen, vorzunehmen.

Da im Frequenzgebiet oberhalb 1 GHz durch Beugung der Wellenfronten der Sendestrahlung Überreichweiten praktisch nicht auftreten, kann in ausserordentlich vorteilhafter Weise für sämtliche Übertragungsabschnitte lediglich von zwei Paaren unterschiedlicher Sende-Empfangsfrequenzen Gebrauch gemacht werden. Hierbei wird die gegenseitige Entkopplung der aufeinanderfolgenden Übertragungsabschnitte längs der Strecke durch alternierenden Wechsel der beiden Frequenz626761

paare von Übertragungsabschnitt zu Übertragungsabschnitt vorgenommen. Die beweglichen Stationen weisen eine Frequenzumschalteinrichtung für einen automatischen Frequenzpaarwechsel bei ihrem Übergang in den jeweils nächsten Übertragungsabschnitt auf.

Die Frequenzumschalteinrichtung kann zum Umschalten als Kriterium den Empfangspegel verwenden. Stattdessen kann sie aber in vorteilhafter Weise auch von einem externen Umschaltmittel betätigt sein, beispielsweise von an den Übergängen zwischen zwei Übertragungsabschnitten längs der Strecke angeordneten Steuersignal ergeben.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 die schematische Darstellung eines ersten Ausfüh-rungsbeipiels,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 ein typisches Empfangspegeldiagramm für ein Funksystem nach den Fig. 1 und 2.

Das Funksystem nach Fig. 1 ist längs der Übertragungsstrecke S in Übertragungsabschnitte ÜA unterteilt. Jeder Übertragungsabschnitt weist eine Hauptstation HS auf, die etwa im Abstand von 10 km längs der Strecke aufeinanderfolgen. Die Hauptstationen HS sind wiederum mit einer Zentralstation aber Leitungen oder aber auch über Funk miteinander verbunden. Zwischen den Hauptstationen HS sind Zwischenstationen, und zwar Relaisstationen RS angeordnet, von denen jeweils die einer Hauptstation HS entfernungsmässig am nächsten kommenden Relaisstationen RS dieser zugeordnet sind und mit ihr gemeinsam den Übertragungsabschnitt ÜA bilden. Die Übertragung der Signale erfolgt digital. Der Umfang des Informationsflusses beträgt etwa 10 kbit. Bei Anwendung eines Laufzeitausgleichs innerhalb eines Übertagungsabschnitts ÜA, bezogen auf die Hauptstation, lässt sich der Informationsfluss auch bis maximal 30 kbit erhöhen.

Die der Hauptstation HS zugeordneten Relaisstationen RS bilden zu und von der ihnen zugeordneten Hauptstation HS jeweils eine Signalübertragungskette, die zugleich zusammen mit der Hauptstation HS die Gegenstationen für den Signalaustausch mit der im Fahrzeug FZ angeordneten beweglichen Station BS mit der Frequenzumschalteinrichtung FU darstellen. Aus diesem Grund bestehen die Hauptstationen HS und die Relaisstationen RS in jeder Übertragungsrichtung jeweils aus einem Sender S und einem Empfänger E. Die Realaisstationen RS an den Übertragungsstellen zwischen zwei Übertragungs-ìbschnitten ÜA unterscheiden sich von den übrigen Relaisstationen RS dadurch, dass jedes der beiden Sender-Empfängerpaare dieser Relaisstationen abhängig von der Richtung, in die gesendet bzw. aus der empfangen wird, von einem unterschiedlichen Frequenzpaar Gebrauch macht. Entsprechendes gilt hinsichtlich zweier aufeinanderfolgender Hauptstationen.

Weiterhin unterscheiden sich die Hauptstationen HS von den Relaisstationen RS dadurch, dass sie zum Informationsaustausch zusätzlich mit der Zentralstatioen CS verbunden sind. Die von der Zentralstationen zugeführten Informationen werden von der Hauptstation HS in beiden Richtungen an die nächsten Relaisstationen ausgestrahlt, die sie dann entsprechend der Organisation der Übertragungskette weitergeben. Von der beweglichen Station BS gesendete Information wird über die ihr am nächsten befindliche Relaisstation an die Hauptstation HS und von ihr zur Zentralstation CS weitergeleitet. Ist die nächste Station für die bewegliche Station BS eine Hauptstation HS, so wird die Information unmittelbar über die Hauptstation an die Zentralstation CS weitergegeben. Der Aufbau der Hauptstationen und der Relaisstationen kann in üblicher Technik ausgeführt sein, wie sie bei Zwischenstellen für Richtfunkstrecken seit langem bekannt ist. Die Modula3

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tionstechnik kann analog oder digital sein. Zweckmässig ist sie digital, und zwar in Form frequenz- oder phasenumgetasteter Trägerschwingungen. Nur beispielsweise wird in diesem Zusammenhang auf die Literaturstelle William R. Bennett,

James R. Davey: «Data Transmission», McGraw-Hill Book 5 Comp., New York, San Francisco, Toronto, London, Sydney, Inter-University Electronics Series Vol. 2,1965, hingewiesen, die eine umfassende Schilderung dieser Technik beinhaltet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch, dass hier die der 10 Hauptstation HS zugeordneten Zwischenstationen ZS mit den Sende-Empfangseinrichtungen S/E ihre auszusendende Information über das Verbindungskabel K erhalten und über das gleiche Kabel auch von der beweglichen Station BS des Fahrzeugs FZ empfangene Information an die Hauptstation HS 15 geben. Hierbei sind sämtliche der Hauptstation HS zugeordnete Zwischenstation ZS mit ihren Ausgangsanschlüssen dem Eingangsanschluss der Hauptstation parallel geschaltet. Entsprechendes gilt hinsichtlich der Eingangsanschlüsse der Zwischenstationen und des Ausgangsanschlusses der Hauptstation. 20 Im übrigen sind gleiche Gegenstände oder Angaben nach Fig. 1 in Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich weitere Ausführungen zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erübrigen.

Wie bereits ausgeführt worden ist, zeichnet sich das Funk- 25 system nach der Erfindung vor allem die Verwendung von Trägerfrequenzen oberhalb 1 GHz aus. In diesem Frequenzbereich herrschen praktisch quasioptische Übertragungsbedingungen, so dass längs der Strecke aufeinanderfolgende ortsfeste Stationen auf optische Sicht arbeiten müssen, und zwar bei 30

ausreichender Pegelreserve im Hinblick auf Regendämpfung. Untersuchungen am Streckennetz der Deutschen Bundesbahn haben ergeben, dass unter Berücksichtigung der Regendämpfung und der Streckenführung sich typische Abstände von zwei aufeinanderfolgenden ortsfesten Stationen von 0,5 bis 1 km ergeben.

Fig. 3 zeigt den typischen Verlauf des Empfangspegels Pe im Frequenzbereich zwischen 20 und 30 GHz, aufgetragen über der Entfernung E. Im Nahbereich bis 500 m sind sehr stark ausgeprägte Minima (15-25 dB) zu erkennen, die durch Überlagerung vom direkten und am Boden reflektierten Strahl entstehen. Im mittlerern Bereich (0,5-1,5 km) betragen diese Pegelmi-nima nur noch 10-15 dB, da hier in jedem Fall an der Überlagerung mit der direkten Strahlung stets mehrere Anteile indirekter Strahlung beteiligt sind. Im Fernbereich oberhalb 1,5 km werden die Pegeleinbrüche zunehmend kleiner, die Messkurve (ausgezogene Linie) nähert sich der theoretischen Ausbreitungskurve (strichpunktierte Linie). Da im Nah- und Mittelbereich die vorhandene Empfängerreserve in jedem Fall ausreicht, diese Pegelminima zu überbrücken, ist mit dem vorgeschlagenen System eine sichere Übertragung gewährleistet.

Sobald die optische Sicht zwischen zwei miteinander in Signalaustausch stehenden Stationen nicht mehr gegeben ist, hat die scharfe Bündelung der Antennen, verbunden mit der geringen Beugungsneigung der Wellenfronten der Sendestrahlung, zur Folge, dass der Empfangspegel rasch auf vernachlässigbar kleine Werte absinkt. Im Pegeldiagramm der Fig. 3 ist dieser starke Abfall unter den Minimalpegel Pmin in unterbrochener Linie angegeben.

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1 Blatt Zeichnungen

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626761 PATENTANSPRÜCHE

1. Anlage für die drahtlose Nachrichtenübertragung zwischen sich längs vorgegebener Strecken bewegenden Sende-Empfangsstationen und längs dieser Strecke in vorgebenen Abständen angeordneten, in beiden Streckenrichtungen wirksamen Sende-Empfangsstationen, bei der die Stationen einer Strecke mit einer zentralen Sende-Empfangsstation in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke unterteilt ist in Übertragungsabschnitte (ÜA), die aus jeweils einer mit der Zentralstation (CS) direkt verbundenen Hauptstationen (HS) und beiderseits der Hauptstationen (HS) angeordneten Zwischenstationen (ZS, RS) bestehen, dass die Zwischenstationen (ZS,RS) zusammen mit der Hauptstation des betreffenden Übertragungsabschnittes (ÜA) oder die betreffenden Hauptstationen allein die Gegenstationen für den Signalaustausch mit den beweglichen Stationen (BS) darstellen, und dass in aneinandergrenzenden Übertragungsabschnitten von unterschiedlichen Sende-Empfangsfrequenzen im Bereich oberhalb 1 GHz Gebrauch gemacht ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalaustausch zwischen einer Hauptstation (HS) und der ihr zugeordneten Zwischenstationen (ZS) über Verbindungkabel (K) erfolgt, und zwar in Form einer Parallelschaltung des Eingangsanschlusses der Hauptstation (HS) mit den Ausgangsanschlüssen der Zwischenstationen (ZS) und des Ausgangsanschlusses der Hauptstation (HS) mit den Eingangsanschlüssen der Zwischenstation (ZS).

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstationen als Relaisstationen (RS) ausgeführt sind und Signalübertragungsketten zu und von den ihnen jeweils zugeordneten Hauptstationen (HS) darstellen.

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Strecke der gegenseitige, die optische Sicht gewährleistende Abstand zweier aufeinanderfolgender Stationen im Mittel 1 km und der gegenseitige Abstand zweier aufeinanderfolgender Hauptstationen (HS) im Mittel 10 km beträgt und dass die Signalübertragung im Mikro-Wellenbereich zwischen 10 und 40 GHz erfolgt.

5. Anlage nach einem der vorhergehenden Anprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalaustausch zwischen den beweglichen Stationen (BS) und den die Übertagungsabschnitte darstellenden Haupt- (HS) und Zwischenstationen (ZS, RS) unter Anwendung der Zeitmultiplextechnik im Vielfachzugriff mit starrem Zeitrahmen und einer Adressen-Kanalsynchronisation vorgenommen ist.

6. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Signale digital, beispielsweise in Form von phasen- oder frequenzumge-tasteten Trägerschwingungen vorgenommen ist.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für sämtliche Übertragungsabschnitte lediglich von zwei Paaren unterschiedlicher Sende-Empfangsfrequenzen Gebrauch gemacht ist, dass ferner die gegenseitige Entkopplung der aufeinanderfolgenden Übertragungsabschnitte (ÜA) längs der Strecke durch alternierenden Wechsel der beiden Frequenzpaare von Übertragungsabschnitt zu Übertragungsabschnitt vorgenommen ist und dass die beweglichen Stationen (BS) eine Frequenzumschalteinrichtung (FU) für einen Frequenzpaarwechsel bei ihrem Übergang in den jeweils nächsten Übertragungsabschnitt aufweisen.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzwechsel automatisch erfolgt.

9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzumschalteeinrichtung (FU) von einem externen Umschaltmittel betätigbar ist.