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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Comunicaciones Industriales Avanzadas REDES INDUSTRIALES EN EL SECTOR DEL FERROCARRIL

I. Moreno

REDES INDUSTRIALES EN EL SECTOR DEL FERROCARRIL IGNACIO MORENO GALLEGO Escuela Técnica Superior de Ingeniería-ICAI. Universidad Pontificia Comillas. Asignatura: Comunicaciones Industriales Avanzadas. Curso 2009-2010

RESUMEN El presente trabajo trata de introducir algunos conceptos que se encuentran dentro del amplio mundo de las comunicaciones industriales en el sector del ferrocarril. A continuación se tratara de introducir brevemente la red de comunicaciones existente dentro del propio ferrocarril (TCN, Train Communication Network) y se abordara con algo más de detalle la red de comunicaciones existente entre el ferrocarril y el exterior (GSM-R, Global Standard for Mobile Communications Rail). Dicha red de comunicaciones se encuentra dentro de la estandarización Europea llevada a cabo mediante el sistema ERTMS, que trata principalmente de eliminar fronteras en lo que al transporte ferroviario se refiere.

I.

INTRODUCCIÓN Desde los primeros días de la comunicación en el ferrocarril, cada operador nacional

de ferrocarriles ha tenido al menos un sistema de comunicaciones de radio propietario, principalmente en las bandas de frecuencia de 440 a 470 MHz, pero con multitud de tipos diferentes de modulaciones, códigos y señalizaciones. Debido al hecho de que con el tiempo se fueron agregando mayor número de líneas de ferrocarril de alta velocidad en todo Europa y de que los trenes cruzaban muchas fronteras durante sus trayectos, fue apareciendo la necesidad de poseer un único sistema Europeo de radiocomunicaciones para las compañías de ferrocarriles. Como se explico en el resumen este trabajo trata de introducir a grandes rasgos la tecnología utiliza en las redes de comunicaciones dentro del sector del ferrocarril. En una Página 1 de 28

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primera aproximación se podría dividir las redes de comunicaciones dentro de un ferrocarril en dos niveles: -

Comunicaciones a “nivel interno”, TCN (Train Communication Network), este estándar desarrolla una red de comunicaciones diseñada a medida para el entorno ferroviario.

-

Comunicaciones a “nivel externo”, GSM-R (Global Standard for Mobile Communications Rail), este otro estándar esta pensado para llevar a cabo todo el intercambio de información entre el tren y el mundo exterior (centro de mando,dispatcher, etc.). Como se puede intuir solo con el nombre, guarda una estrecha relación con el estándar GSM para comunicaciones móviles, sin embargo aunque se trata de protocolos muy similares GSM-R incluye algunas características específicas para las comunicaciones en ferrocarril.

No es objeto de este trabajo desarrollar ambos niveles de comunicación por lo que se realizara una breve introducción sobre lo que se refiere a TCN y se tratara de enfocar el trabajo hacia las comunicaciones a nivel externo, GSM-R. Como ya se ha dicho antes el objetivo del estándar TCN es el desarrollo de una red de comunicaciones diseñada a medida para el entorno ferroviario, garantizando la interoperabilidad a dos niveles: Por una parte, a nivel de equipos instalados en el tren, el TCN especifica con detalle un protocolo de comunicaciones para el bus de vehículo. Este protocolo permite el acceso sencillo y uniforme a toda la información del tren y hace que la incorporación de nuevos equipos y funcionalidades del sistema de control sean prácticamente "plug-and-play". Todos los equipos electrónicos instalados en el tren funcionan bajo una única red estándar, simplificando la transmisión de información. Es decir, todos los equipos "hablan" un mismo idioma. Esta red única permite que el intercambio de información y el Página 2 de 28

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funcionamiento del tren sea flexible y abierto a la incorporación de nuevas funcionalidades y tecnologías como GSP, GSM e Internet. Además, el uso del TCN simplifica de manera notable la formación de personal cualificado y la puesta a punto y mantenimiento del tren. Por otra parte, a nivel de tren, el estándar de comunicación TCN permite al bus del vehículo acoplar dos o más unidades de forma automática. El sistema se reconfigura sin necesidad de ayuda externa, incorporando los equipos del vehículo o unidad acoplada a la red. Todo lo referente a TCN esta recogido en el estándar IEC 61375-1, es una norma elaborada por la IEC (Comité Electrotécnico Internacional) con la colaboración de la UIC. En el otro nivel de comunicación al que se ha llamado “nivel externo”, a modo de introducción comentar que el GSM-R viene de una iniciativa, de la Unión Europea en los años 80, que pretende impulsar el desarrollo del tráfico ferroviario, en un ámbito supranacional, sin limitar el transporte ferroviario a las peculiaridades de cada uno de los países miembros.

Figura 1. Esquema de la red de comunicaciones antes del sistema GSM-R

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Figura 2. Esquema de la red de comunicaciones después del sistema GSM-R

Se pretende potenciar el transporte ferroviario, uniformizándolo en todos los países, mejorar los ejes de comunicaciones y modernizar las infraestructuras consiguiendo ejes de alta velocidad transnacionales y un sistema común (vías, comunicaciones, señalización, control y seguridad) que permita además la liberalización del sector como catalizador de este medio de transporte. Uno de los sistemas claves para este impulso es la homogenización de los sistemas de comunicaciones y de control y seguridad de tráfico ferroviario, eliminado también las barreras fronterizas. Se busca un único sistema de comunicaciones común para todos los servicios radio e interoperable en todos los países. Entre las distintas alternativas que se estudian, en 1993 se elige el sistema GSM como base de desarrollo para un sistema de comunicaciones adaptado a las necesidades de los trenes el GSM-R y se define el ETCS: Sistema Europeo de Seguridad y Control de Tráfico. La elección del sistema GSM-R frente al sistema TETRA, se debe fundamentalmente a parámetros económicos: -

Economías de escala de GSM.

-

Multitud de proveedores de terminales y servicios.

-

Universalidad. Página 4 de 28

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Homogeneización del sistema de telecomunicaciones a nivel nacional e internacional.

-

Inversión en una sola tecnología.

-

Reducción uso GSM público por parte de los empleados de los ferrocarriles.

-

Tecnología GSM Actual y a Futuro: sistema ampliamente implantado y en fase de implementación que garantiza su no obsolescencia o reducción a un mercado de nicho.

En la figura 1 se puede apreciar la evolución histórica que ha sufrido el GSM-R.

Figura 3. Evolución histórica del GSM- R.

Con anterioridad se ha hablado de el ETCS y GSM-R es necesario comentar que la unión de ambas especificaciones da lugar a lo que hoy en día se conoce como: ERTMS (European Rail Traffic Management System, Sistema de Gestión de Tráfico Ferroviario Europeo) es el sistema común, actualmente ya implantado en algunas líneas y en continuo desarrollo, para la gestión del tráfico de las líneas de ferrocarril transeuropeas. Página 5 de 28

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Figura 4. Esquema ERTMS

La Unión Europea apoya el desarrollo e implantación de ERTMS con el objetivo de aumentar la interoperabilidad del transporte ferroviario, lo que es dificultado en Europa por la existencia de: -

4 anchos de vías principales,

-

5 sistemas de electrificación, y además

-

20 sistemas de señalización y control de tráfico.

ERTMS debe contribuir a resolver el último aspecto logrando un sistema común de gestión de tráfico con señalización en cabina. Las especificaciones de ERTMS son fijadas por la UNISIG (Union Industry of Signaling) y controladas por la European Railway Agency (ERA), de reciente creación en acuerdo con la UIC (Union Internationale des Chemins de Fer). El sistema ERTMS hará posible una red ferroviaria europea donde los trenes podrán circular con seguridad por cualquier línea interoperable de cualquier país. Se aumentará la seguridad, optimizará la regulación de trenes, será eficiente en energía y reducirá los costes Página 6 de 28

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de mantenimiento. Se romperán las barreras nacionales y se creará un mercado único europeo para las empresas de señalización ferroviaria. Intensificará la competencia entre los suministradores y generará mayores márgenes para los ferrocarriles. Por un coste más bajo de implementación y por la economía de escala. Los costes de mantenimiento serán menores porque en el futuro no serán necesarios los cables ni los equipos en la vía (nivel 3). El ERTMS está formado por los siguientes elementos: -

ETCS (European Train Control System): Control automático del tren. Este a su vez está formado por los equipos de vía RBC (Radio Block Center) y LEU (Lineside Electronic Units).

-

EURORADIO (GSM-R): infraestructura de radio.

-

EUROBALISE: Balizas en la vía que dan la posición del tren.

-

EUROCAB: sistema a bordo de los trenes, que comprende los equipos EVC (European Vital Computer), DMI (Driver-Machine Interface) y odómetros (medidores de velocidad).

El fundamento legal del inicio proceso de creación de un sistema de señalización y control de tráfico fue en 1996, mediante por la Directiva 96/48/EG. El desarrollo ha sido y sigue siendo difícil y ha acumulado múltiples retrasos. Es llevado a cabo por 6 compañías miembros de UNISIG: Alstom Transport, Ansaldo STS, Bombardier Transportation, Invensys Rail Group, Siemens TS y Thales y el desarrollo y pruebas en líneas piloto cuenta con subvenciones de la Comunidad Europea. Los países pioneros en la aplicación de ERTMS son España, Suiza (MattstettenRothrist, Túnel de base del Lötschberg) y Holanda (Betuweroute y LAV Schiphol – Amberes). Puesto que tanto Renfe, como SBB y NB no habían desarrollado sistemas de señalización de alta velocidad "propios", como el francés TVM y el alemán LZB, estas compañías vieron en el desarrollo de ERTMS una oportunidad y decidieron la implantación de ERTMS en sus nuevas líneas de Alta Velocidad y en otras líneas . Y si los tres países han sufrido las consecuencias de la inmadurez de ERTMS y grandes retrasos en su

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aplicación, ahora se encuentran en una posición ventajosa para exportar su duramente adquirido "know how" a otros países. En la siguiente figura se puede apreciar como opera el conjunto de ERTMS.

Figura 5. Diagrama de funcionamiento del ERTMS.

Como ya se ha explicado antes ERTMS está constituido actualmente por dos componentes: ETCS (European Train Control System) y GSM-R (Global System for Mobile communication - Rail). ETCS realiza las funciones de control de los trenes y se han previsto tres niveles. -

ETCS Nivel 1 utiliza la transmisión puntual de información al tren por medio de transpondedores pasivos. También se usa la transmisión semicontinua por medio de lazos. Se trata de una tecnología suplementaria para la señalización lateral preexistente en líneas con baja o moderada intensidad de tráfico. Los cantones están definidos por el sistema de señalización ya instalado. Este nivel incrementa la seguridad en el caso de señalización temporal de precaución y en áreas de restricción de velocidad. Página 8 de 28

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Adicionalmente, la señalización en cabina permite incrementar la velocidad de la línea. -

ETCS Nivel 2, como el Nivel 1, puede instalarse "por encima" de un sistema anterior de señalización semafórica. La señales fijas pueden ser total o parcialmente sustituidas por señalización en cabina. El RBC (Radio Block Center) traza la localización de cada tren controlado dentro de su área. EL RBC determina y transmite una descripción de la vía y autoriza los movimientos, de forma individualizada para cada tren controlado, de acuerdo con el sistema de señalización subyacente. Adicionalmente ofrece al RBC los datos del tren, en especial su posición. Puede incrementarse la velocidad, ya el RBC puede inspeccionar varios cantones.

-

ETCS Nivel 3 presenta adicionalmente funciones tales como la determinación activa de la distancia entre los trenes. No es necesario la existencia de un sistema de monitorización lateral, puesto que los trenes informan de manera activa sobre su posición al centro de control, desde el comienzo de la composición hasta el último de los vagones. Para incrementar la capacidad de las líneas puede instaurarse el sistema de cantones móviles. La principal ventaja del nivel 3 consiste en la reducción de costes de amortización por la sustitución de los elementos de monitorización de ocupación de vía y de las señalización lateral.

GSM-R se encarga de la transmisión de voz y datos entre el tren y las instalaciones fijas. Los niveles 1 y 2 ya se encuentran en operación comercial. El nivel 3, el de máxima capacidad debido a que permite cantones móviles, no existe aún y el objetivo es que sea operativo hacia 2020.

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II.

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DESCRIPCION DE LA TECNOLOGÍA GSM-R.

Como se comento en la introducción en 1993, la organización mundial de cooperación en ferrocarriles (UIC, Union Internationale des Chemins de fer) decidió un nuevo sistema de comunicaciones para ferrocarriles. La decisión que se tomó no utilizaba TETRA para esta tarea, sino la tecnología GSM 900 ligeramente modificada. 32 operadores de ferrocarriles, pertenecientes a 24 países Europeos, acordaron en la EIRENE (European Integrated Railway radio Enhanced NEtwork) MoU, desarrollar la tecnología de red GSMR (-R proviene de “Railway” (ferrocarril)). GSM-R acabó de ser especificada en 1999 por la ETSI y en 2000 por EIRENE. Los documentos que definen esta especificación se pueden encontrar en la página web del UIC, debido a la gran extensión de dichos documentos en las posteriores líneas se realizara una simple introducción a esta tecnología tratando de esclarecer el funcionamiento a grandes rasgos de GSM-R.

Este sistema esta basado en la arquitectura GSM, en la siguiente figura se muestra el ámbito del sistema GSM-R con referencia a la funcionalidad que proporciona GSM

Figura 6. GSM-R con referencia a las funcionalidades que GSM proporciona.

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Como es lógico pensar el sistema GSM-R también goza de una arquitectura semejante al GSM público y se estructura en los siguientes subsistemas:

Figura 7. Subsistema de una red GSM-R.

-

El subsistema de estaciones móviles MS

-

El subsistema de estaciones base BSS

-

El subsistema de red y conmutación NSS

-

El subsistema de Operación y Mantenimiento

Cada uno de estos subsistemas está formado por una serie de componentes con su función específica asignada.

El subsistema de estaciones móviles (MS) se compone de los siguientes equipos que permiten la comunicación entre trenes, personal de mantenimiento o con el Puesto Central de Radio (PCR): – PMR (Puesto Móvil de Radio), terminal de radio embarcado en la cabina de los trenes. Tiene una potencia de emisión de 8 W (39 dBm). – PPR (Puesto Portátil de Radio), terminal con una potencia de emisión de 2 W (33 dBm).

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La sensibilidad a la recepción de la señal radio es de –102 dBm. Cada equipo móvil va dotado de su correspondiente tarjeta SIM (Módulo de Identificación de la Suscripción) que contiene la información individual y específica de cada Usuario.

El subsistema de estaciones base (BSS) proporciona todas las funciones de transmisión y control necesarias para la cobertura radio en el área de servicio. Las estaciones BTS están conectadas en anillo para mayor fiabilidad y son controladas por una o más controladoras de estaciones base BSC. La potencia de emisión de las BTS es de 50 W, con una sensibilidad a la recepción de la señal radio de –107 dBm. Las alturas de las torres son generalmente de 30 m y las antenas tienen una ganancia de 17 dBi.

El subsistema de Red y Conmutación (NSS) es donde se realizan las funciones de control y enrutamiento de las llamadas, tanto las de la telefonía móvil como el encaminamiento a una red fija u otra red GSM-R.

El subsistema de Operación y Mantenimiento (OMC) es el encargado de la gestión y control de los recursos y servicios de la red. Se integra en los sistemas generales de gestión y control y ayuda al mantenimiento de la red de telecomunicaciones con el OMC centro de Operación y Mantenimiento

Figura 8. Esquema en detalle de una red GSM-R.

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El número de radiocanales, frecuencias, en GSM-R está restringido a 19, frente a un número mucho mayor existente en el resto de operadores (58). Así mismo el handover (traspaso de celda o sector de celda en llamada en curso) en los trenes es mucho más frecuente y debe de ser soportado hasta velocidades de hasta 500 km/h por lo que ha sido necesario una adaptación de los algoritmos de decisión, junto con otra serie de medidas necesarias para alcanzar este reto. Las celdas en GSM-R son bisectoriales con requisitos de cobertura lineal, con un ángulo de antena específico para adaptarse a al ferrocarril (trincheras de vías,…) de 20º65º, frente a la cobertura omnidireccional (celdas trisectoriales u omnidireccionales) y ángulo de antena de 65º-360º.

Figura 9. Banda de frecuencias en las que opera GSM-R.

Un parámetro crítico en los sistemas GSM-R es la cobertura para ello se ha definido el plan de cobertura radio, el cual depende principalmente de factores geográficos y de los datos de explotación que se requieran. No es lo mismo en las zonas rurales que en las zonas urbanas, en las áreas planas y rectas que en los trazados montañosos y sinuosos. Los requerimientos EIRENE especifican unos niveles mínimos de cobertura. Con estos datos y otros relativos a las ganancias de las antenas, pérdidas estimadas en el sistema radiante y pérdidas de propagación en el espacio libre, junto con la referenciación geográfica del trazado en mapas cartográficos digitalizados, se calcula el balance del enlace Página 13 de 28

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radio, tanto el ascendente desde el móvil al repetidor BTS como el descendente desde la BTS hacia el móvil. Después, utilizando herramientas informáticas para la planificación, se define la situación de los emplazamientos, número de repetidores BTS, altura de las torres. En la planificación se tiene en cuenta la necesidad de una zona de solapamiento entre celdas de unos 700 m (8 segundos a 300 km/h) suficiente para llevar a cabo el traspaso de la comunicación en curso de una celda a la siguiente. La red GSM-R está formada por celdas elípticas dispuestas a lo largo del trazado, con antenas direccionales en la dirección de la vía. Si la cobertura se hace por capa simple, a cada celda corresponde una BTS con antenas combinadas para ambas direcciones. Si se requiere una mayor fiabilidad del sistema ante fallo de una BTS, se adopta la solución de doble cobertura mediante instalación redundante de BTS y BSC con un solapamiento total de todas las celdas. Se obtienen así dos capas de celdas completamente independientes. Por ejemplo, en el caso de la línea AVE Madrid-Lérida, diseñada para ETCS nivel 2, cada capa está dimensionada de forma que ella sola puede transportar todo el tráfico generado. Normalmente hay una dirección privilegiada. Los trenes que salen de Madrid utilizan la capa B y los que salen de Lérida la capa A. Si hay un fallo de cobertura los móviles en esa celda conmutan a la otra capa y regresan otra vez a la primera capa cuando los niveles de señal son más altos. En el caso de los túneles inferiores a 2 km se cubren desde el exterior con antenas especiales apuntando al interior del túnel. Si la longitud del túnel es mayor se instala cable radiante y estaciones repetidoras en el interior para conseguir unos niveles mínimos de –70 dBm en la antena receptora del tren.

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Figura 10. Esquema de la red GSM-R en las líneas del AVE.

Con el fin de facilitar la explotación ferroviaria se definieron y desarrollaron una serie de servicios avanzados que utilizan la plataforma de red inteligente, entre otros están los siguientes: -

Llamada funcional que permite asociar un número a cada circulación.

-

Direccionamiento según la posición que permite la comunicación del tren con el puesto de control especifico de cada punto de la vía.

-

Matriz de acceso, habilita o impide comunicaciones entre las diferentes entidades habituales en la operación ferroviaria.

-

ETCS Nivel 2, el sistema Europeo de Seguridad y Control de Trenes (ETCS) permite operar un mayor número de trenes por vía, incrementar la velocidad en la línea, mejorar la seguridad y operar más eficazmente el tráfico reduciendo así los retrasos.

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Llamadas de Emergencia, necesidad de comunicación punto multipunto y de multidifusión de llamadas de emergencia. Se requiere también el establecimiento rápido de la llamada y la definición flexible del área de difusión. Así mismo, permitir un registro de recepción de avisos de estas llamadas, para control y seguimiento de incidencias (caja negra).

-

Funcionalidades específicas para Shunting, o maniobras de enganche, y configuración de trenes. Se exige comunicación punto multipunto, garantía de enlace para movimientos de tren seguros y definición flexible de área y de equipos.

Como ya se explico anteriormente la red GSM-R la completan los terminales embarcados en los trenes y los terminales de mano, de los que están disponibles diferentes modelos según el uso. Existen los llamados terminales de uso general o los terminales de operación, más robustos y con la posibilidad de efectuar llamadas de maniobras. Un elemento esencial en la red GSM-R es el llamado puesto de control o puesto de dispatcher de llamadas. Se trata de un potente Terminal que gestiona las comunicaciones con el tren y es capaz de manejar prioridades, colas, llamadas de emergencia y llamadas de grupo, entre otras prestaciones. Es el puesto utilizado por el controlador de tráfico de trenes.

A la hora de implementar esta tecnología GSM-R en el entorno ferroviario requería enfrentarse a un contexto complejo y una serie de retos en el despliegue de una red de estas características que merece la pena comentar, en los que la electrónica de los equipos de telecomunicaciones, que se ubicaban en las proximidades de líneas de catenaria, se enfrentaba a los efectos perturbadores producidos por un alto voltaje de 25 kV. Además los equipos debían de dar servicio a una traza lineal en la que aparecerían de manera alternada zonas de trincheras, viaductos, túneles y en general zonas de cobertura compleja (pasos elevados, marquesinas en estaciones, etc.) En este entorno novedoso, del que no existían experiencias previas ni referencias de instalaciones similares, hubo que definir un conjunto completo de modelos de ingeniería Página 16 de 28

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que permitieran tomar las decisiones constructivas correctas. Era necesario garantizar el servicio con la inversión prevista. Esta ingeniería involucraba especialmente a los cálculos de cobertura electromagnética, a la definición de los mecanismos de protección de equipos y personas y a los cálculos de los elementos de obra civil ubicados en las proximidades de las vías, especialmente las cimentaciones de las torres de comunicaciones y todo lo relacionado con la instalación de equipamiento en el interior de los túneles. Los modelos de propagación, utilizados habitualmente en la ingeniería de redes móviles, debían ser afinados con el comportamiento que la señal radioeléctrica tenia en el entorno de una traza de alta velocidad. Para lograrlo se han realizado múltiples medidas de cobertura hasta caracterizar completamente el comportamiento radioeléctrico en los diferentes entornos habituales en la traza. El paso de los trenes a alta velocidad, haciendo uso de una catenaria de 25.kV, produce interferencias electromagnéticas y fluctuaciones serias de tensión en los equipos de telecomunicación ubicados en la proximidad de la vía. Este hecho podía poner en riesgo tanto la calidad de la señal como dañar los equipos que son alimentados con el voltaje proveniente de la catenaria que al paso del tren sufre fuerte fluctuaciones. Para evitar estos riesgos se analizo y caracterizó el comportamiento de estos efectos. Esta información determino la selección de elementos de protección, esquema de conexionado y soluciones de puestas a tierra que han permitido un funcionamiento estable del sistema. En lo referente a los elementos de obra civil se han extremado los parámetros de seguridad aplicados a los elementos a construir. En este sentido, por ejemplo, las torres de telecomunicación han sido dimensionadas para soportar vientos de hasta 200 km/h y los elementos de sujeción de antenas y cables radiantes en los túneles soportarán con holgura la alta presión que el paso de los trenes por los túneles va a ejercer sobre estos elementos. Los trabajos de ingeniería realizados en este ámbito garantizan que ningún elemento instalado en la traza para dar el servicio de telefonía móvil pondrá en riesgo en ningún caso la seguridad de la circulación del tren. Otra área donde se extremo el análisis de ingeniería fue la de dotar del máximo de redundancia al sistema GSM-R para lograr la máxima disponibilidad del sistema. Se Página 17 de 28

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estudiaron también todas las posibles incidencias que podían afectar a la perdida del servicio. El resultado de este análisis fue la aplicación de los siguientes conceptos: -

Red GSM-R de doble capa.

-

Suministro eléctrico para los equipos proveniente de dos fuentes diferentes (edificios técnicos y catenaria).

-

Equipamiento dotado con redundancia interna en fuentes de alimentación y tarjetas de reserva en esquema 1+1 o n+1.

-

Conexión de la estaciones base en anillos con ruta alternativa.

-

Uso de fibras ópticas diferentes para cada capa y por recorridos que no se solapan en ningún punto.

Con todo lo expuesto, podemos decir que la red GSM-R es ahora un potente medio de comunicaciones fiables y seguras que podrá ser utilizado para desplegar múltiples servicios que podrán mejorar substancialmente sus capacidades y procesos en las áreas de operación, mantenimiento, seguridad, atención a los viajeros, etc. Adicionalmente a su principal uso como medio de comunicación y control de los trenes, el GSM-R podrá ser utilizado, entre otras aplicaciones de interés, para gestionar con mayor eficacia las tareas de mantenimiento, garantizar la seguridad de las instalaciones y enviar alarmas y señales de telemando por radio como alternativa redundante al uso de la fibra óptica. Estos servicios se llevarán a cabo mediante las instalaciones previstas de plataformas de localización de terminales móviles, nuevos servicios de red inteligente, plataforma de envío de mensajes cortos SMS, etc. El uso de la tecnología GPRS en la red GSM-R potenciará la utilización de estos servicios, optimizando el espectro radioeléctrico disponible. El envío de datos e imágenes sin comprometer las esenciales comunicaciones del tren, ampliará las posibilidades de uso del sistema que repercutirá en un mejor servicio, reduciendo los costes de operación y mantenimiento. En la siguiente tabla se muestra un resumen de todos los aspectos técnicos comentados anteriormente: Página 18 de 28

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Vista General Bandas de frecuencia GSM-R canales 955 – 1024; 0 – 124 Espaciamiento de canal Modulación

Tasa del símbolo Bits por símbolo Formato de acceso

Número de canales por el portadora Voz

Control de potencia

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876.2 a 915 MHz (uplink), 921.2 a 960 MHz (downlink) 200 kHz GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), desplazamientos de fase π/2 (90°) en transiciones del símbolo 270.833 símbolos/s 1 TDMA (time-division multiple access) TDD/FDD (time and frequency division duplex) 8 time slots por TDMA frame (4.615 ms) 148 bits por time slot, equivalente 577 µs Digital transmission with full rate speech codec (13 kbit/s) RPE-LTP (regular pulse excited code with long term prediction) Sí, en 2-dB sobre una gama de 30 dB

Tabla 1. Tabla resumen de aspectos técnicos en redes GSM-R.

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III.

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OBJETIVOS DE LA TECNOLOGIA GSM-R.

Aunque a medida que se ha ido desarrollando la explicación de esta tecnología se han ido comentando los objetivos que trata de cumplir dicha tecnología, en este apartado se tratara de hacer un resumen de los objetivos tanto principales como secundarios para los cuales se ha desarrollado este sistema.

En primer lugar el objetivo primario es sin lugar a dudas, el de definir un estándar de comunicaciones que satisfaga todos las necesidades de las comunicaciones ferroviarias teniendo en cuenta todos los retos y problemas que estas plantean.

En segundo lugar se puede comentar como parte de los objetivos de esta red de comunicaciones es el hacer de enlace para el sistema ERTMS, el cual necesitaba de una red de estas características para realizar todo el control ferroviario que este sistema requiere y que especifica en la capa ETCS englobada también dentro del propio sistema ERTMS. Dentro de este objetivo esta intrínseco también el objetivo de internacionalizar las redes ferroviarias permitiendo así la liberalización y estandarización de este sector. Como objetivos secundarios de esta tecnología se encuentran los de tratar de proporcionar servicios de comunicaciones de alta fiabilidad (incluyendo en líneas de alta velocidad), dar un mejor servicio al pasajero en lo que a información y entretenimiento se refiere, etc. Como es lógico pensar después de lo expuesto en la introducción los objetivos de GSM-R estan estrechamente ligados a los de ERTMS por lo que conviene comentarlos dentro de este apartado. Los objetivos principales de ERTMS son: -

Mejorar decisivamente la interoperabilidad del material rodante definiendo un estándar técnico de señalización y seguridad que permita superar las diferencias entre los distintos países de Europa. Página 20 de 28

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-

Aumento de capacidad de las líneas reduciendo el intervalo entre trenes.

-

Aumentar los niveles de seguridad.

-

Reducir los costos

-

Disminuir las instalaciones fijas

-

Pasar de sistemas propietarios a otro abierto y competitivo y así terminar con mercados cautivos por países y compañías.

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IV.

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ESTUDIO COMPARATIVO Y RAZONADO ENTRE GSM-R Y TETRA.

En la siguiente tabla encontraremos un resumen de las características que definen a cada uno de los sistemas que procederemos a analizar y comparar posteriormente.

Tabla 2. Resumen características TETRA vs. GSM-R.

En cuanto a la eficiencia espectral en las comunicaciones móviles tiene una gran importancia ya que de ella depende la capacidad del sistema. TETRA es un estándar con alta eficiencia espectral ya que solo se precisan 25 KHz del espectro de frecuencias para disponer de cuatro canales radio. En GSM una portadora ocupa 200 KHz y dispone de 8 canales de radio. Por tanto TETRA en 200 KHz presenta un número mayor de intervalos, 32 canales de radio. En la siguiente figura se puede ver gráficamente lo comentado en este párrafo.

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Figura 11. Esquema comparativo espectro de frecuencias TETRA vs. GSM-R.

En lo que se refiere al nivel de cobertura el sistema TETRA ha sido diseñado para trabajar en la banda de frecuencias de 400 MHz, lo cual significa que la cobertura de las estaciones fijas de radio son superiores a las que en igualdad de potencia radiada se obtienen con los sistemas celulares que trabajan en la banda de 900 MHz; lo que quiere decir que con un menor número de estaciones radio se obtiene la misma cobertura. En la práctica, esto es un hecho que viene mas condicionado por el despliegue de red de los operadores en cuestión. Y que en el caso de TETRA viene condicionada por una planificación en función de las necesidades. GSM por su parte tiene una cobertura “limitada” al uso público general. Por otro lado GSM-R como ya se comento en este texto deja la puerta abierta a las mejoras que introduce su evolución ya instaurada en las redes móviles de propósito general el UMTS, este funciona en una diversidad de bandas de espectro más amplias. En UMTS el nivel de cobertura siempre ha intentado ser considerado y por tanto con UMTS, definido como único sistema universal para las aplicaciones móviles, se pretende dar cobertura a

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todos los niveles: interior, urbano, rural. Por tanto, el número de estaciones bases es mayor que en los otros sistemas.

Si se aborda el tema de la velocidad de transmisión de datos se observa que en este ámbito el sistema GSM-R goza de mejores características que el TETRA, los valores son los siguientes: 4,8 Kbps en TETRA frente a los 7,2 Kbps en GSM.

La elección del sistema GSM-R frente al sistema TETRA, se debe fundamentalmente a parámetros económicos: -

Economías de escala de GSM.

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Multitud de proveedores de terminales y servicios.

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Universalidad.

-

Homogeneización del sistema de telecomunicaciones a nivel nacional e internacional.

-

Inversión en una sola tecnología.

-

Reducción uso GSM público por parte de los empleados de los ferrocarriles.

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Tecnología GSM Actual y a Futuro: sistema ampliamente implantado y en fase de implementación que garantiza su no obsolescencia o reducción a un mercado de nicho.

Para concluir este apartado merece la pena comentar que las necesidades de comunicación de los usuarios profesionales de sistemas móviles privados, son en la actualidad complejas e incrementan su sofisticación día a día. No hay duda que un gran número de éstos necesitan comunicaciones de voz similares a las telefónicas y ocasionalmente precisan transmitir mensajes de datos. Para ellos la respuesta a sus necesidades la encuentran en los sistemas GSM, GPRS o UMTS e Internet, pero con bajos requerimientos disponibles y un alto sobre coste para aumentar la disponibilidad.

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Sin embargo también existe un reducido número de usuarios profesionales, cuyas comunicaciones móviles necesitan ser considerablemente más exigentes, y que requieren una serie de prestaciones que no las cumplen los sistemas GSM, GPRS ó UMTS, para ello se han desarrollado estándares específicos para las aplicaciones ferroviarias como son TETRA y GSM-R que, a pesar de que sus características son bastante similares y ambos cumplen las especificaciones necesarias para formar parte de una red de comunicaciones en el mundo ferroviario, esta ultima goza de la característica de estar abierto a la posibilidad de introducir mejoras de otros sistemas de comunicaciones mas sofisticados en cuanto a comunicaciones de propósito general se refiere como son las redes GPRS y UTMS.

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CONCLUSIONES.

La aceptación de GSM-R en Europa es patente, con 32 países adheridos a EIRENE (European Integrated Railway radio Enhanced Network) y habiendo sido seleccionado en otros dos países con un tendido ferroviario tan significativo como son China, ya en fase de implementación, y la India. Está en fase de estudio avanzado, incluyendo líneas piloto, en otros mercados como Rusia, USA y Australia. Uno de los países más significativos (24.500 km de vías, unas 2.700 estaciones base) y avanzados en su implementación es Alemania, con el inicio en 1999 de la implementación de este sistema de comunicaciones en toda su red nacional de ferrocarriles, tanto en líneas convencionales como en líneas de alta velocidad. Actualmente cuenta con más de 2.000 estaciones base (BTS) en operación. Además de Alemania, se encuentra en operación comercial en Gran Bretaña, Países Bajos, Suecia y Suiza y en fase de implementación en España, Francia, Italia, Bélgica, Finlandia, Noruega, Eslovaquia, China e India. Abre la posibilidad de otras aplicaciones a ofrecer a los operadores como servicios de localización de flotas,…, servicios de información y entretenimiento a pasajeros; así como el desarrollo de otras muchas aplicaciones y servicios sobre GSM-R & GPRS.

En resumen podríamos concluir los siguientes puntos respecto a la solución GSM-R -

Sistema Diseñado para las Operaciones Ferroviarias.

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Proporciona Servicios de Comunicaciones de Alta Fiabilidad (incluyendo las líneas de Alta Velocidad, hasta 500 km/h) India y China, y en estudio avanzado en USA, Rusia y Australia).

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Constituye un factor clave para el incremento del tráfico internacional y la satisfacción de los pasajeros. Página 26 de 28

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Factor esencial para la liberalización del sector.

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Satisface por completo las Necesidades Ferroviarias.

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Sistema Abierto al desarrollo de Nuevas Aplicaciones y Servicios: factor diferenciador del transporte ferroviario.

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Futuro asegurado y brillante (adopción en nuevos países como India y China, y en estudio avanzado en USA, Rusia y Australia).

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Constituye un factor clave para el incremento del tráfico internacional y la satisfacción de los pasajeros.

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Factor esencial para la liberalización del sector.

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BIBLIOGRAFÍA. -

http://ferrocarriles.wikia.com/wiki/ERTMS

De esta fuente se han obtenido aspectos generales sobre ERTMS. -

http://www.ertms.com/2007v2/deployment.html

De la siguiente página web se han obtenido datos sobre la implantación a nivel mundial de ERTMS. -

http://www.coit.es/publicac/publbit/bit144/trubio.pdf

De esta fuente se ha situado en un contexto histórico la tecnología GSM-R además de analizar sus diferencias con respecto a su primitivo el GSM. -

http://www.coit.es/publicaciones/bit/bit157/gregoriozarcero.pdf

En esta publicación se han obtenido datos de los retos y las experiencias resultantes de la puesta en marcha de una red GSM-R. -

http://www.willtek.com/spanish/technologies/gsmr

En esta web se ha conseguido una visión global de la tecnología GSM-R. -

http://www.laestaciondetren.es/es_ES/infraestructuras/telecomunicaciones/teleco municaciones.shtml

De la web mostrada anteriormente se han obtenido datos reales de la única empresa que ha montado ya una red de estas características dentro del panorama nacional. -

http://www.coit.es/publicaciones/bit/bit157/luisgarciatassias.pdf

De la anterior publicación se han extraído datos técnicos aspectos arquitecturales de la red GSM-R y de mas datos siempre de carácter técnico. -

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3787/1/53838-1.pdf

Proyecto final de carrera sobre TETRA de donde se han analizado las diferencias con GSM-R -

http://www.uic.org/spip.php?rubrique874

Pagina Web oficial donde podemos encontrar las especificaciones de ERIANE GSM-R y bastante información tanto de carácter legal como de carácter técnico sobre este estándar.

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