BR102019012056A2 - rede de área ampla, de salto de frequência, de baixa energia, como acesso de meio aleatório - Google Patents

Abstract

uma rede sem fio de espectro alargado de salto para aplicativos iot. a rede inclui dispositivos móveis com relógios locais não-sincronizados que transmitem incluindo, em uma porção de preâmbulo, uma pluralidade de palavras de sincronização, cada combinada com pelo menos um exemplo de um índice de sequência. as frequências de salto nas quais a palavra de sincronização é transmitida são diferentes. este arranjo ajuda a detecção e sincronização dos sinais, apesar das disparidades inevitáveis de frequência e colisões.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para REDE DE ÁREA AMPLA, DE SALTO DE FREQUÊNCIA, DE BAIXA ENERGIA, COMO ACESSO DE MEIO ALEATÓRIO.

Campo da invenção [001] A presente invenção se refere, nas concretizações, a um dispositivo transmissor sem fio e a uma rede sem fio compreendendo uma pluralidade de referidos transmissores. Casos de uso específico da presente invenção se relacionam a aplicativos de nódulos de medição de baixa energia para loT (Internet das Coisas), e a uma rede de área ampla de loT que inclui, além dos nódulos de medida, uma pluralidade de portas de recebimento, mas a invenção não é limitada à estes aplicativos. A invenção faz uso de interfaces de rádio de salto de frequência de banda estreita para capacidade e robustez de dados contra interferência.

Descrição da técnica relacionada [002] Várias redes de rádio de baixa energia de competição são usadas para proporcionar conectividade em aplicativos de loT. Redes de Área Local, similares a WiFi e Bluetooth, têm sido bemsucedidamente usadas em alguns aplicativos, mas elas requerem uma infraestrutura local conectada à internet, que não estão sempre disponíveis ou desejáveis, e são dificilmente aplicáveis a aplicativos móveis em que os nódulos do sensor podem se mover fora da faixa acessível de uma porta de WiFi ou Bluetooth. Redes de Ampla Área para aplicativos de loT também foram propostas, notavelmente a rede LoRa e a rede Sigfox. Existem vários desafios com estas redes:

[003] 1. Se, como é frequentemente o caso, a rede opera em uma faixa não licenciada, alta resistência às interferências é essencial. [004] 2. Conformidade com normas deve ser assegurada.

[005] A rede LoRa emprega modulação de espectro por dispersão de chilro, e tem, entre seus pontos fraco: baixa complexidade do

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2/34 hardware, nenhuma necessidade de referências de frequência precisas ou manutenção de tempo, fácil sincronização, e localização. Existem, contudo, alguns limites na capacidade de baixas taxas de dados. [006] WAN de baixa energia tende a favorecer acesso de meio aleatório similar a ALOHA para os nódulos de sensor, esta sendo a solução mais eficiente de energia. A tecnologia Sigfox e tecnologias de banda ultraestreita em geral, sofre de uma taxa de colisão muito alta comparada à carga de sistema. Na rede de banda ultraestreita, colisões ocorrem em três dimensões: tempo, frequência, e energia. A dimensão de tempo é a dimensão de teoria ALOHA usual. Colisões de frequência ocorrem porque não existem grade de frequência; os osciladores locais dos nódulos de sensor são muito menos precisos do que a largura de banda de transmissão, e eles causam uma duplicação da taxa de colisão para a mesma carga de sistema. A dimensão de enegia significa que um nodo de sensor marginal, ou um nodo fraco, sempre perderá em qualquer colisão. Em adição, o ruído de fase do transmissor limita o nível de rejeição que é alcançável pelos usuários adjacentes.

[007] Entretanto, se uma métrica de desempenho de nódulos mais fraco é monitorada, estes efeitos limitam a carga do sistema a 1% ou menos. Esta situação não pode ser remediada pelo simples expediente de adição de mais portas de recebimento.

[008] A presente invenção propõe um novo dispositivo transmissor e uma correspondente rede sem fio que implementam uma forma modificada de modulação de banda ultraestreita que permite superar ou impedir as limitações acima.

Breve Sumário da invenção [009] De acordo com a invenção, estes objetivos são alcançados por meio do objetivo das reivindicações em anexo.

Breve Descrição dos Desenhos

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3/34 [0010] A invenção será melhor descrita com o auxílio da descrição de uma concretização dada por meio de exemplo e ilustrada pelas figuras, nas quais:

[0011] Figura 1 é uma representação simplificada de uma rede de baixa energia de área ampla incluindo nódulos de sensor e portas, de acordo com a invenção.

[0012] A Figura 2 esquematiza uma estrutura de dados usada pelos transmissores e receptores da invenção, a estrutura de dados compreendendo uma pluralidade de saltos de frequência.

[0013] A Figura 3 mostra uma subdivisão do espectro de rádio útil em sub-bandas nas extremidades do transmissor e receptor.

[0014] A Figura 4 mostra uma possível subdivisão de uma subbanda em canais.

[0015] A Figura 5 mostra um plano de frequência com sub-bandas contíguas.

[0016] As Figuras 6 e 7 plotam a taxa de detecção omitida em uma rede ALOHA, indiferente de se ela inclui a característica da invenção, e a taxa de erro de pacote como funções da carga de rede.

[0017] A Figura 8 mostra uma transmissão de espectro por dispersão de um preâmbulo e uma seção de dados, cada dividida em uma pluralidade de saltos de frequência.

[0018] A Figura 9 ilustra uma concretização em que alguns saltos de frequência são alterados por uma fração da etapa nominal.

[0019] As Figuras 10-13 ilustram colisões repetidas no preâmbulo, sob pressupostos diferentes.

[0020] A Figura 14 mostra um mecanismo de compensação de um erro de frequência do transmissor, em uma transmissão de espectro por difusão de salto.

[0021] A Figura 15 compara uma transmissão de salto de frequência por um nódulo com uma referência de frequência de baixa qualida

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4/34 de com a mesma por um nódulo com uma referência de frequência estável.

[0022] A Figura 16 se relaciona a uma concretização em que o tipo de sequência de salto é sinalizada pela escolha do primeiro salto. Descrição Detalhada de Possíveis Concretizações da Invenção [0023] A Figura 1 mostra, em modo simplificado, uma rede sem fio de baixa energia que inclui muitos nódulos de sensor SO, S1, S2 e portas de recebimento GO, G1. Em um aplicativo de loT típico, os nódulos de sensor S0, S1, S2 serão dispositivos energizados por bateria simples que adquirem ou computam dados e os carregam (por ex., seta 80) às portas GO, G1. Embora não essencial, também tráfego de ligação descendente, por ex., seta 50) a partir das portas para os nódulos, é possível.

[0024] O número de nódulos de sensor não é limitado, e pode exceder vários milhares em casos de uso real. O número de portas é também não ligado, e é ditado pela necessidade de cobrir a área na qual os nódulos de sensor são encontrados. De preferência, a rede é designada tal que cada sensor está na faixa de recebimento de pelo menos uma porta ou, de preferência, várias portas.

[0025] As comunicações de ligação ascendente 80 entre os nódulos de sensor e porta usam largura de banda estreita ou modulação de largura de banda ultra estreita e espectro de dispersão de salto de frequência. A modulação é, de preferência, uma forma de modulação de fase coerente com envelope constante, por exemplo, GMSK, MSK, ou PSK. A sinalização é, de preferência, diferencial para acomodar variações de canal. É também preferível que a mensagem inclui códigos de correção de erro ou códigos de detecção de erro, e que eles sejam formatados nas estruturas de dados, conforme ilustrado na figura 2, cada compreendendo vários saltos de frequência, palavras adjacentes na mensagem original são, de preferência, intercaladas em deslocaPetição 870190054306, de 13/06/2019, pág. 13/99

5/34 mentos espaçados na estrutura, tal que elas caem em saltos diferentes, para aumentar a robustez contra interferências momentâneas.

[0026] A comunicação de ligação ascendente 80 de um nódulo de sensor à uma porta inclui a síntese de um sinal de rádio modulado que é baseado em uma referência de frequência local no nódulo de sensor. Devido às considerações de custo e energia, os nódulos de sensor não podem ser equipados com osciladores de alta qualidade. Consequentemente, a frequência do sinal de rádio de ligação ascendente é afetada por um erro considerável, que pode exceder a largura de banda estreita do sinal.

[0027] Portas de recebimento, ao contrário, têm consideravelmente mais recursos de computação do que os nódulos de sensor, energia contínua, e referências de tempo precisas, similares, por exemplo, a relógios disciplinados de GPS. Elas, são, de preferência, interconectadas, e podem colaborar entre elas.

[0028] As comunicações de ligação descendente 50, quando presentes, podem usar o mesmo protocolo de modulação das comunicações de ligação ascendente, ou uma comunicação diferente. De modo a economizar capacidade de rede, a comunicação de ligação descendente pode ser transmitida, para ser recebida por todos os nódulos de sensor dentro da faixa de uma porta, mas transmissão ponto a ponto são também possíveis. Uma função de mensagens de ligação descendente é a sincronização da referência de tempo dos sensores com aquela das portas, que podem ser vantajosamente alcançadas pelos pacotes de transmissão LoRa, por exemplo.

[0029] Em muitos aplicativos de loT, os nódulos de sensor têm somente recursos de energia e de computação limitados. Acesso aleatório ao canal de rádio, significando que sempre que um nódulo de sensor necessita enviar uma mensagem, ele a envia sem sinalização de sua intenção ou escutando se o canal está livre, são, portanto, van

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6/34 tajosos. Estes protocolos, também conhecidos como protocolos ALOHA, são sensíveis a colisões intersistema: a capacidade de protocolos ALOHA é limitada portais colisões.

[0030] Os dispositivos e sistema da invenção usam salto de frequência como uma defesa contra colisões e outras interferências. Os transmissores dos nódulos de sensor alteram a frequência do transportador entre várias frequências de salto na banda de rádio disponível, de acordo com uma sequência, tal que a transmissão de ligação ascendente 80 compreende uma série de sucessivos saltos com frequências de transportador diferentes. A frequência muda em cada limite de salto. De preferência, o comprimento do salto é consideravelmente menor do que um comprimento da mensagem: uma mensagem, ou uma estrutura consiste de um ou vários saltos.

[0031] Para permitir desmodulação, a sequência das frequências de salto deve ser conhecida em avanço, ou algoritmicamente determinável pela porta de recebimento. O sistema pode ter somente uma sequência de salto predeterminada, e, neste caso, mensagens com tempos de partida diferentes não colidiriam na frequência, à medida que suas respectivas sequências de salto são alteradas no tempo, ou uma pluralidade de sequências de salto entre as quais os transmissores podem escolher. O último arranjo requer que a porta de recebimento tenha informação sobre a sequência de salto de cada mensagem individual.

[0032] A Figura 2 ilustra uma estrutura de dados de ligação ascendente ou mensagem, tal como ela pode ser usada em uma concretização da presente invenção. A estrutura começa com um preâmbulo, contendo um sinal de sincronização que serve para a detecção na extremidade do receptor e um encabeçamento físico. O encabeçamento físico inclui informação usada no receptor para prever e seguir a sequência de salto: se o sistema prevê mais do que uma sequência pos

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7/34 sível de frequências de salto, o preâmbulo contém, de preferência, um identificador da sequência que foi escolhido para os dados que se seguem na mesma estrutura ou mensagem. De preferência, conforme será visto em seguida, o encabeçamento físico contém um elemento de informação, implícito ou explícito, no valor absoluto da frequência no primeiro salto, ou em um salto determinado. Tal informação é usada pela porta de recebimento para resolver o erro de frequência do transmissor.

[0033] O preâmbulo pode incluir também outra informação no formato dos dados, por exemplo, uma indicação de taxa de dados, o esquema de modulação usado, e assim por diante.

[0034] Para impedir perda de preâmbulo, a informação é, de preferência, repetida várias vezes, em saltos de frequência sucessivos. A Figura 2 mostra um preâmbulo contendo três saltos, mas isto não é uma característica essencial da invenção. Importantemente, cada réplica do preâmbulo contém também um contador, ou um elemento de informação que permite que a porta de recebimento identifique cada repetição. Dessa maneira, mesmo se a porta deva receber somente uma das repetições, ela pode ainda sincronizar com a sequência de salto.

[0035] O preâmbulo é seguido por um encabeçamento que informa a porta de recebimento da natureza e do formato da seguinte carga útil. Importantemente, encabeçamento e carga útil são intercalados e codificados para correção de erro. No exemplo, o encabeçamento e a carga útil compreendem oito, respectivamente 32 saltos, mas estes números podem variar de acordo com os casos de uso. Cada salto contém um dado número de símbolos de modulação, e um número correspondente de bits da mensagem modulada.

[0036] A sincronização com a sequência de salto é particularmente difícil no sistema da invenção porque as referências de frequência dos

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8/34 osciladores locais dos nódulos de sentido têm um erro intrínseco que é maior do que a largura de banda de canal. Para mencionar algumas figuras, assumindo que os nódulos de sensor S0-S2 são equipados com osciladores de cristal de baixo grau com um erro de 30 ppm, e que os dados são modulados com uma largura de banda de 400 Hz na banda ISM sub-GHz, podendo-se esperar um erro máximo de 30 kHz na definição de uma frequência de transportador. Este é 80 vezes a largura de banda de modulação.

[0037] Duas maneiras possíveis de procedimentos são:

[0038] 1. Antes de uma transmissão, sincronizar a referência do sensor com a porta em uma ligação ascendente.

[0039] 2. Dispor as sequências de salto e as frequências disponíveis tal que os erros de sincronização da frequência podem ser corrigidos e acomodados.

Sub-bandas e canalização [0040] De preferência, o sistema divide o espectro de rádio disponível em sub-bandas, que podem ser adjacentes ou separadas, e cada sub-banda em uma série de canais contíguos. O salto pode ocorrer dentro de uma sub-banda, ou através de sub-bandas. Qualquer dada estrutura é transmitida em um dado canal em uma sub-banda e, desde que as frequências sintetizadas no nódulo de sentido não são diretamente relacionadas com aquelas medidas por uma referência precisa, é conveniente definir sua frequência por um índice de sub-banda e um índice de canal dentro da sub-banda designada pelo índice de subbanda.

[0041] O uso de várias sub-bandas é vantajoso em muitos aspectos.

[0042] 1. Dispersão mais alta no domínio de frequência dá melhor coexistência em bandas não licenciadas, ambas como uma vítima e como um agressor. Os limites regulatórios são mais simples de encon

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9/34 trar e podem permitir mais energia e/ou tempos de transmissão mais longos.

[0043] 2. Diversidade mais alta vs propagação/desvanecimento rápido.

[0044] 3. Sinalização implícita a partir da posição da primeira frequência de salto: a primeira frequência de salto na sequência de salto pode ser escolhida entre um número de frequências de partida alternativas possíveis e, por esta escolha, o transmissor transmite um elemento de informação.

[0045] 4. Planejamento de rede e/ou taxa de dados adaptativa.

[0046] Devido às disparidades de frequência entre receptor e transmissor, é útil definir estas bandas diferentemente no receptor e no transmissor. Nós introduzimos três noções: definição nominal, ou definição regulatória, definição de sub-banda, definição de sub-banda de receptor, e definição de sub-banda de transmissor.

[0047] Se o transmissor tem a possibilidade de escolher entre várias sequências de salto possíveis, o transmissor selecionado pode ser sinalizado implicitamente através da escolha da primeira frequência usada.

[0048] A seleção de uma sequência de salto pode ser baseada em um estado de sincronização da referência de frequência do dispositivo de transmissão.

[0049] A Figura 3 ilustra as três definições de sub-banda. Neste exemplo, o espectro de rádio disponível compreende três sub-bandas desjuntadas: B0, B1, e B3 de igual largura e regularmente espaçadas neste exemplo, mas isto não é uma característica essencial da invenção: o número, largura e espaçamento das sub-bandas são arbitrários, e eles podem se tocarem ou sobreporem, de acordo com a implementação; eles podem corresponder a região distinta regulatória do espectro eletromagnético, mas isto não é essencial. As sub-bandas nominais

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10/34 (série NOM) são os limites de frequência, medidos por um instrumento exato, dentro do qual a transmissão deve estar contida. As sub-bandas de transmissão (TX) são expressas em termos de frequência conforme determinado pela referência de frequência do transmissor, isto é, elas se alteram quando o oscilador local se altera. Para respeitar os limites de sub-banda nominal, o nódulo de sensor ajusta as sub-bandas do transmissor, reduzindo as mesmas tal que, mesmo considerando a disparidade de frequência, o sinal de rádio cai sempre nos limites nominais.

[0050] Importantemente, os nódulos de sensor têm um estado de sincronização que proporciona uma indicação do erro de frequência do oscilador local. E adapta a largura e/ou a estrutura das sub-bandas dependente do estado de sincronização. Várias estratégias podem ser aconselhadas, mas, um princípio geral é que, quanto mais alto o erro de frequência indicado pelo estado de sincronização, mais estreita a sub-banda será ajustada.

[0051] O estado de sincronização pode ser obtido a partir do erro nominal da referência de frequência local, de um modelo de deriva que pode também incluir a temperatura do cristal, a partir do resultado de uma sincronização após uma ligação descendente, a partir do tempo decorrido desde a última ligação descendente que resulta em uma sincronização, ou de uma combinação de todos ou alguns destes elementos. De preferência, o estado de sincronização é dinâmico: um dado nódulo de sensor pode ser capaz de usar muita da banda disponível mais curta após uma sincronização, e progressivamente estreitará sua sub-banda de transmissão, enquanto que a frequência de seu oscilador local torna-se mais e menos precisa. A largura de banda inicial pode ser restaurada por uma sincronização adicional, disparada por uma requisição do nódulo, ou após uma tabela predeterminada.

[0052] Frequentemente, o receptor é uma porta que tem acesso a

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11/34 um relógio sincronizado por GPS. Neste caso, as sub-bandas no receptor (RX) podem ser essencialmente as mesmas como as subbandas nominais. Nos casos onde o receptor é mal sincronizado (por exemplo, em uma transmissão de ligação descendente de banda estreita, ou quando a sincronização de GPS está em falha), o receptor pode se sintonizar a um conjunto mais amplo de frequências, conforme mostrado, de modo que ele pode receber todas as transmissões que estão efetivamente dentro da sub-banda nominal.

[0053] A mesma distinção entre nominal ou regulatória, as frequências de receptor e de transmissor são transportadas também no plano de canal, conforme mostrado na figura 4. Uma sub-banda nominal, conforme definida acima, pode ser dividida em um número adequado de canais (o desenho mostra somente um número reduzido). A mesma sub-banda, conforme definida para o transmissor, será levemente mais estreita devido ao ajuste acima, e é dividida no mesmo número de canais. Devido à disparidade de frequência, contudo, o canal definido para o transmissor não corresponde exatamente ao canal nominal. O transmissor pode excluir alguns canais, por exemplo, aqueles próximos a um limite de sub-banda (escurecido na figura 4), para assegurar que toda sua transmissão caia dentro da sub-banda nominal. De preferência, todo o transmissor em uma rede usa o mesmo subconjunto reduzido de frequências disponíveis para limitar a sinalização de escolha da sequência de salto.

[0054] Em uma sequência de salto, cada salto é transmitido em uma frequência de transportador diferente que pode ser designada por um índice de sub-banda e, dentro da sub-banda, um índice de canal. De preferência, as sub-bandas são designadas tal que a correspondência entre o transmissor, nominal, e o receptor, é inequívoca, isto é, um transportador que está para o transmissor (TX) em uma dada subbanda, será a mesma sub-banda para o receptor, indiferente do esta

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12/34 do de sincronização, porque as separações entre as sub-bandas são maiores do que o erro de frequência esperado máximo. Este não é o caso para o canal, contudo, e a correspondência entre o índice de canal escolhido pelo transmissor e a frequência real percebida pelo receptor não é evidente.

[0055] A banda de frequência disponível nestas concretizações pode ser canalizada em uma pluralidade de canais de transmissão. De preferência, os canais não se sobrepõem, mas esta não é uma requisição absoluta. A banda de frequência pode ser dividida em subbandas, cada compreendendo uma pluralidade de canais, ou mesmo todos os canais podem ser compreendidos em uma divisão comum. Em geral, cada frequência de salto pode ser designada por um índice de canal e, possivelmente, um índice de sub-banda.

[0056] Os transmissores da invenção podem ser dispostos para determinar a sequência de salto por incrementação repetidamente um canal de uma frequência de salto inicial de acordo com uma sucessão determinada de incrementos, desse modo, obtendo uma sequência de canais, cada canal na sequência definindo um salto. De preferência, o incremento é seguido por uma operação de módulo para manter as frequências de salto dentro de limites predeterminados.

[0057] Desse modo, a sequência de salto é definida em termos de intervalos relativos, e o transmissor pode escolher livremente a frequência inicial. À medida que a frequência (ou equivalentemente o canal) de um dado salto é derivável daquela da frequência prévia por uma compensação, ou alteração, seguido por uma operação de módulo, as sequências definem somente as alterações de frequência relativa, ou intervalos associados a cada salto, sem restringir o primeiro canal do qual a sequência inicia. Quando a operação de alteração produz um canal que está fora das ligações de sua sub-banda, a operação de módulo se envolve dentro da sub-banda.

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13/34 [0058] Na recepção, uma vez que o receptor detecta um sinal em uma frequência inicial (ou canal), ele pode prever as frequências de salto por incremento repetidamente da frequência inicial de acordo coma sucessão conhecida de incrementos e sintoniza em sucessão da frequência de salto para receber a mensagem total.

[0059] A compensação não depende da frequência usada, mas pode depender do índice de salto, por exemplo, pode estar linearmente aumentando, ou pode resultar de uma sequência pseudoaleatória ou permutação, conhecida ou algoritmicamente reproduzível ao receptor.

Sinalização implícita e explícita da sequência de salto [0060] A rede de comunicação da invenção pode usar uma sequência de salto comum para toda a transmissão de ligação ascendente ou, de preferência, uma pluralidade de sequências de salto entre as quais o modulo de transmissão pode escolher. Quando várias sequências de salto são possíveis, a sequência de cada mensagem é sinalizada explicitamente ou implicitamente no encabeçamento físico ou preâmbulo.

[0061] A sequência de salto é determinada pelo índice de canal e índice de sub-banda do primeiro salto e, se necessário, um índice de sequência de salto. O lado do transmissor sintetiza um sinal de rádio que tem uma frequência bem-determinada relativa à sua própria referência de tempo, mas, desde que esta referência tenha um erro não determinado, a frequência recebida pelo receptor é não determinada.

[0062] A porta de recebimento pode determinar com certeza o índice de sub-banda do primeiro salto, à medida que as sub-bandas são suficientemente separadas, e conhecido também o índice de sequência de salto, porque esta informação é explicitamente sinalizada no encabeçamento, mas não pode determinar com certeza o índice de canal escolhido pelo transmissor para o primeiro salto e, consequen

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14/34 temente, não pode determinar exatamente o desenvolvimento adicional da sequência de salto. Isto é particularmente verdadeiro quando a frequência dobra sobre um limite de sub-banda.

[0063] Para solucionar este problema, o transmissor pode ter uma referência de frequência estável, tal como um TCXO, e sincroniza sua frequência de uma estrutura de ligação descendente, ou sinalizador. Neste caso, a precisão pode ser melhor do que metade ou mesmo um quarto da largura de banda de modulação. É então possível definer canais, e sequências de salto são definidas sem ambiguidade. Esta solução, contudo, pode não ser praticável em aplicativo de loT, devido às limitações de custo e de orçamento de energia.

[0064] Em outra concretização possível, o transmissor tem uma frequência menos estável, por exemplo, um XO de baixo grau, mas seu erro é pelo menos caracterizado e compreendido dentro de limites conhecidos. Isto pode incluir sincronização da referência de frequência do transmissor com a sincronização da porta, por meio de uma estrutura de ligação descendente ou beacon. Neste caso, o erro pode alcançar 1 ppm, que corresponde a cerca de do que 1 kHz nas bandas de ISM 868MHz ou 915MHz.

[0065] Para permitir que o receptor determine a sequência de frequências de salto, apesar do erro de frequência, o transmissor envia informação adicional no canal usado para o primeiro salto, ou para um determinado salto da sequência, por exemplo, o primeiro salto de dados após o preâmbulo.

[0066] Em um esquema de sinalização explícito simples, o transmissor pode incluir no preâmbulo a designação total do canal, ou da frequência do transportador usada para o primeiro salto, ou para os seguintes saltos no preâmbulo. A partir disto, o nódulo de recebimento pode medir a disparidade de frequência instantânea entre o transmissor e si próprio, e determinar a sequência de salto.

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15/34 [0067] A sinalização do índice de canal no total pode ser desperdiçada, contudo, porque o erro de frequência não é arbitrariamente grande. A porta de recebimento pode usualmente determinar o canal de uma transmissão com uma incerteza de algumas unidades de sua frequência absoluta. Por exemplo, se o erro de frequência máximo corresponde a ± 1,5 vezes a largura de banda de modulação, o receptor necessita somente de dois bits de informação para determinar o índice de canal. O preâmbulo contém uma informação parcial, por exemplo, os dois bits significantes mínimos do índice de canal, e os bits mais significantes são determinados pelo receptor baseado na frequência de transportador absoluta. De preferência, pelo menos uma porção significante de um índice de canal que designa a primeira frequência de salto é sinalizada, ou explicitamente, ou, conforme será mostrado em seguida, implicitamente pela escolha da frequência do primeiro salto.

[0068] Em uma variante possível da invenção, a informação no canal inicial é não explicitamente modulada no preâmbulo ou em qualquer lugar na mensagem, mas é implicitamente sinalizada pela escolha da frequência do primeiro salto. A sequência de salto sendo definida em termos de intervalos relativos, o transmissor pode escolher livremente a frequência do primeiro salto, e, por esta escolha, implicitamente sinalizar o canal escolhido para o primeiro salto da sequência de salto. Referindo-se ao plano da sub-banda da figura 3, por exemplo, 1,5 bits de informação pode ser implicitamente transmitida com a escolha de BO, B1, ou B2 para o primeiro salto. A convenção pode ser que B0 é usada se índice de frequência se iguala a 0 módulo 3, B1 se iguala-se a 1, e B2 se iguala-se a 2. Desde que a sub-banda pode ser detectada sem ambiguidade, o receptor é capaz de reconstruir imediatamente a sequência de salto.

[0069] A Figura 5 ilustra um plano de frequência que não é reparti

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16/34 do em sub-banda de desjuntar. Isto evita bandas de proteção entre as sub-bandas e maximiza a eficiência espectral. A extensão da frequência é dividida em sub-bandas contíguas, agrupadas em conjuntos diferentes, marcadas A/B/C/D, para criar grupos de sub-bandas de disjuntar. Para isto, a distância de frequência entre 2 sub-bandas do mesmo grupo (na figura A-A, B-B, C-C, ou D-D) deve ser mais alta do que o erro de frequência de transmissão máximo dos pontos finais.

[0070] As sub-bandas de disjuntar podem, em seguida, permitir o uso de sinalização implícita da frequência do primeiro salto. Os grupos podem ser usados para planeamento da rede, pelo que uma dada porta será designada um dado grupo, portanto, a sub-banda recebida não será ambígua. Em alternativa, os grupos podem ser usados para separar tráfego no local da taxa de dados; novamente, o índice de subbanda do primeiro salto não é ambíguo à medida que a taxa de dados é sinalizada no encabeçamento da estrutura.

[0071] Independentemente do uso de sinalização implícita, a divisão da banda em grupos de sub-bandas pode também ser usada para separar tráfego de ligação ascendente entre usuários recebidos com alta energia e usuários com baixa energia, para proteger os usuários mais fracos. Devido aos erros de frequência, ainda existiría algumas colisões nas bordas das sub-bandas, mas menos do que com sequências de salto definidas sobra a banda total.

Previsão e supressão de colisão [0072] Desde que o sistema é baseado no salto de frequência, à medida que a sequência de salto é conhecida, os receptores têm a possibilidade de prever se e quando duas mensagens colidirão. O preâmbulo e porção de sincronização de estruturas não podem ser previstas previamente, mas os dados podem ser pós-processados após um curto retardo. Desde que as estruturas são FEC codificadas e intercaladas sobre todos os saltos, o receptor deve esperar pelo último

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17/34 salto antes de desintercalamento e decodificação, em cujo tempo a previsão de colisão e processo de supressão da estrutura de interesse é completa. Portanto, o processo de supressão não retarda o processo de decodificação.

[0073] Em uma concretização preferida, a previsão inclui a construção, em uma porta de recebimento, de um mapa de interferência que prevê o nível de sinal recebido como uma função do tempo e frequência. No eixo do tempo, a resolução do mapa, ou granularidade, é, de preferência, igual ou melhor do que um comprimento de um símbolo, e pode ter uma resolução igual a uma amostra.

[0074] A porta de recebimento, quando um sinal é detectado, determina sua sequência de salto e enche as caixas do mapa de interferência correspondente ao tempo esperado e frequência dos pacotes próximos com o nível de sinal medido na etapa de detecção (um nível de energia por cada pacote).

[0075] A expressão nível de sinal denota aqui qualquer indicador adequado de intensidade ou energia incluindo, mas não limitado a, a resistência de sinal recebida medida, ou RSSI medido em dBmW, em dBpV/m, ou em qualquer escala ou unidade adequada.

[0076] A operação é conforme segue:

[0077] 1. O receptor exemplifica um desmodulador por cada estrutura detectada. Os desmoduladores geram fatores de correção de registro (LLR) para cada bit recebido e possivelmente algum indicador de qualidade similar a RSSI, SNR ou outro.

[0078] 2. À medida que a detecção e os exemplos de desmodulador progridem, eles atualizam um mapa de interferência por adição da resistência de sinal relativa medida do sinal de interesse (RSSI). Tal mapa de interferência mostra as interferências cruzadas possíveis de todos os nódulos que estão transmitindo em um dado tempo e deve ter pelo menos uma granularidade de tempo de um comprimento de sím

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18/34 bolo e uma granularidade de frequência melhor do que a largura de banda de modulação.

[0079] 3. Uma vez que uma estrutura alcança o final de desmodulação, e antes de desintercalamento e decodificação, os LLR são pesados e possivelmente suprimidos baseado no mapa de interferência: para cada bit recebido, proporção de interferência-mais-ruído (SINR) é computada. Onde o mapa de interferência mostra uma transmissão simultânea no tempo e frequência de dois nódulos, os LLR são pesados por um fator corretivo, usualmente entre um e zero, para contar com o fato que o sinal neste tempo e fendas de frequência é potencialmente corrompido pela interferência. As quantidades de supressão para designação de um peso de 0. A quantidade de pesagem ou, possivelmente, supressão total, é determinada baseado no sinal para proporções de interferência-mais-ruído (SINR).

[0080] De preferência, a porta do receptor é disposta para medir o nível de sinal de uma pluralidade de pacotes em uma sequência de salto de um sinal de rádio que são livres de interferência e, se o nível de sinal de uma fonte muda durante as mudanças de recepção, pode ajustar o nível de sinal dos pacotes previstos no mapa de interferência. [0081] Em outra variante preferida, a porta de recebimento deve acessar também interferências provenientes de outros sistemas, por comparação do sinal recebido com aquela previsão a partir do mapa de interferência.

Recepção colaborativa [0082] A mensagem transmitida de um nódulo de sensor pode ser recebida por mais do que uma porta e, neste caso, vários receptores podem colaborar em sua decodificação. Referindo-se à figura 1, a mensagem transmitida de S1 é recebida ambos por GO e G1. Para cada estrutura, as portas de recebimento GO, G1 transmitem a informação necessária a um servidor 105 (que pode estar em uma localização

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19/34 separada, ou no mesmo lugar como uma das portas; uma peça separada ou hardware, ou meramente um exemplo de um programa de software). A informação carregada (seta 110) para o servidor, de preferência, inclui o LLR pesado conforme computado previamente, junto com o tempo de informação de chegada, informação de salto, e outros metadados que serão usados para identificar e processar a estrutura. De preferência, o receptor pode proporcionar uma estimativa precisa da frequência de transmissão prevista. Isto simplifica a identificação de estruturas no servidor 105. Sinalização implícita pode ser usada para esta proposta.

Palavras de sincronização múltiplas (preâmbulo de salto) [0083] Redes ALOHA podem usar uma sequência especial de dados, convencionalmente indicada como uma palavra de sincronização, para identificar o início de uma transmissão, ou de uma estrutura de dados. As palavras de sincronização podem ser colocadas no preâmbulo ou encabeçamento físico de uma estrutura, e sua estrutura é suficientemente conhecida pelo receptor para permitir detecção e alinhamento de palavra.

[0084] Palavras de sincronização e encabeçamento físico são particularmente importantes porque, se eles são incompreendidos, a recepção de todos os dados subsequentes é comprometida. A Figura 6 mostra a taxa de erro esperada na detecção da palavra de sincronização do preâmbulo, simulada para autointerferência do sistema em uma rede ALOHA com carga aumentada, sob o pressuposto que a palavra de sincronização é omitida quando mais do que 20% de sua duração é coberta por uma interferência. O preâmbulo não é protegido pelo FEC e intercalamento, que intervém em nível mais alto, e a taxa de erro a 20% de carga é ao redor de 28%. Para comparar, a Figura 7 plota a taxa de erro prevista (PER) para a carga útil para a mesma rede da figura 6, assumindo FEC de convolução (133, 171, k=7), e que 80% da

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20/34 interferência é detectada e suprimida antes da decodificação, e 20% não é, que são pressupostos realísticos para um nódulo fraco. Nós vemos que a PER a 20% de carga é ao redor de 8%.

[0085] Em uma concretização, a palavra de sincronização, e possivelmente o encabeçamento físico também, são transmitidos em várias cópias em frequências diferentes, seguindo a sequência de salto. Cada repetição da palavra de sincronização é combinada com um elemento de informação no índice de salto, por exemplo, um contador que segue o receptor para se alinhar à sequência de salto. A Figura 8 mostra uma possível implementação desta transmissão de encabeçamento múltipla. O gráfico representa uma transmissão de ligação ascendente que compreende uma sucessão de tempo de vários saltos, tendo frequências de transportador diferentes, e aparecem em ordenadas diferentes no gráfico. Todo salto individual, representado por um retângulo vazio ou cheio compreende um sinal modulado de banda estreita.

[0086] Os saltos de preâmbulo 320 contêm uma pluralidade de palavras de sincronização, cada combinada com pelo menos um índice de salto, que é, nesta concretização, repetida em duas cópias no começo e no final de cada salto. Isto não é essencial, e o índice pode estar somente no começo, ou no final, ou na parte intermediária, mas, desde que muitas interferências são limitadas a um intervalo de curto tempo, esta redundância adicional aumenta a robustez.

[0087] Em uma possível realização, os índices de salto são dispostos em uma sequência de diminuição de contagem regressiva: o salto rotulado com '0' sendo o último dos saltos de preâmbulo. Este arranjo é flexível em que a porta de recebimento não necessita conhecer quantos saltos o preâmbulo consiste de o número de palavras de sincronização, ou sua taxa de repetição. O receptor necessita somente receber corretamente um salto para sincronizar e alinhar com a se

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21/34 quência de salto, tendo em conta o erro de frequência do transmissor, e conhecendo a posição na qual a palavra de sincronização termina e os dados se iniciam. Por exemplo, mesmo se as primeiras palavras de sincronização (tracejadas) não foram enviadas no todo, o receptor pode ainda sincronizar em qualquer das seguintes palavras.

[0088] O número e a taxa de repetição de palavras de sincronização 320 não necessitam serem fixos, mas podem ser modificados dinamicamente pelo transmissor baseados em fatores contingentes. Em uma concretização preferida, o transmissor adapta o número de repetição de palavra de sincronização e/ou a taxa de repetição de palavra de sincronização baseado em um estado de sincronização que é indicativo do erro de frequência de sua referência de frequência local.

[0089] Em outra concretização, o número de palavras de sincronização repetidas, e/ou a taxa de repetição de palavra de sincronização são adaptados pelo transmissor baseado em uma estimativa da taxa de sucesso do transmissor. A taxa de sucesso do transmissor é a probabilidade que uma transmissão é corretamente recebida pela porta ou pelas portas. Ela depende da carga de rede, e do nível de sinal de recepção visto pela porta. A taxa de sucesso depende também do número de palavras de sincronização, conforme mencionado acima: quanto mais palavras de sincronização, mais alta a probabilidade de sucesso. A dependência do número de palavras de sincronização é particularmente escalonada quando a capacidade do sistema é limitada por seu próprio tráfego.

[0090] O transmissor pode estimar a taxa de sucesso de vários modos. Um método preciso de estimar a taxa de sucesso é baseado na fração de estruturas transmitidas que deve ser conhecida pela rede, e são, de fato, conhecidas. Métodos menos precisos que não requerem conhecimento incluem estimar a carga no canal, por amostragem do canal para nível de sinal somente, ou por tentativa de detectar pa

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22/34 lavras de sincronização de outros transmissores, e computando a taxa de sucesso a partir da carga de canal.

[0091] Em outra concretização, o transmissor adapta o número de repetição de palavra de sincronização, e/ou a taxa de repetição de palavra de sincronização baseado em um comando recebido na rede. A infraestrutura da rede, por exemplo, uma porta ou um servidor, pode estimar a taxa de sucesso para um dado transmissor. Uma maneira possível de fazer isto requer inserção de um contador de estrutura que incrementa em cada transmissão, de modo que a taxa de sucesso pode ser diretamente monitorada. A rede pode também estimar estatisticamente a taxa de sucesso de um dado transmissor quando ele transmite poucas estruturas, de carga de sistema, nível de sinal recebido do transmissor, e outros níveis de sinal recebidos dos transmissores. A rede pode então produzir uma negociação de desempenho/consumo de energia/carga de rede, pelo ajuste individualmente do número de repetição de palavra de sincronização/taxas. A rede pode definir classes diferentes de serviço e aplicar políticas diferentes a estas classes.

[0092] Os saltos de dados 340 são numerados no gráfico para distingui-los, mas não necessitam incluir um índice explícito. O receptor neste ponto já determinou suas frequências, e pode desmodulá-las normalmente. Desde que os dados são FEC-codificados e intercalados, a transmissão é altamente imune de interferências. Convencionalmente, a sequência de salto é definida em relação ao tempo central t_0 e à frequência de centro f_data 0 do primeiro salto de dados. Outras escolhas podem ser possíveis, contudo. É uma característica distintiva da invenção que ambos preâmbulo e dados em uma estrutura ultrapassam uma pluralidade de saltos de frequência.

[0093] Conforme discutido acima, a sequência de salto envolve uma série de frequências de transportador centradas em canais de

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23/34 não sobreposição (Figura 4). Em uma concretização possível, o nódulo do transmissor é disposto para compensar a frequência do transportador de alguns saltos de preâmbulo por uma fração da largura de banda, conforme ilustrado na figura 9. Neste arranjo, mesmo palavras de sincronização são reduzidas pela metade de sua largura de banda. Em geral, os saltos de frequência podem ser separados por compensações de frequência que são inteiras ou meio-inteiras múltiplas da largura de banda, ou múltiplas de uma fração predeterminada da largura de banda.

[0094] Embora esta alteração pareça aumentar a probabilidade de colisão na frequência, ela é, de fato, útil porque em geral as frequências centrais dos canais usadas pelo transmissor não são bem definidas. A largura de banda de modulação é baixa, cerca de 100 Hz e, para detectar qualquer palavra de sincronização, o receptor necessita formar um grande número de canal, ou aumentar sua largura de banda.

[0095] Graças à alteração da figura 9, o receptor pode formar menos canais, ou reduzir sua largura de banda, e ainda ser capaz de detectar pelo menos uma parte das palavras de sincronização com alta probabilidade. Se meias palavras de sincronização são afastadas por BW/2, o receptor está certo que a metade das palavras de sincronização terá um afastamento mais baixo do que BW/4. Dessa maneira, negocia-se alguma robustez ou desempenho (mais repetição da palavra de sincronização pode ser necessária) para uma complexidade mais baixa do receptor.

[0096] Importantemente, a sequência de inteiro e etapas fracionais seguem uma regra determinística, tal que o receptor pode aplicar estas alterações fracionais determinísticas à sequência nominal de frequências de salto e manter sintonização exata, à medida que a posição na sequência de palavras de alteração é conhecida. Conforme já

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24/34 mencionado, no exemplo da figura 9 mesmo palavras de sincronização de índice são alteradas descendentes por BW/2. Outras regras determinísticas podem ser usadas para o mesmo efeito.

[0097] Enquanto que é suficiente para a operação da invenção que as palavras de sincronização sejam detectáveis e reconhecíveis pelo receptor, técnicas conhecidas podem ser usadas para escolher palavras de sincronização com propriedades vantajosas, por exemplo, uma autocorrelação acentuada. Entre estas escolhas, a invenção pode usar a mesma palavra de sincronização em todos os saltos de preâmbulo 320, ou também palavras de sincronização deferentes para cada salto, de acordo com uma sequência conhecida pré-determinada. No último caso, o receptor pode determinar a posição do salto a partir do índice de salto, e/ou a partir da própria palavra de sincronização.

[0098] Os saltos de preâmbulo 320 podem transmitir informação adicional ao receptor além das palavras de sincronização. Por exemplo, eles podem incluir informação adicional designando uma taxa de dados para a porção de dados, e/ou uma indicação designando uma sequência de salto entre uma pluralidade de possíveis sequências de salto. Estes elementos de informação podem ser codificados em qualquer maneira adequada.

Sequência de saltos [0099] Conforme já citado, os erros de frequência nos nódulos de transmissor tornam difícil definir uma sequência de salto. De preferência, a sequência de salto para o preâmbulo de salto, e possivelmente no começo da parte de dados, deve ser tal que ela pode ser identificada a partir do índice e frequência atual somente. Em adição, desde que a frequência transmitida pode mostrar erros mais altos do que várias vezes a largura de banda de canal, a determinação da sequência de salto não deve ser impactada por tal compensação.

[00100] Assumindo um conjunto contínuo de frequências potenciais,

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25/34 uma opção vantajosa é que a sequência de salto é definida em termos de intervalos relativos, o transmissor sendo capaz de escolher livremente a frequência inicial. Conforme já mencionado, isto significa que, na sequência de salto, a frequência de um dado salto é derivável daquela da sequência prévia por uma compensação seguida por uma operação de módulo, para mantê-lo dentro de limites de banda previstos.

[00101] À medida que o preâmbulo de salto é concernido, todas as frequências são relativas à frequência de centro do primeiro salto de dados, que nós denotamos f_dataO. Esta frequência deve ser compreendida entre os limites da banda, ou da sub-banda, denotada como f_mín e f_máx.

[00102] Definiu-se a etapa de salto minima como etapa h_. Para simplificar a descrição e figuras, nós assumimos que a etapa h_ seja igual à largura de banda de modulação BW (por exemplo, medida no corte 6dB). Isto não é uma requisição necessária, contudo. O sinal transmitido será (com um corte 6dB) entre f_mín - bw/2 - f_erro_máx e f_máx + bw/2 + f_erro_máx.

[00103] Denota-se com N o número de canais disponível para salto a partir do ponto de vista de um transmissor, N=piso(f_máxf_min)/(h_etapa+1).

[00104] A partir do ponto de vista do receptor, o conjunto total de frequências de centro que deve ser escaneada cobre uma faixa de f_mín-f_error_máx para f_máx+f_erro_máx, onde f_erro_máx denota o erro de frequência máximo para um transmissor, que é uma consequência de seu erro do oscilador de cristal.

[00105] Para simplificar a notação, nós forçamos f_data_O a serem tal que f_data_O = f_idx_data_O*h_etapa + f_mín, com f_idx_data_O um inteiro entre 0 e N. Desse modo, nós podemos simplificar identificar uma frequência a um inteito. Nós somente requeremos que as dife

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26/34 renças de frequência são um número inteiro de etapa h_. Isto pode ser estendido ao caso geral.

[00106] Quando várias sequências de salto são definidas, nós notamos hop_seq_idx a identificação da sequência de salto. Então, nós podemos descrever a frequência versus index e hop_seq_idx. O índice remember é o índice de preâmbulo de salto, que diminui a contagem: [00107] 1. Se index=0, f_idx_preamb(index) = mod(f_idx_data_0 + hop_delta(0,hop_seq_idx),N+1) [00108] 2. Se index>0, f_idx_preamb(index)=mod(f_idx_preamb(index-1) + hop_delta(index,hop_seq_idx) ,N+1) [00109] A série hop_delta deve ser escolhida para minimizar colisões repetidas, especialmente nos saltos de preâmbulo: se dois transmissores ocorrem para colidirem em um salto do preâmbulo de salto, eles devem colidir o menos possível nos outros saltos. Idealmente, se eles são para colidirem em um dado salto, eles não devem colidir em outros. As seguintes propriedades são importantes para assegurar múltiplas colisões são limitadas:

[00110] 1. hop deltas igual a ±1 deve ser evitado. Algebricamente:

para qualquer índice e qualquer hop_seq_idx, a desigualdade abs(hop_delta(index,hop_seq_idx))>1 deve ser mantida. Isto é porque as frequências centrais não são bem definidas por causa do erro de frequência, assim com uma compensação de somente 1, colisão pode ocorrer em 2 saltos consecutivos, conforme mostrado na Figura 10. A regra exata, se BW # etapa h_ é: abs(hop_delta(index,hop_seq_idx))* h_etapa > BW + abs(hop_offset).

[00111] 2. Os valores de hop_delta devem ser diferentes, de outro modo, colisões múltiplas certamente ocorrem logo que ocorram. Isto é ilustrado na Figura 12.

[00112] 3. A diferença entre saltos deltas deve ser pelo menos 2,

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27/34 devido aos erros de frequência. Isto é mostrado na Figura 11 com saltos deltas de 2 e 3.

[00113] 4. Para qualquer índice e qualquer hop_seq_idx, hop_delta(index,hop_seq_idx)) deve ser diferente do que qualquer soma de saltos deltas consecutivos. Isto é ilustrado na Figura 13. A regra exata seria a soma de saltos consecutivos mais ou menos 1, mas como pela regra 3 diferenças são múltiplas de 2 de qualquer forma.

[00114] Para satisfazer as primeiras 3 regras, a sequência hop_delta pode ser simplesmente os inteiros ímpares ou os inteiros pares. Para respeitar também a 4^a regra, assumindo o número máximo de palavras de sincronização é 4 dentro de um preâmbulo de salto 4, sequências diferentes, estas podem ser {2,4,8,10}, {14,16,20,22}, {-2,4,-8,-10}, {-14,-16,-20,-22}.

[00115] Simulações mostraram que as regras acima aperfeiçoam significantemente a probabilidade de detectar corretamente o preâmbulo e reconstrução da sequência de salto, apesar do erro de frequência no transmissor.

Opções diferentes de sequências de salto [00116] As sequências de salto pseudoaleatórias oferecem melhor resistência a sistema de autointerferência, trazendo mais diversidade contra colisões. De preferência, as sequências de salto peseudoaleatórias são ainda objetivas de um salto para outro: a frequência de cada salto é deterministicamente derivável a partir da frequência do salto precedente. Uma possível, mas não única, maneira de obter esta característica é dispor as frequências dos saltos de acordo com uma sequência determinística de permutações.

[00117] Graças à correspondência objetiva acima, o receptor necessita somente detectar um salto para reconstruir a sequência de frequências de salto por si.

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28/34 [00118] O problema com sequências pseudoaleatórias gerais é que elas requerem um conhecimento exato do canal. Duas opções existem para aliviar este problema:

o transmissor tem uma referência de frequência estável, tal como um TCXO, e sincroniza sua frequência de uma estrutura de ligação descendente, ou sinalizador. Neste caso, a precisão pode ser melhor do que metade ou mesmo um quarto da largura de banda de modulação. É então possível definir canais, e sequências de salto são definidas como pelo estado da técnica.

[00119] O transmissor tem uma frequência menos estável, mas sincroniza sua frequência de uma estrutura de ligação descendente, ou sinalizador. Neste caso, o erro pode alcançar 1PPM, que deixa menos do que 1KHz na banda de ISM 868MHz ou 915MHz. Em seguida como informação lateral, conforme aqui descrito dentro do preâmbulo de salto, ou usando um modo diferente, o transmissor pode sinalizar a frequência que objetiva sua transmissão. Desse modo, o receptor conhece o erro de frequência do transmissor, e pode derivar a sequência de salto. Graças ao erro de frequência limitado, somente 2 ou 3 bits são bastante como informação lateral: o erro é mais baixo do que +/1,5 canais, e quais matérias são então mod(f_idx_preamb,4). O hop_offset pode ser ajustado de modo que o erro de frequência máximo neste caso é limitado a +/-1,5 canais, ou outros valores de modo a limitar a informação lateral requerida.

[00120] De preferência, a sequência de salto é unambiguamente derivável da frequência de transportador nominal, ou o índice de canal de seu primeiro salto ou, equivalentemente, de um salto em uma posição determinada no preâmbulo de detecção, possivelmente com informação lateral adicional, apesar de um erro de frequência que pode ser várias vezes maior do que a largura de banda de canal.

[00121] Para solucionar este problema, a invenção depende das

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29/34 sequências de salto que são definidas em termo de alterações relativas, seguido por uma operação de módulo. Para alguns saltos cuja frequência é próxima ao limite de uma banda, ou de uma sub-banda, a porta de recebimento pode ser incapaz de saber se o transmissor tenha julgado que eles caem fora dos limites de banda, e se a operação de módulo foi aplicada ou não. Em outras palavras, existe uma ambiguidade entre o índice de canal k e o índice de canal k+N. A Figura 14 ilustra este caso. Os dois gráficos representam uma mesma sequência de salto, conforme transmitida pelo nódulo de transmissão e recebida pela porta. O eixo de frequência é relativo à base de tempo da porta, convencionalmente considerado como exato, e os saltos recebidos são horizontalmente alinhados com os saltos transmitidos.

[00122] Na realidade, o nódulo de transmissor sintetizará as frequências baseadas em sua própria referência de frequência, que é afetada pelo erro f_err e, dependente desta quantidade desconhecida, pode falhar em aplicar a operação de módulo ao salto 232 ou, deve o erro ser revertido em sinal, e aplicá-lo ao salto 231. Existe, portanto, uma ambiguidade em que algumas frequências de salto podem ser sintetizadas em duas frequências distintas de acordo com se o incremento resulta em uma frequência julgada fora dos limites de subbanda pelo transmissor.

[00123] Para lidar com esta ambiguidade, o receptor pode abrir um segundo canal de escuta para os saltos que são esperados caírem próximos a um limite. Por exemplo, quando a compensação prescrita é aplicada ao salto 234, a porta de recebimento acha que o próximo salto 237 cairá além de f_mín, e deve então aplicar uma operação de módulo e ouvir o próximo salto na posição marcada 236. Não obstante, a porta abre um segundo receptor na posição não-envolvida 237. Dessa maneira, qualquer dos receptores será corretamente sintonizado. Em uma concretização alternativa, o transmissor pode omitir

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30/34 transmitir saltos similares a 231 e 232 que são mais próximos do que f_err_máx a um limite.

[00124] Em uma concretização, sequências de salto são geradas por uma permutação em cada salto. Cada frequência de salto é derivável por uma frequência precedente na sequência de salto (tipicamente, a sequência imediatamente precedente) por uma operação de permutação. Desse modo, existe uma permutação pela frequência de partida. Deve existir uma permutação diferente por salto, de outro modo, somente uma sequência será gerada.

[00125] De preferência, o nódulo de sensor sinaliza implicitamente a sequência de salto através da frequência de partida (que também denomina-se primeira frequência de salto de dados, ou frequência de referência). A sequência é a seguinte, também descrita iterativamente: Se índice =0, f_idx_data(index) = f_idx_data_O

Se índice x>0, f_idx_data(index, hop_seq_idx)= hopping_perm[hop_seq_idx]( f_idx_data (index-1)) [00126] Onde hopping_perm[hop_seq_idx] é uma permutação de (0,N-1), de preferência, menos ciclo.

[00127] O desempenho novamente tem um preço: o receptor tem que conhecer a frequência pretendida exata do primeiro salto, para deriver a sequência. Conforme já descrito, isto pode ser obtido por uma referência de frequência estável no transmissor, ou por sinalização implícita ou explícita da frequência absoluta de qualquer salto, de preferência, o primeiro salto, conforme sintetizado baseado na própria referência de frequência do transmissor.

[00128] O valor da frequência absoluta pode ser sinalizado implicitamente, através da escolha da primeira sub-banda usada na transmissão, visto que a determinação da sub-banda nunca é ambígua, dados os limites dentro do qual as referências de frequência nos nódulos móveis podem derivar, ou em qualquer outra maneira adequada.

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Sequência de saltos para o caso da sub banda [00129] Deve a frequência disponível ser dividida em sub-bandas, a sequência de salto transmitida pode ser designada por uma sequência de sub-bandas hierarquicamente superpostas a uma sequência de canais. Cada salto é transmitido em uma sub-banda diferente e em um canal diferente conforme determinado pelas respectivas sequências.

[00130] Para simplificar as notações, nós assumimos que toda subbanda tem o mesmo número de canais igual a N+1. Desse modo nós mantemos as notações de caso de banda único para notar a frequência usada dentro de uma sub banda.

[00131] O índice de sub-banda é notado sb_idx_data, ele depende do índice de número de salto, e número de sequência de salto hop_seq_idx. Para um número de sequência de salto de dados, a sequência de salto somente depende de sb_idx_data_O e f_idx_data_O, isto é, a frequência do primeiro salto.

[00132] A sequência de salto é então definida como os conjuntos sb_idx_data (index, hop_seq_idx, sb_idx_data_O, f_idx_data_O) e f_idx_data (index, hcp_seq_idx,sb_idx_data_O, f_idx_data_O).

[00133] A organização de frequências disponíveis como subbandas disjuntas oferece vantagens que são independentes das sequências de salto: melhor diversidade contra multitrajetória, melhor mitigação de interferência, melhor coexistência, e, como uma consequência, melhor alinhamento com regulamentos.

[00134] Quando as sub bandas são disjuntas, uma vantagem é que a sub-banda do primeiro salto é conhecida ao receptor sem ambiguidade, mesmo quando existe uma compensação de frequência a partir do nódulo de sensor. Nós podemos usar sb_idx_data_O para sinalizar ambas uma sequência de salto e informação lateral similar a LSBs de f_idx_data_O. Por exemplo, quando existem 40 sub-bandas, 2 bits podem sinalizar o LSBs de f_idx_data_O, então 10 sequências de salto

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32/34 podem ser sinalizadas de sb_idx_data_O. Naturalmente, mais sequências de salto podem ainda serem sinalizadas implicitamente através de f_idx_data_O. Nós podemos também somente sinalizar sequências de salto de sb_idx_data_O, e deixar o erro de frequência desconhecido, mas então o recebido terá que abrir janelas de recepção duplicadas (duplicadas na frequência) em bordas de banda similares na Figura

14.

[00135] Para nódulos não-sincronizados, o espaço para f_idx_data é reduzido para assegurar que as transmissões sempre ocorram na banda autorizada. A sinalização dos LSBs somente ajuda na provisão de melhores sequências de salto.

[00136] As simulações têm mostrado uma certa vantagem de usar as sub bandas comparadas a uma única banda, quando a sincronização da frequência é imperfeita. Assumindo que um conjunto de salto único é usado (sequência de salto é determinada somente pelo primeiro salto), a mitigação de interferência é levemente melhor com o caso da sub banda. Contudo, quando vários conjuntos são usados, a vantagem diminui à medida que todos os sistemas estão muito próximos a completarem sequências aleatórias que são as ótimas para mitigação de interferência.

Sequência de saltos para caso de sub banda com sincronização de frequência perfeita [00137] Este caso assume que todos os nódulos de sensor têm uma sincronização de frequência que é melhor do que % da largura de banda de modulação, tal que não existe ambiguidade na frequência pretendida.

[00138] Aqui a primeira frequência de salto, definida pelo par {f_idx_data_O, sb_idx_data_O} é ainda usada para indexar a sequência de salto, potencialmente com outra indexação. Elas são conhecidas sem ambiguidade.

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33/34 [00139] É parte do estado da técnica gerar sequências pseudoaleatórias que dependem de f_idx_data_O, sb_idx_data_O, hop_seq_idx. Deve existir uma para o índice de sub-banda, e uma para o índice de frequência. Um exemplo disto usa geradores de Sequência Binária Pseudoaleatória, cujo tamanho de estado é mais alto ou igual ao número total de bits requeridos para representar f_idx_data_O, sb_idx_data_O, index, hop_seq_idx.

Sequência de saltos para caso de sub banda com capacidades de sincronização de frequência misturadas [00140] Este caso é mais realístico, porque nem todos os nódulos de sensor serão equipados com boas referências de tempo/frequência. Mesmo com sincronização anterior, os nódulos de sensor podem exibir derivações de frequência significantes, porque as estruturas de sinalizador/sincronização não são muito frequentes em LPWAN.

[00141] Então, necessita-se obter duas populações coexistentes. É preferível dar aos melhores nódulos sincronizados um espaço de salto mais alto. Naturalmente, é também possível reduzir o espaço para todos os nódulos, de modo que eles obtenham os mesmos.

[00142] A Figura 15 ilustra um arranjo possível na estrutura da invenção. A primeira frequência de salto para os nódulos frouxamente sincronizados é limitada, e não é permitido vir mais próxima aos limites de banda do que f_err_máx. O nódulo de transmissão ainda sinaliza a frequência exata através da primeira usada sub banda. Os nódulos frouxamente sincronizados podem somente usar os canais médios N-P (saltos 240), enquanto que os nódulos bem sincronizados podem usar qualquer dos canais disponíveis N (saltos 245). Favor notar que para cada salto o índice de sub-banda muda, mas este usa uma sequência de salto pseudoaleatória-padrão.

[00143] A sinalização de cujo conjunto de salto é usada vem novamente do primeiro índice de frequência. Algumas frequências no cen

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34/34 tro podem sinalizar sequências de salto de extensão total. O conjunto de frequências deve ser dividido em 2 grupos disjuntos, conforme mostrado na Figura 16. O primeiro grupo tendo somente frequências no centro, para assegurar que o primeiro salto de um nódulo frouxamente sincronizado esteja dentro dos limites permitidos, e o segundo grupo sendo o restante. Os tamanhos relativos dos grupos devem depender da proporção de nódulos frouxamente sincronizados.

Claims (12)

1. Dispositivo de transmissão por rádio, caracterizado pelo fato de compreender uma interface de rádio que opera em uma banda de frequência predeterminada, operantemente disposto para modular um transportador tendo uma frequência na banda de frequência, para obter sinais modulados, e combinando os sinais modulados em um sinal de rádio de espectro alargado por alteração da frequência do transportador entre várias frequências de salto na banda de frequência, de acordo com uma sequência de salto, no qual o sinal modulado inclui, em uma porção de preâmbulo, uma pluralidade de palavras de sincronização, cada combinada com pelo menos um exemplo de um índice de sequência, as frequências de salto nas quais a palavra de sincronização são transmitidas sendo diferentes, e uma porção de dados seguindo a porção de preâmbulo, e incluindo uma pluralidade de saltos de frequência.

2. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada frequência de salto na sequência de salto é deterministicamente derivável a partir da frequência do salto imediatamente precedente na sequência de salto, por exemplo, por uma operação de permutação.

3. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os índices de sequência são dispostos em uma sequência de contagem regressiva.

4. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que saltos de frequência no preâmbulo contêm uma palavra de sincronização entre duas cópias do índice de sequência.

5. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que saltos de frequência no preâmbulo contêm informação adicional que designam uma taxa de

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2/3 dados para a porção de dados, e/ou uma indicação que designa uma sequência de salto entre uma pluralidade de possíveis sequências de salto.

6. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as palavras de sincronização são idênticas ou diferentes.

7. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sinal modulado no interior de cada salto de frequência tem uma largura de banda, e no qual parte dos saltos de frequência são alterados por um compensação de frequência que é uma metade ou uma fração pré-determinada de referida largura de banda, no qual a sequência de inteiro e etapas fracionais é determinística.

8. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir uma referência de frequência local, e operantemente disposta para obter um estado de sincronização indicativo do erro de frequência da referência de frequência local, e para ajustar um número de repetição de palavra de sincronização, e/ou uma taxa de repetição de palavra de sincronização basedas no estado de sincronização.

9. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de ser operantemente disposto para obter uma estimativa de uma taxa de sucesso de transmissão, e para ajustar um número de repetição de palavra de sincronização, e/ou uma taxa de repetição de palavra de sincronização, baseadas na estimativa de uma taxa de sucesso de transmissão.

10. Dispositivo de transmissão por rádio, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de ser operantemente disposto para ajustar um número de repetição de palavra de sincronização, e/ou uma taxa de repetição de palavra de sincronização, após recep-

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3/3 ção de um comando.

11. Pluralidade dos dispositivos de transmissão de rádio, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que em uma rede de comunicação que inclui pelo menos um receptor, o receptor sendo disposto para detecção no sinal modulado de uma palavra de sincronização, e um índice de sequência associado, para determinar a sequência de salto, e alinhar com a sequência de salto, baseados na palavra de sincronização e no índice de sequência, para determinar a partir do índice de sequência a posição da porção de dados, e para desmodular a porção de dados.

12. Dispositivo de recebimento de rádio, caracterizado pelo fato de compreender uma interface de rádio que opera em uma banda de frequência predeterminada, operantemente disposto para desmodular um transportador tendo uma frequência na banda de frequência, pelo que a frequência do transportador salta entre várias frequências de salto na banda de frequência, de acordo com uma sequência de salto, e para obtenção de um sinal desmodulado incluindo, em uma porção de preâmbulo, uma pluralidade de palavras de sincronização, cada combinada com pelo menos um exemplo de um índice de sequência, as frequências de salto nas quais a palavra de sincronização são transmitidas sendo diferentes, e uma porção de dados que segue a porção de preâmbulo, e incluindo uma pluralidade de saltos de frequência, e para determinação de referido índice de sequência da posição da porção de dados.