Diseño de un sistema de comunicación y posicionamiento para interiores de trenes mediante tecnología UWB

Abstract

El objetivo de este proyecto es diseñar un sistema de comunicación y posicionamiento para interiores de trenes mediante el uso de la tecnología UWB (ultra-wideband). En la actualidad, las soluciones cableadas son las preferidas para controlar los diferentes sistemas de un tren, pero con el aumento de su sofisticación esta solución empieza a ser ineficiente, mientras que uno de los grandes problemas actuales del posicionamiento en interiores es el error inducido por el uso de relojes distintos en cada dispositivo. Así, este proyecto busca comprobar la viabilidad del uso de UWB como alternativa inalámbrica, y también proponer un mecanismo de corrección de los errores de los relojes para mejorar la precisión de posicionamiento. Se ha escogido UWB por características como su gran ancho de banda, la alta velocidad que ofrece, su resolución temporal (derivada del uso de pulsos), un bajo consumo de energía y una gran resistencia ante el multitrayecto y las interferencias. El ancho de banda que utiliza requiere una regulación estricta que implica potencias de transmisión bajas y, por tanto, áreas de cobertura pequeñas, mientras que las capas de software inferiores se encuentran definidas en el estándar IEEE 802.15.4. Como técnicas de acceso múltiple se han considerado principalmente una división temporal del canal (time-hopping) y por amplitudes de señal (direct-sequence o secuencia directa), y su modelo de canal se basa en el de Saleh-Valenzuela. Para el sistema final se han utilizado dos conceptos distintos. El primero, consistente en el posicionamiento de uno de los módulos y en el envío de datos a modo de lecturas de sensor, ha dado resultados estables en LoS (tanto en posiciones estáticas como en movimiento), pero desviados de la posición real del tag por las imperfecciones de los relojes de los dispositivos. En consecuencia, se ha planteado un segundo sistema de localización en el que se intenta determinar la desviación de los relojes de cada dispositivo, pero en las pruebas se ha detectado que los módulos UWB proporcionan tiempos incoherentes durante el cálculo de los errores de reloj (clock drifts), por lo que no se ha conseguido probar su funcionamiento. En paralelo al posicionamiento se ha probado la comunicación, y se ha obtenido 1 solo paquete perdido de entre 5073; esto muestra la gran robustez de las señales UWB, por lo que podría ser una alternativa válida para su implementación en trenes. Finalmente, el principal objetivo futuro consiste en trabajar en el segundo sistema propuesto, y si fuera necesario, estudiar el uso del algoritmo en módulos distintos. Además, se deben tener en cuenta las colisiones de paquetes en escenarios con múltiples usuarios, y también se debe probar el sistema de comunicación con las técnicas de mitigación recomendadas por la normativa europea en vehículos. Abstract: The aim of this project is to design a communication and positioning system for train indoors with the use of UWB technology (ultra-wideband). Nowadays, wired solutions are the preferred ones for controlling the different systems within a train, but as its sophistication increases this solution starts to become inefficient, whereas one of the main issues regarding indoor positioning is the error derived from the use of different clocks for each device. This project intends to check the viability of the use of UWB as a wireless alternative, and also propose a clock error correction mechanism to improve positioning precision. UWB has been chosen because of features such as its large bandwidth, the high speed it offers, its temporal resolution (from the use of pulses), low energy consumption and its high resistance to multipath and interferences. The bandwidth it uses requires a strict regulation that implies low trasmission power and, therefore, reduced coverage areas, while lower software layers are defined in the IEEE 802.15.4 standard. A temporal (time-hopping) and signal amplitude (direct-sequence) channel division have been considered as multiple access techniques, and its channel model is based on the Saleh-Valenzuela one. Two different concepts have been used for the final system. The first one, based on the positioning of one of the modules and the send of data as sensor measurements, has provided positive results in LoS (both static and moving positions), but deviated from the tag’s real position because of the modules’ clock flaws. In consequence, a second system is proposed to try to determine the clock deviation for each device, but it has been detected during the tests that the UWB modules provide conflicting times during the clock error (clock drift) calculation, so it has not been possible to prove its functioning. Alongside positioning, communication has been tested, and only 1 packet out of 5073 was lost; this shows the strength of UWB signals, so it could be a valid alternative for its deployment in trains. Finally, the main future goal is to work on the second system proposed and, if needed, consider the use of the algorithm in different modules. Also, packet collisions in multiple access scenarios have to be taken into account, and the communication system must be tested with the mitigation techniques recommended by European regulations in vehicles.