AT501117A1 - Kommunikationssystem - Google Patents

Description

Mobile KommunikationsSysteme spielen eine zunehmende Rolle, insbesondere im Bahnverkehr. Neben Sprachanwendungen wächst auch die Bedeutung der mobilen Datenübertragung zwischen Zügen und ortsfesten Einrichtungen. Für die Datenübertragung werden in steigendem Maße mobile Computersysteme in Zügen eingesetzt.

Ein Beispiel für die mobile Datenübertragung zwischen Zügen und ortsfesten Einrichtungen sind Systeme zur Zugbeeinflussung. Diese haben bei den Bahnen die Aufgabe, Zugfahrten automatisch zu sichern. Dazu überwachen diese Systeme kontinuierlich oder an bestimmten Orten oder Zeiten die Geschwindigkeit, mit der sich ein Zug bewegt. Wird eine vorgegebene Sollgeschwindigkeit unzulässig überschritten, erfolgt eine Regulation automatisch durch das Zugbeeinflussungssystem. Für Züge im europäischen grenzüberschreitenden Hochgeschwindigkeitsverkehr wurde mit dem ETCS (European Train Control System) ein europäischer Standard eines Zugbeeinflussungssystems auf der Basis des Mobilfunkstandards GSM geschaffen. Dieser Standard definiert neben den bahntypischen Applikationsfunktionen auch die zu verwendenden Übertragungsprotokolle und Sicherungsverfahren für die Funkdatenübertragung zwischen Fahrzeugen und ortsfesten Steuerzentralen. Der Standard ist bindend für Hersteller und Bahnbetreiber und ermöglicht die Interoperabilität eines künftigen europaweit einsetzbaren Zugsicherungssystems. 2

In Zügen eingesetzte Computersysteme sind aufgrund der richtungsabhängigen Nutzung oft mehrfach vorhanden. So gibt es bei den Systemen zur Zugsicherung bei bestimmten Zugarten in jedem Triebkopf ein separates Rechnersystem. Der Begriff Triebkopf steht hier stellvertretend für einen Einbauort in einem Zug. Neben dem Bereich eines Führerstandes kann der Einbauort auch eine beliebige andere Stelle in einem Schienenfahrzeug sein. Abhängig von der jeweiligen Fahrtrichtung des Zuges wird jeweils ein Rechnersystem aktiviert und übernimmt die Zugsicherungsfunktion. Das Rechnersystem der Zugbeeinflussung ist an einen Kommunikationsrechner angeschlossen, welcher die Datenübertragung koordiniert. Durch den Kommunikationsrechner erfolgt die Ansteuerung der Mobilfunkgeräte. Die Mobilfunkgeräte haben einen Antennenanschluss, der sich bei Zügen in der Regel auf dem Zugdach des Triebkopfes befindet . Für die Mobilfunkgeräte in den Zügen und deren Antennen auf dem Zugdach existieren eine Reihe von Restriktionen, die Auswirkungen auf den Einbau und die Kabelführung haben. So gibt es beispielsweise Beschränkungen für die Anzahl der montierbaren Antennen auf einem Fahrzeugdach aufgrund des notwendigen Abstandes der Antennen untereinander, zum Pantographen und zu anderen Antennen und Bauteilen. Für die Antennenzuleitung gibt es Beschränkungen aufgrund der Länge der Leitung, des Kabelquerschnittes und der Biegeradien. Weiterhin gibt es Beschränkungen für den Einbauort der Mobilfunkgeräte, zum Beispiel auf Grund des verfügbaren Platzes im Fahrzeug, der Spannungsversorgung, des Anschlusses an das mobile Rechnersystem, der Umweltverträglichkeit und der Wartung.

Die Restriktionen führen dazu, dass 3 - nur wenige Mobilfunkantennen auf einem Zugdach installiert werden können, - die Antennenzuleitungen für die Mobilfunkgeräte möglichst kurz gehalten werden müssen und - die Mobilfunkgeräte in der Nähe der damit verbundenen Computersysteme untergebracht werden müssen.

Figur 1 zeigt eine mögliche Struktur der fahrzeugseitigen

Kommunikationskomponenten eines Zugbeeinflussungssystems nach dem Stand der Technik.

Diese Struktur bringt eine Reihe von Nachteilen mit sich: - Für ein Zugbeeinflussungssystem können in einem Triebkopf gegebenenfalls nicht genügend Mobilfunkgeräte montiert werden. Damit können Funktionseinschränkungen für das Zugbeeinflussungssystem verbunden sein. Zum Beispiel sind Verfahren, die zeitweise zwei unabhängige/ Funkverbindungen zu verschiedenen ortsfesten Steuerstellen benötigen, nicht unterbrechungsfrei realisierbar, wenn nicht mindestens zwei Mobilfunkgeräte je Triebkopf vorhanden sind. - Bei Vorhandensein von zwei Mobilfunkgeräten je Triebkopf führt der Ausfall von einem Mobilfunkgerät zu Einschränkungen für das Zugbeeinflussungssystem und der Ausfall von beiden Mobilfunkgeräten zum Ausfall des Zugbeeinflussungssystems . - Bei Vorhandensein von einem Mobilfunkgerät je Triebkopf führt der Ausfall des Mobilfunkgerätes zum Ausfall des Zugbeeinflussungssystems. - Der Bedarf an zusätzlichen Mobilfunkgeräten für weitere mobile Bahnanwendungen kann gegebenenfalls nicht oder nur mit Einschränkung realisiert werden. 4 - Die Computersysteme eines Triebkopfes können vorhandene Mobilfunkgeräte und Kommunikationsrechner des anderen Triebkopfes eines Zuges nicht benutzen.

Funkabschattungen und andere lokale Probleme der Funkausleuchtung können nicht durch Nutzung verschiedener ausreichend weit voneinander entfernter Mobilfunkgeräte kompensiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und ein Komraunikationssystem anzugeben, bei dem die mobilen Applikationen mit den in einem Schienenfahrzeug vorhandenen Mobilfunkgeräten auskommen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die mobile Vermittlung von Bahnapplikationen basiert auf der Vermittlung von Verbindungen zwischen Applikationen durch mindestens zwei auf einem Schienenfahrzeug vorhandene Kommunikationsrechner. Dazu ist eine Kopplung der beteiligten Kommunikationsrechner notwendig. Die gekoppelten Kommunikations-rechner im Schienenfahrzeug sind weiterhin mit einer variablen Anzahl von Applikationsrechnern und Mobilfunkgeräten verbunden. Unter Applikationsrechner sind hier ausschließlich mobile Applikationsrechner in Schienenfahrzeugen zu verstehen. Diese Applikationsrechner können sowohl signaltechnisch sichere Mehrfachrechner, als auch nichtsichere Einzelrechner sein. In einem Applikationsrechner können beliebig viele verschiedene Applikationen mit Datenübertagungsbedarf untergebracht sein.

Die für das Verfahren erforderlichen gekoppelten Kommunikationsrechner erhalten neben der direkten Ansteuerung von einem 5 oder mehreren lokalen Mobilfunkgeräten und Applikationsrechnern die zusätzliche Funktion der Vermittlung von Verbindungen zwischen den gekoppelten Kommunikationsrechnern.

Die Vermittlungsfunktion des Kommunikationsrechners leitet die über einen Protokollstack einlaufenden Verbindungsanforderungen an einen weiteren Protokollstack als abgehende Verbindungsanforderungen. Im Ergebnis der Vermittlung werden die Protokollstacks für die Dauer der Verbindung zusammengeschlossen, so dass eine Datenübertragung möglich ist - Gatewayfunktion -.

Die Kopplung der Kommunikationsrechner kann mittels Punkt-zu-Punkt-Verbindung, z. B. RS 422, oder Busverbindung, z. B. LAN, erfolgen. Alternativ kann für die Kopplung der Kommunikationsrechner auch eine Funkverbindung, z. B. DECT, benutzt werden. Für die Kopplung der Kommunikationsrechner wird ein Übertragungsprotokollstack eingesetzt, der vom eingesetzten Koppelmedium und von der Spezifik der Applikationsanforderungen abhängt. Der für die Rechnerkopplung verwendete Übertragungsprotokollstack tunnelt die Kommandos zur Verbindungssteuerung - Signalisierung - und die Applikationsdaten für alle über die gekoppelten Kommunikationsrechner geführten Verbindungen.

Die in den Kommunikationsrechnern erforderliche Gatewayfunktion zur mobilen Vermittlung von Verbindungen benötigt ein geeignetes Verfahren zum Adressmanagement. Für ETCS-Anwen-dungen wird das in der DE-Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10225547.4 genannte Adressierungsverfahren eingesetzt, um die Interoperabilität der Adressierung zu gewährleisten.

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Verbindungsanforderungen, die über ein Mobilfunkgerät bei einem angekoppelten Kommunikationsrechner eintreffen, werden in Abhängigkeit der Zieladresse vermittelt. Ist eine direkt er-5 reichbare Applikation das Rufziel, wird der Ruf direkt an die Applikation vermittelt. Ist eine nicht direkt erreichbare Applikation das Rufziel, wird vom Kommunikationsrechner der Ruf an den nächsten Kommunikationsrechner vermittelt. Im nächsten Kommunikationsrechner kann daraufhin eine Vermittlung zur ge-10 rufenen Applikation erfolgen. Bei Bedarf können auch mehr als zwei Kommunikationsrechner an der Vermittlung von kommenden Rufen beteiligt sein.

Jede mobile Applikation kann mittels der mobilen Vermittlung 15 alle Mobilfunkgeräte der gekoppelten Kommunikationsstruktur unabhängig von deren Einbauplatz erreichen.

Jeder Kommunikationsrechner verwaltet Informationen über die direkt angekoppelten Mobilfunkgeräte, die angekoppelten Kom-20 munikationsrechner, die angekoppelten Applikationsrechner und die erreichbaren Applikationen. Er verwaltet weiterhin Informationen über die Zustände von allen über den Kommunikations-rechner geführten Verbindungen. Damit ist eine zielgerichtete Auswahl von angekoppelten Mobilfunkgeräten, Kommunikations-25 rechnern, Applikationsrechnern und Applikationen bei neuen Verbindungsanforderungen möglich.

Bei gescheiterten Verbindungsaufbauversuchen können durch den Kommunikationsrechner selbsttätig weitere Verbindungsaufbau-30 versuche vorgenommen werden. Dabei können alternative Mobilfunkgeräte oder alternative gekoppelte Kommunikationsrechner benutzt werden. 7

Durch die Kommunikationsrechner kann weiterhin eine Protokollierung der erfolgreichen und erfolglosen Verbindungsaufbauversuche erfolgen. Anhand dieser Informationen ist es möglich, eine Optimierung der Verbindungssteuerung durch Benutzung eines Mobilfunkgerätes mit der besten Erfolgsaussicht zu erreichen.

In einem Kommunikationsrechner kann der Zustand eines angekoppelten Kommunikationsrechners durch Anwendung eines geeigneten Übertragungsprotokolls zwischen den gekoppelten Kommunikationsrechnern bestimmt werden, so dass zum Beispiel der Ausfall eines entfernten Kommunikationsrechners erkannt werden kann. Ausgefallene Kommunikationsrechner können damit von der weiteren Datenübertragung suspendiert werden.

Das Koppelprotokoll für die Kopplung von redundanten Kommunikationsrechnern mit redundanten Applikationsrechnersystemen -internes Koppelprotokoll - und für die Kopplung der redundanten Kommunikationsrechner untereinander - externes Koppelprotokoll - kann dabei gemäß der DE-Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10149986.8 realisiert werden.

Gegenüber dem Stand der Technik bietet das Verfahren der mobilen Vermittlung folgende Vorteile: - Einsparung von Mobilfunkgeräten und Funkantennen in Zügen, - Verringerung von Einbauproblemen und Aufwänden bei.Mobilfunkgeräten, Antennenzuleitungen und Antennen durch geringere Gesamtanzahl von Mobilfunkgeräten und Flexibilität bei der Auswahl des Einbauortes für die Mobilfunkgeräte, - Verbesserung der Störsicherheit der Datenübertragung zwischen Kommunikationsrechner und Mobilfunkgerät durch Verkürzung des Leitungsweges. Beispielsweise ist in der Sig- 8 nalisierungsphase eines Hayes-Mobilfunkgerätes die Kommu-nikationsstrecke protokolltechnisch ungeschützt, - Redundanzverbesserung durch alternative Nutzung von Mobilfunkgeräten, - Optimierung der Verbindungssteuerung durch Nutzung diver-sitärer Mobilfunkgeräte und Antennen, - in Verbindung mit redundanten Kommunikationsrechnern und redundanter Kopplung nutzbar. Dadurch kann zusätzlich skalierbare Ausfallsicherheit erreicht werden. Ausfälle von sicheren Applikationsrechnern, Kommunikationsrechnern, Mobilfunkgeräten und Koppelmedien können toleriert werden. - Verschiedene Applikationen in Schienenfahrzeugen können sowohl miteinander, als auch unabhängig voneinander mit streckenseitigen Applikationen kommunizieren. Dadurch können neben Mobilfunkgeräten auch Applikationsrechner eingespart werden. Ein Beispiel hierfür sind Applikationen, die fahrtrichtungsunabhängig arbeiten, aber aufgrund von Kommunikation mit fahrtrichtungsabhängigen Applikationen doppelt vorhanden sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellungen näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Kommunikationsstruktur nach dem Stand der Technik und

Figuren 2 bis 6 Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kommunikationsstruktur .

Verbindungsanforderungen einer mobilen Applikation werden zunächst an einen mit dem Applikationsrechner 1 bzw. 1.1 und 1.2 in Figur 4 verbundenen Kommunikationsrechner 2 in den Figuren 2 bis 4 bzw. in der redundanten Ausführungsform gemäß Figur 5 an die Kommunikationsrechner 2.1 und 2.2 geleitet. Im 9

Kommunikationsrechner 2, 2.1, 2.2 erfolgt daraufhin eine Vermittlung in Abhängigkeit der Zieladresse des Rufes und des Kommunikationszustandes der gekoppelten Anordnung von weiteren Kommunikationsrechnern 3 bzw. 3.1 und 3.2. Die Vermittlung führt im fehlerfreien Fall zu einer Weiterleitung der Verbindungsanforderung mit nachfolgendem Aufbau einer Datenverbindung. Die Verbindungsanforderung kann dabei a) zu einem direkt angeschlossenen Mobilfunkgerät 4 bzw. 4.1, 4.2 oder b) zu einem weiteren gekoppelten Kommunikationsrechner 3 bzw. 3.1, 3.2 weitergeleitet werden.

Im Fall b) erfolgt eine erneute Vermittlung im nächsten Kommunikationsrechner 3; 3.1, 3.2. Die erneute Vermittlung kann neben den Ergebnissen a) oder b) zusätzlich das Ergebnis c) liefern, welches in der Weiterleitung der Anforderungen zu einem weiteren Applikationsrechner 5 besteht. Die Anzahl der an der Vermittlung abgehender Rufe beteiligten Kommunikati-onsrechner ist variabel.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems zur mobilen Vermittlung auf Schienenfahrzeugen kann mit unterschiedlichen Zielstellungen erfolgen: (a) Einsparung von Mobilfunkgeräten und Funkantennen, (b) Antennenmontage auf nur einem Triebkopf, (c) Verbesserung der Ausfallsicherheit durch Redundanz und (d) Nutzung diversitärer Funk-Antennen, bei Problemen, der........

Funkausleuchtung.

Die genannten Ziele können auch kombiniert werden.

Eine beispielhafte Kommunikationsanordnung zum Erreichen von (a) zeigt Figur 3. Das ETCS-System eines Triebkopfes kann in dieser Anordnung mit je einem Mobilfunkgerät 4 und 6 je 10

Triebkopf die volle Funktionalität zweier paralleler Funkverbindungen nutzen.

Figur 3 ist gleichzeitig eine für das Erreichen von (d) geeignete Anordnung. Falls das Mobilfunkgerät 4 oder 6 eines Triebkopfes aufgrund einer Funkabschattung keine Funkverbindung aufbauen kann, z. B. bei Stillstand des Zuges in einem "Funkloch", kann eine automatische Umleitung der Verbindungsaufbauanforderung auf ein alternatives Funkgerät 6 bzw. 4 des anderen Triebkopfes erfolgen.

Ist eine Antennenmontage auf einem Triebkopf nicht realisierbar, besteht die Möglichkeit, alle Mobilfunkgeräte und -an-tennen auf dem alternativen Triebkopf zu montieren und mittels der mobilen Vermittlung diese Anordnung transparent für die Applikationen zu halten. Figur 4 zeigt ein Beispiel für ein Kommunikationssystem mit der Zielstellung (b), bei der zwei Applikationsrechner 1.1 und 1.2 mittels der mobilen Vermittlung durch die gekoppelten Kommunikationsrechner 2 und 3 die Mobilfunkgeräte 6.1 und 6.2 eines Triebkopfes gemeinsam nutzen. Für (c) sind verschiedene Ausbauformen möglich. Sowohl Applikationsrechner als auch Kommunikationsrechner können je Triebkopf einfach oder redundant vorhanden sein. Die Anzahl der verwendeten Kommuni kationsrechner und det.en Einbauor.te. im Schienenfahrzeug sind flexibel. Möglich sind mehr als nur zwei Einbauorte für mobile Komraunikationsrechner in einem Schienenfahrzeug. Daneben können auch mehrere gekoppelte Kommunikationsrechner an einem Einbauort untergebracht werden. Weiterhin kann die Kopplung zwischen Applikationsrechner und Kommunikationsrechnern, sowie die Kopplung zwischen unter- ··· ♦ ♦ · • · ♦ • · · • · · ·« ·♦· • · · • · ·· ···· · ♦ • · · • ·· 11 schiedlichen Kommunikationsrechnern einfach oder redundant erfolgen.

Die Figuren 5 und 6 zeigen verschiedene Beispiele für ein 5 Kommunikationssystem mit redundanten sicheren Mehrfachrechnern, 2*2 von 2 und 2 von 3 Applikationsrechner 1, redundanten Kommunikationsrechnern 2.1, 2.2; 3.1, 3.2, redundanten Mobilfunkgeräten 4.1, 4.2; 6.1, 6.2 und redundanten Kopplungen. Die Anordnungen in den Figuren 5 und 6 können auch zur 10 Erfüllung von Zielstellung (d) genutzt werden. In Figur 6 ist zusätzlich die prinzipielle Anordnung der Protokollstacks und Vermittlungsfunktion der eingesetzten Kommunikationsrechner für die mobile Vermittlung dargestellt. 15 Die Beispiele der Figuren 2 bis 6 verdeutlichen die Flexibilität der Ausbauvarianten von Kommunikationsstrukturen in Zügen durch Einführung einer mobilen Vermittlung. Folgende Elemente in der Kommunikationsstruktur von Fahrzeugen sind bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfigurierbar: 20 1. Einbauort und Anzahl der verwendeten Applikationsrechner 2. Einbauort und Anzahl der verwendeten Kommunikationsrechner 3. Art und Anzahl der Kopplungen zwischen Kommunikationsrechnern und Applikationsrechnern 4. Art und Anzahl der Kopplungen zwischen den Kommunikations-25 rechnern 5. Einbauort und Anzahl der je Kommunikationsrechner ange-........ schlossenen Mobilfunkgeräte.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend ange-30 gebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von

Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims (12)

12 Patentansprüche 1. Kommunikationssystem mit mindestens zwei Kommunikationsrechnern, mindestens einem Applikationsrechner und mindestens einem Mobilfunkgerät, wobei mindestens eine Kopplung mindestens eines Kommunikationsrechners zu mindestens einem Applikationsrechner sowie mindestens eine Kopplung mindestens eines Kommunikationsrechners zu mindestens einem Mobilfunkgerät vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsrechner derart miteinander gekoppelt sind, dass zu den jeweiligen angekoppelten Applikationsrechnern ankommende oder von den jeweiligen Applikationsrechnern abgehende Anforderungen von Verbindungen vermittelbar sind.

2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Vermittlung von Verbindungen sowohl zwischen beliebigen Paaren mobiler Applikationen, als auch zwischen beliebigen Paaren mobiler und ortsfester Applikationen erfolgen kann.

3. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsrechner anhand von.....Zieladressen., und... rechnerinternen Informationen über mögliche und bereits eingerichtete Verbindungen eine zielgerichtete Vermittlung eintreffender Verbindungsanforderungen wahlweise an Mobilfunkgeräte, Applikationsrechner und Kommunikationsrechner durchführen können. • ♦♦ • · • · • · ·· ·*· «· ···

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4. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Vermittlung bei einer Anzahl von gekoppelten 5 Kommunikationsrechnern in mehreren nacheinander ablaufenden Schritten erfolgen kann, bei denen jeweils ein Kommunikationsrechner die Verbindungsanforderung an den nächsten gekoppelten Kommunikationsrechner solange weitervermittelt, bis diese schließlich an ein Mobilfunkgerät oder einen Applikati-10 onsrechner übergeben wird.

5. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermittlung der Verbindungsanforderungen in den ge-15 koppelten Kommunikationsrechnern eine Gatewaytechnologie mit Adressrouting eingesetzt wird, wodurch die Vermittlungsfunktion für die Applikationen transparent ist und vollständig von Applikationsfunktionen entkoppelt ist.

6. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Kommunikationsrechner mittels drahtgebundener oder drahtloser Koppelmedien mit Punkt-zu-Punkt-25 oder Busübertragungscharakteristik erfolgt.

7. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 30 dass die für die Datenübertragung zwischen den gekoppelten Kommunikationsrechnern erforderlichen Ubertragungsprotokollstacks in Abhängigkeit von den verwendeten Koppelmedien 14 und den Applikationsanforderungen, wie Verbindungsanzahl oder Durchsatz, aufgebaut sind.

8. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsstruktur flexibel hinsichtlich der Art und der Anzahl der je Kommunikationsrechner angekoppelten Applikationsrechner und Mobilfunkgeräte konfigurierbar ist.

9. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gekoppelten Kommunikationsrechner und/oder die Applikationsrechner und/oder die Kopplungen zwischen Kommunikationsrechnern sowie zwischen Kommunikationsrechnern und Applikationsrechnern redundant vorhanden sind.

10. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Vermittlung neben der flexiblen Koordination von Mobil funkgeräten die Optimierung der Mobil kommun ikation ermöglicht, indem Funkressourcen durch Aufschalten von Kanälen auf bestehende Funkverbindungen effektiver genutzt werden, und/oder indem bei lokaler. Funkabschattung alternative Mobilfunkgeräte benutzt werden.

11. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Interoperabilität der Datenübertragung bei Anwendung der mobilen Vermittlung erhalten bleibt. • · · ·« ·· · t t · • · · · · ·· • ···· ···· · · • · · « · ··· · · ·* 15

12. Kommunikationssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch 5 die Verwendung in Schienenfahrzeugen und/oder Streckenzentralen.