Ins Netz bei Tempo 300

ICE-Züge bekommen schnelles Internet

Wissen | Hintergrund

Moderne Mobilfunktechnik soll die lahmen WLAN-Netzzugänge in den ICEs der Bahn auf Trab bringen. Und auch Mobilfunknutzer können dort bald schneller ins Internet.

Die Bahn hat verstanden, wie wichtig Reisenden der Internet-Zugang ist und wirbt offensiv damit, dass sie ab 2016 WLAN für alle ICE-Fahrgäste kostenlos bieten wird. In den meisten ICEs gibt es einen WLAN-Zugang, an jedem Platz befindet sich eine Steckdose – eine für zwei Plätze in der zweiten Klasse, eine für jeden Platz in der ersten – und für das Notebook ein Tischchen. Derzeit ist der Spaß nicht billig. Betreiber der WLAN-Hotspots ist die Deutsche Telekom, und die verlangt für einen Tagespass 4,95 Euro. Günstiger kann es für Telekom-Festnetzkunden werden: Bei einigen DSL-Tarifen des rosa Riesen ist eine Hotspot-Flatrate inklusive.

Die Fernbus-Anbieter geben sich erheblich kundenfreundlicher: Bei den Marktführern MeinFernbus, Flixbus und Postbus ist ein kostenloser WLAN-Zugang im Fahrpreis inbegriffen. Allerdings ist es für Busunternehmen auch viel einfacher als für die Bahn, einen solchen Repeater anzubieten. Sie können auf die vorhandene Mobilfunk-Infrastruktur zurückgreifen, die entlang der Autobahnen bereits gut ausgebaut ist.

Für den Kunden gibt es an Bord des ICE zwei Möglichkeiten, ins Internet zu kommen: Entweder nutzt er den kostenpflichtigen WLAN-Zugang, der wiederum per Mobilfunk ans Netz angebunden ist, oder klinkt sich über die eingebauten Repeater selbst ins Mobilfunknetz seiner Wahl ein.

Für die Anbindung des Bord-WLAN ans Internet griff man bei der Bahn ab 2005 auf die Frequenzen des 2001 abgeschalteten analogen C-Netzes bei 450 MHz zurück und nutzte sie für ein Flash-ODFM-System, das unter dem Herstellernamen Flarion bekannt wurde. Damit waren nur rund 1,5 MBit/s Gesamtbandbreite zu erreichen.

Das UMTS-Netz wurde erst mit der Einführung von HSPA ab 2006 eine interessante Alternative, konnte aber aufgrund der zunächst geringen Netzabdeckung das Flarion-System nur streckenweise ergänzen. Die Anforderungen der Kunden erfüllten die WLAN-Zugänge an Bord schon nach wenigen Jahren nicht mehr, die Kunden klagten immer häufiger und lauter über langsame und unzuverlässige Verbindungen – kein Wunder, wenn sich 100 Passagiere 1,5 MBit/s teilen müssen.

Die Bahn hat nachgebessert. Der Technologiepartner Telekom hat die obsoleten Flarion-Zugänge vielerorts ausgetauscht. 211 Züge sind bereits umgerüstet. Bis Ende 2015 sollen auch die Züge der Baureihe 407 (auch bekannt als „neuer ICE 3“) umgerüstet werden. Die modernisierten WLANs werden aus dem UMTS- und LTE-Netz versorgt. Der Aufwand für die Versorgung ist erheblich. Die Telekom hat in ländlichen Gebieten entlang der Bahnstrecken ihr LTE-Netz auf 800 MHz besonders dicht geknüpft. In städtischen Gebieten erfolgt die Versorgung vorrangig aus den LTE-1800-Netzen.

Mit mehr Tempo ins Netz

Statt bisher maximal 1,5 MBit/s stehen den WLAN-Nutzern eines Zugs nun im Mittel insgesamt 10, in der Spitze sogar bis zu 90 MBit/s zur Verfügung, hat die Telekom in Messungen festgestellt. In wenig besetzten Zügen klappt bei solchen Bandbreiten sogar Video-Streaming, berichten Fahrgäste. Im Mobilfunknetz genießt der WLAN-AP des ICE allerdings keine Priorisierung. Ist das Mobilfunknetz stark belegt, sinkt die Datenrate auch für die WLAN-Nutzer spürbar ab.

Technisch hängt die Bahn zwangsläufig immer etwas hinterher. Viele Geräte, die an Bord eines Zuges zum Einsatz kommen, müssen vom Eisenbahn-Bundesamt abgenommen werden. Die Bahn trägt dem Rechnung: „Ab 2017 sind die neuen ICx-Züge unterwegs“, sagt ein Bahnsprecher, „die haben wir lediglich vorgerüstet bestellt. Für die WLAN- und Repeater-Komponenten sind Einschübe vorgesehen, Anschlüsse für Antennen und die Stromversorgung liegen bereits. Wir entscheiden dann möglichst kurz vor der Auslieferung, was zum Einsatz kommt und verbauen in unseren Werkstätten modernste Technik. Würden wir die Züge komplett mit Internet-Technik bestellen, wäre diese aufgrund der langen Lieferfristen womöglich schon bei der Übergabe veraltet.“ Welche Technik zum Einsatz kommt und wer die WLAN-Zugänge in den neuen ICx-Zügen liefert, ist noch nicht festgelegt.

Die WLAN-Knoten in den vorhandenen Baureihen des ICE betreibt die Deutsche Telekom. Sie nutzen zur Backbone-Anbindung die Funkstandards 4G (800 und 1800), 3G (2100) und 2G (900, 1800). Wenn nur eine 2G-Verbindung mit 200 kBit/s (EDGE) möglich ist, wird diese allerdings ausschließlich dazu verwendet, die sogenannte Management-Verbindung aufrecht zu erhalten.

Ganz einfach ist die Aufgabe nicht, die Strecken zu versorgen: Die Bahn fährt auf eigenen Trassen, die nur an manchen Orten in der Nähe von Autobahnen verlaufen. Oft führen die Schienenwege durch ländliche Gegenden mit dünner Mobilfunkversorgung. Die Abdeckung erstreckt sich laut Telekom über 5200 Streckenkilometer, über die 98 Prozent der ICE-Passagierkilometer abgewickelt werden. Auf 2200 Kilometern befindet sich das Netz derzeit noch im Testbetrieb.

Die Konfiguration der beteiligten Basisstationen entlang der Bahnstrecken muss an die speziellen Anforderungen angepasst werden. Das Zusammenwirken aus hohen gefahrenen Geschwindigkeiten und hoher Frequenz sorgt für einen Dopplereffekt, der per Software ausgeglichen werden muss. Außerdem muss der Handover zwischen den Zellen optimiert werden, damit er stets strikt entlang des Streckenverlaufs erfolgt. Die Zellen müssen eine möglichst große Ausdehnung besitzen, damit ein Handover möglichst selten erforderlich wird.

Hinzu kommt, dass die Mobilfunknetze an Bahnstrecken hohen Spitzenbelastungen ausgesetzt sind. Rund 700 Sitzplätze hat ein ICE 1 mit 14 Wagen, ein ICE-2- oder -3-Halbzug rund 400, ein Vollzug also über 800. Fährt ein ICE vorbei, tauchen auf einen Schlag mehrere hundert Mobilfunkgeräte in einer Zelle auf, die sich nach kurzer Zeit wieder in Nachbarzellen umbuchen. Die Zahl der Nutzer verdoppelt sich, wenn sich zwei ICE auf der Strecke begegnen.

Eine besondere Herausforderung sind Tunnelstrecken. Allein auf der 90 Kilometer langen Schnellstrecke Fulda-Kassel beispielsweise liegen 25 Tunnel mit einer Gesamtlänge von fast 50 Kilometern. Ohne Tunnelfunk ginge hier gar nichts.

Die Bahn hat zusammen mit den Mobilfunkbetreibern eine Lösung gefunden. Sie haben die Tunnel schon vor längerer Zeit mit GSM-Basisstationen ausgestattet. Auch bei der Funkversorgung der Tunnel geht die Bahn bereits die nächste Generation an: Vodafone stattet derzeit zahlreiche Tunnel mit einem modernisierten System aus. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Konsortiallösung, Vodafone baut also die Versorgung für Telekom, O2 und E-Plus mit aus. UMTS kommt nicht zum Einsatz, die Versorgung beschränkt sich auf GSM und LTE.

Außerhalb des Tunnels ist eine Kopfstation installiert, die als Basisstation für den gesamten Tunnel dient. Die Sendeanlagen im Tunnel werden über ein optisches Repeatersystem angesteuert. Die Sender haben je nach Kurvenradius der Bahnstrecke einen Abstand von 1 bis 2 Kilometern. Ein Tunnel stellt dabei netztechnisch immer eine Zelle dar, alle Sender auf der Strecke sind über ein Glasfaserkabel mit der Basisstation verbunden und reproduzieren das gleiche Signal. Das verhindert unnötige Zellwechsel, die die Performance verringern würden.

Bei Tempo 250 und einer Zellenlänge von 1000 Metern wäre alle 15 Sekunden ein Zellwechsel erforderlich. Derart häufige Zellwechsel kosten nicht nur Akkulaufzeit, sondern sorgen auch dafür, dass Smartphones kaum mehr dazu kommen, Daten zu übertragen. Deshalb erstreckt sich eine Tunnelzelle über viele Kilometer. Die Ausdehnung kann andererseits aber nicht beliebig groß werden, da sonst die Signallaufzeiten in den Glasfaserkabeln zu lang werden. Wo zwei kürzere Tunnels dicht aufeinanderfolgen, wird die Zelle über eine Basisstation außerhalb des Tunnels ins dazwischen liegende Freifeld verlängert.

Wer das WLAN des Zugs nicht nutzen will, kann auch auf eine Mobilfunkverbindung zurückgreifen. Im ICE gibt es aber ein spezielles Problem: Die Wagenkästen sind aus Metall, die Fenster klein und obendrein mit Metall als Wärmeschutz bedampft. Ein ICE-Wagen stellt deshalb einen recht dichten Faradayschen Käfig dar, den Funksignale nur stark abgeschwächt durchdringen können. In den Anfangstagen des Mobilfunks suchten die Fahrgäste zum Telefonieren deshalb gezielt Wagenübergänge auf, weil sie im Bereich des Kunststoffbalgs zwischen den Wagen Empfang hatten.

Mobilfunk statt WLAN

Wo früher zwischen Raucher und Nichtraucherabteilen unterschieden wurde, gibt es heute im ICE Mobilfunk- und Ruhewagen. In die Mobilfunkwagen hat die Bahn GSM-Repeater einbauen lassen. Diese verstärken das Signal in beide Richtungen und sorgen so für einen weitgehend störungsfreien Empfang. Allerdings beherrschen sie nur das GSM-Netz. Darüber lassen sich zwar grundsätzlich auch Datenverbindungen abwickeln, allerdings nur mit 56 kBit/s (GPRS) beziehungsweise 200 kBit/s (EDGE). Obendrein teilen sich alle Nutzer eines Mobilfunknetzes in einem Zug die verfügbare Bandbreite einer einzigen Basisstation, sodass Anwender häufig nur wenige kBit/s erhalten können. Für einen Mailcheck oder Instant Messages reicht das meistens noch knapp aus, die Übertragung von größeren Dateien wie Bildern scheitert aber regelmäßig, wenn man nicht gerade bei einem Halt in einem Bahnhof UMTS-Empfang hat.

Wer einen solchen Repeater mit einem UMTS-Smartphone nutzt, sollte für die Dauer der Bahnreise die Netzwerkauswahl auf 2G- beziehungsweise GSM-Netzwerke beschränken. Anderenfalls versucht das Handy ständig, sich ins schnellere UMTS-Netz einzubuchen. Bei einem schnell fahrenden Zug und dem im Vergleich zum Outdoor-Empfang um rund 30 dB, also um Faktor 1000 gedämpften Signal führt das bei Telefonaten häufig zu Störungen und Verbindungsabbrüchen. Nutzt man ausschließlich den GSM-Repeater im Waggon, ist die Verbindung deutlich stabiler.

Auch bei der Bahn hat man erkannt, dass eine solche Versorgung nicht mehr ganz zeitgemäß ist. Ab dem kommenden Jahr sollen die Repeater deshalb aufgerüstet werden. Den Auftrag dafür erhielt Vodafone. Das Konsortialprojekt deckt wie bisher auch alle vier deutschen Mobilfunknetze ab.

Ein großes Problem für die Techniker bei der Planung war das betriebsinterne GSM-R-Netz der Bahn. Dabei handelt es sich um ein Mobilfunknetz, dessen Frequenzbereich bei 876 MHz zwischen GSM 900 und LTE 800 angesiedelt ist. Über dieses GSM-Netz, das sich mit handelsüblichen Handys nicht nutzen lässt, laufen seit kurzem auch sicherheitsrelevante Verbindungen, die Anforderungen an die aktive Störsicherheit der Repeater sind daher sehr groß. Mit einem Lochfilter senkten die Vodafone-Techniker die Nebenaussendungen ihrer Repeater auf das zulässige Maß und erfüllten die Vorschriften der Bahn.

Die neuen Repeater werden alle drei Mobilfunktechniken GSM, UMTS und LTE beherrschen. Das Repeater-System ist ein kostenloser Service der Bahn. Mit der Aufrüstung wird der eigene Mobilfunkzugang für Internetnutzer im ICE erstmalig ein ernstzunehmendes Konkurrenzangebot zum vergleichsweise teuren WLAN-Zugang. Andreas Glatzel, der Projektverantwortliche bei Vodafone, ist optimistisch: „Wir haben eine zukunftssichere Lösung geschaffen und nun ein paar Jahre Ruhe, bevor wir an die nächste Generation gehen müssen.“

LTE-Nutzer sind im ICE künftig klar im Vorteil, sobald die neuen Repeater installiert sind. In Tunneln können sie dann mit Maximalgeschwindigkeit surfen, während UMTS-Smartphones dort auf 2G zurückfallen. Eine verbreitete LTE-Nutzung im ICE könnte für die Telekom allerdings noch zum Problem werden, denn die ICE-Fahrgäste mit LTE-Handy konkurrieren dann mit den WLAN-Knoten um die knappe Bandbreite in den Funkzellen. (uma)

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