Pasarela de comunicaciones Gigabit Ethernet OFDM de aplicación en vehículos ferroviarios

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones (Grupo de Aplicación de Telecomunicaciones Visuales Máster en Tecnologías y Sistemas s de Comunicaciones TRABAJO FIN DE MÁSTER Pasarela de comunicaciones Gigabit Ethernet OFDM de aplicación en vehículos ferroviarios Marzo de 2013 Tutor: Prof. Dr. D. José Manuel Menéndez García Autor: Dr. D. Carlos Rodríguez-Morcillo García

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3 A la memoria de mi padre. A María, Alex y Marcos.

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5 Índice general Índice general... i Índice de figuras... v Índice de tablas... ix Acrónimos y abreviaturas... xi 1. Introducción y objetivo Transporte ferroviario Conexión entre vehículos Objetivo del TFM Estado del arte Ethernet embarcado en medios de locomoción Ethernet en vehículos ferroviarios Transmisiones gigabit en sistemas ferroviarios OFDM en sistemas ferroviarios OFDM en comunicaciones Ethernet Conclusiones Modelo del canal de comunicaciones Acoplamiento automático Scharfenberg Sistema Gigabit diseñado Análisis del estándar IEEE Configuración del sistema diseñado Configuración para valores teóricos... 34

6 ii Configuración para valores reales Conclusiones Simuladores Simulador de tiempos Simulador de errores Resultados Tráfico real Ethernet Configuración del sistema Simulación del funcionamiento temporal Simulación de los errores en la transmisión Conclusiones, aportaciones y futuras líneas de investigación Conclusiones Estado del arte Modelado del canal de comunicaciones Estándar IEEE Configuración OFDM del sistema diseñado Resultados del trabajo Aportaciones Futuras líneas de investigación Bibliografía A. Parámetros de configuración de OFDM A.1. Introducción A.2. Definiciones A.3. Obtención de los parámetros A.4. Resumen B. Captura de tráfico real Ethernet B.1. Plataforma hardware B.2. Metodología B.3. Resultados B.3.1. Escenario en reposo B Tramas transmitidas... 90

7 iii B Tramas recibidas B.3.2. Escenario de descarga masiva B Tramas transmitidas B Tramas recibidas B.3.3. Escenario de descarga extrema B Tramas transmitidas B Tramas recibidas B.3.4. Resumen de resultados

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9 Índice de figuras Figura 1-1. Arquitectura de buses de TCN. [1]... 3 Figura 1-2. Conexión manual. [3]... 4 Figura 1-3. Acoplamiento semi-permanente Figura 1-4. Acoplamiento automático... 5 Figura 3-1. Esquema del sistema diseñado Figura 3-2. Localización del Scharfenberg en el tren Figura 3-3. Vista frontal del Scharfenberg con la tapa protectora levantada Figura 3-4. Dos Scharfenberg acoplados Figura 3-5. Sección de los conectores del Scharfenberg. [5] Figura 3-6. Respuesta en frecuencia del Scharfenberg en laboratorio. [68]. 29 Figura 3-7. Respuesta en frecuencia del Scharfenberg medida en un tren real Figura 4-1. Formato del paquete Ethernet. [67] Figura 5-1. Ejemplo de simulación Figura 5-2. Ejemplo de retardos en la simulación Figura 5-3. Diagrama de bloques del sistema digital de comunicaciones diseñado Figura 6-1. Tasa de bits erróneos en función del nivel de ruido Figura 6-2. Tasa de bits erróneos en función del nivel de ruido Figura A-1. Partes de una trama OFDM Figura A-2. Partes de un símbolo OFDM Figura B-1. Esquema de bloques de la plataforma construida Figura B-2. Plataforma construida en el laboratorio

10 vi Figura B-3. Imagen de la tarjeta 78Q2123-DB MicroPHY. [69] Figura B-4. Diagrama de bloques del dispositivo repetidor Figura B-5. Detalle del dispositivo repetidor Figura B-6. Diagrama de tiempos de la recepción sin errores en el MII. [67] Figura B-7. Histograma de las tramas transmitidas por el ordenador en el escenario de reposo Figura B-8. Ampliación del histograma anterior Figura B-9. Histograma de los tiempos de reposo de las tramas transmitidas por el PC, en el escenario de reposo Figura B-10. Ampliación del histograma anterior Figura B-11. Histograma de las tramas recibidas en el ordenador en el escenario de reposo Figura B-12. Ampliación del histograma anterior Figura B-13. Histograma de los tiempos de reposo de las tramas recibidas en el PC, en el escenario de reposo Figura B-14. Ampliación del histograma anterior Figura B-15. Ampliación del histograma anterior Figura B-16. Histograma de las tramas transmitidas por el ordenador en el escenario de descarga masiva Figura B-17. Ampliación del histograma anterior Figura B-18. Histograma de los tiempos de reposo de las tramas enviadas por el PC, en el escenario de descarga masiva Figura B-19. Histograma de las tramas recibidas en el ordenador en el escenario de descarga masiva Figura B-20. Ampliación del histograma anterior Figura B-21. Histograma de los tiempos de reposo de las tramas recibidas en el PC, en el escenario de descarga masiva Figura B-22. Ampliación del histograma anterior Figura B-23. Histograma de las tramas recibidas por el ordenador en el escenario de descarga extrema Figura B-24. Ampliación del histograma anterior Figura B-25. Histograma de los tiempos de reposo de las tramas enviadas por el PC, en el escenario de descarga extrema Figura B-26. Ampliación del histograma anterior

11 Figura B-27. Histograma de las tramas recibidas en el ordenador en el escenario de descarga extrema Figura B-28. Ampliación del histograma anterior Figura B-29. Histograma de los tiempos de reposo de las tramas recibidas en el PC, en el escenario de descarga extrema Figura B-30. Ampliación del histograma anterior vii

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13 Índice de tablas Tabla 4.1. Parámetros MAC. [67] Tabla 4.2. Valores ejemplo de los parámetros del sistema OFDM Tabla 4.3. Valores ejemplo de los parámetros del sistema OFDM Tabla 6.1. Resumen de los resultados de tramas del tráfico medido en una red de 100 Mbps Tabla 6.2. Resumen de los resultados de tiempo de reposo del tráfico medido. 50 Tabla 6.3. Configuración del sistema OFDM para garantizar el envío de la información Tabla 6.4. Configuración del sistema OFDM para garantizar la calidad de la información Tabla 6.5. Valores máximos de T Dat calculados para una red de 1 Gbps Tabla 6.6. Valores máximos de T Dat calculados para una red de 100 Mbps.. 52 Tabla 6.7. Configuración del sistema OFDM para 1 Gbps en recepción de descarga extrema Tabla 6.8. Otra configuración del sistema OFDM para 1 Gbps en recepción de descarga extrema Tabla 6.9. Configuración del sistema OFDM para 100 Mbps en recepción de descarga extrema Tabla Valores máximos de Dat T calculados y simulados para una red de 1 Gbps

14 x Tabla Valores máximos de T Dat calculados y simulados para una red de 100 Mbps Tabla Configuración de mínimos del sistema OFDM para 1 Gbps Tabla Configuración robusta del sistema OFDM para 1 Gbps Tabla Configuración 1 del sistema OFDM para 1 Gbps en recepción de descarga extrema Tabla Configuración 2 del sistema OFDM para 1 Gbps en recepción de descarga extrema Tabla Configuración de mínimos del sistema OFDM para 100 Mbps. 57 Tabla Configuración robusta del sistema OFDM para 100 Mbps Tabla Configuración del sistema OFDM para 100 Mbps en recepción de descarga extrema Tabla A.1. Resumen de los parámetros del sistema OFDM Tabla B.1. Resumen de los resultados de tramas del tráfico medido Tabla B.2. Resumen de los resultados de tramas del tráfico medido Tabla B.3. Resumen de los resultados de tiempo de reposo del tráfico medido

15 Acrónimos y abreviaturas 4G AD ADC AFDX BER Bpp bps CAN CBTC CD CDMA CIF COFDM DA DAC db DVB-H DVB-T Cuarta generación de tecnologías de telefonía móvil Analógico Digital Analog-to-Digital Converter Avionics Full Duplex Switched Ethernet Bit Error Rate Byte per second Bits per second Controller Area Network Communications-Based Train Control Chromatic Dispersion Code Division Multiple Access Common Intermediate Format Coded OFDM Digital Analógico Digital-to-Analog Converter Decibelios Digital Video Broadcasting Handheld Digital Video Broadcasting Terrestrial

16 xii DWDM EDFA FFT FPGA fps Gbps GHz GMC-CDMA GMII GSM-R ICI IEC IEEE IP ISI kbps km km/h LAN LDPC m MAC Mbps MC-CDMA MHz Dense Wavelength Division Multiplexing Erbium Doped Fiber Amplifier Fast Fourier Transform Field Programmable Gate Array Frames per second Gigabits por segundo Gigahertzs Generalized Multi-Carrier CDMA Gigabit Media Independent Interface Global System for Mobile Communications Railway Inter-Carrier Interference International Electrotechnical Commission Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol Inter-Symbol Interference Kilobits per second Kilómetros Kilómetros por hora Local Area Network Low-Density Parity-Check Metros Media Access Control Layer Megabits por segundo Multi-Carrier CDMA Megahertzs

17 xiii MII Media Independent Interface MIMO-OFDM Multiple-Input and Multiple-Output OFDM MPEG-2 Moving Pictures Experts Group 2 ms MVB ns OFDM OSS PC PCS PDM PHY PLC PMD POF PON pps PRIME PSCF PSK QAM QoS Rx s SFD Milisegundos Multifunction Vehicle Bus Nanosegundos Orthogonal Frequency Division Multiplexing On-board Services Switch Personal Computer Polymer Cladded Silica Polarization Division Multiplexing Physical Layer Power Line Communication Polarization-Mode Dispersion Plastic Optical Fiber Passive Optical Network Paquetes por segundo PoweRline Intelligent Metering Evolution Pure Silica Core Fiber Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Receptor / Recepción Segundos Start Frame Delimiter

18 xiv SFN Tbps TCN TDM TFM Tx UHF UIC Wifi WiMAX WLAN WTB VSCEL ZF Single Frequency Network Terabits por segundo Train Communication Network Time-Division Multiplexing Trabajo Fin de Máster Transmisor / Transmisión Ultra-High Frequency International Union of Railways Wireless Fidelity Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless LAN Wire Train Bus Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Zero Forcing µs Microsegundos

19 Capítulo 1 1. Introducción y objetivo Desde hace algunos años, en los medios de transporte se está incrementando el volumen de información que se procesa, bien para controlar mejor el vehículo (coche, autobús, tren, avión ), mediante la instalación de sensores que capturan el estado del sistema; o bien para ofrecer mayores y mejores servicios de entretenimiento y conexión a los usuarios. En los años 80, los trenes (de largo recorrido, cercanías o suburbanos) no tenían ningún sistema de video vigilancia ni de entretenimiento. En los 90, los aviones tenían varias pantallas a lo largo del avión donde se proyectaba un vídeo para todo el pasaje. A finales del siglo XX, la conexión de datos de un usuario a bordo de un medio de transporte, con el exterior del vehículo, era impensable para los viajeros. Sin embargo, a finales de la primera década del siglo XXI, los aviones y los trenes de largo recorrido tienen instalada una pantalla para cada pasajero en la que éste puede elegir ver una película o escuchar música, de entre una selección que se le ofrece. Los trenes incorporan sistemas de videovigilancia con dos cámaras por vehículo, que velan por la seguridad de los pasajeros, y ofrecen video entretenimiento con la emisión de noticias o de información del trayecto, de interés para los viajeros. Los autobuses ofrecen conexión inalámbrica mediante Wifi para el acceso a datos durante el viaje. Y así numerosas aplicaciones que, sin duda, mejoran el funcionamiento de los sistemas de transporte y el confort de los pasajeros.

20 2 Capítulo 1. Introducción y objetivo Debido al gran volumen de información que es necesario transmitir para ofrecer dichos servicios, en los vehículos se empiezan a utilizar sistemas de comunicaciones de alta capacidad, adicionales a los que se emplean para el control. En ocasiones, estos sistemas de alta tasa binaria se encuentran con limitaciones en su transmisión, debido a que su diseño no está enfocado a los medios de transporte, lo que limita su uso y reduce su rendimiento. Esto deriva en la necesidad de aplicar mejoras a dichos sistemas o de desarrollar nuevos sistemas que resuelvan los problemas encontrados Transporte ferroviario Para el caso concreto de los vehículos ferroviarios, en el año 1999 se aprobó el estándar IEC Electric Railway Equipment. Train Bus. Part 1: Train Communication Network, por el que se definían las interfaces para alcanzar la interoperabilidad entre los equipos localizados en diferentes vehículos y entre los equipos ubicados en el mismo vehículo. Este estándar define estas interfaces como conexiones a una red de comunicaciones de datos, llamada Train Communication Network (TCN). [1] La TCN tiene una estructura jerárquica de dos niveles de buses: un Bus de Tren y un Bus de Vehículo (véase la Figura 1-1). Se especifica el Bus de Tren como Wire Train Bus (WTB), para interconectar vehículos en trenes abiertos (trenes formados por un conjunto de vehículos donde la configuración puede cambiar durante la operación normal), como los trenes internaciones UIC. Se especifica el Bus de Vehículo como Multifunction Vehicle Bus (MVB), para conectar los equipos estándar embarcados en un vehículo. Aunque no es la finalidad principal, este estándar también se puede aplicar en trenes cerrados (trenes formados por un conjunto de vehículos donde la composición no cambia durante la operación normal), como por ejemplo trenes del suburbano o trenes de alta velocidad, y en trenes de unidades múltiples (trenes formados por un conjunto de trenes cerrados donde la composición del conjunto puede cambiar durante la operación normal). Además, un vehículo puede tener uno o varios buses de vehículo; y un bus de vehículo se puede extender por varios vehículos, como en el caso de trenes suburbanos. [1] Pero no fue hasta mediados de la primera década del siglo XXI que la TCN y, más concretamente, el MVB se consolidó internacionalmente como bus de control en los nuevos trenes, especialmente en Europa, frente a otros buses de control. [2]

21 1.1 Transporte ferroviario 3 Figura 1-1. Arquitectura de buses de TCN. [1] Por otra parte, en el año 2004 se apostó decididamente por los sistemas de seguridad embarcados en los trenes. Esto suponía un notable incremento del caudal a transmitir a lo largo del tren, para su almacenamiento en el vehículo de cabecera. Este incremento, sumado al volumen de información a transmitir para los sistemas de video entretenimiento, no puede ser absorbido por los sistemas de control embarcados, pues éstos no requieren de mucho caudal de información. Por ejemplo, el bus MVB tiene una tasa binaria de 1,5 Mbps, ya que a él se conectan los equipos con sensores y actuadores instalados en el vehículo, y los dispositivos de control y supervisión, con esta tasa binaria no puede soportar un elevado aumento de información a transmitir. Esta característica obliga a instalar en el tren nuevos sistemas de comunicaciones de alta tasa binaria. La red que más éxito ha tenido en el mundo ferroviario, para transmitir tanto video vigilancia como video entretenimiento, ha sido Ethernet, generalmente en su configuración de 100 Mbps. Pero con el desarrollo de las redes Ethernet en los últimos años, el abaratamiento de los equipos y el incremento de servicios en el tren, es probable que en pocos años se empiecen a instalar redes Gigabit Ethernet Conexión entre vehículos Un inconveniente con el que se han encontrado los instaladores a la hora de intentar utilizar redes de alta capacidad binaria en los trenes, es el paso de la información de un vehículo a otro. La conexión eléctrica entre vehículos consecutivos del tren puede ser de tres tipos: manual, semi-permanente o automática. La primera consiste en una manguera de cables que se conecta manualmente (véase la Figura 1-2). Ésta requiere de la intervención de un operario para manipularla, lo que no permite un acoplamiento rápido. Sin embargo, la calidad de la conexión es buena, con muy poca atenuación.

22 4 Capítulo 1. Introducción y objetivo Figura 1-2. Conexión manual. [3] El acoplamiento semi-permanente es un bloque de contactos que se ensambla en fábrica a la hora de construir el tren y sólo se desacopla para labores de mantenimiento cada varios años. Estos vehículos permanecen enganchados entre sí durante su funcionamiento, formando una unidad de tren. El bloque de contactos está dentro de una caja estanca (véase la Figura 1-3), por lo que no se ve afectado por líquidos, polvo ni grasa. Esto permite una buena conexión entre los contactos durante toda la vida útil de la unidad por lo que la señal apenas se ve atenuada al pasar por estos acoplamientos. [4] Figura 1-3. Acoplamiento semi-permanente. Por último, el acoplamiento automático es un tipo de conexión que permite acoplar y desacoplar vehículos de forma automática, rápida y sin la intervención de ningún operario, más que la del conductor del tren (véase la Figura 1-4). Se suele emplear para conectar unidades de tren entre sí y formar trenes de distintas composiciones. Este tipo de conexionado, debido a la automatización del proceso de acoplamiento, no permite una caja estanca como en el caso anterior, por lo que el grado de suciedad de los contactos suele ser alto, pese a las labores de mantenimiento. Esto provoca una atenuación adicional en la señal, que empeora las comunicaciones. [5]

23 1.2 Objetivo del TFM 5 Figura 1-4. Acoplamiento automático. Este tipo de acoplamiento es el que genera más problemas a la hora de transmitir un gran caudal de información a lo largo de todo el tren, pues la atenuación en estos puntos reduce notablemente el rendimiento de la transmisión. Para evitarlo se han adoptado diferentes soluciones. Una consiste en instalar enlaces inalámbricos Wifi [6], [7]. Aunque no se ve afectada por la atenuación del acoplamiento, tiene el gran inconveniente de que la señal puede ser cancelada con un inhibidor de frecuencias, lo que anularía el sistema. Además, es un protocolo pesado, difícil de procesar, que requiere encriptar la información, y tiene una tasa binaria limitada a varias decenas de megabits por segundo. Otra solución consiste en utilizar varios pares de cables en el acoplamiento, para que la suma binaria de todos los pares alcance la tasa deseada. El gran inconveniente de esta solución es que se dispone de un número muy limitado de pares en el conector, por lo que, en algunas ocasiones, de esta forma no se puede alcanzar la tasa binaria necesaria para el correcto funcionamiento del sistema Objetivo del TFM Por todo lo expuesto hasta ahora, y tal y como se refleja en [8], es necesario desarrollar un sistema que sea capaz de transmitir una alta tasa binaria a través de un ancho de banda muy limitado, como puede ser el de un acoplamiento automático. Por lo tanto, en este Trabajo Fin de Máster (TFM), el objetivo principal es investigar sobre la viabilidad de que un sistema digital de comunicaciones basado en OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sea capaz de transmitir 1 Gbps Ethernet full-duplex, que son las redes que se espera se instalen en un futuro cercano en los trenes, en un ancho de banda de unos 50 MHz, que es el ancho de banda útil del acoplamiento automático modelado (ver el capítulo 3).

24 6 Capítulo 1. Introducción y objetivo El resultado de la investigación es el diseño del sistema digital de comunicaciones. Para la realización de este objetivo se han cumplido los siguientes hitos: Analizar en profundidad el estado del arte respecto a sistemas de comunicaciones Ethernet y/u OFDM embarcados en trenes. Analizar el estándar de comunicaciones IEEE Parte 3, en el que se basan las comunicaciones de la investigación. Modelar matemáticamente el canal de comunicaciones utilizado por el sistema. Analizar tráfico real Ethernet en distintos escenarios de trabajo, para poder acercar un poco más el sistema a la realidad de funcionamiento. Diseñar un sistema combinado Gigabit Ehternet-OFDM que permita transmitir 1 Gbps full-duplex en unos 50 MHz de ancho de banda, calculando matemáticamente la configuración del sistema y determinando las conexiones con el sistema Ethernet. Construir un simulador que permita estudiar la viabilidad del sistema propuesto y acotar los límites del mismo. Construir un simulador que analice las tasas de error del sistema en función de sus parámetros de configuración y del nivel de ruido.

25 Capítulo 2 2. Estado del arte En este capítulo se recopilan los trabajos realizados por la comunidad científica sobre sistemas digitales de comunicaciones basados en OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) que sean capaces de transmitir 1 Gbps full-duplex, en un ancho de banda inferior a 100 MHz. En este sentido, el conjunto de trabajos analizados consideran aspectos vinculados con dicho sistema, tales como sistemas de comunicaciones Ethernet / Gigabit Ethernet, sistemas de comunicaciones de alta tasa binaria en transporte ferroviario, y sistemas OFDM. Debido a que no se ha encontrado en la literatura ninguna aplicación que combine Gigabit Ethernet con OFDM, con un ancho de banda estrecho, por cable, el estado del arte se ha dividido en varios apartados que combinan las comunicaciones Ethernet, con los sistemas ferroviarios, y con OFDM. El único trabajo publicado que se aproxima al sistema diseñado es [3]. En él se propone un sistema de comunicaciones PLC (Power Line Communication) embarcado en un tren. En primer lugar, hace referencia a lo mencionado en el apartado anterior: en los trenes modernos se pretende incorporar servicios embarcados de entretenimiento, internet, información del viaje, así como incrementar la seguridad, para mejorar la calidad de los viajes. Esto requiere una o más redes dedicadas, las cuales incrementan el coste total del tren, el peso del mismo (lo que afecta al consumo de la fuente energética del vehículo) y la complejidad del cableado.

26 8 Capítulo 2. Estado del arte Para ofrecer dichos servicios, evitando los problemas indicados, en dicho trabajo se propone realizar una comunicación PLC, basada en OFDM, utilizando los cables de energía eléctrica del tren. Para ello se hace un estudio del cableado, y se eligen los cables empleados para la apertura y cierre de puertas. Como era de esperar, se analiza la conexión entre vehículos. En [3] se trabaja con un cable estándar UIC (conexión manual descrita en el apartado 1.1.1) [9], cuya respuesta en frecuencia es mejor que la del acoplamiento automático empleado en este TFM. Tal y como se presenta en aquél trabajo, existe una atenuación de 8 db a 30 MHz, mientras que en el acoplamiento empleado en el TFM hay unos 15 db a esa frecuencia. Otras características destacables son que en [3] se emplea un ancho de banda entre 1 y 30 MHz, frente a los 60 MHz que permite el acoplador automático; y que la tasa binaria teórica en [3] es de 200 Mbps, frente a los Mbps del nuevo sistema. Un gran inconveniente al sistema presentado en [3] es, tal y como se refleja, que los cables del tren que transmiten energía eléctrica se ven muy afectados por los ruidos producidos por arcos eléctricos entre el pantógrafo y la catenaria, y por los conmutadores electrónicos de potencia embarcados, entre otros. Por lo demás, es una solución que resuelve bastante bien los problemas de costes y peso que se indicaban anteriormente, y que es capaz de incrementar la tasa binaria de transmisión de los sistemas embarcados en el tren para soportar la transmisión de los datos de los nuevos servicios Ethernet embarcado en medios de locomoción En primer lugar, se ha realizado un análisis sobre redes Ethernet aplicadas en medios de transporte, en general. Se han encontrado varias publicaciones al respecto para todos los medios de locomoción, con distintas aplicaciones de la red Ethernet. Por ejemplo, en automoción, [10] presenta los resultados de simular una red Gigabit Ethernet embarcada en un coche, empleada para comunicar las unidades de control del vehículo, los cuales tienen limitaciones de tiempo real, y equipo de entretenimiento, las cuales no tienen restricciones de tiempo real. En [11], se profundiza un poco más en el trabajo anterior sobre temas de seguridad, y se simula la tolerancia a fallos de los sensores de la red de control del vehículo, la cual es una red Gigabit Ethernet. En [12] se presenta un sistema automático que controla el volante de un vehículo eléctrico mediante un controlador Ethernet. Con ello se investiga la conducción automática sin conductor.

27 2.1 Ethernet embarcado en medios de locomoción 9 Y en [13] se analiza el protocolo IEEE 802.1AS, sobre la sincronización del sistema de entretenimiento embarcado en un coche. Este sistema, junto con el sistema de diagnóstico a bordo, es una red Ethernet a 100 Mbps. En el sector aeronáutico, en [14] se analiza la red en tiempo real AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet), basada en tecnología Ethernet, e instalada en el Airbus A380. No es una red Ethernet estándar, ya que incluye técnicas de conmutación y una distribución del ancho de banda distinta, con una gran separación entre flujos de datos. Y en [15] se deducen varias propiedades de una red AFDX, y se presenta un algoritmo de integración de sistemas AFDX para guiar en el diseño de la topología de una red AFDX. En [16] se presentan las capacidades de una red de información global embarcada en un avión. La finalidad de esta red es proporcionar, a los pasajeros, acceso en tiempo real a diversas fuentes de información, que pueden estar en el avión, en un satélite o en tierra. La información dentro del avión se transmite mediante una red Gigabit Ethernet embarcada, a la cual se conectan sensores y procesadores. Respecto a los satélites, también se encuentran aplicaciones Ethernet embarcadas. Por ejemplo, en [17] se describe el desarrollo de una red Ethernet llamada Space LAN, compatible con el estándar IEEE a 10, 100 y Mbps. Se justifica que el uso de protocolos y estándares de redes con cierta extensión comercial es beneficioso en el sentido de que el coste de la red es reducido, la integración y pruebas son más rápidas, se incrementa la flexibilidad de las operaciones a realizar y se pueden realizar actualizaciones del hardware y del software con desarrollos comerciales. Obviamente, esta justificación es aplicable a todos los sistemas. En [18] se emplea una red Gigabit Ethernet modificada, embarcada en el satélite, para comunicar los componentes con el núcleo central, el cual proporciona un procesado de datos a los terminales en tierra. Por último, en el campo oceanográfico, en [19] se emplea una red Ethernet para conectar ordenadores e instrumentación embarcados en un buque de investigación. Esta red se emplea para recopilar datos, organizarlos, almacenarlos y generar informes científicos en una gran base de datos. En [20] se emplea un protocolo estándar como Ethernet para realizar telemetría con sensores en un sistema de arrastre. En estos sistemas, la electrónica es un sistema multicanal de adquisición de datos en tiempo real. Sus principales objetivos son la adquisición simultánea de datos desde varios canales, la telemetría de los datos sobre el cable de arrastre, el cual puede llegar a medir varios kilómetros, y la sincronización con el receptor embarcado en el barco.

28 10 Capítulo 2. Estado del arte En [21] se emplea un enlace Gigabit Ethernet para enviar imágenes de alta definición desde una cámara submarina a un sistema embarcado en el barco para su almacenamiento, visualización en tiempo real y postprocesado de la imagen Ethernet en vehículos ferroviarios Respecto a sistemas de comunicaciones Ethernet utilizados, concretamente, en vehículos ferroviarios, es difícil encontrar aplicaciones en la literatura. Aunque las personas que trabajan en el sector ferroviario saben de la aplicación de redes Ethernet en vehículos ferroviarios, especialmente para video vigilancia y para video entretenimiento, es muy raro que las empresas que las utilizan o las desarrollan lo publiquen. Sólo se pueden encontrar algunas pocas publicaciones basadas en la investigación y análisis del funcionamiento de estas redes que hacen algunas universidades y centros de investigación. Por ejemplo, en [22] se presenta una investigación llevada a cabo sobre el handover, el roaming, la calidad de servicio (QoS) y la comunicación entre redes inalámbricas heterogéneas, tanto a bordo de un tren, como en la conexión del tren con tierra, como en la conexión del tren con un punto de acceso en la estación. Aunque no se centra mucho en la red embarcada, indica que Televic e INTEC han desarrollado un equipo, llamado On-board Services Switch (OSS), que proporciona conectividad de la red entre vehículos del tren. Cada vehículo equipado con un OSS puede comunicarse con su vehículo contiguo, siempre que éste tenga un OSS instalado. Esta comunicación se realiza mediante Ethernet. Dentro del vehículo, el OSS está conectado a un switch al cual se conectan los puntos de acceso WLAN embarcados en el vehículo. Por lo tanto, en este caso, se emplea una red Ethernet para dar servicios de conectividad del pasajero con el exterior. En [23] se presenta una arquitectura en tierra basada en hilo radiante para comunicarse con los sistemas de información embarcados. En esta ocasión, la publicación se centra en la arquitectura en tierra que es necesaria para comunicarse con el tren, y poder ofrecer servicios de datos a los pasajeros. En lo que respecta a la red embarcada, en una de sus figuras se puede observar que en el análisis se ha empleado una red Ethernet, la cual interconecta distintos sistemas de comunicación con tierra (WLAN, 4G e hilo radiante), con los puntos de acceso WLAN para los pasajeros y los sistemas de video entretenimiento. Aunque no se aporta ninguna especificación técnica de dicha red, es otro de los pocos ejemplos publicados en los que se utiliza una red Ethernet para servicios adicionales a los de control del tren.

29 2.3 Transmisiones gigabit en sistemas ferroviarios 11 Como era de esperar, en estos trabajos no se tiene en cuenta el traspaso de información entre vehículos ferroviarios, pero sí dan una idea de que el empleo de redes Ethernet embarcadas en trenes es una solución factible. Por otro lado, un caso en el que una empresa que desarrolla sistemas de comunicaciones embarcados publica su trabajo, se encuentra en [7]. En esta publicación se realiza una revisión de redes de banda ancha propuestas por Hitachi para usar a bordo de trenes y en comunicaciones tren-tierra, destacando algunos de los nuevos servicios de control e información que son posibles con estas iniciativas de banda ancha. Tal y como se ha comentado anteriormente, en [7] también se destaca el hecho de que implementar redes embarcadas de banda ancha proporciona la posibilidad de seguir transmitiendo datos de control y monitorización, como con los sistemas clásicos de control embarcados, y además se pueden transmitir datos de control más avanzado, datos de mantenimiento, y una gran variedad de vídeo y otro tipo de información. Esto permite: un control más eficiente del tren; un mejor mantenimiento, ya que se recopila una gran cantidad de datos de sensores; y más y mejores servicios de información para los pasajeros y la tripulación. Respecto a las redes embarcadas, se ha implementado una red LAN redundada de 100 Mbps, de tal forma que, si una falla, los datos son transmitidos por la segunda LAN, aunque también comentan la posibilidad de utilizar CAN. Respecto a la transmisión de información entre vehículos, [7] se hace eco del problema que supone el acoplamiento eléctrico entre coches (aunque no lo dice expresamente, se refiere a un acoplamiento automático como el descrito previamente). Para evitar este problema se ha empleado un enlace de radiofrecuencia que transmite en la banda de gigahertz. El inconveniente de los enlaces inalámbricos, como ya se ha comentado previamente y que no se refleja en [7], es la seguridad ante ataques externos por cancelación de portadora o por captura de la información que viaja por el aire Transmisiones gigabit en sistemas ferroviarios Centrando un poco más el análisis de redes Ethernet, se han buscado en la literatura trabajos para sistemas ferroviarios con transmisiones de alta tasa binaria (gigabit). Una vez más nos encontramos con pocas publicaciones al respecto, y, en este caso, no se han encontrado aplicaciones, sólo simulaciones. En [24] se considera la posibilidad de utilizar una red Ethernet en un vehículo ferroviario para soportar los nuevos servicios (video entretenimiento y acceso a Internet) y mantener los datos de control en tiempo real. Para ello se simula una red Gigabit Ethernet con topología en estrella que utiliza

30 12 Capítulo 2. Estado del arte cables de fibra óptica. La red se divide en tres partes: una parte de control, otra de entretenimiento y otra Wifi, para la conexión de los pasajeros a Internet y consulta del correo electrónico. Con estas simulaciones se analiza la viabilidad de utilizar redes Gigabit Ethernet para cubrir las necesidades de control, cumpliendo los requisitos de tiempo real necesarios para este tipo de información, añadiendo servicios adicionales a los pasajeros (entretenimiento y Wifi). En esta publicación se refleja lo que se ha comentado anteriormente. Los trenes pueden proporcionar más servicios de información con un desarrollo adecuado de la tecnología embarcada, lo que hará a los trenes un medio de transporte más competitivo. Algunos de los servicios avanzados pueden ser la video difusión y el acceso a Internet mediante Wifi. El inconveniente es que estos servicios no pueden ser soportados por las actuales redes de control, por lo que se requiere el uso de redes más rápidas, como Ethernet. [24] A raíz de la publicación anterior, han surgido otras publicaciones en la misma línea, como por ejemplo [25] y [26]. En [25] se discute la implementación de un modelo de tolerancia a fallos para el controlador de la red Ethernet propuesta en [24]. Se introducen dos controladores en la red: uno para gestionar sólo la información de control, y otro para gestionar sólo la información de entretenimiento. Se analizan los retardos de los paquetes, para distintos escenarios con distinta carga de información en la red, y el funcionamiento del sistema ante un fallo del controlador de la información de control. En [26] se estudia la tolerancia a fallos de la parte de control, basada en TCN, y se analiza el funcionamiento del sistema. La arquitectura es la misma que para el caso [24]: una red Gigabit Ethernet, en la que los datos de control cumplen el estándar IEC (TCN), con video difusión y puntos de acceso Wifi para los pasajeros. En los escenarios que se simulan en esta ocasión se combina: una única red de 1 Gigabit Ethernet, tanto para el control como para el entretenimiento; dos redes de 1 Gigabit Ethernet separadas, una para el control y otra para el entretenimiento; y dos redes de 1 Gigabit Ethernet separadas, con dos ramales de 10 Gigabit Ethernet cada uno desde el switch principal hacia los dos controladores de la red. Otros avances en estos estudios se presentan en [27] y en [28], pero en esta ocasión sobre dos vehículos ferroviarios. En [27] se analiza la tolerancia a fallos de una red extendida sobre dos vehículos ferroviarios, en la que cada uno tiene una red 1 Gigabit Ethernet, a la que se conectan los sensores y actuadores de control, las pantallas de video entretenimiento y los puntos de acceso Wifi. Todos ellos están conectados a través de un switch y mediante cable de 10 Gigabit Ethernet, a un controlador de la información de control y a otro controlador para el entretenimiento. Los switches de ambos vehículos están conectados entre sí mediante un enlace 10 Gigabit Ethernet.

31 2.4 OFDM en sistemas ferroviarios 13 Desgraciadamente no se tiene en cuenta el conector eléctrico que hay entre los vehículos, lo que aportaría más realismo a la simulación, por lo que se puede interpretar como un acoplamiento semi-permanente, como el descrito en el apartado En esta ocasión se simula el fallo de varios controladores en distinto orden, aumentando la casuística de análisis sobre las publicaciones anteriores. Se sigue comprobando que el sistema Ethernet es capaz de soportar, dentro de los límites de tiempo real establecidos, la información de control y todo o parte de la información de entretenimiento. En [28] se presenta un estudio de una red de control sobre dos vehículos ferroviarios, incluyendo un supervisor pasivo entre los dos vehículos. En esta ocasión se utiliza una red muy parecida a la del caso [27]. Cada vehículo tiene una red 1 Gigabit Ethernet que interconecta los dispositivos de control (sensores y actuadores), las pantallas de video difusión, los puntos Wifi, el controlador de información de control y el controlador de entretenimiento. La conexión entre ambos vehículos se realiza mediante un enlace 10 Gigabit Ethernet junto con el supervisor insertado. A modo de resumen, el principal objetivo de los estudios anteriores es demostrar que Ethernet, compartido para control y para entretenimiento a bordo de vehículos ferroviarios, es factible y efectivo para usarlo como la red para el control del tren OFDM en sistemas ferroviarios Otro enfoque de la investigación se ha centrado en el análisis de trabajos que, utilizando OFDM, se aplican en sistemas ferroviarios. En esta ocasión se ha encontrado un gran número de publicaciones en este sentido, especialmente aplicados a trenes de alta velocidad, pero todos ellos hacen referencia a comunicaciones del tren con tierra. Ninguno de ellos aplica OFDM en comunicaciones embarcadas para la transmisión de señales de control y/o de entretenimiento, excepto [3] que, como se ha comentado anteriormente, emplea OFDM para realizar una comunicación PLC embarcada en el tren. Los trabajos encontrados sobre OFDM aplicado a sistemas ferroviarios se pueden dividir en tres grandes bloques: trabajos que proponen sistemas tren-tierra basados en OFDM; trabajos que proponen mejoras a sistemas tren-tierra basados en OFDM; y trabajos que modelan el canal de transmisión tren-tierra de sistemas basados en OFDM. Del primer grupo destacan los trabajos [29 32]. Todos ellos coinciden en la necesidad de diseñar sistemas de comunicaciones de alta tasa binaria para poder ofrecer servicios de gran caudal en el tren, entre los que destacan la

32 14 Capítulo 2. Estado del arte conexión de banda ancha de los pasajeros con el exterior y la monitorización remota del tren. Y todos ellos coinciden en que es necesario utilizar OFDM para alcanzar las tasas binarias necesarias para dichos servicios, con la robustez necesaria. Por el contrario, ninguno se centra en la red embarcada de comunicaciones para el control del tren, ni en los sistemas de seguridad embarcados, ni en los servicios de entretenimiento de los pasajeros. Todos los sistemas embarcados que se presentan están basados en Wifi para permitir la conectividad de los viajeros con las redes exteriores del tren. En [29] se investiga el funcionamiento de un enlace tren-tierra sobre un canal que sólo varía en el tiempo, cuando el receptor se desplaza a muy alta velocidad. Se presenta una cadena de transmisión completa, cuya arquitectura está basada en WiMAX, en la que se utiliza OFDM debido a su alta eficiencia espectral y a su resistencia a interferencias selectivas. En la simulación se emplea un modelo Rayleigh para el canal, y se complementa con ensayos, a 100 km/h, en los que alcanzan transmisiones efectivas de 1,8 Mbps en 5 MHz. En [30] se propone un sistema OFDM como nuevo esquema de transmisión en comunicaciones inalámbricas ferroviarias, para mejorar el funcionamiento del sistema celular ferroviario convencional (GSM Railway), centrándose en la realización de un handover suave y en una mejor resistencia a interferencias. Para lo primero, se aplica la técnica de SFN (Single Frequency Network) [33], junto con OFDM, al GSM-R. El SFN consiste en que todas las celdas a lo largo de la vía utilicen la misma frecuencia portadora para el enlace de subida, y la misma frecuencia portadora para el enlace de bajada al tren. Esta característica permite hacer un handover suave, pues el dispositivo móvil no cambia de frecuencias al cambiar de celda. Para mejorar las interferencias debidas al multi-camino, se introduce GMC-CDMA (Generalized Multi-Carrier CDMA) al sistema anterior, el cual garantiza una recuperación correcta del símbolo. Esto mejora la eficiencia del ancho de banda. En [31] se propone un sistema basado en WiMAX para la conexión del tren con tierra, usando enlaces de radio conectados entre sí mediante fibra óptica. También se analiza, mediante simulación, el comportamiento de WiMAX sobre un vehículo a 300 km/h y el efecto Doppler. La diferencia principal con el resto de trabajos es que la red tradicional de estaciones base en tierra se sustituye por una red de antenas remotas conectadas a una sola estación base mediante fibra óptica, alcanzando la misma cobertura que con la red de estaciones base original. Esto reduce notablemente el número de estaciones base necesarias en el trazado ferroviario.

33 2.4 OFDM en sistemas ferroviarios 15 En el tren, las antenas Wifi que dan servicio a los pasajeros también están conectadas por fibra óptica con el equipo central, el cual se conecta con tierra. En los resultados que se presentan, se alcanza una tasa de bajada de 2,6 Mbps a 300 km/h. En [32] se propone una metodología para estimar el canal y un sistema de transmisión tren-tierra basado en OFDM codificado (COFDM). Además, se resaltan las consecuencias del efecto Doppler en un sistema OFDM, llegando a la conclusión de que dicho efecto afecta significativamente al funcionamiento del sistema, tanto más cuanto mayor es la velocidad del objeto en movimiento. Para minimizar estos efectos y mejorar el enlace de transmisión, se propone adaptar la técnica de codificación del COFDM o utilizar otras técnicas de codificación, como por ejemplo, el turbo COFDM, o aplicar una modulación adaptativa, en función de la ganancia del canal, entre otras técnicas. Para terminar con este primer bloque, se destacan los trabajos presentados en [34] y en [35]. En el primero se investiga un nuevo sistema de comunicaciones tren-tierra basado en OFDM con ondículas, el cual permite transmisiones de alta tasa binaria y mejora significativamente la eficiencia espectral. En este caso, la arquitectura que se propone para que el sistema aplicado a trenes de alta velocidad soporte altas tasas binarias, combina comunicaciones del tren con estaciones base en tierra y con un satélite. Y para evitar la pérdida espectral que se produce en los sistemas OFDM convencionales y mejorar su funcionamiento, se propone un nuevo OFDM basado en ondículas. Aplicando una función Gabor modificada, se incrementa el número de subportadoras en el mismo ancho de banda y se mejora la eficiencia espectral del sistema, aunque, como se indica, las subportadoras Gabor no pueden ser ortogonales en los dominios de la frecuencia y el tiempo. Sin embargo, eligiendo adecuadamente uno de los parámetros de la función Gabor, se pueden obtener unos resultados de ortogonalidad aceptables. En [35], que es continuación de la publicación anterior, se analiza en profundidad la robustez de un sistema OFDM basado en ondículas aplicado a las comunicaciones tren-tierra de un tren de alta velocidad, frente a la de un sistema OFDM clásico, basado en la FFT. En esta ocasión se introducen unos cambios al sistema OFDM basado en ondículas para mejorar la robustez de la comunicación en presencia de ISI (Inter-Symbol Interference) e ICI (Inter-Carrier Interference). Estos cambios consisten en emplear turbo codificación OFDM y en aplicar una técnica de ecualización del canal. En las simulaciones se recrea un tren de alta velocidad a 300 km/h y, tras varias iteraciones, se presenta el BER (Bit-Error Rate) de ambos sistemas (el basado en ondículas y el clásico). Como se puede observar en dichos resultados, y tal y como se refleja en la publicación, el sistema OFDM clásico basado en FFT es más robusto, en términos de BER, que el nuevo sistema

34 16 Capítulo 2. Estado del arte basado en ondículas. Sin embargo, el nuevo sistema es más robusto en cuanto a la eficiencia espectral, y puede transmitir más información en el mismo ancho de banda. Del segundo grupo de trabajos sobre OFDM aplicado a sistemas ferroviarios, que consiste en trabajos que proponen mejoras a sistemas tren-tierra basados en OFDM, destacan los presentados en [36 41]. De forma similar a los trabajos del grupo anterior, los que se van a comentar a continuación son comunicaciones OFDM aplicados a sistemas ferroviarios en el sentido de las comunicaciones inalámbricas del tren con tierra. No se han encontrado en la literatura trabajos que aborden los sistemas embarcados para el control del tren y entretenimiento de los pasajeros, basados en OFDM. En [36] se propone un algoritmo para la estimación de ICI que puede ser aplicado a sistemas OFDM con una estructura de pilotos arbitraria. Según las conclusiones presentadas en el trabajo, los resultados del algoritmo se pueden mejorar empleando un ecualizador ZF (Zero Forcing) en el receptor, pudiendo aumentar cerca de 150 km/h la velocidad del móvil para la obtención de la misma tasa binaria que si se utilizase un receptor OFDM convencional sin emplear el algoritmo de ICI presentado. En [37] se presenta un nuevo método que optimiza la estructura de la secuencia de estimación del canal en la trama OFDM, y mejora el algoritmo de correlación, para mejorar el funcionamiento y soportar las comunicaciones en trenes de alta velocidad en movimiento. Para ello se compara el algoritmo de sincronización OFDM, presentado en [42], con un algoritmo mejorado basado en WiMAX. De los resultados extraídos de la simulación, se propone otro algoritmo basado en el cambio del formato del preámbulo de [42], que puede ser usado en trenes de alta velocidad, pues mejora la sincronización de los símbolos y reduce la complejidad computacional. En [38] se propone un esquema de adaptación del enlace en sistemas MIMO-OFDM empleados en sistemas ferroviarios de alta velocidad. Para ello se considera un sistema de adaptación del enlace de comunicaciones explotando el factor K del canal Rician para sistemas MIMO-OFDM. Se construye un modelo de Markov para generar factores K en el canal Rician, usando medidas reales de datos del canal en un tren de alta velocidad. De esta forma, utilizando el modelo de Markov, se pueden predecir los factores K del canal Rician y así facilitar la adaptación del enlace. Los resultados de la simulación muestran una mejora de unos 5 Mbps en la tasa de bits, con la adaptación del enlace. En [39] se presenta un receptor Doppler en el dominio del tiempo, simplificado, para OFDM. Como bien se indica, en aplicaciones ferroviarias de alta velocidad, la dispersión Doppler del canal es obvia, por lo que este receptor puede mejorar el funcionamiento de las comunicaciones del tren basadas en

35 2.4 OFDM en sistemas ferroviarios 17 OFDM. Para ello muestrea la señal recibida con distintos retardos, las combina, y la señal obtenida la demodula por la FFT. Analizando las correlaciones de las distintas ramas de retardo, obtiene los puntos óptimos de trabajo del sistema en los cuales las interferencias en la señal son mínimas y, por lo tanto, el receptor Doppler propuesto obtiene su mejor funcionamiento. Para terminar con este bloque, se comentan dos últimos trabajos sobre mejoras de sistemas OFDM centrados en el sistema CBTC (Communications-Based Train Control), empleado en algunos trenes para el control automático del tren. Concretamente son [40] y [41]. En el primero, se analiza el funcionamiento y el método de modulación inalámbrica OFDM usado en CBTC, el cual está basado en WLAN. Para mejorar el funcionamiento del sistema y reducir los errores en la comunicación, se propone emplear N subportadoras consecutivas para transmitir el mismo dato de forma redundante (reduciendo la tasa binaria efectiva en N). Dado que el enlace inalámbrico del CBTC no necesita una alta tasa binaria para transmitir la información de control del tren, se puede elegir un valor adecuado de N, de acuerdo con el consumo real de ancho de banda de la aplicación del CBTC. Este método puede eliminar el ICI causado por el efecto multi-camino y mejorar el BER. En cuanto a [41] se analizan los efectos de ICI debidos al canal multicamino del sistema CBTC, y se establece un modelo de dichos efectos. Analizando dicho modelo, se propone un método de compensación de frecuencia que reduce el ICI del sistema y, por consiguiente, mejora su funcionamiento. Para ello hay que calcular la frecuencia de compensación, cuya expresión se indica en el artículo, y aplicar esa frecuencia al principio del receptor OFDM, con lo que se reducen notablemente los efectos del ICI en la comunicación. Como se puede deducir de las publicaciones comentadas anteriormente, las mejoras sobre los sistemas de comunicaciones OFDM tienen una gran aplicación en los sistemas ferroviarios, pues en los trenes de alta velocidad el efecto Doppler afecta notablemente a las comunicaciones. Desgraciadamente, ninguno de los trabajos se centra en redes embarcadas en el tren, pero sí son muestra de que se está trabajando en OFDM aplicado a los sistemas ferroviarios, y que son aplicaciones viables y optimizadas. El tercer y último bloque de publicaciones sobre OFDM aplicado a sistemas ferroviarios, versa sobre el modelado del canal de transmisión trentierra de sistemas basados en OFDM. Aquí se destacan los trabajos [43 45]. En [43] se investigan las características del canal de propagación entre un tren de alta velocidad y estaciones base en tierra, para enlaces de comunicaciones multimedia basados en OFDM. Para ello se simulan dos escenarios: uno con antenas direccionales, y otro con antenas omnidireccionales. Las conclusiones a las que llega la publicación es que con antenas omnidi-

36 18 Capítulo 2. Estado del arte reccionales el retardo y el efecto Doppler son mayores, en términos absolutos, sobre toda la línea simulada, mientras que con antenas direccionales se minimizan estos efectos. Sin embargo, en el paso del tren junto a una estación base, el emplear antenas omnidireccionales proporciona un mejor funcionamiento que con antenas direccionales, debido a que, en este último caso, el canal se ve extremadamente atenuado por las características propias de la antena direccional. En [44], el mismo grupo de trabajo profundiza en el estudio anterior y concluye que el canal se puede optimizar para reducir el ISI y el ICI de la comunicación OFDM y, por tanto, el funcionamiento del sistema se puede mejorar considerablemente si se emplean adecuadamente antenas direccionales en el elemento móvil, para un BER fijo. Por último, en [45] se propone un esquema de comunicaciones tren-tierra en el que se combinan estaciones base móviles, embarcadas en un tren, con la técnica Doppler presentada en [39], para una comunicación basada en OFDM aplicada en un escenario ferroviario de alta velocidad. Este esquema puede proporcionar una buena calidad del enlace tren-tierra. Además, este esquema se compara con otros escenarios en los que no se aplica la técnica Doppler y en los que la comunicación con tierra se realiza directamente desde el interior del tren hasta la estación base en tierra, sin pasar por una estación base móvil embarcada en el tren. Los resultados a los que se llega son que el sistema con estación base embarcada y que aplica la técnica Doppler indicada anteriormente es la que mejores resultados proporciona, pues ambas características pueden incrementar la capacidad del canal; y que el uso de una estación base embarcada proporciona buena calidad al enlace, reduce el tiempo dedicado a la sincronización y evita la pérdida de portadora entre el dispositivo móvil y la estación en tierra, lo que deriva en un aumento de la capacidad del canal. Como se ha podido comprobar, el empleo de OFDM en las comunicaciones de los sistemas ferroviarios está muy extendido y muy estudiado, y se siguen mejorando e incrementando la tasa binaria de esos enlaces, mediante el análisis de los canales de transmisión y la optimización de los sistemas OFDM. Sin embargo, todos esos estudios están centrados en las comunicaciones del tren con tierra, bien para el envío de información del estado del tren, o bien para que los pasajeros puedan estar conectados a Internet mientras se desplazan en un tren a 300 km/h. Esto significa que OFDM es una técnica muy adecuada para transmitir grandes caudales de información, y que el sistema diseñado en este TFM es totalmente novedoso, lo que avala su posible éxito.

37 2.5 OFDM en comunicaciones Ethernet OFDM en comunicaciones Ethernet Para terminar con el estado del arte, se ha hecho una revisión bibliográfica al empleo de técnicas OFDM en las comunicaciones Ethernet en general, sin centrarse en sistemas ferroviarios. Como se comprobará más adelante, OFDM es una técnica que lleva en uso varios años y que, una vez más, es la que está permitiendo alcanzar mayores tasas binarias en las comunicaciones, que con los sistemas clásicos. Se encuentran aplicaciones en muchos ámbitos de las comunicaciones, aunque la que más destaca es el uso de OFDM en WLAN. Ya en 1999 en [46] se presentaba una red Ethernet inalámbrica, en la banda de 5 GHz, con la que se alcanzaban 20 Mbps. La evolución de la tecnología se plasma en [47], donde se comparan varios parámetros de la capa física en términos de funcionamiento y complejidad. Con las técnicas ahí planteadas, el caudal puede superar los 90 Mbps, tal y como se muestra en sus resultados; e incluso llegar a tasas binarias pico de entre 100 y 200 Mbps, aplicando varias técnicas en las capas PHY y MAC. Entre estos dos trabajos, aparece [48]. En él, un grupo de investigadores japoneses propone un enlace inalámbrico LAN, basado en OFDM, en la banda de 4,9 GHz, en vez de en la de 5 GHz. Con ello se alcanzan tasas de casi 28 Mbps, y se es capaz de transmitir adecuadamente televisión de alta definición codificada en MPEG-2. También se encuentran trabajos de OFDM aplicado a WLAN que proponan mejoras al sistema. Por ejemplo, [49] propone estrategias de configuración de la capa MAC en sistemas CDMA multiportadora (MC-CDMA) para aplicaciones de WLAN de banda ancha en interiores. El uso de MC-CDMA permite la transmisión de tasa binaria variable para varios usuarios de forma asíncrona, sobre un canal multi-camino, con un sistema de detección OFDM convencional. De esta forma, un significante número de usuarios con caudal variable pueden compartir el mismo ancho de banda sin pérdidas relevantes de servicio, y manteniendo una calidad de servicio determinada para los usuarios. En [50] se propone un efectivo y sencillo esquema de polling para reducir el número de encuestas a estaciones que no tienen paquetes de datos para transmitir. De esta forma se mejora el protocolo de la capa MAC para WLAN. El esquema propuesto emplea las características del tráfico y el número de encuestas sucesivas a una estación que tiene paquetes para transmitir, lo que permite adaptar el periodo de encuestas a una estación. Dentro de los trabajos que emplean OFDM para WLAN destaca [51], en el que se consiguen transmisiones gigabit. El sistema desarrollado en [51] alcanza una tasa de 1 Gbps a 60 GHz, con un ancho de banda de 400 MHz.

38 20 Capítulo 2. Estado del arte Para ello se emplea un nuevo esquema de sincronización y de estimación del canal en el receptor OFDM. La siguiente generación de sistemas OFDM a 60 GHz están diseñados para alcanzar una tasa de 3 Gbps empleando un canal de 2,16 GHz de ancho de banda. En esta ocasión, se utiliza codificación LDPC (Low-Density Parity-Check), entre otras, las cuales permiten alcanzar esas tasas. Otra de las aplicaciones en las que OFDM está muy extendido es para la difusión de vídeo digital. En [52] se presenta un sistema basado en OFDM capaz de transmitir de forma inalámbrica hasta tres canales de vídeo de alta definición, en un rango de 50 m, con una tasa binaria máxima de 100 Mbps, empleando, para ello, un canal de 28 MHz. En [53] se propone un receptor de vídeo digital de alta definición aplicado al sistema japonés. En este caso el equipo tiene una interfaz satélite y una interfaz terrestre. Por esta última, la señal utiliza OFDM en un ancho de 5,6 MHz en la banda UHF. Su máxima tasa de transmisión es de 23,33 Mbps. Y en [54] se presenta el desarrollo de un receptor DVB-H, basado en DVB-T, el cual utiliza OFDM. En cuanto a comunicaciones por cable, OFDM se aplica principalmente en PLC. Existen otras aplicaciones, como PRIME o G3 para la lectura remota de contadores (telemedida), por ejemplo, pero su caudal binario es muy bajo (inferior a 1 Mbps) porque son transmisiones de banda estrecha, lo que queda fuera del interés de la investigación llevada a cabo en este trabajo. En [55] se propone el uso de una comunicación OFDM a través de los cables eléctricos de una vivienda. Destaca la ubicuidad del medio físico, su bajo coste y su facilidad de uso. Frente a la respuesta en frecuencia del canal, destaca que el uso de OFDM es muy apropiado por su resistencia a atenuaciones selectivas del canal. En [56] se plantea el problema de que cada vez son más comunes los dispositivos de audio y vídeo capaces de comunicarse por IP en redes Ethernet, lo que se está convirtiendo en una red de aparatos domésticos ubicua. Sin embargo, instalar una red Ethernet cableada en una casa existente presenta serias dificultades. Para superarlas, se ha desarrollado una tecnología PLC de alta velocidad, capaz de configurar una red IP 100Base-T utilizando el cableado eléctrico como medio de transmisión. El gran inconveniente de estas redes es que sus características ante la frecuencia son inestables. Esto afecta a servicios con ciertas características, como el vídeo, la voz sobre IP, o la transferencia de audio o datos. En [56] se propone una técnica de corrección de errores en tiempo real, que reduce los efectos de los errores producidos por los rápidos cambios del cableado eléctrico, y una técnica para garantizar la transmisión de datos almacenados.

39 2.5 OFDM en comunicaciones Ethernet 21 En [57] se presenta el desarrollo de un repetidor PLC que permite incrementar las distancias de comunicación entre dos equipos, dentro de un mismo edificio. El dispositivo desarrollado actúa como un puente Ethernet: todo lo que recibe por la red PLC lo retransmite de nuevo a la red, pasando por el PC al que está conectado el módem PLC. Respecto a las tramas Ethernet que recibe del PC al que está conectado el módem, las encapsula en su propio protocolo, el empleado en la red PLC. Por último, sólo queda por reflejar el empleo de OFDM en comunicaciones por fibra óptica. En esta ocasión, existen bastantes publicaciones al respecto debido a la actualidad de la tecnología. Con esta técnica se alcanzan caudales binarios de Terabits por segundo, debido a las características del medio de transmisión, que son los mayores caudales que se pueden alcanzar por cable, con la tecnología actual. Destacan los trabajos [58 62]. En [58] se realiza una revisión y se presenta un resumen muy interesante sobre varios sistemas de transmisión óptica de alta capacidad de 100 Gbps por canal. En ellos se utilizan nuevas tecnologías sobre formatos de modulación multinivel, fibras con mayor área efectiva y menores pérdidas, amplificación híbrida EDFA/Raman, y detección coherente digital. Al final se presentan los resultados de nuevas investigaciones sobre canales de 400 Gbps y 1 Tbps utilizando técnicas de transmisión DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) ortogonal. Tal y como indica [58] en su segunda sección, los nuevos formatos de modulación óptica se dividen entre los de una portadora y los de múltiples portadoras, grupo en el que entra la modulación OFDM. Ahí se indica que con OFDM la transmisión tolera mejor la dispersión cromática (CD) y la dispersión por polarización (PMD), debido a que cada subportadora es una señal que transporta una baja tasa binaria. Por el contrario, los transmisores basados en OFDM son más complejos que los mono-portadora. En [59] se presenta una comunicación óptica OFDM multibanda, llegando a la conclusión de que el uso de varias bandas OFDM en paralelo reduce significativamente el ancho de banda necesario para los conversores AD y DA. El experimento está formado por cuatro bandas OFDM, de 22,8 GHz de ancho de banda cada una, con PDM (Polarization Division Multiplexing), con lo que se transmiten 10 canales de 121,9 Gbps cada uno (1,2 Tbps en total), a lo largo de km de fibra mono modo. La señal OFDM generada es una señal OFDM eléctrica normal, basada en FFT, como la generada en los sistemas no ópticos descritos previamente, que se convierte posteriormente al mundo óptico mediante el uso de conversores electro-ópticos. En [60] se muestran los resultados de una transmisión OFDM óptica de 12 Gbps sobre 400 km de fibra mono modo, y de otra transmisión que alcanza los 20 Gbps a lo largo de 320 km, ambos con detección directa en el recep-

40 22 Capítulo 2. Estado del arte tor. En esta ocasión, la señal OFDM se genera con FFT, pero la portadora principal es una portadora óptica, a diferencia del trabajo descrito anteriormente. En [61] y en [62] se presentan los resultados de emplear OFDM en fibra óptica con transmisores totalmente ópticos, generando la señal OFDM con moduladores ópticos Mach-Zehnder, y con recepción coherente. En el primero se transmiten 134 canales de 111 Gbps cada uno (13,4 Tbps en total) a lo largo de una fibra mono modo de km; y en el segundo se presentan los resultados de transmitir 135 canales de 111 Gbps cada uno (13,5 Tbps en total) a lo largo de km, y de 1 Tbps en total sobre km, usando PSCF (Pure Silica Core Fiber). Por otra parte, OFDM también está muy presente en las redes PON (Passive Optical Network). Estas redes están concebidas para reducir los costes de distribución se servicios de banda ancha, simplificando la arquitectura de la red, integrando las redes metropolitanas y de acceso en un único sistema. Con las técnicas tradicionales se es capaz de dar servicio a 32 abonados, usando multiplexación en el tiempo (TDM), con una distancia máxima de unos 20 km desde el centro de conmutación y con unas tasas de datos de entre 1 y 2,5 Gbps de bajada y aproximadamente 1 Gbps de subida. [63] Sin embargo, en varios trabajos encontrados en la literatura, mediante el uso de OFDM óptico se pueden mejorar notablemente estas características. Concretamente, en [63] se presenta una red PON basada en OFDM con modulación QAM que consigue dar servicio a 256 abonados, a una distancia de unos 100 km sin compensación de la dispersión, con una tasa de bits de 4 Gbps de subida y 4 Gbps de bajada. Otro trabajo similar al anterior es el presentado por Zhang en [64]. En este caso se utiliza una configuración OFDM óptico basado en FFT con una multiplexación en el tiempo de los datos. Se consigue una comunicación de 5 Gbps a una distancia de 20 km para 2 abonados. Otro trabajo sobre PON con cierta originalidad en su arquitectura es [65]. En este caso se emplea una configuración OFDM con portadora principal óptica, con la que se alcanzan 1,1 Gbps o 1,66 Gbps (según la modulación) a una distancia de entre 20 y 30 km, con 32 abonados. La originalidad estriba en que la portadora de los datos que los receptores utilizan para el canal de subida, se transmite por el canal de bajada, por lo que sólo se necesita una sola longitud de onda en el canal de subida para multiplexar los datos de varios receptores en el dominio de la frecuencia. Para terminar, se comenta el trabajo presentado en [66], en el que se proporciona una revisión de recientes tendencias en diferentes campos de

41 2.6 Conclusiones 23 aplicación de OFDM óptico, que abarca desde transmisiones Gigabit Ethernet de 40 y 100 Gbps en coches sobre fibras multi modo, hasta redes de transmisión de largas distancias basadas en DWDM sobre fibra mono modo. Respecto a la aplicación de OFDM en coches, se comenta que se alcanzan caudales de 25 y 150 Mbps sobre fibra óptica de plástico (POF), pero que se puede alcanzar 1 Gbps si se introducen fibra PCS (Polymer Cladded Silica) y transmisores láser VSCEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) Conclusiones A raíz del estudio bibliográfico realizado, se pueden extraer las siguientes conclusiones: En la comunidad científica se está trabajando para incorporar, en vehículos ferroviarios, servicios embarcados de entretenimiento, Internet, información del viaje, así como para incrementar la seguridad, y mejorar la calidad de los viajes. Esto requiere una o más redes dedicadas de alta capacidad binaria, con un desarrollo adecuado de la tecnología embarcada, lo que hará a los trenes un medio de transporte más competitivo. El inconveniente es que estos servicios no pueden ser soportados por las actuales redes de control, debido al gran volumen de información a transmitir, por lo que se requiere el uso de redes más rápidas, como Ethernet. Otros inconvenientes de las nuevas redes embarcadas son que incrementan el coste total del tren, el peso del mismo y la complejidad del cableado. Tal y como se demuestra en alguna publicación analizada, implementar redes embarcadas de banda ancha, especialmente redes Ethernet, es una solución viable, que permite seguir transmitiendo datos de control y monitorización, como con los sistemas clásicos de control embarcados. Además, esto permite transmitir datos de control más avanzado, datos de mantenimiento, y una gran variedad de vídeo y otro tipo de información. Todo esto deriva en un control más eficiente del tren; un mejor mantenimiento, ya que se recopila una gran cantidad de datos de sensores; y más y mejores servicios de información para los pasajeros y la tripulación. En varios estudios analizados se demuestra que usar Ethernet, compartido para control y para entretenimiento a bordo de vehículos ferroviarios, es factible y efectivo para usarlo como la red para el control del tren.

42 24 Capítulo 2. Estado del arte OFDM es una técnica que lleva en uso varios años y es la que está permitiendo alcanzar mayores tasas binarias en las comunicaciones, que con los sistemas clásicos. Por lo tanto, es la técnica a utilizar para transmitir el caudal necesario de los nuevos servicios embarcados. El empleo de OFDM en las comunicaciones de los sistemas ferroviarios con tierra está muy extendido y muy estudiado, y se siguen mejorando e incrementando la tasa binaria de esos enlaces, mediante el análisis de los canales de transmisión y la optimización de los sistemas OFDM. Esto indica que el uso de OFDM en sistemas ferroviarios es viable y funciona, lo que respalda la viabilidad del sistema de comunicaciones diseñado en este TFM basado en OFDM. Prácticamente ninguna publicación se centra en la red embarcada de comunicaciones para el control del tren desde un punto de vista de redes Ethernet ni desde un punto de vista de OFDM, lo que avala el desarrollo de un nuevo sistema de comunicaciones embarcado. Respecto a la transmisión de información entre vehículos ferroviarios, en la mayoría de los trabajos estudiados no se tiene en cuenta este aspecto. Y los que lo hacen, se hacen eco del problema que supone el acoplamiento eléctrico entre coches. Para evitarlo se emplea un enlace de radiofrecuencia para dicha transmisión.

43 Capítulo 3 3. Modelo del canal de comunicaciones Como se ha descrito en el capítulo de introducción, el canal de comunicaestá embarcado en un tren y, más ciones sobre el que se basa este trabajo concretamente, es el canal que permite transmitir información entre vehícu- los contiguos, pasando por un acoplamiento eléctrico. La arquitectura del sistema diseñado, en el que interviene este canal de comunicaciones, se muestra en el esquema de la Figura 3-1. Figura 3-1. Esquema del sistema diseñado.

44 26 Capítulo 3. Modelo del canal de comunicaciones Como se puede observar en dicha figura, en cada vehículo ferroviario hay una red Gigabit Ethernet embarcada, bien por cable o bien por fibra óptica, con un enrutador (switch o router) en los extremos de cada vehículo. El traspaso de información de un vehículo a otro lo realiza el sistema resultado de la investigación llevada a cabo en este TFM, capturando la información con el dispositivo denominado Cabecera Ethernet-OFDM en la figura, el cual convierte la información, del protocolo GMII (Gigabit Media Independent Interface), definido en el estándar IEEE [67] para redes Gigabit Ethernet, a tramas moduladas en OFDM. Éstas se envían al otro coche por un cable par trenzado a través del acoplamiento automático. En el coche receptor se realiza el proceso inverso transformando las tramas OFDM en el protocolo GMII Acoplamiento automático Scharfenberg En la investigación llevada a cabo en este TFM se ha trabajado con un acoplamiento de tipo automático, porque es el caso más desfavorable de los tres presentados anteriormente (manual, semi-permanente y automático). Dentro de los diferentes tipos de acopladores automáticos que existen, el estudiado es el acoplador automático Scharfenberg (mostrado en la Figura 3-2 y en la Figura 3-3) que es ampliamente utilizado en el sector. Este acoplador está formado por una parte mecánica, encargada de enganchar los dos vehículos y de que no se separen con el movimiento del tren (conos centrales en la parte inferior de la Figura 3-3); una parte de conexión hidráulica (en la parte central sobre los conos); y una parte eléctrica, formada por una matriz de conectores de plata (en la parte superior). Cuando dos vehículos se acoplan (véase la Figura 3-4) el contacto entre los conectores se asegura mediante la presión ejercida por muelles internos a cada conector. En la Figura 3-5 se muestra la sección de los conectores empleados. Aunque el nombre de Scharfenberg se debe a la parte mecánica, en el mundo ferroviario se extrapola con ese nombre al conjunto mecánicohidráulico-eléctrico. Sin embargo, en este documento, cuando se hable de Scharfenberg se referirá a la parte eléctrica del acoplamiento. Este elemento es el cuello de botella de la línea de transmisión de un tren, ya que limita el ancho de banda a unos 50 MHz. En [68] se detalla el modelado electromagnético del Scharfenberg, cuyos resultados se han empleado en este TFM como modelo del canal de comunicaciones.

45 3.1 Acoplamiento automático Scharfenberg 27 Del estudio realizado en dicha referencia, sobre el modelado del Scharfenberg, se concluye que éste se comporta linealmente hasta unos MHz, a partir de los cuales su comportamiento es impredecible. Figura 3-2. Localización del Scharfenberg en el tren. Figura 3-3. Vista frontal del Scharfenberg con la tapa protectora levantada.

46 28 Capítulo 3. Modelo del canal de comunicaciones Figura 3-4. Dos Scharfenberg acoplados. 1 - Contacto fijo 2 - Contacto presión 3 - Soporte Figura 3-5. Sección de los conectores del Scharfenberg. [5] También se muestra la respuesta en frecuencia del Scharfenberg obtenida en laboratorio (ver la Figura 3-6) y la obtenida en un tren real (ver la Figura 3-7). En este TFM se ha empleado esta última, pues es una respuesta más cercana a lo que se puede encontrar en una implementación real del sistema y, como se puede comprobar por comparación, es una respuesta más severa en amplitud que las obtenidas en laboratorio.

47 3.1 Acoplamiento automático Scharfenberg 29 0 Ganancia [db] Parám. Scharfenberg -30 Medidor Gan-Fas Parám. Ajustados Generador-Oscilo -40 0,01 0, Frecuencia [MHz] 500 Fase [deg] ,01 0, Frecuencia [MHz] Figura 3-6. Respuesta en frecuencia del Scharfenberg en laboratorio. [68]

48 30 Capítulo 3. Modelo del canal de comunicaciones 0 Ganancia [db] ,01 0, Frecuencia [MHz] 0-10 Fase [rad] ,01 0, Frecuencia [MHz] Figura 3-7. Respuesta en frecuencia del Scharfenberg medida en un tren real.

49 Capítulo 4 4. Sistema Gigabit diseñado Una vez que se conoce la arquitectura del sistema y que se tiene modelado el canal de comunicaciones a emplear, es necesario realizar un estudio del estándar sobre el que está basado el sistema, concretamente el IEEE Parte 3 [67], para conocer los pormenores de la comunicación. Este análisis se muestra en el primer apartado de este capítulo. A continuación se ha realizado un estudio de los parámetros OFDM para diseñar un sistema que permita transmitir 1 Gbps en unos 50 MHz de ancho de banda, estudio que se presenta en el segundo apartado Análisis del estándar IEEE Como primer paso en la investigación llevada a cabo para el diseño del sistema digital de comunicaciones que se presenta en este documento, ha sido necesario analizar el estándar IEEE (IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitana rea networks Specific requirements), que es donde se definen las características de Ethernet de 100 Mbps y de 1 Gbps, entre otras tasas binarias, y con mayor profundidad la Parte 3 (Carrier sense multiple Access with collision detection «CSMA/CD» Access method and physical layer specifications), donde se detallan las características de las tramas en cuanto al formato y a la temporización.

50 32 Capítulo 4. Sistema Gigabit diseñado Dentro de esta Parte 3 se ha hecho hincapié en el protocolo GMII, que es el protocolo de comunicación entre las capas PHY y MAC, en el que se obtienen los campos de información del paquete Ethernet, digitalizados y sincronizados con un reloj. A continuación se resume la información que ha sido necesaria utilizar en el diseño y configuración del sistema. En la Figura 4-1 se muestra el formato del paquete Ethernet, válido para todas las velocidades del estándar. De aquí se destaca que: Figura 4-1. Formato del paquete Ethernet. [67] el Preamble es una secuencia de 7 bytes de valor constante 0x ; el SFD (Start Frame Delimiter) es un byte de valor constante 0xD5; la Extension es un número indeterminado de bytes de relleno (hasta completar un mínimo de longitud de paquete), que sólo se utiliza en comunicaciones de 1 Gbps half-duplex, por lo que no aplica en el caso de estudio; dado que el Preamble y el SFD son datos conocidos y constantes, la información que se va a transmitir por la comunicación OFDM son, exclusivamente, los correspondientes a la trama Ethernet, es decir, desde el campo Destination Address hasta el Frame Check Sequence, ambos inclusive. Por lo tanto, los paquetes Ethernet que va recibir el sistema oscilan entre los 64 y bytes de trama, más los 8 de Preamble y SFD.

51 4.1 Análisis del estándar IEEE Respecto a la temporización, lo primero que hay que tener en cuenta son las definiciones y del estándar, las cuales se muestran a continuación, referentes a la tasa binaria y a la duración de un bit: Con esto, se puede entender sin dificultad la información que se muestra en la Tabla 4.1. Tabla 4.1. Parámetros MAC. [67] Por lo tanto, si el tiempo de bit para 1 Gbps es de 1 ns, las conclusiones que se extraen son: la trama Ethernet dura entre 512 ns (64 bytes 8 ns/byte) y ns (2.000 bytes 8 ns/byte), más 64 ns del Preamble y el SFD; el tiempo mínimo de silencio entre tramas consecutivas es de 96 ns; En cuanto a la interfaz del protocolo GMII hacia la capa MAC, también está descrita en el estándar IEEE 802.3, concretamente en los apartados 34 y siguientes, pero no son relevantes para la investigación que se ha llevado a

52 34 Capítulo 4. Sistema Gigabit diseñado cabo. En el caso de realizar una implementación física, sí sería necesario analizar en profundidad dicha interfaz. Con toda esta información ya se es capaz de abordar el siguiente punto, consistente en la configuración de la comunicación OFDM Configuración del sistema diseñado Al hablar de la configuración del sistema diseñado se hace referencia a la asignación de valores a los parámetros de la comunicación OFDM 1 para obtener los resultados deseados de la comunicación. Tal y como se ha indicado en el capítulo anterior al presentar la arquitectura del sistema, la comunicación entre vehículos ferroviarios dispone de sendas cabeceras Ethernet- OFDM (capa PHY) en sus extremos. Estas cabeceras convierten las tramas Ethernet (recibidas de la capa PHY mediante el protocolo GMII) en tramas OFDM. Para garantizar una transmisión adecuada, la comunicación OFDM debe ajustarse a dicho protocolo, el cual está descrito en el IEEE Y este ajuste es el que se desarrolla en el apartado actual Configuración para valores teóricos En una primera parte de la investigación llevada a cabo, se ha estudiado matemáticamente la configuración del sistema OFDM. Conociendo el formato y temporización de las tramas Ethernet, y para garantizar que se transmitan todas las tramas que reciba el sistema, la comunicación OFDM debe transmitir cada trama en un tiempo menor o igual al que tiene dicha trama en la comunicación Ethernet. Matemáticamente se puede expresar como: Donde 4.1 TSil + TTrm TSil Eth + TCabecera Eth + TTrm Eth T es la duración de la trama Ethernet que, como se ha visto Trm Eth en el apartado anterior, puede variar entre 512 y ns; duración del Preamble y del SFD, que son 64 ns; Sil Eth T es la Cabecera Eth T es el tiempo de silencio entre paquetes Ethernet consecutivos, el cual es mayor o igual a 96 ns; T es la duración de la trama OFDM, la cual depende de la longitud de la Trm trama Ethernet; y TSil es el tiempo de silencio entre tramas consecutivas de la comunicación OFDM, que es un valor constante y configurable. 1 En el Apéndice A se indican los parámetros necesarios en la comunicación OFDM y la relación matemática entre ellos.

53 4.2 Configuración del sistema diseñado 35 Basándose en las ecuaciones del apéndice A, donde se relacionan entre sí los distintos parámetros de la comunicación OFDM, se tiene: 4.2 TTrm = ( NPatr + NSimb ) TSimb 4.3 T Simb = TPgrd + TGrd + TDat Operando las ecuaciones desde A.5 hasta A.10, se obtiene: 4.4 TSimb TDat + TDat RGrd Simb + ( TDat RGrd Simb ) RPgrd Grd Que también se puede expresar como: 4.5 T T 1 + R ( 1 R )] Simb Dat [ Grd Simb + Pgrd Grd Por otra parte: N Simb N = B Bits Eth Simb I 4.7 B Simb = B SimbPSK N Port = B SimbPSK ABmax T Dat par Por lo tanto se deduce que el tiempo de una trama OFDM se puede expresar como: 4.8 T Trm N N Patr + 1 BSimbPSK AB [ 1+ R ( R )] Bits Eth TDat Grd Simb + TDat max par I Pgrd Grd Haciendo una pequeña aproximación, en la que se ignoran los redondeos, se obtiene: NBits Eth 4.9 T N T [ 1 + R ( 1 + R )] + [ 1 + R ( 1 R )] Trm Patr Dat Grd Simb Pgrd Grd Grd Simb + BSimbPSK ABmax Pgrd Grd 2 La expresión N I representa el redondeo del valor Nal número entero superior más cercano. La expresión inferior. N indica el redondeo del valorn al número par inmediatamente par

54 36 Capítulo 4. Sistema Gigabit diseñado Con la peculiaridad de que el segundo término de la parte derecha no depende de T Dat. Sustituyendo en la ecuación 4.1, se obtiene: 4.10 T Sil T + N Sil Eth Patr T + T Dat Cabecera Eth NBits Eth [ 1+ R ( 1+ R )] + [ 1+ R ( 1+ R )] Grd Simb + N Bits Eth 1ns Pgrd Grd B SimbPSK AB max Grd Simb Pgrd Grd 4.11 Despejando T Dat queda: T Dat N Patr T Eth Cabecera Eth Sil [ 1+ R ( 1+ R )] Sil + T Grd Simb T Pgrd Grd + N Bits Eth [1 + R 1ns B N Patr Grd Simb ( 1+ R ) SimbPSK max [ 1+ R ( 1+ R )] Grd Simb AB Pgrd Grd Pgrd Grd ] Llegados a este punto, se pueden extraer varias conclusiones: 1) Los parámetros que son necesarios definir para la configuración de la parte OFDM son: T Dat, T Sil, N Patr, B SimbPSK, AB max, RGrd Simb y R. Pgrd Grd 2) Los valores TSil Eth y NBits Eth son variables y vienen impuestos por la trama Ethernet. 3) Como se han realizado simplificaciones en las ecuaciones anteriores, una vez que se calcule la cota máxima de T Dat, es necesario recalcular los parámetros descritos en el Apéndice A para ajustar T a un valor que cumpla todas las condiciones de los parámetros Dat OFDM. Con esto se garantiza que todas las tramas Ethernet recibidas en el sistema diseñado se van a transmitir en un tiempo menor o igual al tiempo que dura dicha trama en la comunicación Ethernet. Por otra parte, para que la comunicación se pueda llevar a cabo, se debe cumplir que: 4.12 N AB 2 Port = max T Dat par Si no, no habría ninguna portadora en el ancho de banda del canal y no se podría transmitir información cumpliendo las características de OFDM.

55 4.2 Configuración del sistema diseñado 37 De la ecuación 4.12 se deduce que: 4.13 T Dat min 2 AB max A pesar de este valor mínimo, se deben cumplir otras condiciones, como por ejemplo, que las partes de Guarda y de Prefijo del símbolo OFDM (ver Apéndice A) tengan muestras, por lo que es necesario ajustar el valor T recalculando las ecuaciones del Apéndice A. Dat min A continuación se van a realizar unos tanteos sobre los parámetros indicados anteriormente. En primer lugar, se va a acotar T Dat entre T Dat y un valor máximo. Dado que el primer sumando de la parte derecha de la ecuación 4.11 es cons- min tante, excepto, y que la fracción del segundo sumando también es TSil Eth constante, se puede afirmar que el mínimo valor de la parte derecha de la inecuación será cuando TSil Eth y NBits Eth sean mínimos, valores que se pueden obtener de las especificaciones del estándar IEEE [67] En la Tabla 4.2 se muestran los valores de los parámetros que configuran el sistema utilizados para realizar los cálculos, y que son: el mínimo número de patrones que debe tener una trama OFDM, para poder estimar los efectos del canal sobre la señal transmitida; un número razonable de bits por símbolo de la constelación PSK 3 ; el mayor ancho de banda disponible en el canal; las relaciones entre las partes de Datos, Guarda y Preguarda con unos valores mínimos necesarios; un tiempo de reposo mínimo entre tramas OFDM consecutivas; el tiempo de silencio mínimo en la comunicación Ethernet; y la longitud mínima de trama Ethernet. En esta ocasión se obtiene: 4.14 T Dat 1.923, 46ns max Tabla 4.2. Valores ejemplo de los parámetros del sistema OFDM. Parámetro Nomenclatura Valor Número de patrones Número de bits por símbolo PSK Ancho de banda máximo Relación entre la parte de Guarda y la parte de Datos N Patr 1 B SimbPSK 4 AB max 50 MHz RGrd Simb 1:50 3 El valor elegido de 4 bits por símbolo corresponde a una constelación 16-PSK.

56 38 Capítulo 4. Sistema Gigabit diseñado Relación entre la parte de Preguarda y la parte de Guarda Tiempo de silencio RPgrd Grd 1:1 TSil 10 ns Tiempo de silencio Ethernet mínimo Número de bits Ethernet mínimo TSil Eth NBits Eth 96 ns 512 bits Como TDat no puede ser negativo, al tratarse de un parámetro temporal, esta configuración no es válida. Dado que los parámetros N Patr, AB max, T Sil, RGrd Simb y R están ajustados a sus límites, sólo cabe la posibilidad de calcular cuánto debe valer Pgrd Grd B SimbPSK para que TDat sea positivo y mayor que T = Dat 40ns. min En esta ocasión se obtiene: 4.15 B SimbPSK 18bits ns TDat 67, 65ns Como se puede suponer, una constelación de 256K-PSK no se puede utilizar en una comunicación en la que exista ruido, como es la que se ha estudiado en este trabajo. Por lo tanto, el sistema OFDM no es capaz de transmitir 1 Gbps de información, en 50 MHz de ancho de banda, con unos valores razonables de los parámetros, y con un tiempo entre paquetes Ethernet de 96 ns, que es el tiempo mínimo estipulado en el estándar Configuración para valores reales Sin embargo, si se tiene en cuenta que una comunicación Ethernet, a la velocidad que sea, nunca transmite todos sus paquetes con la mínima separación temporal entre paquetes 4, se puede configurar la comunicación OFDM con tramas que duren más de lo que duran las tramas Ethernet, aprovechando el mayor tiempo entre paquetes Ethernet, y permitiendo así que el sistema sea capaz de transmitir todas las tramas Ethernet recibidas. El único inconveniente es que, visto desde el sistema Ethernet exterior, a los 4 Obviamente se refiere a comunicaciones Ethernet comerciales, no a las comunicaciones desarrolladas ad-hoc para un sistema concreto, en el que el protocolo propietario puede forzar a que la información fluya a los mínimos temporales permitidos.

57 4.2 Configuración del sistema diseñado 39 paquetes se les introduce un mayor retardo que con una configuración OFDM que cumpla con los tiempos mínimos estipulados en el estándar. Como parte de la investigación llevada a cabo en este TFM, se ha hecho un profundo análisis del tráfico en una red Ethernet en distintos escenarios. En el Apéndice B se detallan la plataforma y la metodología seguidas para capturar y analizar tráfico real. En esta ocasión, el sistema debe cumplir: 4.17 ( T + T ) ( T + T T ) N Sil Trm N Sil Eth Cabecera Eth + Trm Eth Donde N es el número de tramas. Operando un poco esta ecuación, se puede llegar a: Donde 4.18 N TSil + TTrm N TSil Eth + N TCabecera Eth + N TTrm Eth TSil Eth N es la media de los tiempos de silencio de las tramas Ethernet para el escenario seleccionado (ver Apéndice B); y T es la duración de las tramas Ethernet para el escenario seleccionado (ver Apéndice B) y que se puede expresar como: Con 4.19 T N ns Bits Eth Trm Eth = Bits Eth 1 N como la media de los bits transmitidos en las tramas Ethernet para el escenario seleccionado (ver Apéndice B). Trm Eth Por lo tanto, la ecuación 4.18 queda: 4.20 N T + T N T + N T + N N ns Sil Trm Sil Eth Cabecera Eth Bits Eth 1 N Sustituyendo la ecuación 4.9 en la ecuación anterior, se obtiene: 4.21 N T Sil N T + N Sil Eth N Patr + N T T Dat Cabecera Eth NBits Eth [ 1+ R ( 1+ R )] + [ 1+ R ( 1+ R )] Grd Simb + N N Bits Eth Pgrd Grd 1ns B SimbPSK AB max Grd Simb Pgrd Grd

58 40 Capítulo 4. Sistema Gigabit diseñado Operando un poco, teniendo en cuenta que el primer sumando del sumatorio es un valor constante, y que en el segundo sumando del sumatorio todos los operandos son constantes, excepto, queda: NBits Eth 4.22 N T Sil N T + N N Sil Eth Patr T + N T Dat Cabecera Eth N NBits Eth [ 1+ R ( 1+ R )] + [ 1+ R ( 1+ R )] Grd Simb + N N Bits Eth Pgrd Grd 1ns B SimbPSK AB max Grd Simb Pgrd Grd Simplificando N y despejando T Dat queda: 4.23 T Dat T Sil Eth N + T Patr + N NBitsEth 1ns T B AB Cabecera Eth Bits Eth Sil SimbPSK [ 1+ RGrd Simb ( 1+ RPgrd Grd )] NPatr max De donde se deduce que T Dat depende del escenario Ethernet en el que vaya a funcionar el sistema de comunicaciones entre vehículos ferroviarios. Para verificar si con tráfico real el sistema es capaz de funcionar, se repiten los cálculos del apartado anterior con los valores de la Tabla 4.2, pero con otros valores de TSil Eth y de NBits Eth. Suponiendo que la comunicación entre vehículos ferroviarios no se autoconfigura en función del tráfico que haya en la red en cada momento, es necesario calcular la configuración del sistema para el caso más desfavorable. De los escenarios estudiados en el Apéndice B, el caso más desfavorable es en el que el PC recibe información en descarga extrema, en el cual T Sil Eth =1,666µ s 5 y NBits Eth = bits. El resultado es: ns TDat , 58ns Como se puede deducir, el sistema diseñado no es capaz de soportar tal volumen de tráfico en una red de 1 Gbps, por lo que se pasa a estudiar el siguiente caso más desfavorable que es el mismo escenario pero en una red de 100 Mbps. Para esta ocasión T Sil Eth =16,66µ s y NBits Eth = bits. 5 Este tiempo está dividido por 10 para equiparar la red de 100 Mbps medida a una de 1 Gbps.

59 4.2 Configuración del sistema diseñado 41 El resultado es: ns TDat , 77ns Como se ha indicado anteriormente, las ecuaciones 4.11 (y por consiguiente la 4.23) y 4.13 son aproximaciones debido a las simplificaciones realizadas durante el desarrollo matemático, por lo que es necesario recalcular los parámetros OFDM para ajustar los valores de T Dat y que se cumplan todas las condiciones de una comunicación OFDM. En este caso: ns TDat ns Como se observa que hay bastante diferencia entre ambos límites de T Dat, se calculan ahora para otra configuración más razonable de la comunicación OFDM, desde el punto de vista funcional. En la Tabla 4.3 se indican los valores empleados. Tabla 4.3. Valores ejemplo de los parámetros del sistema OFDM. Parámetro Nomenclatura Valor Número de patrones Número de bits por símbolo PSK Ancho de banda máximo Relación entre la parte de Guarda y la parte de Datos Relación entre la parte de Preguarda y la parte de Guarda Tiempo de silencio N Patr 4 B SimbPSK 2 AB max 45 MHz RGrd Simb 1:4 RPgrd Grd 1:2 TSil 96 ns Tiempo de silencio Ethernet más crítico Número de bits Ethernet más crítico TSil Eth NBits Eth 16,66 µs bits El resultado es: ,44ns TDat 6.850, 71ns Por lo que esta nueva configuración no soporta el volumen de información del escenario escogido (descarga extrema), ni siquiera en una red de 100 Mbps.

60 42 Capítulo 4. Sistema Gigabit diseñado Si se calcula para el tercer escenario más desfavorable, que es la transmisión de tramas desde el PC en descarga extrema en una red de 1 Gbps, se obtiene que, para la configuración indicada en la Tabla 4.2 con T Sil Eth =27,021µ s 6 y NBits Eth =1. 080bits : ns TDat ns Después de recalcular los parámetros; y para la Tabla 4.3 con T Sil Eth =27,021µ s 7 y NBits Eth =1. 080bits, el resultado, después de recalcular los parámetros, es: ns TDat ns La configuración de la Tabla 4.3, tal y como se demuestra en el capítulo 6, tiene una mayor robustez ante errores que la configuración de la Tabla 4.2, pues tiene un mayor número de patrones, lo que permitirá estimar mejor los efectos del canal sobre la señal; utiliza una modulación PSK más robusta; tiene un tiempo de guarda mayor, lo que disminuye las interferencias entre símbolos OFDM consecutivos; y tiene un tiempo de preguarda mayor, lo que suaviza más las transiciones entre símbolos contiguos Conclusiones Las conclusiones que se pueden extraer de este capítulo son las siguientes: Respecto del estándar IEEE 802.3: Para una comunicación de 1 Gbps, la trama Ethernet dura entre 512 ns (64 bytes 8 ns/byte) y ns (2.000 bytes 8 ns/byte), más 64 ns del Preamble y el SFD. El tiempo mínimo de silencio entre tramas consecutivas es de 96 ns. Respecto de la configuración del sistema OFDM: Debido al poco ancho de banda de que se dispone para la comunicación, el sistema no es capaz de transmitir 1 Gbps de información para los valores mínimos estipulados en el estándar. 6 Este tiempo está dividido por 10 para equiparar la red de 100 Mbps medida a una de 1 Gbps. 7 Este tiempo está dividido por 10 para equiparar la red de 100 Mbps medida a una de 1 Gbps.

61 4.3 Conclusiones 43 Aprovechando las características reales de la comunicación Ethernet, es decir, unos tiempos entre tramas mucho mayores, en valor medio, que el mínimo indicado en el estándar, se puede alcanzar alguna configuración del sistema que, aunque tarde más tiempo en transmitir la información que lo que tarda la comunicación Ethernet, es capaz de enviar todas las tramas que reciba cumpliendo la condición expresada en la ecuación 4.17.

62

63 Capítulo 5 5. Simuladores Para la validación del sistema digital de comunicaciones diseñado, se han empleado dos simuladores, realizados en Matlab, con distintos propósitos. Con el primero de ellos se analiza la viabilidad del sistema desde el punto de vista temporal de la información. Indica si la configuración OFDM seleccionada converge en el tiempo, es decir, que funciona a una velocidad tal que, con tráfico real, consigue transmitir todos los paquetes recibidos sin incrementar indefinidamente el retardo de retransmisión de los paquetes; e indica el retardo que sufre cada paquete respecto de una transmisión instantánea. Con el segundo simulador se analiza el sistema desde un punto de vista físico y de errores de la transmisión, ya que evalúa los efectos del canal sobre la señal transmitida y calcula la tasa de bits erróneos en función de la configuración de los parámetros de la comunicación OFDM Simulador de tiempos Este simulador muestra cómo funciona, a lo largo del tiempo, la transmisión de todos los paquetes Ethernet recibidos, para una configuración OFDM determinada. El programa carga un archivo de paquetes Ethernet reales, capturados con el analizador lógico (ver Apéndice B), en el que tiene, para cada paquete Ethernet, el tiempo de reposo desde el paquete anterior

64 46 Capítulo 5. Simuladores hasta el paquete actual, la duración del paquete actual, y el número de bytes de la trama Ethernet del paquete actual. 8 Con esta última información y con los valores de T Dat, T Sil, N Patr, B SimbPSK, AB max, RGrd Simb y R aportados por el usuario, el simulador calcula lo Pgrd Grd que dura cada trama OFDM para cada trama Ethernet recibida. Después combina los tiempos en los que se han recibido los paquetes Ethernet con los tiempos de las tramas OFDM, simulando que la trama OFDM se empieza a transmitir cuando termina de recibirse el paquete Ethernet (ver la Figura 5-1). Por último, el simulador presenta el retardo que sufre cada trama desde que se termina de recibir en la parte Ethernet hasta que comienza a transmitirse en la parte OFDM (ver la Figura 5-2). Esta medida indica si la configuración OFDM indicada por el usuario es adecuada para soportar el tráfico simulado. Si el retardo crece indefinidamente o alcanza valores muy elevados (por encima de 1 segundo) es síntoma de que la configuración no es correcta y de que el sistema no es capaz de transmitir toda la información recibida. Sin embargo, si los tiempos de retardo se mantienen dentro de una banda de valores, entonces la configuración de la parte OFDM es correcta y el sistema puede funcionar adecuadamente. Figura 5-1. Ejemplo de simulación. 8 Como la captura de tramas Ethernet se realiza en una red de 100 Mbps, y el simulador es para redes 1 Gbps, éste supone que el tráfico es el mismo pero con una duración de bit de 1 ns, en vez de 10 ns, por lo que los tiempos medidos con el analizador lógico se multiplican por 0,1.

65 5.2 Simulador de errores 47 Figura 5-2. Ejemplo de retardos en la simulación Simulador de errores El otro simulador empleado en este TFM está basado en el simulador construido en [68]. Está compuesto por un conjunto de funciones, programadas en Matlab, capaces de reproducir fielmente el comportamiento del sistema digital diseñado. Este simulador permite obtener rápidamente resultados del sistema, para diferentes configuraciones del mismo, sobre la línea de transmisión modelada. Así se pueden probar en poco tiempo distintas configuraciones del sistema y extraer conclusiones que permitan optimizar su funcionamiento. La estructura general del simulador es la presentada en la Figura 5-3, en la que cada bloque es una función. Además, hay otras funciones para inicializar el sistema, para generar los datos a transmitir y para mostrar en pantalla las figuras con los resultados de los distintos pasos de la simulación.

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