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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Funk-Kommunikationsvorrichtung
für Eisenbahn- und Straßenbahn-
Zügen.
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Wie
dem Fachmann bekannt ist, finden Nachrichtenverbindungen an Bord
von Zügen
hauptsächlich über ein
Kabel mit einer Anordnung von Verbindungen statt, die nur an speziellen
Zügen anzutreffen
sind, die einen genau festgelegten Aufbau oder Konfiguration besitzen,
wie z. B. die Untergrund- und so genannten „Eurostar"-Züge.
Im Fall von Zügen,
deren Aufbau oder Konfiguration variieren kann, wie z. B. bei Express-
oder Vororts- und Güterzügen sind
keine Einrichtungen oder Systeme für eine Nachrichtenverbindung
zum Austausch von Nachrichten, d. h. Signalen vorgesehen, die Informationen vorgegebener
Beschaffenheit und Art ausgehend von und zu Teilen des Fahrzeugs
verbreiten und in der Lage sind, beispielsweise die gezogenen Wagen zu
steuern bzw. zu überwachen,
d. h. Identifizierungsdaten der einzelnen Wagen sowie Diagnose- und
Automations-Daten von an Bord befindlichen Subsystemen zu überwachen
und zu kontrollieren, zu denen beispielsweise, aber nicht ausschließlich auch
das Brems-Subsystem gehört.
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Darüber hinaus
sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung dieser Art von System,
welche die Übertragung
von Signalen durch spezielle Kabel ermöglichen, eine Standardisierung
von Elementen, wie z. B. Kabeln und Verbindern erfordert, um eine perfekte
Kontinuität
der Übertragungsleitung
während
des Zusammenstellens von Zügen
sicherzustellen, insbesondere von solchen Zügen, die auf internationalen
Strecken eingesetzt werden und Veränderungen der Zusammenstellung
in der Anzahl und Art von Wagons und/oder Lokomotiven längs der
zu fahrenden Strecke unterliegen. Die Standardisierung des Übertragungsmaterials
bringt auch gewisse wirtschaftliche Nachteile mit sich, insofern
als die Wagons und Lokomotiven mit den gleichen Übertragungsgeräten und
Materialien ausgestattet sein müssen.
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Um
die obigen Nachteile, die typischerweise mit Kabelübertragungseinrichtungen
verbunden sind, zu überwinden,
wurde mit Funkübertragungssystemen
basierend auf der Verwendung von Standard-Radiotelefonen oder Mikrowellen-Richtsystemen
experimentiert.
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Im
ersten Fall erfordert die Verbindung zwischen den Lokomotiven und
Passagier- oder Güterwagen
die Verwendung von sehr stark leistungsfähigen Sende-Empfängern, deren
Antennen üblicherweise
auf dem Dach positioniert sind. Dieses System basiert im wesentlichen
auf dem Einsatz von sehr hohen Feldstärken (Brute-Force-Prinzip),
wobei eine sehr hohe Leistung eingesetzt wird, um den Fading-Effekt
(drastische Abschwächung
der übertragenen
Signale) entgegenzuwirken, der auf dem so genannten Mehrweg-Phäno men beruht
(demgemäß sich die
elektromagnetischen Wellen aufgrund von Reflexionen an Hindernissen
auf mehreren Wegen ausbreiten). Dieses System ist ausschließlich für so genannte „Kopf-Ende"- und „Kopf-Mitte-Ende"-Übertragungen geeignet, d. h.
für Übertragungen
zwischen der am Kopf des Zuges befindlichen und der am Ende befindlichen
bzw. in der Mitte befindlichen Lokomotive, wenn eine solche vorhanden
ist, und ermöglicht
eine einwandfreie Übertragung
und einen einwandfreien Empfang von Signalen nur in offenen Räumen. Tatsächlich sind
in Tunnels und auf Wegstrecken, die von Wänden begrenzt werden, die höher als
das Fahrzeug sind, die Übertragungen
ineffektiv und durch lange Ausfall-Zeiträume, d. h. Verbindungsunterbrechungen
(Fading) gekennzeichnet.
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Um
diese Nachteile zu überwinden,
wurde eine Lösung
vorgeschlagen, welche die Verwendung einer Vielzahl von Mikrowellen-Sende-Empfängern vorsieht,
die Richtungsantennen zugeordnet sind, die auf beiden Seiten eines
jeden Wagons angeordnet sind, um eine Verbindungsunterbrechung zwischen gekrümmten Abschnitten
zu verhindern. Diese Sende-Empfänger
bilden Relais-Stationen in der gleichen Weise wie Erd-Funkverbindungsstationen,
um die sequentielle Weitergabe von Signalen von einem Wagon zum
nächsten
zu ermöglichen.
Jedem Signal ist ein Code zugeordnet, der die Adresse des Zielwagons
darstellt. Dieses bekannte System für das Senden und Empfangen
von Signalen an Zügen
muss die gleichen Standard-Anforderungen erfüllen wie das verdrahtete System,
d. h. alle Wagons müssen
in der gleichen Weise ausgerüstet
sein. Darüber
hinaus führt
die Verwendung von Mikrowellen zu einer größeren Abschwächung der übertragenen
Signale in Anwesenheit von Hindernissen wie z. B. Schneehaufen seitlich
der Schienen. Die US-Patentschrift 4,207,569 beschreibt einen Wellenleiter
zur Weiterleitung von Hochfrequenzsignalen längs einer Eisenbahnlinie, der
vom Schotterdamm, den Verbindungsleitungen und den Schienen der
Bahnlinie gebildet wird.
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Hauptziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Funk-Kommunikationsvorrichtung
für Schienenfahrzeuge
zu schaffen, die außerordentlich
zuverlässig
ist und auf vorhandenes rollendes Material angewendet werden kann,
ohne dass eine starke Standardisierung erforderlich ist und ohne
dass die Notwendigkeit besteht, jeden Personen- oder Güterwagon mit
einer Sende-Empfänger-Einheit
auszurüsten.
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Dieses
Ergebnis wird gemäß der Erfindung dadurch
erzielt, dass eine Vorrichtung vorgesehen wird, welche die im Anspruch
1 zusammengefassten Merkmale aufweist. Weitere Merkmale sind in
den abhängigen
Ansprüchen
niedergelegt.
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Die
Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben, liegen
im wesentlichen darin, dass es möglich
ist, eine perfekte Kontinuität
der Funkverbindung in jeder Fahrsituation, für jede Zusammenstellung und
Länge des
Zuges auch unter besonders ungünstigen
Umgebungsbedingungen wie z. B. im Inneren von Tunnels oder geschlossenen Räumen sicherzustellen,
dass die Verbindung selbst dann sichergestellt ist, wenn nicht alle
Personen- oder Güterwagen
des Zuges mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet
sind, dass es möglich
ist, eine Verbindung mit einer oder mehreren feststehenden Stationen
herzustellen, die längs
des Fahrtweges des Zuges angeordnet sind, auch wenn sich der Zug
bewegt, und dass eine Vorrichtung gemäß der Erfindung relativ einfach
hergestellt werden kann, ein geringes Gewicht besitzt und leicht
an vorhandenem rollenden Material installiert werden kann, ohne
dass an letzterem irgendwelche strukturellen Änderungen vorgenommen werden
müssen.
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Diese
und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich für den Fachmann
am besten aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung,
in der ein praktisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung in nicht einschränkend
zu verstehender Weise dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Rückansicht
eines Eisenbahnwagons, der mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
ausgestattet ist,
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2 eine
schematische Längsschnittansicht
eines Eisenbahnzuges, die das Muster der Feldlinien im Raum wiedergibt,
der die Wagons des Zuges umgibt,
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3 ein
Blockdiagramm einer möglichen Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
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4 eine
schematische Darstellung der Verbindungen zwischen den Antennen
der Sende- bzw. Empfangseinheiten der Vorrichtung aus 3 und
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5 eine
grafische Darstellung, die die Unterteilung in Vier-Kanalbänder des
zur Verfügung
stehenden Spektrums wiedergibt.
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Reduziert
auf seine grundlegende Struktur umfasst, wie in den Fig. der beigefügten Zeichnung dargestellt,
eine Funk-Kommunikationsvorrichtung für Züge gemäß der Erfindung wenigstens
eine Sendeeinheit T, die auf einer entsprechenden Lokomotive oder
einem Personen- oder Güterwagen
montiert ist und wenigstens eine Empfängereinheit R, die auf einer
entsprechenden Lokomotive oder einem entsprechenden Personen- oder
Güterwagen
montiert ist, wobei diesen Einheiten T, R wenigstens eine entsprechende
Antenne 1, 2 zugeordnet ist, damit sie über Funk
verbunden werden können.
Diese Antennen 1, 2 erstrecken sich in Längsrichtung
und sind im Bereich der Boden-Metallplattform oder des Chassis 30 der
entsprechenden Wagen 3 vertikal montiert und zur Ebene 4 der
Schienen hin gerichtet, so dass die von wenigstens einer Antenne 1 der
wenigstens einen Sendeeinheit T ausgesandten Wellen sich in einem
Wellenleiter ausbreiten, der an seiner Oberseite von den Bodenplatten
oder Chassis 30 der Wagen 3, die den Zug bilden,
an der Unterseite von der Oberfläche 4 der
Schienen und seitlich durch die Radgestelle und Räder 31 dieser
Wagen 3 begrenzt ist. In der Praxis wird der Zug, der durch
die Zusammenwirkung der Schienenoberfläche und der Wagen des Zuges
begrenzt wird, als Wellenleiter für die Signale verwendet, die
zwischen den Sende- und Empfangseinheiten ausgetauscht werden, wobei
die Antennen dieser Einheiten ständig
innerhalb dieses Wellenleiters angeordnet sind. Wie später noch
genauer beschrieben wird, ist es durch eine geeignete Auswahl von
Faktoren wie der Frequenz und der Polarisation der Signale, des
Sende- und Empfangs-Modus, der Konfiguration und Positionierung der
Antennen und der Verarbeitung der empfangenen Signale möglich, in
jedem Fall eine optimale Konfiguration des Systems in Bezug auf
die Zusammenstellung des Zuges zu erzielen, ohne dass dies eine
Einschränkung
beim Betrieb dieses Systems bildet. Durch Verwendung des oben definierten
Wellenleiters kann die Wellenlänge
der zwischen den Sende- und Empfangseinheiten ausgetauschten Signale im
Bereich von ungefähr
einem Zehntel bis zu einem geringen Vielfachen der Höhe der Plattform 30 der Wagen 3 über der
Ebene 4 der Schienen sein. In der Praxis wird angenommen,
dass deswegen, weil der Durchmesser der Räder 31 der Wagen 3 in
der Größenordnung
von einem Meter liegt, dass der optimale Wellenlängenwert zwischen 50 und 100
cm liegen dürfte.
Angesichts der geometrischen Merkmale des Übertragungskanals der von dem
Wellenleiter gebildet wird, ist es jedoch möglich, Wellenlängen zu
verwenden, die im Bereich von 5 cm bis 10 m liegen. Das beträchtliche
Ausmaß des
nutzbaren Frequenzbereichs ermöglicht
es auch, solche Frequenzen zu überspringen,
die für
andere Telekommunikations-Anwendungen
und/oder -Dienste verwendet werden sollen. Was die Signalpolarisation
anbelangt, sei darauf hingewiesen, dass der verwendete Wellenleiter
vorzugsweise eine vertikale Polarisation insbesondere dann unterstützt, wenn
die Höhe
des Ausbreitungskanals kleiner als eine halbe Wellenlänge ist.
Bei der Verwendung kleinerer Wellenlängen ist es jedoch möglich, auch
eine Zirkularpolarisation einzusetzen.
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Was
das Verfahren der Signalübertragung und
des Signalempfangs anbelangt, werden eine höhere Zuverlässigkeit und verminderte Kosten
der Verbindungen dadurch sichergestellt, dass Übertragungen mit vergrößertem oder
so genanntem Breitband-Spektrum eingesetzt werden, da solche Übertragungen
eine Verbesserung der Qualität
des empfangenen Signals ermöglichen
und eine hohe Immunität
gegenüber
irgendwelchen Störungen
sowie eine hohe Kompatibilität
miteinander benachbarten Sende-Empfänger-Einheiten zeigen.
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Beispielsweise
kann gemäß der Erfindung das
verfügbare
Band in zwei oder mehr Unterbänder unterteilt
werden, denen jeweils eine Sende-Empfänger-Einheit entspricht, wie
im Diagramm der 5 dargestellt, das den Fall
einer Übertragung
und eines Empfangs von Signalen über
vier Kanäle
C1, C2, C3, C4 wiedergibt.
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Die
Antennen 1, 2, die für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
sowohl für
die Sende- als auch die
Empfangsabschnitte verwendet werden können, können in ihrer einfachsten Konstruktionsform
ein Pol-Viertelwellen-Stylus-Antennen sein. Es können jedoch aber auch flache
oder streifenförmige
Antennen verwendet werden, die auf gedruckten Schaltungsplatinen
angeordnet sind. Vorteilhafterweise können für jede Sendeeinheit T und jede
Empfangseinheit R gemäß dem in
den Fig. der beigefügten Zeichnung
dargestellten Beispiel vier gleiche Antennen 1, 2 verwendet
werden, die miteinander ausgerichtet und in gleichen Abständen voneinander
längs einer
Achse r-r, r'-r' angeordnet sind,
die quer zur Längsrichtung
der Wagons 3 verläuft,
die diese Antennen tragen, um auf diese Weise Vorhänge CT,
CR innerhalb des Wellenleiters zu bilden, die senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Zuges stehen. Die Antennen 1, 2 einer jeden
Sendeeinheit T und Empfangseinheit R können voneinander mit einem
Abstand von wenigstens einer halben Wellenlänge angeordnet sein. Bei dem
Beispiel der 3 und 4 werden
die Antennen 1 der Sendeeinheit T parallel und phasengleich
gespeist, um den Effekt einer einzigen Antenne mit maximaler Richtwirkung
in Richtung der Empfangseinheit R zu erzie len. Die zu sendenden
Signale werden einem Modem 5 und von diesem vier Radiotransmittern 6 zugeführt, die
einem Duplexer 7 zugeordnet sind, der seinerseits mit einem
Leistungsverstärker 8 verbunden
ist, der zu den Antennen 1 führt. Jede der Antennen 2 der
Empfangseinheit R speist einen entsprechenden Empfänger 60 über einen
Duplexer 80. Der Ausgang der Empfänger 60 ist mit einem
Logik-Addierer 70 verbunden, der einem entsprechenden Modem 50 zugeordnet
ist, dessen Ausgangssignal den über
das Modem 5 der Sendeeinheit T übertragenen Signalen entspricht.
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Jeder
Antennenvorhang CT, CR kann auf einfache Weise mit Hilfe von elektronischen
Schaltern re-konfiguriert werden, um sowohl als Sende- als auch
als Empfangseinheit zu arbeiten.
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Gemäß der Erfindung
wird vorteilhaftrweise für
eine geeignete Verarbeitung der zwischen den Einheiten TR ausgetauschten
Signale gesorgt, um jeglichen Fading-Effekt zu verhindern. Genauer
gesagt wird eine redundante Kodierung der Nachrichten verwendet,
bei der diese in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt werden;
auch werden Korrelationsverfahren verwendet, so dass die Prioritäts-Nachrichten
von der Empfangseinheit bereits bestätigt werden und daher von dieser
Einheit beim Auftreten von Störungen
zurückgezogen
und rekonstruiert werden können.
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Aufgrund
der typischen Abmessungen eines Wellenleiters, der von einem Schienenfahrzeug
in Verbindung mit der Schienenoberfläche begrenzt wird, können die
Betriebsfrequenzen üblicherweise im
Bereich von 30 bis 3000 mHz und in vorteilhafterer Weise im Bereich
von 100 bis 1000 mHz liegen. Um die Verwendung von Frequenzen zu
vermeiden, die bereits anderen Anwendungen zugeordnet sind, wurden
in Übereinstimmung
mit dem Gesetz experimentelle Tests mit Signalen bei 433,92 mHz
durchgeführt. Mit
dieser Frequenz ist es möglich,
bis zu 10 mW ERP (Equivalent Radiated Power) zu übertragen, ohne dass irgend
eine Lizenz erforderlich ist. Da das Gesetz keinerlei Einschränkung für die Herstellung von
mit geringer Leistung arbeitenden Geräten vorsieht, ist die Tatsache,
dass man in der Lage ist, ein Gerät zu verwenden, das Signale
mit geringer Leistung abstrahlt, besonders vorteilhaft in Hinblick
auf die freie Ausrüstbarkeit
einer beträchtlichen
Anzahl von Zügen,
ohne dass vom Gesetz vorgesehene Einschränkungen bestehen.
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Die
vorliegende Vorrichtung kann diese Erfordernisse selbst dann erfüllen, wenn
sie auf Transporteinrichtungen wie z.B. Güterzüge angewendet wird, die länger als
ein Kilometer sind; dies beruht auf der geringen Abschwächung der
Signale innerhalb des ausgewählten
Ausbreitungskanals, der das gleiche Signal-Fading wie der freie
Raum verursacht. Bei herkömmlichen
Sende-Empfangs-Systemen ist dieses Signal-Fading weit stärker ausgeprägt, was
auf dem Vorhandensein vieler Hindernisse wie z. B. von Tunnels beruht.
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Die
Antennen, die für
diese Anwendung verwendet werden können, können vom Stylus-Typ und bis ca. 18
cm lang sein, d. h. im Vergleich zur Größe der Wagons, an denen sie
verankert werden, vernachlässigbare
Abmessungen aufweisen. Die Verankerung der Antennen 1, 2 an
der Plattform oder dem Chassis der Wagen kann auf die gleiche Weise
erfolgen wie bei herkömmlichen
Antennen an Fahrzeugen, und die Einspeisung der Antennen wird mit
Hilfe von üblichen
Koaxial-Kabeln sichergestellt. Aufgrund der geringen Verluste in
den Kabeln und bei den ausgewählten
Arbeitsfrequenzen können
die Übertragungs-
und Empfangseinheiten T, R der Vorrichtung in den entsprechenden
Wagons 3 unter günstigen Umgebungsbedingungen
untergebracht werden.
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Wie
zuvor erwähnt,
sind im Empfangsmodus die Antennen 2 entsprechenden Empfängern 60 zugeordnet,
wobei letztere in der gleichen Anzahl vorhanden sind, wie die Sender 6 der
Sendeeinheit T. Das Ausgangssignal des Empfangsvorgangs R wird einem
Prozessor zugesandt, der in der Lage ist, das beste Signal auszuwählen und
die Ursprungsnachricht, die von der Einheit T ausgesandt wurde,
auch dadurch zu rekonstruieren, dass er sie von den Signalen ableitet,
die parallel auf den anderen Kanälen übertragen
wurden. Nimmt man beispielsweise ein Betriebsband von 1,74 mHz an,
so kann dieses Band in vier 400 kHz-Kanäle C1, C2, C3, C4 mit einer
Amplitude A unterteilt werden, wobei ein Schutzkanal von ungefähr 40 kHz
für jedes
Paar von benachbarten Betriebskanälen frei bleibt. Unter diesen
Bedingungen können
Signale mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 kBit/s übertragen
werden, so dass eine digitale Nachricht von 100 Bits in einer Tausendstel
Sekunde übertragen
werden kann.
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Das
obige Beispiel ist kennzeichnend für die Möglichkeiten, die von der vorliegenden
Vorrichtung geboten werden, auch wenn man berücksichtigt, dass für Eisenbahnanwendungen
kein solches Breitband erforderlich ist. Tatsächlich wäre es dann, wenn das Signalband
auf ein Zehntel reduziert würde, möglich, in
einer Tausendstel Sekunde das gleiche Signal zehnmal und mit einer
solchen Redundanz zu übertragen,
dass sein korrekter Empfang sichergestellt wird. Andererseits ist
mit der oben angegebenen Signal-Einspeisgeschwindigkeit und bei
Verwendung des Spreizband-Übertragungsverfahrens,
das einen Leistungsgewinn ermöglicht,
der direkt proportional zum Verhältnis
zwischen dem Signalband und dem Band des verfügbaren Hochfrequenz-Kanals
ist – wobei
vier Kanäle
mit 400 kHz und ein Signalband von 10 kHz zur Verfügung stehen – der äquivalente Gewinn
gleich 40, was dem Ergebnis entspricht, das man erhält, wenn
man einen Sender von 400 mW statt von 10 mW ERP verwendet. Die gleichzeitige Verwendung
mehrerer Kanäle
verleiht dem Sender-Empfänger-System
eine größere Betriebs-Zuverlässigkeit.
Obwohl die Anzahl von verwendbaren Kanälen kein limitierender Faktor
hinsichtlich des einwandfreien Arbeitens der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist, wird angenommen, dass die optimale Anzahl von Kanälen 2 bis
4 beträgt.
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Die
vorliegende Vorrichtung soll insbesondere bei Eisenbahn- und Straßenbahnzügen Anwendung
finden, bei denen immer die Notwendigkeit einer Funkverbindung zwischen
einer großen
Anzahl von Wagen entsteht, die zum gleichen Zug gehören. Aufgrund
der Tatsache, dass das elektromagnetische Feld (das schematisch
durch eine Vielzahl von senkrechten, nach oben gerichteten Pfeilen
in 2 dargestellt ist) nicht vollständig innerhalb
des oben definierten Wellenleiters eingeschlossen ist, sondern teilweise
deswegen nach außen
gestreut wird, weil die Seitenwände
des Wellenleiters von den Fahrgestellen und den Rädern der
Wagons begrenzt und deswegen nicht kontinuierlich sind, kann das
Signal auch von fest angeordneten Stationen empfangen werden, die
an vorbestimmten Stellen der Bahnlinie angeordnet sind. Umgekehrt
können
eine oder mehrere feste Stationen Signale für Abfragen und Daten an eine oder
mehrere Empfangseinheiten R der vorliegenden Erfindung senden.
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Dank
dem verfügbaren
Breitband, d. h. der Möglichkeit,
Daten in digitaler Form mit hoher Geschwindigkeit auszutauschen,
kann die Verbindung zwischen dem Zug und festen Stationen längs der Strecke
selbst dann sichergestellt werden, wenn die Geschwindigkeit des
fahrenden Zuges sehr hoch ist. Nimmt man beispielsweise an, dass
eine gesicherter Bahnübergang
durch eine Fernsehkamera überwacht
wird, dann können
die Signale, die dem Bild der Fernsehkamera entsprechen, entweder über ein Kabel
oder per Funk zu einer Station gesendet werden, die mit einem vorbestimmten
Abstand vor dem Bahnübergang
angeordnet ist, um besagte Signale an den Zug zu übertragen,
wenn letzterer an der besagten Station vorbeifährt. Auf diese Weise wird das besagte
Bild dem Lokführer
in großem
Abstand vor der überwachten
Stelle zur Verfügung
gestellt. Als weiteres Beispiel sei die Möglichkeit der Herstellung einer
Verbindung mit einer festen Station angeführt, die es ermöglicht,
vom Zug Daten zu übertragen,
die hinsichtlich der Identifizierung und der Zusammenstellung des
Zuges relevant sind. Im übrigen
ist das zur Verfügung
stehende Übertragungsband
mehr als ausreichend, um auch Sprachnachrichten in digitaler Form
zu übertragen,
was es ermöglicht,
jegliches Fading und jegliche Verzerrung des Ausbreitungskanals zu
vermeiden.