Estudio sobre un sistema de radiocomunicaciones ferroviarias de acuerdo al paradigma 4G

No hay duda de que el ferrocarril es uno de los símbolos del avance tecnológico y social de la humanidad, y su imparable avance desde el primer tercio del Siglo XIX así lo atestigua. No obstante, a lo largo de gran parte de su historia se ha mostrado algo renuente a abrazar ciertas tecnologías, lo que le ha causado ser tachado de conservador. Sin embargo, en los últimos años, coincidiendo con el auge masivo de los trenes de alta velocidad, los metropolitanos y los tranvías, muchas tecnologías han ido penetrando en el mundo del ferrocarril. La que hoy nos ocupa es una de las que mayor valor añadido le ha proporcionado (y que probablemente le proporcionará también en el futuro): las comunicaciones móviles. Actualmente el uso de este tipo de tecnologías en el entorno ferroviario puede calificarse como de inicial o, por seguir la nomenclatura de las comunicaciones móviles públicas, de segunda generación. El GSM-R en las líneas de alta velocidad es un caso (aunque de éxito al fin y al cabo) que define perfectamente el estado del arte de las comunicaciones móviles en este entorno, ya que proporcionó un gran valor añadido a costa de un gran esfuerzo de estandarización; ha supuesto un importante salto adelante en el campo de la fiabilidad de este tipo de sistemas, aunque tiene unas grandes limitaciones de capacidad y graves problemas de escalabilidad. Todo hace pensar que en 2025 el sustituto de GSM-R deberá estar en el mercado. En cualquier caso, se debería abandonar la filosofía de crear productos de nicho, que son extraordinariamente caros, y abrazar las filosofías abiertas de las redes de comunicaciones públicas. Aquí es donde LTE, la última gran estrella de esta familia de estándares, puede aportar mucho valor. La idea subyacente detrás de esta Tesis es que LTE puede ser una tecnología que aporte gran valor a las necesidades actuales (y probablemente futuras) del sector del ferrocarril, no solamente en las líneas y trenes de alta velocidad, sino en las denominadas líneas convencionales y en los metros y tranvías. Dado que es un campo aún a día de hoy que dista bastante de estar completamente estudiado, se ha explorado la problemática de la propagación electromagnética en los diferentes entornos ferroviarios, como pueden ser los túneles de metro y la influencia de las estructuras de los trenes. En este sentido, se ha medido de forma bastante exhaustiva en ambos entornos. Por otro lado, dado que los sistemas multiantena son uno de los pilares fundamentales de los modernos sistemas de comunicaciones, se ha verificado de forma experimental la viabilidad de esta tecnología a la hora de implementar un sistema de comunicaciones trentierra en un túnel. Asimismo, de resultas de estas medidas, se ha comprobado la existencia de ciertos fenómenos físicos que pueden suponer una merma en la eficiencia de este tipo de sistemas. En tercer lugar, y dado que uno de los grandes desafíos de las líneas de alta velocidad está provocado por la gran celeridad a la que se desplazan los trenes, se ha explorado la influencia de este parámetro en la eficiencia global de una red completa de comunicaciones móviles. Por supuesto, se ha hecho especial hincapié en los aspectos relacionados con la gestión de la movilidad (traspasos o handovers Por último, a modo de cierre de la Tesis, se ha tratado de identificar los futuros servicios de comunicaciones que aportarán más valor a las explotaciones ferroviarias, así como los requisitos que supondrán para las redes de comunicaciones móviles. Para los casos antes enunciados (propagación, sistemas multiantena, movilidad y desafíos futuros) se proporcionan las contribuciones ya publicadas en revistas y congresos internacionales, así como las que están enviadas para su revisión. ABSTRACT There is almost no doubt that railways are one of the symbols of the technological and social progress of humanity. However, most of the time railways have been somewhat reluctant to embrace new technologies, gaining some reputation of being conservative. But in the last years, together with the massive boom of high speed lines, subways and trams all over the world, some technologies have broken through these conservative resistance. The one which concerns us now is one of the most value-added (both today and in the future): mobile communications. The state-of-the-art of these technologies in the railway field could be called as incipient, or (following the mobile communications’ notation) ‘second generation’. GSM-R, the best example of mobile communications in railways is a success story that shows perfectly the state-of-the-art of this field: it provided a noticeable mark-up but also required a great standardization effort; it also meant a huge step forward in the reliability of these systems but it also needs to face some scalability issues and some capacity problems. It looks more than feasible that in 2025 the alternative to GSM-R should be already available. Anyway, the vision here should be forgetting about expensive niche products, and embracing open standards like public mobile communications do. The main idea behind this Thesis is that LTE could be a technology that provides a lot of added value to the necessities of the railways of today and the future. And not only to highspeed lines, but also to the so-called conventional rail, subways and tramways. Due to the fact that even today, propagation in tunnels and influence of car bodies is far from being full-studied, we measured in a very exhaustive way the EM propagation in these two environments. Also, multiantenna systems are one of the basic foundations of the modern communications systems, so we experimentally verified the feasibility of using such a system in a train-towayside in a tunnel. Moreover, from the measurements carried out we proved the existence of some physical phenomena that could imply a decrease in the performance of these multiantenna systems. In third place, we have explored the influence of high-speed in the whole performance of the network, from the mobility management point-of-view. This high-speed movement is one of the most relevant challenges for the mobile communications networks. The emphasis was placed on the mobility aspects of the radio resource management. Finally, the Thesis closure is an identification of the future communication services that could provide a bigger addition of value to railways, and also the requirements that imply to mobile communications networks. For all the previous for scenarios depicted before (propagation, multiantenna systems, mobility and challenges) we provide some contributions already published (or submitted for revision or still in progress) on publications and international conferences.

Contribución a la localización en interiores basada en comunicaciones inalámbricas

Determinar con buena precisión la posición en la que se encuentra un terminal móvil, cuando éste se halla inmerso en un entorno de interior (centros comerciales, edificios de oficinas, aeropuertos, estaciones, túneles, etc), es el pilar básico sobre el que se sustentan un gran número de aplicaciones y servicios. Muchos de esos servicios se encuentran ya disponibles en entornos de exterior, aunque los entornos de interior se prestan a otros servicios específicos para ellos. Ese número, sin embargo, podría ser significativamente mayor de lo que actualmente es, si no fuera necesaria una costosa infraestructura para llevar a cabo el posicionamiento con la precisión adecuada a cada uno de los hipotéticos servicios. O, igualmente, si la citada infraestructura pudiera tener otros usos distintos, además del relacionado con el posicionamiento. La usabilidad de la misma infraestructura para otros fines distintos ofrecería la oportunidad de que la misma estuviera ya presente en las diferentes localizaciones, porque ha sido previamente desplegada para esos otros usos; o bien facilitaría su despliegue, porque el coste de esa operación ofreciera un mayor retorno de usabilidad para quien lo realiza. Las tecnologías inalámbricas de comunicaciones basadas en radiofrecuencia, ya en uso para las comunicaciones de voz y datos (móviles, WLAN, etc), cumplen el requisito anteriormente indicado y, por tanto, facilitarían el crecimiento de las aplicaciones y servicios basados en el posicionamiento, en el caso de poderse emplear para ello. Sin embargo, determinar la posición con el nivel de precisión adecuado mediante el uso de estas tecnologías, es un importante reto hoy en día. El presente trabajo pretende aportar avances significativos en este campo. A lo largo del mismo se llevará a cabo, en primer lugar, un estudio de los principales algoritmos y técnicas auxiliares de posicionamiento aplicables en entornos de interior. La revisión se centrará en aquellos que sean aptos tanto para tecnologías móviles de última generación como para entornos WLAN. Con ello, se pretende poner de relieve las ventajas e inconvenientes de cada uno de estos algoritmos, teniendo como motivación final su aplicabilidad tanto al mundo de las redes móviles 3G y 4G (en especial a las femtoceldas y small-cells LTE) como al indicado entorno WLAN; y teniendo siempre presente que el objetivo último es que vayan a ser usados en interiores. La principal conclusión de esa revisión es que las técnicas de triangulación, comúnmente empleadas para realizar la localización en entornos de exterior, se muestran inútiles en los entornos de interior, debido a efectos adversos propios de este tipo de entornos como la pérdida de visión directa o los caminos múltiples en el recorrido de la señal. Los métodos de huella radioeléctrica, más conocidos bajo el término inglés “fingerprinting”, que se basan en la comparación de los valores de potencia de señal que se están recibiendo en el momento de llevar a cabo el posicionamiento por un terminal móvil, frente a los valores registrados en un mapa radio de potencias, elaborado durante una fase inicial de calibración, aparecen como los mejores de entre los posibles para los escenarios de interior. Sin embargo, estos sistemas se ven también afectados por otros problemas, como por ejemplo los importantes trabajos a realizar para ponerlos en marcha, y la variabilidad del canal. Frente a ellos, en el presente trabajo se presentan dos contribuciones originales para mejorar los sistemas basados en los métodos fingerprinting. La primera de esas contribuciones describe un método para determinar, de manera sencilla, las características básicas del sistema a nivel del número de muestras necesarias para crear el mapa radio de la huella radioeléctrica de referencia, junto al número mínimo de emisores de radiofrecuencia que habrá que desplegar; todo ello, a partir de unos requerimientos iniciales relacionados con el error y la precisión buscados en el posicionamiento a realizar, a los que uniremos los datos correspondientes a las dimensiones y realidad física del entorno. De esa forma, se establecen unas pautas iniciales a la hora de dimensionar el sistema, y se combaten los efectos negativos que, sobre el coste o el rendimiento del sistema en su conjunto, son debidos a un despliegue ineficiente de los emisores de radiofrecuencia y de los puntos de captura de su huella. La segunda contribución incrementa la precisión resultante del sistema en tiempo real, gracias a una técnica de recalibración automática del mapa radio de potencias. Esta técnica tiene en cuenta las medidas reportadas continuamente por unos pocos puntos de referencia estáticos, estratégicamente distribuidos en el entorno, para recalcular y actualizar las potencias registradas en el mapa radio. Un beneficio adicional a nivel operativo de la citada técnica, es la prolongación del tiempo de usabilidad fiable del sistema, bajando la frecuencia en la que se requiere volver a capturar el mapa radio de potencias completo. Las mejoras anteriormente citadas serán de aplicación directa en la mejora de los mecanismos de posicionamiento en interiores basados en la infraestructura inalámbrica de comunicaciones de voz y datos. A partir de ahí, esa mejora será extensible y de aplicabilidad sobre los servicios de localización (conocimiento personal del lugar donde uno mismo se encuentra), monitorización (conocimiento por terceros del citado lugar) y seguimiento (monitorización prolongada en el tiempo), ya que todos ellas toman como base un correcto posicionamiento para un adecuado desempeño. ABSTRACT To find the position where a mobile is located with good accuracy, when it is immersed in an indoor environment (shopping centers, office buildings, airports, stations, tunnels, etc.), is the cornerstone on which a large number of applications and services are supported. Many of these services are already available in outdoor environments, although the indoor environments are suitable for other services that are specific for it. That number, however, could be significantly higher than now, if an expensive infrastructure were not required to perform the positioning service with adequate precision, for each one of the hypothetical services. Or, equally, whether that infrastructure may have other different uses beyond the ones associated with positioning. The usability of the same infrastructure for purposes other than positioning could give the opportunity of having it already available in the different locations, because it was previously deployed for these other uses; or facilitate its deployment, because the cost of that operation would offer a higher return on usability for the deployer. Wireless technologies based on radio communications, already in use for voice and data communications (mobile, WLAN, etc), meet the requirement of additional usability and, therefore, could facilitate the growth of applications and services based on positioning, in the case of being able to use it. However, determining the position with the appropriate degree of accuracy using these technologies is a major challenge today. This paper provides significant advances in this field. Along this work, a study about the main algorithms and auxiliar techniques related with indoor positioning will be initially carried out. The review will be focused in those that are suitable to be used with both last generation mobile technologies and WLAN environments. By doing this, it is tried to highlight the advantages and disadvantages of each one of these algorithms, having as final motivation their applicability both in the world of 3G and 4G mobile networks (especially in femtocells and small-cells of LTE) and in the WLAN world; and having always in mind that the final aim is to use it in indoor environments. The main conclusion of that review is that triangulation techniques, commonly used for localization in outdoor environments, are useless in indoor environments due to adverse effects of such environments as loss of sight or multipaths. Triangulation techniques used for external locations are useless due to adverse effects like the lack of line of sight or multipath. Fingerprinting methods, based on the comparison of Received Signal Strength values measured by the mobile phone with a radio map of RSSI Recorded during the calibration phase, arise as the best methods for indoor scenarios. However, these systems are also affected by other problems, for example the important load of tasks to be done to have the system ready to work, and the variability of the channel. In front of them, in this paper we present two original contributions to improve the fingerprinting methods based systems. The first one of these contributions describes a method for find, in a simple way, the basic characteristics of the system at the level of the number of samples needed to create the radio map inside the referenced fingerprint, and also by the minimum number of radio frequency emitters that are needed to be deployed; and both of them coming from some initial requirements for the system related to the error and accuracy in positioning wanted to have, which it will be joined the data corresponding to the dimensions and physical reality of the environment. Thus, some initial guidelines when dimensioning the system will be in place, and the negative effects into the cost or into the performance of the whole system, due to an inefficient deployment of the radio frequency emitters and of the radio map capture points, will be minimized. The second contribution increases the resulting accuracy of the system when working in real time, thanks to a technique of automatic recalibration of the power measurements stored in the radio map. This technique takes into account the continuous measures reported by a few static reference points, strategically distributed in the environment, to recalculate and update the measurements stored into the map radio. An additional benefit at operational level of such technique, is the extension of the reliable time of the system, decreasing the periodicity required to recapture the radio map within full measurements. The above mentioned improvements are directly applicable to improve indoor positioning mechanisms based on voice and data wireless communications infrastructure. From there, that improvement will be also extensible and applicable to location services (personal knowledge of the location where oneself is), monitoring (knowledge by other people of your location) and monitoring (prolonged monitoring over time) as all of them are based in a correct positioning for proper performance.