EP3956991A1 - Bauelement, vorrichtung und system zur unidirektionalen datenübertragung - Google Patents

Bauelement, vorrichtung und system zur unidirektionalen datenübertragung

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Publication number
EP3956991A1
EP3956991A1 EP20728955.4A EP20728955A EP3956991A1 EP 3956991 A1 EP3956991 A1 EP 3956991A1 EP 20728955 A EP20728955 A EP 20728955A EP 3956991 A1 EP3956991 A1 EP 3956991A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
data
component
data signal
receiving unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20728955.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Seifert
Steve Tucker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP3956991A1 publication Critical patent/EP3956991A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/75—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for isolation purposes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/72—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for local intradevice communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
    • H04B5/24—Inductive coupling
    • H04B5/26—Inductive coupling using coils
    • H04B5/266—One coil at each side, e.g. with primary and secondary coils

Definitions

  • a data diode can be used that only allows data to be transported in one direction.
  • the data diode is set up, for example, in such a way that the data is transported exclusively in
  • an optical interface such as LEDs or laser diodes to transmit the data to an electro-optical receiving unit (so-called optocoupler).
  • Optical transmission methods based on optocouplers are severely limited in terms of the transmission rate. Laser-based processes are also expensive.
  • Data transfer rate enables and at the same time is inexpensive to implement.
  • the invention relates to a
  • 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.
  • the transmission unit for transmitting the data signal is without
  • connection to a receiving unit such as by means of an electrical conductor or an optical fiber
  • the data signal has a frequency outside the infrared or optical frequency range.
  • Transmission rate for the transmission of the data signal can be achieved.
  • the transmission unit is, for example, a conductor track on a circuit board.
  • the transmission unit is also assigned a circuit comprising an amplifier and / or a filter.
  • the component also includes a receiving unit.
  • Receiving unit is set up for wireless reception of the data signal.
  • the receiving unit is optimized with regard to receiving a data signal transmitted by the transmitting unit.
  • The is exemplary
  • the receiver unit is identical in construction to the
  • the receiving unit is, for example, also a conductor track on the circuit board.
  • the receiving unit is also assigned a circuit comprising an amplifier and / or a filter.
  • Data signal occurs, for example, through crosstalk between the transmitting and receiving unit.
  • 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 one
  • the receiving unit is completely surrounded by layers of the printed circuit board.
  • the transmitting unit and the receiving unit are at a distance of less than 10 mm from one another
  • the distance is less than 1 mm, preferably less than 100 gm, for example less than 10 gm.
  • a transmitter output power can thus advantageously be used
  • Transmission of the data signal can be kept low. At the same time, a compact design of the component is made possible.
  • the transmitting unit and the receiving unit are each inductive Transmission units formed. This is, for example, one coil in each case.
  • the transmitting unit and the receiving unit are each designed as antennas.
  • the transmitting unit and the receiving unit are each designed as antennas.
  • the transmitting unit and the receiving unit are each designed as lambda / 4 antennas.
  • the transmitting unit and the receiving unit are each designed as lambda / 4 antennas.
  • Sending unit and the receiving unit are arranged in particular aligned parallel to one another.
  • Sending unit and the receiving unit are arranged in particular aligned parallel to one another.
  • Receiving unit designed as patch antennas.
  • a radio frequency for transmitting the data signal is greater than 1 GHz.
  • the transmission unit is set up for wireless transmission of the data signal at a frequency between 1 GHz and 300 GHz.
  • the size of the transmitting unit and the receiving unit for example an antenna length, can thus be kept small.
  • a transmission link between the transmitting unit and the receiving unit essentially corresponds to the distance between the transmitting unit and the receiving unit.
  • the transmission link does not include any reflection of the
  • Transmitter output power for transmitting the data signal can be kept low.
  • Transmitter output power for transmitting the data signal can be kept low.
  • 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 transmitting unit which corresponds to twice the distance between the transmitting unit and the receiving unit is 2 dB or less. In other words it is
  • Transmitter output power limited in such a way that the data signal can hardly be received at twice the distance between the transmitting unit and the receiving unit even without shielding.
  • a transmitter output power for transmitting the data signal is 500 pW or less.
  • the component comprises a carrier with a plurality of one above the other
  • the carrier is in particular a printed circuit board (PCB).
  • the transmitting unit and the receiving unit are each on different layers of the carrier
  • the transmitting and receiving units are designed as conductor tracks, for example in the shape of an antenna or coil.
  • 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 as an example of the housing
  • the data signal is such
  • 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.
  • the invention in a second aspect, relates to a
  • the device comprises a component according to the first aspect.
  • 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 exemplary for use as a subassembly in a network switch
  • the data input is coupled to the transmitter unit.
  • the data output is coupled to the receiving unit.
  • the data input is galvanically separated from the data output.
  • the device comprises an input computing unit.
  • the input computing unit is arranged between the data input and the transmission unit.
  • the input processing unit is for receiving and processing a data signal from the
  • the input computing unit is, for example, a microcontroller that transmits the data provided on the original network to the
  • the Input computing unit sends 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 transmission unit.
  • the first transmission protocol is, for example, an Ethernet protocol.
  • the input computing unit can be in the transmitting unit
  • the input computing unit is arranged externally with respect to the component. In other variants, the
  • Input computing unit 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 translates the data signal in accordance with the second transmission protocol.
  • the device comprises a
  • 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, for example, also a microcontroller that is connected to the receiving unit
  • a data signal in accordance with the second transmission protocol is present at the output computing unit, which the
  • the third transmission protocol is for
  • Example an Ethernet protocol for example the same as the first transmission protocol.
  • the output computing unit can be in the receiving unit
  • the Output computing unit arranged externally with respect to the component. In other variants, the
  • Input computing unit comprise two or more components, a first component receiving the data signal in accordance with the second transmission protocol and being coupled with one or more other components in terms of signal technology,
  • the input computing unit and the output computing unit are for
  • the second transmission protocol is a protocol of one of the aforementioned methods.
  • the same or different transmission methods and / or radio frequencies are used in parallel to transmit the data signal.
  • the device is assigned, for example, several transmitting units and receiving units.
  • 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
  • the monitoring and diagnostic unit has in particular means that allow status or control signals to be read out from the control network are representative of an operating state of a rail vehicle and / or a signal box.
  • the control network is the originating network with the
  • the monitoring and diagnosis unit is coupled to the device as a target network.
  • Figures 1 and 2 an embodiment of a component for unidirectional data transmission
  • Figure 3 shows an embodiment of a device for
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a system for monitoring and diagnosing a control network for operating
  • FIGS. 1 and 2 An exemplary embodiment of a component 1 for the unidirectional data transmission of a data signal S is shown on the basis of FIGS.
  • a printed circuit board which acts as a carrier 4 and housing, is on two different circuit board layers 4a, 4b (cf.
  • 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.
  • the property of neighboring conductors is adopted in which one
  • Component 1 thus enables one-way data transmission with the aid of a wireless radio system.
  • the transmission unit 2 has a very low transmission power.
  • One-way data transmission is only carried out over a very short distance.
  • the radio antennas are at a distance d from one another
  • a radiation power is already so low that a reconstruction of the data signal S is not possible or only possible with a high susceptibility to errors.
  • the radio antennas are each a quarter-wave radiator.
  • the two antennas are then aligned parallel to one another at a suitable distance.
  • a different layout can be selected, for example.
  • a radio frequency of the radio antenna greater than 1 GHz is selected in the present case.
  • Further circuit board layers 4c, 4d are used for shielding. Such a structure of the radio link in a PCB with shielding surfaces enables
  • the data is transmitted via an inductive transmission unit that is implemented in the form of a PCB layout.
  • the transmitter unit 2 and the receiver unit 3 are also assigned circuits which process the transmitter signal or convert the received signal back (not shown in detail).
  • Amplifier circuit and / or a filter.
  • FIG. 3 shows a device 10 for unidirectional data transmission, which is also referred to as a data diode.
  • the device 10 has a data input 12 for connection to an originating network 20 and a data output 13 for connection to a destination network 30. In each case, these are Ethernet interfaces. In particular, the device 10 can be connected to any Side to be connected to the corresponding network 20, 30.
  • the device 10 comprises at least one input and one output computing unit.
  • a microcontroller 14 is on an exemplary basis
  • Receiving unit 3 is also connected to a microcontroller 15, for example.
  • the microcontrollers 14, 15 are set up in particular to translate transmission protocols. After receiving data, they are output to the target network 30 with a respective selected protocol with, for example, a lower security level. Due to the network separation with the aid of the component 1, a
  • Modules with radio transmitters and those with receivers are available today in a very compact design, so that a very compact overall design of the component 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 microcontrollers 14, 15 are shown as protocol processing units in FIG.
  • the illustrated device 10 can in particular as
  • the device 10 is exemplified by a plurality of 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.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a system 100 in which the device 10 is used.
  • the system 100 comprises a control network 200 that is coupled to one or more rail vehicles 201 and / or one or more interlockings 202.
  • the control network 200 is, for example, with control and / or safety technology of a rail or
  • the control network 200 is, in particular, a security-relevant, closed network.
  • Diagnostic unit 101 is via the unidirectional data channel formed by device 10 with the
  • the monitoring and diagnosis unit 101 comprises e.g. a portable, local storage medium or a server. About one of the
  • Device 10 separate channel is e.g. control of the control network 200 is possible (shown in dashed lines).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)

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.

Description

Beschreibung
Bauelement, Vorrichtung und System zur unidirektionalen
Datenübertragung
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 elektro optische Empfangseinheit einzusetzen (sog. Optokoppler) .
Optische Übertragungsverfahren, die auf Optokopplern beruhen, sind in der Übertragungsrate stark beschränkt. Laserbasierte Verfahren sind überdies kostenintensiv.
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.
Diese Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der
unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein
Bauelement zur unidirektionalen Datenübertragung.
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.
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.
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.
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 gm, beispielhaft weniger als 10 gm. Mit Vorteil kann so eine Senderausgangsleistung zur
Übertragung des Datensignals gering gehalten werden. Zugleich wird eine kompakte Bauform des Bauelements ermöglicht.
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 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 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 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 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 einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt beträgt eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des Datensignals 500 pW oder weniger.
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 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.
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 .
Der Dateneingang ist mit der Sendeeinheit gekoppelt. Der Datenausgang ist mit der Empfangseinheit gekoppelt. Der
Dateneingang ist von dem Datenausgang galvanisch getrennt.
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.
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 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 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 .
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.
Das Kontrollnetzwerk ist als Ursprungsnetzwerk mit der
Vorrichtung gekoppelt. Die Überwachungs- und Diagnoseeinheit ist als Zielnetzwerk mit der Vorrichtung gekoppelt.
Die Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise ein
sicheres Auslesen der Status oder Kontrollsignale durch die Überwachungs- und Diagnoseeinheit.
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.
Es zeigen:
Figuren 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements zur unidirektionalen Datenübertragung,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur
unidirektionalen Datenübertragung, und Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Systems zur Überwachung und Diagnose eines Kontrollnetzwerks zum Betreiben von
Schienenfahrzeugen und/oder von Stellwerken.
Anhand der Figuren 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 Fig. 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.
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.
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 einem nicht näher dargestellten, alternativen
Ausführungsbeispiel erfolgt die Datenübertragung über eine induktive Übertragungseinheit, die in Form eines PCB-Layouts realisiert ist.
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.
Anhand Figur 3 ist eine Vorrichtung 10 zur unidirektionalen Datenübertragung gezeigt, die auch als Datendiode bezeichnet wird .
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 .
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.
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.
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.
Anhand der Figur 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) .
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. Bezugszeichenliste
1 Bauelement
2 Sendeeinheit
3 Empfangseinheit
4 Träger
4a-4d Trägerschicht
10 Vorrichtung
12 Dateneingang
13 Datenausgang
14 Eingangsrecheneinheit
15 Ausgangsrecheneinheit
20 Ursprungsnetzwerk
30 Zielnetzwerk
100 System
101 Überwachungs- und Diagnoseeinheit
200 Kontrollnetzwerk
201 Schienenfahrzeug
202 Stellwerk
5 Datensignal
d Abstand
d2 doppelter Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement (1) zur unidirektionalen Datenübertragung, umfassend
- eine Sendeeinheit (2), die zur drahtlosen Übertragung eines Datensignals (S) mit einer Frequenz kleiner 300 GHz
eingerichtet ist, sowie
- eine Empfangseinheit (3), die zum drahtlosen Empfang des Datensignals (S) eingerichtet ist, wobei
- die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) jeweils in das Bauelement (1) integriert sind,
- die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) in einem Abstand (d) von weniger als 10 mm voneinander angeordnet sind .
2. Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei
- die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) jeweils als induktive Übertragungseinheiten ausgebildet sind.
3. Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei
- die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) jeweils als Antennen ausgebildet sind.
4. Bauelement (1) nach Anspruch 3, wobei
- eine Funkfrequenz zur Übertragung des Datensignals (S) größer als 1 GHz beträgt.
5. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des
Datensignals (S) derart beschränkt ist, dass ein Störabstand des Datensignals (S) in einem Abstand (d2) zu der
Sendeeinheit (2), der dem doppelten Abstand (d) zwischen der Sendeeinheit (2) und der Empfangseinheit (3) entspricht, 0 dB oder weniger beträgt.
6. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
- eine Senderausgangsleistung zur Übertragung des
Datensignals (S) 10 pW oder weniger beträgt.
7. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend
- einen Träger (4) mit mehreren übereinander angeordneten Schichten (4a, 4b, 4c, 4d) , wobei
- die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) auf jeweils unterschiedlichen Schichten (4a, 4b) des Trägers (4) angeordnet sind.
8. Bauelement (1) nach Anspruch 7, wobei
- die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) jeweils von wenigstens einer Schicht (4c, 4d) des Trägers (4) zur Abschirmung des Datensignals (S) bedeckt ist.
9. Vorrichtung (10) zur unidirektionalen Datenübertragung, umfassend
- ein Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche sowie
- einen Dateneingang (12) zum Anschluss an ein
Ursprungsnetzwerk (20) und
- einen Datenausgang (13) zum Anschluss an ein Zielnetzwerk ( 30 ) , wobei
- der Dateneingang (11) mit der Sendeeinheit (2) gekoppelt ist,
- der Datenausgang (13) mit der Empfangseinheit (3) gekoppelt ist, und - der Dateneingang (12) von dem Datenausgang (13) galvanisch getrennt ist.
10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, umfassend
- eine Eingangsrecheneinheit (14), die zwischen dem
Dateneingang (12) und der Sendeeinheit (3) angeordnet und zur Aufnahme und Verarbeitung eines Datensignals (S) aus dem Ursprungsnetzwerk (20) eingerichtet ist, und
- eine Ausgangsrecheneinheit (15), die zwischen der
Empfangseinheit (13) und dem Datenausgang (3) angeordnet und zur Verarbeitung und Ausgabe des Datensignals (S) an das Zielnetzwerk (30) eingerichtet ist.
11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, wobei
- die Eingangsrecheneinheit (14) und/oder die
Ausgangsrecheneinheit (15) in das Bauelement (1) integriert ist bzw. sind.
12. Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, wobei die Eingangsrecheneinheit (14) und die
Ausgangsrecheneinheit (15) zur Übertragung des Datensignals
(S) nach einem oder mehrerer der folgenden
Übertragungsverfahren eingerichtet sind: WLAN, Bluetooth, ZigBee, Software Defined Radio.
13. System (100) zur Überwachung und Diagnose eines
Kontrollnetzwerks (200) zum Betreiben von Schienenfahrzeugen (201) und/oder von Stellwerken (202), umfassend
- eine Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 12, und
- eine Überwachungs- und Diagnoseeinheit (101), wobei
- das Kontrollnetzwerk (200) als Ursprungsnetzwerk (20) mit dem Dateneingang (12) der Vorrichtung (10) gekoppelt ist und - die Überwachungs- und Diagnoseeinheit (101) als
Zielnetzwerk (30) mit dem Datenausgang (13) der Vorrichtung (10) gekoppelt ist.
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