Defining an Adaptable Communications System for All Railways

Within Innovation Program 2 (IP2) of the European Shift2Rail Joint Undertaking, a Technology Demonstrator (TD) “adaptable communications for all railways” activity was created to bring together key stakeholders, to investigate the future communication needs, define and specify key functions and finally develop prototypes to prove the feasibility and capabilities of an adaptable communication subsystem for railways."br" A key aspect of the future adaptable communication system will be the support of multiple access technologies, including but not limited to LTE, 5G, Wi-Fi or SatCom, combined with bearer independence to address availability, resiliency, performance, capacity, security, safety and maintainability requirements of existing and new railway applications."br" The first project within IP2 is named X2Rail-1 and it has already started to"br" • collect, assess and qualify user and system requirements from users and stakeholders, including railway operators, infrastructure managers, regulatory groups and related associations;"br" • undertake business model analysis with the aim to explore new operating and deployment models ranging from dedicated and hybrid networks to “network-as-a-service” approaches;"br" • specify the architecture, subsystems and functions needed to enable an adaptable communication system and"br" • assess key criteria and create guidelines for the selection of appropriate communication technologies or radio network candidates."br" The paper will outline the key findings and will provide an outlook of the prototype developments planned in upcoming X2Rail projects. It will also explain the expected improvements and benefits of the future adaptable communication systems for the different railway domains to support the goals of the Shift2Rail Joint Undertaking. Document type: Part of book or chapter of boo

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

A Multi Bearer Adaptable Communication Demonstrator for Train-to-Ground IP Communication to Increase Resilience

Preprint versionThis paper presents the setup of a demonstrator based on Multipath TCP protocol to provide a multi bearer—WiFi and WiMAX— and resilient agnostic layer to support train-to-ground IP communica- tion. The adaptable communication and resilient architecture consists of three main blocks: an Acquisition System, a Detection System and a Multipath Communication System. Several tests carried out with jam- ming devices disturbing the data transfer established between the end devices demonstrate the resilient capability and performance of the pro- posed architecture to overcome electromagnetic attacks.The work described in this paper is partially supported by the EU FP7-SEC-2011-1 Collaborative Research Project entitled SECRET and by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through the SAREMSIG TEC2013- 47012-C2 project (Contribution to a Safe Railway Operation: Evaluating the effect of Electromagnetic Disturbances on Railway Control Signalling Systems). This work is produced within the Training and Research Unit UFI11/16 funded by the UPV/EHU

Edge Computing for Extreme Reliability and Scalability

The massive number of Internet of Things (IoT) devices and their continuous data collection will lead to a rapid increase in the scale of collected data. Processing all these collected data at the central cloud server is inefficient, and even is unfeasible or unnecessary. Hence, the task of processing the data is pushed to the network edges introducing the concept of Edge Computing. Processing the information closer to the source of data (e.g., on gateways and on edge micro-servers) not only reduces the huge workload of central cloud, also decreases the latency for real-time applications by avoiding the unreliable and unpredictable network latency to communicate with the central cloud

Dynamics of Long-Life Assets: From Technology Adaptation to Upgrading the Business Model

Knowledge management; Business information system

Kommunikation und Bildverarbeitung in der Automation

In diesem Open-Access-Tagungsband sind die besten Beiträge des 9. Jahreskolloquiums "Kommunikation in der Automation" (KommA 2018) und des 6. Jahreskolloquiums "Bildverarbeitung in der Automation" (BVAu 2018) enthalten. Die Kolloquien fanden am 20. und 21. November 2018 in der SmartFactoryOWL, einer gemeinsamen Einrichtung des Fraunhofer IOSB-INA und der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe statt. Die vorgestellten neuesten Forschungsergebnisse auf den Gebieten der industriellen Kommunikationstechnik und Bildverarbeitung erweitern den aktuellen Stand der Forschung und Technik. Die in den Beiträgen enthaltenen anschaulichen Beispiele aus dem Bereich der Automation setzen die Ergebnisse in den direkten Anwendungsbezug

Dynamics of Long-Life Assets: From Technology Adaptation to Upgrading the Business Model

The editors present essential methods and tools to support a holistic approach to the challenge of system upgrades and innovation in the context of high-value products and services. The approach presented here is based on three main pillars: an adaptation mechanism based on a broad understanding of system dependencies; efficient use of system knowledge through involvement of actors throughout the process; and technological solutions to enable efficient actor communication and information handling.The book provides readers with a better understanding of the factors that influence decisions, and put forward solutions to facilitate the rapid adaptation to changes in the business environment and customer needs through intelligent upgrade interventions. Further, it examines a number of sample cases from various contexts including car manufacturing, utilities, shipping and the furniture industry. The book offers a valuable resource for both academics and practitioners interested in the upgrading of capital-intensive products and services

Challenges in Cybersecurity and Privacy - the European Research Landscape

Cybersecurity and Privacy issues are becoming an important barrier for a trusted and dependable global digital society development. Cyber-criminals are continuously shifting their cyber-attacks specially against cyber-physical systems and IoT, since they present additional vulnerabilities due to their constrained capabilities, their unattended nature and the usage of potential untrustworthiness components. Likewise, identity-theft, fraud, personal data leakages, and other related cyber-crimes are continuously evolving, causing important damages and privacy problems for European citizens in both virtual and physical scenarios. In this context, new holistic approaches, methodologies, techniques and tools are needed to cope with those issues, and mitigate cyberattacks, by employing novel cyber-situational awareness frameworks, risk analysis and modeling, threat intelligent systems, cyber-threat information sharing methods, advanced big-data analysis techniques as well as exploiting the benefits from latest technologies such as SDN/NFV and Cloud systems. In addition, novel privacy-preserving techniques, and crypto-privacy mechanisms, identity and eID management systems, trust services, and recommendations are needed to protect citizens’ privacy while keeping usability levels. The European Commission is addressing the challenge through different means, including the Horizon 2020 Research and Innovation program, thereby financing innovative projects that can cope with the increasing cyberthreat landscape. This book introduces several cybersecurity and privacy research challenges and how they are being addressed in the scope of 15 European research projects. Each chapter is dedicated to a different funded European Research project, which aims to cope with digital security and privacy aspects, risks, threats and cybersecurity issues from a different perspective. Each chapter includes the project’s overviews and objectives, the particular challenges they are covering, research achievements on security and privacy, as well as the techniques, outcomes, and evaluations accomplished in the scope of the EU project. The book is the result of a collaborative effort among relative ongoing European Research projects in the field of privacy and security as well as related cybersecurity fields, and it is intended to explain how these projects meet the main cybersecurity and privacy challenges faced in Europe. Namely, the EU projects analyzed in the book are: ANASTACIA, SAINT, YAKSHA, FORTIKA, CYBECO, SISSDEN, CIPSEC, CS-AWARE. RED-Alert, Truessec.eu. ARIES, LIGHTest, CREDENTIAL, FutureTrust, LEPS. Challenges in Cybersecurity and Privacy - the European Research Landscape is ideal for personnel in computer/communication industries as well as academic staff and master/research students in computer science and communications networks interested in learning about cyber-security and privacy aspects