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Tramo de Línea de Alta Velocidad_DSC7039
Retos tecnológicos del Gigabit Train en 5G

José Luis Alcolea Coronel

Specialist New Technologies & Innovation Engineer en Vantage Towers.

Retos tecnológicos del Gigabit Train en 5G

¿Es técnicamente posible dotar de un 1Gbps a las líneas ferroviarias de alta velocidad? La solución no solo debe tener en cuenta la potencia y el ancho de banda: también la propia velocidad de los trenes, que circulan a más de 300 km/h. Y será necesaria una inversión considerable.

Gigabit Train es un concepto del que se está hablando mucho en los últimos meses y es foco de interés por parte de la Unión Europea. Pero, ¿qué significa? Se trata de un servicio que debe dotar de una capacidad de 1 Gbps a las líneas de alta velocidad (trenes a más de 300 km/h).

Vantage Towers es una empresa muy joven y con una fuerte vocación tecnológica, fruto de la cual participa en un proyecto que tiene como objetivo precisamente definir la infraestructura de telecomunicación que permita dotar el Gigabit Train.

El reto tecnológico
Cuando comenzamos a trabajar en el proyecto la pregunta que nos hicimos fue: ¿es técnicamente viable llevar un gigabit por segundo a un tren de alta velocidad?

Para responder a esta pregunta debemos recurrir al teorema que enunció Claude Shannon en la década de 1940. Dicho teorema establece que la capacidad de transmisión (bit por segundo) depende de dos factores: el ancho de banda y la potencia (expresada como relación señal/ruido).

El proyecto Gigabit Train debe dotar de una capacidad de 1 Gbps a las líneas de tren de alta velocidad

Ambos parámetros, potencia y ancho de banda, son los dos recursos escasos con los que los Ingenieros de Telecomunicación tenemos que lidiar cada día para proveer de cobertura y capacidad tanto en comunicaciones fijas como móviles. Además de estos dos factores, hay un tercero que tiene que ver con el caso de uso que estamos tratando: el terminal se mueve a una velocidad de 350 km/h.

Y es que cuando Shannon formuló su teorema lo hizo para transmisores fijos, estáticos. Sin embargo, en el Gigabit Train tenemos un transmisor fijo (la estación base) y otro que se mueve a 350km/h (el terminal móvil). Por tanto, también tenemos que estudiar cómo afecta la velocidad del tren al rendimiento del sistema de comunicaciones móviles 5G.

Análisis de la potencia
Comencemos pues a analizar el primero de los tres parámetros a estudiar: la potencia. En el teorema de Shannon está expresada como relación señal/ruido, y se trata realmente de la relación señal ruido que medimos en el terminal móvil que se encuentra dentro del tren.

Vantage Tower participa en un proyecto que tiene como objetivo definir la infraestructura de telecomunicación que permita dotar el Gigabit Train

El ruido lo consideramos fijo porque depende del ancho de banda y de la temperatura ambiente, ambos fijos. Además supondremos que estamos en un entorno sin interferencias; por tanto solo nos tenemos que preocupar de la señal (S) que recibe el terminal móvil.

Como vemos en la figura 1, la señal recibida depende de tres factores: la potencia de transmisión de la estación base (Pt), las pérdidas en el espacio libre (Lfs) y las pérdidas de penetración del vagón (Lp).

Figura 1. Factores que determinan la S/N.

 

La potencia de transmisión es un factor fijo que está limitado por la regulación nacional, normalmente por dos motivos: evitar las inferencias con otros sistemas y limitar la exposición a campos electromagnéticos, con lo que no nos dará juego a la hora de diseñar la red y tendremos que asumir que es una constante para nosotros.

Respecto a las pérdidas en el espacio libre, como sabemos, estas dependen principalmente de la distancia entre la estación base y el tren; es decir, del Intersite Distance (ISD). Este será el parámetro clave para conseguir el Gigabit Train, ya que podemos reducirlo para que la atenuación en espacio libre sea baja y por tanto la S/N alta y así conseguir mayor capacidad.

Figura 2. Desplazamiento Doppler.

 

Las pérdidas de penetración son muy altas debido a que los trenes se comportan como jaulas de Faraday: la atenuación que sufre la onda al atravesar el vagón es de aproximadamente 30 dB para la banda de 3,5 GHz. Por tanto debemos aplicar técnicas que nos ayuden a mitigar dicha atenuación, ya que de otra manera sería inabordable económicamente conseguir un Gigabit Train.

Teorema de Shannon.

 

Históricamente se han usado equipos embarcados ubicados en la parte superior del vagón con una antena que tiene línea de visión directa con las estaciones base; de esa manera las perdidas de penetración se reducen a casi 0 dB. El inconveniente que tiene esta técnica es que estamos obligado a renovar los equipos dentro de los vagones cada vez que hay una nueva tecnología de radio (6G, 7G).

En el Gigabit Train tenemos un transmisor fijo (la estación base) y otro que se mueve a 350km/h (el terminal móvil)

Recientemente se está utilizando un enfoque distinto, que consiste en aplicar una técnica láser a las ventanas existentes en el tren. Esta es capaz de reducir la atenuación que sufre la onda electromagnética y a la vez mantiene las características de reducción térmica y de rayos UVA. Dicha técnica es capaz de reducir las perdidas de penetración a 9 dB (en la banda de 3,5 GHz), lo cual es una importante mejora y tiene como ventaja que no hay que instalar, mantener ni actualizar ningún equipo en el tren cada vez que se produzca un cambio tecnológico del sistema de comunicaciones móviles.

Ya tenemos caracterizada la parte de S/N de la fórmula de Shannon: esta depende del ISD y de la técnica de mitigación que usemos para reducir las pérdidas de penetración.

El ancho de banda
Abordemos a continuación el otro parámetro de la fórmula de Shannon, el ancho de banda (B): ¿podemos jugar con él?

Como sabemos, los operadores de telecomunicaciones invierten miles de millones de euros por una pequeña porción del espectro. Además, la banda de 5G ya está asignada en Europa y no se puede aumentar el parámetro B vía licitación: cada operador tiene aproximadamente 100 MHz.

Sin embargo, podemos aumentar el ancho de canal usando MOCN (Multi Operator Core Network), que consiste en que los operadores compartan toda la red de acceso (RAN, Radio Access Network), incluido el espectro. De esta manera un terminal móvil con una SIM de Vodafone, por ejemplo, en lugar de ver los 90 MHz que ve normalmente (el canal que tiene asignado Vodafone en España) vería los 380 MHz de espectro totales.

En el Gigabit Train tenemos un transmisor fijo (la estación base) y otro que se mueve a 350km/h (el terminal móvil)

El efecto de la velocidad
Una vez caracterizados los parámetros potencia y ancho de banda de la fórmula de Shannon, solamente nos queda saber cómo afecta la velocidad al sistema de comunicaciones móviles 5G.

El movimiento del terminal móvil a altas velocidades tiene dos efectos perniciosos para cualquier sistema de comunicaciones móviles. Uno es el desplazamiento Doppler y el otro es el de sufrir hand-overs demasiado frecuentes. Hay que recordar que dichos fenómenos no afectan a la capacidad de transmisión que hemos calculado antes, sino que sus efectos producen un aumento de la carga de los recursos de señalización y de los canales de control. Por tanto, dejan menos velocidad binaria libre para los canales de tráfico.

El desplazamiento Doppler (como se ve en la figura 2) produce el mismo efecto a las ondas electromagnéticas que a las sonoras. Cuando el tren se acerca a la estación base, el terminal recibe ondas a una frecuencia más alta que la emitida, y a más baja frecuencia cuando el tren se aleja, de tal modo que se dificulta la labor de demodulación en el terminal. Y, a pesar de que existen técnicas de compensación para ayudar al terminal a demodular, estas implican mayor uso de los canales de señalización y, por tanto, reducen la capacidad de transmisión para el tráfico de datos.

Con respecto a la frecuencia de los hand-overs, cuando el terminal se desplaza a 350 km/h estos se producen cada 10s, y esto puede llegar a provocar el colapso de la celda por falta de recursos en los canales de control y señalización, ya que hay que gestionar el traspaso de hasta 1.200 pasajeros.

Para mitigar este efecto se usan celdas lógicas que agrupan varias celdas físicas, de tal forma que el hand-over se realiza cada 10 o 12 celdas físicas. Por tanto, evitamos el posible colapso de la celda, aunque seguimos teniendo que utilizar muchos recursos de control y señalización para los traspasos, y ello reduce los recursos existentes para tráfico de datos.

La caída de rendimiento que producen ambos efectos perniciosos (frecuentes hand-overs y desplazamiento Doppler) se ve claramente cuando hacemos pruebas reales. Se ha demostrado que la capacidad de trasmisión se reduce hasta un 60% desde la máxima teórica.

Tenemos que estudiar cómo afecta la velocidad del tren al rendimiento del sistema de comunicaciones móviles 5G

¿Se puede o no se puede?
Despliegues reales demuestran que la capacidad máxima para un canal de 100 MHz es de 334 Mbps asumiendo que:

a) Usamos un esquema de modulación y codificación máximo de 19, y un ISD de poco más de 700 metros.

b) No hay pérdidas de penetración.

Con esta información ya podemos responder al reto que da título al artículo de manera clara: sí, es posible proporcionar un Gigabit Train en la banda de 3,5 GHz con tres operadores, pero para ello tenemos que cumplir varios requisitos:

  1. Debemos reducir las pérdidas de penetración, ya sea con equipos a bordo o con ventanas de RF.
  2. Hay que utilizar MOCN para compartir el espectro.
  3. Hay que disponer de células lógicas para reducir la frecuencia de handovers.
  4. El Intersite Distance tiene que reducirse a 700m.

 

Ingente inversión
Como conclusión debemos destacar que la implantación del Gigabit Train plantea un nuevo reto de distinta índole al tecnológico: la ingente inversión que se tiene que realizar para reducir el actual ISD de 4km a 700m, ya que hay que multiplicar por seis el número de emplazamientos tanto a nivel de infraestructuras pasivas como activas.

¿Cómo resolver este nuevo reto? Responder a dicha pregunta escapa del alcance del presente artículo. Lo que sí sabemos es que Vantage Towers participará de manera activa en el desarrollo del Gigabit Train en Europa.

 

Vantage Towers

Vantage Towers una empresa líder en infraestructuras de Telecomunicación en Europa, con más de 82.000 sites repartidos en 10 países. Nació cuando Vodafone segregó su negocio de torres y desde marzo del 2021 es una empresa líder en el sector que cotiza en la Bolsa de Frankfurt.

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