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LTE para Transporte Página 1 de 25
TELTRONIC, como fabricante de sistemas de radiocomunicaciones profesionales, y
complementando sus actuales soluciones basadas en tecnología TETRA, lanza al
mercado su nueva línea de productos LTE (Long Term Evolution), anticipándose así a
la creciente demanda de aplicaciones que requieren mayores anchos de banda,
experimentada en entornos críticos como la Seguridad Pública o el Transporte.
Sistemas de autobuses, tranvías, metros, ferrocarriles convencionales o de alta
velocidad, incluyendo también los cada vez más sofisticados vehículos automáticos sin
conductor, necesitan de sistemas de comunicaciones que soporten cada vez mayores
volúmenes de datos, y que mejoren significativamente tanto la gestión y seguridad de la
operación como la calidad del servicio al pasajero.
La solución LTE de TELTRONIC está diseñada para respetar los exigentes parámetros
de disponibilidad y seguridad requeridos en entornos de misión crítica, y está además
adaptada a las particularidades de cada segmento de aplicación. En concreto, la
solución LTE para Transporte es capaz de dar servicio a las distintas aplicaciones
empleadas en la operativa de la red, como, por ejemplo, transmisión de datos de los
sistemas de señalización ferroviaria, video vigilancia en tiempo real, monitorización y
mantenimiento remoto, sistemas de información, internet para el pasajero, etc.
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Tabla de Contenido
1. TECNOLOGÍA LTE: INTRODUCCIÓN ......................................................... 4
2. ¿POR QUÉ BANDA ANCHA EN ENTORNOS DE TRANSPORTE? ¿POR
QUÉ TECNOLOGÍA LTE? ............................................................................ 5
3. SISTEMAS LTE ESPECÍFICOS PARA ENTORNO PROFESIONAL ........... 7
4. ENEBULA: INFRAESTRUCTURA LTE PROFESIONAL DE TELTRONIC.... 9
5. ELEMENTOS DE LA SOLUTION LTE DE TELTRONIC ENEBULA ............ 12
6. APLICACIONES LTE EN EL SECTOR DEL TRANSPORTE ...................... 16
6.1 LTE para sistemas de video-vigilancia (CCTV) ........................................... 17
6.2 LTE para sistemas de señalización ferroviaria ETCS .................................. 19
6.3 LTE para sistemas de señalización CBTC .................................................. 20
6.4 LTE para otras aplicaciones ........................................................................ 22
7. DIFERENCIADORES DE LA SOLUCIÓN LTE DE TELTRONIC ................ 24
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Abreviaturas
3GPP Third Partnership Programme
AuC Authentication Centre
CBTC Communication Based Train Control
CCTV Circuito Cerrado de Televisión
DTO Driverless Train Operation
ENC Evolved Node Controller
eNodeB Evolved Node B
EPC Enhanced Packet Core
ERA European Railway Agency
ERTMS European Rail Traffic Management System
ETCS European Train Control System
E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
FDD Frequency Division Duplex
GoA Grade of Automation
GSM-R Global System for Mobile Communication - Railway
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HSS Home Subscriber Server
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
LTE Long Term Evolution
MIMO Multiple-Input Multiple-Output
MME Mobility Management Entity
NMS Network Management System
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple Access
PCRF Policy Charging Rules Function
PGW Packet Data Network Gateway
PMR Professional Mobile Radio
PTT Push To Talk
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access
SGW Serving Gateway
SISO Single Input Single Output
SIV Sistema de Información al Viajero
STO Semi-automatic Train Operation
TDD Time Division Duplex
TETRA TErrestrial Trunked RAdio
UE User Equipment
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UTO Unattended Train Operation
VoIP Voice over IP
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1. TECNOLOGÍA LTE: INTRODUCCIÓN
LTE (Long Term Evolution) es un estándar de comunicaciones radio de banda ancha,
desarrollado por el 3GPP (3rd Generation Partnership Project) como
evolución a los sistemas UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System). La nueva arquitectura especificada
reduce el número de elementos de red simplificando su diseño,
mejora la eficiencia espectral y obtiene mayores tasas de
transmisión de datos.
Una de las principales diferencias de la tecnología LTE frente a sus predecesoras es la
gestión del interfaz radio, el cual está basado en modulación OFDMA (Orthogonal
Frequency Division Multiple Access) para el enlace descendente y SC-FDMA (Single
Carrier Frequency Division Multiple Access) en el ascendente. Estos esquemas de
modulación pueden ser usados en modo FDD (Frequency Division Duplex), con las
frecuencias uplink y downlink separadas por un offset, o en modo TDD (Time Division
Duplex), donde las transmisiones uplink y downlink comparten las frecuencias en
distintos momentos del tiempo.
Estos aspectos junto con otros como el empleo de técnicas MIMO (Multiple-Input
Multiple-Output), convierten a LTE en la nueva generación de tecnologías de banda
ancha, tanto para el mercado comercial, como para el sector profesional., gracias a una
serie de beneficios como:
Bajas latencias, tanto en establecimientos de conexión cómo en transmisión de
datos.
Incrementos de las tasas de datos.
Mejora de la eficiencia espectral.
Mayor flexibilidad en la gestión y uso del espectro.
Simplificación de la arquitectura de red.
Mejoras de la movilidad
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2. ¿POR QUÉ BANDA ANCHA EN ENTORNOS DE
TRANSPORTE? ¿POR QUÉ TECNOLOGÍA
LTE?
Las necesidades de comunicación de voz y datos críticos en el entorno de transporte
están cubiertas a día de hoy a través de tecnologías digitales de banda estrecha como
TETRA, las cuales, aun aportando un alto grado de seguridad y disponibilidad,
presentan una capacidad de datos limitada.
La creciente demanda de aplicaciones y servicios consumiendo grandes volúmenes de
datos, tales como, la video vigilancia embarcada y la visualización en tiempo real de las
imágenes desde el centro de control, hace necesario invertir en la ampliación y
extensión de los sistemas existentes para proporcionar un nuevo acceso radio de banda
ancha que cubra los requisitos de las citadas aplicaciones.
Dentro del panorama de tecnologías actuales, LTE es la nueva generación de
comunicaciones ampliamente esperada para cubrir las necesidades de banda ancha en
todas las redes móviles. En entornos de misión crítica, como el sector Transporte,
LTE presenta una serie de beneficios que la hacen especialmente adecuada, como son
su eficiente arquitectura basada en conmutación de paquetes, la cual proporciona una
rápida gestión interna de la red, bajas latencias y unas tasas de datos mucho más
altas.
La siguiente tabla muestra las principales características técnicas de la tecnología LTE:
PARÁMETRO VALORES
Tasa máxima de transferencia downlink 172.8Mbps @64QAM 4/4 y MIMO 2x2
Tasa máxima de transferencia uplink 57.6 Mbps @ 16QAM 4/4
Tipos de datos Transmisión de paquetes IP tanto para
datos como para voz
Canalizaciones posibles (MHz) 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz
Esquemas de duplexado FDD y TDD
Latencia De estado idle a activo < 100 mseg.
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PARÁMETRO VALORES
Utilizando paquetes pequeños ~10mseg.
Eficiencia espectral Downlink: 3-4 veces la de HSDPA (Rel 6)
Uplink: 2-3 veces la de HSDPA (Rel 6)
Acceso al medio OFDMA en downlink y SC-FDMA en uplink
Tipos de modulación soportados QPSK, 16QAM, 64QAM
Tabla 1. Características técnicas de la tecnología LTE.
A partir de esta tabla con valores teóricos, en un despliegue real confluyen una serie de
variables para establecer valores reales de capacidad en celda o latencia como la
distancia del usuario a la célula, velocidad del usuario, características de canal de
propagación, etc.
Al ser en LTE la modulación adaptativa, el estado de dichas variables condicionará la
modulación asignada en cada caso, encontrándonos con modulaciones muy robustas,
pero poco eficientes (QPSK ½), para los usuarios en las peores condiciones de la célula,
por ejemplo, en los límites de cobertura, o bien modulaciones muy eficientes (64QAM
5/6) con MIMO 2x2 para usuarios en buenas condiciones de señal.
Todo ello hace que la tasa de transferencia media de una célula se aproxime a 1bps/Hz
en UL y 2bps/Hz en DL. Por ejemplo, en un caso práctico utilizando canalización de
10MHz, se obtendría una tasa media del orden de: 10 Mbps en UL y 20 Mbps en DL.
Además, LTE ofrece una buena plataforma sobre la cual podrán implementarse a futuro
y conforme las especificaciones del estándar avancen, algunas funcionalidades
específicas de las comunicaciones críticas profesionales, como las llamadas de grupo
o la gestión de prioridades y emergencias.
Gracias a estas mejoras, los sistemas ferroviarios pueden contar con un amplio rango
de nuevos servicios de datos, los cuales mejorarán tanto la seguridad de la operación,
por ejemplo, a través de los sistemas de CCTV o la actualización de las redes de datos
para señalización ferroviaria, así como la experiencia del pasajero, a través de nuevos
servicios de internet a bordo o la modernización de los sistemas de información y
multimedia. Y todo ello, compartiendo una misma infraestructura y asegurando la calidad
de servicio a las aplicaciones con mayor criticidad.
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3. SISTEMAS LTE ESPECÍFICOS PARA
ENTORNO PROFESIONAL
Las redes de operador de banda ancha, como los actuales sistemas 4G desplegados
para telefonía comercial, no están preparadas para dar respuesta a las necesidades de
entornos críticos de comunicación, donde se requiere disponer de una serie de aspectos
clave:
Rápidos establecimientos de llamada
Máxima disponibilidad y fiabilidad
Control de congestión: prioridades de acceso y gestión de los recursos
Interrupción por emergencia
Comunicaciones de grupo
Llamadas en modo directo
Las redes comerciales están diseñadas para dar cobertura generalizada y proporcionar
servicio al máximo número de usuarios que sea posible, maximizando así el beneficio
del operador. Sin embargo, un sistema de banda ancha LTE profesional, no está
enfocado a maximizar el beneficio, sino a garantizar el servicio, asegurando la
capacidad de datos y la máxima disponibilidad de la red a todos los usuarios durante
todo el tiempo, incluidos los momentos de máxima congestión.
Los sistemas de transporte (ferrocarriles, metros, tranvías, etc.), son parte de las
infraestructuras críticas cuyo servicio debe ser garantizado, por ello, la solución LTE
profesional de TELTRONIC está específicamente diseñada para cubrir las necesidades
de banda ancha de dicho entorno, proporcionando comunicaciones continuas y fiables
entre los trenes y los distintos centros de control en vía.
Las diferencias clave entre un diseño basado en sistemas comerciales o privados puede
observarse en la siguiente tabla:
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SISTEMA LTE COMERCIAL SISTEMA LTE PRIVADO
Objetivo Maximizar beneficio Garantizar servicio
Cobertura Optimizada para las zonas de
mayor concentración de
usuarios, lo que redunda en
mayores beneficios
comerciales.
Asegurar un 100% de
cobertura aún en zonas de
baja densidad de población
para garantizar la continuidad
del servicio. P/e en trazados
de líneas ferroviarias
Densidad Muchos usuarios por km2. Pocos usuarios por km2.
Congestión Aceptable y tolerada por los
usuarios. Diseño y
planificación de red para
asegurar una capacidad
“típica”.
Inaceptable. Diseño para
asegurar el servicio en el peor
caso y en la situación más
crítica.
Las aplicaciones vitales de
transporte exigen máxima
disponibilidad.
Datos Banda Ancha Fundamentalmente
aplicaciones de descarga
(acceso a internet).
Balance de tráfico optimizado
para este uso.
Tráfico asimétrico, tomando
más importancia la conexión
ascendente (o uplink), en
aplicaciones de carga de
datos desde los vehículos al
centro de control.
Tabla 2. Diferencias entre un sistema LTE comercial y un sistema LTE privado.
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4. ENEBULA: INFRAESTRUCTURA LTE
PROFESIONAL DE TELTRONIC
Evolved NEBULA (eNEBULA) es el nombre comercial de la nueva infraestructura de
comunicaciones de TELTRONIC, cuya plataforma permite el suministro de sistemas de
banda estrecha TETRA, sistemas de banda ancha LTE, o sistemas híbridos.
Se trata de una plataforma digital de comunicaciones diseñada específicamente para
usuarios profesionales (PMR), y que permite además la posibilidad de integrar en una
misma red múltiples tecnologías radio, proporcionando un servicio unificado que de
soporte a las distintas necesidades de comunicación identificadas en el entorno de
transporte público en general y en particular en el ferroviario.
El diseño final de la red de banda ancha LTE deberá adaptarse a las necesidades de
cada proyecto, variando en función de distintos aspectos, entre los que destacan tres
en concreto:
Modelo de tráfico de datos de las aplicaciones que van a operar. Típicamente se
hablará de tráfico medio esperado en la celda, y del tráfico mínimo a garantizar en
el extremo de la celda (o frontera de cobertura).
Número de usuarios que requieren aplicaciones banda ancha y concentración
media esperada de usuarios en cada celda.
Características del terreno y consiguiente diseño de coberturas por alcance
geográfico.
La arquitectura del Sistema eNEBULA se muestra en la siguiente figura. Se trata de
una arquitectura plana dónde existe una jerarquía muy sencilla en 4 niveles:
Terminales de equipo o UE (User Equipment)
Red de Acceso Radio, también llamada E-UTRAN, dónde las estaciones base o
eNodeB son las entidades fundamentales responsables de gestionar el medio
radio.
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Nodo central denominado de forma genérica EPC. Se estructura en diferentes
entidades funcionales implementado la funcionalidad establecida en el estándar:
- MME (Mobility Management Entity).
- SGW (Serving Gateway).
- PGW (Packet Data Network Gateway).
- ENC (Evolved Node Controller).
Todas estas entidades lógicas, así como el resto de la infraestructura son
configuradas y monitorizadas a través del Sistema de Gestión de Red o NMS.
Capa de servicios, que pueden basarse en soluciones suministradas por
TELTRONIC o por terceros.
Figura 1. Arquitectura del sistema eNEBULA.
La tecnología LTE contempla su despliegue en diferentes bandas de frecuencia a lo
largo del espectro radioeléctrico.
En modo de operación FDD hay bandas estandarizadas en diferentes rangos como
450 / 700 / 800 / 850 / 900 / 1000 / 1600 / 1800 / 2100 / 2600 / 4900 / 5200 MHz
En modo de operación TDD hay bandas estandarizadas en rangos de frecuencia
como 1800 / 2300 / 2600 / 3500 / 3700 / 5800 MHz
SGW PGW
MME
RED DE ACCESO RADIO
E-UTRAN
NODO DE CONTROL LTE (EPC)
ENC
EPC
HSS PCRF
SERVICIOS LTE
NMS
Servidor VoIP
Servidor Video/CCTV
Servidor de Grabación
Servidor de Mensajes
Otros…
EQUIPOS DE USUARIO
(UE)
eNodeB
eNodeB
Fire
wal
l
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Para entornos críticos como los sistemas de transporte ferroviario, se recomienda
trabajar en bandas de frecuencia lo más bajas posible, ya que permitirán unos diseños
de cobertura mucho más óptimos. La primera generación de la solución eNEBULA de
TELTRONIC se encuentra disponible en las bandas por debajo de 1GHz,
concretamente con productos disponibles en todas las sub-bandas estándares que se
encuentran en el intervalo entre 693MHz y 803MHz. Y bajo demanda, TELTRONIC
puede ofrecer estaciones base en otras sub-bandas, de forma que podemos
adecuarnos a las diferentes normas de regulación a nivel mundial para el uso y
operación privada de los sistemas de transporte público.
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5. ELEMENTOS DE LA SOLUTION LTE DE
TELTRONIC ENEBULA
Se ha detallado anteriormente en este documento que la solución ofrecida por la
infraestructura eNEBULA LTE de TELTRONIC se compone de cuatro bloques
principales: terminales de usuario, estaciones base eNodeB, nodo de control EPC y
aplicaciones de usuario externas. A continuación, se describen en detalle.
Los terminales de usuario reciben la denominación general de User Equipment, y
pueden ser de diferentes tipos y factores forma: smartphones, tablets, módulos
embebidos LTE, equipos vehiculares, y también por supuesto unidades de tipo
embarcado cumpliendo las más rigurosas normativas ferroviarias.
La infraestructura LTE de TELTRONIC se implementa siguiendo las especificaciones
del estándar 3GPP y por tanto sobre ella podrán utilizarse terminales estándares del
mercado que operen en las bandas de frecuencia adecuadas. Como paso previo será
necesario validar el uso del equipo de usuario en la infraestructura.
TELTRONIC ha homologado diferentes tipos de terminales para ser utilizados sobre la
plataforma eNEBULA. Para nuevos modelos (o nuevas versiones de un modelo), que
un cliente final requiera utilizar bajo petición, TELTRONIC puede ofrecer un servicio de
validación previa.
En terminología LTE, la estación base se denomina eNodeB, y el conjunto de todas las
estaciones base de un sistema conforman la RAN (Radio Access Network), que el
estándar llama también E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)
Las eNodeB o estaciones base LTE se instalan en los emplazamientos desde los que
se da cobertura radio. Forma parte de la red de acceso y es responsable de la
eNodeB
UE
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transmisión y recepción radio desde/hacia los terminales de usuario, así como de la
comunicación con los dispositivos de la red troncal.
Los eNodeB de la solución eNEBULA están diseñados con formato y mecánica outdoor
tal y como se muestran en la siguiente figura.
Figura 2. Factor forma de estaciones base LTE de intemperie.
Actualmente TELTRONIC puede suministrar diferentes versiones de las estaciones
base LTE para ofrecer cobertura en cualquier sub-banda estándar del rango de los 700
MHz, y en concreto:
B12 – 729-746 MHz en DL y 699-716 MHz en UL
B13 – 746-756 MHz en DL y 777-787 MHz en UL
B14 – 758-768 MHz en DL y 788-798 MHz en UL
B17 – 734-746 MHz en DL y 704-716 MHz en UL
B28 – 758-803 MHz en DL y 703-748 MHz en UL
B68 – 753-783 MHz en DL y 698-728 MHz en UL
Nodo de control de red encargado del encaminamiento de datos IP de unas estaciones
base a otras, y entre estaciones base y redes IP externas. En terminología LTE, recibe
el nombre general de Evolved Packet Core y es la entidad fundamental de la red troncal
de la infraestructura LTE.
EPC
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El EPC contiene los elementos de control y de encaminamiento de comunicaciones IP.
Las principales entidades funcionales definidas por 3GPP para el EPC son:
MME, entidad encargada de controlar la ubicación de los terminales (UEs) en las
celdas de cobertura y de facilitar la movilidad de estos de unas zonas a otras.
SGW, que encamina el tráfico de usuario entre ENBs y PGWs. Es responsable del
establecimiento y gestión de las conexiones de datos o bearers de acuerdo a las
condiciones de calidad de servicio que se definan.
PGW, que actúa de pasarela del tráfico de usuario hacia redes IP externas a la
Infraestructura LTE.
Además de estos elementos principales, la red troncal de la infraestructura LTE de
TELTRONIC la componen:
ENC, responsable de controlar el acceso a la infraestructura LTE implementando
mecanismos de autorización de usuario y gestionando la aplicación de políticas de
calidad de servicio y prioridades por parte del EPC. Bajo esta entidad se integran
dos funciones esenciales de la infraestructura LTE: HSS (Home Subscriber System)
para la provisión y registro de usuarios LTE y PCRF (Policy Charging Rules
Function), para la definición de las políticas de acceso a los servicios LTE.
También centraliza otras funciones de control de la infraestructura como la
sincronización de todas las entidades hardware y captura de estadísticas.
Servidor NMS, módulo responsable de la gestión de la red, configuración de
elementos, asignación de permisos a los suscriptores, monitorización de alarmas,
etc.
Firewall: Punto de entrada y salida de conexiones IP hacia redes IP externas.
Elementos físicos de configuración e instalación como:
- Chasis y switches del EPC, que interconectan los módulos del nodo entre sí y
con los enlaces hacia las estaciones base.
- Bastidores, fuentes de alimentación y cableados.
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La solución EPC de TELTRONIC puede adecuarse a las dimensiones del despliegue
LTE, pudiéndose suministrar en plataformas de alta disponibilidad basadas en
arquitecturas hardware ATCA, o bien en servidores dónde la funcionalidad está
virtualizada.
Figura 3. Factor forma del equipamiento de la red troncal LTE.
Externamente a los bastidores del EPC, pero con conectividad hacia éste mediante IP,
se ubican otros servidores o herramientas informáticas, agrupables conceptualmente en
dos categorías:
Herramientas para la operación y gestión de la propia infraestructura. Por
ejemplo, la aplicación Cliente para la gestión de la red y de los usuarios que la
conforman, también denominada de forma general NMS (Network Management
System). Bajo esta denominación también se incluyen otras herramientas utilizadas
en la puesta en marcha o actualización de la red como la herramienta de Telecarga
de Software (NPM).
Servidores que ejecutan la lógica de servicio requerida por los abonados LTE.
Algunos ejemplos son los aplicativos de un Centro de Control, un servidor de Base
de Datos, un acceso a Intranet Corporativa, o un servidor de vídeo
Aplicaciones
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6. APLICACIONES LTE EN EL SECTOR DEL
TRANSPORTE
La solución LTE profesional de TELTRONIC es capaz de dar servicio de manera
unificada a las necesidades de banda ancha de un conjunto de aplicaciones específicas
del entorno de transporte:
Figura 4. Aplicaciones de las soluciones de Banda Ancha Profesional de TELTRONIC.
Se repasan a continuación algunas de estas aplicaciones y la arquitectura típica.
Comunicaciones de datos para sistemas de señalización:
ETCS: Evolución de los actuales sistemas radio GSM-R
CBTC: Mejora frente a los actuales sistemas WiFi Conexión a
internet para los pasajeros
Carga de ficheros de operación: Actualización de los datos del Sistema de Información al Viajero (SIV) o de los sistemas multimedia embarcados
Envío de ficheros de operación: Obtención de datos de ticketing, conteo de pasajeros, informes y estadísticos, etc.
Sistemas de Video vigilancia en estaciones y trenes
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6.1 LTE para sistemas de video-vigilancia (CCTV)
Los sistemas de video-vigilancia constituyen un elemento importante dentro de los
sistemas de seguridad ferroviarios, ayudando a disminuir el tiempo de respuesta ante
incidencias, y mejorando la eficiencia de las distintas operaciones, tanto en la
explotación de la línea como en las tareas de mantenimiento.
Algunas de las funciones que componen estos sistemas son las siguientes:
Video vigilancia fija en estaciones y en puntos críticos del trazado
Video móvil para monitorizar el tiempo real desde el Centro de Control las imágenes del interior de los trenes
Video móvil para visualizar en tiempo real en la cabina del conductor las imágenes de la estación al aproximarse el tren
A través del sistema de comunicaciones LTE, estas aplicaciones podrán transmitir y
recibir las imágenes desde/hacia los trenes y el Centro de Control.
LTE proporcionará un valor añadido adicional en la seguridad de la red ferroviaria.
Garantizar la seguridad de los pasajeros es uno de los retos principales de las
operaciones ferroviarias. Asimismo, la protección de los trabajadores y de la propiedad
ante vandalismos, delincuencia e incluso ataques terroristas, es otra de las prioridades
de los operadores ferroviarios. Sin comprometer la funcionalidad de la infraestructura,
la cual debe asegurar la movilidad de miles de pasajeros, será fundamental implantar
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medidas de seguridad que protejan los múltiples espacios abiertos, los accesos, los
puntos de venta, los trenes, etc…
En este contexto, una aplicación CCTV soportada por un sistema de comunicaciones
de banda ancha profesional LTE que permita la monitorización remota y en tiempo real
desde el Centro de Control, se convierte en una función esencial. Características de la
solución LTE profesional de TELTRONIC, como su alta fiabilidad, mecanismos de QoS
(calidad de servicio), o la posibilidad de redundar todos y cada uno de los elementos, la
hacen especialmente adecuada para dar servicio a este tipo de aplicaciones.
Figura 5. Arquitectura típica de soluciones de comunicación para el Transporte sobre infraestructura LTE de misión crítica.
OPERADOR
CENTRO DE CONTROL
APLICACIÓN EMBARCADA
NODO CENTRAL LTE (EPC)
eNodeB
Conexión de datos con ancho de banda garantizado
E-UTRAN
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6.2 LTE para sistemas de señalización ferroviaria ETCS
ETCS (European Train Control System) es el sistema
de seguridad y protección definido dentro del
estándar de señalización ferroviaria europeo ERTMS
(European Rail Traffic Management System).
Es fundamentalmente usado en trenes de alta
velocidad o ferrocarriles de media distancia, y con el
objetivo de lograr la interoperabilidad entre los sistemas ferroviarios de los distintos
países europeos, la normativa europea fija también el sistema de comunicaciones
inalámbrico, el cual a día de hoy debe ser basado en tecnología GSM-R.
El protocolo de señalización ferroviaria ETCS proporciona información crítica para la
conducción del tren (límites de velocidad, autoridades de movimiento, etc.) y supervisa
los movimientos del tren. Puede ser implementado con distintos niveles de seguridad.
En el nivel 1, el sistema GSM-R es empleado exclusivamente para voz y la
comunicación tren-tierra es puntual y realizada a través de elementos de la vía (balizas,
circuitos, etc.). En el nivel 2, la comunicación tren-tierra se hace de forma continua a
través del sistema GSM-R.
Ante la anunciada obsolescencia de la tecnología GSM-R, esperada para 2025, Europa
ha decidido mirar al futuro y plantearse cómo será el sistema sucesor que dé soporte de
comunicaciones al estándar de señalización ETCS. La principal tecnología candidata
para cubrir este puesto, es el estándar de banda ancha LTE.
Entre los aspectos ya concretados por parte de la ERA (European Railway Agency) se
encuentra el que el futuro estándar ETCS estará basado en IP, requisito completamente
alineado con la arquitectura de los sistemas de comunicaciones de TELTRONIC, tanto
en su versión de banda estrecha TETRA, como en la de banda ancha LTE.
LTE presenta una serie de ventajas claras frente a los actuales sistemas basados en
GSM-R. Estas ventajas incluyen su eficiente arquitectura basada en conmutación de
paquetes, la cual proporciona una rápida gestión interna de la red, bajas latencias y
unas tasas de datos mucho más alta (9.6Kbps en GSM-R frente a decenas de Mbps en
LTE).
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Además de estas características, unos sofisticados mecanismos de calidad de servicio
(QoS), permiten priorizar flujos de datos de distintas aplicaciones sin comprometer la
fiabilidad y la seguridad de la operación de la red.
Además de la funcionalidad estándar, la solución LTE para Transporte de TELTRONIC
está preparada para incorporar una serie de funciones específicas del entorno
profesional y ferroviario, las cuales estarán asimismo en línea con los trabajos de
estandarización que está llevando a cabo el 3GPP.
Algunos ejemplos de estas funciones son:
Llamadas de grupo
Modo de operación Push-to-talk
Gestión de prioridades y pre-emptividad
Llamadas de emergencia
Las significativas mejoras en capacidad que presenta LTE, permitirán sentar las bases
de una plataforma de comunicaciones que pueda absorber futuras innovaciones de los
sistemas ETCS en materia de seguridad, operación y servicios al pasajero
6.3 LTE para sistemas de señalización CBTC
A diferencia de ETCS, empleado generalmente en
ferrocarriles de media y larga distancia, los sistemas de
señalización empleados en entornos de transporte
masivo (metros, tranvías, trenes ligeros) pueden
enmarcarse en la denominación común CBTC
(Communications Based Train Control).
Se puede decir que los sistemas CBTC no constituyen a día de hoy un estándar de
señalización, ya que cada fabricante dispone de su solución particular, no siendo
interoperables entre ellas. A pesar de ello, la mayoría de las implementaciones de CBTC
disponibles en el mercado emplean la misma tecnología de comunicaciones tren-tierra:
Redes WiFi basadas en la familia IEEE 802.11. Estos sistemas soportarán las
comunicaciones de datos entre los equipos de protección embarcados y los elementos
de control en vía.
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La tecnología WiFi puede ser una opción válida en términos de coste, simplicidad y
disponibilidad comercial, sin embargo, confiar las comunicaciones vitales de un sistema
de señalización CBTC en un sistema de esas características presenta algunas
desventajas claras:
Uso de bandas de frecuencia libres, con el consecuente riesgo de interferencias
entre canales y entre redes desplegadas en las mismas áreas. Por consiguiente, no
es posible garantizar parámetros de disponibilidad, al emplear bandas de acceso
libre y no tener control sobre lo que otros usuarios u otras redes pueden emitir en
esas mismas bandas.
Se requiere un alto número de puntos de acceso (cada 100-200m) para cubrir todo
el trazado de la línea.
WiFi IEEE 802.11 fue diseñado inicialmente para entornos domésticos y no soporta
la gestión de la movilidad de forma nativa. Por ello, se requieren de soluciones
propietarias que se encarguen de gestionar la movilidad y reducir así las altas tasas
de error de transmisión en el caso de haberla.
No hay políticas nativas de calidad de servicio (QoS). Todos los usuarios están
compitiendo por los recursos aire según una base de acceso aleatorio, y no hay
manera de garantizar que un usuario específico tenga acceso preferencial. En
consecuencia, con tecnología WiFi estándar, es difícil garantizar ancho de banda o
latencias máximas para servicios críticos de seguridad.
La tecnología LTE resuelve todos estos inconvenientes que presenta WiFi en la
operación de los sistemas de señalización CBTC, proporcionando las siguientes
ventajas:
Rangos de cobertura del orden de Km en lugar de unos pocos cientos de metros
Gestión nativa de la movilidad: tiempos de handover entre células del orden de
milisegundos
Mecanismos avanzados de calidad de servicio (QoS): diferentes recursos radio
podrán ser asignados de forma dinámica a diferentes perfiles de usuario
Bandas de frecuencia licenciadas, lo que minimiza el riesgo de potenciales
interferencias
Además, la mayor capacidad de datos que ofrece LTE, permitirá una mayor flexibilidad
para dar soporte a la creciente demanda de transmisión de datos en los cada vez más
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en auge sistemas CBTC de conducción automática. Este grado de automatización
(Grade Of Automation) se establece en tres niveles:
STO: Operación de Tren semi-automática, con conductor en cabina que supervisa
la conducción y podría actuar de forma manual en caso de necesidad.
DTO: Operación de Tren sin conductor, con un operario supervisor a bordo del tren,
pero no en cabina
UTO: Operación de Tren sin atención, totalmente automático, sin ningún personal
a bordo.
6.4 LTE para otras aplicaciones
LTE puede servir como soporte de comunicaciones para otras aplicaciones adicionales
que también contribuyen a la mejora de la operación ferroviaria, tanto en aspectos de
seguridad como en atención al usuario.
Algunas de ellas se recogen en la siguiente tabla:
APLICACIONES
Actualización de los datos del sistema de información al viajero (SIV):
Carga de los ficheros del Sistema de Anuncio de estaciones
Notificación de incidencias en la línea
Textos de paneles destino del tren
Textos de paneles en estaciones
Etc.
Actualización de los Sistemas multimedia embarcados:
Carga de los ficheros del sistema de infotainment
Carga de ficheros publicitarios
Etc.
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APLICACIONES
Descarga de ficheros de operación:
Obtención de datos de ticketing
Obtención de datos del sistema de conteo de pasajeros
Obtención de históricos de alarmas e incidencias
Obtención de informes y estadísticos de uso de la red
Etc.
Tabla 3. Ejemplos de aplicaciones utilizando tecnología LTE.
Estas aplicaciones y otras más que pueden ir surgiendo, aun no siendo vitales,
contribuyen a mejorar la eficiencia de la red, aumentando los parámetros de puntualidad,
fiabilidad, optimizando los tiempos de viaje, y aumentando la capacidad de las líneas en
términos de número de pasajeros a desplazar, y por tanto maximizando el beneficio de
la operación.
Para la consecución de estos objetivos, una pieza clave será la disponibilidad de un
sistema LTE de banda ancha que permita una gestión remota y dinámica desde el
Centro de Control de las mencionadas aplicaciones.
Los mecanismos de QoS que aporta la tecnología LTE y en particular la solución
eNEBULA de TELTRONIC, permitirán asignar a este conjunto de aplicaciones un ancho
de banda acotado de forma que el resto de aplicaciones críticas o vitales, como, por
ejemplo, los sistemas de señalización en primer lugar, o la aplicación CCTV en segundo,
tengan garantizados sus recursos y no vean afectada su actividad.
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7. DIFERENCIADORES DE LA SOLUCIÓN LTE DE
TELTRONIC
Algunos de los aspectos diferenciadores de la solución LTE eNEBULA de TELTRONIC,
se reflejan en la siguiente tabla:
CARACTERÍSTICAS BENEFICIOS
Tecnología LTE propia de TELTRONIC, sin dependencia de terceras empresas ni partners.
Garantía de suministro y continuidad.
Control sobre el diseño y la fabricación. Flexibilidad y Personalización del producto y de la solución.
Solución LTE enfocada a redes privadas con funcionalidades específicas del entorno profesional PMR de Transporte.
Disponibilidad de funciones requeridas en entornos críticos de transporte, como gestión de prioridades y emergencias, llamadas de grupo, etc.
Integración con sistemas TETRA de TELTRONIC existentes.
Gestión de la infraestructura a través de una aplicación con interfaz único y sencillo.
Prestación de servicios al usuario por el acceso radio más conveniente gracias a un Gestor de Comunicaciones interno.
Sistema unificado multiservicio. Rentabilidad y viabilidad económica.
Sistema de gestión de red unificado para TETRA & LTE (Network Management System).
Facilidades para el mantenimiento y la administración de las redes radio.
Escalabilidad. Posibilidad de desplegar redes desde entornos metropolitanos hasta redes nacionales.
Movilidad. Tecnologías radio especialmente adaptadas al entorno móvil
Redundancia de todos los elementos de la solución.
Máxima disponibilidad y fiabilidad.
Servicios de cifrado. Seguridad e integridad de los datos.
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CARACTERÍSTICAS BENEFICIOS
Equipos adaptados al entorno de los transportes.
Cumplimiento de normativas ferroviarias en los sistemas embarcados, como EN 50155 ó EN 45545.
Servicios profesionales PMR: Llamadas de grupo, emergencias, gestión de prioridades, etc.
Funcionalidad específica para el sector Transporte.
Tecnología con capacidad de crecimiento. Integración con nuevos servicios que se definan en el futuro. Posibilidad de evolución.
Amplia experiencia en el despliegue de sistemas de comunicaciones en el entorno ferroviario.
Capacidad técnica y amplios recursos para la puesta en marcha de proyectos de transporte, los cuales generalmente presentan requisitos particulares y específicos.
Tabla 4. Características y Ventajas de la solución LTE de TELTRONIC.