DE102019207996A1

DE102019207996A1 - Component, device and system for unidirectional data transmission

Info

Publication number: DE102019207996A1
Application number: DE102019207996.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Seifert; Steve Tucker
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-12-03
Also published as: EP3956991A1; WO2020239409A1

Abstract

Es werden ein Bauelement (1) und eine Vorrichtung (10) zur unidirektionalen Datenübertragung sowie ein System (100) zur Überwachung und Diagnose eines Kontrollnetzwerks (200) zum Betreiben von Schienenfahrzeugen (201) und/oder von Stellwerken (202) angegeben. Das Bauelement (1) umfasst eine Sendeeinheit (2) zur drahtlosen Übertragung eines Datensignals (S) mit einer Frequenz kleiner 300 GHz sowie eine Empfangseinheit (3) zum drahtlosen Empfang des Datensignals (S), wobei die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) jeweils in das Bauelement (1) integriert und in einem Abstand (d) von weniger als 10 mm voneinander angeordnet sind.A component (1) and a device (10) for unidirectional data transmission and a system (100) for monitoring and diagnosing a control network (200) for operating rail vehicles (201) and / or signal boxes (202) are specified. The component (1) comprises a transmitting unit (2) for the wireless transmission of a data signal (S) with a frequency of less than 300 GHz and a receiving unit (3) for the wireless reception of the data signal (S), the transmitting unit (2) and the receiving unit ( 3) are each integrated into the component (1) and are arranged at a distance (d) of less than 10 mm from one another.

Description

Bei hohen Anforderungen an den Schutz bzw. die Sicherheit eines Netzwerkes kann eine Datendiode zum Einsatz kommen, die einen Datentransport nur in eine Richtung zulässt. Bei der Übertragung von Daten aus einem ersten Netzwerk mit erhöhter Sicherheitsstufe in ein zweites Netzwerk mit vergleichsweise geringerer Sicherheitsstufe ist die Datendiode beispielhaft so eingerichtet, den Datentransport ausschließlich in Richtung des zweiten Netzwerkes zuzulassen und den Zugang zum ersten Netzwerk zu blockieren, insbesondere physikalisch. Hierzu ist es bekannt, eine optische Schnittstelle wie LEDs oder Laserdioden zur Übertragung der Daten auf eine elektrooptische Empfangseinheit einzusetzen (sog. Optokoppler).If there are high demands on the protection or security of a network, a data diode can be used that only allows data to be transported in one direction. When transferring data from a first network with an increased security level to a second network with a comparatively lower security level, the data diode is set up, for example, to allow data transport exclusively in the direction of the second network and to block access to the first network, in particular physically. To this end, it is known to use an optical interface such as LEDs or laser diodes to transmit the data to an electro-optical receiving unit (so-called optocoupler).

Optische Übertragungsverfahren, die auf Optokopplern beruhen, sind in der Übertragungsrate stark beschränkt. Laserbasierte Verfahren sind überdies kostenintensiv.Optical transmission methods based on optocouplers are severely limited in terms of the transmission rate. Laser-based processes are also expensive.

Es ist jeweils eine Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement, eine Vorrichtung und ein System zur unidirektionalen Datenübertragung anzugeben, das bzw. die eine hohe Datenübertragungsrate ermöglicht und zugleich kostengünstig umzusetzen ist.It is in each case an object of the invention to specify a component, a device and a system for unidirectional data transmission which enables a high data transmission rate and at the same time can be implemented cost-effectively.

Diese Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.These objects are achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous configurations are characterized in the subclaims.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Bauelement zur unidirektionalen Datenübertragung.According to a first aspect, the invention relates to a component for unidirectional data transmission.

Das Bauelement umfasst eine Sendeeinheit. Die Sendeeinheit ist zur drahtlosen Übertragung eines Datensignals mit einer Frequenz kleiner 300 GHz eingerichtet. In anderen Worten ist die Sendeeinheit zur Übertragung des Datensignals ohne Verbindung mit einer Empfangseinheit wie mittels eines elektrischen Leiters oder eines Lichtwellenleiters ausgebildet. Das Datensignal weist dabei eine Frequenz außerhalb des infraroten bzw. optischen Frequenzbereichs auf. Beispielsweise ist die Sendeeinheit zur Übertragung des Datensignals im Frequenzbereich zwischen 0,3 GHz und 300 GHz ausgebildet. In vorteilhafter Weise kann so eine hohe Übertragungsrate zur Übertragung des Datensignals erreicht werden. Bei der Sendeeinheit handelt es sich beispielsweise um eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte. Optional ist der Sendeeinheit darüber hinaus ein Schaltkreis umfassend einen Verstärker und/oder einen Filter zugeordnet.The component comprises a transmission unit. The transmission unit is set up for the wireless transmission of a data signal with a frequency of less than 300 GHz. In other words, the transmitting unit is designed to transmit the data signal without a connection to a receiving unit, such as by means of an electrical conductor or an optical waveguide. The data signal has a frequency outside the infrared or optical frequency range. For example, the transmission unit is designed to transmit the data signal in the frequency range between 0.3 GHz and 300 GHz. In this way, a high transmission rate for transmitting the data signal can advantageously be achieved. The transmission unit is, for example, a conductor track on a circuit board. Optionally, the transmission unit is also assigned a circuit comprising an amplifier and / or a filter.

Ferner umfasst das Bauelement eine Empfangseinheit. Die Empfangseinheit ist zum drahtlosen Empfang des Datensignals eingerichtet. Insbesondere ist die Empfangseinheit optimiert hinsichtlich des Empfangs eines durch die Sendeeinheit übertragenen Datensignals. Beispielhaft ist die Empfangseinheit in diesem Zusammenhang baugleich zu der Sendeeinheit ausgebildet. Mit Vorteil kann durch den drahtlosen Empfang des Datensignals beigetragen werden, einen Nebenkanalangriff über ein jeweiliges System zur Stromversorgung der einzelnen Datenübertragungseinheiten zuverlässig zu verhindern. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass eine entsprechende Stromversorgung der Senderseite von der Empfängerseite durch die drahtlose Übertragung des Datensignals potentialfrei entkoppelt bzw. galvanisch getrennt ist. Bei der Empfangseinheit handelt es sich beispielsweise ebenfalls um eine Leiterbahn auf der Leiterplatte. Optional ist der Empfangseinheit darüber hinaus ein Schaltkreis umfassend einen Verstärker und/oder einen Filter zugeordnet. Eine drahtlose Übertragung des Datensignals erfolgt beispielsweise durch Übersprechen zwischen der Sende- und Empfangseinheit.The component also includes a receiving unit. The receiving unit is set up for wireless reception of the data signal. In particular, the receiving unit is optimized with regard to receiving a data signal transmitted by the transmitting unit. By way of example, the receiving unit in this context is constructed identically to the transmitting unit. The wireless reception of the data signal can advantageously contribute to reliably preventing an auxiliary channel attack via a respective system for supplying power to the individual data transmission units. This is due in particular to the fact that a corresponding power supply on the transmitter side is decoupled or galvanically isolated from the receiver side through the wireless transmission of the data signal. The receiving unit is, for example, also a conductor track on the circuit board. Optionally, the receiving unit is also assigned a circuit comprising an amplifier and / or a filter. A wireless transmission of the data signal takes place, for example, through crosstalk between the transmitting and receiving unit.

Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind jeweils in das Bauelement integriert. Das heißt, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit bilden eine Baueinheit. Insbesondere sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Integration der Sendeeinheit und der Empfangseinheit in dasselbe Bauelement ermöglicht eine gute Abschirmung des Datensignals bezüglich einer Umgebung des Bauelements sowie eine kompakte Bauform. Bei dem Gehäuse handelt es sich beispielsweise um eine gemeinsame Leiterplatte. Insbesondere sind die Sende- und Empfangseinheit in diesem Fall von Schichten der Leiterplatte vollständig umgeben.The transmitting unit and the receiving unit are each integrated into the component. That is, the transmitting unit and the receiving unit form a structural unit. In particular, the transmitting unit and the receiving unit are arranged in a common housing. The integration of the transmitting unit and the receiving unit in the same component enables good shielding of the data signal with respect to the surroundings of the component and a compact design. The housing is, for example, a common printed circuit board. In particular, the transmitting and receiving units are completely surrounded in this case by layers of the printed circuit board.

Darüber hinaus sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in einem Abstand von weniger als 10 mm voneinander angeordnet. Insbesondere beträgt der Abstand weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 100 µm, beispielhaft weniger als 10 µm. Mit Vorteil kann so eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals gering gehalten werden. Zugleich wird eine kompakte Bauform des Bauelements ermöglicht.In addition, the transmitting unit and the receiving unit are arranged at a distance of less than 10 mm from one another. In particular, the distance is less than 1 mm, preferably less than 100 μm, for example less than 10 μm. A transmitter output power for transmitting the data signal can thus advantageously be kept low. At the same time, a compact design of the component is made possible.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils als induktive Übertragungseinheiten ausgebildet. Hierbei handelt es sich beispielhaft jeweils um eine Spule.In an embodiment according to the first aspect, the transmitting unit and the receiving unit are each designed as inductive transmission units. This is, for example, one coil in each case.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils als Antennen ausgebildet. In einer Ausführungsvariante sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils als Lambda/4-Antennen ausgebildet. In diesem Zusammenhang sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit insbesondere parallel zueinander ausgerichtet angeordnet. In einer weiteren Ausführungsvariante sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils als Patch-Antennen ausgebildet.In an embodiment according to the first aspect, the transmitting unit and the receiving unit are each designed as antennas. In one embodiment, the transmitting unit and the receiving unit are each designed as lambda / 4 antennas. In this context, the Sending unit and the receiving unit are arranged in particular aligned parallel to one another. In a further embodiment variant, the transmitting unit and the receiving unit are each designed as patch antennas.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt beträgt eine Funkfrequenz zur Übertragung des Datensignals größer als 1 GHz. In anderen Worten ist die Sendeeinheit zur drahtlosen Übertragung des Datensignals mit einer Frequenz zwischen 1 GHz und 300 GHz eingerichtet. In vorteilhafter Weise kann so eine Baugröße der Sendeeinheit und der Empfangseinheit, beispielsweise eine Antennenlänge, gering gehalten werden.In an embodiment according to the first aspect, a radio frequency for transmitting the data signal is greater than 1 GHz. In other words, the transmission unit is set up for wireless transmission of the data signal at a frequency between 1 GHz and 300 GHz. Advantageously, the size of the transmitting unit and the receiving unit, for example an antenna length, can thus be kept small.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt entspricht eine Übertragungsstrecke zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit im Wesentlichen dem Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit. In anderen Worten umfasst die Übertragungsstrecke keine Reflektion des Datensignals, vielmehr erfolgt die Übertragung des Datensignals von der Sendeeinheit auf direktem Weg zu der Empfangseinheit. Mit Vorteil kann so eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals gering gehalten werden.In one embodiment according to the first aspect, a transmission link between the transmitting unit and the receiving unit essentially corresponds to the distance between the transmitting unit and the receiving unit. In other words, the transmission path does not include any reflection of the data signal; rather, the data signal is transmitted from the transmitting unit on a direct route to the receiving unit. A transmitter output power for transmitting the data signal can thus advantageously be kept low.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals derart beschränkt, dass ein Störabstand des Datensignals in einem Abstand zu der Sendeeinheit, der dem doppelten Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit entspricht, 2 dB oder weniger beträgt. In anderen Worten ist die Senderausgangsleistung derart limitiert, dass das Datensignal in dem doppelten Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit bereits ohne Abschirmung kaum mehr empfangbar ist.In one embodiment according to the first aspect, a transmitter output power for transmitting the data signal is limited in such a way that a signal-to-noise ratio of the data signal at a distance from the transmitter unit that corresponds to twice the distance between the transmitter unit and the receiver unit is 2 dB or less. In other words, the transmitter output power is limited in such a way that the data signal can hardly be received at twice the distance between the transmitter unit and the receiver unit even without shielding.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt beträgt eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals 500 µW oder weniger.In an embodiment according to the first aspect, a transmitter output power for transmitting the data signal is 500 µW or less.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst das Bauelement einen Träger mit mehreren übereinander angeordneten Schichten. Bei dem Träger handelt es sich insbesondere um eine Leiterplatte (engl. printed circuit board, PCB). Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind auf jeweils unterschiedlichen Schichten des Trägers angeordnet. Insbesondere sind die Sende- und Emfangseinheit als Leiterbahnen ausgebildet, beispielsweise Antennen- oder Spulenförmig.In one configuration according to the first aspect, the component comprises a carrier with a plurality of layers arranged one above the other. The carrier is in particular a printed circuit board (PCB). The transmitting unit and the receiving unit are each arranged on different layers of the carrier. In particular, the transmitting and receiving units are designed as conductor tracks, for example in the shape of an antenna or coil.

In einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit jeweils von wenigstens einer Schicht des Trägers zur Abschirmung des Datensignals bedeckt. Der Träger dient beispielhaft als Gehäuse des Bauelements. Insbesondere ist das Datensignal derart abgeschirmt, dass ein Verhältnis der Senderausgangsleistung zur Strahlungsleistung des Datensignals in einem Abstand zu der Sendeeinheit, der dem doppelten Abstand zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit entspricht, -100 dB oder weniger beträgt. In anderen Worten ist die Abschirmung so gewählt, dass das Datensignal durch die Empfangseinheit im Wesentlichen störungsfrei empfangbar ist, im weiteren Umfeld des Bauelements jedoch nicht.In one embodiment according to the first aspect, the transmitting unit and the receiving unit are each covered by at least one layer of the carrier for shielding the data signal. The carrier serves, for example, as the housing of the component. In particular, the data signal is shielded in such a way that a ratio of the transmitter output power to the radiated power of the data signal at a distance from the transmitter unit which corresponds to twice the distance between the transmitter unit and the receiver unit is -100 dB or less. In other words, the shielding is selected such that the data signal can be received by the receiving unit essentially without interference, but not in the wider area surrounding the component.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur unidirektionalen Datenübertragung. Die Vorrichtung umfasst ein Bauelement gemäß dem ersten Aspekt. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung einen Dateneingang zum Anschluss an ein Ursprungsnetzwerk. Bei dem Dateneingang handelt es sich beispielhaft um eine Ethernet-Schnittstelle. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Datenausgang zum Anschluss an ein Zielnetzwerk. Bei dem Datenausgang handelt es sich beispielhaft ebenfalls um eine Ethernet-Schnittstelle. Die Vorrichtung kann auch als Datendiode bezeichnet werden. Die Vorrichtung ist beispielhaft für den Einsatz als Unterbaugruppe in einem Netzwerk-Switch vorgesehen.According to a second aspect, the invention relates to a device for unidirectional data transmission. The device comprises a component according to the first aspect. In addition, the device comprises a data input for connection to an original network. The data input is, for example, an Ethernet interface. The device also comprises a data output for connection to a target network. The data output is also an Ethernet interface, for example. The device can also be referred to as a data diode. The device is intended for use as a subassembly in a network switch, for example.

Der Dateneingang ist mit der Sendeeinheit gekoppelt. Der Datenausgang ist mit der Empfangseinheit gekoppelt. Der Dateneingang ist von dem Datenausgang galvanisch getrennt.The data input is coupled to the transmitter unit. The data output is coupled to the receiving unit. The data input is galvanically isolated from the data output.

In einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt umfasst die Vorrichtung eine Eingangsrecheneinheit. Die Eingangsrecheneinheit ist zwischen dem Dateneingang und der Sendeeinheit angeordnet. Die Eingangsrecheneinheit ist zur Aufnahme und Verarbeitung eines Datensignals aus dem Ursprungsnetzwerk eingerichtet. Bei der Eingangsrecheneinheit handelt es sich beispielhaft um einen Mikrocontroller, der auf dem Ursprungsnetzwerk bereitgestellte Daten an die Sendeeinheit überträgt. Beispielhaft empfängt die Eingangsrecheneinheit ein Datensignal gemäß eines ersten Übertragungsprotokolls des Ursprungsnetzwerks und gibt das Datensignal gemäß eines zweiten Übertragungsprotokolls an die Sendeeinheit aus. Das erste Übertragungsprotokoll ist zum Beispiel ein Ethernet-Protokoll. Die Eingangsrecheneinheit kann in einer Ausführungsvariante in der Sendeeinheit integriert sein. In anderen Ausführungsvarianten ist die Eingangsrecheneinheit extern bezüglich des Bauelements angeordnet. In weiteren Ausführungsvarianten kann die Eingangsrecheneinheit zwei oder mehrer Bauteile umfassen, wobei ein erstes Bauteil das Datensignal gemäß des ersten Übertragungsprotokolls entgegennimmt und signaltechnisch mit einem oder mehreren weiteren Bauteilen gekoppelt ist, welche(s) eine Übersetzung des Datensignals gemäß des zweiten Übertragungsprotokolls vornimmt bzw. vornehmen.In an embodiment according to the second aspect, the device comprises an input computing unit. The input computing unit is arranged between the data input and the transmission unit. The input computing unit is set up to receive and process a data signal from the source network. The input computing unit is, for example, a microcontroller that transmits data provided on the original network to the transmitting unit. For example, the input computing unit receives a data signal in accordance with a first transmission protocol of the source network and outputs the data signal in accordance with a second transmission protocol to the transmitting unit. The first transmission protocol is, for example, an Ethernet protocol. In one embodiment variant, the input computing unit can be integrated in the transmission unit. In other embodiment variants, the input computing unit is arranged externally with respect to the component. In further embodiment variants, the input computing unit can comprise two or more components, a first component receiving the data signal in accordance with the first transmission protocol and being coupled with one or more further components in terms of signal technology, which one (s) Translates the data signal according to the second transmission protocol or make.

Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Ausgangsrecheneinheit. Die Ausgangsrecheneinheit ist zwischen der Empfangseinheit und dem Datenausgang angeordnet. Die Ausgangsrecheneinheit ist zur Verarbeitung und Ausgabe des Datensignals an das Zielnetzwerk eingerichtet. Bei der Ausgangsrecheneinheit handelt es sich beispielhaft ebenfalls um einen Mikrocontroller, der an der Empfangseinheit empfangene Daten an das Zielnetzwerk überträgt. Beispielhaft liegt an der Ausgangsrecheneinheit ein Datensignal gemäß des zweiten Übertragungsprotokolls an, das die Ausgangsrecheneinheit gemäß eines dritten Übertragungsprotokolls des Zielnetzwerks ausgangsseitig bereitstellt. Das dritte Übertragungsprotokoll ist zum Beispiel ein Ethernet-Protokoll, beispielhaft gleich dem ersten Übertragungsprotokoll. Die Ausgangsrecheneinheit kann in einer Ausführungsvariante in der Empfangseinheit integriert sein. In anderen Ausführungsvarianten ist die Ausgangsrecheneinheit extern bezüglich des Bauelements angeordnet. In weiteren Ausführungsvarianten kann die Eingangsrecheneinheit zwei oder mehrer Bauteile umfassen, wobei ein erstes Bauteil das Datensignal gemäß des zweiten Übertragungsprotokolls entgegennimmt und signaltechnisch mit einem oder mehreren weiteren Bauteilen gekoppelt ist, welche(s) eine Übersetzung des Datensignals gemäß des dritten Übertragungsprotokolls vornimmt bzw. vornehmen.In addition, the device comprises an output computing unit. The output computing unit is arranged between the receiving unit and the data output. The output computing unit is set up to process and output the data signal to the destination network. The output computing unit is also, for example, a microcontroller which transmits data received at the receiving unit to the destination network. For example, a data signal in accordance with the second transmission protocol is present at the output computing unit, which the output computing unit provides on the output side in accordance with a third transmission protocol of the destination network. The third transmission protocol is, for example, an Ethernet protocol, for example the same as the first transmission protocol. In one embodiment variant, the output computing unit can be integrated in the receiving unit. In other embodiment variants, the output computing unit is arranged externally with respect to the component. In further design variants, the input computing unit can comprise two or more components, a first component receiving the data signal in accordance with the second transmission protocol and being coupled in terms of signaling to one or more further components which translate the data signal in accordance with the third transmission protocol .

In einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt sind die Eingangsrecheneinheit und die Ausgangsrecheneinheit zur Übertragung des Datensignals nach einem oder mehrerer der folgenden Übertragungsverfahren eingerichtet: WLAN, Bluetooth, ZigBee, Software Defined Radio. In anderen Worten handelt es sich bei dem zweiten Übertragungsprotokoll um ein Protokoll eines der vorgenannten Verfahren.In an embodiment according to the second aspect, the input computing unit and the output computing unit are set up to transmit the data signal using one or more of the following transmission methods: WLAN, Bluetooth, ZigBee, software-defined radio. In other words, the second transmission protocol is a protocol of one of the aforementioned methods.

In einer Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt werden parallel gleiche oder unterschiedliche Übertragungsverfahren und/oder Funkfrequenzen zur Übertragung des Datensignals eingesetzt. In diesem Zusammenhang sind der Vorrichtung beispielhaft mehrere Sendeeinheiten und Empfangseinheiten zugeordnet.In an embodiment according to the second aspect, the same or different transmission methods and / or radio frequencies are used in parallel to transmit the data signal. In this context, the device is assigned, for example, several transmitting units and receiving units.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Überwachung und Diagnose eines Kontrollnetzwerks zum Betreiben von Schienenfahrzeugen und/oder von Stellwerken. Das System umfasst eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt. Das System umfasst ferner eine Überwachungs- und Diagnoseeinheit. Die Überwachungs- und Diagnoseeinheit weist insbesondere Mittel auf, die ein Auslesen von Status- oder Kontrollsignalen aus dem Kontrollnetzwerk erlauben, die repräsentativ sind für einen Betriebszustand eines Schienenfahrzeugs und/oder eines Stellwerks.According to a third aspect, the invention relates to a system for monitoring and diagnosing a control network for operating rail vehicles and / or signal boxes. The system comprises an apparatus according to the second aspect. The system also includes a monitoring and diagnostic unit. The monitoring and diagnosis unit has, in particular, means that allow status or control signals to be read out from the control network which are representative of an operating state of a rail vehicle and / or an interlocking.

Das Kontrollnetzwerk ist als Ursprungsnetzwerk mit der Vorrichtung gekoppelt. Die Überwachungs- und Diagnoseeinheit ist als Zielnetzwerk mit der Vorrichtung gekoppelt.The control network is coupled to the device as the originating network. The monitoring and diagnosis unit is coupled to the device as a target network.

Die Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise ein sicheres Auslesen der Status oder Kontrollsignale durch die Überwachungs- und Diagnoseeinheit.The device advantageously enables the status or control signals to be read out reliably by the monitoring and diagnostic unit.

Die oben genannten Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung und die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden durch die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den entsprechenden Figuren weitergehend erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.The above-mentioned properties, features and advantages of the invention and the manner in which they are achieved are explained in more detail by the following description of the exemplary embodiments of the invention in conjunction with the corresponding figures. Identical, identical or identically acting elements are provided with the same reference symbols in the figures. The figures and the proportions of the elements shown in the figures are not to be regarded as being to scale. Rather, individual elements can be shown exaggeratedly large for better illustration and / or for better understanding.

Es zeigen:

1 und 2 ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements zur unidirektionalen Datenübertragung,
3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur unidirektionalen Datenübertragung, und
4 ein Ausführungsbeispiel eines Systems zur Überwachung und Diagnose eines Kontrollnetzwerks zum Betreiben von Schienenfahrzeugen und/oder von Stellwerken.

Show it:

1 and 2 an embodiment of a component for unidirectional data transmission,
3 an embodiment of a device for unidirectional data transmission, and
4th an embodiment of a system for monitoring and diagnosing a control network for operating rail vehicles and / or signal boxes.

Anhand der 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements 1 zur unidirektionalen Datenübertragung eines Datensignals S dargestellt. In einer gedruckten Leitplatte, die als Träger 4 sowie Gehäuse fungiert, ist auf zwei verschiedenen Leitplattenschichten 4a, 4b (vgl. Explosionsansicht in 2) jeweils eine Leiterbahn ausgebildet. Die Leiterbahnen sind in dieser Ausführungsvariante jeweils als Funkantenne aufgebaut, wobei eine Funkantenne als Sendeeinheit 2 und die andere als Empfangseinheit 3 eingerichtet ist. Die Funkantennen sind eingerichtet, über eine sehr kurze Entfernung von wenigen Millimetern oder Mikrometern Daten zwischeneinander zu übertragen. Insbesondere wird sich dabei die Eigenschaft von benachbarten Leitern zu eigen gemacht, bei denen ein Übersprechen stattfindet (englisch „crosstalk“). Das Bauelement 1 ermöglicht damit eine Einwegdatenübertragung mithilfe eines drahtlosen Funksystems. Die Sendeeinheit 2 verfügt dabei über eine sehr geringe Sendeleistung. Die Einwegdatenübertragung erfolgt damit lediglich über eine sehr kurze Distanz.Based on 1 and 2 is an embodiment of a device 1 for unidirectional data transmission of a data signal S. shown. In a printed circuit board that acts as a carrier 4th as well as housing functions is on two different circuit board layers 4a , 4b (see exploded view in 2 ) each formed a conductor track. In this variant, the conductor tracks are each constructed as a radio antenna, with a radio antenna as the transmitter unit 2 and the other as a receiving unit 3 is set up. The radio antennas are set up to transmit data between one another over a very short distance of a few millimeters or micrometers. In particular, the property of neighboring conductors where crosstalk takes place is adopted. The component 1 thus enables one-way data transmission using a wireless radio system. The transmitter unit 2 has a very low transmission power. The One-way data transmission is only carried out over a very short distance.

Die Funkantennen sind in einem Abstand d zueinander angeordnet. Beispielhaft ist in einem Abstand d2, der dem doppelten Abstand zwischen Sende- und Empfangseinheit 2, 3 entspricht, eine Strahlungsleistung bereits so gering, dass eine Rekonstruktion des Datensignals S nicht oder nur mit hoher Fehleranfälligkeit möglich ist. In einer Ausführungsvariante handelt es sich bei den Funkantennen jeweils um einen Lambda-Viertel-Strahler. Die beiden Antennen sind dann in einem geeigneten Abstand parallel zueinander ausgerichtet. In anderen Ausführungsvarianten, wie im Falle von Patch-Antennen, kann beispielhaft ein anderes Layout gewählt werden.The radio antennas are at a distance d arranged to each other. Exemplary is at a distance d2 , twice the distance between the sender and receiver unit 2 , 3 corresponds, a radiation power already so low that a reconstruction of the data signal S. is not possible or only possible with a high susceptibility to errors. In one embodiment variant, the radio antennas are each a quarter-wave radiator. The two antennas are then aligned parallel to one another at a suitable distance. In other design variants, such as in the case of patch antennas, a different layout can be selected, for example.

Um die Baugröße bzw. Antennenlänge möglichst klein zu halten, ist eine Funkfrequenz der Funkantennen vorliegend größer als 1 GHz gewählt. Weitere Leiterplattenschichten 4c, 4d dienen der Abschirmung. Ein solcher Aufbau der Funkstrecke in einem PCB mit Abschirmungsflächen ermöglicht eine potentialgetrennte, sehr kompakte Aufbauform.In order to keep the size or antenna length as small as possible, a radio frequency of the radio antennas is selected to be greater than 1 GHz. Further circuit board layers 4c , 4d serve for shielding. Such a structure of the radio link in a PCB with shielding surfaces enables a potential-separated, very compact structure.

In einem nicht näher dargestellten, alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt die Datenübertragung über eine induktive Übertragungseinheit, die in Form eines PCB-Layouts realisiert ist.In an alternative embodiment not shown in detail, the data is transmitted via an inductive transmission unit which is implemented in the form of a PCB layout.

Der Sendeeinheit 2 und der Empfangseinheit 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel überdies Schaltkreise zugeordnet, die die Aufbereitung des Sendersignals bzw. die Rückwandlung des Empfangssignals durchführen (nicht näher dargestellt).
Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Verstärkerschaltung und/oder einen Filter.The transmitter unit 2 and the receiving unit 3 In this exemplary embodiment, circuits are also assigned which process the transmitter signal or convert the received signal back (not shown in detail).
This is in particular an amplifier circuit and / or a filter.

Anhand 3 ist eine Vorrichtung 10 zur unidirektionalen Datenübertragung gezeigt, die auch als Datendiode bezeichnet wird.Based 3 is a device 10 shown for unidirectional data transmission, which is also referred to as a data diode.

Die Vorrichtung 10 weist einen Dateneingang 12 zum Anschluss an ein Ursprungsnetzwerk 20 sowie einen Datenausgang 13 zum Anschluss an ein Zielnetzwerk 30 auf. Beispielhaft handelt es sich hierbei jeweils um Ethernet-Schnittstellen. Insbesondere kann die Vorrichtung 10 über ein Netzwerkkabel auf jeder Seite mit dem entsprechenden Netzwerk 20, 30 verbunden werden.The device 10 assigns a data input 12 for connection to an original network 20th as well as a data output 13 for connection to a target network 30th on. In each case, these are Ethernet interfaces. In particular, the device 10 via a network cable on each side to the corresponding network 20th , 30th get connected.

Die Vorrichtung 10 umfasst wenigstens eine Eingangs- und eine Ausangsrecheneinheit. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Mikrocontroller 14 auf einer beispielhaft sicherheitskritischen Seite angeordnet, der Daten über die Sendeeinheit 2 an die Empfangseinheit 3 überträgt. Die Empfangseinheit 3 ist beispielsweise ebenfalls mit einem Mikrocontroller 15 verbunden. Die Mikrokontroller 14, 15 sind insbesondere zur Übersetzung von Übertragungsprotokollen eingerichtet. Nach Empfang von Daten werden diese mit einem jeweilig gewählten Protokoll an das Zielnetzwerk 30 mit beispielhaft geringerer Sicherheitsstufe ausgegeben. Durch die Netztrennung mithilfe des Bauelements 1 findet eine Potentialtrennung bzw. galvanische Entkopplung statt.The device 10 comprises at least one input and one output computing unit. In this embodiment there is a microcontroller 14th arranged on an exemplary safety-critical side, the data via the transmission unit 2 to the receiving unit 3 transmits. The receiving unit 3 is for example also with a microcontroller 15th connected. The microcontrollers 14th , 15th are especially set up for the translation of transmission protocols. After receiving data, these are sent to the target network with a respective selected protocol 30th with an exemplary lower security level. By separating the network with the help of the component 1 electrical isolation or galvanic decoupling takes place.

Bausteine mit Funksendern und solche mit Empfängern sind heute in sehr kompakter Bauform erhältlich, so dass ein sehr kompakter Gesamtaufbau des Bauelements 1 bzw. der Vorrichtung 10 ermöglicht wird. Denkbar sind hier Sendeverfahren gemäß WLAN, Bluetooth, ZigBee, Software Defined Radio Lösungen oder andere proprietäre Verfahren. Die Mikrocontroller 14, 15 sind als Protokollbearbeitungseinheiten in der dargestellten Ausführungsvariante in das Bauelement 1 integriert. In anderen Ausführungsvarianten können die Mikrocontroller 14, 15 auch extern bezüglich des Bauelements 1 in Form eigenständiger Baugruppen realisiert werden. Dadurch lassen sich sehr kompakte Baueinheiten realisieren.Modules with radio transmitters and those with receivers are now available in a very compact design, so that the overall structure of the component is very compact 1 or the device 10 is made possible. Transmission methods based on WLAN, Bluetooth, ZigBee, software-defined radio solutions or other proprietary methods are conceivable here. The microcontroller 14th , 15th are in the component as protocol processing units in the variant shown 1 integrated. In other design variants, the microcontroller 14th , 15th also externally with respect to the component 1 can be implemented in the form of independent assemblies. This allows very compact units to be realized.

Die dargestellte Vorrichtung 10 kann insbesondere als Unterbaugruppe in einem Netzwerk-Switch lokalisiert werden. Beispielhaft sind der Vorrichtung 10 mehrere Bauelemente 1 sowie Datenein- und ausgänge 12, 13 zugeordnet, so dass einzelne Übertragungsstrecken parallel mit gleichen oder unterschiedlichen Übertragungsverfahren und/oder Frequenzen realisiert werden können.The device shown 10 can in particular be localized as a subassembly in a network switch. The device is exemplary 10 several components 1 as well as data inputs and outputs 12, 13, so that individual transmission links can be implemented in parallel with the same or different transmission methods and / or frequencies.

Anhand der 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 abgebildet, in dem die Vorrichtung 10 eingesetzt wird. Das System 100 umfasst ein Kontrollnetzwerk 200, das mit einem oder mehreren Schienenfahrzeugen 201 und/oder einem oder mehreren Stellwerken 202 gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich ist das Kontrollnetzwerk 200 beispielhaft mit Leit- und/oder Sicherungstechnik einer Schienen- bzw. Straßeninfrastruktur gekoppelt. Bei dem Kontrollnetzwerk 200 handelt es sich insbesondere um ein sicherheitsrelevantes, geschlossenes Netzwerk. Eine Überwachungs- und Diagnoseeinheit 101 ist über den durch die Vorrichtung 10 gebildeten unidirektionalen Datenkanal mit dem Kontrollnetzwerk 200 verbunden, so dass ein sicheres Auslesen von Status- oder Steuersignalen einzelner Komponenten des Kontrollnetzwerks 200 ermöglicht wird. Die Überwachungs- und Diagnoseeinheit 101 umfasst z.B. ein portables, lokales Speichermedium oder einen Server. Über einen von der Vorrichtung 10 getrennten Kanal ist z.B. eine Steuerung des Kontrollnetzwerks 200 möglich (gestrichelt dargestellt).Based on 4th is one embodiment of a system 100 pictured in which the device 10 is used. The system 100 includes a control network 200 that with one or more rail vehicles 201 and / or one or more signal boxes 202 is coupled. Alternatively or additionally, there is the control network 200 coupled with the control and / or safety technology of a rail or road infrastructure. At the control network 200 In particular, it is a security-relevant, closed network. A monitoring and diagnostic unit 101 is about by the device 10 formed unidirectional data channel with the control network 200 connected, so that a reliable readout of status or control signals of individual components of the control network 200 is made possible. The monitoring and diagnosis unit 101 includes, for example, a portable, local storage medium or a server. Via one of the device 10 separate channel is, for example, a controller of the control network 200 possible (shown in dashed lines).

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen detailliert dargestellt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele und die darin erläuterten konkreten Merkmalskombinationen beschränkt. Weitere Variationen der Erfindung können von einem Fachmann erhalten werden, ohne den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail on the basis of exemplary embodiments, the invention is not restricted to the disclosed exemplary embodiments and the specific combinations of features explained therein. Further variations of the invention can be obtained by one skilled in the art without departing from the scope of the claimed invention.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: BauelementComponent
22: SendeeinheitSending unit
33: EmpfangseinheitReceiving unit
44th: Trägercarrier
4a-4d4a-4d: TrägerschichtCarrier layer
1010: Vorrichtungcontraption
1212: DateneingangData input
1313: DatenausgangData output
1414th: EingangsrecheneinheitInput computing unit
1515th: AusgangsrecheneinheitOutput computing unit
2020th: UrsprungsnetzwerkOrigin network
3030th: ZielnetzwerkTarget network
100100: Systemsystem
101101: Überwachungs- und DiagnoseeinheitMonitoring and diagnosis unit
200200: KontrollnetzwerkControl network
201201: SchienenfahrzeugRail vehicle
202202: StellwerkSignal box
SS.: DatensignalData signal
dd: Abstanddistance
d2d2: doppelter Abstanddouble the distance

Claims

Component (1) for unidirectional data transmission, comprising - A transmission unit (2) which is set up for the wireless transmission of a data signal (S) with a frequency of less than 300 GHz, and - A receiving unit (3) which is set up for wireless reception of the data signal (S), wherein - the transmitting unit (2) and the receiving unit (3) are each integrated in the component (1), - The transmitting unit (2) and the receiving unit (3) are arranged at a distance (d) of less than 10 mm from one another.

Component (1) after Claim 1 wherein - the transmitting unit (2) and the receiving unit (3) are each designed as inductive transmission units.

Component (1) after Claim 1 , wherein - the transmitting unit (2) and the receiving unit (3) are each designed as antennas.

Component (1) after Claim 3 , wherein - a radio frequency for transmitting the data signal (S) is greater than 1 GHz.

Component (1) according to one of the preceding claims, wherein - A transmitter output power for transmitting the data signal (S) is limited in such a way that a signal-to-noise ratio of the data signal (S) is at a distance (d2) from the transmitter unit (2) that is twice the distance (d) between the transmitter unit (2) and the Receiving unit (3) is 0 dB or less.

Component (1) according to one of the preceding claims, wherein - A transmitter output power for transmitting the data signal (S) is 10 µW or less.

Component (1) according to one of the preceding claims, comprising - A carrier (4) with a plurality of layers (4a, 4b, 4c, 4d) arranged one above the other, wherein - The transmitting unit (2) and the receiving unit (3) are arranged on different layers (4a, 4b) of the carrier (4).

Component (1) after Claim 7 wherein - the transmitting unit (2) and the receiving unit (3) are each covered by at least one layer (4c, 4d) of the carrier (4) for shielding the data signal (S).

Device (10) for unidirectional data transmission, comprising - A component (1) according to one of the preceding claims and - A data input (12) for connection to an original network (20) and - A data output (13) for connection to a target network (30), wherein - the data input (11) is coupled to the transmitter unit (2), - The data output (13) is coupled to the receiving unit (3), and - the data input (12) is galvanically isolated from the data output (13).

Device (10) after Claim 9 comprising - an input computing unit (14) which is arranged between the data input (12) and the transmission unit (3) and is set up to receive and process a data signal (S) from the original network (20), and - an output computing unit (15), which is arranged between the receiving unit (13) and the data output (3) and is set up to process and output the data signal (S) to the destination network (30).

Device (10) after Claim 10 , in which - the input computing unit (14) and / or the output computing unit (15) is or are integrated into the component (1).

Device (10) according to one of the preceding Claims 9 to 11 , wherein the input computing unit (14) and the output computing unit (15) are set up to transmit the data signal (S) according to one or more of the following transmission methods: WLAN, Bluetooth, ZigBee, software-defined radio.

System (100) for monitoring and diagnosing a control network (200) for operating rail vehicles (201) and / or signal boxes (202), comprising - a device (10) according to one of the preceding Claims 9 to 12 and - a monitoring and diagnosis unit (101), wherein - the control network (200) as the source network (20) is coupled to the data input (12) of the device (10) and - the monitoring and diagnosis unit (101) as the destination network ( 30) is coupled to the data output (13) of the device (10).