This doctoral thesis presents wireless communication alternatives for the railway industry. It focuses on signal propagation and the development of advanced technologies to improve the current railway systems. Different technologies are analysed to optimise railway communication, focusing on signalling and operational efficiency, with validations in real environments. The study includes new implementations to connect railway elements, extending traditional train-to-ground communication towards machine-to-train, train-to-train communication and GNSS applications. However, these developments face challenges of implementation, standardisation and spectrum regulation.
The thesis addresses the transition to more modern technologies such as FRMCS and the implementation of 5G, due to the obsolescence of the GSM-R system. This transition is part of an effort to modernise rail transport in the transition between GSM-R and FRMCS. In addition to the expansion of the railway infrastructure and the commitment to more sustainable and efficient transport.
The thesis is organised into chapters dealing with different communication proposals, starting from the state of the art describing the evolution of railway communication technologies.
In this context, firstly, a channel model for millimetre-band propagation in railway tunnels is presented. This analysis validates the feasibility of using 24 GHz signals through propagation modelling, measurements, ray-tracing simulations and a modal propagation model compared to a more accurate path loss model.
Then, the second proposal focuses on the characteristics of the links inside the train itself in Metro de Madrid’s metropolitan railways, characterising communication links inside the train, inside-outside and outside-outside links. For this purpose, the campaign of channel measurements carried out in the 2.6 GHz band for this type of link is shown. The results are useful for the design of these systems since they show empirical attenuation values in the different sub-environments typical of railways, such as tunnels, outdoor space and stations. In this same band, as a third proposal, train-to-train communications are evaluated, analysing the interference between trains and its impact on the narrowband signal when trains cross each other. The results show path loss models according to the environment and a broadband analysis with delay spread.
The fourth proposal establishes signalling communications in 4G and 5G networks based on MNOs for railway signalling. The results show that MNOs can provide the required quality of service in terms of physical and network layers and is therefore a candidate to be considered for the development of FRMCS.
Finally, the availability of GPS coverage along railway lines in difficult-to-access mountainous areas is analysed. The results show how GNSS signal reception varies according to the configurations used and that implementing systems is feasible, taking into account a series of indications to deal with the limitations of such a system.
In summary, this thesis explores multiple proposals to improve wireless communications in the railway domain, addressing both critical signalling and train communication applications and other operational applications. With these innovations, the rail industry can adopt new ways forward in a more advanced and resilient telecommunications infrastructure, capable of supporting modern, connected mobility that responds to the growing demands for transport efficiency.
RESUMEN
Esta tesis doctoral presenta propuestas de comunicaciones inalámbricas para la industria del ferrocarril, con énfasis en la propagación de señales y el desarrollo de tecnologías avanzadas para mejorar los actuales sistemas ferroviarios. Se analizan diferentes tecnologías para optimizar la comunicación ferroviaria, enfocándose en la señalización y la eficiencia operativa, con validaciones en entornos reales. El estudio incluye nuevas implementaciones para conectar los elementos ferroviarios, ampliando la comunicación tradicional de comunicaciones tren-tierra hacia comunicaciones de máquina, tren a tren y aplicaciones de geolocalización. Sin embargo, estos avances enfrentan desafíos de implantación, estandarización y regulación del espectro.
La tesis aborda la transición hacia tecnologías más modernas como el FRMCS y la implementación del 5G, debido a la obsolescencia del sistema GSM-R. Esta transición se enmarca en un esfuerzo para modernizar el transporte ferroviario en la transición entre el GSM-R y FRMCS. Además de la expansión de la infraestructura ferroviaria y la apuesta por un transporte más sostenible y eficiente.
La tesis se organiza en capítulos que abordan diferentes propuestas de comunicación, partiendo del estado del arte que describe la evolución de las tecnologías de comunicación ferroviaria.
En este contexto, en primer lugar, se presenta un modelo de canal para la propagación en bandas milimétricas dentro de túneles ferroviarios. Este análisis valida la viabilidad del uso de señales en 24 GHz a través de modelos de propagación, a través de mediciones, simulaciones de trazado de rayos y un modelo de propagación modal comparado con un modelo de pérdida de trayecto más preciso.
A continuación, la segunda propuesta se enfoca en las características de los enlaces dentro del propio tren en ferrocarriles metropolitanos de Metro de Madrid caracterizando enlaces de comunicación en el interior del tren, enlaces interior-exterior y exterior-exterior. Para ello, se muestra la campaña de medidas de canal realizadas en la banda de 2,6 GHz para este tipo de enlaces. Los resultados son útiles para hacer diseño de estos sistemas, dado que muestran valores de atenuación empíricos en los distintos subentornos propios de los ferrocarriles, tales como túneles, espacio exterior y estaciones. En esta misma banda, como tercera propuesta, se evalúan las comunicaciones tren a tren, analizando la interferencia entre trenes y su impacto en la señal de banda estrecha cuando se hacen cruce de trenes. Los resultados muestran modelos de pérdidas del camino según el entorno y un análisis de banda ancha con la dispersión de retardo.
La cuarta propuesta comprende el establecimiento de comunicaciones de señalización en redes 4G y 5G basadas en MNOs para la señalización ferroviaria. Los resultados demuestran que los MNO pueden proporcionar la calidad de servicio requerida en términos de las capas física y de red y que, por tanto, es un candidato a tener en cuenta de cara al desarrollo del FRMCS.
Por último, se analiza la disponibilidad de cobertura GPS a lo largo de las líneas ferroviarias en zonas montañosas de difícil acceso. Los resultados muestran cómo la recepción de señal GNSS varía según las configuraciones utilizadas y que la implementación de sistemas es viable, teniendo en cuenta una serie de indicaciones para lidiar con las limitaciones de un sistema de estas características.
En resumen, esta tesis explora múltiples propuestas para mejorar las comunicaciones inalámbricas en el ámbito ferroviario, abordando tanto la señalización crítica como las aplicaciones de comunicación para trenes y como otras aplicaciones operativas. Con estas innovaciones, la industria ferroviaria puede adoptar nuevas vías en una infraestructura de telecomunicaciones más avanzada y resiliente, capaz de soportar una movilidad moderna y conectada que responde a las crecientes demandas de eficiencia en el transporte.
This doctoral thesis presents wireless communication alternatives for the railway industry. It focuses on signal propagation and the development of advanced technologies to improve the current railway systems. Different technologies are analysed to optimise railway communication, focusing on signalling and operational efficiency, with validations in real environments. The study includes new implementations to connect railway elements, extending traditional train-to-ground communication towards machine-to-train, train-to-train communication and GNSS applications. However, these developments face challenges of implementation, standardisation and spectrum regulation.
The thesis addresses the transition to more modern technologies such as FRMCS and the implementation of 5G, due to the obsolescence of the GSM-R system. This transition is part of an effort to modernise rail transport in the transition between GSM-R and FRMCS. In addition to the expansion of the railway infrastructure and the commitment to more sustainable and efficient transport.
The thesis is organised into chapters dealing with different communication proposals, starting from the state of the art describing the evolution of railway communication technologies.
In this context, firstly, a channel model for millimetre-band propagation in railway tunnels is presented. This analysis validates the feasibility of using 24 GHz signals through propagation modelling, measurements, ray-tracing simulations and a modal propagation model compared to a more accurate path loss model.
Then, the second proposal focuses on the characteristics of the links inside the train itself in Metro de Madrid’s metropolitan railways, characterising communication links inside the train, inside-outside and outside-outside links. For this purpose, the campaign of channel measurements carried out in the 2.6 GHz band for this type of link is shown. The results are useful for the design of these systems since they show empirical attenuation values in the different sub-environments typical of railways, such as tunnels, outdoor space and stations. In this same band, as a third proposal, train-to-train communications are evaluated, analysing the interference between trains and its impact on the narrowband signal when trains cross each other. The results show path loss models according to the environment and a broadband analysis with delay spread.
The fourth proposal establishes signalling communications in 4G and 5G networks based on MNOs for railway signalling. The results show that MNOs can provide the required quality of service in terms of physical and network layers and is therefore a candidate to be considered for the development of FRMCS.
Finally, the availability of GPS coverage along railway lines in difficult-to-access mountainous areas is analysed. The results show how GNSS signal reception varies according to the configurations used and that implementing systems is feasible, taking into account a series of indications to deal with the limitations of such a system.
In summary, this thesis explores multiple proposals to improve wireless communications in the railway domain, addressing both critical signalling and train communication applications and other operational applications. With these innovations, the rail industry can adopt new ways forward in a more advanced and resilient telecommunications infrastructure, capable of supporting modern, connected mobility that responds to the growing demands for transport efficiency.
RESUMEN
Esta tesis doctoral presenta propuestas de comunicaciones inalámbricas para la industria del ferrocarril, con énfasis en la propagación de señales y el desarrollo de tecnologías avanzadas para mejorar los actuales sistemas ferroviarios. Se analizan diferentes tecnologías para optimizar la comunicación ferroviaria, enfocándose en la señalización y la eficiencia operativa, con validaciones en entornos reales. El estudio incluye nuevas implementaciones para conectar los elementos ferroviarios, ampliando la comunicación tradicional de comunicaciones tren-tierra hacia comunicaciones de máquina, tren a tren y aplicaciones de geolocalización. Sin embargo, estos avances enfrentan desafíos de implantación, estandarización y regulación del espectro.
La tesis aborda la transición hacia tecnologías más modernas como el FRMCS y la implementación del 5G, debido a la obsolescencia del sistema GSM-R. Esta transición se enmarca en un esfuerzo para modernizar el transporte ferroviario en la transición entre el GSM-R y FRMCS. Además de la expansión de la infraestructura ferroviaria y la apuesta por un transporte más sostenible y eficiente.
La tesis se organiza en capítulos que abordan diferentes propuestas de comunicación, partiendo del estado del arte que describe la evolución de las tecnologías de comunicación ferroviaria.
En este contexto, en primer lugar, se presenta un modelo de canal para la propagación en bandas milimétricas dentro de túneles ferroviarios. Este análisis valida la viabilidad del uso de señales en 24 GHz a través de modelos de propagación, a través de mediciones, simulaciones de trazado de rayos y un modelo de propagación modal comparado con un modelo de pérdida de trayecto más preciso.
A continuación, la segunda propuesta se enfoca en las características de los enlaces dentro del propio tren en ferrocarriles metropolitanos de Metro de Madrid caracterizando enlaces de comunicación en el interior del tren, enlaces interior-exterior y exterior-exterior. Para ello, se muestra la campaña de medidas de canal realizadas en la banda de 2,6 GHz para este tipo de enlaces. Los resultados son útiles para hacer diseño de estos sistemas, dado que muestran valores de atenuación empíricos en los distintos subentornos propios de los ferrocarriles, tales como túneles, espacio exterior y estaciones. En esta misma banda, como tercera propuesta, se evalúan las comunicaciones tren a tren, analizando la interferencia entre trenes y su impacto en la señal de banda estrecha cuando se hacen cruce de trenes. Los resultados muestran modelos de pérdidas del camino según el entorno y un análisis de banda ancha con la dispersión de retardo.
La cuarta propuesta comprende el establecimiento de comunicaciones de señalización en redes 4G y 5G basadas en MNOs para la señalización ferroviaria. Los resultados demuestran que los MNO pueden proporcionar la calidad de servicio requerida en términos de las capas física y de red y que, por tanto, es un candidato a tener en cuenta de cara al desarrollo del FRMCS.
Por último, se analiza la disponibilidad de cobertura GPS a lo largo de las líneas ferroviarias en zonas montañosas de difícil acceso. Los resultados muestran cómo la recepción de señal GNSS varía según las configuraciones utilizadas y que la implementación de sistemas es viable, teniendo en cuenta una serie de indicaciones para lidiar con las limitaciones de un sistema de estas características.
En resumen, esta tesis explora múltiples propuestas para mejorar las comunicaciones inalámbricas en el ámbito ferroviario, abordando tanto la señalización crítica como las aplicaciones de comunicación para trenes y como otras aplicaciones operativas. Con estas innovaciones, la industria ferroviaria puede adoptar nuevas vías en una infraestructura de telecomunicaciones más avanzada y resiliente, capaz de soportar una movilidad moderna y conectada que responde a las crecientes demandas de eficiencia en el transporte. Read More
