Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes

General Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Pablo Martín Rodríguez Tutor: Rafael Boloix Tortosa Sevilla, 2025 II Trabajo Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Autor: Pablo Martín Rodríguez Tutor: Rafel Boloix Tortosa Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025 IV Trabajo Fin de Grado: Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Autor: Pablo Martín Rodríguez Tutor: Rafael Boloix Tortosa El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocal/es: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: VI A mi familia A mis amigos A mis maestros VIII Agradecimientos El final de una etapa para cualquier estudiante siempre implica un encuentro de sensaciones: incertidumbre por saber qué le deparará el futuro, un sentimiento de realización personal por el trabajo realizado, pero sobre todo al echar la vista atrás, de lo que se acuerda uno es de los que estuvieron a su lado a lo largo del trayecto, y es a ellos a los que quiero dedicarles estas líneas: A mis padres, por tener la paciencia para dejar que fallara, que me estrellase conmigo mismo y saber cómo levantarme cuando no me salían las cosas; por su enorme esfuerzo para que pudiese disfrutar estudiando en el extranjero, y en definitiva por ser siempre un apoyo, un pilar inamovible y un espejo en el que mirarse. Gracias. A mis amigos: a los que empezaron, a los que se quedaron, a los que hice por el camino y a los que conocí en el extranjero. Fueron muchas salas de estudios, bibliotecas, jornadas nocturnas e intensivos veraniegos y navideños, apuntes y formularios de última hora y no fueron pocas las posteriores celebraciones o desahogos a los exámenes. Gracias. A todos los profesores que se cruzaron en el camino, sobre todo a aquellos que lo hicieron para enseñarme más allá de electrónica, matemáticas, propagación electromagnética o teoría de la señal. A los que se empeñaron en que acabásemos el trabajo bien hecho, los que nos enseñaron a no desistir y a hacernos ver que esto va de intentar ir un poquito más allá. Son esas enseñanzas las que me llevo de por vida. Gracias. Me gustaría cerrar estas líneas recordando a la persona que entró titubeando en septiembre de 2018 por las puertas de la facultad, y no puedo evitar sentirme orgulloso de la persona en la que se ha convertido hoy, y eso es gracias a la gente y a las experiencias compartidas durante este trayecto. Siempre se dice que lo importante no es llegar, es el camino a tu destino; así que ahora que termina uno muy gratificante, comienza uno cargado de incógnitas y envuelto en incertidumbre e ilusión. Dicho lo cual, a por él vamos: a por lo que venga. Pablo Martín Rodríguez Sevilla, 2025 XVI ÍNDICE Agradecimientos IX Resumen XI Abstract XIII Índice Abreviado XV Índice XVII 1. Introducción 1 1.1 Motivaciones del trabajo 1 1.2. Objetivos del trabajo 1 1.3. Organización del trabajo 2 2. Marco Teórico de GSM-R 4 2.1. GSM-R: El estándar de las comunicaciones ferroviarias 4 2. 2. Características generales y arquitectura de GSM-R 5 2.2.1. Arquitectura del sistema 6 2.2.2. Servicios ofrecidos por GSM-R 7 2.2.3. Requisitos de cobertura y traspaso entre celdas 8 3. GSM-R en Entornos Subterráneos 11 3.1 Sistemas DAS 11 3.1.1 Arquitectura y características principales 11 3.1.2 Ventajas, limitaciones y futuro 12 3.2. Cables radiantes 12 3.2.1. Principio de funcionamiento 13 3.2.2. Estructura del sistema 14 3.2.3. Ventajas de los cables radiantes en túneles 16 3.2.4. Cables radiantes frente a DAS en entornos subterráneos 20 4. Simulación 22 4.1. Creación del modelo digital terrestre con QGIS 23 4.1.1. Trazado sobre el recorrido 25 4.1.2. Creación de buffer 26 4.2. Creación de modelos en interiores en HTZ 29 4.3. Despliegue y cobertura GSM-R usando un cable radiante 37 4.3.1. Creación del recorrido del cable mediante la herramienta Ruta 37 4.3.2. Definición de parámetros del cable 39 4.3.3. Análisis de cobertura GSM-R del cable radiante 42 4.3.4. Anexionado de cobertura a una estación ficticia 55 4.4. Análisis vectorial 56 4.4.1 Resultados del análisis vectorial 58 4.5. Análisis de mejor servidor 62 4.6. Mapa de solapamiento de servidor 64 5. Análisis de Resultados 69 5.1. Manejo de capas e implementación en una simulación en interiores en HTZ 69 5.2. Análisis de resultados de cobertura 69 6. Cables Radiantes y FRMCS 72 Referencias 73 Anexo A 75 XVIII 1. Introducción 1 1 General 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Motivaciones del trabajo En GSM-R, el estándar para las comunicaciones móviles ferroviarias, se ha de garantizar una conexión estable, continúa y fiable en todo momento. Para ello, una de las soluciones más comunes son los sistemas de antenas distribuidos (DAS), constituidos por una red de antenas estratégicamente repartidas, todas conectadas a una unidad central mediante fibra óptica o un coaxial, que a su vez recibe la señal de una fuente emisora, normalmente una estación base (BTS). Esta arquitectura en capas dota al sistema de versatilidad y modularidad, ya que son fácilmente escalables (si se añaden más antenas se puede ampliar la cobertura), así como capacidad para migrar hacia FRMCS, solamente actualizando las unidades y equipos necesarios en la infraestructura existente. Sin embargo, esta solución sigue entrañando dificultades en entornos subterráneos, como son: • Requiere de una alta inversión inicial • Posible falta de espacio en túneles para desplegar el sistema • Discontinuidades de cobertura, especialmente en curvas pronunciadas • Interferencias y desvanecimientos que degraden la señal por la proximidad entre antenas Los cables radiantes son una solución complementaria y necesaria para poder alcanzar los requisitos de cobertura de GSM-R en toda la línea, y deben conformar junto con DAS una solución híbrida que optimice ambas tecnologías para cumplir con dichos requerimientos. Si ahora nos centramos en un entorno ferroviario como es el metro, en concreto el Metro de Sevilla, en el que las distancias subterráneas son cortas (el paso subterráneo más largo es de unos 7 km) y existen estaciones cada pocos kilómetros, se hace más que evidente pensar que una solución óptima de cobertura usando esta tecnología resulta muy conveniente, tanto en términos técnicos como económicos. Esta realización, sumada al sonado y esperado comienzo de las obras de nuevas líneas en el Metro de Sevilla, son las principales motivaciones del trabajo. Una solución en la que se usen cables radiantes podría ser aplicada en estas futuras líneas en construcción. 1.2. Objetivos del trabajo Los objetivos que se pretenden alcanzar con este estudio son los siguientes: • Creación y exportación de capas utilizando el software QGIS mediante herramientas de geoprocesamiento y rasterizado. • Elaborar una guía para la implementación de capas en interiores desde softwares externos como QGIS en el entorno software HTZ Communications (de ahora en adelante HTZ). • Implementar una arquitectura GSM-R utilizando cables radiantes en la línea 1 del Metro de Sevilla. • Realizar un estudio y un análisis de cobertura, simulando el funcionamiento de la red y probando diferentes escenarios. • Discutir y analizar en base a los resultados el papel de dicha tecnología en FRMCS. 1. Introducción 2 1.3. Organización del trabajo 1. Introducción Se expondrá el planteamiento inicial del trabajo, el contexto actual de las comunicaciones ferroviarias y el encaje de los cables radiantes en una solución GSM-R íntegra. 2. Marco teórico Se detallarán los fundamentos teóricos, así como la arquitectura de GSM-R, las dificultades técnicas que aparecen en entornos subterráneos, los fundamentos y características de los cables radiantes. 3. Creación y exportación de capa subterránea en QGIS 4. Simulación en interiores de una red GSM-R Incluye la importación de capas para trabajar en modelos en interiores en HTZ, la creación de la red GSM-R usando cables radiantes y su simulación de cobertura 5. Análisis del estudio 6. Conclusiones y discusiones finales Se discutirá la importancia de los cables radiantes en la transición hacia FRMCS y del estado del arte de dicha tecnología. 3 3 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 2. Marco Teórico de GSM-R 4 2. MARCO TEÓRICO DE GSM-R 2.1. GSM-R: El estándar de las comunicaciones ferroviarias Durante la década de los 80, en Europa reinaba un contexto entre los países miembros de la llamada entonces CEE (Comunidad Económica Europea) caracterizado por el fortalecimiento de la cooperación y una clara tendencia hacia un mercado único y homogéneo, por lo que se antojaba necesario la creación de un estándar de comunicaciones en el sector ferroviario, especialmente ante las nuevas adhesiones de países a la futura UE (Unión Europea). Las potenciales ventajas de dicho sistema eran más que evidentes: en aquel momento existían más de 14 sistemas de seguridad de trenes y hasta 5 distintos sistemas de electrificación de ferrocarriles, y eran frecuentes los conflictos en la interoperabilidad de trenes de mercancías internacionales. A mediados de esta década, la Unión Internacional de Ferrocarriles (conocida como UIC por sus siglas en francés) junto con la CEE decidieron trabajar para sentar las bases de un futuro estándar de control y gestión de comunicaciones ferroviarias, en un proyecto demoniado Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (European Rail Traffic Management System, ERTMS). En el transcurso de su trabajo, dos sistemas surgieron como los candidatos a formalizar el estándar: TETRA y GSM. Tras años de pruebas piloto, en 1992 se decidió adoptar el sistema GSM. Esta decisión estaba motivada principalmente por la conveniencia de GSM: era el estándar de comunicaciones comerciales en aquel momento y ya había sido probado con productos disponibles en el mercado, por lo que resultaría más conveniente en cuanto a universalidad de proveedores, escalabilidad del sistema y en definitiva a crear un sistema homogéneo con un mínimo de modificaciones. Se alojaría en una banda de frecuencias adyacentes a GSM y cubriría todas las necesidades presentes y futuras por aquel entonces. Sin embargo, modificaciones de este sistema eran más que necesarias. La arquitectura GSM no estaba preparada para satisfacer los requisitos necesarios para un servicio ferroviario eficiente. Es por ello por lo que el proyecto ERTMS se encargó de identificar y definir dichos requisitos llamados Elementos Avanzados de Llamada de Voz, ASCI). Como resultado de este estudio se decidió entonces dedicar 4 MHZ anexos a la banda de GSM para uso exclusivo del nuevo sistema (una recomendación que no se formalizó como norma hasta 2005). [1] En este momento el proyecto ERTMS se dividió en dos grupos de trabajo o subproyectos: • Un primer grupo dedicado a la creación de un sistema de supervisión y control de la velocidad y posición de los trenes automático, con el objetivo de facilitar el control del tren al maquinista, llamado Sistema Europeo de Control de Trenes (ETCS). • Un segundo proyecto denominado EIRENE (European Integrated Radio Enhanced Network). Este proyecto tendría como objetivo establecer los requisitos para garantizar la correcta interoperabilidad entre distintos proveedores de servicio en los pasos fronterizos con el objetivo de hacerlos ininterrumpidos en un futuro. Este último debía definir los requerimientos de comunicaciones entre los propios trenes y con los centros de mando para que todas las compañías europeas se comunicasen de manera uniforme. Es por ello que agencias como el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) colaboraron estrechamente con la UIC para la creación de dichos requerimientos. Como resultado de esta cooperación se lanzó el proyecto MORANE (MObile radio for RAilway Networks in Europe). MORANE tenía como objetivo probar la viabilidad de un sistema GSM adaptado para el entorno ferroviario. Para ello se lanzaron tres redes distintas en redes piloto en Alemania, Italia y Reino Unido, y se hicieron pruebas en topologías de cobertura complejas y a altas velocidades (hasta 300km/h). El resultado del proyecto fue todo un éxito, y a partir de 1997 se consolidaron los resultados de este en el marco normativo de EIRENE. Finalmente, en el año 2000 el ETSI formalizó las normas técnicas y especificaciones para GSM-R, y la Comisión Europea (CE) promovió el uso de ERTMS en líneas ferroviarias internacionales, estableciendo así a GSM-R como el sistema de comunicación obligatorio para garantizar la interoperabilidad. 5 5 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 2. 2. Características generales y arquitectura de GSM-R Figura 1. Interoperabilidad ferroviaria de GSM. [Fuente: ETSI, 1996] [18] Parámetro Valor / Descripción Banda de frecuencias UL (Up Link): 876–880 MHz DL (Down Link): 921–925 MHz Formato de acceso TDMA + FDMA, 8 slots por trama, 19 radiocanales FDD (Frequency Division Duplexing), 45MHz de separación dúplex UL-DL Modulación GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Ancho de banda por canal 200 kHz Número de canales por portadora 1 canal por portadora Tasa de símbolo 270.833 ksímbolos/s Velocidad de datos (capa física) 22.8 kbps Estructura de celda Celdas lineales o ALG (Áreas de Llamada Grupal) Cobertura mínima exigida ≥ 95% con -98 dBm (38.5 dBμV/m ) (voz/datos no críticos) ≥ 95% con -95 dBm (41.5 dBμV/m) (>280 km/h, ETCS Nivel 2) Tipo de red Circuit Switched + Packet Switched (para datos no críticos) Funciones avanzadas Llamada de grupo, llamada de difusión, priorización, llamada de emergencia, handover 2. Marco Teórico de GSM-R 6 Velocidad máxima soportada Hasta 500 km/h Transferencia de llamada (handover) < 350 ms (95%) Tasa de éxito de handover ≥ 99.5% Tabla 1: Características Principales de GSM-R Como hemos comentado, la arquitectura del sistema GSM-R es en esencia la adaptación de GSM a las necesidades del entorno ferroviario. La identificación de estás necesidades, enmarcadas dentro del proyecto ERTMS, tuvo como consecuencia la elaboración de dos conjuntos de especificaciones principales: - EIRENE FRS (Functional Requirements Specification): define los requisitos funcionales del sistema para cumplir con los requisitos operativos del ferrocarril - EIRENE SRS (System Requirements Specification): define cómo deben implementarse técnicamente los requisitos detallados en EIRENE FRS. Para este apartado, se ha considerado la última versión disponible de sendas especificaciones, la FRS-8.1.0 y la SRS-16.1.0 [2]. También se ha consultado el informe técnico ETSI TR 103 134 [3]. Se hará uso de las nomenclaturas de las especificaciones en inglés. 2.2.1. Arquitectura del sistema Figura 2. Arquitectura general de GSM-R. [Fuente: ETSI, 1996] [18] En cuanto a arquitectura, se compone de: • Base Station Subsystems (BSS): Es la infraestructura radio que conecta a los MS con la red. Está compuesta por: 1. MS (Mobile Stations): son los dispositivos GSM-R (como radios de cabina o terminales portátiles), que contienen una tarjeta SIM con la información específica del abonado. 2. Base Transceiver Stations (BTS) y el Base Station Controller (BSC): las BTS se encargan de transmitir y recibir señales con los MS, y son controladas en conjunto por un BSC, que gestiona múltiples BTS dentro de su área. 7 7 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes • Network Switching Subsystems (NSS): se encarga de enrutar llamadas, gestionar bases de datos y autenticaciones, con el objetivo de garantizar la interoperabilidad y la conexión con otros usuarios. Lo conforman: 1. Mobile Switching Centres (MSC): Gestiona la movilidad, el encaminamiento de llamadas y la seguridad de las comunicaciones. 2. Gateway MSC (GMSC): Hace de interfaz entre la red GSM-R y redes externas (públicas o privadas). 3. Home Location Register (HLR): Base de datos que almacena la información permanente de los abonados. 4. Visitor Location Register (VLR): Información temporal del abonado cuando está dentro del área de acción de un MSC. 5. Equipment Identity Register (EIR): Base de datos que lista los equipos válidos, robados o no autorizados (listas blanca, negra y gris). 6. Group Call Register (GCR): Es específico de GSM-R, necesario para soportar ciertos tipos de llamadas grupales propias del ferrocarril (como llamadas de maniobra o llamadas de emergencia). Básicamente se encarga de gestionar todas las llamadas de grupo y difusión de voz que son propias del entorno ferroviario. Entre estas llamadas se encuentran: 1. VBS (Voice Broadcast Service): Servicio de difusión unidireccional, desde un host a varios trenes. Ideado para mensajes de emergencia o control. 2. eMLPP (Enhanced Multi-Level Precedence and Pre-emption): Sistema de asignación de prioridades, se encarga de asegurar que las llamadas importantes como emergencias ferroviarias se establezcan antes que el resto. 3. VGCS (Voice Group Call Service): Llamada semidúplex a un grupo definido en la red, restringida a los miembros dentro de una zona determinada, ideada para que maquinistas, jefes de tren o personal de vía puedan participar en una conversación grupal predefinida. Es la principal diferencia en cuanto a arquitectura de GSM-R. • Operation and Manteinance Center (OMC): Encargado de la supervisión, configuración y mantenimiento de los elementos de red (BTS, BSC, MSC, etc.). • Uso de General Packet Radio Service (GPRS) tanto en BSS como en NSS. De este modo se permite la transmisión de datos por paquetes como alternativa a la trasmisión por circuitos (sin asignar un canal fijo entre emisor y receptor). Esto permite mayor flexibilidad y eficiencia, especialmente para servicios de datos como ETCS nivel 2. • Centro de gestión de mensajes SMS: Encargado de administrar el envío y recepción de mensajes cortos. • Equipamiento para servicios de valor añadido (VAS): Incluye funciones como grabación de llamadas (VRS), actualización remota de configuración (OTA), y localización GPS integrada, adaptados al entorno ferroviario. Esta arquitectura le confiere a GSM-R la capacidad de no tener que funcionar de manera aislada, y poder interactuar con otras redes, ya sedan de ámbito público o privado, de tipo terrestre o ferroviario; así como con otros sistemas ferroviarios específicos como ETCS. 2.2.2. Servicios ofrecidos por GSM-R Como ya hemos mencionado, GSM-R introduce una serie de servicios específicos para su aplicación el ámbito ferroviario. La arquitectura descrita previamente sirve para dar cabida a dichos servicios, que son los siguientes: • Comunicaciones punto a punto en modo de conmutación de circuitos (adecuado para llamadas de voz) como en conmutación por paquetes mediante GPRS (idóneo para ECTS). 3. GSM-R en Entornos Subterráneos 14 las propiedades electromagnéticas del cable. Cabe reseñar que la relación que presentan estas ranuras con la longitud de onda a transmitir es normalmente de λ/2 o λ/4 (fracciones significativas), ya que si fuese λ se generarían efectos resonantes indeseados. Además, la proximidad que normalmente existe entre el origen de la señal y el receptor a lo largo de toda la galería reduce los desvanecimientos por propagación multicamino. No obstante, estos desvanecimientos existen, y las señales pueden ser combinadas en el receptor de distintas formas, aprovechando la diversidad espacial. [13] Con esto en mente, es lógico pensar que a la hora de diseñar y caracterizar un cable radiante habremos de ajustar la cantidad de “goteo” para alcanzar un compromiso entre distancia recorrida y señal emitida. A menor separación entre ranuras y mayor tamaño de estas, se radiará más señal por metro; con ranuras más espaciadas. la señal emitirá menos radiación, pero alcanzará a cubrir mayor distancia. 3.2.2. Estructura del sistema Como hemos visto en el segundo apartado del proyecto, la arquitectura de un sistema GSM-R no deja de ser la misma casi en su totalidad que la existente en GSM. Si planteamos un caso de comunicaciones ferroviarias en interiores, es reseñable destacar como sería la estructura del sistema de comunicaciones. Aunque existirán por supuesto casuísticas específicas para escenarios concretos, podemos encontrar normalmente los siguientes elementos: • BTS: instalado en las inmediaciones de la galería, en una sala técnica o dentro de la estación subterránea previo paso al túnel. Recibe la señal a transmitir desde otro BTS. • Duplexor/Filtro: Permite juntar o separar el UL y DL (o de diferentes bandas) del mismo sistema en el mismo cable. Es decir, permite la transmisión y recepción simultánea por un único cable. • Combinador: En caso de que se quiera compartir el cable para distintos sistemas o servicios, separa las distintas frecuencias de dichos sistemas. • Amplificadores: En caso de que sea necesario, refuerzan la señal para compensar la atenuación del cable. Se usa normalmente en tramos largos, e introducen pérdidas de inserción. • Repetidores: Repite la señal de manera activa, son nuevos BTS. • Antenas de transición: Se colocan en las bocas del túnel, y aseguran una transición suave entre la Figura 6. Simulación de cobertura de cable radiante. [Fuente: Repetidores Móviles, 2023] [19] 15 15 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes cobertura del túnel mediante cable radiante y la cobertura exterior con antenas convencionales, para cumplir con los requisitos de handover. Son direccionales y presentan un solapamiento de cobertura con el propio cable radiante. Algunos fabricantes tienen unas antenas especiales que además sirven de terminadores del cable radiante. Aprovechan que ambos dispositivos deben tener una impedancia de 50Ω para enviar la señal restante al final del cable. Estos elementos se configuran típicamente en una arquitectura de este estilo (Figura 8): Figura 7. Terminación cables radiantes. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] Figura 8. Esquema de arquitectura de un sistema cables radiantes. [Fuente: Elaboración propia] [24] 3. GSM-R en Entornos Subterráneos 16 Figura 9. Instalación de un cable radiante en la pared de un túnel. [Fuente: Castrillo Martínez, 2022] [5] 3.2.3. Ventajas de los cables radiantes en túneles Dadas las características técnicas expuestas, se describen a continuación algunas de las ventajas que presentan este tipo de antenas, aunque algunas de ellas no apliquen expresamente a GSM-R: • Permiten extender la señal en zonas de difícil acceso, donde la instalación de otros sistemas sería de alta complejidad y coste, y con un número reducido de dispositivos. Un solo cable radiante puede cubrir un cambio de dirección brusco como el de la Figura 10. • En espacios bien definidos, mantiene niveles de señal de manera continua y homogénea, incluso ante la presencia de obstáculos, los cuáles suponen un mayor problema cuando tratamos con antenas tradicionales (Figuras 11y 12). Figura 10. Alcance de cobertura en curvaturas de túneles. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] 17 17 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes En el interior de los vagones los propios pasajeros en movimiento pueden suponer un obstáculo y causar atenuaciones en la señal, además de las propias paredes del vagón, maletas, asientos, etc. Aunque no sea una casuística relevante para el caso de GSM-R, estos cables pueden proporcionar cobertura homogénea a lo largo del vagón al tener LoS directa con los usuarios finales (Figura 13). • Presentan gran durabilidad y longevidad, lo que incrementa el MTBF (Mean Time Between Failures, Tiempo Medio Entre Fallos) de todo el sistema. Al ser esencialmente un elemento pasivo, se reduce la cantidad de equipos electrónicos dentro del túnel, incrementando la robustez del sistema. Aunque se lleguen a instalar algunos repetidores en caso de que sea necesario, se ha demostrado que un cable Figura 11. Instalación de cables radiantes en techos. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] Figura 12. Cobertura en túneles pese a obstáculos. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] Figura 13. Cobertura en el interior de vagones. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] 3. GSM-R en Entornos Subterráneos 18 radiante puede operar años sin mantenimiento, mientras que un DAS tendría más probabilidades de un fallo de un dispositivo activo. • Al requerir de poco equipamiento para su instalación, reducen el TCO (Total Cost of Ownership, Coste Total de Propiedad), abaratando los costes de la instalación. • Tienen un impacto muy leve en la estructura física del túnel, no afectan al gálibo ni estorban visualmente ya que son muy delgados y se pueden instalar a ras de suelo, pared o bóveda. • Una funcionalidad que eleva el potencial de esta tecnología, y justifica su importancia de cara a la transición hacia FRMCS: son capaces de transmitir múltiples frecuencias de manera simultánea, de nuevo repercutiendo positivamente en el coste total de la instalación. Además, este sistema es típicamente menos ruidoso que otras soluciones de propagación, como DAS. • El sistema actúa como una matriz de antenas bidireccionales, y además es capaz de transferir alimentación en corriente continua para alimentar amplificadores y nodos activos a lo largo del cable, en caso de que los hubiese. • A altas velocidades (de 300 a 500 km/h) proporcionan un rendimiento excelente, gracias a que al implementar cables radiantes el diseño celular permite celdas estrechas y alargadas que reducen la cantidad de handovers en un trayecto, contribuyendo a la seguridad operativa en líneas rápidas. [15] Otra de las características relevantes es el soporte de MIMO, sobre todo en la transición hacia FRMCS. 2 o más transmisores envían la misma señal, que llega a los receptores en distintos momentos recorriendo trayectorias diferentes. Este multiplexado espacial aumenta la capacidad del canal, mejora la robustez frente a desvanecimientos y en definitiva mejora el rendimiento general. En los últimos años, empresas como EUPEN está comercializando soluciones de cables radiantes con MIMO, ya que los hacen idóneos para su uso en túneles aprovechando la propagación multicamino, como podemos apreciar en la Figura 15. Cabe destacar que para GSM-R MIMO no se aplica, al estar está orientada a voz y señalización, no diseñada para flujos paralelos. Sin embargo, su relevancia para otras tecnologías y aplicaciones es capital, debido al potencial de esta característica. Figura 14. Cable radiante a ras de suelo. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] 19 19 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Existen dos formas de implementar MIMO mediante cables radiantes: • Dos cables en paralelo, cada uno transporta un flujo MIMO. • Un único cable, alimentado en ambos extremos por cada uno de los flujos. Figura 15. Empleo de MIMO en túneles. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] Figura 16. Doble flujo MIMO en paralelo. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] Figura 17. Doble flujo MIMO con doble alimentación. [Fuente: EUPEN Products, s.f.] [6] 3. GSM-R en Entornos Subterráneos 20 3.2.4. Cables radiantes frente a DAS en entornos subterráneos Una vez expuestos los principios que rigen tanto los cables radiantes como los DAS, podemos hacer una aproximación a ambas tecnologías desde distintos prismas y enfoques existentes a la hora de dar un servicio de telecomunicaciones en un túnel. En cuanto a la cobertura en estos entornos, está claro que a nivel de radiación el cable radiante es una solución idónea. Su patrón de cobertura lineal es continuo y uniforme, adaptándose a las necesidades del entorno, y la estructura de sus celdas resulta óptima para minimizar el handover. Sin embargo, esto es parcialmente cierto, ya que cuando tenemos en cuenta las distintas frecuencias de trabajo (especialmente el uso de altas frecuencias ante la llegada de FRMCS), nos encontramos con un rendimiento inferior a altas frecuencias de esta tecnología frente a los DAS. Pese a que fabricantes como EUPEN tienen en catálogo y existen proyectos en marcha con cables radiantes de uso dedicado a altas frecuencias [6], un sistema de cobertura con DAS es hoy en día típicamente de un rendimiento superior en bandas altas. También existe un compromiso entre el coste de instalación y el coste de mantenimiento que afectan al coste total de propiedad (TCO). Para la instalación de los cables radiantes, es necesario que cada metro aproximadamente queden fijados en una superficie, mientras que un DAS conlleva instalar antenas puntuales que se colocan cada 50 – 100 metros, según la aplicación; consecuentemente, si el trayecto no es muy largo, un DAS tiene un menor coste de instalación y de mano obra, así como un menor tiempo de despliegue. Además, un proyecto que requiera de uso de DAS no tiene que ser por qué planificado al detalle desde su inicio, ya que estos sistemas son modulares y escalables por tramos, mientras que el cable radiante es rígido frente a este tipo de cambios. Por otro lado, a medida que la instalación crece en complejidad y tamaño, la diferencia no es tan notoria, y particularmente para entornos subterráneos, la balanza se decanta para el otro lado, puesto que los cables radiantes, si bien presentan unos costes medios de instalación, estos costes no varían demasiado con la complejidad del proyecto, y los gastos dedicados a mantenimiento, monitorización y reparaciones son prácticamente nulos, mientras que los DAS sufren de altos costes en este aspecto. La complejidad en la arquitectura para alimentar eléctricamente el trazado es mayor también en los segundos, ya que los cables radiantes solo necesitan ser alimentados en determinados puntos clave, como hemos visto en su arquitectura. Además, un aumento en la complejidad del diseño implica también una exhausta planificación de los handovers, algo que es más sencillo en los cables. Por último, a nivel de seguridad y normativa, los cables radiantes presentan bajas emisiones externas, mientras que un DAS requiere de un análisis por interferencias, y como hemos comentado la degradación de todo el sistema es pasiva y ocurre durante un largo periodo de tiempo, mientras que en un DAS existen numerosos puntos de fallo críticos para su funcionamiento que deben ser correctamente revisados. Es por ello por lo que en un DAS existe normalmente un software centralizado que se encarga de monitorizar estas casuísticas, y en cables este proceso es manual o analógico. [17] 21 21 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 4. Simulación 22 4. SIMULACIÓN En este capítulo vamos a estudiar el uso de los cables radiantes los tramos interiores de la Línea 1 del Metro de Sevilla, mediante un estudio de cobertura GSM-R usando el programa de simulación radio HTZ Software. Para ello, es importante indicar que se va a trabajar con capas topográficas, con lo que habrá que preparar el entorno de trabajo en este caso en QGIS. La idea es crear el trazado subterráneo de la línea en este último, y estos datos importarlos en una capa de tipo compatible a HTZ. Con esto, tendremos en HTZ la capa importada y referenciadas las coordenadas con las que vamos a trabajar. Una vez importada, se procederá a simular la cobertura de un tren (metro) en movimiento a lo largo de los tramos subterráneos del túnel, y finalmente se hará un análisis de los resultados de cobertura obtenidos. Antes de adentrarnos en la simulación resulta conveniente definir los siguientes tipos de archivos con los que se suele trabajar tanto en HTZ como en QGIS: • Shapefile (.SHP): Es de tipo vectorial, representa objetos geográficos como puntos (antenas), líneas (vías), o polígonos (edificios, zonas urbanas). Es una de las capas que se obtienen como resultado de un proyecto en QGIS, y se puede importar en HTZ. • dBASE Table File (.DBF): Almacena los valores tabulares (altura, tipo, código ID) de cada entidad geográfica de un archivo .SHP. Es esencial para la importación en HTZ. • Shape Index Format (.SHX): Necesario para enlazar las tablas del .DBF con las geometrías del .SHP. • Digital Elevation Model (.GEO): Define el sistema de coordenadas, contiene el modelo de altitudes de la superficie terrestre, es decir, las cotas. En caso de que se trabaje con un modelo en interiores aplica la capa indoor (.IDR), nos ayudaremos del .SHP obtenido en QGIS para definirla. • Clutter (.SOL): Contiene información sobre el uso del terreno. Permite hacer ajustes de alturas sobre el terreno. • Building Layer (.BLG): Es la capa que contiene la ubicación y altura de los edificios. • Image (.IMG): Es una imagen de fondo que se puede superponer sobre las capas anteriores, solamente afecta al plano visual. • Vector Layer (.VEC): Es una capa vectorial que representa líneas, puntos o polígonos. En nuestro caso, servirá para simular el tren en movimiento. Figura 18. Capas y archivos de simulación en HTZ. [Fuente: ATDI, 2023] [21] 23 23 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 4.1. Creación del modelo digital terrestre con QGIS El primer paso para realizar la simulación es obtener el terreno base sobre el que vamos a trabajar. Para ello en QGIS vamos a trabajar con la información geográfica provista por OpenStreetMap (OSM) [8], debido su detalle en la información vectorial como a su distribución bajo licencia abierta. OSM provee de datos cartográficos y mapas de numerosa índole, y presenta un alto nivel de detalle en cuanto a planificación urbana se refiere ya que emplea datos proporcionados por los gobiernos locales [22]. Sin embargo, estos mapas no vienen por defecto implementados en QGIS, hemos de activar el plugin que los habilita. Para ello, debemos acceder al menú superior “Capa”, y clicar sobre “Administrador de fuentes de datos”, como se observa en la Figura 19. A continuación, en el menú de nueva conexión que se nos aparece, hemos de incluir los siguientes parámetros: • “Nombre”: OpenStreetMap Standard • URL: http://a.tile.openstreetmap.org/{z}/{x}/{y}.png Figura 19: Administrador de fuentes de datos en QGIS Figura 20: Crear una nueva conexión de fuente de datos topográficos 4. Simulación 30 Figura 35: Creación de un proyecto en interiores en HTZ En proyectos de mayor escala, HTZ nos ofrece la opción de “Crear un proyecto de interiores desde un archivo .SHP”. Al cargar un archivo, estamos creando ese lienzo en blanco en el que están georreferenciados los límites en el mapa o plano de trabajo, en función del sistema de coordenadas de origen de nuestro archivo .SHP. Es así como podemos usar el archivo del trazado para crear esa matriz en blanco sobre la que trabajar. Esta no tiene cargados los contornos del metro ni dispone de más información más allá de los límites de coordenadas que definen la capa (es importante que en esa misma ubicación desde la que importamos el archivo .SHP también se encuentren los archivos .DBF y .SHX). Hemos de cerciorarnos también de que el código de coordenadas se corresponde con el que estamos utilizando en el proyecto, EUTNE29 en este caso. Ahora vamos a hacer uso de una propiedad que tienen los modelos indoor, y es que estos asignan a cada clase de objeto un valor llamado código indoor que tiene asociado un coeficiente de atenuaciones en función del material al que pertenezca. Son de importancia los valores 0 (no hay atenuaciones, propagación en espacio libre) y 10 (material impenetrable). Jugaremos con ellos para dotar a nuestro lienzo en blanco de código 10 salvo el trayecto por el que discurre el tren en interiores, que será de código 0; así habremos creado una “trinchera” por la que transcurre el metro bajo tierra, imitando el comportamiento de un túnel. Cuando tratamos de crear un proyecto en interiores desde un archivo .SHP, se nos abre una ventana de configuración de proyecto. Con el objetivo de crear esa “trinchera” en mente, vamos ahora a fijarnos en la opción “Columna DBF compatible con código IDR”. Esta se relaciona con el archivo .DBF, y de lo que debemos asegurarnos es de que está seleccionada la primera columna, que se corresponde en el archivo .DBF con la columna en la que aparecen los ID asignados a los elementos geográficos que conforman el archivo, en este caso la primera columna (ver Figura 36). Este archivo .DBF se puede abrir con un editor de hojas de cálculo como Excel, así que podemos acceder y ver que en esa primera columna aparecen los códigos de identificador llamados código SHP (no confundir con código IDR), unos valores numéricos generados por QGIS a la hora de exportar la capa y guardarlos. De este modo, HTZ es capaz de traducir los valores de los códigos SHP que tenga asignados en mi archivo .DBF y asociarlos a un valor de código IDR. En la práctica, esto no ha sido posible, y tras varias simulaciones la solución a este problema pasa por asignar el valor del primer elemento de la columna (1 en este caso) a todos los elementos. Mientras, en la ventana de importación, mantener en 0 todos los elementos que tienen asociado un código IDR. 31 31 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Figura 36: Archivo .DBF del vector a implementar Finalizado este proceso, nos aparecerá la siguiente pantalla: Figura 38: Resultado tras configurar el proyecto en interiores Figura 37: Configuración de proyecto indoor 4. Simulación 32 Esta imagen sería el “lienzo en blanco”, la blank matrix sobre la que vamos a trabajar, está definida y delimitada por los archivos que hemos cargado desde QGIS. En otras palabras, los límites de terreno de la capa resultante en HTZ coinciden con los límites del terreno de la capa en QGIS, ambas tienen la misma georreferenciación. A continuación, podemos cargar mediante el display de capas (Figura 39) la capa .IMG que contiene el mapa de Sevilla. Figura 39: Menú selector de capas Figura 40: Modelo indoor superpuesto sobre el plano de Sevilla Una vez llegados a este punto, solamente queda importar el trazado del metro sobre la capa, y asignar los códigos IDR necesarios. Para ello, vamos a hacer uso del mismo archivo .SHP que hemos creado, mediante la herramienta de importación de HTZ. Hemos de asegurarnos de, además de importar el archivo, de seleccionar el código correcto de coordenadas y de marcar qué columna del .DBF tiene asignados los valores IDR, en este caso la columna 1 (Figuras 41, 42 y 43): 33 33 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Figura 41: Importar capa de vector desde polígono .SHP Figura 42: Parámetros de importación 4. Simulación 34 En este punto, hemos importado en la capa el polígono del contorno del túnel como un vector, así que podemos trabajar con la herramienta “Polígono” de HTZ para modificar los códigos IDR (Figuras 44, 45 y 46): El polígono actúa como uno solo para efectuar operaciones de rasterizado, y lo que vamos a hacer es asignar el código IDR 10 (material impenetrable) a todo lo que se encuentre fuera de ese polígono, es decir, a toda la Figura 44: Uso de vector polígono para su modificación Figura 43: Tramos subterráneos importados sobre el modelo indoor Figura 45: Configuración código indoor Figura 46: Parámetros vector polígono 35 35 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes superficie, de modo que el polígono y su interior mantienen el código 0. Así, podemos modelar el comportamiento de propagación subterránea, en el que las paredes son virtualmente impenetrables ya que nos encontramos en un túnel. Podemos comprobar que se ha efectuado con éxito, además de que visualmente se ve el contorno delimitado del túnel, por los datos del menú contextual (Figuras 48 y 49): Figura 47: Parámetros indoor Figura 48: Datos del terreno dentro del trazado subterráneo. Se comprueba que esta parte tiene asociada el código indoor con valor 0 4. Simulación 36 Ahora ya podemos guardar nuestro archivo .IDR para trabajar con él. También, si lo deseamos, podemos eliminar el vector polígono que hemos usado para delimitar el contorno, en el menú de gestión de capas del proyecto. Figura 50: Extracto del trazado subterráneo. Se distinguen claramente las dos partes Figura 49: Datos del terreno externos al trazado subterráneo. Se comprueba en este caso que el valor del código indoor asociado es 10 37 37 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 4.3. Despliegue y cobertura GSM-R usando un cable radiante En este apartado desplegaremos el cable radiante a lo largo del túnel y estudiaremos su cobertura. Con este fin, haremos uso de la herramienta de HTZ llamada “Ruta” que permite simular la cobertura de un cable radiante, y cuyo uso es muy intuitivo: solamente hemos de definir los puntos que conformarán el cable, y procedemos a seleccionar los parámetros de propagación del mismo. Para este apartado en concreto se ha tomado como referencia las guías y manuales provistas por ATDI, algunas las cuáles son de carácter privado y de uso restringido para usuarios con licencia, por lo que no serán accesibles para el público general. 4.3.1. Creación del recorrido del cable mediante la herramienta Ruta Antes de definir el cable, conviene ajustar la distancia límite de simulación, en este caso se ha definido a 7 metros (justo encima de los 6,15m para asegurarnos de que cubrimos todo el ancho del túnel). La finalidad es acortar los tiempos de procesado y agilizar la simulación (Figura 51) A continuación, seleccionamos la herramienta “Ruta”, tras lo cual deberemos ir seleccionando los elementos que conforman el recorrido del tren a lo largo del trazado subterráneo (Figuras 52 y 53): Figura 51: Límite de simulación de cobertura establecido en 7 metros Figura 52: Selección de herramienta "Ruta" 4. Simulación 38 Cuando seleccionamos la herramienta ruta, el “punto 0” (verde en Figura 53) que colocamos en el mapa sirve para calcular las pérdidas lineales a lo largo del cable, y es a partir del primer punto (rojo en Figura 53) que se empieza a evaluar la radiación debida a las pérdidas por acoplamiento como las pérdidas lineales (Figura 54). En base a las simulaciones, se ha determinado de manera empírica que la distancia óptima a dejar entre el punto 0 y el primer punto para que no queden huecos de cobertura es de unos 5 metros. Figura 54: Cálculo de pérdidas a lo largo de un cable radiante en HTZ. [Fuente: ATDI, 2023] [21] Figura 53: Cabecera de la ruta sobre el primer tramo 39 39 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Cabe destacar que existe un límite de 50 puntos con los que se puede definir un cable, los cuales son únicamente para determinar el trazado de este, no tienen nada que ver con sus características radioeléctricas. 4.3.2. Definición de parámetros del cable Una vez colocados todos los puntos que van a definir el cable radiante, hemos de configurar los parámetros de radiación desde el menú de configuración de la herramienta ruta (Figura 56). Para la caracterización de este cable, hemos tomado como referencia el modelo CR02524 de la marca Silex System & Telecom [11], que presenta bajas atenuaciones en el rango de frecuencias de GSM-R. Figura 55: Trazado del cable radiante caracterizado a lo largo del primer tramo subterráneo 4. Simulación 46 Como cabe esperar, esta será la tónica para este y el resto de los tramos desplegados: una señal muy fuerte al comienzo, y que se prolonga por bastantes metros si el tramo no tiene curvas, y a partir de ahí un descenso paulatino del nivel de la señal. En este tramo con un único cable es suficiente, pero no será este el caso para todos los tramos, como ahondaremos más adelante. Figura 70: Nivel de señal a -50,3 dBm tras tomar la curva Figura 71: Nivel de señal a -70,3 dBm al final del trayecto 47 47 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 4.3.3.2. Cobertura del tramo 2 Figura 72: Cobertura a lo largo del segundo tramo Figura 73: Vista de la cobertura sobre la capa plano Para este segundo tramo la distancia a cubrir es mucho menor que el primero, con lo que de nuevo se cumplen los requisitos sin problemas. 4.3.3.3. Cobertura del tramo 3 Este tramo es el más extenso, y no podemos abastecer de señal a todo el tramo con un único cable. De este modo, la estrategia a seguir será desplegar el cable radiante hasta que los niveles de cobertura se encuentren por debajo del umbral requerido. Encontrado el punto en el que la señal se desvanece, se ajustará la colocación del nuevo cable para poder suministrar los niveles de señal requeridos, así como para asegurar el solapamiento de 4. Simulación 48 cobertura suficiente para garantizar la continuidad de servicio. La elección de esta solución reside tanto en la obligación de cumplir con los requisitos necesario como de hacerlo con eficientemente a nivel de gestión de la red y de instalación. En este apartado vamos a estudiar con mayor énfasis aquellos extractos del tramo en los que se ha realizado ese ajuste. • Desvanecimiento en Puerta Jerez Atendiendo a las Figuras 74 y 75, podemos localizar que el nivel de señal del cable radiante desplegado en Blas Infante comienza a ser insuficiente cuando pasa por la estación de Puerta Jerez. De este modo, en esta última se instala el nuevo cable para garantizar el servicio necesario (Figuras 76 y 77). Figura 74: Cobertura en Puerta Jerez Figura 75: Desvanecimiento de señal en Puerta Jerez 49 49 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes • Desvanecimiento en San Bernardo Figura 76: Despliegue de un nuevo cable radiante en Puerta Jerez Figura 77: Continuidad de servicio en Puerta Jerez tras el despliegue de un nuevo cable radiante Figura 78: Cobertura en San Bernardo Figura 79: Desvanecimiento de señal en San Bernardo 4. Simulación 50 Al igual que en el caso de Puerta Jerez, el umbral de potencia recibida comienza a ser insuficiente en una zona próxima a la estación de San Bernardo, de modo que es en esta donde colocamos un nuevo emisor de señal. Este procedimiento es análogo al resto de casuísticas, siempre buscando la estación más cercana a partir de la cual se puede mantener el nivel de señal mínimo requerido en todo el recorrido. A continuación, veremos los resultados para este y los siguientes desvanecimientos, siguiendo el procedimiento mencionado. • Desvanecimiento Gran Plaza Figura 80: Despliegue de un nuevo cable radiante en San Bernardo Figura 81: Continuidad de servicio en San Bernardo tras el despliegue de un nuevo cable radiante Figura 82: Cobertura en Gran Plaza 51 51 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Figura 83: Desvanecimiento de señal en Gran Plaza Figura 84: Continuidad de servicio en Gran Plaza tras el despliegue de un nuevo cable radiante 4. Simulación 52 • Desvanecimiento Amate Figura 85: Desvanecimiento de señal en Amate Figura 86: Cobertura en Amate Figura 3: Continuidad de servicio en Amate tras el despliegue de un nuevo cable radiante Figura 88: Despliegue de un nuevo cable radiante en Amate 53 53 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes De este modo, podemos abastecer los 7 kilómetros bajo tierra que conforman este tercer tramo. Cabe destacar que esta solución se ha llevado a cabo debido a las restricciones del entorno de simulación en cuanto a los puntos de máximos permitidos para definir el trazado del cable radiante. En un caso real, se podría introducir un elemento amplificador activo que introdujese una ganancia, en los mismos puntos observados, siempre y cuando los niveles de ruido introducidos no supusieran un problema. Figura 89: Cobertura completa a lo largo del tramo 3 Ya que este tramo es el de mayor interés del estudio, vamos a observar algunos valores de señal obtenidos que pueden resultar de valor: Las Figuras 90 y 91 nos permiten observar que existe una diferencia de 11 dBm entre el centro del túnel, donde la radiación del cable es máxima, y el extremo más alejado. Esta diferencia, con una variación de ± 2dB se mantiene constante a lo largo de todo el recorrido Figura 90: Nivel de señal en el centro del túnel Figura 91: Nivel de señal en el extremo del túnel 4. Simulación 54 También esta zona podemos observar el punto en el que se alcanza el nivel máximo en cuanto a potencia emitida se refiere, de -29,3 dBm (Figura 92). 4.3.3.4. Cobertura del tramo 4 Como ocurría para los tramos 1 y 2, de nuevo con un solo cable es suficiente para alcanzar las exigencias requeridas. Figura 92: Nivel de máxima emisión de señal Figura 93: Cobertura completa del tramo 4 Figura 94: Cobertura completa del tramo 4 sobre plano 55 55 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 4.3.3.5. Cobertura subterránea complete Figura 95: Cobertura completa de los tramos 1, 2, 3 y 4 4.3.4. Anexionado de cobertura a una estación ficticia En cuanto a la ejecución de la simulación, la opción de “Análisis de cobertura de cable radiante” presenta una restricción, y es que por cada análisis que se realiza se pierde la cobertura obtenida en el anterior. Para salvaguardar esta limitación, existe un método que permite mantener guardados y visibles todos los estudios simultáneamente. Este consta de los siguientes pasos: • Creación de una estación Tx/Rx ficticia una vez finalizada la simulación del análisis de cobertura de cable radiante. Los parámetros estación deben estar configurados únicamente para que coincidan en frecuencia con la cobertura que queremos anexar. Figura 96: Creación de una estación ficticia 4. Simulación 62 Finalmente, resulta cuanto menos llamativo ese desvanecimiento a 0 que ocurre al inicio de un nuevo tramo. Cuando comprobamos su origen, se observa que se corresponde con el fragmento señalado que aparece fuera del túnel. Es posible que el fallo se deba a un error en la conversión de formato .SHP a .VEC por parte de HTZ, ya que ese mismo vector es el que se ha utilizado para conformar el búfer, como comprobamos en el apartado 4.1 4.5. Análisis de mejor servidor De nuevo utilizando el menú desplegable de la herramienta “Cobertura” nos encontramos con la opción de “Mejor Servidor”. Esta otra herramienta que nos ofrece HTZ es capaz de mostrar qué transmisor (o en este caso, segmento de cable radiante) proporciona la señal más fuerte (mayor potencia recibida) en cada ubicación. Es fundamental para detectar zonas de solapamiento o interferencia, determinar áreas de cobertura de cada transmisor y verificar la continuidad de cobertura. Figura 112: Extracto del vector fuera del trazado subterráneo Figura 113: Menú análisis mejor servidor 63 63 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes En esta simulación, resulta inmediato pensar que para aquellos tramos en los que solamente ha sido necesario desplegar un único cable radiante, éste será el único transmisor que proporcione la suficiente señal. (Figura 114) Por otro lado, en el caso del tramo 3, podemos distinguir los cambios que se dan en aquellas estaciones en las que se ha introducido una nueva inyección de señal. Se identifica claramente como cada estación ficticia (que se corresponde con un nuevo tramo de cable radiante) actúa como mejor servidor para el tramo que tiene asociado (Figuras 115 y 116): Figura 114: Identificación de tramos con un único servidor Figura 115: Análisis de mejor servidor para el tramo 3 4. Simulación 64 4.6. Mapa de solapamiento de servidor El análisis de mejor servidor nos muestra qué transmisor es el que ofrece la señal más fuerte en cada punto, pero no muestra en qué zonas existen varias señales de manera simultánea. Como se ha comentado numerosas veces a lo largo del proyecto, el solapamiento de cobertura es uno de los requisitos de GSM-R, y garantiza la continuidad de servicio en aquellas zonas en las que existe un cambio de celda o de transmisor. Para visualizar esto, existe también en las opciones del menú “Cobertura” la posibilidad de hacer un mapa de solapamiento por estación, en el que se muestra qué zona del mapa presenta redundancias en la señal ofrecida, con el objetivo de suavizar las transiciones. Cabe mencionar que, en este trabajo, al simular el recorrido de un tren de metro, se han de considerar velocidades de unos 70km/h. Si atendemos al requisito de handover y sus especificaciones técnicas [18], vemos que para velocidades inferiores a 160km/h el traspaso entre celdas se debe hacer en 4 segundos como máximo. Atendiendo a estas restricciones, es inmediato hacer el siguiente cálculo: 70 ×1000 3600 = 19,44 𝑚/𝑠 de modo que en el tiempo que el tren tiene como máximo para hacer el traspaso entre celdas: 4 𝑠 × 19,44 𝑚/𝑠 ≈ 78 𝑚 el tren recorrería unos 78 metros aproximadamente. Si además tenemos en cuenta un margen de seguridad (hay que tener en cuenta tiempos de procesamiento del handover, condiciones del entorno y otros requisitos adicionales) de entre un 25-30%, podemos aproximar a 100 metros la distancia que tiene que existir de solapamiento entre estaciones transmisoras. Expuestos los requisitos a cumplimentar, ejecutamos ahora el análisis de solapamiento de servidor: (Figura 98) Figura 116: Análisis de mejor servidor para el tramo 3 sobre plano 65 65 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes En aquellas estaciones en las que se ha introducido un nuevo cable radiante, existirán zonas de redundancia en la que la señal de los dos cables se solape. Es decir, cuando introducimos el nuevo cable para paliar la pérdida de señal, deben existir zonas en las que se reciba señal por parte tanto del nuevo cable introducido como del ya existente con señal deteriorada, y deben al menos cumplir que recorren esos 100 metros de distancia. Para distinguir esas zonas con dos señales existentes, emplearemos dos tonalidades de azul (Figura 118) Esas zonas en las que se recibe señal por parte de ambos cables se pueden observar marcadas con un tono azul turquesa, frente a las zonas con un único cable emisor, marcadas con un azul oscuro en las Figuras 119, 120 y 121. Figura 117: Análisis de solapamiento de servidor Figura 118: Leyenda número de servidores activos Figura 119: Solapamiento de cobertura en Gran Plaza 4. Simulación 66 Para los casos de estas tres últimas Figuras se cumple con creces el requisito de distancia de solapamiento, algo que se aprecia en un primer vistazo de manera visual en las imágenes, pero que podemos corroborar usando herramientas de medición (Figuras 124, 125 y 125). Sin embargo, para el caso de Puerta Jerez, no se cumple con los 100 metros de solapamiento (Figura 123) y margen de seguridad, pero sí con los requisitos mínimos exigidos para GSM-R. Resulta llamativa la implementación del segundo cable radiante en este caso, ya que no se aprecia cómo “se introduce” la huella de cobertura de solapamiento en nueva área a cubrir, como ocurre con los otros casos, si no que existe una transición abrupta. Para asegurarnos de que se cumple con los requisitos de handover, se ha utilizado la herramienta de medir distancias disponibles en Google Earth. Figura 120: Solapamiento de cobertura en San Bernardo Figura 121: Solapamiento de cobertura en Amate Figura 122: Solapamiento de cobertura en Puerta Jerez 67 67 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes Figura 123: Distancia de solapamiento en Puerta Jerez. [Fuente: Google Earth, (2025)] [26] Figura 124: Distancia de solapamiento en Gran Plaza. [Fuente: Google Earth, (2025)] [26] Figura 125: Distancia de solapamiento en Amate. [Fuente: Google Earth, (2025)] [26] Figura 126: Distancia de solapamiento en Gran Plaza. [Fuente: Google Earth, (2025)] [26] 4. Simulación 68 69 69 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS La simulación llevada a cabo arroja resultados en distintas áreas, por lo que antes de discutir estos mismos, vamos a separar la simulación en dos partes: • una primera parte a nivel de usuario: manejo de capas y su implementación para realizar una simulación en interiores, • una segunda enfocada en la cobertura en interiores y los resultados obtenidos. 5.1. Manejo de capas e implementación en una simulación en interiores en HTZ Todo lo que implique el manejo de un programa ajeno al dedicado a la simulación siempre conlleva complicaciones, especialmente ante la limitada información disponible y las dificultades de compatibilidad. Es por ello por lo que el trabajo en sí ha tenido una carga determinística muy importante: a base de “prueba y error” se ha podido avanzar en el proyecto. Es por ello por lo que me gustaría que este apartado sirviese a modo de guía o a modo de recopilación de casuísticas, con el objetivo de ayudar a futuros alumnos o profesores en posteriores simulaciones similares. Uno de los requerimientos principales en esta simulación ha sido la de contar con un equipo potente, especialmente a nivel gráfico. ATDI recomienda que las capas usadas tengan una resolución de al menos 1 metro, con lo que el manejo de este tipo de capas en HTZ hace de la tarea bastante pesada, y es posible que a nivel de implementación tengamos muchos fallos si no disponemos de suficiente potencia de procesado. Del mismo modo, se ha observado que, ante un uso prolongado en una misma sesión, el programa se vuelve bastante inestable, con lo que es conveniente ser precavidos y guardar periódicamente durante la sesión de trabajo los resultados. Como se mencionó previamente, existen dos tipos de modelos en interiores que podemos llevar a cabo en HTZ. Para el que aplica a esta simulación, QGIS ha sido una herramienta de gran ayuda, especialmente ante la cantidad de información disponible en línea, existen archivos ráster en los recopilatorios cartográficos oficiales de numerosas instituciones. El otro tipo de modelado en interiores, el cual no es objeto de estudio de este trabajo, requiere de herramientas de procesamiento y edición de imágenes, y de una preparación previa más detallada y compleja, aunque se puede inspirar en algunos aspectos (la creación de relieves) en la técnica utilizada en este trabajo. En el Anexo A se detallan algunos pasos genéricos a seguir en una simulación en interiores de este estilo. 5.2. Análisis de resultados de cobertura Los análisis realizados refutan la viabilidad, simpleza y efectividad que puede llegar a tener una red de comunicaciones en interiores usando cables radiantes. Si bien es cierto que existen numerosos factores que no se han tenido en cuenta (objetos que introduzcan atenuaciones dentro del túnel, el paso de dos trenes a la vez en direcciones opuestas, el efecto de la humedad, la diferencia de altura a la entrada y salida de las galerías, etc.), el estudio refleja con suficiente exactitud la realidad de un proyecto de estas características. Por otro lado, en los tramos de menor extensión, como son los tramos 1, 2 y 4, la cobertura se garantiza de forma satisfactoria mediante un único cable radiante, superando con holgura el umbral de cobertura exigido. No obstante, en el segmento de mayor longitud, se evidencia la necesidad de segmentar la infraestructura mediante inyecciones adicionales de señal, estratégicamente situadas en puntos clave como las estaciones de Puerta Jerez o San Bernardo. Estas inyecciones no representan más que la colocación de un nuevo elemento de cable radiante, respondiendo principalmente a las ventajas operativas que ofrece al aportar una mayor facilidad en las tareas de mantenimiento y una reducción del riesgo asociado a fallos en una infraestructura continua. 5. Análisis de Resultados 70 La simulación del comportamiento de la señal a lo largo del trazado muestra una atenuación coherente con los principios físicos de propagación asociados al cable radiante: pérdidas progresivas en los tramos rectilíneos y una mayor degradación en curvas cerradas. Gracias a la herramienta de análisis vectorial, ha sido posible identificar con precisión estas zonas críticas y validar el diseño propuesto, observándose una alineación precisa entre los picos de recuperación de señal y las ubicaciones previstas para las nuevas inyecciones de señal. Cabe recalcar de nuevo que, si bien se ha contemplado la opción de utilizar amplificadores activos como alternativa a la instalación de nuevos tramos de cable, finalmente se ha optado por priorizar soluciones basadas en elementos pasivos y redundantes. En entornos críticos como el ferroviario (y especialmente bajo los estrictos requerimientos de fiabilidad del sistema GSM-R), la incorporación de componentes activos puede introducir complejidad adicional, requerimientos de mantenimiento más exigentes y un mayor riesgo de interferencias. Aun así, existen amplificadores específicos para este tipo de aplicaciones, utilizados normalmente para casos concretos y proyectos ad-hoc. Asimismo, los análisis de mejor servidor y los mapas de solapamiento han resultado fundamentales para verificar el cumplimiento de los requisitos de handover. Dado que la simulación contempla desplazamientos a velocidades de hasta 70 km/h, se ha considerado necesario un solapamiento mínimo de 100 metros entre emisores consecutivos. Esta condición se cumple de forma generalizada, salvo en el caso puntual de Puerta Jerez, en donde se cumplen los requisitos mínimos de cobertura de forma más ajustada, pero no los márgenes de seguridad. Por último, se ha detectado una anomalía puntual en forma de pérdidas abruptas de señal al inicio de un tramo. Se plantea como hipótesis razonable que estas irregularidades puedan derivarse de errores en la conversión de archivos desde el formato .SHP a .VEC dentro del entorno de simulación. En cualquier caso, este aspecto, no condiciona de forma significativa los resultados arrojados por el proyecto. En conjunto, el estudio confirma que una solución basada en cables radiantes constituye una propuesta técnicamente robusta para garantizar la cobertura del sistema GSM-R en entornos subterráneos. El uso de herramientas de simulación avanzadas ha sido clave tanto en el proceso de diseño como en la validación del cumplimiento de los requisitos funcionales, sentando así las bases para futuras implementaciones operativas con un alto grado de confianza técnica. 71 71 Estudio y análisis de cobertura GSM-R en interiores usando cables radiantes