Vernieuwing in de spoorse communicatie

We klagen in Nederland graag over vertragingen en uitgevallen treinen. Toch hebben we een mooi en goedwerkend spoorsysteem van ProRail en diverse spooroperators (NS, Arriva, Connection, etc.), waarvan we ons meestal niet realiseren hoe complex het is en dat dag in dag uit veilig moet functioneren. Een cruciaal, maar vaak onzichtbaar onderdeel daarvan is de communicatie tussen machinisten en verkeersleiding. Die communicatie staat nu voor een grote vernieuwing. Wat betekent de overstap van het verouderde GSM‑R naar een modern, 5G‑gebaseerd systeem voor het spoor – en waarom is die overgang zo’n grote uitdaging?

Verouderde GSM-R technologie

Om de treinen in NL op veilige wijze te laten rijden wordt gebruik gemaakt van een spoor-eigen draadloos communicatiesysteem. Daarmee wordt met name de spraakcommunicatie gerealiseerd tussen machinisten op de treinen en de verkeersleiding op de wal. Ook is het essentieel voor het nieuwe ERTMS^[1] digitale treinbeveiliging en verkeersmanagementsysteem.

De missiekritische spoorcommunicatie gebruikt nu GSM-R technologie. Deze 2^e generatie mobiele technologie is al in 2000 geïntroduceerd en is intussen verouderd. Voor het idee: de publieke mobiele netwerken gebruiken nu al de 5^e generatie technologie! ProRail, als eigenaar en operator van dit GSM-R netwerk, is weliswaar regelmatig bezig met vernieuwing van de spullenboel, maar daarmee blijft de technologie 2G, met beperkte toepassingsmogelijkheden; GSM-R ondersteunt alleen spraak en maar beperkt datacommunicatie.

Naar een nieuw systeem

In Europa werken we al enige jaren aan de definitie van een op 5G mobiele technologie gebaseerde opvolger, het Future Rail Mobile Communication System (FRMCS). Als moderne 5G technologie maakt FRMCS vergaande digitalisering van de spoorse operatie mogelijk, door zowel spraak als ook data- en videocommunicatie mogelijk te maken.

Om een nieuw communicatiesysteem zoals FRMCS te kunnen realiseren, is het essentieel om eerst een solide specificatie op te stellen. De UIC^[2] werkt hier intensief aan, in nauwe samenwerking met diverse spoorbedrijven en andere betrokken organisaties. Inmiddels is er een zogeheten Versie 2 van de specificatie beschikbaar. Deze zal worden gebruikt voor uitgebreide testen, specifiek de MORANE‑2^[3]‑testen die plaatsvinden op spoortrajecten in Duitsland, Zweden, Spanje en ook Nederland.

Het doel van deze testen is om te controleren of de specificatie als geheel correct functioneert. Eventuele tekortkomingen die tijdens de testen aan het licht komen, worden gebruikt om de specificatie verder aan te vullen en te verbeteren tot FRMCS Versie 3. Deze V3‑specificatie wordt vervolgens opgenomen in de formele Europese spoorregelgeving onder de CCS TSI^[4]. Vanaf dat moment zullen spoorbedrijven de specificatie gebruiken bij de selectie van leveranciers en bij de daadwerkelijke implementatie van FRMCS. Volgens de huidige planning wordt deze Versie 3 eind 2027 verwacht.

Stevige uitdaging

Voor Nederland betekent dit dat ProRail aan de slag moet om een ontwerp te maken voor een geheel nieuw radionetwerk ter vervanging van het huidige, nationale GSM-R netwerk, hiervoor een aanbesteding te doen en dan te realiseren. ProRail gebruikt nu ca 400 GSM-R masten die kunnen worden hergebruikt, maar omdat voor FRMCS naast de 900 MHz band – zoals nu voor GSM-R gebruikt – ook de 1900 MHz band zal worden gebruikt zullen er meer masten door het hele land benodigd zijn.

Ook de vervoerders zoals NS en Arriva zullen hun treinen en locomotieven moeten aanpassen, zodat zij met FRMCS kunnen werken. Voor ieder treintype is een nieuw, FRMCS specifiek, ontwerp nodig, te meer omdat de on-board communicatie architectuur van FRMCS anders is dan die van GSM-R.

Een interessante uitdaging is bijvoorbeeld dat FRMCS meer antennes vereist dan nu voor GSM-R gebruikt worden. Naast meer bekabeling vereist dit ook meer plek op de treindaken. Juist die plek op het dak is heel vaak slechts zeer beperkt beschikbaar. Dat betekent een omvangrijke ontwerp-, test- en certificatie-fase voor ieder treintype, en daarna implementatie in alle treinen. Iedere trein en locomotief moet dan naar een werkplaats voor ombouw alvorens weer het spoor op te mogen. Die onttrekking aan de operationele vloot kan gevolgen hebben voor de treinreizigers, en dat wil je natuurlijk zo veel mogelijk beperken.

Grote doorlooptijd voor migratie naar FRMCS

De overgang van GSM-R naar FRMCS gaat daardoor naast een grote inspanning ook zeer veel doorlooptijd vragen. Ook zal de ProRail infrastructuur geruime tijd zowel het bestaande GSM-R moeten blijven ondersteunen als het nieuwe FRMCS. Dat zou zomaar meerdere jaren kunnen kosten.

Een optimale afstemming tussen ProRail en de vervoerders zou op specifieke tracés mogelijk die kostbare periode van twee parallelle netwerken nog wat kunnen beperken. Voor de vervoerders is die onderlinge afstemming overigens ook van belang. ProRail zal namelijk architectuurkeuzes moeten maken voor hun FRMCS-netwerk, welke mogelijk de complexiteit, en dus kosten, van de on-board apparatuur kunnen beïnvloeden. Vroegtijdige commitment van ProRail aan die architectuurkeuzes lijkt dus essentieel om de vervoerders in staat te stellen op tijd hun ombouw naar FRMCS uit te voeren.

Deze migratieperiode wordt nog wat complexer gemaakt omdat ook buitenlandse treinen op het Nederlandse spoornet moeten kunnen rijden. In de Europese CCS TSI regelgeving is bepaald dat tot in principe 5 jaar na aankondiging van vervanging van GSM-R door FRMCS per spoortracé er nog steeds GSM-R treinen moeten kunnen rijden.

Nog veel werk te doen

Voor de vervanging van het huidige GSM-R door een modern 5G gebaseerd FRMCS-spoorcommunicatiesysteem is dus nog heel veel werk te doen. Maar tot nu toe lijkt het nog vrij onduidelijk hoe en wanneer FRMCS in Nederland werkelijkheid zal worden. Als vervoerder wil je de impact op de treinen, en daarmee op de reizigers, zo veel mogelijk beperken. Dat vereist goede planning en voorbereiding. Met daarbij vroegtijdige infrastructuur architectuur keuzes welke de on-board implementatie tijd en kosten mogelijk kunnen beperken.

Deze blog is geschreven door Dick Martens, mobile communication solutions consultant, en Gerrit van Dijken, telecommunicatie & digitale transformatie consultant.

[1] ERTMS - European Rail Traffic Management System

[2] UIC – Union Internationale de Chemin de Fer

[3] MORANE-2 – Mobile radio for Railway Networks in Europe 2

[4] CCS TSI - Control Command and Signalling TSI