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Objekt- und Gebäudefunkversorgung

Erhöhung der Reichweiten durch Repeater und Antennenanlagen

Dipl.-Ing. (FH) Thorolf Taute

Stab zur Einführung des Digitalfunks

der Feuerwehr Hamburg

TT


Gliederung

1. Einführung

a) Betriebsarten

b) Netzabdeckung

2. – 4. Darstellung der Gegebenheiten anhand von in

Hamburg durchgeführten Versuchen

jeweils

a) Vorstellung des Bauwerkes

b) Versuchsaufbau/-durchführung

c) Messergebnisse

5. Fazit

a) Geplante Arbeitsweise der Feuerwehr Hamburg

Gebäudefunk

2


1. Einführung

Gebäudefunk

• Seit 2001 führt die Feuerwehr Hamburg Versuche zur Einführung des

Digitalfunks durch.

• Muss aufgrund der neuen Technik das taktische Vorgehen im

Einsatz geändert werden? Speziell: Erreichen die neuen

Endgeräte bei gleicher Sendeleistung mindestens die

Eindringtiefen der analogen Funkgeräte?

• Bei der Feuerwehr Hamburg gibt es mobile Relaisstellen für den

analogen 2m-Band-Sprechfunkverkehr, um die Eindringtiefe und die

Sicherheit einer Kommunikation zu erhöhen.

• Welche Möglichkeiten gibt es im Digitalfunk und haben diese

mindestens die gleichen Leistungsmerkmale?

• Wie lässt sich das Arbeiten mit der digitalen Funktechnik weiter

optimieren? Was für neue Möglichkeiten gibt es und wie lassen sie

sich technisch realisieren?

3


1. Einführung

a) Betriebsarten

Man unterscheidet zwei Betriebsarten.

1. Netzmodus - Trunked Mode Operation (TMO)

Gebäudefunk

Basisstationen und Vermittlungsstellen sorgen für eine Kommunikation zwischen

mehreren Sprechfunk- oder Datenfunkteilnehmern (vglb. mit dem

Mobiltelefonbereich (GSM-Netz))

2. Direktmodus – Direct Mode Operation (DMO)

• Funktioniert ohne übergeordnete Technik

• fast wie 2m-Sprechfunkverkehr

• andere Frequenz

• erweitert um Kryptografie (Verschlüsselung) und

• Gruppenbildung möglich

3. Alle Funkgeräte auf dem deutschen Markt unterstützen beide Betriebsarten, wobei

der DMO eigentlich nur als Rückfallstufe für den TMO gedacht ist.

4. Zurzeit kann kein Endgerätehersteller beide Betriebsarten gleichzeitig ausführen. Es

ist jedoch möglich über ein Gateway die Betriebsarten zu verbinden.

4


1. Einführung

a) Betriebsarten - TMO

1. Netzsteuerrung

Gebäudefunk

2. Vermittlungsstelle(n)

3. Basisstationen

4. Leitstellen

5. Endgeräte

5


1. Einführung

a) Betriebsarten - TMO

Ein gemeinsames Netz!

Gebäudefunk

6


1. Einführung

a) Betriebsarten - DMO

Gebäudefunk

7


1. Einführung

a) Betriebsarten – DMO-Repeater

Gebäudefunk

DMO-Repeater:

Ein weiteres Endgerät

fungiert im DMO als

„Relaisstelle“.

Der DMO-Repeater kann im

Fahrzeug verbaut sein

(höhere Sendeleistung) oder

tragbar als Handfunkgerät zur

Verfügung stehen (portabel

ins Gebäude).

Die Repeaterfunktion ist i.d.R.

eine käuflich zu erwerbende

Zusatzfunktion in einem

Endgerät.

8


1. Einführung

a) Betriebsarten – TMO-DMO-Gateway

TMO-DMO-Gateway:

Ein weiteres Endgerät fungiert als „Umsetzungsstelle“.

Gebäudefunk

Die Gatewayfunktion ist i.d.R. eine käuflich zu erwerbende Zusatzfunktion in einem

Fahrzeugfunkgerät.

9


1. Einführung

b) Netzabdeckung

Versorgungskategorien:

0: Grundversorgung für Fahrzeugversorgung (nur außen)

1: zusätzlich für Handfunkgeräte auf Kopfhöhe (außen)

2: zusätzlich für Handfunkgeräte in gürteltrageweise (außen)

3: zusätzlich für Handfunkgeräte in Gebäuden auf Kopfhöhe

4: zusätzlich für Handfunkgeräte in gürteltrageweise (innen)

4+x: über Kategorie 4 hinaus

Gebäudefunk

10


1. Einführung

b) Netzabdeckung

Gebäudefunk

Vor einem Einsatz sollte eine generelle Taktik zum Vorgehen in „normale“

Objekte und in „spezielle“ Objekte (Einkaufszentren, Tunnel, …) festgelegt

werden.

Die Netzabdeckung/Versorgungsgüte (am Einsatzort) bestimmt die

Objektversorgung.

• Abstände der Basisstationen

• Sendeleistungen der Basisstationen (uplink jedoch entscheidend!)

• Topografie/Abschattungen (Berge, Gebäude)

Ist eine Objektversorgung vorhanden (Gebäudefunkanlage)? Betriebsart

TMO oder DMO?

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2. Beispiele zur Objektversorgung anhand von Versuchen

Ausgewählte Versuche:

2.1 Berliner Tor Center (BTC)

2.2 Bahnstation Jungfernstieg

Vergleich Analog- und Digitalfunk

3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

Eindringtiefe mit HRT mit und ohne Repeater (HRT) und Gateway (MRT)

4. U-Bahnstation und U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

Vergleich Analog- und Digitalfunk, Vergrößerung der Eindringtiefe mit

Antennenanlagen und Repeatern (TMO und DMO)

Gebäudefunk

12


2. Vergleich Analog- und Digitalfunk

a) Vorstellung des BTC

• mehrere Büro- und

Wohngebäude mit max. 23

Obergeschossen

• 2 durchgängige Untergeschosse unter allen Gebäuden

• 3 vertikale Brandabschnitte je Untergeschoss

• 990 Stellplätze insgesamt

Gebäudefunk

13


2. Vergleich Analog- und Digitalfunk

a) Vorstellung des Jungfernstiegs

Gebäudefunk

• nach dem Hamburger Hauptbahnhof zweitgrößter Umsteigebahnhof des ÖPNV

• ausschließlich unterirdisch

• 4 Ebenen mit 3 Bahnsteigen (U1, S1/2/3, U2)

• 2. Untergeschoss (U1) befindet sich unter der Binnenalster

• 4. Untergeschoss (U2) 16 m unter dem Wasserspiegel der Binnenalster

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2. Vergleich Analog- und Digitalfunk

b) Versuchsaufbau/-durchführung

Verwendete Gerätetypen:

• digital: EADS THR 880i – analog: Motorola FuG 11b

Die unterirdischen Anlagen werden begangen. Über Sprechproben

und Pegelanzeigen wird die Verbindung zu den Gegenstellen auf

der öffentlichen Fläche vor dem Hauptausgang und vor der

Brandmeldeanlage überprüft.

2.1 BTC:

Die Antenne der nächsten Basisstation befindet sich in 100 bis

200m Entfernung.

2.2 Jungfernstieg:

Die Antenne der nächsten Basisstation befindet sich in 2200m

Entfernung. Abschattungen und Reflexionen durch andere

Bauwerke sind zu vermuten.

Gebäudefunk

15


2. Vergleich Analog- und Digitalfunk

c) Messergebnisse BTC

TMO:

• Volle Netzverfügbarkeit in allen Geschossen

DMO:

• von außen im 1. UG, ca. 100 m ins Gebäude hinein

• von außen im 2. UG, 30 m ins Gebäude hinein

• zwischen den Geschossen bei horizontaler Entfernung bis zu 100 m

Vergleich analoger 2m-Band-Sprechfunkverkehr:

• Eindringtiefe mit FuG11b 40 Meter größer (bei schlechterer Sprachqualität)

Gebäudefunk

In beiden UG bei innenliegenden Treppen- und Aufzugsvorräumen besteht keine

TMO-, DMO-, 2m-Verbindung.

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2. Vergleich Analog- und Digitalfunk

c) Messergebnisse Jungfernstieg

Im Vergleich mit dem BTC ist

1. die TMO-Verbindung unterhalb der

Erdoberfläche gar nicht gegeben (viel

schlechter),

2. die DMO-Eindringtiefe etwa gleich (100 m

horizontal, ein Geschoss vertikal oder 40

m horizontal, zwei Geschosse vertikal).

Das 4. UG ist nicht zu erreichen, das 3.

UG nur aus dem 1. UG.

3. Im Gegensatz zum BTC ist die

Analogfunkverbindung an allen Stellen

innerhalb der Anlage schlechter gewesen

und war schon 20 Meter vor Abbruch der

Digitalfunkverbindung nicht mehr zu

verstehen.

Gebäudefunk

17


2. Vergleich Analog- und Digitalfunk

c) Messergebnisse

Grundsätzliche Beobachtung bei allen Versuchen:

Bei zunehmender Entfernung von der Gegensprechstelle oder

zunehmender Eindringtiefe in massive Gebäudekomplexe nimmt im

Analogfunk das Rauschen kontinuierlich zu. Ein genauer Punkt, an dem

keine Verbindung mehr möglich ist, ist schwer anzugeben und unterliegt

dem subjektiven Empfinden beider Gesprächspartner.

Im Digitalfunk gibt es immer eine klare „Abbruchkante“, die nicht breiter als

5 Meter ist. Vorher ist die Verbindung einwandfrei, hinterher kommt keine

Verbindung zustande.

100

50

0

Entfernung in m

20

50

80

110

140

170

200

230

260

290

320

350

380

410

440

Sprachqualität in Prozent

Analogfunk

Sprachqualität in Prozent

Digitalfunk

Gebäudefunk

18


3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

a) Vorstellung des Bauwerks

• 1970: mit damals 50.000 m² als größtes EKZ Deutschlands eröffnet

• Länge 600 m, Breite < 50 m

• 1987: Vorbau der heute noch längsten Glasfassade Hamburgs

• 1 durchgängiges befahrbares Tiefgeschoss zur Anlieferung

• Erd- und 1. Obergeschoss und Freipassage mit Verkaufsflächen

• 3 bis zu 36 m hohe Büro- und Verwaltungstürme oberhalb des EKZ

Standort Gateway

Fahrzeugfunkgerät

Gebäudefunk

Blick vom Gateway

auf das EKZ

19


3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

a) Vorstellung des Bauwerks

Ausfahrt, Gebäuderückseite

Liefergasse

Tiefgeschoss

Gebäudefunk

20


3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

a) Vorstellung des Bauwerks

Shopping Mall

Standort 1. OG fast Gebäudemitte

Standort Repeater HRT

ca. Gebäudemitte

Gebäudefunk

Standort 1. OG Ende der Mall

21


3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

a) Vorstellung des Bauwerks

• 2 Standorte von Basisstationen des

Referenznetzes in „quasi-optischer“

Entfernung

• nordöstlich in ca. 1500 m Entfernung

Luftlinie, 32 m über Erdboden (Foto)

• südwestlich in ca. 2200m Entfernung

Luftlinie, 80 m über Erdboden

Gebäudefunk

22


3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

b) Versuchsaufbau/-durchführung

Verwendete Digitalfunkgeräte:

Gebäudefunk

• EADS THR 880i (1W) – nicht als Gateway und DMO-Repeater einsetzbar und nicht

mit/über DMO-Repeater (Sepura) einsetzbar

• Motorola MTP 850 (1W) – nicht als Gateway und Repeater einsetzbar und kleinere

Probleme im Betrieb mit/über Gateway oder DMO-Repeater

• Sepura SRH 3500/3800 (1W) und SRG 3500 (10W) – als Repeater bzw. Gateway

und Repeater einsetzbar

• MRT mit Dachantenne ¼ λ, 0dB, 3m über dem Erdboden

Die Feldstärke wird über die Servicemenüs der Sepura und Motorola HRT

abgelesen, die beide identische Werte anzeigen.

Das Gebäude wird begangen. Über Sprechproben und Pegelanzeigen wird die

Verbindung zu den Gegenstellen überprüft.

23


3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

TMO:

• volle Netzverfügbarkeit in allen Geschossen

Gebäudefunk

Trotz gleicher Entfernung wie am Jungfernstieg und größerer Entfernung als am BTC besteht

bessere Netzabdeckung.

DMO:

c) Messergebnisse

• Reichweite über ein gesamtes Geschoss

• zwischen unterschiedlichen Geschossen 250 bis 350 Meter Reichweite – deutlich

höhere Reichweiten als in den vorgenannten Bauwerken.

Reichweite mit DMO-Repeatern:

Beim Aufstellen des HRT-Repeaters (1 Watt) in der Mitte des Gebäudes, lassen sich

alle Bereiche innerhalb des Gebäudes untereinander erreichen. An den östlichen und

westlichen Spitzen ist eine Verbindung über den Repeater nach außen nicht möglich.

Der MRT-Repeater (10 Watt) außerhalb des Gebäudes leitet alle DMO-Gespräche an

jeden Ort im Gebäude und um das Gebäude herum weiter.

Das MRT-Gateway verhält sich im Bezug auf Reichweiten wie der MRT-Repeater.

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3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

c) Messergebnisse

Gebäudefunk

25


3. Einkaufszentrum Hamburger Straße

c) Messergebnisse

Gebäudefunk

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

a) Vorstellung des Bauwerks

Gebäudefunk

• 2 Eingänge zur U-Bahnstation

• Zwischenebene (1.UG)

• 2. Untergeschoss mit

Bahnsteigen

Verlauf der U-Bahnstrecke

Mobile Basisstation mit einer Höhe von 20 Metern in 800 Metern Entfernung.

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

a) Vorstellung des Bauwerks

Zwischengeschoss

Gebäudefunk

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

b) Versuchsaufbau/-durchführung

• Analogfunkgeräte: Motorola FuG 11b

• Digitalfunkgeräte: EADS THR 880i (1W), Sepura SRH 3500/3800

(1W) und SRG 3500 (10W)

• DMO-Repeater: Sepura SRH 3500/3800 (1W) und SRG 3500 (10W)

• TMO-Repeater: Hersteller Fa. Axell Wireless, Typ CSR414, 2

Kanäle

• Antennen und –kabel:

•MRT mit Dachantenne ¼ λ, 0dB, 3m über dem Erdboden

•50 m Antennenkabel ECOFLEX 10 / 50 Ω

•Stativantennen mit 70cm-Abstimmungsaufsätze, Hersteller Fa.

IKODA GmbH

•Kleinteile und Stecker

Gebäudefunk

29


4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

b) Versuchsaufbau/-durchführung

Aufstellungsorte

1. außen: HRT

2. innen, 2. UG; Antennen für TMO-

Repeater und kabelgebundenen DMO-

Repeater und einfache Antennenlösung

3. außen: TMO-Repeater, MRT für

kabelgebundenen DMO-Repeater und

einfache Antennenlösung

Gebäudefunk

Versuche in Tunnelanlagen mit analogen 2m-Band-Handsprechfunkgeräten wurden

vor fünf Jahren durchgeführt. Dabei wurden auch Erfahrungen mit dem

Absorptionsverhalten der unterschiedlichen Tunnelbauwerke gemacht.

Widererwarten verhielt sich eine reine Stahlabstützung positiv. Ein

Stahlbetonbauwerk mit Stützen und Querträgern absorbiert Funkwellen am besten.

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

b) Versuchsaufbau/-durchführung

Bahnsteig, Tunnelröhre und

Streckenverlauf

Gebäudefunk

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

c) Messergebnisse

TMO-Verbindung ohne Hilfsmittel:

Die Verbindung bricht in der Zwischenebene

ab (fast so schlecht wie am Jungfernstieg).

DMO-Verbindung ohne Hilfsmittel/Vergleich

Analogfunk:

Von Punkt 1 über die Luft nach Norden und

Süden in den Tunnel hinein: 150 Meter.

Der Analogfunk erzielt genau die gleichen

Reichweiten, allerdings müssen auf der 150

Meter-Markierung Meldungen wiederholt

werden und die Sprachqualität ist ab 100

Metern bereits sehr schlecht.

Gebäudefunk

Ein U-Bahnzug im Tunnel oder am Bahnsteig reduziert analog oder digital die

Reichweite um etwa 30 Meter. - Die Reichweiten liegen zwischen den Erfahrungen

BTC/Jungfernstieg und EKZ Hamburger Straße.

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

c) Messergebnisse

Zwischengeschoss

Bahnsteig

MRT

DMO-Verbindung mit kabelgebundener Antennenlösung im Tunnel:

Von Punkt 3 über Kabel zu Punkt 2: 300 Meter in den Tunnel hinein.

Gebäudefunk

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

c) Messergebnisse

Zwischengeschoss

Bahnsteig

DMO-Verbindung mit kabelgebundener Antennenlösung im Tunnel:

Von Punkt 3 über Kabel zu Punkt 2: 300 Meter in den Tunnel hinein

DMO-Verbindung mit kabelgebundener Antennenlösung im Tunnel und

Aufstellung eines HRT-Repeaters an der 300 Meter-Markierung:

Verlängerung der Eindringtiefe auf 600 Meter und DMO Kommunikation im

gesamten unterirdischen Bereich.

Gebäudefunk

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

c) Messergebnisse

TMO-Repeater

Zwischengeschoss

Bahnsteig

mobile Basisstation

TMO-Verbindung mit TMO-Repeater im Tunnel:

Von Punkt 1 über Kabel zu Punkt 2: 275 Meter in den Tunnel hinein.

Gebäudefunk

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4. U-Bahntunnel Joachim-Mähl-Straße

c) Messergebnisse

Feldstärke in Dbm

-10

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80

-90

-100

-110

-120

-130

0

Entfernung in Metern

700

650

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

HRT (1) über Luft

MRT (3) über

Antenne

DMO Repeater im

Tunnel

TMO Repeater (3)

HRT auf

Bahnsteig (2)

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5. Fazit

Reichweite im DMO:

• stark abhängig vom Bauwerk

• Vergleich mit analogen Funkgeräten

kann besser oder schlechter sein

• analog am Ende nur mit Rauschen, digital durchgängig gleich gut

Gebäudefunk

• Eindringtiefen von 100 Metern (auch wenn dabei ein Geschoss überwunden wird)

• Eindringtiefen in unterirdischen Gebäuden im 2.UG kleiner 50 Meter

• Einsätze in unterirdische Anlagen ab einem 2. UG erfordern in jedem Fall

Zubehör

• kabelgebundene Antennenanlagen

• Repeater

• Dies ist auch heute im Analogfunk der Fall.

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5. Fazit

DMO-Repeater:

Gebäudefunk

Tragbaren Repeater (HRT) verdoppeln die Eindringtiefen in Gebäuden (flexible,

schnell einsetzbare Lösung).

Fahrzeugfunkgeräte als DMO-Repeater außerhalb der Gebäude

• erhöhen die Reichweite (u.U. mit abgesetzter Antenne im Gebäude),

• verlängern die Arbeitszeit,

• reduzieren Diebstahlgefahr oder Verlust eines Handgerätes.

Es ist nicht möglich mehr als einen Repeater einzusetzen. Werden zwei Repeater

geschaltet, „hängen diese sich gegenseitig auf“. Dieser Fehler wird leider nicht von

den Geräten abgefangen.

Repeater und Endgeräte unterschiedlicher Hersteller sind nicht durchgängig

kompatibel.

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5. Fazit

TMO-Verbindung:

• stark abhängig vom Bauwerk

• Entfernung zur Basisstation hat geringeren Einfluss

• in Hamburg besteht in jedem gängigen oberirdischen Gebäude Netzverfügbarkeit

• in unterirdischen Gebäudeteilen/Anlagen Netzabdeckung nur im Umfeld einer

Basisstation

TMO-Repeater:

• gleiche Reichweiten wie DMO-Repeater

• mehr Sprachkanäle als DMO-Repeater, volle Netzfunktionalitäten

Gebäudefunk

• In der Praxis erweist sich der Aufbau von mobilen TMO-Repeatern mit Richtantennen

zur nächsten Basisstation und eine fehlende Breitbandigkeit für die Verwendung im

Einsatzspektrum der Feuerwehr bisher als untauglich.

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5. Fazit

geplante Arbeitsweise der Feuerwehr Hamburg

Gebäudefunk

Sehr gute Netzabdeckung auf der Straße, oberirdische Gebäude i.d.R. mit

Netzversorgung, Sonderbauten mit und ohne Netzabdeckung und mit und

ohne Gebäudefunkanlage

• Fahrzeugfunkgeräte, Rettungsdienst und Führungsebene bis zum

Fahrzeugführer (Gruppenführer) arbeiten im TMO

• Fahrzeugführer und Operative Ebene (Trupps) arbeiten im DMO (2

Handfunkgeräte für Fahrzeugführer)

• Einsatz von tragbaren Repeatern in großen Gebäuden ohne

Gebäudefunkanlage

• Gebäudefunkanlagen mit TMO- und DMO-Repeatern

• zurzeit keine Verwendung von Gateways geplant

40


5. Fazit

Fragen?

Vielen Dank!

Gebäudefunk

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