Projekt HAMNET an der Uni Duisburg-Essen

Integration des Standortes Bismarckstraße 81 (Ingenieurwissenschaften Fachgebiet Hochfrequenztechnik) der Universität Duisburg-Essen in die vorhandene Infrastruktur des europäischen Highspeed-Amateur-Radio-Network (HAMNET) zur Vernetzung digitaler Relaisfunkstellen im Ruhrgebiet über das DFN unter Zuhilfenahme von Richtfunkverbindungen sowie Bereitstellung von Highspeed-Nutzerzugängen für die in Duisburg und Umgebung wohnenden Funkamateure.

Das europäische HAMNET bildet zusammen mit dem ampr.org Netz ein welt-umspannendes Intranet für den Amateurfunkdienst. Es ist IP-basiert und nutzt automatisierte Routingprotokolle ¹⁾. Es dient zur breitbandigen Übertragung von Multimediadiensten - teilweise in Echtzeit - und zur Übertragung spezieller Datenströme für Experimente zur Verwaltung und Vernetzung automatischer Stationen für die Betriebsarten Sprach-, Bild-, Video- und Datenübertragung ²⁾.

In Deutschland und den angrenzenden Ländern werden im HAMNET zur Vernetzung bevorzugt Richtfunkstrecken verwendet, die auf eigenen Amateurfunkfrequenzen betrieben werden. Größere, per Richtfunk (noch) nicht vernetzbare Regionen und die weltweite Anbindung werden durch VPN-Tunnel im Internet zusammengeführt. Ein direkter Durchgriff vom Internet ins HAMNET und umgekehrt ist nicht vorgesehen ³⁾.

Die wichtigsten leitungsgebundenen Netzknoten sind innerhalb des Deutschen Forschungsnetzes (DFN) angesiedelt. Dabei wird der Amateurfunkdienst als experimenteller, technisch-wissenschaftlicher Funkdienst auf non-profit Basis von zahlreichen Universitäten, Fachhochschulen und deren Einrichtungen unterstützt ⁴⁾.

Das Gebäude BB in der Bismarckstraße 81 des Campus Duisburg der Universität Duisburg-Essen beherbergt seit vielen Jahren Amateurfunkeinrichtungen. Es bildet einen idealen Standort für die Vernetzung der Regionen Ruhrgebiet und Niederrhein.

Einerseits bietet die Höhe des Gebäudes sehr gute Voraussetzungen zur Anbindung an das in den Nachbarstädten bereits vorhandene HAMNET-Richtfunksystem, andererseits liefert ein Anschluss an das DFN-Netz sehr gute Anbindungsmöglichkeiten mit niedrigen Latenzzeiten zu den HAMNET-Knoten an anderen Universitätsstandorten ohne dass in den meisten Fällen das DFN-Netz verlassen werden muss.

Deswegen bietet der Standort optimale Bedingungen zur Untersuchung der Versorgungsqualität mehrerer Sprechfunkrelais mit Audiostreams, die sowohl leitungsgebundene als auch mehrere hintereinander liegende Hf-Richtfunkstrecken mit schwankenden Funkfeldeigenschaften durchlaufen müssen.

• Betrieb auf der Grundlage des Gesetzes über den Amateurfunkdienst und seiner Durchführungsverordnungen in der jeweils gültigen Fassung
• Exklusive Nutzung der dem Amateurfunkdienst zugewiesenen Frequenzen in den Bereichen 2320-2450MHz, 3400-3475MHz, 5650-5850MHz
• Genehmigung, Zulassung und Koordinierung mit anderen Funkdiensten (militärisch und zivil) und Sicherstellung der Kompatibilität mit am Standort vorhandenen Funkdiensten erfolgt durch die Bundesnetzagentur (BNetzA) Außenstelle Mülheim.
• Die Zuteilung der BNetzA benennt die juristische Person (Inhaber einer Zulassung zur Teilnahme am Amateurfunkdienst), die ihr gegenüber als Verantwortlicher für die Anlage gilt.
• Aufbau, Wartung und Betrieb erfolgt in Abstimmung mit dem Fachgebiet Hochfrequenztechnik der Universität durch lizensierte Funkamateure und weitere beauftragte, fachkundige Personen.
• Automatisierte Qualitätsüberwachung und Fernwartung minimiert die Anzahl notwendiger Wartungsbesuche vor Ort.
• Einhaltung der Vorgaben für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entsprechend Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSch)
• minimaler Stromverbrauch durch moderne, hochintegrierte Baugruppen
• Aufbau und Betrieb der erforderlichen Antennenanlage erfolgt nach den einschlägigen Vorschriften für Elektroanlagen und Antennenbau.
• Integration in den am Standort vorhandenen Blitzschutz und Potentialausgleich gemäß DIN EN Norm und VDE Richtlinien.
• Berücksichtigung standort- und gebäudespezifischer Erfordernisse (Stromversorgung, Kabelführung, Personen- und Sabotageschutz, …)

Das HAMNET-WEST ist ein über Richtfunkstrecken ⁵⁾ zusammenhängender Teil des deutschen HAMNET. Über leistungsfähige VPN-Tunnel verbindet es von einem zentralen Knoten ⁶⁾ aus andere Teile des deutschen HAMNET und stellt den nationalen Übergang nach Luxemburg bereit. Es umfasst praktisch den ganzen Raum NRW und besteht aus einzelnen AS (AS=Autonomes System), die in ihrer Ausdehnung grob den einzelnen Distrikten des DARC e.V. entsprechen. Jedes AS enthält mehrere, durch Amateurfunkrufzeichen eindeutig definierte Standorte. Ein AS organisiert sich nach innen weitgehend unabhängig und ist mit seinen Nachbarn über das eBGP-Routingprotokoll verbunden. Genaureres zu Aufbau und Struktur findet man auf den Seiten der DL-IP-Koordination AmprNet.

Richtfunknetz des HAMNET-WEST (Stand Mai 2014)

Quelle: http://hamnetdb.net

Der HAMNET-Knoten an der Universität Duisburg-Essen soll aus zwei Richtfunkstrecken zu benachbarten HAMNET-Standorten in Mülheim (Master) und Essen (Backup) bestehen. Diese stellen die redundante HAMNET-Einbindung des Standortes auf dem Gebäude BB bereit und gewährleisten die Versorgung verschiedener Relaisfunkstellen bei DF0MHR in Mülheim sowie DB0GOS und DB0WE in Essen mit den weltweit vernetzten Knoten für D-Star, DMR- und Echolink-Systeme. Die Anbindung erfolgt von DB0GW in Duisburg aus über das Deutsche Forschungsnetz (DFN).

Die Richtfunkstrecken laufen im Gigahertz-Bereich. Daher ist aus technischen Gründen eine quasi-optische Sichtverbindung zwischen den Standorten und ein möglichst hindernisfreies Funkfeld (1.Fresnelzone) zwingend erforderlich. Es werden, je nach Erfordernissen, Parabolspiegel mit max. 65cm Durchmesser oder quadratische Planarantennen mit ca. 350x350mm Außenabmessung eingesetzt (siehe Bild 1).

Bild: Für Richtfunkstrecken verwendete Antennentypen und Outdoor-Units am Beispiel
von DB0GOS in Essen (198m ü. NN)

Die Sende-/Empfangselektronik sitzt wetterfest in einem Metallgehäuse direkt an oder in den Antennen. Die Betriebsspannungs- und Signalzuführung erfolgt je Antenne über ein doppelt geschirmtes, UV-beständiges Ethernetkabel von einem verschließbaren Betriebsschrank in 19-Zoll-Technik aus, der als Indoor-Unit im Inneren des Gebäudes untergebracht wird.

Die Montage der Antennen kann statisch bestimmt mit kurzen Maststummeln an der umlaufenden Brüstung der Antennenplattform so erfolgen, dass diese nur gerade eben über den Brüstungsschutz hinausschauen. Sie stellt für die Gebäudestruktur keinerlei Statik- oder Windlastproblem dar. Die Integration in Blitzschutz und Potentialausgleich ist dabei kein Problem. Sowohl für das Bauwerk als auch für dessen Benutzer stellt eine solche Konstruktion kein erhöhtes Gefahrenmoment dar.

Darüber hinaus werden zwei kleine Rundstrahlantennen für drahtlose Benutzereinstiege im Stadtgebiet Duisburg und Umgebung angebracht. Auch diese Antennen laufen im Gigahertz-Bereich und erfordern quasioptische Sicht zu den potentiellen Benutzern.

Verwendet werden kleine Antennen mit extrem niedriger Windlast, an deren Anschlusspunkten ebenfalls kleine Sende-/Empfangseinheiten direkt verbaut werden können. Die Spannungs- und Signalzuführung erfolgt ebenfalls über doppelt geschirmte, UV-beständige Ethernetkabel. Auch hier ist eine Verlegung dicker Antennenkabel nicht erforderlich. Es genügt, wenn diese von unten fast unsichtbaren Antennen gerade eben freie Rundumsicht erreichen. Blitzschutz und Potentialausgleich siehe Richtfunkantennen.

Innerhalb des Betriebsraumes wird das vorhandene Holzregal durch einen verschließbaren 19-Zoll-Netzwerkschrank als Indoor-Unit ersetzt. Darin werden die bisherigen Amateurfunk-Baugruppen des Bakenprojektes DB0GW, die Elektronik des Sprechfunkrelais DB0DR und die Sendebaugruppen des Radiosenders CampusFM inklusive der Zusatzbaugruppen mit untergebracht. Neu hinzu kommen dann einige Baugruppen für die HAMNET-Funktionalität. 230V-Stromversorgung steht am Aufbauort zur Verfügung.

Für die HAMNET-Funktionalität sind ein Ethernetanschluss an das Uni-Netz (DFN/Internet) sowie mehrere ungefilterte öffentliche IPv4-Nummern aus dem Netz der Universität erforderlich. Neu hinzu kommen eine 1HE-Einheit für einen leistungsfähigen Router, der die Richtfunk- und Userzugangseinheiten mit den Internetstreams der digitalen Sprechfunkrelais verbindet und für den Standort den Zugriff auf das gesamte HAMNET sicherstellt. Des Weiteren wird im Schrank ein Server auf Linuxbasis untergebracht, der die Streamingsoftware, Proxy- und weitere Dienste für das HAMNET bereitstellt. Sowohl Router als auch Server enthalten eigene Firewalls.

Bild: zentraler Router in 1HE-19-Zoll-Technik

Der Schrank ist als Ganzmetallausführung ausgeführt und wird von der Betreibergruppe dauerhaft zur Verfügung gestellt. Dieser Schrank kann – je nach den baulichen Gegebenheiten – als Wandschrank oder als Standgehäuse ausgeführt werden. Es wird eine Schrankausführung in 19-Zoll-Technik (mind. 48 HE) bevorzugt. Bei Verwendung der 19-Zoll-Technik können die erforderlichen neuen Baugruppen in 1HE- oder 2HE-Einschüben aufgebaut werden.

Vom geplanten Indoor-Standort des Schrankes ist eine problemlose Kabelführung zu den äußeren Antennen über Ganzmetall-Kabelschächte bereits vorhanden. Die Kabellänge der zu verlegenden Ethernetkabel mit je etwa 6mm Durchmesser beträgt maximal 30m und überschreitet dadurch nicht das technisch vorgegebene Maximalmaß von 100m.

Anhand der auf den folgenden Seiten durchgeführten Funkfeldberechnungen und der zur Verfügung stehenden Daten der einsetzbaren Technik ergeben sich für den Standort auf dem Gebäude BB an der Bismarckstraße die folgenden zu erwartenden Leistungsparameter:

Durch Einsatz eines energieeffizeinten „ECO“-Servers am Standort beträgt die zu erwartende Leistungsaufnahme ca. 111 Watt. Selbst bei Erweiterung der Anlage durch 1-2 zusätzliche Richtfunkstrecken und/oder kleinere embedded-Serveranwendungen (Rasperry Pi usw) wird eine maximale Leistungsaufnahme von 150 Watt nicht überschritten. Damit werden selbst die strengen Anforderungen der DFMG für den Betrieb von Amatweurfunkstellen auf Fernmeldetürmen unterboten. Die gesamte HAMNET-Anlage ist dadurch auch notfunktauglich und für alternative Stromversorgung geeignet.

Bild: typische Outdoor Sende-Empfangseinheit

Länge 4,02km, Antennenrichtung 82,7° auf Norden bezogen

Streckenprofil:

Feldstärkeabschätzung bei 15W EIRP:

Ergebnis: Der Link ist realisierbar.

Länge 14,41km, Antennenrichtung 98,75° auf Norden bezogen

Streckenprofil:

Feldstärkeabschätzung bei 15W EIRP:

Ergebnis: Der Link ist realisierbar.

Von den angestrebten Netzanbindungen sind ausnahmslos alle Funkverbindungen problemlos im Rahmen der von der BNetzA vorgegebenen Parameter für den Betrieb automatischer Stationen des Amateurfunkdienstes mit relativ geringen Mitteln realisierbar.

Die Reichweite der rundstrahlenden Benutzerzugänge ist wegen der verwendeten niedrigen Sendeleistung auf ca. 15km Radius anzusetzen und bei direkter Sichtverbindung im Wesentlichen von der beim jeweiligen Funkamateur vor Ort vorhandenen Antennengröße abhängig. Die Gebiete der Stadt Duisburg sowie Teile von Moers können damit versorgt werden.

Die topografische Lage und die baulichen Gegebenheiten ermöglichen eine ideale Entkopplung zu weiteren Standorten öffentlicher und nichtöffentlicher Funkdienste (Fernsehsender, Fernmeldetürme, andere Standorte militärischer und kommerzieller Telekommunikationseinrichtungen sowie anderen am Standort betriebener Fernmeldeanlagen der Universität Duisburg-Essen).

Die auf den Richtfunkstrecken und den Rundstrahleinheiten verwendeten Sendeleistungen stellen keine Gefährdung von in der Nähe der Antennen arbeitendem Personal dar (z.B. bei Aufenthalt auf der Antennenplattform). Herzschrittmachergrenzwerte sind wegen der niedrigen Feldstärken, der verwendeten Frequenzen und örtlichen Gegebenheiten vernachlässigbar.

Für die Benutzerzugänge stehen laut Bandplan und Vorgaben der BNetzA 2 Frequenzen zur Verfügung:

Beide Frequenzen wurden bei der BNetzA beantragt, weil wegen der Topografie und Entfernung zu Nachbarstationen bei Verwendung von Rundstrahlern oder Sektorantennen keine Beeinträchtigungen zu erwarten sind.

Die zu verwendenden Frequenzen für die Richtfunkstrecken müssen mit den Nachbarn koordiniert sein, damit Mehrfachverwendungen an einem Standort möglichst ausgeschlossen werden können. Für den Standort Duisburg ergibt sich in Anhängigkeit der derzeitigen Situation bei den möglichen Linkpartnern folgende Frequenzwahl:

Aufgrund bestehender Verwaltungsvorschriften wurden für die Strecke Duisburg-Mülheim zwei nebeneinander liegende Funkkanäle beantragt. Diese werden dann gebündelt und mit 20 MHz Bandbreite betrieben. Der Datendurchsatz wird sich durch diese Maßnahme fast verdoppeln.

Für den unbeaufsichtigten 24h-Betrieb der Hochfrequenzeinrichtungen ist bei der BNetzA Außenstelle Mülheim ein Antrag auf Genehmigung einer automatischen Amateurfunkstelle der Lizenzklasse A als Experimentalfunkstelle nach $16 Abs.2 der Amateurfunkverordnung zu stellen. Als Antragsformular dient das Standardformular nach $13 Abs.1. Die Formulare lassen sich auf der Website der BNetzA downloaden.

Im Antrag muss ein lizenzierter Funkamateur, der über eine korrespondierende Lizenzklasse verfügt, mit seinem Rufzeichen als sogenannter „Verantwortlicher“ eingetragen werden. Genehmigungen für automatische Stationen können grundsätzlich nur an Rufzeichen einzelner Funkamateure gebunden und nicht auf einen Verein, eine Interessengruppe, Institution oder Körperschaft ausgestellt werden.

An der Universität Duisburg-Essen wurden seit vielen Jahren bereits mehrere Rufzeichen betrieben. Daher liegt es nahe, eine vorhandene Zulassung auf den Betrieb von HAMNET zu erweitern. Deshalb wurde bei der BNetzA ein Erweiterungsantrag für die automatische Station mit dem Rufzeichen DB0GW gestellt. Als Betriebsort ist darin das Gebäude BB an der Bismarckstraße 81 der Universität Duisburg-Essen eingetragen. Verantwortlicher für das Rufzeichen DB0GW ist Prof. Dr. Ing. Klaus Solbach DK3BA.

Das HAMNET-Projekt an der Universität Duisburg-Essen ist „dual-homed“. Es benötigt einerseits IP-Ressourcen aus dem DFN/Internetpool der Universität (CIDR Netzblock 134.91.0.0/16). Andererseits werden Netzblöcke aus dem für das deutsche HAMNET exklusiv reservierten Teil des 44.0.0.0/8 Netzes benötigt.

Der Anschluss an das Universitätsnetz wurde mit der LAN-Gruppe des Rechenzentrums bzw. mit den Mitarbeitern des ZIM abgestimmt. Es stehen mehrere IP-Nummerhn am STandort zur Verfügung. Deren Anzahl kann jederzeit den Erfordernissen angepasst werden. Die Zuweisung der Netzblöcke aus dem HAMNET ist bereits durch die DL-IP-Koordination AmprNet erfolgt.

Zur Realisierung des Projektes wird ein permanenter Ethernetanschluss an das öffentliche Universitätsnetz benötigt. Erfreulicherweise steht uns eine Anschlussbandbreite von 1GBit/s steht zur Verfügung. Dies wird durch einen festen Glasfaseranschluss am zentralen Backbonerouter des Gebäudes realisiert. Für den Anfang stehen direkt am Standort 4 feste IP-Nummern aus dem DFN-Netz zur Verfügung. Im Rechenzentrum der Universität stehen in einem gesonderten Serverschrank weitere Ressourcen für das Projekt zur Verfügung. Das Projekt betreibt eine eigene Firewall zur Absicherung der Geräte und zum Schutz des DFN-Netzes und des HAMNET ⁷⁾.

Die für den Anschluss des Standortes an das HAMNET erforderlichen IP-Ressourcen wurden durch den Amateurfunkdienst im Rahmen der Selbstverwaltung koordiniert. Es stehen getrennte Netzwerkblöcke für den Backbone-Bereich auf den Linkstrecken und für lokale Dienste und Benutzerzugänge am Standort zur Verfügung ⁸⁾:

Alle dem HAMNET zugeordneten Devices des Standortes werden an das zentrale Monitoring des Distrikt-Ruhrgebiet angeschlossen. Sie sind über das HAMNET jederzeit fernwartbar. Bei größeren Betriebsstörungen innerhalb des HAMNET ist der Standort für eine redundante Notfallwartung über den DFN-Anschluss jederzeit „out-of-band“ erreichbar. Hierdurch werden Wartungsbesuche auf ein Minimum reduziert und den Anforderungen an automatische Amateurfunkstellen Rechnung getragen.

Das Projekt „HAMNET an der Universität Duisburg-Essen“ wird von einer Gruppe von fachlich qualifizierten Funkamateuren in ZUsammenarbeit mit dem Bereich Ingenieurwissenschaften Fachgebiet Hochfrequenztechnik unter Leitung von Univ. Prof. Dr. Ing. Klaus Solbach betrieben.

Die Betreibergruppe plant, beschafft, baut, pflegt und wartet die zum Projekt gehörenden Geräte, Antennen und Installationen nach Absprache mit den zuständigen Mitarbeitern der Universität weitgehend eigenverantwortlich. Einige „externe“ Personen benötigen daher vor Ort Zugang zu den zum Projekt gehörenden Geräten, Antennen und sonstigen Installationen.

Als „juristische Person“ steht bei Bedarf ein gemeinnütziger, eingetragener Verein zur Verfügung, der bereits seit vielen Jahren mehrere Relaisfunkstellen unterhält:

Amateufunk-Relais Interessenten und Betreiber e.V. (ARIB e.V.)
Vereinsregister VR14664 Amtsgericht Gelsenkirchen
Kortzmannstraße 3
46238 Bottrop

Die für das Projekt „HAMNET an der Universität Duisburg-Essen“ zu erfüllenden Anforderungen sind am Standort Bismarckstraße 81, Gebäude BB der Universität unter den in dieser Beschreibung gegebenen Bedingungen und Annahmen mit verhältnismäßig geringem Aufwand vollständig realisierbar. Im August 2014 wird mit dem Aufbau begonnen und die erforderlichen Anträge auf Genehmigung bei der BNetzA gestellt.

Duisburg/Rees im Juni 2014
Egbert Zimmermann DD9QP
VUS-Referent Distrikt-L im DARCe.V.