Design, implementation and validation of tools for the performance analysis of wireless railway communications

Resumen

La industria ferroviaria tiene como objetivo la mejora de su infraestructura de cara a ser más fiable y segura. Además, el incremento en la demanda de los servicios ferroviarios, requiriendo más capacidad y una mayor flexibilidad, destaca la necesidad de una mejora en los sistemas de comunicaciones ferroviarios actuales. En consecuencia, el hecho de evolucionar los sistemas de comunicación inalámbricos es necesario para proporcionar el servicio requerido para las diferentes aplicaciones ferroviarias.Actualmente, los sistemas inalámbricos de comunicaciones para trenes conllevan una serie de limitaciones en términos de rendimiento, obsolescencia y/o disponibilidad. Además, muchas de las aplicaciones emergentes requieren de un mayor rendimiento en las tecnologías de comunicaciones. De este modo, una evolución de estos sistemas de comunicaciones ferroviarios es necesaria. Esta evolución debiera considerar diferentes aproximaciones. La primera, usando una infraestructura exclusiva para comunicaciones ferroviarias. La segunda, usando la red móvil pública terrestre. La tercera y última, desplegando funcionalidades específicas para el ferrocarril en las redes móviles comerciales para soportar aplicaciones ferroviarias. Sin embargo, esta nueva infraestructura requiere de un desembolso económico importante, aunque su uso exclusivo en el ámbito del ferrocarril pudiera ser beneficioso. Por otro lado, ciertas tecnologías terrestres que pudieran utilizarse como candidatas a las comunicaciones actuales están ya desplegadas. No obstante, estas redes se centran en el usuario final sin considerar entre ellos los ferrocarriles. Además, aunque existen diferentes opciones con respecto a estas tecnologías como LTE, Satélite o 5G, no hay un claro ganador para ello. De esta manera, es necesario un análisis de las diferentes tecnologías candidatas. Finalmente, se debería de tomar una decisión de cara a la elección de las tecnologías que compondrían el nuevo sistema de comunicación inalámbrico. Sin embargo, esta elección no es sencilla. El alcance de esta disertación es definir una metodología que permita analizar el rendimiento de las diferentes tecnologías de comunicación inalámbricas. Por lo tanto, esto brinda la identificación de problemas existentes en las tecnologías analizadas en el ámbito ferroviario. También, esta metodología provee la posibilidad de testear aplicaciones ferroviarias en laboratorio para prever su funcionamiento. Consecuentemente, estas contribuciones podrían arrojar luz sobre la decisión del futuro despliegue de las comunicaciones ferroviarias conforme a los requisitos de la aplicación correspondiente. A continuación, con el fin de analizar las diferentes tecnologías de comunicación que ayudarán en la decisión del nuevo sistema de comunicación para ferrocarriles, se crean diferentes herramientas: (1) una herramienta capaz de analizar las tecnologías de comunicación inalámbricas existentes a lo largo de una vía ferroviaria para conocer sus capacidades actuales y averiguar cómo puede afectar el entorno a éstas, (2) una herramienta capaz de emular varios canales de comunicación en el laboratorio para probar diferentes aplicaciones ferroviarias aportando una reducción de costes y de tiempo, (3) una herramienta capaz de inyectar fallos en el ámbito de la aplicación de ETCS. Este trabajo muestra el estado del arte de las comunicaciones inalámbricas en el ámbito ferroviario y propone una metodología a seguir con el objetivo de poder analizar las tecnologías existentes para un sistema de comunicaciones nuevo. Además, se explican la definición, la implementación y la validación de las herramientas propuestas. Finalmente, se presentan los resultados de pruebas en campo y las conclusiones del trabajo. En este contexto, La Unión Europea ha fundado proyectos relacionados con las comunicaciones ferroviarias. Este trabajo de investigación se enmarca dentro de los proyectos de investigación europeos como X2RAIL-1, X2RAIL-3 y X2RAIL-5