Advanced communication for smart rail

Abstract

Este Proyecto se trata de analizar el diseño de una red de comunicación inteligente de alta frecuencia para ferrocarriles, basándose en un cuidadoso estudio de las distintas tecnologías. Los entornos ferrocarriles son complicados de analizar, ya que el tren cruza distintos tipos de terrenos, tales como áreas rurales, áreas urbanas, o túneles. La alta velocidad de trenes dificulta aún más el análisis. Los sistemas GSM-R (Global System for Mobile communication in Railway), LTE-R (Long Term Evolution in Railway), LTE A-R (Long Term Evolution Advanced in Railway), y el futuro 5G (Fifth Generation) son objetivos de estudio en este proyecto, centrándose en parámetros como la movilidad, la cobertura, la posible interferencia de señales, la velocidad de transmisión de datos, así como la capacidad, etc. La comunicación en entorno ferroviario se puede distinguir en tres tipos: inter-tren, intratren, o tren-pista. En el presente proyecto se centra en el análisis de comunicación intratren de alta capacidad. Se concluye que una red de comunicación ideal es una red heterogénea donde se combinan distintas tecnologías para ofrecer un servicio cooperativo a los usuarios finales. Una solución propuesta es SCN-R (Smart Collaborative Networking in Railway), mediante la cual hace mejor uso de los recursos de la red existente. El comportamiento de la propagación de señales dentro del tren está analizado en el presente proyecto mediante la simulación en Matlab, basándose en un algoritmo de trazado de rayos. Por un lado, se concluye que cualquier objeto que se encuentra dentro
del tren causa multitrayecto. Por lo tanto, el retardo de transmisión y recepción de señales depende de la ubicación de los receptores y transmisores, también de las características de los trenes, tales como dimensiones, sillas, ventanas, etc. Por otro lado, al trabajar en altas frecuencias, como el caso de ondas milimétricas, es necesario tener una visión directa entre el transmisor y el receptor, puesto que los objetos que se encuentran en el medio podrían causar altas atenuaciones con el incremento de frecuencia. El tipo de
materiales de los objetos también es un factor importante, ya que depende del material, uno puede absorber más energía que otro. Como los trenes suelen construirse con materiales bien aislados, los cuales causan alta VPL (Vehicular Path Loss), en este proyecto se estudia las posibles tecnologías para compensar esta pérdida, entre ellos: repetidores, dedicados macro eNB (evolved Node B) con antenas directivas, WiFi (Wireless Fidelity) del estándar IEEE 820.11 o MRN (Moving Relay Node).
Abstract:
This project aims to analyze the design of a high-frequency communication network for smart railways in order to improve the current rail communication system.
Communications in the railway environment are difficult to analyze because trains cross different areas, such as urban areas, rural areas, tunnels, etc., also the high speed makes the analysis and design even more difficult.
As mentioned previously, this project attempts to design a communication network in a realistic railway environment based on a study of different systems, including GSM-R (Global System for Mobile communication in Railway), LTE-R (Long Term Evolution in Railway), LTE A-R (Long Term Evolution Advanced in Railway), and the future 5G (Fifth Generation). Different issues such as mobility, coverage, interference of signals, data rate are key parameters to consider in these systems. The communication in this environment can be intra-train, inter-train, or train-track. This project focuses on intra-train high capacity communication. It is concluded that an ideal communication network in trains will be a heterogeneous network, which combines different technologies, and cooperatively provides services to end users. A solution proposed is using SCN-R (Smart Collaborative Networking in Railway) to get a flexible
network. The behavior of intra-train signals propagation is also analyzed in railway environment by using simulation in Matlab. Firstly, it is concluded that any objects inside the train cause multipath. Therefore, the delay of transmitted signals depends on the location of
the receiver and train car’s characteristic: windows, seats, and car size. Secondly, when working at high frequencies such as mmWave (millimeter Wave), it is necessary to have
a direct line of sight between the transmitter and the receiver, since the objects found in
the middle of the path attenuate more with higher frequency. Thirdly, the material of the
object is also an important factor since some materials have more capacity to absorb
energy than others. Finally, as the trains are usually constructed with well-isolated
materials, which can cause high VPL (Vehicular Path Loss), some technologies are
studied in this project to compensate the loss of energy, such as repeaters, dedicated
macro eNB (evolved Node B) with directive antennas, WiFi (Wireless Fidelity) based on
the standard IEEE 820.11 or MRN (Moving Relay Node).