WZKz dK&/E 'Z K - Archivo Digital UPMoa.upm.es/56676/1/TFG_PATRICIA_FRATILESCU.pdf · rements are detailed and contrasted with the expected behaviour. For the system development,

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

PROYECTO FIN DE GRADO

TÍTULO: EVALUACIÓN Y MODELADO DE LAS COMUNICACIONES ENTRE VEHÍCULOS (V2V)

AUTOR: PATRICIA FRATILESCU

TITULACIÓN: SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

TUTOR: CÉSAR BRISO RODRÍGUEZ

DEPARTAMENTO: TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES

VºBº

Miembros del Tribunal Calificador: PRESIDENTE: INMACULADA ÁLVAREZ DE MON TUTOR: CÉSAR BRISO RODRÍGUEZ SECRETARIO: CARLOS CORTÉS ALCALÁ Fecha de lectura: 19 de julio de 2019

Calificación:

El Secretario,

Resumen

Evaluación y modelado de las comunicaciones entre vehículos (V2V)

El objetivo fundamental del proyecto es caracterizar el canal de propagación en un en-lace punto a punto, a partir de medidas realizadas en una red compuesta por dos vehículosconectados de manera inalámbrica: dos coches o dos trenes. El modelado del canal se va arealizar basándonos en la interpretación de los resultados obtenidos en varias campañas demedidas de propagación efectuadas en diferentes entornos, empleando distintas con�gura-ciones. A lo largo del documento, se introducen los fundamentos teóricos y el estado delarte de las comunicaciones entre vehículos, se especi�can los requisitos que se deben cum-plir, se describen los modelos de propagación en entorno vehicular, se detallan los cálculos,las pruebas y las medidas realizadas, y se contrastan los resultados obtenidos con el com-portamiento esperado.

Para la elaboración del sistema, se emplean dos dispositivos conectados de manerainalámbrica, cada uno de ellos instalado en un vehículo. De esta manera, se efectúa unatransmisión de datos mientras se conducen los vehículos en distintos escenarios y entor-nos, pudiendo observar los efectos del canal de propagación sobre la señal. Se ha optadopor la transmisión en ondas milimétricas con el propósito de comprobar su potencial co-mo tecnología para las comunicaciones entre vehículos. Los resultados de las medidas seintegran en una aplicación desarrollada en Matlab para la emulación del canal de propaga-ción en entorno vehicular. Esta aplicación permite reproducir el entorno de medida en ellaboratorio, facilitando, de esta manera, la realización de pruebas y medidas.

Actualmente, tanto los proyectos de investigación en el ámbito de las telecomunicacio-nes como la industria de automoción muestran una fuerte inclinación hacia el desplieguede los ITS (Intelligent Transport Systems o Sistemas de Transporte Inteligente). Dado quedicho despliegue supone un potencial riesgo para la seguridad vial, el análisis exhaustivodel comportamiento del canal es imprescindible. Sin embargo, las conclusiones obtenidasen estudios previamente publicados no son unánimes con respecto a la tecnología idóneapara la implementación de estos sistemas. Por este motivo, el proyecto propone el estudio, ladescripción y el modelado del canal de propagación, aplicando la tecnología basada en on-das milimétricas, como parte fundamental de los sistemas de comunicaciones vehiculares.A partir de las medidas efectuadas, se obtienen resultados relevantes, aprovechables en laestimación del canal de propagación. Los resultados del proyecto se han avalado con la pu-blicación en una prestigiosa revista del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineerso Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) de un artículo enfocado en la caracteriza-ción de las pérdidas por propagación en entorno ferroviario.

Por lo tanto, podemos concluir que se han cumplido todos los objetivos iniciales delproyecto, realizando un trabajo de ingeniería que incluye la realización de medidas y elmodelado matemático de la propagación en comunicaciones entre vehículos.

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Abstract

Measurement and modelling for vehicle to vehicle (V2V) communications

The main purpose of the project is to characterize the propagation channel in a point-to-point link, from measurements performed in a network consisting of two wirelessly con-nected vehicles: two cars or two trains. Channel modelling will be performed based on theinterpretation of the results obtained by processing various measurement campaigns per-formed in di�erent environments, using various con�gurations. Throughout the document,the theoretical principles and the state-of-the-art of the communications between vehiclesare introduced, the requirements that have to be ful�lled are indicated, the propagationmodel in the vehicular environment is described, the calculations, the tests and the measu-rements are detailed and contrasted with the expected behaviour.

For the system development, two wirelessly connected devices are used, each one ofthem installed in a vehicle. In this way, data transmission is performed while the vehiclesare driven in di�erent scenarios and environments, being able to observe the e�ects of thepropagation channel on the signal. The transmission in millimeter waves was chosen withthe purpose of verifying its potential as a communication technology between vehicles.The measurement results are integrated into an application developed in Matlab for theemulation of the propagation channel in the vehicular environment. This software allowsthe measurement environment to be emulated in the laboratory, making it easier to carryout tests and measurements.

Currently, both the investigation projects in the �eld of telecommunications and theautomotive industry show a strong interest in the deployment of ITS (Intelligent TransportSystems). Since the deployment implies a potential risk to road safety, a thorough analysisof the channel behaviour is necessary. Nevertheless, the conclusions obtained in previouslypublished studies are not unanimous regarding the ideal technology for the implementationof these systems. For this reason, the thesis proposes the study, description and modellingof the propagation channel as a fundamental part of the vehicular communication systems.From the conducted measurements, relevant and valid results for the channel estimate areobtained. The project results were substantiated by a published article on path loss cha-racterization in the railway environment in a prestigious IEEE (Institute of Electrical andElectronics Engineers) magazine.

In conclusion, all the initial aims of the project are ful�lled, completing an engineeringproject, which includes signal propagation measurements and mathematical modelling invehicular communications.

iii

iv

Índice general

Resumen i

Abstract iii

Índice de �guras vii

Índice de tablas ix

Lista de acrónimos xi

1. Introducción 1

1.1. Sistemas de transporte inteligente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Estructura de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Estado del arte 3

2.1. De�nición y clasi�cación de las comunicaciones vehiculares . . . . . . . . 32.1.1. De�nición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.2. Clasi�cación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.1. Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.2. Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.3. Entorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.1. Clasi�cación de las aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.2. Acoplamiento virtual entre camiones . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.3. Acoplamiento virtual entre trenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4. Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.1. Latencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.2. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.3. Fiabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3. Marco tecnológico 17

3.1. Estándares, protocolos y tecnologías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1.1. Clasi�cación de las tecnologías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.1.2. Principales tecnologías en comunicaciones vehiculares . . . . . . . 18

3.2. Estudio del canal de propagación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.2.1. De�nición y parámetros de los modelos de propagación . . . . . . 223.2.2. Modelos existentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

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3.3. Transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4. Implementación del sistema, casos de prueba y medidas 35

4.1. Especi�caciones y restricciones de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2. Medidas V2V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2.1. Realización de las pruebas para la comunicación V2V . . . . . . . . 404.2.2. Interpretación de los resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3. Medidas T2T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.3.1. Realización de las pruebas para la comunicación T2T . . . . . . . . 534.3.2. Interpretación de los resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.4. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5. Desarrollo del sistema emulador 63

5.1. Descripción del emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.2. Elementos hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6. Presupuesto 73

7. Conclusiones y trabajos futuros 75

7.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757.2. Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Referencias 77

Anexos 85

A. Hoja de datos - Wireless Wire MikroTik 87

B. Código Matlab - Modelo de pérdidas 91

C. Fragmentos de código en Matlab - Emulador 95

D. Publicación 101

vi

Índice de �guras

2.1. Sistema de transporte inteligente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Comunicaciones V2V y V2I en entorno vehicular . . . . . . . . . . . . . . 52.3. Desplazamiento Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4. Desplazamiento Doppler en multitrayecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5. Ventajas del Platooning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.6. Comunicación T2X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.7. Los requisitos del sistema en función de la aplicación . . . . . . . . . . . . 14

3.1. WAVE/DSRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.2. Comunicación V2X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3. Escenario de propagación NLoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4. Efectos del canal sobre la señal propagada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.5. Formato del segmento TCP (a) y del datagrama UDP (b) . . . . . . . . . . . 32

4.1. Con�guración kit Wireless Wire MikroTik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.2. Transmisión de datos aleatorios TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.3. Transmisión y recepción de datos aleatorios TCP . . . . . . . . . . . . . . 384.4. Esquema del montaje para las medidas de la comunicación V2V . . . . . . 404.5. Montaje del dispositivo Wireless Wire en el transmisor . . . . . . . . . . . 414.6. Con�guración del software de grabación y distribución de vídeo (Yawcam) 424.7. Trayecto - Primera medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.8. Mapas para el cálculo del alcancE en GPS Track - Primera medida . . . . . 434.9. Mapas para el cálculo del alcance en Google Earth - Primera medida . . . . 444.10. Trayecto en Geo Tracker - Segunda medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.11. Trayecto en Google Earth - Segunda medida . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.12. Instantánea del vídeo recibido en el instante de la pérdida de conexión . . 464.13. Trayecto - Tercera medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.14. Jperf - Con�guración del servidor para la transmisión UDP . . . . . . . . . 474.15. Jperf - Resultados mostrados por el cliente durante la transmisión . . . . . 474.16. Informe de la transmisión de paquetes UDP en comunicación V2V en el cliente 484.17. Informe de la transmisión de paquetes UDP en comunicación V2V en el

servidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.18. Trayecto - Cuarta medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.19. Estadísticas del trayecto - Cuarta medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.20. Cuarta medida - Establecimiento de conexión entre los vehículos . . . . . . 504.21. Instantánea del vídeo transmitido en la curva . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.22. Instantánea del vídeo recibido en la curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.23. Cuarta medida - RTT Transmisión de vídeo . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

vii

4.24. RTT de los paquetes TCP para la transmisión de vídeo en el interior del tren 534.25. RTT de los paquetes TCP para la transmisión de vídeo en el exterior del

tren: grá�ca completa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.26. RTT de los paquetes TCP para la transmisión de vídeo en el exterior del

tren: grá�ca ampliada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.27. Jperf - Con�guración del cliente para la transmisión UDP . . . . . . . . . 554.28. Informe de la transmisión de paquetes UDP en comunicación T2T . . . . . 564.29. Potencia recibida en túnel recto a 5700 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.30. Pérdidas por propagación en túnel recto a 5700 MHz . . . . . . . . . . . . 58

5.1. Interfaz del emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.2. Diagrama de estados del emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.3. Ejemplo de funcionamiento del emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.4. Atenuador variable de 4 canales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.5. Esquema del modulador Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.6. Diagrama de bloques con los componentes hardware del emulador . . . . . 705.7. Integración de los componentes hardware en el sistema . . . . . . . . . . . 71

viii

Índice de tablas

2.1. Requisitos de latencia para V2V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2. Requisitos de latencia para platooning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1. Bandas de frecuencias para DSRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2. DSRC vs LTE-V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3. Valores para el exponente de pérdidas n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4. UDP vs TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5. Asignación de puertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1. Características del kit Wireless Wire MikroTik . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2. Características del estándar WiFi 802.11ad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3. Resumen de los resultados de las medidas V2V . . . . . . . . . . . . . . . . 524.4. Resumen de los resultados de las medidas T2T . . . . . . . . . . . . . . . . 594.5. Parámetros del modelo de pérdidas por propagación . . . . . . . . . . . . . 60

5.1. Enlaces del sistema emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.2. Ejemplo de con�guración del emulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.3. Características del atenuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.1. Presupuesto del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

ix

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Lista de acrónimos

3GPP 3rd Generation Partnership Project o Proyecto Asociación de TerceraGeneración

BPSK Binary Phase Shift Keying

BS Base Station

C-V2X Cellular - Vehicle to Everything

CSMA Carrier-Sense Multiple Access o Acceso Múltiple con Escucha de SeñalPortadora

DoS Denial of Service o Denegación de Servicio

DSRC Dedicated Short Range Communication o Comunicación Dedicada deCorto Alcance

ECC Electronic Communications Committee o Comité de ComunicacionesElectrónicas

EHF Extremely High Frequency o Frecuencia Extremadamente Alta

ERTMS European Railway Tra�c Management System o Sistema Europeo deGestión del Trá�co Ferroviario

ETCS European Train Control System o Sistema Europeo de Control de Trenes

FCC Federal Communications Commission o Comisión Federal deComunicaciones

GPS Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global

GSM-R Global System for Mobile Communications - Railway o Sistema Globalde Comunicaciones Móviles para Ferrocarriles

IANA Internet Assigned Numbers Authority o Autoridad de NúmerosAsignados en Internet

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers o Instituto de IngenieríaEléctrica y Electrónica

IP Internet Protocol

ITS Intelligent Transport Systems o Sistemas de Transporte Inteligente

xi

LOS Line-of-Sight o Línea de visión

LTE Long Term Evolution

LTE-V Long Term Evolution - Vehicular

MAC Media Access Control o Control de Acceso al Medio

MANET Mobile Ad-hoc Network o redes móviles ad-hoc

MCS (Modulation and Coding Schemes o Sistema de Modulación yCodi�cación)

MEMA Motor & Equipment Manufacturers Association

MJPEG Motion Joint Photographic Experts Group

MS Mobile Station

NLOS Non-Line-of-Sight o Sin línea de visión

OBE On-Board Equipment

OBU On-Board Unit

OSI Open System Interconnection

PDU Protocol Data Unit o unidad de datos de protocolo

PIRE Potencia Isotrópica Radiada Equivalente

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RBC Radio Block Centre

RMS Root Mean Square o Valor Cuadrático Medio

RSE Road-Side Equipment

RSU Road-Side Unit

RTT Round-Trip Time o tiempo de ida y vuelta

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access o Acceso Múltiple porDivisión de Frecuencia de Portadora Única

T2G Train to Ground o Tren a Tierra

T2T Train to Train o Tren a Tren

T2X Train to Everything o Tren a Todo

TCP Transmission Control Protocol o Protocolo de Control de Datos

xii

TETRA Trans European Trunked RAdio

TIC Tecnologías de la Información y las Comunicaciones

UDP User Datagram Protocol o Protocolo Universal de Datos

UE User Equipment

URL Uniform Resource Locator o Localizador Uniforme de Recursos

UWB Ultra Wide-Band o Banda Ultra Ancha

V2I Vehicle to Infrastructure o Vehículo a Infraestructura

V2V Vehicle to Vehicle o Vehículo a Vehículo

V2X Vehicle to Everything o Vehículo a Todo

VANET Vehicular Ad-hoc Network o redes vehiculares ad-hoc

WAVE Wireless Access in Vehicular Environment o Acceso Inalámbrico enEntorno Vehicular

WiFi Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network o Red de Área Local Inalámbrica

WSV2X Wide-Sense Vehicle to Everything

xiii

xiv

Capítulo 1

Introducción

1.1. Sistemas de transporte inteligente

La conectividad global representa una de las aspiraciones fundamentales en el ámbitode las telecomunicaciones. Una de las tendencias actuales es la integración de las TIC (Tec-nologías de la Información y las Comunicaciones) con las infraestructuras de transporte,que da lugar a los ITS. Estas aplicaciones avanzadas tienen como propósito garantizar laseguridad vial, aumentar la e�ciencia del transporte, facilitar la gestión del trá�co y dis-minuir la contaminación atmosférica, mejorando, además, la experiencia de conducción.Estos bene�cios se pueden obtener empleando dispositivos que permitan la comunicacióninalámbrica entre los elementos que conforman el entorno vehicular (trenes, vías, coches,carreteras, semáforos, peatones etc.).

La diversidad y la densidad de estos elementos implican, por una parte, el intercambiomasivo de datos entre los dispositivos, que da lugar a una carga computacional difícilmentemanejable y, por otra parte, la transmisión de una multitud de señales que se propagan enun entorno con características inestables.

Por lo tanto, para la implementación de estos sistemas se necesita estudiar detenidamen-te el canal de propagación. El entorno vehicular es un entorno particularmente complejo,caracterizado por alta variabilidad, movilidad y densidad de objetos, tanto estáticos (árbo-les, edi�cios) como dinámicos (peatones, vehículos). Estos objetos actúan sobre las señales,dando lugar a re�exiones, difracciones, dispersiones, desvanecimientos y multitrayecto. Lain�uencia de estos elementos en la transmisión de la señal se estima mediante fórmulas ymodelos matemáticos de propagación. Sin embargo, dada la complejidad del canal, dichosmodelos representan aproximaciones del comportamiento de las señales, siendo necesariosestudios empíricos, particularizados en función de las características del medio.

Los modelos empíricos están basados en la realización de medidas de propagación yen la interpretación de los resultados. Por un lado, la transmisión de la señal se realizaempleando equipos de radiofrecuencia, que intercambian datos de manera inalámbrica. Porotro lado, en recepción, se extraen las características de la señal y se obtienen grá�camentelos parámetros experimentales de las expresiones matemáticas correspondientes al modeloaplicado.

Tomando en consideración los aspectos enunciados, se justi�ca la necesidad de modelarel canal de propagación. Con este �n, se ha elegido estudiar la propagación en el entorno

vehicular y ferroviario, a una frecuencia de portadora de 60 GHz, correspondiente alas ondas milimétricas, empleando una red formada por dos vehículos. La transmisión

1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

de datos se realiza en distintos escenarios típicos y se analiza a partir de los paquetes dedatos recibidos. Se pretende obtener una estimación del comportamiento del canal de pro-pagación que se pueda integrar posteriormente en un emulador de comunicaciones entrevehículos. Asimismo, se realiza una comparación grá�ca entre las pérdidas por propagaciónmedidas y los valores teóricos esperados, obtenidos a partir de los modelos de propagaciónextensivamente aplicados en el entorno vehicular.

Por consiguiente, el proyecto tiene como objetivo modelar el canal de propagación delas señales transmitidas entre dos coches y entre dos trenes, en el entorno vehicular y fe-rroviario, respectivamente. A partir de los resultados obtenidos, se extraen los parámetrosnecesarios para la aplicación de un modelo de propagación empírico y se incorporan en unsoftware emulador para comunicaciones entre vehículos.

1.2. Estructura de la memoria

El documento se estructura en los siguientes capítulos:

Capítulo 2. Estado del arte

Primeramente, se ofrece una visión general sobre las comunicaciones entre vehículos.El capítulo se divide en varias secciones correspondientes a la de�nición y clasi�cación

de la comunicación en entorno vehicular y ferroviario, a sus principales características, alas potenciales aplicaciones de seguridad, e�ciencia y confort, y a los requisitos operaciona-les y funcionales del sistema, que conllevan el uso de estándares, protocolos y tecnologíasespecí�cas.

Capítulo 3. Marco tecnológico

En la primera sección, se describen los estándares, protocolos y tecnologías aplicablesa la comunicación entre vehículos.

En la segunda parte del capítulo se exponen de manera pormenorizada los modelosempleados en la caracterización del canal de propagación en entorno vehicular.

La última sección está dedicada a la transmisión de datos a nivel de protocolos de trans-porte, que se emplearán en la realización de las medidas.

Capítulo 4. Implementación del sistema, casos de prueba y medidas

Seguidamente, se detalla la campaña de medidas realizada tanto para la comunicaciónentre coches como entre trenes y se examinan grá�camente los resultados.

Capítulo 5. Desarrollo del sistema emulador

A continuación, se explica el funcionamiento del emulador desarrollado en Matlab parala aproximación del canal de propagación a partir de los resultados obtenidos. Adicional-mente, se mencionan las componentes hardware del emulador.

Capítulo 6. Presupuesto

Se especi�ca el presupuesto necesario para llevar a cabo el proyecto.Capítulo 7. Conclusiones y trabajos futuros

Se completa el proyecto con las conclusiones extraídas y las líneas futuras de desarrollo.Por último, se enumeran las referencias bibliográ�cas utilizadas en el desarrollo del

proyecto y en la redacción de la memoria y se añaden los anexos.

2

Capítulo 2

Estado del arte

En la última década, el desarrollo de los sistemas ITS y de las comunicaciones entrevehículos ha aumentado considerablemente.

Hasta ahora, el funcionamiento de los sistemas de control de vehículos (de automóviles,ferrocarriles, aviones o barcos) se ha basado en el empleo de sistemas centralizados. Sinembargo, dado el fuerte crecimiento de los medios de transporte, la tendencia actual esel empleo de sistemas de control de trá�co descentralizados, utilizados en la comunicacióndirecta entre vehículos. Estos sistemas de control tienen mucha mayor capacidad y menoreslatencias, permitiendo, por tanto, afrontar los desafíos que origina el progreso continuo delos medios de transporte.

Los principales puntos en los que se centra la investigación de las comunicaciones entrevehículos son:

⋄ La de�nición y la clasi�cación de las comunicaciones vehiculares

⋄ Las principales características

⋄ Las potenciales aplicaciones

⋄ Los requisitos del sistema

2.1. De�nición y clasi�cación de las comunicaciones vehi-

culares

2.1.1. De�nición

La comunicación en el entorno vehicular se puede de�nir como el intercambio de in-formación relevante (por ejemplo, datos de velocidad y posición), entre vehículos o entreinfraestructura y vehículos, conectados de manera inalámbrica.

Dicha conexión se realiza a través de las VANET (Vehicular Ad-hoc Network o redesvehiculares ad-hoc) [1]. Este tipo de redes emergentes están basadas en la tecnología MA-NET (Mobile Ad-hoc Network o redes móviles ad-hoc), con la particularidad de que losvehículos no circulan de manera completamente aleatoria, como los nodos dentro de unaMANET, sino que su recorrido queda limitado por las carreteras y calles dedicadas a laconducción [2]. Por consiguiente, el propósito de las VANET es el establecimiento y mante-nimiento de una comunicación temporal, descentralizada (sin involucrar una estación base)

3

CAPÍTULO 2. ESTADO DEL ARTE

entre dos vehículos o entre un vehículo y la parte de infraestructura, cada uno de ellos repre-sentando uno de los nodos autocon�gurables que forman la red en un sistema de transporteinteligente, según muestra esquemáticamente la Figura 2.1.

Figura 2.1: Sistema de transporte inteligente

2.1.2. Clasi�cación

Estos sistemas se pueden clasi�car de la siguiente manera: la denominación genéricaWSV2X (Wide-Sense Vehicle to Everything) engloba los siguientes tipos y subtipos de co-municación [3]:

⋄ Comunicación V2X (Vehicle to Everything o Vehículo a Todo):

∙ Comunicación V2I (Vehicle to Infrastructure o Vehículo a Infraestructura)∙ Comunicación V2V (Vehicle to Vehicle o Vehículo a Vehículo)

⋄ Comunicación T2X (Train to Everything o Tren a Todo):

∙ Comunicación T2G (Vehicle to Ground o Tren a Tierra)∙ Comunicación T2T (Train to Train o Tren a Tren)

4

2.1. De�nición y clasi�cación de las comunicaciones vehiculares

Comunicación V2X

El concepto de comunicación V2X engloba un conjunto de elementos ampliamente co-nocidos y utilizados en la actualidad y trata de vincularlos de tal forma que, tanto el go-bierno como los fabricantes de automóviles, los operadores de telefonía, los ingenieros detelecomunicación, la infraestructura, los vehículos y sus conductores cooperen para alcan-zar mejoras signi�cativas en cuanto a e�ciencia, seguridad y experiencia de conducción.

No obstante, los bene�cios de la comunicación vehicular conllevan retos considerables,dadas las particularidades de la red en entorno vehicular.

En primer lugar, para hacer frente a estos desafíos, el diseño de las redes de comunica-ciones vehiculares debe estar basado en estudios previos exhaustivos, en la caracterizacióndel canal de propagación y en simulaciones completas que incluyan una diversidad de es-cenarios y potenciales situaciones.

Aunque en la literatura se puede encontrar una multitud de artículos, revistas y librosdedicados a este tema, las conclusiones de los autores en relación con la tecnología idónea,el comportamiento del canal en distintos entornos o el modelo de propagación ajustable ala comunicación no coinciden. Adicionalmente, las decisiones de los fabricantes de auto-móviles se encuentran actualmente en discrepancia, ya que algunos optaron por suspenderel despliegue de coches equipados con tecnología adaptada a la comunicación V2X [4]. Enla Figura 2.2 se muestra un escenario de comunicación V2V (entre los dos vehículos pre-sentes) y V2I (entre los vehículos y los elementos de infraestructura, como son los edi�cios,el aviso de aparcamiento o el semáforo).

Figura 2.2: Comunicaciones V2V y V2I en entorno vehicular

Por lo tanto, el despliegue de las comunicaciones vehiculares depende, sobretodo, de lasdecisiones gubernamentales de cada estado, de las estrategias del mercado automovilísticoy de los estudios llevados a cabo para concretar las especi�caciones de diseño que mejor seajusten a los requisitos de los sistemas vehiculares.

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Comunicación T2X

Desde el punto de vista de la conectividad, el ámbito ferroviario se encuentra en con-tinuo desarrollo; la modernización del transporte público conlleva un incremento de ladensidad de usuarios y de mercancías transportadas, lo que implica medidas de seguri-dad adicionales y necesidad de mejorar la e�ciencia y la capacidad vial. Estas necesidadesabren camino a proyectos de industria y de investigación relacionados con la comunicacióninalámbrica entre trenes (T2T) o entre tren y estación base (T2G).

Para alcanzar los objetivos de seguridad y e�ciencia, se necesita crear una red capaz degestionar una cantidad de datos relativamente alta, de manera �able, en la que los nodosestán representados por los trenes y por los elementos de infraestructura con los que secomunican.

En lo que concierne a la comunicación ferroviaria, existen, por una parte, analogías conel caso de los vehículos y, por otra parte, diferencias signi�cativas en cuanto a:

⋄ Velocidad relativa entre los trenes o entre tren e infraestructura (los trenes de altavelocidad alcanzan velocidades de hasta 350 km/h);

⋄ Capacidad de frenado reducida debido a la fricción baja entre las ruedas del tren ylas vías;

⋄ Dimensión, estructura y aspecto del tren, distintas a las del coche;

⋄ Trá�co limitado, por lo tanto, situación habitual de propagación con visión di-

recta;

⋄ Escenarios especí�cos, como túneles, viaductos o estaciones;

⋄ Trayectoria prede�nida;

⋄ Imposibilidad de evitar obstáculos.

Los aspectos enumerados diferencian el canal de propagación en entorno ferroviario delcanal en entorno vehicular y, por lo tanto, cada uno requiere una caracterización especí�ca.

A diferencia de las comunicaciones entre vehículos, en el caso del modelado de la propa-gación en entorno ferroviario, los estudios están principalmente enfocados en los sistemasT2G y no en la comunicación T2T. Una de las tecnologías más utilizadas es GSM-R (GlobalSystem for Mobile Communications - Railway o Sistema Global de Comunicaciones Móvilespara Ferrocarriles), basada en telefonía GSM, pero adaptada al entorno ferrocarril. Por otraparte, la tecnología TETRA (Trans European Trunked RAdio) presenta gran difusión entrelos sistemas empleados, siendo un estándar de radio digital y móvil restringido a un nú-mero limitado de usuarios. Ambos sistemas están destinados a operaciones ferroviarias ypresentan respectivas ventajas e inconvenientes. Mientras que algunos autores muestranuna inclinación hacia el uso de GSM-R [5], otros resaltan las indudables ventajas de la tec-nología competitiva, TETRA [6] y otros consideran que la tecnología óptima depende delas características y los requisitos de la red [7].

Otras tecnologías propuestas para habilitar la comunicación bidireccional T2T o T2Gson: Wi� (Wireless Fidelity), LTE (Long Term Evolution) y ondas milimétricas (mmWave).Los aspectos que se deben tomar en cuenta al seleccionar una determinada tecnología estánrelacionados con los requisitos de los sistemas de comunicación ferroviarios: no pueden

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2.2. Características

depender de los operadores de telefonía (lo que sitúa en desventaja a la tecnología LTE),deben proporcionar una comunicación �able, en tiempo real, con una velocidad de datossu�cientemente alta para cada tipo de aplicación (máxima velocidad para aplicaciones deseguridad y "mejor esfuerzo" para otro tipo de aplicaciones) [8].

Por lo tanto, la elección de una de estas tecnologías depende de las características delsistema, especí�cas para cada tipo de aplicación: servicios de monitorización del estadodel tren (seguridad), funciones enfocadas a la asistencia del maquinista en la conducción(e�ciencia) o aplicaciones para usuarios (información y entretenimiento).


Las VANET otorgan indudables ventajas en cuanto a monitorización, e�ciencia y seguri-dad vial, establecimiento rápido de conexión, inmunidad frente a los problemas de recursosenergéticos y dimensión ilimitada de la red [9]. Sin embargo, el comportamiento dinámicodel medio, los frecuentes cambios topológicos, las conexiones y desconexiones frecuentesy los problemas de seguridad suponen desafíos importantes en el desarrollo de las VANET[10], [11].

2.2.1. Frecuencia

Una de las principales características de las comunicaciones V2X es la banda de fre-

cuencias de trabajo. Según la decisión (ECC/ DEC/ (08)01) y la recomendación (ECC/REC/(08)01) publicadas por ECC (Electronic Communications Committee o Comité de Co-municaciones Electrónicas) en el año 2008, se ha asignado espectro para los sistemas detransporte inteligente en la banda de frecuencias de 5,9 GHz (5855 MHz - 5925 MHz), enlos Estados Unidos. Asimismo, en la Unión Europea, la decisión 2008/671/CE de la Comi-sión establece el uso de la banda de frecuencias comprendidas entre 5875 MHz y 5905 MHzpara las aplicaciones de seguridad de los ITS [12]. Además de la banda de 5,9 GHz, se hanempleado las siguientes frecuencias en campañas de medidas para el estudio del canal depropagación: 700 MHz (banda de frecuencia asignada a los ITS en Japón) [13], 900 MHz(Estados Unidos) [14], 2,4 GHz [15], 3,5 GHz [16] y 60 GHz [17].

Evidentemente, el comportamiento del canal varía con la frecuencia. Las bandas UHF(Ultra High Frequency): 0,3 - 3 GHz y SHF (Super High Frequency): 3 - 30 GHz presentancaracterísticas adecuadas para los sistemas inalámbricos, debido al comportamiento quepresenta la señal a dichas frecuencias y al tamaño relativamente reducido de las antenas[18].

No obstante, en términos de longitud de onda, la señal se ve afectada si entre el trans-misor y el receptor intercepta una obstrucción de dimensión superior a la longitud de onda(aproximadamente 5 cm, para la frecuencia de 5,9 GHz). Adicionalmente, las señales confrecuencia de portadora en la banda de SHF presentan di�cultades atravesando edi�cios oterreno rugoso [19]. Otro elemento de la comunicación que se ve desfavorecido por las fre-cuencias utilizadas es la antena. Dada la imposibilidad de colocar la antena en el techo de losvehículos altos, como los camiones, se necesitan dos antenas: una delante y otra atrás parapermitir la comunicación en ambos sentidos. En el caso de los automóviles, la curvatura deltecho di�culta también el posicionamiento de la antena [12]. En conjunto, en el diseño delos ITS se deben aprovechar las ventajas de las frecuencias utilizadas en las comunicacionesinalámbricas y combatir los aspectos desfavorables.

7


2.2.2. Velocidad

Un segundo parámetro a tener en cuenta en la caracterización del canal de propagaciónes la velocidad relativa entre los nodos de la comunicación. Se calcula como la resta entrela velocidad del transmisor y la del receptor, si estos tienen el mismo sentido de desplaza-miento, o como la suma de sus velocidades, cuando circulan en sentidos opuestos.

El movimiento relativo entre el sistema transmisor y el sistema receptor resulta en cam-bios sobre la frecuencia percibida en recepción. Este efecto se denomina desplazamiento

Doppler y afecta de manera distinta a cada una de las componentes multitrayecto quellegan al receptor.

El valor del desplazamiento Doppler se calcula a partir de la Expresión 2.1:

fd =vrcfc cos(�n) Hz, (2.1)

donde vr es la velocidad relativa entre los dos vehículos (en m/s), c es la velocidad de la luz(∼ 3⋅108 m/s), fc es la frecuencia portadora de la señal transmitida (en Hz) y �n representa elángulo entre la componente de multitrayecto (rayo rojo) y la dirección de desplazamiento,que, en la Figura 2.4, coincide con la componente de visión directa (rayo verde).

El valor máximo del desplazamiento Doppler se obtiene para el ángulo � = 0◦ (rayodirecto). Dando valores a los parámetros de la Expresión 2.1 se representa en la grá�ca dela Figura 2.3 la frecuencia Doppler máxima (en kHz) en función de la velocidad relativaentre dos vehículos (en km/h), para distintas frecuencias de portadora, comprendidas en lasbandas de SHF y EHF (Extremely High Frequency o Frecuencia Extremadamente Alta).

DesplazamientoDoppler(kHz)

Desplazamiento Doppler

Figura 2.3: Desplazamiento Doppler

Se observa que, al incrementar la frecuencia de trabajo aumenta el módulo del despla-zamiento Doppler máximo; tomando como ejemplo los valores extremos de la grá�ca, parauna velocidad relativa de 100 km/h y una frecuencia de portadora de 3 GHz se obtiene undesplazamiento Doppler máximo de 278 Hz, mientras que para el valor máximo de porta-dora representado, 100 GHz, el desplazamiento Doppler se aproxima a 9,3 kHz. Asimismo,un incremento del módulo de la velocidad relativa implica valores superiores del módulodel desplazamiento Doppler.

Por lo tanto, considerando el escenario de la Figura 2.4 y añadiendo los valores dedesplazamiento Doppler de la Figura 2.3 a la frecuencia central de trabajo, se obtiene la

8


frecuencia de la señal captada por el receptor por propagación directa (� = 0◦). Sin embar-go, aparte del rayo directo, existen varias componentes de multitrayecto. Estas se propaganpor el canal y, debido a re�exiones y difracciones, llegan al receptor con ángulos de inciden-cia, amplitudes, fases y frecuencias distintas de la componente directa, pudiendo producircancelaciones o incrementos de la potencia recibida, que provocan importantes variacionesen el espectro de la señal.

Figura 2.4: Desplazamiento Doppler en multitrayecto

2.2.3. Entorno

Otro aspecto fundamental en las comunicaciones entre vehículos es el entorno o tipo

de escenario. Los principales tipos son [20]: urbano, suburbano, rural y autovía. Losparámetros que de�nen la transmisión de la señal presentan distintos valores en función delescenario considerado. En el caso de los sistemas T2X, los escenarios típicamente estudiadosson: paso por estación, por túnel o por viaducto. Por otra parte, las situaciones particu-lares, como son, por ejemplo, los cruces, los giros o las intersecciones viales, se debenexaminar minuciosamente, dado que el comportamiento del canal es menos predecible.

En paralelo a esta clasi�cación del entorno de la comunicación, los siguientes escenariosdividen la transmisión en dos tipos: con visión directa (LoS Line-of-Sight) y sin visión

directa (NLoS Non-Line-of-Sight). El primero se corresponde con la distribución Rician,mientras que el segundo viene de�nido por la distribución Rayleigh [21]. Dado que re-presentan características del canal de propagación, estos modelos se detallan en el tercercapítulo.

En las comunicaciones entre vehículos, el canal de propagación varía en tiempo y enfrecuencia y los coches circulan en entornos dinámicos, con velocidad variable [22]. Por lotanto se encontrarán ambos escenarios: transmisión con y sin visión directa, que se debenestudiar por separado, obteniendo, en cada caso, distintos parámetros para el modelo delcanal.

9


2.3. Aplicaciones

El interés creciente para los vehículos conectados reside en la multitud de potencialesaplicaciones de estos sistemas, que cambiarán considerablemente la experiencia de condu-cir.

2.3.1. Clasi�cación de las aplicaciones

Las aplicaciones se pueden dividir en las siguientes categorías y sub-categorías [23],[24], [25]:

⋄ Seguridad vial

∙ Prevención de colisiones:⋅ Aviso de colisiones en intersecciones⋅ Aviso precolisión⋅ Aviso de cambio de línea⋅ Alarma de ubicación peligrosa⋅ Aviso peatón

∙ Noti�cación de señales de tránsito:⋅ Aviso de velocidad en curva⋅ Aviso de violación de señal de tránsito

∙ Gestión de incidentes:⋅ Alarma de vehículo de emergencia⋅ Aviso postcolisión

⋄ E�ciencia del trá�co

∙ Gestión del trá�co:⋅ Control inteligente del trá�co⋅ Peajes libres de trá�co⋅ Control de velocidad⋅ Guía de ruta y navegación mejorada⋅ Aviso de obras

∙ Monitorización del trá�co:⋅ Monitor de condiciones viales⋅ Agente de seguimiento y localización vehicular

⋄ Servicios de valor añadido (comerciales y de información)

∙ Entretenimiento∙ Pago de aparcamiento∙ Información del contexto:

⋅ Actualización y descarga de mapas

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2.3. Aplicaciones

⋅ Localización y reserva de estacionamiento⋅ Información sobre sitios de interés

⋄ Aplicaciones avanzadas

∙ Acoplamiento virtual (Platooning)∙ Conducción avanzada∙ Sensores extendidos∙ Conducción remota

En términos generales, las aplicaciones de seguridad tienen el objetivo de solven-tar los graves problemas de colisiones de trá�co. Según la Organización Mundial de Salud,anualmente se producen alrededor de 1,35 millones de fallecimientos debidos a accidentesde tránsito [26]. Las aplicaciones de seguridad en las comunicaciones V2X pueden contri-buir considerablemente al cumplimiento de la meta que se propone para el año 2020, dereducir este valor a la mitad.

Las aplicaciones de e�ciencia tienen el potencial de evitar la congestión del trá�co,enviando avisos entre vehículos o entre infraestructura y vehículos sobre las condicionesdel entorno en el que están circulando.

La tercera categoría - las aplicaciones de entretenimiento e información - mejoranla experiencia del conductor, enviándole información relevante sobre comercios cercanos(gasolineras, hoteles, restaurantes) o permitiéndole acceder a contenido audiovisual, portanto, facilitándole confort [27].

Por último, entre las aplicaciones avanzadas, el acoplamiento virtual (Platooning) hagenerado especial interés. El consorcio ENSEMBLE [28] forma parte del proyecto ART-03-2017 - Multi-Brand platooning in real tra�c conditions , apoyado por la Unión Europea,dentro del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 [29]. El proyecto tienecomo objetivo el despliegue del acoplamiento virtual entre camiones de diferentes marcas,proporcionando indudables bene�cios en cuanto a la e�ciencia y seguridad del trá�co.

2.3.2. Acoplamiento virtual entre camiones

El platooning o tren de carretera consiste en una agrupación de dos o más vehículos(principalmente, se considera el acoplamiento de camiones o trenes) interconectados demanera virtual. El convoy resultante está dirigido por el primer vehículo de la �la; el restode los vehículos acoplados sincronizan su velocidad a la del líder, consiguiendo, de estamanera, mejoras en cuanto a la seguridad y e�ciencia vial. Este sistema hace uso de lascomunicaciones V2V y V2I y emplea redes WiFi, radares y cámaras para transmisión devídeo entre los elementos del convoy [30].

Las publicaciones previas sobre el tema del acoplamiento virtual hacen distinción entreel platooning de vehículos (en general camiones [31], [32]) y el de trenes [33], [34], teniendocaracterísticas, ventajas y funcionamiento fundamentalmente distintos.

En cuanto al acoplamiento virtual entre camiones, la Figura 2.5 muestra tanto el impac-to medioambiental (disminución de las emisiones contaminantes, economía de carburante),como las aportaciones en relación con la seguridad y la e�ciencia del trá�co (disminucióndel tiempo de respuesta y, por consiguiente, de la distancia mínima necesaria entre vehícu-los).

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Figura 2.5: Ventajas del Platooning

Por el hecho de que el tiempo de respuesta disminuye considerablemente entre vehícu-los acoplados respecto al tiempo de respuesta humano, la distancia mínima entre los ele-mentos del convoy también disminuye de 50 m a 15 m, incluso menos.

Principio de funcionamiento

Para explicar el acoplo y el desacoplo de un convoy, consideramos que por una carre-tera está circulando una agrupación de vehículos previamente creada. El líder envía perió-dicamente mensajes a los demás vehículos con información sobre la posición actual y eldestino, así como órdenes sobre velocidad, aceleración y frenado. Por otro lado, los vehícu-los comparten con el líder datos sobre su velocidad y su localización. Dado este escenario,suponemos que un nuevo vehículo se está aproximando al convoy, con el mismo destinoque este. Tras recibir información por parte del líder sobre el destino de la agrupación, elnuevo vehículo con�rma la coincidencia con este y envía una solicitud de unión al convoy,junto con su posicionamiento actual. El líder hace uso de esta información para decidir laposición en la que se incorporará el nuevo vehículo. Seguidamente, envía órdenes de dece-leración a los vehículos que circulan detrás de la posición que ocupará el nuevo vehículo.Cuando el espacio es su�ciente, este se integra a la agrupación y el líder envía nuevamentemensajes para asegurar la estabilidad del convoy.

Partiendo de la situación actual, el desacoplo del vehículo se realiza de manera similar:este envía la solicitud de separación, el líder comunica las instrucciones correspondientesa los miembros del convoy y, cuando se consigue el espacio necesario para la desunión, elvehículo realiza el cambio de �la y el convoy sigue su trayectoria, juntándose y estabilizán-dose como al inicio [35].

2.3.3. Acoplamiento virtual entre trenes

El uso del transporte ferroviario se está extendiendo constantemente, mientras que lacapacidad de las vías es un recurso limitado. El acoplamiento virtual podría rebatir esteproblema, consiguiendo distancias mínimas entre trenes inferiores a la distancia absolutade frenado, gracias al intercambio dinámico de información sobre la velocidad y la posiciónexacta de los trenes [36].

Otra utilidad del acoplamiento virtual aplicada a los trenes afecta la manera de engan-char los coches del tren. Actualmente, esta operación se realiza manualmente y presenta

12

2.3. Aplicaciones

varias restricciones: implica un trabajo humano tedioso, funciona únicamente entre cochescompatibles e implica demoras, dado que se necesita detener el tren [37]. La posibilidad derealizar el acoplo y desacoplo de coches de manera dinámica supondría una mejora signi�-cativa de e�ciencia.

Principio de funcionamiento

En el caso de los trenes, para el acoplamiento virtual se necesita el nivel 4 de ERTM-S/ETCS (European Railway Tra�c Management System/European Train Control System oSistema Europeo de Gestión del Trá�co Ferroviario/ Sistema Europeo de Control de Tre-nes) [38]. Los niveles ERTMS/ETCS describen la relación operativa entre el tren y la vía[39], [40]:

⋄ Nivel 0: tren equipado con ERTMS/ETCS sobre una línea sin equipamiento de controlde trenes;

⋄ Nivel 1: tren equipado con ERTMS/ETCS sobre una línea equipada con Eurobalizas ;requiere señalización lateral y comunicación discontinua tren - vía;

⋄ Nivel 2: tren equipado con ERTMS/ETCS sobre una línea controlada por RBC (Ra-dio Block Centre), equipada con Eurobalizas y Euroradio: GSM-R (Global System forMobile Communications – Railway); requiere comunicación continua tren - vía; norequiere señalización lateral;

⋄ Nivel 3: similar al nivel 2, con la excepción de que el equipo embarcado se responsa-biliza del posicionamiento y la supervisión del tren; los trenes deben mantener comomínima separación la distancia de frenado completa [41];

⋄ Nivel 4: Acoplamiento virtual o Convoy de trenes; los trenes pueden aproximarsepor debajo de la máxima distancia de frenado [41].

Las comunicaciones T2T constituyen el Nivel 3 y el Nivel 4 de los mencionados anterior-mente. En la Figura 2.6 se muestran esquemáticamente las comunicaciones T2G, T2T y elacoplamiento virtual.

Figura 2.6: Comunicación T2X

El principio de funcionamiento es similar al caso de los vehículos, en cuanto a la in-formación compartida entre los nodos. En cambio, dada la alta velocidad de los trenes y laadherencia rueda-carril, la distancia mínima de separación aumenta (3 km a 350 km/h).

En de�nitiva, cada categoría de aplicación satisface distintas necesidades y presentadiferentes requisitos, dependiendo del tipo de información a transmitir.

13


2.4. Requisitos

Según se ha mencionado anteriormente, la seguridad es el objetivo fundamental de lascomunicaciones entre vehículos. No obstante, existen también aplicaciones de información,entretenimiento y e�ciencia. Por esta razón, los principales requisitos y el nivel de cumpli-miento de cada uno de ellos dependen del tipo de aplicación [25]. La grá�ca 2.7 muestraesquemáticamente los principales tipos de aplicaciones en función de los requisitos de la-tencia, seguridad y �abilidad que exigen.

Figura 2.7: Los requisitos del sistema en función de la aplicación

2.4.1. Latencia

El tiempo que tarda la señal en llegar del transmisor al receptor representa la latencia delsistema. En el caso de las aplicaciones de entretenimiento, información e, incluso, e�cienciadel trá�co no representa un requisito crítico.

Sin embargo, puesto que el tiempo de reacción del conductor varía típicamente entre0,7 y 1,5 segundos [42], el retardo en la transmisión debe compensar este valor. Para apli-caciones de seguridad, un valor máximo de latencia suele ser de 100 ms. En el caso de losmensajes enviados para la prevención de un accidente, dicho valor se restringe a 20 ms[43]. Clasi�cados según el grado de automatización y el escenario de conducción, se pre-sentan en las Tablas 2.1 y 2.2 los valores de latencia requeridos para V2V y platooningentre vehículos, respectivamente [44].

14

2.4. Requisitos

Tabla 2.1: Requisitos de latencia para V2V

Escenario Grado de automoción Latencia total máxima (ms)

Intercambio de información Bajo/Alto 100

Transmisión de video

Bajo 50Alto 10

Cambio de línea

Bajo 25Alto 10

Evitar colisión Bajo/Alto 10Alineación de emergencia

de la trayectoria

Bajo/Alto 3

Tabla 2.2: Requisitos de latencia para platooning

Escenario Grado de automoción Latencia total máxima (ms)

Solicitud de información Bajo/Alto 500Intercambio de

información

entre OBUs

Muy bajo 25Bajo/Alto 20Muy alto 10

Intercambio de información

entre OBU y RSE

Bajo/Alto 20

2.4.2. Seguridad

La seguridad de la comunicación es otro de los requisitos esenciales del sistema dise-ñado. Los potenciales ataques a la red se pueden clasi�car en función de su naturaleza:ataque de DoS (Denial of Service o Denegación de Servicio), ataque de autenticación, ataquede privacidad y ataque de con�dencialidad [45]. Para garantizar una comunicación segurase debe impedir la corrupción de los datos. Para aplicaciones de información y entreteni-miento, los ataques en la red no supondrían un riesgo vital (aunque sí podrían autorizarel acceso a información con�dencial), pero, por lo contrario, en aplicaciones de seguridad,un ataque informático podría tener consecuencias graves (enviando, por ejemplo, mensajesfalsos relacionados con el comportamiento de los vehículos en la red).

2.4.3. Fiabilidad

La �abilidad es una medida del rendimiento del sistema en cuanto al cumplimiento delos requisitos de tiempo y distancia [46]. En la grá�ca de la Figura 2.7 se observa queavanza inversamente proporcional al requisito de latencia: se obtiene máxima �abilidadpara aplicaciones que no demandan valores reducidos de retardo.

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16

Capítulo 3

Marco tecnológico

3.1. Estándares, protocolos y tecnologías

Una vez de�nidas las principales características y los requisitos que se deben atenderen el desarrollo de los VANET, se procede a reseñar las tecnologías, los protocolos y losestándares especí�cos. Aunque se puede contar con la disponibilidad de una multitud detecnologías (Bluetooth, ZigBee, WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access),WiFi, ondas milimétricas, tecnología móvil etc.), las que cumplen los requisitos de las co-municaciones vehiculares son limitadas [47].

3.1.1. Clasi�cación de las tecnologías

Dichas tecnologías se pueden clasi�car según su alcance:

⋄ Tecnologías de corto alcance:

∙ Bluetooth∙ ZigBee∙ Ondas milimétricas (mmWave)∙ UWB (Ultra Wide-Band o Banda ultra ancha)

⋄ Tecnologías de alcance medio:

∙ DSRC (Dedicated Short Range Communication o Comunicaciones dedicadas decorto alcance)

∙ WiFi∙ Ondas milimétricas∙ C-V2X(Cellular-V2X )/LTE-V2X/LTE-V (Long Term Evolution - Vehicular)

⋄ Tecnologías de largo alcance:

∙ WiMAX∙ Tecnología celular: 3G, 4G (LTE), 5G

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CAPÍTULO 3. MARCO TECNOLÓGICO

En estudios previos se han examinado las prestaciones de estas tecnologías; comparandoZigBee y Bluetooth se ha observado que la primera ofrece mejores resultados para lascomunicaciones V2I [48]; en el caso de WiMAX, se ha constatado que funciona adecuada-mente en comunicaciones V2I sin movilidad, pero se ve considerablemente afectado por elcarácter dinámico de las comunicaciones vehiculares [49].

3.1.2. Principales tecnologías en comunicaciones vehiculares

No obstante, las tecnologías con mayor potencial de cumplir las especi�caciones de lossistemas vehiculares son: DSRC, LTE-V2X/LTE-V y mmWave [50], [51].

DSRC

DSRC es una tecnología ad-hoc especí�camente diseñada para las comunicaciones vehi-culares, estandarizada en base a IEEE 802.11p. Otros términos ampliamente utilizados parareferirse a esta tecnología son, en Europa, ITS-G5 y, en Estados Unidos, WAVE (WirelessAccess in Vehicular Environment o Acceso Inalámbrico en Entorno Vehicular), que descri-ben, sobretodo, los estándares IEEE P1609.x, enfocados a las capas superiores del modeloOSI (Open System Interconnection. Sin embargo, ambos términos, DSRC y WAVE (ITS-G5),tienden a usarse indistintamente en la literatura [52]. Otras nomenclaturas para ITS-G5pueden ser 802.11p, por el estándar en el que está basada la tecnología o WLANp o pW-LAN, denominación atribuida por el Grupo Volkswagen [53]. El estándar WiFi 802.11, per-teneciente al proyecto IEEE 802 del IEEE, de�ne la capa de enlace de datos y la capa física[54]). De esta forma, la arquitectura de DSRC/WAVE se compone de distintos protocoloscorrespondientes a cada una de las capas del modelo OSI, según muestra la Figura 3.1.

Figura 3.1: WAVE/DSRC

La Tabla 3.1 muestra los rangos de frecuencias destinadas a la tecnología DSRC [55] enlas principales regiones que apoyan su investigación y desarrollo [56], [57].

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Tabla 3.1: Bandas de frecuencias para DSRC

Región Frecuencias (MHz) Potencias máximas

Europa 5795 - 5815, 5875 - 5905 33 dBmEstados Unidos 5850 - 5925 33 dBm

Japón 5770 - 5850 44,7 dBm - RSE20 dBm - OBU

El estándar WiFi IEEE 802.11p, explícitamente diseñado para WAVE, representa unaversión modi�cada de 802.11a. La diferencia fundamental reside en la disminución del anchode banda de 20 MHz a 10 MHz [58]. De esta manera, se aumenta el intervalo de guardapara evitar la interferencia entre símbolos causada por la dispersión de retardo RMS (RootMean Square o valor cuadrático medio), característica en entornos vehiculares [54]. Estasconclusiones se han obtenido a partir de estudios previos [59], donde se comprueba que unancho de banda de 10 MHz da lugar a un intervalo de guarda de 1.6 µs, adecuado para ladispersión de retardo obtenida de aproximadamente 1.4 µs.

Dado que en Estados Unidos la banda dedicada a DSRC es de 75 MHz, el estándar IEEE1609.4 de�ne siete canales de 10 MHz cada uno, con diferentes usos y características. A cadacanal le corresponde un rango de frecuencias, una aplicación y una potencia transmitidamáxima, de tal forma que, a los canales dedicados a aplicaciones de seguridad, se les asignanmayores valores de potencia transmitida que a los canales de aplicaciones de e�ciencia yentretenimiento [58].

Otras características esenciales del estándar 802.11p son: alcance entre 300 m y 1 km(adecuado para la comunicación V2V, incluso V2I), velocidad de los vehículos de hasta260 km/h, latencia despreciable (aproximadamente 200 µs), velocidad de transmisión en-tre 3 Mbps y 27 Mbps, tecnología OFDM con CSMA (Carrier-Sense Multiple Access o AccesoMúltiple con Escucha de Señal Portadora), 48 subportadoras de datos y 4 de pilotos y modu-laciones: BPSK (Binary Phase-shift keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) y 64QAM [51] [60].

El segundo aspecto importante de los sistemas DSRC está representado por los elemen-tos que los componen: OBU/ OBE (On-Board Unit/On-Board Equipment): la unidad situadaa bordo del vehículo y RSU/ RSE (Road-Side Unit/Road-Side Equipment): el nodo que re-presenta la infraestructura. El OBU se comunica directamente con los OBUs de los demásvehículos cercanos (comunicación V2V) o con el RSU (comunicación V2I), según muestra elesquema de la Figura 3.2. Los dispositivos equivalentes a OBU y RSE en los sistemas mó-viles son el MS (Mobile Station) y el BS (Base Station), respectivamente [60]. Tanto el OBUcomo el RSE están compuestos por los siguientes elementos [61]: un transceptor (DSRC),un sistema GPS (Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global), un pro-cesador y una interfaz de usuario. Los OBUs envían periódicamente información sobre suvelocidad y su posición tanto a los OBUs como a los RSEs próximos. Por otro lado, los RSEs(situados en intersecciones, cruces, semáforos, gasolineras etc.) reciben, procesan y envíanla información recopilada a los vehículos localizados en su zona de alcance.

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Figura 3.2: Comunicación V2X

LTE-V

A partir de junio 2017, cuando el grupo de asociaciones de telecomunicaciones 3GPP(3rd Generation Partnership Project o Proyecto Asociación de Tercera Generación) ha de�-nido una evolución del estándar LTE en la versión 14 (Release 14) [62], LTE-V se convierteen una alternativa válida para la implementación de las comunicaciones V2X.

El estándar LTE-V está formado por dos interfaces radio [63]: la interfaz celular (Uu)- destinada a las comunicaciones V2I y la interfaz PC5 - para la transmisión V2V, basadaen la comunicación directa entre vehículos, llamada LTE sidelink o device-to-device. Ambasinterfaces han sido introducidas en la versión 12 y contemplan dos modos de funciona-miento, modo 1 y modo 2; sin embargo, dada su funcionalidad (ofrecen mayor duración dela batería del dispositivo a cambio de incrementar la latencia), no son adecuados para lascomunicaciones vehiculares, que requieren baja latencia y alta �abilidad.

Por esta razón, en la versión 14 se han introducido dos modos adicionales: el modo 3 yel modo 4, para el funcionamiento dentro y fuera del área de cobertura, respectivamente.En el modo 3, la asignación de recursos radio se realiza por la red, mientras que en el mo-do 4 los vehículos realizan la asignación de forma autónoma. El modo 4 es especialmenteinteresante, dado que la comunicación entre vehículos independientemente de la coberturaes un requisito en las aplicaciones de seguridad. Con una combinación de ambos modos seimplementa la comunicación V2X en LTE-V.

En cuanto al equipamiento, el UE (User Equipment) en LTE-V se corresponde con elOBU en DSRC, siendo este la parte vehicular del sistema. La parte de infraestructura, deno-minada RSE en DSRC, equivale a la eNodeB en LTE-V. La asignación de recursos se realizaempleando SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access o acceso múltiplepor división de frecuencia de portadora única) sobre canales de 10 y 20 MHz de ancho debanda, cada canal siendo dividido en subtramas de 1 ms [64]. La Tabla 3.2 reúne las prin-cipales características de las tecnologías DSRC/WAVE y LTE-V [65].

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Tabla 3.2: DSRC vs LTE-V

Característica DSRC/WAVE LTE-V

Alcance 300 - 1000 m hasta 2 kmLatencia 200 µs >30 msVelocidad 27 Mbps Uplink/Downlink: 50/150 Mbps

Ancho de banda 10 MHz 10 MHz o 20 MHzEstación base RSE eNodeBEstación móvil OBU UE

Tecnología de comunicación OFDM con CSMA SC-FDMA

La mayoría de las publicaciones existentes hasta el momento contrastan las ventajas ylos puntos débiles de ambas tecnologías (DSRC y LTE-V). La decisión sobre cuál de ellasproporciona mejores prestaciones no es unánime. Mientras que la publicación [66] sostieneque el 802.11p es apto para comunicaciones vehiculares, sin necesidad de emplear la tec-nología móvil, los autores de [67] contradicen esa a�rmación, apoyando el uso de LTE-V.Sin embargo, la mayoría de las publicaciones presentan como conclusión que ambas tecno-logías se complementan (dependiendo del tipo de aplicación y del entorno vehicular), unacombinación de ambas pudiendo constituir la tecnología idónea [68], [69].

Por otra parte, la Comisión Europea apoya el uso de la tecnología de DSRC en la Legis-lación de Vehículos Conectados publicada el 13 de marzo de 2019 [70]. Particularmente, semenciona una "comunicación híbrida" formada por tecnologías de corto alcance (ITS-G5)para comunicaciones V2V y de largo alcance (3G/4G) para V2I. Adicionalmente, se indicala potencial integración de las tecnologías LTE-V y 5G.

Ondas milimétricas (mmWave)

El análisis de las tecnologías presentadas anteriormente o de una combinación de ambasha mostrado una cierta e�ciencia, proporcionando servicios a comunicaciones vehiculares.Sin embargo, algunos estudios han profundizado en este ámbito, tomando en consideraciónla gran cantidad de datos, provenientes de sensores, que se van a transmitir en un escenarioreal, entre un número elevado de vehículos. Esta proporción de datos requiere un anchode banda mayor que el que son capaces de proporcionar las tecnologías descritas [71]. Co-mo consecuencia de esto, surge una tecnología alternativa basada en ondas milimétricas,correspondientes a frecuencias comprendidas entre 30 GHz y 300 GHz: banda EHF. Esen-cialmente, esta tecnología es capaz de ofrecer mayores anchos de banda, empleando agru-paciones de antenas altamente directivas, que compensan las pérdidas por propagación,inherentes a estas frecuencias [17].

En cuanto al espectro disponible a estas frecuencias para los ITS, en 2014, la ComisiónEuropea no solamente ha asignado una banda de 1 GHz en la frecuencia de 63 GHz [72],sino que, además, ha aumentado las potencias máximas admisibles a estas frecuencias, per-mitiendo mayor alcance. De manera similar, en 2016, en Estados Unidos, la FCC (FederalCommunications Commission o Comisión Federal de Comunicaciones) ha asignado 7 GHzen la banda de 57–64 GHz para comunicaciones en ondas milimétricas sin licencia [73].

Una de las primeras investigaciones enfocadas a esta tecnología propone una estandari-

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zación común para comunicaciones V2V y sistemas radar en automoción [74]. El estándarpropuesto es el estándar WLAN (Wireless Local Area Network o Red de Área Local Inalám-brica) IEEE 802.11ad que trabaja en la banda de 60 GHz. Esta tecnología presenta indudablesventajas frente a las anteriores, pero se enfrenta a nuevas di�cultades. Entre las principalescaracterísticas destacan: velocidad máxima de aproximadamente 7 Gbps, ancho de bandade 2,16 GHz, potencia máxima transmitida de 10 mW, tres con�guraciones de la capa física:control, OFDM o portadora única, alcance inferior a 10 metros y latencias de ≈10 µs [75].

Originalmente, IEEE 802.11ad ha sido diseñado para funcionamiento en interiores, porlo tanto, se necesitarían modi�caciones para adaptarlo al carácter dinámico del entornovehicular o complementarlo con otra tecnología (DSRC o LTE-V) [17]. De esta forma, seríaposible, por ejemplo, teniendo un vehículo que pretende comunicarse con otro y conocien-do la posición de este utilizando DSRC, orientar el haz de la agrupación de antenas hacia él,empleando ondas milimétricas, consiguiendo transmitir los datos (mensajes relacionadoscon la seguridad o la e�ciencia) a velocidades mucho más altas que con DSRC [76]. Consi-derando esta con�guración, se reduce el perjuicio del corto alcance en ondas milimétricascausado por las altas pérdidas por propagación.

Otro aspecto que perjudica la comunicación utilizando ondas milimétricas es la obstruc-ción de la visión directa entre vehículos. A esta frecuencia, la longitud de onda es de apro-ximadamente 5 mm, por lo tanto cualquier obstáculo puede imposibilitar la transmisión.Para superar este problema, sería necesario emplear varios transceptores, posicionados endistintas partes del vehículo (por ejemplo, ubicando las antenas en el techo se facilitaría lacomunicación V2I, al evitar obstaculizar la comunicación por los vehículos interpuestos).Sin embargo, este aspecto representa tanto un inconveniente como una ventaja, al impedirlas interferencias entre vehículos, ya que generalmente se desea compartir la informaciónúnicamente con los vehículos inmediatamente cercanos.

Adicionalmente, la ventaja de tener un espectro libre de las interferencias presentes, porejemplo, en las bandas de frecuencias WiFi, conlleva también un gran perjuicio, atenuandoconsiderablemente la señal. Para compensar estas pérdidas se emplea la técnica de beamfor-ming, que se basa en recorrer el sector que se va a radiar, coordinando la señal de cada unade las antenas de la agrupación. De esta forma, el receptor recibe una señal con un nivel depotencia superior, a pesar de las atenuaciones sufridas en el camino [17].

En conclusión, la tecnología de ondas milimétricas debe emplear los mecanismos ante-riormente mencionados para combatir la inestabilidad del canal a altas frecuencias.

3.2. Estudio del canal de propagación

En la presente sección, se de�nen los modelos de propagación y se detallan las ca-

racterísticas de los principales modelos utilizados en las comunicaciones entre vehículos.

3.2.1. De�nición y parámetros de los modelos de propagación

Un modelo de propagación está de�nido por una serie de expresiones matemáticasque hacen uso de distintos parámetros, aportando una herramienta e�caz para la prediccióndel comportamiento del canal de propagación radio en un determinado entorno.

A continuación, se especi�can las principales características que debe considerar la for-mulación de cada modelo: pérdidas por propagación, desvanecimiento, re�exiones, disper-siones, difracciones y ensombrecimiento (desvanecimiento lento o shadowing) [77].

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⋄ Pérdidas por propagación

La pérdida por propagación (path loss) se de�ne como la atenuación que sufre laseñal en su camino entre el transmisor y el receptor, considerando la distancia entreambos y la frecuencia de trabajo.Como principal entorno para los ITS se considera el "cañón urbano" (street canyon)[78], que contempla la multitud de elementos presenten en el núcleo de la ciudad (grandensidad de edi�cios, de diferentes tamaños y aspectos, peatones, árboles, vehículosetc.) y que implica una propagación de la señal a lo largo de las calles. El modeloelemental está de�nido en la recomendación actualmente en vigor ITU-R P.1411–9"Datos de propagación y métodos de predicción para la plani�cación de los sistemasde radiocomunicaciones de exteriores de corto alcance y redes de radiocomunicacio-nes de área local en la gama de frecuencias de 300 MHz a 100 GHz" [78]. En el casode las aplicaciones de seguridad, se debe ampliar este modelo básico, construyendonuevos modelos más complejos.

⋄ Desvanecimiento

El desvanecimiento (fast/small-scale fading) representa la variación de la atenua-ción de la señal y varía con el tiempo, la frecuencia y la posición. Dado que, en entor-nos vehiculares, se remarca el efecto del multitrayecto, se habla de desvanecimientoinducido por multitrayecto y se modela empleando un desvanecimiento Rician. Enla literatura, se mencionan otros tres modelos típicamente aplicables a entornos vehi-culares: Rayleigh, Nakagami-m y Weibull [79].Las Expresiones 3.1 y 3.2 describen las distribuciones Rayleigh y Rician, respecti-vamente [18]:

px(x) =

⎧

⎪

⎨

⎪

⎩

x�2exp

(

− x2

2�2

)

, x ≥ 0

0 , x < 0(3.1)

px(x) =

⎧

⎪

⎨

⎪

⎩

x�2exp

[−(

x2 + s2)

2�2

]

I0

(

xs�2

)

, x ≥ 0

0 , x < 0,(3.2)

donde x representa la variable aleatoria, s2 simboliza la potencia de la componentede visión directa, 2�2 es la potencia media de las componentes de multitrayecto e I0,la función de Bessel modi�cada, de primer tipo y orden cero.El modelo del canalRician está basado en la presencia de una componente dominantede la señal (en este caso sería la onda o la suma de ondas que llegan al receptor por elcamino de visión directa) y de varias señales debidas al multitrayecto. Por otra parte,el desvanecimiento Rayleigh carece de visión directa y, por lo tanto, de la componentedominante, toda la señal llegando por multitrayecto. La Expresión 3.3 introduce elfactor K - parámetro que de�ne ambas distribuciones y que relaciona la potencia de

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la componente dominante (s2) con la potencia media de las componentes recibidaspor multitrayecto (2�2):

K = s2

2�2(3.3)

En el caso del desvanecimiento Rayleigh, el valor de K es 0 y, en el caso contrario,para señales recibidas únicamente por línea de visión directa, K = ∞. Por lo tanto,el factor K mide la intensidad del desvanecimiento: valores altos de K implican undesvanecimiento suave, mientras que valores bajos se obtienen en situaciones condesvanecimiento acentuado.Por otra parte, el modelo Nakagami-m presenta �exibilidad, aproximándose al ca-nal Rician, cuando la separación entre los vehículos es reducida, y al canal Rayleigh,cuando la separación aumenta; por lo tanto, es adecuado en el modelado de las dis-tintas condiciones de propagación [79].La Expresión 3.4 se corresponde con la función densidad de probabilidad del desva-necimiento Nakagami-m:

f ( ) = 1Γ(m)

(

m (i)

)m

× m−1 exp(

−m (i)

)

, (3.4)

donde (i) es la relación señal al ruido media para el vehículo i, Γ(m) es la función

Gamma y m(

m ≥ 12

)

es el parámetro de forma de la distribución.

Para m = 1, el valor del desvanecimiento coincide con el obtenido empleando la expre-sión de Rayleigh (Expresión 3.2). Se ha demostrado, por lo tanto, que la versatilidadque ofrece la distribución Nakagami-m justi�ca su uso en la estimación del canal, mo-delando un canal Rician para una corta distancia entre vehículos y un canal Rayleighpara mayores separaciones [80].La fórmula para el desvanecimiento Weibull viene dada por la Expresión 3.5:

f ( ) = �Γ(

1 + 1�

)

1 (i)

�−1 × exp⎡

⎢

⎢

⎣

−⎛

⎜

⎜

⎝

Γ(1 + 1�)

(i)

⎞

⎟

⎟

⎠

�⎤

⎥

⎥

⎦

, (3.5)

donde � representa el factor de forma.Similar al caso anterior, el desvanecimiento Weibull ofrece �exibilidad en el modeladodel canal, mostrando resultados viables con valores del factor de forma � entre 1.77 y3.9 en la banda de 5 GHz [79].Resumiendo, las cuatro modalidades de obtención del desvanecimiento teórico re-presentan los modelos básicos aplicables a las comunicaciones entre vehículos, pre-sentando concordancia con los resultados obtenidos en medidas reales efectuadas endistintas condiciones del entorno.

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⋄ Re�exiones

De manera similar a las atenuaciones por propagación, las especi�caciones sobre lasre�exiones, las difracciones y el ensombrecimiento están contempladas en la reco-mendación ITU-R P.1411–9.La transmisión de la señal no se produce únicamente en la dirección del receptor, dadoque la radiación de las antenas presenta lóbulos secundarios. Como consecuencia,aparecen re�exiones producidas por las componentes de la señal que inciden en sucamino sobre super�cies lisas (los edi�cios y la tierra). La cantidad de energía re�ejadadepende del coe�ciente de re�exión de dichas super�cies, del ángulo de incidencia ydel tamaño de la super�cie.El modelo de dos rayos se suele emplear en comunicaciones vehiculares con visióndirecta (LoS) dada la re�exión que se produce en el suelo [81]. Dentro de este modelode canal, los dos rayos se corresponden con la señal de visión directa y con la señalre�ejada en la super�cie de la carretera. Según el modelo de dos rayos, el campoeléctrico resultante calculado en recepción viene dado por la Expresión 3.6:

Etotal = ELoS + Etierra

=E0d0dLoS

cos(

!c(

t −dLOSc

))

+ RtierraE0d0dtierra

cos(

!c(

t −dtierrac

))

,

(3.6)

dondeELoS yEtierra son los campos eléctricos de los rayos directo y re�ejado, respec-tivamente; E0 representa el campo eléctrico a la distancia de referencia d0; !c es lafrecuencia angular; t señala el instante de tiempo en el que se evalúa el campo; Rtierraes el coe�ciente de re�exión del suelo; dLoS simboliza la distancia entre la antenatransmisora y la receptora; dtierra =

√

(ℎt + ℎr)2 + d2 es la distancia recorrida por elrayo re�ejado (ℎt y ℎr indican las alturas a las que están posicionadas las antenas entransmisión y en recepción, respectivamente y d es la distancia entre ellas) [81].A partir de la expresión del campo, la potencia recibida se calcula según la Expresión3.7:

Pr =|Etotal|2�2

4��W , (3.7)

donde Pr de�ne la potencia en recepción, � es la longitud de onda y � simboliza laimpedancia intrínseca (� = 120� en espacio libre) [81].En perspectiva, el modelo de dos rayos se ajusta mejor a las comunicaciones vehicu-lares con visión directa respecto al modelo de pérdidas por espacio libre y el ajuste estanto más adecuado como menor es el número de elementos que producen re�exión(vehículos, edi�cios) [81].En la Figura 3.3 se muestra esquemáticamente el efecto de la re�exión de una onda:la línea naranja muestra la señal que se propaga desde el transmisor (coche gris) hastael receptor (coche azul), debido a la re�exión en el edi�cio.

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⋄ Dispersiones

A diferencia del fenómeno físico de re�exión anteriormente mencionado, la disper-sión (o scattering) incumple la ley de la re�exión especular, que a�rma que el ángulode la onda incidente sobre una super�cie es igual al ángulo de la onda re�ejada. Deesta manera, el scattering produce re�exiones difusas, cuyos ángulos di�eren delángulo de la onda incidente [82]. En la Figura 3.3 se observa la propagación por scat-tering: la señal transmitida por el coche gris llega al árbol, esparciéndose en distintasdirecciones (líneas azules).

⋄ Difracciones

Mientras que la re�exión está generada por las super�cies lisas, como es la carreteraen comunicaciones vehiculares, las difracciones tienen lugar al encontrarse la ondacon super�cies con bordes o planos que forman un cierto ángulo. Debido a las difrac-ciones, cuando la señal encuentra en su camino una ranura o un obstáculo comparablecon su longitud de onda, la señal se desvía y se propaga como una onda esférica [83].

Este comportamiento está justi�cado por el principio de Huygens: “Cada punto deun frente de onda puede ser considerado como fuente secundaria de ondas que seexpanden en todas direcciones con una velocidad igual a la velocidad de propagaciónde la onda primaria.” [84].

Esto posibilita la propagación de la onda alrededor del obstáculo, alcanzando inclusola parte posterior de este, facilitando la transmisión en situaciones sin visión directa.

En entorno vehicular, las difracciones son habituales, dada la densidad de edi�cios ovehículos, lo que origina tanto la posibilidad de recibir señal a pesar de la obstrucción(efecto favorable), como interferencias (consecuencia indeseada, situación contem-plada en la Figura 3.3).

Las re�exiones y las difracciones tienen como efecto la generación de ondas que lle-gan al receptor por múltiples caminos, con distorsiones en amplitud y en fase. Estefenómeno se conoce con el nombre de multitrayecto o multicamino y puede alterarpositiva o negativamente la señal total recibida. La interferencia constructiva se pro-duce cuando las señales llegan al receptor con el mismo valor de fase y, sumándolas,se obtiene una amplitud total incrementada. Sin embargo, dado que las réplicas de laseñal transmitida recorren distintos caminos hasta llegar al receptor, el multitrayectosuele ser destructivo, dando lugar a interferencia.

Resumiendo, en la Figura 3.3 se presenta un escenario de propagación NLoS. La lí-nea de visión directa entre los dos coches (línea roja) está obstruida por el edi�cioubicado en la intersección (en la esquina del edi�cio se produce el fenómeno de di-

fracción) . Sin embargo, se observa que la señal llega al receptor (coche azul), a travésde la dispersión producida en el árbol (línea azul) y de la re�exión en el edi�cio(línea naranja), creando una propagación sin visión directa entre el transmisor y elreceptor.

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Figura 3.3: Escenario de propagación NLoS

⋄ Ensombrecimiento

Por último, el ensombrecimiento, llamado también desvanecimiento lento o, más ha-bitualmente, shadowing o slow/large-scale fading, marca las �uctuaciones del nivelde potencia recibida a una determinada distancia. Se caracteriza por una distribu-ción log-normal (o Gaussiana en dB), que, añadida al término de pérdidas por pro-pagación, constituye el modelo de sombras [85]. El ensombrecimiento se produce alatravesar ciertas super�cies (colinas, edi�cios o, típicamente, árboles [86] y vehículos[87], [88]), resultando en una disminución del nivel de la señal recibida. Esta caracte-rística, junto con las pérdidas por propagación, representan los parámetros de gran

escala dentro de los modelos de propagación, presentando fuerte dependencia conla distancia y las particularidades del entorno y siendo independientes del ancho debanda de la comunicación. Por esta razón, se aplican en la plani�cación del canal,determinando su viabilidad [89].La Figura 3.4 muestra el efecto de las pérdidas por propagación, del desvanecimien-to lento y del desvanecimiento rápido sobre la señal transmitida, en función de laseparación entre el transmisor y el receptor:

Multitrayecto+Ensombrecimiento+Pérdidasporpropagaciónenespaciolibre

Ensombrecimiento+Pérdidasporpropagaciónenespaciolibre

Pérdidasporpropagaciónenespaciolibre

log(Pr/P

t)

Figura 3.4: Efectos del canal sobre la señal propagada

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3.2.2. Modelos existentes

A partir de los parámetros de�nidos anteriormente, se procede a clasi�car los modelosde propagación y a detallar los más apropiados para caracterizar las comunicaciones vehi-culares.

Ecuaciones de Maxwell

Los modelos basados en las ecuaciones de Maxwell son esenciales para comprenderlos fundamentos de la propagación de ondas, pero sustancialmente complejos y, por consi-guiente, inviables para aplicarlos a comunicaciones vehiculares.

Modelo de espacio libre

Por lo contrario, el modelo de pérdidas por espacio libre es excesivamente elemen-tal y no se ajusta al entorno vehicular complejo. La Expresión 3.8 se corresponde con lafórmula de pérdidas por espacio libre, tomando en cuenta las ganancias de las antenas:

PL(d) = 10 log10(16�2d2

GtGr�2)

dB, (3.8)

donde el valor de d en metros representa la distancia entre las antenas transmisora y re-ceptora, Gt y Gr son las ganancias de las respectivas antenas y � es la longitud de onda enmetros correspondiente a la frecuencia de trabajo [90].

Este modelo no se aplica al canal de comunicaciones vehiculares, dado que consideraúnicamente la situación de visión directa, en ausencia de multitrayecto.

Modelos deterministas

Los modelos deterministas están basados en la teoría electromagnética y requieren per-cepción completa del entorno (incluso planos tridimensionales), siendo, por esta razón, losmás exactos.

Un ejemplo simpli�cado de modelo determinista es el modelo de dos rayos detalladoanteriormente. Sin embargo, este carece de di�cultad, al contemplar únicamente las alturasde las antenas, la distancia entre los vehículos y la presencia de dos ondas: transmisión di-recta y onda re�ejada en el suelo. Una versión generalizada de este modelo es el trazado de

rayos (ray-tracing), que implica una mayor complejidad y carga computacional, empleandoalgoritmos de gran e�ciencia, que consideran la distribución geométrica, el posicionamien-to de todos los elementos y las propiedades físicas de sus materiales.

Sin embargo, es difícil lograr una descripción detallada y precisa de los escenarios delentorno vehicular, por lo tanto, se suele optar por modelos basados en experimentos, frentea los altamente teóricos.

Modelos estocásticos

En los modelos estocásticos, el entorno se de�ne por un conjunto de variables aleatorias.Son los modelos que ofrecen la menor precisión, pero presentan las ventajas de necesitarmínima información y consumo de potencia para realizar predicciones.

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Modelos empíricos

Los modelos empíricos también presentan precisión en la caracterización del canal depropagación en comunicaciones V2V y V2I. Estos modelos se obtienen exclusivamente apartir de campañas de medidas, observaciones y ajustes de curvas a partir de propiedadesestadísticas.

En esta categoría destacan los modelos Okumura-Hata, log-distancia y log-normal.

⋄ Okumura-Hata

El modelo Okumura-Hata es ampliamente utilizado en comunicaciones móviles,siendo uno de los modelos más simples, pero a la vez más precisos en la predicción deatenuaciones en áreas urbanas. Las pérdidas se pueden calcular según la Expresión

3.9:

L = 69.55 + 26.16 log fc − 13.82 log10 ℎb+ (44.9 − 6.55 logℎb) log10 d − a(ℎm) dB,

(3.9)

donde fc es la frecuencia de la portadora expresada en MHz, d es la separación endistancia entre las antenas transmisora y receptora en km (el modelo es aplicable paraseparaciones entre 1 y 20 km), ℎb y ℎm representan las alturas efectivas de la estaciónbase (de 30 a 200 m) y de la estación móvil (entre 1 y 10 m) y a(ℎm) es el factor decorrección, relacionado con la altura de la antena de la estación móvil. Este parámetrose determina de distintas maneras, en función de la frecuencia y el área de la ciudad.Para ciudades pequeñas y medianas [91]:

a(ℎm) = (1.1 log10 fc − 0.7)ℎm − (1.56 log10 fc − 0.8) (3.10)

Sin embargo, este modelo sería únicamente aplicable a comunicaciones V2I, dada laaltura mínima de la estación base. Además, presenta una importante limitación enfrecuencia, al tener un máximo de frecuencia de trabajo de 2200 MHz [91].

⋄ Log-distancia

El modelo de pérdidas denominado Log-distancia extiende la fórmula de atenuaciónpor espacio libre, añadiendo un coe�ciente de pérdidas (n) que varía con las condi-ciones del entorno de propagación. Según este modelo, las pérdidas se calculan conal Expresión 3.11:

PL(d) = P0 + 10n log10( dd0

)

dB, d > d0 (3.11)

donde el valor de P0 cuanti�ca las pérdidas por propagación en dB a una distanciade referencia d0 (típicamente 10 m en comunicaciones V2V [92]) y d es la distanciaentre las antenas colocada en los dos vehículos.De esta manera, se caracteriza el canal en términos de pérdidas por propagación. Sinembargo, en comunicaciones vehiculares el desvanecimiento es un efecto habitual-mente presente, que se debe tomar en consideración.

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⋄ Log-normal

A partir del modelo anterior, integrando en la ecuación el término de pérdidas pordesvanecimiento, se obtiene el modelo de shadowing más habitualmente empleadoen comunicaciones vehiculares, denominado Log-normal.El cálculo de las pérdidas por propagación se realiza empleando la Expresión 3.12:

PL(d) = P0 + 10n log10( dd0

)

+X� dB, (3.12)

donde, equivalente a la Expresión 3.11, d es la separación transmisor-receptor, P0denomina las pérdidas por propagación en dB a una distancia de referencia d0, n esel exponente de pérdidas determinado por regresión lineal y X� , la variable aleatoriacon distribución Gaussiana de media cero y desviación estándar � [93].A la vista de la expresión, se observa que contempla los parámetros de gran escalamencionados: las pérdidas por propagación y el desvanecimiento lento.En cuanto al exponente de pérdidas, n, sus valores dependen del entorno, de tal formaque, un exponente igual a 2 corresponde a una propagación en espacio libre, los va-lores inferiores a 2 marcan una transmisión con efecto de guía de onda y superioresa 2, una propagación con pérdidas. La Tabla 3.3 recoge los valores más típicos endiferentes entornos [94]:

Tabla 3.3: Valores para el exponente de pérdidas n

Entorno Exponente

Espacio libre 2Área urbana 2,7 - 3,5

Área suburbana 3 - 5En interiores (LoS) 1,6 - 1,8

En interiores (NLoS) 4 - 6

Aunque, generalmente, el modelo presenta resultados precisos, se puede mejorar laexactitud del ajuste, empleando el modelo log-normal de dos pendientes, de�nido porla Expresión 3.13:

PL(d) =

⎧

⎪

⎨

⎪

⎩

P0 − 10n1 log10( dd0

)

+X�1 dB ,d0 ≤ d ≤ dr

P0 − 10n1 log10( dd0

)

− 10n2 log10( ddr

)

+X�2 dB ,d > dr,(3.13)

donde, los nuevos parámetros n1 y n2 son los exponentes de pérdidas determinadosde manera empírica como las pendientes que proporcionan el mejor ajuste antes ydespués de la distancia de ruptura, dr, donde cambia la pendiente (un valor habituales 100 m [92], pero se puede ajustar a partir de las medidas) y X�1 y X�2 son lasdistribuciones Gaussianas correspondientes a cada uno de los casos: d0 ≤ d ≤ dr yd > dr.

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3.3. Transmisión de datos


Para concluir el presente capítulo, dado que la comunicación se basa en la transmisiónde datos entre dos vehículos (dos coches o dos trenes, en este caso), es fundamental explicarla capa de transporte y justi�car el tipo de PDU (Protocol Data Unit o unidad de datos deprotocolo) que va a viajar por la red con�gurada.

Se han considerado los protocolos de transporte estándar que, al mismo tiempo, sonlos más utilizados: UDP (User Datagram Protocol o Protocolo Universal de Datos) y TCP

(Transmission Control Protocol o Protocolo de Control de Transmisión) [95]. Ambos proto-colos se emplean para la transmisión de datos y trabajan sobre IP (Internet Protocol). Lasprincipales diferencias entre ambos protocolos están recogidas en la Tabla comparativa3.4:

Tabla 3.4: UDP vs TCP

Características UDP TCP

Conexión No orientado a conexión Orientado a conexiónFiabilidad No �able Altamente �ableVelocidad Baja latencia Alta latenciaTamaño

de encabezado

8 Bytes 20 Bytes

Con�rmación

No ofrece con�rmaciónde datos recibidos

Reconocimiento de datos(ACK)

Retransmisión

de datos

No retransmite Realiza retransmisiones

Orden

Los paquetes puedenllegar desordenados

Entrega secuenciada

Transmisión Punto a punto o punto a multipunto Punto a punto

Paquetes

duplicados

No, dado que no se retransmiteSí, se pueden recibir

paquetes con el mismonúmero de secuencia

Congestión/

Control de �ujo

No realiza control de �ujoEmplea ventanas para

controlar el �ujo yevitar la congestión de la red

Un primer aspecto que diferencia TCP de UDP está relacionado con el establecimiento

de la conexión. En el caso de TCP se realiza un proceso llamado "Three-way handshake"que consiste en el envío por parte del cliente de un paquete con el �ag SYN activado, cuyarespuesta será un paquete SYN/ACK (con los �ags SYN y ACK activos) si se acepta la cone-xión o de lo contrario, un paquete con RST activado, que señala el rechazo de la conexiónpor el servidor. Si se ha aceptado la conexión, el cliente envía un ACK al servidor, �nalizan-do el proceso de negociación en tres pasos. Por otra parte, el protocolo UDP no implica elestablecimiento previo de la conexión, evitando el retardo adicional que este implica.

31


El envío de ACKs es característico de las comunicaciones basadas en TCP; este meca-nismo de con�rmación de envío permite calcular el RTT (Round-Trip Time o tiempo de iday vuelta). Este parámetro se obtiene como la suma entre el tiempo que tarda un paquete enllegar al receptor y el tiempo transcurrido hasta que el transmisor recibe la con�rmación deenvío (ACK). Por lo tanto, el RTT es una herramienta útil para la estimación de la velocidady la viabilidad de la conexión.

Otra característica que describe los protocolos mencionados se re�ere al seguimiento

de los paquetes transmitidos. TCP se responsabiliza de la entrega �able y ordenada delos paquetes, de las potenciales retransmisiones y de los segmentos duplicados que estasgeneran, mientras que UDP no dispone de mecanismos de con�rmación o retransmisión dedatos, no garantiza la entrega de los paquetes en el mismo orden en el que fueron enviadosy no supervisa el trá�co en la red. Estas particularidades pueden constituir tanto ventajascomo inconvenientes para la conexión, dependiendo de si se exige máxima �abilidad omínimo retardo en la transmisión.

Por último, los paquetes tienen una capacidad máxima, que, junto al tamaño de suscabeceras, condicionan la cantidad de datos que se pueden enviar. Por lo que, según losdatos proporcionado en la Tabla 3.4, un segmento TCP conlleva una sobrecarga superiora un datagrama UDP (teniendo una cabecera de mínimo 20 bytes frente a 8 bytes en UDP).Las Figuras 3.5a y 3.5b muestran la estructura de un segmento TCP y de un datagramaUDP, respectivamente, precisando, en cada caso, las funciones de los bytes de cabecera.

(a)

(b)

Figura 3.5: Formato del segmento TCP (a) y del datagrama UDP (b)

32


Además de las características y el formato de la PDU de cada protocolo, es importantemencionar un aspecto adicional, referente al establecimiento de conexión a nivel IP entreun cliente y un servidor, ya que será empleado posteriormente en la transmisión de losdatos entre vehículos.

En concreto, se re�ere a los puertos de origen y destino, que aparecen en los primerosbytes de cabecera en ambos protocolos. Una conexión entre dos máquinas está de�nida tan-to por la dirección IP (común para todas las conexiones establecidas por la máquina) comopor el puerto (distinto para cada conexión), lo que permite establecer simultáneamente múl-tiples conexiones. Particularmente, cuando un cliente accede a un servicio proporcionadopor un servidor a través de la Web, la sintaxis del URL (Uniform Resource Locator o Locali-zador Uniforme de Recursos) está formada por la dirección IP del servidor y el puerto, quedebe estar habilitado (expresado de manera coloquial, el servidor debe estar "escuchando"por el puerto especi�cado).

El número de puerto se indica con palabras de 2 bytes (según se muestra en las es-tructuras de las PDUs de las Figuras 3.5a y 3.5b), por lo que existen 216 valores posiblescomprendidos en el rango 0-65535; la asignación de los puertos, según los estándares IANA(Internet Assigned Numbers Authority o Autoridad de Números Asignados en Internet) semuestra en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5: Asignación de puertos

Puertos Rango Descripción

Puertos bien conocidos

(Well-known ports)0 - 1023 Reservados para

servicios del sistemaPuertos registrados

(Registered ports)1024 - 49151 Asignados por IANA para un servicio

especí�co solicitado por una entidadPuertos dinámicos o privados

(Dynamic or private ports)49152 - 65535 Utilizados para uso privado y

temporal o asignados de forma dinámica

Esencialmente, el protocolo TCP asegura la �abilidad de la conexión a costa de la e�-ciencia, que disminuye debido a los bytes asociados a la información necesaria en la gestiónde �abilidad. En el caso alternativo, el protocolo UDP carece de �abilidad, pero proporcionamenor latencia, por lo que, la utilización de un protocolo u otro se decide en función de losrequisitos de la conexión que se pretende realizar.

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34

Capítulo 4

Implementación del sistema, casos de

prueba y medidas

En los anteriores capítulos de la memoria y en sus respectivas secciones se ha ofrecidouna visión global sobre los sistemas de transporte inteligente, las comunicaciones V2X yT2X y sus características, requisitos y aplicaciones; desde el punto de vista tecnológico, sehan detallado los estándares y tecnologías vinculadas con las comunicaciones vehicularesy, a nivel de propagación radio, se han de�nido los principales modelos en los que se apoyala caracterización del canal.

Este capítulo se centra en el desarrollo práctico del trabajo. Se presentan, primeramente,las especi�caciones y restricciones del sistema; se introduce el kit Wireless Wire

de MikroTik empleado en la comunicación y sus características; mediante ejemplos, sepresenta la interfaz grá�ca de con�guración proporcionada por el fabricante.

En las siguientes secciones, se explican detalladamente las campañas de medidas rea-lizadas tanto entre dos vehículos como entre dos trenes, para obtener las respectivas con-clusiones, que se compararán con los fundamentos teóricos y con el estado del arte de lascomunicaciones V2V y T2T.

4.1. Especi�caciones y restricciones de diseño

En esta sección, se detalla el equipamiento hardware y las componentes software ysu utilidad, así como las restricciones que imponen sobre el sistema. Adicionalmente, semuestran capturas de pantalla de la herramienta software utilizada en la con�guración delsistema.

Especi�caciones

El intercambio de información constituye la base de la implementación del sistema.Para la transmisión de datos se hace uso de dos dispositivos que constituyen el kit WirelessWire de la empresa Mikrotik. Cada uno de los dos dispositivos se conecta a un portátilmediante un cable Ethernet y se alimenta a través del conector de alimentación o haciendouso del switch PoE (Power over Ethernet), al que se conectan una batería y el cable Ethernetutilizado para la conexión de red. En la Tabla 4.1 se muestran las principales característicasproporcionadas por el fabricante del kit Wireless Wire.

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CAPÍTULO 4. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA, CASOS DE PRUEBA Y MEDIDAS

Tabla 4.1: Características del kit Wireless Wire MikroTik

Característica Valor

Código del producto RBwAPG-60adkitCPU 4 núcleos CPU IPQ-401

Frecuencia nominal CPU 716 MHzDimensiones 18,5 x 8,5 x 3 cm

Licencia Nivel 3Memoria RAM 256 MB

Temperaturas límite -40◦ y 70◦

Tensión de alimentación 12-57 VConsumo de potencia máximo 5 W

Ethernet 1 puerto Ethernet 10/100/1000Tasa de transferencia máxima 1 Gbps

Además de estas características, se debe mencionar el estándar WiFi empleado. En ondasmilimétricas, y, por consiguiente, en la transmisión de datos haciendo uso del kit WirelessWire, se utiliza el estándar 802.11ad, cuyas características se muestran en la Tabla 4.2.

Tabla 4.2: Características del estándar WiFi 802.11ad


Banda de frecuencias 57 GHz - 71 GHz (banda sin licencia)Ancho de banda ocupado 2160 MHz

Ancho de banda útil 1760 MHzTasa de transferencia máxima 6,75 GbpsPotencia transmitida máxima 10 dBm

Teniendo el sistema montado, se procede a con�gurar los dispositivos. Para accedera la con�guración, la empresa proporciona tanto la opción de descargar una aplicación(MikroTik WinBox) como la de acceder a la con�guración, introduciendo en la barra dedirecciones del navegador web la dirección IP de cada uno de los dispositivos (192.168.88.2para el dispositivo master y 192.168.88.3 para el dispositivo slave). La autenticación se com-prueba mediante el nombre de usuario y la contraseña proporcionados para cada dispo-sitivo. Tras realizar el acceso, se permite modi�car la con�guración por defecto, efectuarpruebas de transmisión de datos y observar grá�camente los resultados.

A continuación, en la Figura 4.1 se muestra la pantalla principal de con�guración deuno de los dispositivos, a la que se accede a través del navegador web. Se resaltan los ele-mentos principales: primeramente, se observa la dirección IP introducida para acceder a lacon�guración del dispositivo. Se mantiene el modo de funcionamiento por defecto y se ve-ri�can las direcciones físicas de ambos dispositivos conectados. Por otra parte, las posiblesfrecuencias a emplear en la comunicación son: 58320 MHz, 60480 MHz (valor por defec-to), 62640 MHz, 64800 MHz o 66000 MHz. Por último, las grá�cas proporcionadas permiten

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visualizar la calidad de la comunicación. Inicialmente, se posicionan los dispositivos en-frentados (situación LoS), observando valores elevados de calidad de la señal (95-100) y deMCS (Modulation and Coding Schemes o Sistema de Modulación y Codi�cación), que de�nela velocidad de transmisión. Estos valores dependen de las condiciones del canal de pro-pagación; de esta forma, los dispositivos negocian un MCS inicialmente alto, reduciéndosepara minimizar los efectos debidos a la distancia entre los dispositivos, a los obstáculos ointerferencias existentes o a un error de apuntamiento de las antenas que incorporan losdispositivos. En la situación NLoS mostrada en la Figura 4.1 se ha girado uno de los dispo-sitivos 180◦ respecto al eje vertical, que ha resultado en una disminución considerable delvalor de MCS, siendo inferior a 3 (los valores de MCS comprendidos entre 1 y 12 se corres-ponden con velocidades de transmisión entre 385 Mbps y 4620 Mbps [96]). Seguidamente,se regresa a la situación LoS y se observa el ajuste del valor de MCS. Por último, se girauno de los dispositivos 90◦ respecto al plano horizontal, observando nuevamente una levedisminución de los valores de MCS y Signal mostrados en las grá�cas.

Figura 4.1: Con�guración kit Wireless Wire MikroTik

Adicionalmente, se realiza una prueba de transmisión y recepción de datos aleatoriosencapsulados en paquetes TCP, haciendo uso de la herramienta proporcionada por el fa-bricante para la comprobación del ancho de banda (ventana Bandwidth Test mostrada enlas Figuras 4.2 y 4.3). En las �guras mencionadas se muestran capturas de la ejecución delsoftware WinBox. Se observa que, a diferencia de la Figura 4.2, donde se transmiten da-tos en un único sentido, en la Figura 4.3, la velocidad de transmisión disminuye a la mitad(aproximadamente 100 Mbps, respecto a 200 Mbps), debido a que la comunicación se realizaen ambos sentidos (los dispositivos transmiten y reciben datos aleatorios simultáneamente).

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Figura 4.2: Transmisión de datos aleatorios TCP

Figura 4.3: Transmisión y recepción de datos aleatorios TCP

Por último, en el Apéndice A se incluye la hoja de especi�caciones del kit WirelessWire de MikroTik. Tanto el documento mencionado como documentación adicional e in-formes sobre los dispositivos se encuentran disponibles en la página web del fabricante [97].

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Restricciones

En cuanto a las restricciones del diseño, estas vienen impuestas por la utilización delkit Wireless Wire, por sus funciones y características, y se re�eren al tamaño de la red, alalcance del sistema, a la potencia máxima transmisible y a los equipos empelados para larealización de medidas de propagación:

⋄ Tamaño de la red

El kit está compuesto por dos dispositivos, por lo tanto, el tamaño de la red está limita-do a dos nodos. Además, la licencia libre (Nivel 3) permite únicamente la transmisiónuno a uno (unicast), siendo necesario adquirir un kit adicional y la licencia Nivel 4para la comunicación entre tres o más vehículos.

⋄ Alcance

Otro aspecto limitativo se re�ere al alcance, que puede llegar al valor máximo de200 m. Esta restricción es una consecuencia de la frecuencia de trabajo de los dis-positivos (60 GHz), que se corresponde con valores de atenuación signi�cativos, e,implícitamente, del estándar WiFi empleado en ondas milimétricas (802.11ad). Entresus principales características está, por una parte, el alcance reducido, pero, por otraparte, la velocidad de transmisión que, en el presente sistema, puede alcanzar 1 Gbps.

⋄ Potencia

Otra restricción en el diseño del sistema está vinculada a las antenas empleadas porlos dispositivos en la transmisión y recepción. Estas están representadas por agru-paciones de antenas en fase (beamforming phased arrays) de 32 elementos, con lasque se consigue un valor de PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente) inferiora 40 dBm (a partir de la potencia máxima de 10 dBm impuesta por el estándar WiFi802.11ad); adicionalmente, el ángulo de cobertura es de aproximadamente 60◦ (anchode haz del lóbulo principal) o 180◦ (lóbulos secundarios).

⋄ Equipos de medida

Para las medidas de propagación, se utilizan los portátiles. Con la ayuda del ana-lizador de protocolos Wireshark, se capturan los paquetes recibidos y se obtienengrá�camente las estadísticas relacionadas con la velocidad de transmisión y con loserrores debidos a la pérdida de paquetes. Dado que los equipos de medida de radiofre-cuencia disponibles en el laboratorio no permiten el análisis de frecuencias mayoresde 40 GHz, no se pueden obtener grá�cas de potencia recibida y, por consiguiente, depérdidas por propagación.

Conociendo las características y las restricciones del sistema implementado, se proce-de a detallar los casos de prueba estudiados durante las campañas de medidas en entornovehicular y ferroviario, dedicando las dos siguientes secciones a las comunicaciones V2V yT2T, respectivamente.

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4.2. Medidas V2V

4.2.1. Realización de las pruebas para la comunicación V2V

Como se ha mencionado anteriormente, las comunicaciones entre dos o varios vehículosconstituyen actualmente el centro de interés en las comunicaciones vehiculares. Por estarazón, se ha optado por la realización de medidas en entorno vehicular, cuyo desarrollo sedetalla en el presente apartado.

En la Figura 4.4 se muestra el montaje para la comunicación entre los dos vehículos.El vehículo delantero tiene la función de transmisor (Tx), mientras que el coche trasero esel receptor (Rx). Cada vehículo lleva a bordo uno de los dos dispositivos del kit MikroTikWireless Wire, conectados a los portátiles; el transmisor está ubicado en la parte de atrásdel primer coche, mientras que el receptor se monta sobre el salpicadero del segundo, de talforma que existe visión directa entre ellos (a través de las ventanas).

Durante la realización de las medidas, los vehículos circulan en el Campus Sur, reco-rriendo distintos trayectos, como rutas rectas y curvilíneas o intersecciones. Las pruebasconsisten, por una parte, en transmisión de vídeo a través de paquetes TCP y, por otra par-te, en transmisión de datos encapsulados en datagramas UDP, cuyas características se handetallado en el capítulo anterior. Los procesos de medida se detallan a continuación:

Figura 4.4: Esquema del montaje para las medidas de la comunicación V2V

En la Figura 4.5 se muestra una captura del vídeo en la que se observa el posiciona-miento del dispositivo Wireless Wire en transmisión (en la parte trasera del vehículo). Demanera similar, se ha montado el equipo en el vehículo receptor, en la parte delantera.

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4.2. Medidas V2V

Figura 4.5: Montaje del dispositivo Wireless Wire en el transmisor

1. Primera medida: Transmisión de vídeo - comprobación del alcance

En comunicaciones V2V, el alcance de la transmisión representa un factor funda-mental. Considerando, por ejemplo, una aplicación de aviso de precolisión, el vehículodelantero debe poder transmitir la información hacia el siguiente cuando la separaciónentre ellos es su�ciente para que el conductor disponga del tiempo necesario para reac-cionar y frenar.

Por este motivo, se comienza la campaña de medidas V2V con una prueba de alcance,cuyo procedimiento se detalla a continuación:

⋄ Primeramente, se montan los equipos de transmisión y recepción según el esquemade la Figura 4.4, en los dos coches ubicados en la posición inicial de la medida:

En el transmisor:

∙ Se conecta la cámara web al portátil y se inicia la grabación del trayecto. Lacámara se posiciona en la parte posterior del coche, junto al dispositivo detransmisión, de tal forma que en la imagen se observan el vehículo receptor yel trayecto recorrido.Para la grabación y distribución del vídeo se utiliza Yawcam, un software librepara Windows, de tamaño reducido e interfaz grá�ca intuitiva. En la Figura

4.6 se muestra la opción empleada, transmisión vía streaming y los parámetrosde con�guración, como el puerto: 8081, el tipo de stream: MJPEG (Motion JointPhotographic Experts Group), el tamaño: 1280x1024 o la calidad de la imagen:100 %. La misma con�guración se aplica en las medidas ulteriores de comuni-cación V2V y T2T.

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Figura 4.6: Con�guración del software de grabación y distribución de vídeo (Yawcam)

∙ Se activa la opción de streaming (según muestra la Figura 4.6), con lo que sepermite el acceso del receptor al contenido multimedia compartido.

∙ Se habilita el sistema GPS, que proporciona información sobre el itinerario rea-lizado y sobre la velocidad de desplazamiento; adicionalmente, la herramientapermite posicionar marcadores en el mapa, con lo que se obtienen las posi-ciones del transmisor relevantes para la comunicación; asimismo, los mapaspermiten visualizar los elementos del entorno (árboles, edi�cios etc.), que in-�uyen en la propagación.

∙ Por último, previo al establecimiento de la conexión, se empieza la captura delos paquetes, para su posterior análisis e interpretación.

En el receptor:

∙ Se accede al vídeo a través del siguiente enlace: "http://192.168.88.11:8081",siendo 192.168.88.11 la dirección IP del portátil del sistema transmisor y 8081el puerto TCP (según la sintaxis del URL explicada en la sección "Transmisiónde datos", perteneciente al capítulo 3).

∙ Se realiza una grabación de pantalla del portátil para relacionar, ulteriormente,la calidad del vídeo recibido con la separación entre los coches y con el retardoen la transmisión de los paquetes.

⋄ De esta forma, se establece la conexión y se inicia el desplazamiento del transmisor,mientras que el receptor permanece en la posición inicial.

⋄ La trayectoria del coche delantero se muestra en el mapa de la Figura 4.7. Ademásdel inicio y de la �nalización de la medida, se señala en el mapa la posición en laque se pierde la comunicación entre los vehículo, determinada a partir del vídeorecibido.

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4.2. Medidas V2V

Inicio medida

Fin medida

Figura 4.7: Trayecto - Primera medida

⋄ Haciendo uso de distintas herramientas software para la representación de mapas(mostradas en las Figuras 4.8 y 4.9), se calcula el alcance del sistema en el escena-rio considerado. Se obtiene un valor de aproximadamente 88 metros, inferior a laespeci�cación del fabricante (200 metros). Sin embargo, esto se justi�ca, dado quela distancia a la que se produce la desconexión coincide con la posición en la quela trayectoria en línea recta del transmisor se convierte en una curva, lo que afectaal apuntamiento de las antenas.

Pérdida de la conexión

Figura 4.8: Mapas para el cálculo del alcancE en GPS Track - Primera medida

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Figura 4.9: Mapas para el cálculo del alcance en Google Earth - Primera medida

2. Segunda medida: Transmisión de vídeo en intersección

En la segunda medida se estudia un escenario típico en entorno vehicular: una in-

tersección. Típicamente, en las intersecciones existen diferentes obstrucciones, como,por ejemplo, árboles (que se observan en el caso de la medida realizada), semáforos,edi�cios, vehículos etc. Estos impiden la visión directa entre los coches, resultando enun retardo en el establecimiento de la conexión. Para las aplicaciones de e�ciencia y deseguridad se necesita establecer la comunicación antes de que los vehículos lleguen alpunto de intersección. De esta manera, pueden compartir en tiempo útil la informaciónsobre la velocidad y la posición de cada uno, compensando el tiempo de respuesta de losconductores.

En cuanto a la con�guración de la medida, el receptor se mantiene �jo en el puntoseñalado en la Figura 4.10 ("Posición receptor"), mientras que el vehículo transmisor seacerca a la intersección, siguiendo la ruta mostrada.

A diferencia de la prueba anterior, en esta ocasión la conexión no se establece al ini-cio, sino a partir de un cierto instante, comprobando de esta forma, la creación del enlace.El resultado idóneo hubiera sido conseguir el establecimiento de la conexión antes de lallegada del transmisor a la intersección. No obstante, a partir de la transmisión y recep-ción del vídeo, se obtiene como punto de establecimiento de conexión el indicado en losmapas de las Figuras 4.10 y 4.11 ("Establecimiento de conexión"). Se observa que la co-nexión se realiza una vez pasada la intersección por el transmisor, por lo que el sistemano presenta un comportamiento adecuado en el escenario considerado para aplicacionesde seguridad y e�ciencia.

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4.2. Medidas V2V

Posición receptor Fin medida

Inicio medida

Figura 4.10: Trayecto en Geo Tracker - Segunda medida

Figura 4.11: Trayecto en Google Earth - Segunda medida

Adicionalmente, en esta medida se ha podido comprobar la in�uencia del trá�co vehi-cular. Tras el establecimiento de la conexión, un tercer vehículo, siguiendo la trayectoriadel transmisor, se interpone entre este y el receptor, provocando interferencia y pérdidade la conexión. En la Figura 4.12 se captura el instante de la pérdida de conexión. Elreceptor se encuentra detrás del vehículo marcado como "Interferencia", que obstruye lavisión entre este y el transmisor. Una vez pasado el vehículo, se detiene el transmisor yse acerca el receptor, observando, nuevamente, el establecimiento de la conexión.

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Figura 4.12: Instantánea del vídeo recibido en el instante de la pérdida de conexión

3. Tercera medida: Transmisión de paquetes UDP

A continuación, se modi�ca el tipo de datos y el protocolo de transporte emplea-do, realizando una transmisión de datos a través de datagramas UDP. Se desplazan losvehículos simultáneamente, uno detrás del otro. En el mapa de la Figura 4.13 se resaltael trayecto recorrido alrededor del campus.

Figura 4.13: Trayecto - Tercera medida

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4.2. Medidas V2V

Para transmitir los datos, se emplea la herramienta Jperf, un programa cliente-servidorque se puede describir como la interfaz grá�ca del comando Iperf. En la Figura 4.14 semuestra la con�guración del programa en el receptor como servidor. De manera similar,se con�gura el transmisor como cliente.

Figura 4.14: Jperf - Con�guración del servidor para la transmisión UDP

En la Figura 4.15 se remarca una captura de la interfaz Jperf realizada en el equi-po cliente durante el desplazamiento de los vehículos, que proporciona datos sobre lavelocidad instantánea de transmisión.

Figura 4.15: Jperf - Resultados mostrados por el cliente durante la transmisión

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En las Figuras 4.16 y 4.17 se muestra el informe del programa, al �nalizar el trayecto,en el cliente y en el servidor, respectivamente. Se observa que, aunque el cliente sigueenviando paquetes, a partir del segundo 153 de la transmisión, estos no llegan al servidor,debido a la interrupción de la conexión durante el trayecto.

Figura 4.16: Informe de la transmisión de paquetes UDP en comunicación V2V en el cliente

Figura 4.17: Informe de la transmisión de paquetes UDP en comunicación V2V en elservidor

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4.2. Medidas V2V

4. Cuartamedida: Transmisión del vídeo durante el desplazamiento de ambos vehícu-

los alrededor del campus

Finalmente, para concluir la campaña de medidas en entorno vehicular se ha optadopor veri�car el funcionamiento del sistema, a través de la transmisión de vídeo, durante laconducción de los vehículos; a lo largo del trayecto se encuentran dos curvas, por lo quese comprueban las prestaciones del enlace en este escenario, frecuentemente encontradoen las comunicaciones V2V. Se comienza el trayecto en la posición mostrada en el mapay se realiza la ruta señalada: Figura 4.18.

Iniciomedida Fin medida

Transmisión en curva

Figura 4.18: Trayecto - Cuarta medida

Dado que, en este caso, el trayecto tiene una longitud mayor que en las pruebas an-teriores, se muestran en la Figura 4.19 las estadísticas de distancia, velocidad y altitud,proporcionadas por la aplicación de posicionamiento. Resumiendo, la distancia total re-corrida por los vehículos es de 0,9 km, la velocidad media durante el desplazamiento esde 30 km/h y la altitud se mantiene relativamente constante.

Figura 4.19: Estadísticas del trayecto - Cuarta medida

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La metodología de medida es semejante al caso anterior. El transmisor circula delantedel receptor, con separación variable durante el recorrido, transmitiendo, esta vez, elvídeo. En la Figura 4.20 se observa el establecimiento de la conexión (el Three-wayhandshake explicado en el capítulo anterior). Una vez creado el enlace, se comienza elenvío de paquetes TCP, con los datos necesarios para la recepción del vídeo.

Figura 4.20: Cuarta medida - Establecimiento de conexión entre los vehículos

En las Figuras 4.21 y 4.22 se muestran capturas de pantalla realizadas simultánea-mente en el portátil del sistema de transmisión y en el de recepción, respectivamente. Elinstante capturado se corresponde con la conducción de los vehículos en la parte curvi-línea del trayecto, observando la recepción del vídeo, a pesar de la falta de apuntamientode las antenas.

Figura 4.21: Instantánea del vídeo transmitido en la curva

Figura 4.22: Instantánea del vídeo recibido en la curva

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4.2. Medidas V2V

Una adecuada calidad en la recepción del contenido multimedia constituye un indica-dor sobre el correcto funcionamiento del sistema. Sin embargo, se necesita una medidamás precisa de la propagación, por lo que se realiza el análisis de los paquetes TCP

enviados entre los dos nodos de la comunicación. En concreto, se realiza un análisis es-tadístico, representando grá�camente el trá�co de entrada/salida en el transmisor. Se�ltran los paquetes por las direcciones IP y los puertos de origen y destino; se muestrantres representaciones grá�cas correspondientes al valor mínimo, medio y máximo deRTT (eje vertical en la grá�ca de la Figura 4.23), calculado en cada segundo, en funcióndel tiempo transcurrido desde el inicio de la transmisión (eje horizontal).

Figura 4.23: Cuarta medida - RTT Transmisión de vídeo

Como se observa en la grá�ca, el retardo de la transmisión mantiene, en la mayorparte del trayecto, un valor constante, inferior a 40 ms. Sin embargo, en el intervalo detiempo comprendido entre 60 s y 80 s, el valor de RTT aumenta considerablemente, hastaun valor máximo de 863,7 ms, señalado en la grá�ca de la Figura 4.23. Se comparandichos instantes de tiempo con el vídeo recibido y se constata que se corresponden conla curva señalada en la Figura 4.18 ("Transmisión en curva") y mostrada en las capturasdel vídeo (Figuras 4.21 y 4.22). Se ha de mencionar que, en la curva, la calidad de larecepción del vídeo empeora (se aprecian discontinuidades en la imagen captada), perono se produce una pérdida de conexión, lo que se puede considerar un comportamientorazonable del enlace.

4.2.2. Interpretación de los resultados

A continuación se presentan de manera resumida los resultados de las medidas V2V. Lasgrá�cas mostradas y los parámetros obtenidos anteriormente se acompañan de explicacio-nes, interpretaciones y comparaciones con estudios previos sobre el canal de propagación,mencionando las diferencias y similitudes en cuanto a especi�caciones de diseño, con�gu-ración, equipamiento y resultados.

En el aparatado anterior se han explicado las cuatro pruebas realizadas, correspondien-tes a escenarios típicos de comunicación V2V: comprobación del alcance, establecimiento

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de conexión en la intersección y desplazamiento simultáneo de los vehículos, enviando pa-quetes TCP y UDP.

En la primera prueba se ha estimado un alcance del sistema de aproximadamente 88

m. Aunque no cumple con los requisitos mínimo de 300 m impuestos por MEMA (Motor &Equipment Manufacturers Association) [98], el resultado es razonable, puesto que este valorde distancia es su�cientemente alto para ciertas aplicaciones, como el platooning.

El resultado de la segunda medida no ha sido favorable, dado que la comunicación no seha establecido en tiempo útil. No obstante, una posible recti�cación de la medida sería mo-di�car el posicionamiento de la antena, en la parte delantera del vehículo que entra en la in-tersección. De esta forma, se conseguiría la visión directa entre los coches con anticipación.Por otra parte, durante esta prueba, se ha comprobado la comunicación con interferencia,producida por los participantes al trá�co. Se ha constatado que, mientras el vehículo se in-terpone entre el transmisor y el receptor, obstruyendo la visión directa, la comunicación nose establece.

Al �nalizar la tercera parte, basada en el envío de paquetes UDP, se obtiene un resultadodesacertado, puesto que se produce una pérdida irremediable de la conexión, a la mitad dela transmisión. No se recibe un informe por parte del servidor, por lo que no se puedenobtener las estadísticas de la conexión.

En la cuarta y última prueba se ha analizado la comunicación, desplazando los vehícu-los a lo largo de la trayectoria mostrada en el mapa de la Figura 4.18, que presenta zonascurvilíneas. Se ha con�rmado el funcionamiento del sistema en estas condiciones. A pesarde mínimas discontinuidades en la recepción del vídeo, la conexión se ha mantenido ín-tegramente, durante todo el recorrido de aproximadamente un kilómetro de longitud. Losvalores de latencia obtenidos se encuentran, en condiciones de recepción ininterrumpidadel vídeo, por debajo de 40 ms, pudiendo alcanzar valores superiores a 800 ms, en ins-tantes correspondientes a discontinuidades en la recepción. Los valores numéricos de losresultados obtenidos se resumen en la Tabla 4.3.

Tabla 4.3: Resumen de los resultados de las medidas V2V

Parámetro Valor

Alcance 88 metrosLatencia media <40 msLatencia máxima 863,7 ms

Velocidad media de transmisión en UDP 350 MbpsJi�er 0,003 ms - 0,284 ms

Por lo tanto, a partir de la campaña de medidas en entorno vehicular, se han obtenido,por una parte, resultados positivos, de gran utilidad en la evaluación y caracterización delcanal de propagación en ondas milimétricas (como valores de alcance y latencias) y, porotra parte, resultados que carecen de efectividad, dado que haría falta ampliar y diversi�carel número de medidas efectuadas, empleando ciertas modi�caciones (en el caso de la inter-sección o de la transmisión de paquetes UDP). Recapitulando, las medidas efectuadas, losresultados extraídos y sus respectivas interpretaciones representan una etapa inicial en eldesarrollo de un sistema complejo de comunicación V2V.

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4.3. Medidas T2T

4.3. Medidas T2T

4.3.1. Realización de las pruebas para la comunicación T2T

En este apartado se detalla el funcionamiento del sistema en entorno ferroviario.La alta necesidad de sustituir las conexiones cableadas, propensas a deteriorarse con el

tiempo, por enlaces radio, sitúa el acoplamiento virtual entre las aplicaciones de mayorinterés en la actualidad.

Por esta razón, se ha optado por veri�car el comportamiento de la comunicación

entre dos trenes, empleando, en una primera campaña de medidas, el mismo equipamien-to que en el caso de la transmisión entre vehículos y, en una segunda situación, los equiposde radiofrecuencia (con un procedimiento de medida distinto).

1. Primera medida: Transmisión de vídeo LoS - comprobación del alcance

Por concordancia con las medidas entre vehículos, se comprueba, primeramente, elalcance del sistema en condiciones de visión directa, en el interior del tren.

Esta primera prueba consiste en el envío de un vídeo grabado en tiempo real desdeel sistema transmisor (situado al inicio del tren, apuntando hacia el �nal) al sistema re-ceptor (que realiza un camino de ida y vuelta entre el inicio y el �nal del tren, situadoaproximadamente a la misma altura que el transmisor).

En el sistema receptor, se accede al vídeo distribuido por el transmisor a través delURL "http://192.168.88.11:8081", de manera similar a las medidas V2V. Una vez estable-cida la conexión, se comienza el desplazamiento del equipo receptor, revisando constan-temente la imagen recibida por este.

Se observan en la grá�ca de la Figura 4.24 los valores mínimos, medios y máximosde RTT.

Figura 4.24: RTT de los paquetes TCP para la transmisión de vídeo en el interior del tren

Como era de esperar, la recepción del vídeo no sufre interrupciones en ningún mo-mento y el valor de RTT obtenido para todos los paquetes no supera 46 ms (según se

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aprecia en la Figura 4.24, en ciertos instantes), siendo generalmente inferior a 5 ms.Esto se debe a que la longitud total del tren es de 60 m (por debajo del alcance máximoespeci�cado por el fabricante del kit Wireless Wire MikroTik). Además, la propagaciónes con visión directa y las ondas tienden a presentar un comportamiento guiado dentrodel tren.

2. Segunda medida: Transmisión de vídeo NLoS - comprobación del alcance

A continuación, se describe la segunda prueba efectuada en esta campaña de medidas.Se modi�ca la con�guración de modo que el receptor se mantiene �jo en la posición

del transmisor de la medida anterior, mientras que el transmisor se traslada al exteriordel tren. En el instante inicial de la comunicación, los equipos están situados en paralelo,uno en el interior y el otro en el exterior del tren. Se comienza el desplazamiento deltransmisor en línea recta hacia el �nal del tren, mientras se está realizando la grabacióndel trayecto recorrido. Esta se envía nuevamente al receptor, en tiempo real, a través delmismo URL, para la posterior comprobación. Asimismo, en el equipo de transmisión, secapturan los paquetes TCP enviados y se representan, nuevamente los valores de RTT enlas grá�cas de la Figura 4.25 (grá�ca completa, que contiene el valor máximo de RTT,igual a 2,1 segundos, correspondiente a la desconexión) y de la Figura 4.26 (grá�caampliada, para observar los valores de RTT durante la transmisión).

Tanto en la representación grá�ca del trá�co TCP como en el vídeo recibido se mues-tra el instante de tiempo (hora, minuto y segundo de la transmisión). De esta forma, serelaciona el momento en el que se observa la interrupción completa del vídeo (pérdida dela conexión) con el valor de RTT registrado en ese mismo instante. Por otra parte, obser-vando la imagen recibida, se obtiene la posición del transmisor, con lo que se determinael alcance del sistema para este escenario. Se obtiene un valor de aproximadamente 22

metros. Las pérdidas se deben, por una parte, a la interferencia producida por el tren y,por otra parte, a la falta de apuntamiento de las antenas.

Figura 4.25: RTT de los paquetes TCP para la transmisión de vídeo en el exterior del tren:grá�ca completa

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4.3. Medidas T2T

Figura 4.26: RTT de los paquetes TCP para la transmisión de vídeo en el exterior del tren:grá�ca ampliada

3. Tercera medida: Transmisión de datos en datagramas UDP

La última medida que se realiza con este sistema consiste en el envío de paquetesUDP, empleando la herramienta Jperf. El equipo que se mantiene �jo se con�gura comoservidor y el que se desplaza, como cliente. La con�guración del cliente se muestra en laFigura 4.27.

Figura 4.27: Jperf - Con�guración del cliente para la transmisión UDP

Se comienza el desplazamiento, de manera similar a la primera medida en entornoferroviario y se observan los resultados mostrados por la aplicación. El informe �nal semuestra de manera resumida en la Figura 4.28. Se detecta una transmisión de 10020922

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paquetes, de los que un 7,4 % se han perdido y 0,019% han llegado desordenados. La ve-locidad de transmisión se encuentra alrededor de 0,7 Gbps (el valor máximo especi�cadopor el fabricante era de 1 Gbps) y la �uctuación de retardo (o jitter) es de 0,088 ms. Estavariación en los valores de retardos de los paquetes recibidos en UDP es equivalente a lavariación del RTT obtenida anteriormente en TCP. En redes MANET, se emplean valoresaleatorios de jitter en los transmisores para evitar el sincronismo que puede ocasionaruna sobrecarga de la red [99].

Figura 4.28: Informe de la transmisión de paquetes UDP en comunicación T2T

4. Caracterización de las pérdidas por propagación - bandas UHF y SHF

Además de la propagación en ondas milimétricas analizada en las tres pruebas ante-riores, se ha estudiado la comunicación T2T para frecuencias más bajas, de 900 MHz,2,4 GHz (banda UHF) y 5,7 GHz (banda SHF). En este caso, se han facilitado los datosextraídos de una campaña de medidas efectuada previamente por el Grupo de Radio-

comunicación. A partir de los datos de tiempo, velocidad y potencia recibida, se realizael procesado en Matlab y se obtiene el ajuste de la curvas de pérdidas por propagación,según el modelo log-distancia. Dado que se observan pérdidas por desvanecimiento degran escala, se añade el término correspondiente (�) en el modelo log-normal. En elApéndice D se incluye el artículo publicado [100], en el que se presenta una descrip-ción detallada del proceso de medida, del procesamiento de los valores extraídos y de losparámetros resultantes.

En perspectiva, las medidas proporcionadas se realizan en el Metro de Madrid, entredistintas estaciones de la Línea 10, estudiando el comportamiento del canal de propaga-ción en el túnel. En el montaje del sistema se ha hecho uso de dos trenes; uno de elloscumple el rol de transmisor, que se mantiene �jo y, el otro, de receptor, que se va ale-jando. Asimismo, en el artículo publicado, se obtienen y se comparan los valores paralos parámetros del modelo de pérdidas, en función del tipo de túnel (en línea recta o en

56

4.3. Medidas T2T

curva) y de la frecuencia de trabajo (900 MHz o 2400 MHz). En el caso del túnel en líneacurva, se ha empleado un modelo de dos pendientes, correspondientes a las zonas enlínea recta (LoS) y línea curva (NLoS), respectivamente. Se han estudiado dos escenariosadicionales: el paso del tren por una estación y la presencia de una interferencia en la co-municación, ocasionada por la presencia de un tercer tren, obteniendo las atenuacionesadicionales generadas. La utilidad del estudio reside en la caracterización del comporta-miento del canal de propagación, a través de los valores de parámetros proporcionados;a partir de las atenuaciones estimadas y según las prestaciones exigidas, se puede con�-gurar el sistema de transmisión para cumplir los requisitos de la comunicación.

Sin embargo, además de estos dos valores de frecuencia considerados (900 MHz y2400 MHz), durante la campaña de medidas, se ha medido la potencia recibida tambiénen 5,7 GHz, en un túnel, en línea recta. Disponiendo de estos datos, se completa el estudiopublicado, añadiendo las grá�cas y los parámetros de la propagación a la frecuencia de5,7 GHz.

Las grá�cas de medidas representadas en Matlab se ajustan conforme al modelo log-normal, indicado anteriormente en la Expresión 3.12. Primeramente, se muestra la grá-�ca de la potencia recibida (Figura 4.29). Se observa la similitud con la grá�ca teóricamostrada en el tercer capítulo (Figura 3.4). El entorno estudiado presenta pérdidas porpropagación, desvanecimientos y componentes multitrayecto signi�cativas, dado queen el túnel la propagación es guiada (exponente de pérdidas inferior a 2), con fuertesre�exiones en el techo y en las paredes que rodean los trenes.

Figura 4.29: Potencia recibida en túnel recto a 5700 MHz

Seguidamente, la grá�ca del Path Loss (Figura 4.30) muestra, por una parte, las pér-didas por propagación calculadas como la diferencia entre la potencia transmitida y larecibida y, por otra parte, el ajuste del modelo log-distancia a la medida de Path Loss.El ajuste se ha obtenido utilizando la herramienta Curve Fitting disponible dentro de lapestaña Apps de Matlab.

57


Figura 4.30: Pérdidas por propagación en túnel recto a 5700 MHz

En la Tabla 4.5 se muestran los valores de los parámetros del modelo, en función delescenario (túnel en línea recta o curva) y de la frecuencia (las frecuencias estudiadas enel artículo: 900 MHz y 2400 MHz y el nuevo valor de frecuencia de 5700 MHz).

En 5,7 GHz se obtienen pérdidas iniciales superiores a las calculadas para 900 MHzy para 2,4 GHz, que es concorde con las conclusiones extraídas en el artículo citado. Elvalor para el exponente de pérdidas determinado es inferior a 2, siendo coherente con lapropagación guiada de las ondas dentro del túnel.

4.3.2. Interpretación de los resultados

A continuación, se sintetizan las campañas de medidas realizadas en entorno ferroviario.Primeramente, se ha comprobado el funcionamiento de la tecnología en ondas milimé-

tricas, haciendo uso del kit Wireless Wire, utilizado también en la comunicación V2V. Seha comenzado analizando la transmisión tanto de paquetes TCP (streaming de vídeo) comoUDP en el interior del tren. Seguidamente, se ha comprobado el funcionamiento del sistemaentre el receptor (ubicado en el interior del tren) y el transmisor (desplazado al exterior).

En segundo lugar, a partir de una campaña de medidas realizada con anterioridad porel Grupo de Radiocomunicación, se han procesado los valores extraídos de los equipos demedida, comprobando el ajuste al modelo de pérdidas por propagación.

A partir de las medidas efectuadas, se han obtenido valores de latencia en la transmisiónque, en el caso de propagación en el interior del tren se encuentran alrededor de 5 ms (conexcepciones circunstanciales, cuando el retardo de propagación alcanza valores de 46 ms).En el exterior del tren se obtienen valores similares en la primera parte de la comunicación,en la que la propagación se realiza con visión directa (atravesando las ventanas del tren).Sin embargo, al alejarse el transmisor, el retardo incrementa, llegando hasta un máximo de2 segundos, debido a la pérdida de la conexión, a una distancia de 22 metros del recep-tor. Comparando los resultados con estudios previos, los valores de retardo obtenidos seaproximan a las latencias obtenidas en [101], que varían entre 15 y 20 ms.

Adicionalmente, en el caso del protocolo UDP, la velocidad de transmisión es superiora los valores obtenidos en [101], pero, al igual que en el artículo citado, se remarca unadiferencia entre la velocidad de transmisión y de recepción, debida a los paquetes perdidos.

58

4.3. Medidas T2T

La tasa de paquetes perdidos es inferior al 10%, que se ajusta a los valores obtenidos enen [101]; sin embargo, en otros estudios ([95], [102]) los porcentajes de paquetes perdidosalcanzan el 50 %. Esto se debe a la congestión en los nodos de la red. Dado que el sistema es-tudiado se compone de únicamente dos nodos, la congestión disminuye considerablemente,obteniendo el valor exacto de 7,4 %. A modo de resumen, en la Tabla 4.4 se muestran losresultados numéricos de las medidas realizadas.

Tabla 4.4: Resumen de los resultados de las medidas T2T

Medidas TCP

Parámetro Valor

Latencia media LoS <5 msLatencia máxima LoS 45,85 msLatencia media NLoS <5 msLatencia máxima NLoS 2100 msAlcance NLoS 22 m

Medida UDP

Parámetro Valor

Velocidad media de transmisión 740 MbpsVelocidad media de recepción 680 MbpsJi�er 0,088 msNúmero de paquetes enviados 10020922Porcentaje paquetes perdidos 7,4 %Número de paquetes desordenados 1894

Finalmente, se ha completado el artículo publicado con una medida adicional de la pro-pagación en entorno ferroviario, a una frecuencia de trabajo de 5,7 GHz. Siendo esta inferiora 40 GHz, se ha podido medir la potencia recibida, empleando los equipos de medida dispo-nibles en el laboratorio; a partir de los valores extraídos, se ha ajustado la grá�ca de pérdidaspor propagación al modelo log-distancia. Se han determinado los parámetros que de�nenel modelo y se han comparado con resultados previos. Los resultados se han representadode forma grá�ca (Figuras 4.29 y 4.30) y estructurados en una tabla comparativa: (Tabla4.5). El código en Matlab escrito para la realización de las grá�cas y la obtención de losparámetros se muestra en el Apéndice B.

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Tabla 4.5: Parámetros del modelo de pérdidas por propagación

Túnel Frecuencia = 900 MHz

n P (dB) � (dB)

Línea

recta

Máx 1,26 27,376,23Medio 1,14 24,81

Mín 1,02 22,24

n1 n2 P1 (dB) P2 (dB) �1 (dB) �2 (dB)

Línea

curva

Máx 1,05 3,62 46,87 54,067,92 5,91Medio 0,83 3,05 43,24 52,79

Mín 0,60 2,49 39,61 51,51


n P (dB) � (dB)

Línea

recta

Máx 1,17 35,885,45Medio 1,07 38,12

Mín 0,97 40,36

n1 n2 P1 (dB) P2 (dB) �1 (dB) �2 (dB)

Línea

curva

Máx 1,14 5,75 48,61 65,625,84 4,22Medio 1,01 5,11 46,30 64,68

Mín 0,88 4,47 44,00 63,75


n P (dB) � (dB)

Línea

recta

Máx 1,532 46,916,20Medio 1,408 44,28

Mín 1,283 41,66

60

4.4. Conclusiones

4.4. Conclusiones

Resumiendo, en este capítulo se realiza una descripción general del sistema, especi�can-do sus respectivas características y restricciones; se presenta el equipamiento empleado enla realización de las medidas y las herramientas utilizadas para el procesado y la obtenciónde los resultados.

Concretamente, en las medidas en entorno vehicular se usa el kit Wireless Wire de Mi-kroTik, que consiste en dos módulos con�gurados como transmisor y receptor, respectiva-mente, montados en cada uno de los vehículos. Estos dispositivos se alimentan a través delconmutador PoE y se conectan a los portátiles, que realizan las funciones necesarias parael intercambio de datos. Además, el sistema de transmisión incluye una cámara web para lagrabación durante la circulación de los vehículos. El contenido multimedia captado de estaforma se envía en tiempo real al receptor, obteniendo una representación visual del com-portamiento de la señal en los diferentes escenarios de prueba. Los paquetes que circulanpor la red se capturan en el analizador de protocolos, Wireshark, y los valores de latenciase representan grá�camente an Matlab. Además de la transmisión de vídeo, empleando elprotocolo TCP, se comprueba el funcionamiento del sistema enviando datagramas UDP,generadas por la aplicación Jperf.

Se realizan cuatro pruebas diferentes y se interpretan los resultados extraídos en cadacaso. Principalmente, se obtiene un valor de alcance del sistema de 88 metros y se com-prueban sus puntos fuertes (como la funcionalidad durante largos trayectos, en curvas o larecuperación automática de la conexión) o débiles (pérdida de conexión durante el envíode paquetes UDP o el retardo en el establecimiento de conexión en la intersección). De estaforma, queda sintetizado el apartado de medidas V2V.

Por otro lado, las medidas efectuadas en entorno ferroviario se pueden dividir en dostipos, según los aspectos analizados:

En la primera campaña de medidas se opta por el estudio del canal en ondas milimétricas,empleando la misma con�guración que en las pruebas entre vehículos, realizando envío dedatos encapsulados en paquetes TCP o UDP. Nuevamente, se obtienen valores de latencia yalcance, comprobando el funcionamiento del sistema tanto en el interior como en el exteriordel tren.

La última prueba descrita pertenece a una campaña de medidas anterior y analiza elcanal en términos de potencia recibida y modelos de pérdidas por propagación, para fre-cuencias pertenecientes a las bandas UHF y SHF. La circulación se realiza en línea recta ycurva, dentro del túnel, en el Metro de Madrid. Los sistemas de transmisión y recepción semontan sobre dos trenes, manteniendo uno de ellos �jo, mientras el otro se aleja, registran-do los valores de potencia recibida al aumentar la separación entre ellos. Se amplía el estudioempezado en el artículo publicado, mostrado en el anexo �nal de este documento, con elanálisis en 5,7 GHz, comparando los resultados. A diferencia de las pruebas en la frecuenciade 60 GHz, en este caso es posible utilizar los equipos de radiofrecuencia del laboratoriopara obtener los valores de potencia recibida. A partir de los resultados, se ajustan las grá-�cas al modelo de pérdidas por propagación log-normal, mostrando las representacionesgrá�cas y las tablas de parámetros correspondientes.

En conclusión, las medidas realizadas han contribuido sustancialmente a la obtenciónde los objetivos del trabajo. Se han extraído y se han interpretado los resultados correspon-dientes a cada una de las pruebas efectuadas tanto en el entorno vehicular como ferroviario,obteniendo las respectivas conclusiones.

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62

Capítulo 5

Desarrollo del sistema emulador

Previamente, se ha mencionado la necesidad de acompañar los estudios sobre el canalde propagación con una herramienta capaz de abarcar las características del entorno, depredecir el comportamiento del canal y de evaluar la viabilidad del sistema.

Como se ha mencionado en el tercer capítulo, "Marco tecnológico", un modelo de pro-pagación ampliamente utilizado en los estudios sobre el canal en entorno vehicular es elmodelo log-normal. A partir de campañas de medidas, se puede obtener la potencia recibi-da y, por lo tanto, las pérdidas por propagación. Representando y ajustando grá�camente losresultados, se determinan los valores para los parámetros del modelo. La utilidad de estosvalores se puede potenciar si se dispone de una herramienta para extrapolar los resultadosa distintos escenarios y entornos.

Como respuesta a esta necesidad, se desarrolla en Matlab, concretamente en App Desig-ner, un sistema emulador que, a partir de la con�guración del usuario, proporciona resulta-dos grá�cos, aplicando los fundamentos teóricos de la propagación en los distintos entornosde comunicación, para las diferentes estructuras de la red.

Además de la herramienta software, se propone el desarrollo de la parte hardware delemulador, que consiste en elementos capaces de proporcionar estimaciones sobre la propa-gación de una señal, a partir de los datos recibidos por parte de la aplicación.

En los siguientes apartados se presentan la interfaz y el funcionamiento del programa yse muestran esquemas para la implementación de los componentes hardware. En el Apén-dice C se indican fragmentos del código escrito en Matlab para controlar el funcionamientode la aplicación.

5.1. Descripción del emulador

La herramienta MATLAB App Designer representa un entorno de desarrollo de apli-caciones con interfaz grá�ca de usuario, disponible a partir de la versión R2016a. En laFigura 5.1 se muestra la interfaz creada para facilitarle al usuario el uso del emulador, evi-denciando sus partes integrantes (grá�cas, botones de opción, menús, selectores, camposnuméricos etc.) y sus respectivas funcionalidades.

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CAPÍTULO 5. DESARROLLO DEL SISTEMA EMULADOR

Figura 5.1: Interfaz del emulador

En la Figura 5.2 se presenta un diagrama con los estados de ejecución del emulador. Elprograma arranca en el estado "Inicio". Al pulsar "Run", se comienza el cálculo de los pará-metros y la representación grá�ca de los valores obtenidos. La ejecución se puede detenertemporalmente (al pulsar "Pause") o parar completamente (pulsando "Stop").

Figura 5.2: Diagrama de estados del emulador

El principio de funcionamiento es el siguiente: se simula la circulación de tres cochessobre tres vías rectilíneas y paralelas (grá�ca superior en la Figura 5.1). El usuario se-lecciona la con�guración deseada (tipo de escenario, frecuencia de trabajo, distancia total,separación entre las vías, sentido de desplazamiento, posición inicial, potencia transmitiday velocidad constante de cada coche) e inicia la ejecución del emulador, pulsando Run.

Concretamente, las opciones de entorno que la aplicación proporciona por defecto alusuario están restringidas a los escenarios analizados en el estudio [103], que se ha utili-zado como referencia. En dicho estudio, se ha considerado la propagación LoS y NLoS, ados frecuencias de portadora (700 MHz y 5,9 GHz), en cinco escenarios: urbano de alta

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densidad, urbano de baja densidad, suburbano, rural y carretera. A partir de las medi-das efectuadas a ambas frecuencias, en los entornos especi�cados, se han obtenido valoressustitutivos en la expresión del modelo log-normal para los parámetros P0 (las pérdidas porpropagación en dB a una distancia de referencia d0), n (el exponente de pérdidas) y X� (lavariable aleatoria con distribución Gaussiana de media cero y desviación estándar �). Porlo tanto, se utilizan los resultados propuestos por el estudio citado para la obtención de losvalores de potencia recibida que se van a representar grá�camente (grá�ca inferior en laFigura 5.1).

Sin embargo, además de los escenarios por defecto, con valores �jados para los paráme-tros del modelo, se le proporciona al usuario la opción de personalizar el entorno, a partirde sus propias medidas o simulaciones. De esta forma, si se opta por la personalizacióndel entorno, se debe seleccionar la opción Custom para el tipo de escenario, con lo que sehabilita la edición de los siguientes campos dentro del bloque "Entorno" de la Figura 5.1:frecuencia de trabajo, pérdidas por propagación iniciales, exponente de pérdidas ydesviación.

A modo de ejemplo, se realiza una ejecución del programa y se muestran los resultadosparticularizados para la con�guración mostrada en la Tabla 5.2.

Además del entorno (visibilidad y escenario) y de la frecuencia de trabajo, se puedencon�gurar los siguientes parámetros: -

⋄ Distancia total: se re�ere a la longitud total en km del camino sobre el que estáncirculando los vehículos;

⋄ Anchura de las líneas: se especi�ca en metros y se añade al cálculo de la distan-cia relativa entre dos vehículos (considerando que los coches están circulando por lamitad de la vía);

⋄ Sentido de desplazamiento: partiendo de una posición inicial, los vehículos circu-lan hasta el extremo del trayecto, hacía la derecha o hacía la izquierda, siguiendo laslíneas horizontales, que representan las vías de circulación en el esquema superior(Figura 5.1);

⋄ Posición inicial: el valor en km de la posición de cada uno de los vehículos sobre sucarril en el instante inicial; puede tomar valores comprendidos entre 0 km (extremoizquierdo de la vía) y el valor de la longitud total (extremo derecho de la línea);

⋄ Potencia transmitida: es el valor de la PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalen-te) en dBm transmitida por cada vehículo hacia su receptor; restando a este valor laspérdidas por propagación calculadas con el modelo log-normal, se obtiene la grá�cade potencia recibida entre cada dos vehículos mostrada en la Figura 5.3;

⋄ Velocidad: permite añadir el valor de la velocidad constante de desplazamiento decada vehículo en km/h; además, a partir de los valores de velocidad relativa y de lafrecuencia de trabajo se calculan los valores máximos del desplazamiento Doppler,correspondientes a cada enlace: fd12, fd23 y fd31.

En cuanto a la comunicación, se establecen tres enlaces entre cada dos vehículos (parejatransmisor-receptor: V1-V2, V2-V3 y V3-V1); se determina el módulo del valor máximo de lafrecuencia Doppler, se calcula y se representa la potencia recibida, considerando los enlacessegún se muestra en la Tabla 5.1.

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Tabla 5.1: Enlaces del sistema emulador

Enlace Transmisor Receptor Frecuencia Doppler Potencia recibida

1 V1 V2 fd12 Prx122 V2 V3 fd23 Prx233 V3 V1 fd31 Prx31

Tabla 5.2: Ejemplo de con�guración del emulador

Parámetro con�gurable Valor

Entorno

Visibilidad LOS

Escenario Urbanoalta densidad

Frecuencia 5,9 GHzDistancia total 2 kmAnchura de las líneas 3 m

Vehículo 1

Sentido dedesplazamiento

Derecha

Posición inicial 0 kmPotencia transmitida 10 dBmVelocidad 80 km/h

Vehículo 2


Derecha


Vehículo 3


Izquierda


Se introducen estos parámetros en sus correspondientes cuadrículas de la interfaz deusuario y se observa que, en ambas grá�cas, los valores de los ejes se reajustan:

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⋄ En el esquema de los tres coches, el eje horizontal representa la distancia recorridapor los coches, de forma que su límite superior coincide con el valor de la distanciatotal introducida como parámetro de con�guración;

⋄ En la grá�ca de potencia recibida, se autorregula el eje horizontal correspondiente altiempo, cuyos valores se determinan a partir de la distancia total y de la velocidad delos coches. El extremo derecho del eje marca el tiempo máximo necesario para quetodos los coches alcancen el destino. En este ejemplo, en particular, el tiempo máximomostrado en la grá�ca (90 segundos) está establecido por el vehículo 1, que recorre lamayor distancia con la menor velocidad (2 km con 80 km/h).

A continuación, se pulsa Run y se espera la ejecución completa de la simulación. En laFigura 5.3 se muestra el resultado �nal.

Figura 5.3: Ejemplo de funcionamiento del emulador

Interpretando el esquema del desplazamiento de los vehículos y la grá�ca de la potenciarecibida, se explica el funcionamiento del emulador.

⋄ Vehículos

Para los vehículos numerados 1 y 2 (azul y rojo, respectivamente) se había con�guradola posición inicial en 0 km y el sentido de desplazamiento hacia la derecha, por locual su posición �nal, tras la ejecución del programa, está en 2 km, que coincide conla longitud total de los trayectos. Por lo contrario, el vehículo 3 inició la circulaciónpartiendo del extremo �nal del camino, hacia la izquierda, �nalizando el recorrido enla posición correspondiente a 0 km.

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⋄ Potencia recibida

En la segunda grá�ca se representan las potencias recibidas en los tres enlaces descri-tos (en magenta se ha trazado la potencia recibida por el segundo coche, en naranja- por el tercero - y, por último, en verde, la potencia recibida por el primer vehículo).Las variaciones rápidas de potencia se deben al parámetro de desviación estándar delmodelo log-normal.

Analizando primero la potencia recibida 1-2 (línea magenta), se observa que comien-za con un valor alto (de aproximadamente -50 dBm), puesto que ambos vehículos seencuentran en 0 km, separados únicamente por la anchura de la línea. Teniendo encuenta la diferencia de velocidades entre ambos vehículos, la grá�ca presenta un con-tinuo decrecimiento a lo largo del tiempo, hasta el momento en el que el vehículo 2alcanza el �nal del trayecto y se detiene. A partir de ese instante el primer vehículo co-mienza a acercarse al segundo, por lo que la grá�ca presenta una pendiente positiva,aumentando hasta el valor máximo obtenido al principio.

Adicionalmente, se contrastan las grá�cas de potencia recibida correspondientes, poruna parte, a la comunicación entre el tercer coche y el primero (en verde) y, por otraparte, al enlace entre el segundo coche y el tercero (en naranja). Estas presentan laparticularidad de que el tercer vehículo circula en sentido opuesto a los demás. Por lotanto, ambas grá�cas (Prx13 y Prx23) muestran un comportamiento similar, incremen-tando progresivamente, hasta alcanzar un valor máximo, a partir del cual continúansu trayectoria, disminuyendo. Las diferencias residen, por una parte, en los valoresdel eje de tiempos en los que se producen los máximos y, por otra parte, en el valor dela potencia en dichos instantes. Dado que el tercer coche se cruza antes con el segun-do que con el primero (que circula más lento), se observa que el máximo de potenciarecibida entre ellos se obtiene en un instante de tiempo anterior (en 28 segundos,frente a 36 segundos). En cuanto al valor de la potencia en los instantes especi�ca-dos, se remarca un valor ligeramente inferior para la potencia recibida por el primercoche (traza verde). Esto se debe a que la separación entre ellos en el momento delcruce tiene un valor equivalente a dos anchuras de línea (la distancia relativa entre elsegundo y tercer coche es de 3 metros, mientras que entre el tercero y el primero esde 6 metros).

De esta manera, se interpretan las representaciones obtenidas tras la ejecución delemulador mediante un posible ejemplo de con�guración.

5.2. Elementos hardware

En el presente apartado se especi�can los potenciales componentes hardware que pue-den complementar el emulador y sus respectivas funciones.

Primeramente, se extrae un �chero con los valores de atenuación instantánea calculadospor el emulador. Los datos de este �chero se transmiten a un atenuador programable.Para comprobar el correcto funcionamiento del sistema, se pueden validar los resultadoshaciendo uso de un generador de señal y un analizador de espectros [104]. Dado que elemulador diseñado considera tres enlaces, se puede emplear el atenuador variable de cuatrocanales independientes, como el mostrado en el Figura 5.4.

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Figura 5.4: Atenuador variable de 4 canales

En la Tabla 5.3 se muestran sus principales características. Entre los parámetros especi-�cados se encuentra el rango de frecuencias de funcionamiento; dado que el límite superiores de 6 GHz, para poder utilizar el atenuador en frecuencias superiores se debe adquirir otrodispositivo hardware similar, capaz de trabajar en esas condiciones.

Tabla 5.3: Características del atenuador


Modelo Mini Circuits RC4DAT-6G-95Número de puertos 4Rango de frecuencias 1 - 6000 MHzRango de atenuaciones 0 - 95 dB

Resolución 0.25 dBTiempo de transición 650 ns

Potencia máxima de entrada +23 dBmDimensiones 13,1 x 7,6 x 2,2 cmConexión Ethernet o USB

Adicionalmente, se puede añadir un bloque correspondiente a la simulación del des-plazamiento Doppler. Este se puede realizar empleando un mezclador de rechazo de la

frecuencia imagen como el mostrado en la Figura 5.5. R(t) representa una señal centradaen la frecuencia de transmisión, que se conecta a un mezclador, a través de un acoplador 90◦.Para simular el efecto del desplazamiento Doppler sobre dicha señal, se añade al mezcladoruna señal de frecuencia igual al desplazamiento Doppler (fDop(t)), obtenida a partir de lavelocidad de los vehículos y del ángulo de llegada de la señal al receptor. El conmutadorselecciona una de las bandas laterales de la salida del segundo acoplador, en función delsigno de la señal de control (±fDop), que se corresponde con el signo del desplazamientoDoppler. De esta manera, se anula la frecuencia imagen y se obtiene a la salida una señalcentrada en la frecuencia recibida, incluyendo el desplazamiento Doppler.

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Figura 5.5: Esquema del modulador Doppler

En la Figura 5.6 se muestran esquemáticamente los bloques correspondientes al ate-nuador programable y al módulo del desplazamiento Doppler. En el bloque "Tx" segenera una señal (con los valores de frecuencia de portadora y potencia transmitida co-rrespondientes a los parámetros introducidos en el software). A esta señal se le aplicanlas pérdidas por atenuación proporcionadas por el software emulador (bloque del atenua-dor programable) y, a continuación, pasando por el módulo del desplazamiento Doppler,se muestra en el analizador de espectros (bloque "Rx") la señal recibida, incluyendo losefectos del canal.

Figura 5.6: Diagrama de bloques con los componentes hardware del emulador

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Por último, se añaden los módulos descritos para obtener la estimación de los efectosdel canal sobre cada uno de los enlaces (guardando la relación de colores), según se muestraesquemáticamente en la Figura 5.7; se completa, de esta forma, el desarrollo del emulador.

Figura 5.7: Integración de los componentes hardware en el sistema

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Capítulo 6

Presupuesto

En el presente capítulo se detalla el presupuesto con el que se ha �nanciado el proyecto.Los diferentes costes se encuentran desglosados en la Tabla 6.1, según el nombre, el nú-mero de unidades utilizadas, el precio por cada unidad y el coste total.

Se distinguen tres tipos de elementos empleados:⋄ Material inventariable o no fungible: el analizador de espectros y el osciloscopio

se contabilizan con un porcentaje del 10 % del valor unitario, dado que no se adquierenespecí�camente para el desarrollo del proyecto y no se desgastan al utilizarlos;

⋄ Material fungible: el coste correspondiente a la utilización de los coches durante laspruebas V2V;

⋄ Mano de obra: se considera como coste de recursos humanos un sueldo de 14,7 €/ho-ra y se obtiene un precio total, por las 320 horas de dedicación exigidas por el proyecto,de 4704 €.

Los recursos utilizados están �nanciados por el Grupo de Radiocomunicación de laEscuela y ascienden hasta un valor total estimado de 11127 €.

Tabla 6.1: Presupuesto del proyecto

Elemento Unidades Precio unitario Amortización Precio total

Inventariable Analizador de espectros 1 30000 € 10 % 3000 €Oscilador digital 1 20000 € 10 % 2000 €

Antena 2 100 € 50 % 100 €Portátil 2 750 € 50 % 750 €

Kit Wireless Wire MikroTik 1 200 € - 200 €Cables Ethernet 2 10 € - 20 €

Baterías 2 20 € 40 €Cables de alimentación y conectores 2 20 € - 40 €

Cámara web 1 15 € - 15 €Material de laboratorio(trípodes, instrumentos

de medida, equipamiento etc.)- 200 € - 200 €

Material fungible Alquiler coches 2 29 €/4 horas - 58 €Mano de obra 320 horas 14,7 € (persona/hora) - 4704 €

Total 11127 €

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CAPÍTULO 6. PRESUPUESTO

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Capítulo 7

Conclusiones y trabajos futuros

En el capítulo �nal del documento se exponen las conclusiones y se proponen líneasfuturas de desarrollo, que se pueden proseguir partiendo de las soluciones ofrecidas por elpresente proyecto.

7.1. Conclusiones

El objetivo principal del trabajo es ofrecer una posible solución a una cuestión que seencuentra en continuo desarrollo en la actualidad, relacionada con la comunicación entrevehículos. Teniendo en cuenta que, para el despliegue de estos sistemas se necesitan estu-dios completos del canal de propagación, se ha optado por el análisis y el modelado de lascomunicaciones entre vehículos, como tema central del Trabajo Fin de Grado.

Primeramente, se ha comenzado el desarrollo del trabajo con una etapa de investigacióny documentación exhaustiva sobre los sistemas de transporte inteligente y las comunica-ciones en entorno vehicular y ferroviario, que ha proporcionado el fundamento teórico delproyecto.

Seguidamente, examinando las investigaciones existentes sobre el tema elegido, se haplanteado el problema y se ha proyectado una solución (seleccionando la tecnología a em-plear y las distintas características del entorno considerado).

El desarrollo de dicha solución se ha realizado en base a con�guraciones del sistema y acampañas de medida efectuadas tanto entre dos vehículos como entre dos trenes, en diferen-tes entornos. Las primeras pruebas efectuadas han sido enfocadas a la comunicación V2V.Se ha comprobado el funcionamiento del sistema en distintas situaciones, como conducciónen línea recta, en curva o en intersección, transmitiendo paquetes TCP (con contenido mul-timedia) o UDP. Una segunda campaña de medidas se ha realizado en entorno ferroviariopara la comprobación del alcance del sistema tanto en el interior de un tren (situación convisión directa, LoS) como en el exterior del tren (escenario sin visión directa, NLoS). Porúltimo, en las medidas realizadas previamente por el Grupo de Radiocomunicación en en-torno ferroviario se ha utilizado el sistema de trenes urbanos (metro) en circulación dentrodel túnel para obtener los parámetros del modelo de propagación considerado, log-normal.

A partir de estas campañas de medidas se han extraído y se han procesado los resultadospara justi�car su utilidad en el modelado del canal de propagación y se han representadográ�camente o en forma de tablas, para facilitar su comprensión. Se han contrastado conlos resultados obtenidos en investigaciones publicadas, en escenarios similares, pero condiferentes tecnologías y sistemas de medida, evidenciando las coincidencias o discrepancias.

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CAPÍTULO 7. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Finalmente, se ha desarrollado en Matlab App Designer un sistema emulador que exa-mina la propagación en entorno vehicular entre tres coches circulando en paralelo, con laposibilidad de modi�car la con�guración del sistema. El cálculo de las pérdidas por propa-gación que realiza la aplicación se ha apoyado en una investigación previa sobre las comu-nicaciones V2V, ofreciendo, además, la opción de personalizar los parámetros del modelo.El emulador presenta una interfaz grá�ca para facilitar la ejecución y representación de re-sultados a los usuarios. Por último, se ha propuesto complementar el emulador, empleandoelementos hardware.

En conclusión, se han cumplido los objetivos iniciales del proyecto, realizando la eva-luación del canal de propagación en las comunicaciones V2V, obteniendo resultados satis-factorios y extrayendo, a partir de ellos, las respectivas conclusiones. El trabajo ofrece unfundamento consistente para un posterior desarrollo y despliegue de sistemas basados enla propagación en ondas milimétricas, en el entorno vehicular.

7.2. Trabajos futuros

El proyecto realizado abre camino a una multitud de potenciales actividades ulterio-res, apoyadas en los resultados proporcionados, tanto en lo que concierne a las medidasefectuadas como en relación con el emulador desarrollado.

Primeramente, conforme a las necesidades de analizar el comportamiento del canal enla mayor diversidad de escenarios, situaciones y con�guraciones posibles, se propone, comolínea futura, el diseño del sistema, incrementando el número de nodos de la red. Concreta-mente, se sugiere adquirir varios kits MikroTik Wireless Wire, cuyo uso facilitaría el estudiode la propagación en un entorno más cercano a la realidad. Asimismo, sería deseable com-pletar el presente estudio con la realización de las medidas en múltiples situaciones similares(distintas intersecciones, zonas concurridas, congestiones de trá�co, carreteras etc.).

En segundo lugar, en cuanto a las medidas de propagación, sería especialmente intere-sante medir la potencia de la señal recibida para frecuencias de portadora pertenecientes ala banda de EHF (30 - 300 GHz). De esta manera, se podrían determinar los parámetros delmodelo log-normal y representar las pérdidas por propagación en los entornos estudiados.Según se ha especi�cado en el apartado de restricciones de diseño, con los equipos de ra-diofrecuencia disponibles en el laboratorio no es posible medir señales a la frecuencia de 60GHz, por lo que esta cuestión se puede incluir en trabajos futuros.

Una tercera propuesta para el proseguimiento del proyecto se re�ere al perfecciona-miento del sistema emulador. Para potenciar su utilidad, se podrían considerar escenariosadicionales, desplazamientos distintos de los vehículos (no exclusivamente en líneas para-lelas), mayor número de coches comunicándose, con velocidades variables, en presencia deinterferencias etc.

Finalmente, se ofrece una solución para el desarrollo de las comunicaciones entre vehícu-los en forma de resultados y parámetros representativos de los modelos de propagación,concluyendo el estudio con potenciales líneas de trabajo futuro.

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83

https://topex.ucsd.edu/rs/Lec07.pdf

https://tinyurl.com/y68jqske

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84

https://mikrotik.com/

Anexos

85

Apéndice A

Hoja de datos - Wireless Wire

MikroTik

87

1

2

Wireless Wire

Wireless Wire

Wireless Wire

The Wireless Wire is a ground breaking solution which offers fiber speed and quality for a fraction of the price. This amazing kit replaces your Gigabit ethernet cable with two small devices that connect to each other over a 60 GHz wireless link.

Simply point the included devices at one another and power them on, it will make a 1 Gbps full duplex link to instantly replace your cable - this is why we call it the Wireless Wire!

The Wireless Wire makes secure AES encrypted 60 GHz wireless link that is not affected by the crowded WiFi spectrum, offering solid full duplex 1 Gbps throughput at 200 meters and a stable and fast link forslightly longer distances. The box includes two wAP 60Gdevices that are already paired together, a wall mountingkit, straps for pole mounting and also a pair of tablestands for using the devices indoors. The link willeven work through most windows, depending ontheir material.

The box includes a wall mounting kit, straps for pole mounting and also a pair of table stands for using the devices indoors. Penetrates some windows depending on material. For more products and information please visit mikrotik.com!

24 V 0.38 A power adapter

Table stand2x plastic straps

Gigabit PoE injector

Mount bracket

3

Specifications

Wireless Wire

Wireless Wire

Product code RBwAPG-60ad kit

Units 2

CPU IPQ-4019 716 MHz

CPU core count 4

Size of RAM 256 MB

10/100/1000 Ethernet ports 1

Wireless Built-in 60 GHz 802.11ad

Antenna beam width Phase array 60° beamforming

PoE in Yes

Supported input voltage 12 V - 57 V (802.3af/at)

Dimensions 185 x 85 x 30 mm

Operating temperature -40 C .. +70 C

License level 3

Operating System RouterOS

Max Power consumption 5 W

The wAP 60G has an extremely capable CPU, making it possible for wire speed throughput in nearly all packet sizes. The left image shows a sustained transmit of nearly 1 Gbps, the graph on the right side shows percent of wire speed achieved, based on different ethernet frame sizes. As you can see, it is wire speed in nearly all categories.

Apéndice B

Código Matlab - Modelo de pérdidas

1 clc2 close all3

4 %% Path Loss Linea recta 900 MHz5 time = timeAviacion900;6 received_power = Aviacion900AllPower;7 velocity = 10000/(60*60*1000); %velocidad constante 10 km/h8 distance = velocity*time;9 P_tx = 27+8+8.5; %dBm

10

11 PL_d0 = 24.81; n = 1.139; %Curve Fitting App12 model = PL_d0 + n*10*log10(distance);13

14 figure(1)15 plot(distance, received_power);16 pathloss = P_tx - received_power;17

18 figure(2)19 plot(distance, pathloss);20 hold on21 plot(distance, model);22

23 X = pathloss - model;24 stats = [mean(X) std(X) var(X)];25

26 %% Path Loss Linea recta 2400 MHz27 time = timeAviacion2400;28 received_power = Aviacion2400AllPower;29 velocity = 10000/(60*60*1000); %velocidad constante 10 km/h30 distance = velocity*time;31 P_tx = 24+14+8.5; %dBm32



40 figure(2)

91

APÉNDICE B. CÓDIGO MATLAB - MODELO DE PÉRDIDAS

41 plot(distance, pathloss);42 hold on43 plot(distance, model);44


48 %% Path Loss Linea recta 5700 MHz49 time = timeAviacion5700;50 received_power = Aviacion5700AllPower;51 velocity = 10000/(60*60*1000); %velocidad constante 10 km/h52 distance = velocity*time;53 P_tx = 22+19+8.5; %dBm54



62 figure(2)63 plot(distance, pathloss);64 hold on65 plot(distance, model);66


70 %% Path Loss Linea curva 900 MHz71 time = timeCurveAviacion900;72 received_power = CurveAviacion900AllPower;73 velocity = 10000/(60*60*1000); %velocidad constante 10 km/h74 distance = velocity*time;75 P_tx = 27+8+8.5; %dBm76


81 distance1 = distance(1:320);82 distance2 = distance(320:733);83 pathloss1 = P_tx - received_power(1:320);84 pathloss2 = P_tx - received_power(320:733);85

86 stats1 = [mean(pathloss1) std(pathloss1) var(pathloss1)];87 stats2 = [mean(pathloss2) std(pathloss2) var(pathloss2)];88

89 PL1_d0 = 43.24; n1 = 0.8266;90 PL2_d0 = 52.79; n = 3.054;91

92 figure(2)93 plot(distance, pathloss);94 hold on95 plot(distance1, PL1_d0 + n1*10*log10(distance1));96 plot(distance2, PL2_d0 + n2*10*log10(distance2/distance(320)));97

92

98 %% Path Loss Linea curva 2400 MHz99 time = timeCurveAviacion2400;

100 received_power = CurveAviacion2400AllPower;101 velocity = 10000/(60*60*1000); %velocidad constante 10 km/h102 distance = velocity*time;103 P_tx = 24+14+8.5; %dBm104


109 distance1 = distance(1:500);110 distance2 = distance(500:864);111 pathloss1 = P_tx - received_power(1:500);112 pathloss2 = P_tx - received_power(500:864);113

114 stats1 = [mean(pathloss1) std(pathloss1) var(pathloss1)];115 stats2 = [mean(pathloss2) std(pathloss2) var(pathloss2)];116

117 PL1_d0 = 46.3; n1 = 1.01;118 PL2_d0 = 64.68; n = 5.11;119

120 figure(2)121 plot(distance, pathloss);122 hold on123 plot(distance1, PL1_d0 + n1*10*log10(distance1));124 plot(distance2, PL2_d0 + n2*10*log10(distance2/distance(320)));

93

APÉNDICE B. CÓDIGO MATLAB - MODELO DE PÉRDIDAS

94

Apéndice C

Fragmentos de código en Matlab -

Emulador

1 % Code that executes after component creation2 function startupFcn(app)3 app.chooseEnvironment();4 app.powerAxes();5 app.dopplerFrequency();6 if strcmp(app.ScenarioDropDown.Value, 'Custom')7 app.frequency = app.customFrequency.Value;8 app.customFrequency.Editable = true;9 app.customFrequency.Enable = 'on';

10 else11 if strcmp(app.FrequencyDropDown.Value, '5.9')12 app.frequency = 5.9;13 else14 if strcmp(app.FrequencyDropDown.Value, '0.7')15 app.frequency = 0.7;16 end17 end18 end19

20 app.PauseButton.Enable = 'off';21 app.StopButton.Enable = 'off';22

23 if app.LeftButton_1.Value == 124 app.distance1 = app.DistanceEditField.Value - app.initial1.Value;25 else26 if app.RightButton_1.Value == 127 app.distance1 = app.initial1.Value;28 end29 end30

31 if app.LeftButton_2.Value == 132 app.distance2 = app.DistanceEditField.Value - app.initial2.Value;33 else34 if app.RightButton_2.Value == 135 app.distance2 = app.initial2.Value;36 end37 end

95

APÉNDICE C. FRAGMENTOS DE CÓDIGO EN MATLAB - EMULADOR

38

39 if app.LeftButton_3.Value == 140 app.distance3 = app.DistanceEditField.Value - app.initial3.Value;41 else42 if app.RightButton_3.Value == 143 app.distance3 = app.initial3.Value;44 end45 end46 app.total_time1 = app.distance1/(app.speed1.Value/3600);47 app.total_time2 = app.distance2/(app.speed2.Value/3600);48 app.total_time3 = app.distance3/(app.speed3.Value/3600);49 app.total_times = [app.total_time1 app.total_time2 app.total_time3];50 app.max_time = max(app.total_times);51 app.UIAxes.XLim = [0 app.DistanceEditField.Value];52 app.UIAxes.YLim = [0 10];53 app.UIAxes2.XLim = [0 max(1, app.max_time)];54 app.UIAxes2.YLim = [app.minPower app.maxPower];55 r=0:1:100;56 road1=app.y1*abs(sin((2*r+1)*pi/2));57 plot(app.UIAxes, r, road1, '-b');58 hold(app.UIAxes, 'on');59 road2=app.y2*abs(sin((2*r+1)*pi/2));60 plot(app.UIAxes, r, road2, '-r');61 hold(app.UIAxes, 'on');62 road3=app.y3*abs(sin((2*r+1)*pi/2));63 plot(app.UIAxes, r, road3, '-y');64 hold(app.UIAxes, 'on');65 plot(app.UIAxes2,0, 1, 'm');66 hold(app.UIAxes2, 'on');67 plot(app.UIAxes2,0, 1, 'g');68 hold(app.UIAxes2, 'on');69 plot(app.UIAxes2,0, 1, 'color', [1 0.5 0]);70 hold(app.UIAxes2, 'on');71 end72

73 % Button pushed function: RunButton_374 function RunButton_3Pushed(app)75 app.PauseButton.Enable = 'on';76 app.StopButton.Enable = 'on';77 if app.paused == false || app.stopped == true %empezar desde el principio78 app.time=0;79 if app.RightButton_1.Value == 180 app.distance1 = app.DistanceEditField.Value - app.initial1.Value;81 else82 app.distance1 = app.initial1.Value;83 end84

85 if app.RightButton_2.Value == 186 app.distance2 = app.DistanceEditField.Value - app.initial2.Value;87 else88 app.distance2 = app.initial2.Value;89 end90

91 if app.RightButton_3.Value == 192 app.distance3 = app.DistanceEditField.Value - app.initial3.Value;93 else94 app.distance3 = app.initial3.Value;

96

95 end96 app.total_time1 = app.distance1/(app.speed1.Value/3600);97 app.total_time2 = app.distance2/(app.speed2.Value/3600);98 app.total_time3 = app.distance3/(app.speed3.Value/3600);99 app.total_times = [app.total_time1 app.total_time2 app.total_time3];

100 app.max_time = max(app.total_times);101 app.time_PL = [];102 app.d12 = [];103 app.d13 = [];104 app.d23 = [];105 app.P12 = [];106 app.P31 = [];107 app.P23 = [];108 if strcmp(app.FrequencyDropDown.Value, '5.9')109 app.frequency = 5.9;110 else111 if strcmp(app.FrequencyDropDown.Value, '0.7')112 app.frequency = 0.7;113 end114 end115 app.time = 0;116 app.UIAxes.XLim = [0 app.DistanceEditField.Value];117 app.UIAxes.YLim = [0 10];118 app.UIAxes2.XLim = [0 max(1, app.max_time)];119 app.stopped = false;120

121

122 end123 app.paused = false;124 app.stopped = false;125 plot(app.UIAxes2,app.time_PL, app.P12, 'm')126 while app.time <= app.max_time && ~app.paused && ~app.stopped127 app.chooseEnvironment;128 cla(app.UIAxes);129 r=0:1:100;130 road1=app.y1*abs(sin((2*r+1)*pi/2));131 plot(app.UIAxes, r, road1, '-b');132 hold(app.UIAxes, 'on');133 road2=app.y2*abs(sin((2*r+1)*pi/2));134 plot(app.UIAxes, r, road2, '-r');135 hold(app.UIAxes, 'on');136 road3=app.y3*abs(sin((2*r+1)*pi/2));137 plot(app.UIAxes, r, road3, '-y');138 hold(app.UIAxes, 'on');139

140 if app.RightButton_1.Value == 1141 app.x1 = app.initial1.Value + app.speed1.Value*app.time/3600;142 else143 app.x1 = app.initial1.Value - app.speed1.Value*app.time/3600;144 end145

146 if app.x1 > app.DistanceEditField.Value147 app.x1 = app.DistanceEditField.Value;148 end149 if app.x1 <0150 app.x1 = 0;151 end

97


152

153 plot(app.UIAxes,app.x1, app.y1,'-s',...154 'LineWidth',1,...155 'MarkerSize',10,...156 'MarkerEdgeColor','k',...157 'MarkerFaceColor',[0,0,1]);%blue158 hold(app.UIAxes, 'on');159


166 if app.x2 > app.DistanceEditField.Value167 app.x2 = app.DistanceEditField.Value;168 end169 if app.x2 <0170 app.x2 = 0;171 end172

173 plot(app.UIAxes,app.x2, app.y2,'-s',...174 'LineWidth',1,...175 'MarkerSize',10,...176 'MarkerEdgeColor','k',...177 'MarkerFaceColor',[1,0,0]);%red178 hold(app.UIAxes, 'on');179


186 if app.x3 > app.DistanceEditField.Value187 app.x3 = app.DistanceEditField.Value;188 end189 if app.x3 <0190 app.x3 = 0;191 end192

193 plot(app.UIAxes,app.x3, app.y3,'-s',...194 'LineWidth',1,...195 'MarkerSize',10,...196 'MarkerEdgeColor','k',...197 'MarkerFaceColor',[0.93,0.69,0.13]);%yellowish198 app.UIAxes2.YLim = [app.minPower app.maxPower];199

200 app.distance_x1_x2 = abs(app.x2 - app.x1);201 app.relative_distance_x1_x2 = sqrt((app.distance_x1_x2)^2 + ...202 (app.LinewidthEditField.Value * 0.001)^2);203

204 app.distance_x3_x1 = abs(app.x3 - app.x1);205 app.relative_distance_x3_x1 = sqrt((app.distance_x3_x1)^2 + ...206 (2*(app.LinewidthEditField.Value * 0.001))^2);207

208 app.distance_x2_x3 = abs(app.x3 - app.x2);

98

209 app.relative_distance_x2_x3 = sqrt((app.distance_x2_x3)^2 + ...210 (app.LinewidthEditField.Value * 0.001)^2);211

212 app.time_PL = [app.time_PL app.time];213

214 PL_x1_x2 = app.reference_path_loss + ...215 10*app.path_loss_exponent*log10(app.relative_distance_x1_x2*1e3)...216 + randn*app.standard_deviation+0;217 app.P12 = horzcat(app.P12, (app.power1.Value - PL_x1_x2));218 plot(app.UIAxes2,app.time_PL, app.P12, 'm');219 app.Prx12EditField.Value = app.power1.Value - PL_x1_x2;220

221 hold(app.UIAxes2, 'on');222 PL_x2_x3 = app.reference_path_loss + ...223 10*app.path_loss_exponent*log10(app.relative_distance_x2_x3*1e3)...224 + randn*app.standard_deviation+0;225 app.P23 = [app.P23 (app.power2.Value - PL_x2_x3)];226 app.Prx23EditField.Value = app.power1.Value - PL_x2_x3;227 plot(app.UIAxes2,app.time_PL, app.P23,'color', [1 0.5 0]);228

229 PL_x3_x1 = app.reference_path_loss + ...230 10*app.path_loss_exponent*log10(app.relative_distance_x3_x1*1e3)...231 + randn*app.standard_deviation+0;232 app.P31 = [app.P31 (app.power3.Value - PL_x3_x1)];233 app.Prx31EditField.Value = app.power3.Value - PL_x3_x1;234 plot(app.UIAxes2,app.time_PL, app.P31, 'g');235

236 legend(app.UIAxes, 'Vehicle 1','Vehicle 2', 'Vehicle 3');237 legend(app.UIAxes2,'Prx 12','Prx 23','Prx 31');238 drawnow;239 app.time = app.time + 0.05;240 pause on;241 hold(app.UIAxes2, 'off');242 end243 end

99


100

Apéndice D

Publicación

101

1164 IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL. 18, NO. 6, JUNE 2019

Path Loss Modeling for Train-to-TrainCommunications in Subway Tunnels

at 900/2400 MHzCésar Briso-Rodríguez , Senior Member, IEEE, Patricia Fratilescu , and Youyun Xu , Senior Member, IEEE

Abstract—Train-to-train (T2T) communications can improvethe capacity and safety of railways. However, to implement thesesystems, it is necessary to model the propagation in the complexrailway environment, where tunnels and stations are very frequent.This letter presents a detailed modeling of path loss for T2T com-munications, based on a measurement campaign conducted in aMadrid subway in a tunnel scenario, at two frequencies commonlyused by railways signaling systems: 900 and 2400 MHz, in straightand curved tunnels and in special situations: a train passing a sta-tion or trains passing in different directions. In addition, the fastfading component is statistically analyzed, providing a completemodel for T2T communications.

Index Terms—Log-distance model, subway tunnel, stationpassing, train-to-train, trains passing, train convoys.

I. INTRODUCTION

THE communications in transport systems are currentlya subject of great interest as they will allow improving

the efficiency of transport infrastructure. In vehicle-to-vehicle(V2V) communication, the modeling of the physical layer hasbeen extensively described using measurement results [1], [2],geometry-based channel models [3], or 3-D massive multiple-input-multiple-output (MIMO) [4]. However, in the case of therailways, there are important differences. Railways have longbeen using train-infrastructure (T2G) communications to con-trol the speed and distance between trains, and the physical layerhas been widely modeled [5]. However, the degree of automationin this sector could be improved by creating convoys of severalvehicles [6]: The first vehicle of the convoy would act as a guide,and the rest of the vehicles would circulate autonomously, wire-lessly connected by means of a narrowband data link. This con-figuration is currently being developed within the internationalRoll2Rail [7]. Propagation in tunnels has been widely analyzedfor T2G communications [6], but not for train-to-train (T2T)communication, where the metal structure of the two trains has

Manuscript received February 21, 2019; revised March 23, 2019; acceptedApril 6, 2019. Date of publication April 15, 2019; date of current version May31, 2019. This work was supported by the Chinese Strategic International Co-operative Project of National Key R&D Plan under Grant 2016YFE0200200.(Corresponding author: Youyun Xu.)

C. Briso-Rodríguez and P. Fratilescu are with the Department of Signal Theoryand Communications, Technical University of Madrid, 28040 Madrid, Spain (e-mail: [email protected]; [email protected]).

Y. Xu is with the National Engineering Research Center of Communications& Networking, Nanjing University of Posts and Telecomunications, Nanjing210028, China (e-mail: [email protected]).

Digital Object Identifier 10.1109/LAWP.2019.2911406

Fig. 1. Measurement setup.

a moderate influence and the environment changes often alongthe route as the stations and other trains passing in opposite direc-tion are frequent [8]. Thus, the purpose of this letter is to presenta complete path loss model in the environment of metropolitanrailways, which will be useful to design and simulate new controlsystems for train convoys based on T2T communications.

II. CHANNEL MEASUREMENT

In this section, the measurement configuration and the equip-ment used for the transmission and the reception of the signalare detailed.

A. Measurement Setup

The measurements were performed using two trains to makea train convoy, one carrying the transmitting equipment and theother one, the receiving equipment (see Fig. 1). A third train hasbeen used to interfere in the communication between the twotrains of the convoy.

The transmission system (Tx) is composed of a continuouswave transmitter and directive antenna, placed on the windscreenof the rear wagon for each of the two frequencies. The receiverof the communication (Rx) consists of one directive antennainstalled on the windscreen of the first wagon of the second train

1536-1225 © 2019 IEEE. Personal use is permitted, but republication/redistribution requires IEEE permission.See http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html for more information.

BRISO-RODRÍGUEZ et al.: PATH LOSS MODELING FOR TRAIN-TO-TRAIN COMMUNICATIONS IN SUBWAY TUNNELS AT 900/2400 MHz 1165

TABLE ITRANSMITTER AND RECEIVER EQUIPMENT

so that there is a clear line of sight (LOS) between Tx and Rx. Inthis case, a wideband antenna is used in order to measure bothfrequencies. The amplified received signal is measured with aspectrum analyzer and recorded with a laptop connected to thespectrum analyzer. The characteristics of the antennas and Tx/Rxequipment are shown in Table I.

The measurements have been made by stopping the first train(TX) at different positions of the tunnel and moving the sec-ond train (RX) from a short distance to several hundred metersfrom the first train while recording the received power. The in-formation of the position is obtained with high precision fromthe odometer system of the trains.

B. Measurement Scenarios

The measurement campaign takes place in Madrid Metro Line10, in straight and curved arched tunnels. The speed of the mov-ing train is constant (10 km/h). The height of the transmitter andthe receiver antennas on the trains is 3 m. The antennas wereconfigured with vertical polarization for all tests consideringthat the variation of the propagation with vertical and horizon-tal polarization is very small as it has been reported in [5]. Themeasurements are made in straight and curved tunnels, in stationpassing and train passing scenarios.

The straight tunnel scenario has a maximum distance of 350 mbetween the transmitter and the receiver without a station in theway. Results are provided in Fig. 2.

The curved tunnel has a total distance of 250 m with a straightpart of 100 m and a curved part of 150 m. The radius of the curveis 400 m, which is a typical value in the metro environment. Asthe length of a train is 100 m, both trains cannot be inside thecurve during the measurements, so the first train is located on

Fig. 2. Path loss—straight tunnel. (a) 900 MHz. (b) 2400 MHz.

the straight part, and the second train moves away from the firsttrain while entering the curve. During these measurements, thefirst train was placed on different positions of the straight partof the tunnel to check the influence of the curve. The path lossfor this scenario is provided in Fig. 3.

The station passing was measured on a straight section of thetunnel of 1440 m length. The station length is 120 m. The resultsare provided in Fig. 4, where the influence of the station resultsin an increase of path loss slope after the station.

The train passing scenario was measured using three trains.First, the train convoy (TX and RX trains) was stopped on astraight section of the tunnel with a separation distance of 200 mon track 1. Then, the third train (interfering train, IT) moves ontrack 2 in the opposite direction passing the convoy (see Fig. 5).The results of these measurements are shown in Fig. 6 with amoderate influence on path loss.

III. MEASUREMENTS RESULTS AND PATH LOSS MODELING

In this section, the results of the measurements and the mod-eling of propagation losses on the different scenarios are pre-sented.

A. Path Loss Model

Since the propagation channel in tunnels involves guidedpropagation, we have a multimode propagation with a dominantmode. This condition where there is a dominant mode can beconsidered equivalent to an LOS propagation, even in curves andother environments, where there is no optical LOS. Therefore,the log-distance path loss model can be applied for the estima-tion of the channel considering a significant large-scale fading


Fig. 3. Path loss—straight tunnel vs. curved tunnel. (a) 900 MHz.(b) 2400 MHz.

[9] as a consequence of the multimode propagation. Also, thismodel has been extensively used to define the channel behaviorin V2V communications [10]:

PL[dB] = P0[dB] + 10 · n · log10(d/d0) + Xσ (1)

where P0 is the path loss in decibels at the reference distanced0 between TX and RX, n is the loss exponent, d is the sep-aration (in meters) between TX and RX, d0 is the referencedistance (in meters), and Xσ is a Gaussian random variable,defined by a mean value of zero and a standard deviation of σin decibels.

For the straight-only route scenario, the reference distance d0

is considered 1 m, which is also the minimum distance betweentwo trains. For the curved line, a two-segment propagation modelis applied. The first segment covers the straight part of the tunnel,while the beginning of the second segment corresponds with thebeginning of the curved route. The value of d0 is 1 m for thefirst segment, and for the second one, it depends on the distancewhere the train enters the curve. For the straight-only route,the two-slope model is not used as the separation between thetransmitter and the receiver is less than 800 m [9].

In addition, the cases of the train passing a station and the con-voy passing another train are also analyzed in order to quantifythe attenuation step produced. Therefore, this additional attenu-ation can be added to the initial log-distance model:

P [dB] = P0[dB] + 10 · n · log10(d/d0) + Xσ + αsp + αtp

(2)where P0 and d0 depend on the type of tunnel (straight orcurved), αsp (station passing) is the attenuation step that has

Fig. 4. Path loss station passing. (a) 900 MHz. (b) 2400 MHz.

Fig. 5. Train passing positions.

Fig. 6. Train passing (2400 MHz).

to be added for every station between the transmitter and the re-ceiver, and αtp (train passing) is the additional attenuation thathas to be taken into account when there is another train passingon the adjacent track.

B. Measurements and Modeling

The following graphs show the measured path loss (calcu-lated as the difference between the transmitted and the receivedpower) and the plot obtained by applying the log-distance pathloss formula (excluding the Xσ parameter) using the parametervalues defined in every considered scenario: straight tunnel (seeFig. 2), straight and curved tunnel (see Fig. 3), station passing(see Fig. 4), and train passing (see Fig. 6).

BRISO-RODRÍGUEZ et al.: PATH LOSS MODELING FOR TRAIN-TO-TRAIN COMMUNICATIONS IN SUBWAY TUNNELS AT 900/2400 MHz 1167

TABLE IIPATH LOSS MODEL PARAMETERS

C. Model Coefficients

The path loss model parameters obtained for the differentscenarios are summarized in Table II.

The parameters extracted from the computed measurementsadjust to the expected values for the studied environment, asthe loss exponent is inferior to 2 in all scenarios, following theguided propagation behavior. The initial path loss coefficient islarger at the higher carrier frequency, 2400 MHz, similar to theconclusions extracted from the graphical results in [11]. The lossexponent (n) is slightly lower at 2400 MHz than at 900 MHz,again as a consequence of the guide propagation and the high-pass response of the tunnel. In curved tunnel, the measurementsshow a slight increase of losses when the train enters the curvedpath (see Fig. 3). This result is coherent with results presented in[2] and it is due to the fact that there is an additional attenuationof the dominant mode propagation as described in [12].

The results obtained for the σ are fairly concordant with theexpected values (the range for the standard deviation is 4–10 dB[13]). Furthermore, the standard deviation obtained in [14] con-firms the accuracy of the results. Also, the value determined forthe path loss coefficient in curved tunnels at the carrier frequencyof 2400 MHz (n2 = 5.11) is equivalent to the modeling madein [5].

Fig. 4 represents the measured path loss when the train passesthrough a station, and it shows the two path loss models corre-sponding to each station. The difference between the two pathloss values at the beginning of the second tunnel quantifies theattenuation step produced, which is 14.9 dB at 900 MHz and8.1 dB at 2400 MHz. A peak of path loss occurs when the trainenters the station due to the diffraction produced in the cornerof the tunnel and to the transition between the characteristicimpedance of the tunnel and the station environment, which af-fects the mode distribution.

For the train passing scenario, the received power is measuredbetween the transmitter (TX) and the receiver (RX), which are

TABLE IIITRAIN PASSING AND STATION PASSING SCENARIOS

in a stationary position in the tunnel, while the IT is movingon the adjacent track, as shown schematically in Fig. 5. As forthe measurements, Fig. 6 shows the received power, dependingon the position of the interfering train. A maximum and meanvalue of the attenuation step (αtp) has been quantified for eachposition, as shown in Table III. When the interfering train is farfrom both the transmitter and the receiver, it has a very smallinfluence on the received power, while when the interferenceis located between the transmitter and the receiver (P1), moresignificant variations in the received signal level are noticed andan important attenuation is noted due to the multipath causedby the reflection and diffraction associated to the presence ofthe interfering train. Similar values were obtained in [8] and[15], where the presence of another vehicle leads to 10–20 dB ofadditional attenuation. Thus, in order to counteract the influenceof the passing train, a margin equal to αtp (dB) should be addedto the T2T communications link.

With regard to the fast fading, the values are higher than thoseobtained in T2G communications [5], as a consequence of thereflections produced in the fronts of the trains.

IV. CONCLUSION

Narrowband propagation for T2T communication is analyzedin order to characterize the path loss in a realistic tunnel en-vironment, in the most frequent scenarios, at two carrier fre-quencies generally used by railways signaling systems: 900 and2400 MHz. The measurement and modeling results at the twofrequencies have been compared. The propagation has shownsmall differences for straight or curved route tunnels, but thereis a relevant influence of the station passing, more significant atthe lower frequency. This case has been modeled with a fixedcoefficient (14.9 dB for 900 MHz and 8.1 dB for 2.4 GHz). Thetrain passing scenario has proved to be very important becauseit generates strong channel variations with fades of 21 dB, so itmust be carefully considered in the design of the T2T commu-nications systems. Therefore, the values of the complete propa-gation path loss model obtained can be used to design and testtrain control systems based on train-to-train communication.

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