ES2221803B1 - Procedimiento de acceso al medio de transmision de multiples nodos de comunicaciones sobre red electrica. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica. Que permite el acceso de forma igualitaria de nodos sobre un medio compartido como la red eléctrica, alcanzar la máxima velocidad de acceso cuando no hay colisiones entre peticiones de reserva y la detección de señales de coexistencia de forma robusta en entornos ruidosos. Se caracteriza por la utilización de señales de reserva (5) y liberación (10) de la comunicación y por la espera aleatoria antes de una reserva de la red eléctrica con valores mínimos y máximos fijados por anticipado.

Description

Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica.

Objeto de la invención

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre la red eléctrica.

El procedimiento de la invención es aplicable a sistemas de comunicaciones que utilicen la red eléctrica como medio compartido para la comunicación entre sus nodos.

El objetivo de esta invención es conseguir un sistema de acceso a la red eléctrica, para los nodos que sigan el procedimiento, de forma eficiente, equitativa y con una mínima consumición de recursos.

Antecedentes de la invención

En la mayoría de sistemas de telecomunicación es necesario realizar un proceso de acceso al medio de tal manera que los diferentes nodos que lo utilizan obtengan un acceso justo y equitativo al mismo. En el caso de la red eléctrica el problema se agrava porque deben coexistir sistemas que utilizan diferentes tecnologías para la transmisión de datos. El procedimiento de la invención resuelve estos problemas mediante la utilización de unas señales específicas que son fáciles de generar y detectar y un procedimiento de reserva y liberación del canal. Una vez un nodo reserva el canal mediante dicho procedimiento puede utilizar cualquier método de transmisión de datos conocido en el estado del arte.

A lo largo de la descripción se utilizan los acrónimos OFDM (multiplexación por división ortogonal en frecuencia) y DFT (transformada discreta de Fourier) cuyas realizaciones son conocidas en el estado del arte. Asimismo se utilizan los acrónimos SOT y EOT para referirse a las señales de inicio de transmisión y final de transmisión respectivamente.

En el estado de la técnica existen múltiples formas de realizar el proceso de acceso al medio, como el protocolo ALOHA, el ALOHA ranurado, los protocolos de acceso múltiple por detección de portadora CSMA (Carrier Sense Multiple Access) con detección de colisiones o los CSMA que evitan las colisiones, los protocolos de paso de testigo y muchos otros. También es conocido el uso de un tiempo de espera aleatorio (backoff time) que se incrementa con el número de pérdidas, como el que aparece en la norma ANSI/IEEE 802.11, que se encuentra en el IEEE Std 802.11-1997 "Part 11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications"; pero este modo de coexistencia presenta, como principal inconveniente, que los usuarios deben conocer la cantidad de información a transmitir antes de realizar una petición de reserva. Esto presenta el inconveniente añadido de que todos los nodos deben ser capaces de demodular las señales de reserva para saber cuanta información se va a transmitir, lo cual incrementa la complejidad de dichas señales. La invención descrita en este documento resuelve este problema con señales de liberación que son enviadas por el transmisor y por el receptor para avisar que el canal puede volver a ser reservado por otros usuarios en cualquier momento.

Respecto a las señales de inicio y liberación, en la patente USA 6111919 titulada "Synchronization of OFDM signals" se describen unas señales similares a las utilizadas en el procedimiento de la invención que son utilizadas para la sincronización de señales OFDM mediante la comparación con una referencia fija, por lo que las portadoras de la señal base también tienen valores fijos, lo cual constituye un uso completamente diferente al de la invención. En el procedimiento de la invención las señales se utilizan para detectar su recepción sin derivar referencia temporal alguna, ya que el instante de recepción tiene una indeterminación de varios símbolos OFDM y no tiene la precisión necesaria para sincronizar señales OFDM. Para mejorar el funcionamiento en canales selectivos en frecuencia también se calculan las sumas de incrementos de fase en subrangos de frecuencias. Otra diferencia es que se utilizan varios umbrales en recepción para detectar la señal si se supera el umbral en varias medidas consecutivas, lo cual es similar a realizar una correlación temporal. La duración de las señales también es variable para mejorar la probabilidad de detección aprovechando dicha correlación temporal.

En el procedimiento de la invención se envía información en las señales ya que se puede distinguir entre dos tipos: SOT y EOT, que potencialmente podrían ser de más tipos, alternando los signos de la señal base de manera diferente. En la patente mencionada también se realiza un desplazamiento de fases a la salida de la DFT necesario para sincronizar, perro que no se utiliza en el procedimiento de invención.

En el procedimiento de la invención también se utiliza traslado en banda digital lo cual le da más flexibilidad ya que la simetría de las señales puede mantenerse en el canal o no.

Descripción de la invención

Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención consiste en un procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, que comprende la comunicación entre distintos sistemas que utilizan la red eléctrica como canal de comunicaciones, un protocolo de acceso al medio y unas señales para realizar dicho protocolo. Este protocolo está caracterizado porque se utilizan dos señales diferentes (señales de coexistencia); una de inicio de transmisión (Start of Transmission SOT) y otra de fin de transmisión (End of Transmission EOT) para reservar y liberar el canal respectivamente, y que todos los sistemas presentes en la red son capaces de detectar. Asimismo cuando un nodo desea acceder al canal espera la liberación del canal y después comienza un periodo de contienda en el que el nodo espera un tiempo aleatorio antes de enviar un SOT para reservar el canal o desiste si detecta un SOT antes de que su tiempo de espera haya vencido. Una vez un nodo ha reservado el canal con un SOT tiene un tiempo máximo para transmitir información, pasado el cual debe transmitir un EOT.

En el procedimiento de la invención un nodo considera liberado el canal cuando se recibe una señal de fin de transmisión (EOT), o también cuando el tiempo transcurrido desde el SOT de reserva del canal o el momento de inicialización del nodo es mayor que un tiempo máximo predeterminado denominado tiempo de ocupación del canal.

Una vez liberado el canal el nodo selecciona el tiempo de espera antes de enviar un SOT de forma aleatoria entre un valor mínimo y un valor máximo que depende de la prioridad de los datos a transmitir, de la congestión del canal y de la utilización anterior del canal por ese nodo.

Si un nodo intentó transmitir información y perdió dicha contienda al recibir un SOT durante el tiempo de espera seleccionado, el tiempo de espera del periodo seleccionado inmediatamente después no será aleatorio, sino que será el tiempo restante del tiempo de espera de la contienda inmediatamente anterior.

Para que la reserva del canal sea efectiva para nodos visibles para un transmisor y un receptor, los dos nodos implicados en la comunicación envían señales de reserva y liberación de canal, SOT y EOT, en el canal previamente reservado por el nodo transmisor.

Por otro lado, y para evitar que la detección de posibles señales de liberación falsas interrumpan la comunicación, se filtran las señales de liberación, EOT, recibidas durante los periodos de comunicación de datos e información de validación del transmisor al receptor y del receptor al transmisor una vez se ha realizado la reserva del canal.

Además, el valor aleatorio de espera en la contienda se obtiene a partir de uno o más bits del conversor analógico digital para conseguir un valor totalmente aleatorio, dependiente del ruido de la señal del canal.

Una vez se ha reservado el canal con un SOT, el nodo transmite una trama de petición de transmisión (RTS) al nodo destino.

Cuando un nodo destino recibe una trama de petición de transmisión (RTS) transmite una trama de control para aceptar la transmisión (CTS) siempre que el canal no estuviese reservado anteriormente a la recepción de la petición de transmisión (RTS).

En caso de que los RTS se crucen, es decir, que un nodo reciba una trama de petición de transmisión (RTS) del nodo al que anteriormente ha transmitido un RTS al haber reservado el canal, dicho nodo transmitirá una trama de control para aceptar la transmisión (CTS) siempre que su dirección MAC sea menor que la del nodo destino.

En cualquier caso, cuando un nodo recibe un CTS del nodo al que le transmitió un RTS transmitirá una trama de datos. Por otra parte cuando un nodo recibe una trama de datos del nodo al que le transmitió un CTS, dicho nodo transmite una trama de validación de los datos recibidos y un EOT, completando la comunicación.

En caso de que se detecte un error en la comunicación con el receptor tras realizar una reserva del canal, esto es, que el nodo con el que comunica no conteste o no acepte la transmisión, el valor máximo de espera de las siguientes contiendas en el nodo transmisor se aumenta.

En caso de que la reserva del canal y la comunicación con el receptor se complete sin errores, se ajusta el valor máximo de espera a su valor inicial en el nodo transmisor.

Una vez terminada la comunicación el canal se libera con una señal de liberación. El nodo transmisor envía una señal de liberación del canal, EOT, cuando recibe una trama de validación del nodo al que transmitió datos tras realizar una reserva del canal, o bien la envía en cierto instante previamente calculado de forma que las señales de liberación del canal del nodo transmisor y receptor coincidan en cierta ventana temporal previamente fijada.

La señal de reserva del canal, SOT, consiste en repetir n veces una misma señal base, mientras que la señal de liberación EOT consiste en repetir n veces la misma señal base pero alternando los signos en cada repetición. De forma similar se generan otras señales utilizando diferentes patrones de repetición de la señal base, tales como (+ - -), (++ - -), etc. para poder utilizar, en caso necesario, más de dos señales de coexistencia.

Para mejorar la detección en recepción de las señales, la señal base consiste en una señal OFDM cuyas portadoras en frecuencia se ponen a un valor aleatorio si esas frecuencias se utilizan para transmitir datos o a cero en caso contrario.

Si dos o más nodos utilizan rangos de frecuencia diferentes pueden acceder simultáneamente al medio de transmisión, ya que las señales de reserva de uno de ellos no serán detectadas por los demás.

De esta forma, la detección de las señales de SOT y EOT consiste en realizar DFTs consecutivas sobre la señal recibida, calcular la diferencia de fase en una portadora entre una DFT y la anterior y sumar todas las diferencias de fase en las portadoras que ocupan frecuencias utilizadas por el nodo receptor, detectándose un SOT si la suma está por debajo de un umbral o un EOT si la suma está por encima de otro umbral.

Para optimizar la detección se realiza la suma de las diferencias de fase por subrangos de frecuencia dentro de la banda utilizada por el receptor, siendo suficiente la detección en un subrango para detectar la señal.

Para maximizar la posibilidad de detección, se utilizan varios umbrales diferentes para cada señal y que se deben dar durante varias sumas de diferencias de fase consecutivas para detectar la señal, siendo suficiente la detección en un umbral para detectar la señal. Esto es similar a la realización de una correlación temporal.

Además las primeras y últimas muestras de la señal base están multiplicadas en el tiempo por una ventana tipo coseno alzado, mientras que en recepción se multiplican las muestras que entran en la DFT por una ventana tipo hanning o similar.

Para aumentar la flexibilidad del sistema se realiza una traslación en frecuencia de la señal base en transmisión y recepción.

La misma señal utilizada para la reserva del canal, el SOT, también se utiliza para otros dispositivos como el funcionamiento del control automático de ganancia (AGC). Al utilizar este símbolo en el funcionamiento del control automático de ganancia el sistema es capaz de alterar la amplitud de la señal sin que ello afecte a la probabilidad de detección de los símbolos, ya que para la detección del SOT únicamente se utiliza la información de fase.

Gracias al procedimiento de la invención se consigue una coexistencia igualitaria entre todas las unidades que quieran acceder al medio compartido, de forma que se consigue la máxima velocidad de acceso cuando no hay colisiones entre peticiones de reserva. Además, al realizar la reserva del canal, no es necesario que el transmisor conozca por anticipado cuánta información va a transmitir, gracias a la utilización de señales de liberación EOT. Asimismo tampoco es necesario que todos los nodos utilicen la misma técnica de modulación para transmitir los datos, permitiendo la coexistencia de diferentes tecnologías aplicando el procedimiento de la invención. También resulta ventajosa la forma de realización de dichas señales ya que, gracias a ella, la detección de señales de reserva y liberación se puede realizar correctamente en entornos muy ruidosos o con baja relación señal a ruido (SNR) gracias a la repetición de la misma señal base y a la detección mediante múltiples umbrales.

A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.

Breve descripción de las figuras

Figura 1.- Representa un ejemplo real en el que los nodos están conectados a distintos tramos de la red eléctrica de baja tensión y tienen visibilidad mutua.

Figura 2.- Muestra una gráfica con los valores máximo de periodos de espera según el número de retransmisiones necesarias.

Figura 3.- Representa un caso normal de transmisión de datos después de que el nodo A realice la espera aleatoria y se realice la transmisión de RTS/CTS.

Figura 4.- Muestra el caso especial en el que se cruzan dos peticiones de transmisión de dos nodos, y la forma de resolverlo.

Figura 5.- Representa una realización de las señales de reserva (SOT) y liberación (EOT) del canal a partir de cierta señal base.

Figura 6.- Muestra un diagrama de bloques en recepción para la detección de las señales necesarias para la coexistencia.

Figura 7.- Representa el enventanado de los símbolos recibidos mediante el diagrama mostrado en la figura 6.

Figura 8.- Muestra gráficamente la forma de la suma de fases de la señal recibida y la ubicación de los umbrales de detección de las señales de coexistencia.

Descripción de un ejemplo de realización de la invención

Seguidamente se realiza una descripción de un ejemplo de la invención, haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras.

En un ejemplo de realización de la invención el medio compartido es la red eléctrica a la que están conectados todos los nodos del sistema. Además existe un bloque (1) en cada nodo que se encarga de compartir el medio y realizar las contiendas, y que debe seguir el mismo proceso que el indicado en esta invención.

Esto puede observarse en la figura 1, donde los nodos A, B, C, D, E, F, G, H e I están conectados a la misma sección de la red eléctrica de baja tensión, que se encuentra después de un transformador (2) de media a baja tensión del tendido eléctrico.

Cada uno de los nodos presentados en la figura tiene un bloque (1) que realiza el procedimiento de la invención para conseguir un adecuado acceso al medio.

En resumen, cuando un nodo quiere transmitir datos, envía una orden a su bloque de contienda (1). En dicha orden se informará de la prioridad del mensaje que quiere enviarse, estando esta prioridad, en este ejemplo de la invención, limitada entre 0 y 7, donde 0 indica máxima prioridad y 7 mínima prioridad. La invención prevé el envío de una señal de inicio de transmisión (SOT) y otra de fin de transmisión (EOT), tal y como será descrito, por lo que no es necesario indicar cuál es el tamaño del paquete a enviar, ya que gracias a estas señales se realizan las reservas eficientemente sin esta información.

Cuando el canal está libre, bien porque el bloque de contienda del nodo ha recibido un EOT o bien porque ha transcurrido un tiempo mayor a cierto valor predefinido como "tiempo máximo de ocupación del canal" sin recibir SOT, que es el tiempo máximo que un nodo puede estar transmitiendo en el canal tras el que obligatoriamente debe transmitir un EOT, comenzará la contienda por el canal.

En ese momento el bloque de contienda elige un valor aleatorio entre un valor mínimo y un valor máximo determinado por la prioridad. En este ejemplo de realización se selecciona un valor aleatorio entre 1 y 2^{n}-1, donde n es un valor dependiente de la prioridad y del número de retransmisiones realizadas. Dicho valor "n" está limitado entre un valor mínimo y un valor máximo para cada prioridad y en un inicio se coloca a su valor mínimo para garantizar que las contiendas por el canal durarán lo mínimo posible cuando no se produzcan colisiones con otras peticiones de reserva.

En una realización de la invención el valor de "n" depende de la prioridad según una tabla conocida por todos los nodos que realizan el proceso de la invención y que, en este ejemplo de realización, sería similar a la siguiente:

		Prioridad
		0	1	2	3	4	5	6	7
	Inicial	5	5	5	4	4	4	3	3
Valor de	Mínimo	5	5	5	4	4	4	3	3
"n"	Máximo	9	8	7	9	8	7	8	7

En este ejemplo de realización el valor inicial se hace coincidir con el mínimo para optimizar el proceso de acceso al canal cuando no hay colisiones con otros nodos, y el valor máximo está limitado para evitar que la caída de nodos o de enlaces lleve a los nodos a tiempos de espera demasiado elevados.

Para que el bloque de contienda (1) consiga un valor realmente aleatorio en este ejemplo, en lugar de pseudoaleatorio, dicho valor se obtiene con un registro de desplazamiento que toma el último bit del conversor analógico digital, que es el más dependiente del ruido térmico de la línea Una forma sencilla de obtener un valor máximo de 2^{n}-1, consiste, en una implementación, en escoger "n" bits de este registro de desplazamiento.

El bloque de contienda esperará un tiempo igual al valor aleatorio obtenido multiplicado por una ventana temporal, que en el ejemplo de la invención es igual al tamaño en muestras de una señal de reserva de canal SOT. Si durante dicho periodo el bloque de contienda no recibe ningún SOT considerará que ha ganado la contienda y emite un SOT. En cambio, si recibe algún SOT considera que ha perdido la contienda y anota el tiempo restante de espera.

Si posteriormente se realiza una nueva contienda con la misma prioridad, se utilizará el valor restante del tiempo de espera en lugar de tomar un valor aleatorio. Con ello se consigue aumentar la probabilidad de acceso al canal de un nodo cuantas más veces ha intentado iniciar una transmisión con una determinada prioridad y ha recibido un SOT durante el tiempo de espera.

Es necesario reservar el canal tanto en recepción como en transmisión para evitar que existan transmisiones que colisionen con la comunicación que va a realizarse. Para ello tanto el transmisor como el receptor enviarán las señales de reserva y liberación del canal. Una vez comienza la comunicación entre transmisor y receptor, y para evitar que ruidos del canal produzcan detecciones falsas de EOTs, dichas señales de liberación se filtran, impidiéndoles llegar al bloque de contienda.

Es posible que, aunque el nodo transmisor haya ganado la contienda, el nodo receptor sea incapaz de contestar, bien porque haya detectado otra comunicación o bien porque no esté activado. Por ello, después de reservar el canal con una señal SOT se realiza un proceso de petición y aceptación de transmisión. Esta señal SOT también se utiliza para realizar el control automático de ganancia (AGC) en recepción. Al realizarlo fuera del proceso de envío de datos se puede cambiar la amplitud de la señal sin afectar a la probabilidad de detección de los datos enviados.

El nodo transmisor enviará una trama de petición (RTS) al receptor, y en caso de que este sea capaz de realizar la comunicación enviará a su vez una trama de aceptación (CTS) a ese transmisor. Una vez confirmada la comunicación el transmisor comenzará a transmitir los datos, y después el nodo receptor enviará una trama de validación de dichos datos.

En la figura 3 puede observarse un proceso de petición y aceptación de transmisión sin fallos. En un primer momento, marcado como (3), se libera el canal, bien por la recepción de un EOT o bien por haber transcurrido el tiempo máximo de ocupación de canal sin haber recibido un SOT. En ese momento el nodo A tiene pendiente el envío de información al nodo B, con lo que selecciona aleatoriamente el tiempo de espera (4) de acuerdo a la prioridad y a las retransmisiones de paquetes con dicha prioridad según fue descrito. Una vez transcurrido el tiempo de espera sin recibir ninguna señal de reserva, envía la señal SOT (5) y después una trama de petición de transmisión (6) (RTS) al nodo B. El nodo B recibe la petición (5) y la acepta, mandando un SOT (5), para mantener reservado el canal, y una trama de aceptación de la transmisión (7) (CTS) al nodo A. Cuando el nodo A recibe la aceptación (CTS) (7) envía la trama de datos (8) precedida de otro SOT (5) y posteriormente, al recibir los datos, el nodo B envía la trama de validación (9) precedida de otro SOT(5). Finalmente los nodos A y B transmiten una señal de liberación EOT (10) en el mismo instante para permitir nuevas comunicaciones para los nodos que puedan recibir dicha señal.

En una implementación, y aprovechando las características del SOT, cuando un nodo inicia la transmisión de cualquier tipo de trama primero envía dicha señal, a partir de la cual se realiza un ajuste automático de la ganancia en recepción para compensar la atenuación producida por el canal sobre la trama transmitida.

Cuando un nodo reserva el canal y transmite un RTS y el nodo receptor transmite un CTS ambos nodos filtrarán las señales de liberación, EOT, para evitar que la falsa detección de estas señales interrumpa la comunicación ya establecida. El filtrado de EOT se volverá a deshabilitar cuando los dos nodos liberen el canal al transmitir un EOT o cuando se produzca algún error en la comunicación.

La utilización del protocolo RTS/CTS para petición y validación de la transmisión es totalmente opcional, pudiéndose utilizar otro tipo de protocolo o bien ninguno una vez realizadas las reservas con las señales de coexistencia descritas. Además los datos y las tramas RTS y CTS pueden estar moduladas con cualquier tipo de modulación comprensible para algunos de los nodos de la red, siendo esto independiente de la utilización de las señales de coexistencia presentadas.

Existe un caso especial consistente en que dos nodos compitan y ganen un canal cuando quieren enviarse información entre ellos. En este caso los RTS se cruzarán por el canal y, si son recibidos correctamente, podrían producir dos CTS y múltiples colisiones. Para evitarlo, y en caso de cruce de señales RTS, únicamente el nodo que reciba el RTS y tenga una dirección MAC, dirección de acceso al medio, menor que la del destino enviará el CTS.

En la figura 4 se muestra este caso especial. En este caso las peticiones de transmisión (6a) y (6b) de los nodos A y B se cruzan. En el momento (11) llega el RTS (6b) del nodo B al nodo A, y en el momento (12) llega el RTS (6a) del nodo A al B. Ambos habían intentando acceder al canal y están esperando un CTS (7) del otro nodo, así que comprueban sus direcciones MAC y como la dirección del nodo A es menor que la del nodo B, envía un CTS y se olvida de su reserva. El nodo B lo recibe y continúa su transmisión normal con el envío de la señal SOT (5) y los datos (8).

Si se detecta un error en la comunicación y ésta no ha podido efectuarse después de la reserva del canal, esto es cuando el receptor no responde al RTS con un CTS, el transmisor anota que se perdió la contienda y aumenta el valor de "n" para el cálculo del próximo tiempo de espera para dicha prioridad. Dicho valor de "n" está limitado por un máximo dependiente de la prioridad. Esto puede observarse en la figura 2, donde cada columna muestra el máximo tiempo de espera. que puede seleccionarse para una prioridad fija. Se puede comprobar que dicho valor máximo aumenta según el número de retransmisiones necesarias para acceder al canal de forma exponencial.

Cuando la comunicación se completa correctamente, si el valor de "n" para la prioridad de la comunicación no estaba a su valor inicial, esto es, se habían producido errores en la comunicación en anteriores situaciones, se devuelve el valor de "n" a su valor inicial, que también es dependiente de la prioridad.

Como se ha comentado anteriormente tanto el transmisor como el receptor tienen que enviar las señales de SOT y EOT. Las señales SOT se envían antes de las tramas RTS, CTS, de datos y de validación, mientras que para las señales EOT existen dos posibilidades, o bien que el receptor la envíe tras la trama de validación y el transmisor cuando la reciba, o bien que se calcule previamente cierto instante en ambos extremos de la comunicación para enviar dicha señal al mismo tiempo. Esta segunda forma es preferible para que la liberación del canal sea simultánea para nodos que sólo sean capaces de recibir señales del transmisor y nodos que sólo sean capaces de recibir señales del receptor.

Tal y como fue descrito, para la implementación de este procedimiento de acceso al medio son necesarias dos señales para realizar la reserva (SOT 5) y liberación (EOT 10) del canal. Estas señales deben tener ciertas características para su utilización en la red eléctrica entre las que cabe citar una alta sensibilidad en canales selectivos en frecuencia, corta duración, fácil generación y detección, y resistencia a los ruidos presentes en la red eléctrica.

Para ello las señales SOT (5) y EOT (10) se definen a partir de una señal base (13) que se repite K veces, como por ejemplo se muestra en la figura 5. Dependiendo de los signos utilizados en cada repetición se genera el SOT (5) o el EOT (10). El SOT (5) corresponde a K repeticiones de la señal con el mismo signo, mientras que el EOT (10) corresponde a K repeticiones pero alternando el signo en cada repetición, es decir, se transmite la señal base tal cual y después se transmite invertida, y así sucesivamente hasta completar las K repeticiones. De esta forma las señales se pueden generar en el tiempo a partir de una memoria que contiene las muestras de una señal base y de la que se lee K veces para generar las señales. En dicha figura 5 se muestra un ejemplo de generación de estas señales a partir de una señal base, donde el valor elegido para K es 6.

El procedimiento también permite el envío de más señales utilizando otros patrones de signos en la repetición de la señal base. Por ejemplo, en una implementación en la que fuese necesario distinguir entre más de dos usuarios, algunos patrones podrían ser (++ - -) o (+++ - +).

El número de repeticiones puede ser configurado para permitir un compromiso entre la duración de la señal y la probabilidad de detección. Es decir, a mayor número de repeticiones mayor sensibilidad (se aumenta 3 dB cada vez que se duplica la duración de la señal) a costa de una mayor duración de la señal, lo que hace que el protocolo tarde más tiempo en realizarse.

La señal base también se puede generar en frecuencia como una señal OFDM. Esto tiene la ventaja de poder determinar exactamente las frecuencias ocupadas por las señales SOT y EOT. Para generar la señal base se pueden poner a cero las portadoras en frecuencias que no se quieran utilizar y a un valor aleatorio las demás. Normalmente dicho valor aleatorio consistirá en un módulo constante y una fase aleatoria para que todas las portadoras utilizadas tengan la misma potencia. De esta forma se transmitirán las señales de SOT y EOT sólo en las frecuencias utilizadas por el sistema para transmitir datos. Esto representa una gran ventaja porque un nodo solo reservará el canal en las frecuencias que quiere utilizar, y de esta forma dos nodos que utilicen rangos de frecuencias que no se solapen pueden transmitir simultáneamente ya que comparten el medio mediante división en frecuencia, maximizando la utilización de canal. Si los rangos de frecuencia se solapan total o parcialmente los nodos detectarán las señales de reserva y liberación y el acceso al medio se realizará por división en el tiempo de acuerdo al procedimiento descrito según la invención.

Para atenuar más rápidamente los lóbulos secundarios de la señal se multiplica la señal base en tiempo por una ventana de coseno alzado. De esta manera se reduce la radiación fuera de banda de las señales y se evita la detección de señales entre nodos que tienen rangos de frecuencia diferentes con lo cual pueden acceder al medio simultáneamente, ya que si las frecuencias utilizadas por los dos sistemas no están suficientemente separadas, pueden darse falsas detecciones de SOT o EOT debido a los lóbulos secundarios, cuando no deberían detectar nunca las señales entre ellos al utilizar frecuencias diferentes. Al utilizar la ventana, la separación mínima para no detectar las señales de reserva y liberación de canal entre nodos que utilizan rangos de frecuencia diferentes disminuye.

Para la detección de las señales en recepción se realizan DFTs consecutivas sobre la señal recibida. Para la realización de estas DFTs no es necesaria ninguna sincronización entre el transmisor y el receptor, ya que no importa en qué momento se empiecen a realizar. Esto se observa claramente en la Figura 7 en la que se muestra la señal recibida y el enventanado realizado por la DFT. Claramente dicho enventanado no corresponde al realizado en transmisión, pero las propiedades de la señal se mantienen ya que cada DFT se realiza sobre la misma señal, y no afecta que no sea exactamente igual a la señal base original, ya que lo que realiza el detector es una comparación entre una señal y la siguiente. La Figura 6 muestra una diagrama de bloques de un receptor que incluye un bloque DFT (14). Posteriormente se calcula la fase mediante un bloque (15) en cada una de las portadoras que se resta (16) de la fase en el símbolo anterior que se guardó en una memoria (17). A continuación se calcula el valor absoluto de esas diferencias de fase y se suman (18) para después comparar (19) con un umbral (20). Si se envió un SOT las diferencias de fase serán cercanas a cero ya que se realiza la DFT sobre la misma señal, y por tanto se detectará la señal cuando la suma de diferencias de fase esté por debajo del umbral. En el caso del EOT ocurre a la inversa, las diferencias de fase serán del orden de 180º, y se detectará la señal cuando la suma de fases esté por encima del umbral. Para un correcto funcionamiento del sistema es necesario que el número de repeticiones de la señal base sea mayor o igual que 3, ya que de esta manera aseguramos que siempre habrá dos DFTs realizadas sobre la misma señal independientemente de cómo enventane el receptor. Cuando el detector funciona sobre el ruido recibido del canal, las diferencias de fase están uniformemente distribuidas en el intervalo entre 0º y 180º y al realizar la suma de diferencias la resultante es una distribución gaussiana, de acuerdo con el Teorema Central del Límite, con media de 90º y una varianza menor cuanto mayor sea el numero de fases sumadas. Los umbrales se determinarán para minimizar la probabilidad de falsa detección y maximizar la sensibilidad. En todo este proceso solo se utilizan las portadoras correspondientes a frecuencias utilizadas por el receptor.

Para mejorar el funcionamiento del detector en canales selectivos en frecuencia se pueden dividir las portadoras que salen de la DFT en subgrupos, de acuerdo a su posición en frecuencia, y realizar las sumas de fases en cada uno de dichos subgrupos. Con detectar la señal en uno de los subgrupos es suficiente, ya que corresponde al caso en que solo esas frecuencias son recibidas con suficiente nivel por encima del ruido.

Otra mejora posible es realizar una correlación temporal entre las sumas de diferencias de fase. Dado que la señal base se envía varias veces consecutivas, al realizar la DFT en el receptor la suma de fases cumplirá con las condiciones de detección durante varios símbolos consecutivos. En otros casos no se llegará al umbral, pero si se observará un acercamiento de la suma de fases al mismo durante varios símbolos consecutivos. Se puede aprovechar este hecho para seleccionar un segundo umbral, algo mayor en el caso del SOT y algo menor para el EOT, que detectará la señal en caso de haberse alcanzado en dos símbolos consecutivos. Similarmente, se puede hacer lo mismo con 3 símbolos consecutivos y así sucesivamente.

El funcionamiento se observa en la figura 8 que representa el resultado de la suma de fases durante varios símbolos consecutivos. También se observan 4 líneas (23,24) que representan los umbrales, siendo las dos inferiores (23) para el SOT y las superiores (24) para el EOT. Se aprecia que inicialmente la suma de fases tiene un valor intermedio entre los umbrales, indicando este hecho que no se está recibiendo ninguna de las dos señales, pero entre el símbolo 10 y 15 baja, lo cual quiere decir que se ha recibido un SOT, que en este caso se detectaría con ambos umbrales. Más adelante, entre el símbolo 30 y 35 se detecta una subida que corresponde al EOT. En este caso sólo se detecta con el segundo umbral ya que durante dos símbolos consecutivos la suma de fases se mantiene por encima de dicho umbral.

En recepción se multiplican las muestras que entran a la DFT por una ventana tipo hanning o similar, con lo que se igualan las probabilidades de falsa detección del SOT y del EOT. Esto se representa mediante un bloque ventana (22) en la Figura 6.

En transmisión y recepción se realiza un traslado en banda digital como se representa mediante un bloque (21) para el caso del receptor. Esto le da más flexibilidad al sistema ya que permite situar la señal en cualquier rango de frecuencias. Otra ventaja es que se puede mantener la simetría de las señales después del traslado en banda o no. En el primer caso sistemas que utilicen el traslado en banda y sistemas que trabajen en banda base pueden detectar las señales, mientras que si no se mantiene la simetría sólo las detectarán los sistemas que realicen el traslado en banda en recepción, de la misma manera que las señales transmitidas en banda base solo las detectaran los nodos que reciban en banda base. De esta forma se puede hacer que sistemas con traslado en banda y sin traslado en banda compartan el canal mediante el procedimiento de la invención o que funcionen como dos grupos independientes.

Como se ha visto el receptor no utiliza en ningún momento la información de amplitud en cada portadora, y esto permite recibir las señales mientras se realizan ajustes de ganancia en el receptor. Estos ajustes afectarán a la amplitud de las portadoras pero no a la fase de las mismas. El diseño del amplificador del receptor debe realizarse de forma que la fase de la función de transferencia no varíe entre las diferentes ganancias.

Claims (29)

1. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica que comprende la comunicación entre distintos sistemas que utilizan la red eléctrica como canal de comunicaciones, un protocolo de acceso al medio y unas señales para realizar dicho protocolo, caracterizado porque:

-

se utilizan dos señales diferentes; una de inicio de transmisión (Start of Transmission SOT) (5) y otra de fin de transmisión (End of Transmission EOT) (10) para reservar y liberar un canal respectivamente, que todos los sistemas presentes en la red han de ser capaces de detectar;

-

se espera a la liberación del canal (3) cuando un nodo desea acceder a dicho canal y después establece un periodo de contienda (4) en el que el nodo realiza una acción seleccionada entre esperar un tiempo aleatorio antes de enviar una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) para reservar el canal; o desistir de realizar la reserva si detecta una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) antes de que el tiempo de espera aleatorio establecido (4) haya vencido; y

-

se establece un tiempo máximo para transmitir información una vez un nodo ha reservado el canal con una señal de inicio de transmisión (SOT) (5), pasado el cual se transmite una señal de fin de transmisión (EOT) (10).

2. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque un nodo considera liberado el canal (3) cuando recibe una señal de fin de transmisión (EOT) (10).

3. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque un nodo considera liberado el canal (3) cuando selectivamente el tiempo transcurrido desde una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) de reserva del canal es mayor que un tiempo predeterminado denominado tiempo máximo de ocupación del canal, o cuando el tiempo transcurrido desde el momento de inicialización del nodo es mayor que dicho tiempo máximo de ocupación del canal, y no se ha recibido ninguna señal de inicio de transmisión (SOT) (5).

4. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque el tiempo de espera (4) de un nodo antes de enviar una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) se selecciona aleatoriamente entre un valor mínimo y un valor máximo que depende de la prioridad de los datos a transmitir, de la congestión del canal y de la utilización anterior del canal por ese nodo.

5. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque se selecciona como tiempo de espera (4) el tiempo que resta para finalizar el tiempo aleatorio seleccionado de la contienda inmediatamente anterior, cuando un nodo intentó transmitir información y perdió dicha contienda al recibir una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) durante dicho tiempo de espera seleccionado.

6. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque los dos nodos implicados en una comunicación envían señales de reserva (SOT) (5) y liberación (EOT) (10) de canal, en el canal previamente reservado por el nodo transmisor.

7. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque se filtran las señales de liberación (EOT) (10), recibidas durante los periodos de comunicación de datos (8) e información de validación (9) del transmisor al receptor y del receptor al transmisor una vez se ha realizado la reserva del canal.

8. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque el valor aleatorio de espera en una contienda (4) se obtiene a partir de uno o más bits del conversor analógico digital.

9. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque cuando un nodo accede a un canal después de transmitir una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) transmite una trama de petición de transmisión (RTS) (6) al nodo destino.

10. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 9, caracterizado porque cuando un nodo recibe una trama de petición de transmisión (RTS) (7) transmite una trama de control para aceptar la transmisión (CTS) (7) siempre que al recibir dicha trama de petición de transmisión (RTS) (6) el canal no estuviese reservado anteriormente.

11. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 9, caracterizado porque cuando un nodo recibe una trama de petición de transmisión (RTS) (6) del nodo al que anteriormente ha transmitido una trama de petición de transmisión (RTS) (6) tras haber reservado el canal, transmite una trama de control para aceptar la transmisión (CTS) (7) siempre que su dirección MAC (Medium Access Control) sea menor que la del nodo destino.

12. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque cuando un nodo recibe una trama de control para aceptar una transmisión (CTS) (7) del nodo al que le transmitió una trama de petición de transmisión (RTS) (6), transmite una trama de datos (8).

13. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 12, caracterizado porque cuando un nodo recibe una trama de datos (8) del nodo al que le transmitió una trama de control para aceptar la transmisión (CTS) (7), dicho nodo transmite una trama de validación de los datos recibidos (9) y una señal de fin de transmisión (EOT) (10), completando la comunicación.

14. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 4, caracterizado porque se aumenta el valor máximo de espera de las siguientes contiendas en un nodo transmisor cuando se detecta un error en la comunicación con el receptor tras realizar una reserva del canal.

15. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 14, caracterizado porque se ajusta el valor máximo de espera a un valor inicial en un nodo transmisor cuando se ha realizado una reserva del canal y la comunicación con el receptor se completa sin errores.

16. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 13, caracterizado porque un nodo transmisor envía una señal de fin de transmisión (EOT) (10), cuando recibe una trama de validación (9) del nodo al que transmitió datos (8) tras realizar una reserva del canal.

17. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 13, caracterizado porque un nodo transmisor envía una señal de fin de transmisión (EOT) (10), en cierto instante previamente calculado para que las señales de fin de transmisión (EOT) (10) del nodo transmisor y receptor coincidan en una ventana temporal previamente fijada.

18. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque la señal de inicio de transmisión (SOT) (5) consiste en repetir n veces una misma señal base (13).

19. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque la señal de fin de transmisión (EOT) (10) consiste en repetir n veces una misma señal base (13), alternando los signos en cada repetición.

20. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque se generan señales diferentes además de las de inicio de transmisión (SOT) (5) y de fin de transmisión (EOT) (10) utilizando diferentes patrones de repetición de una señal base (13).

21. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicaciones 18, 19 y 20 caracterizado porque la señal base (13) es una señal OFDM, sobre cuyas portadoras en frecuencia se realiza una operación seleccionada entre ponerlas a un valor aleatorio si esas frecuencias se utilizan para trasmitir datos; y ponerlas a cero si esas frecuencias no se utilizan para transmitir datos.

22. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 21, caracterizado porque nodos que utilizan rangos de frecuencia diferentes acceden simultáneamente al medio de transmisión.

23. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 21 caracterizado porque la detección de las señales de inicio de transmisión (SOT) (5) y de fin de transmisión (EOT) (10) consiste en realizar DFTs (14) (Transformada Discreta de Fourier) consecutivas sobre la señal recibida, calcular la diferencia (16) de fase (15) en una portadora entre una DFT y la anterior (17) y sumar todas las diferencias de fase en las portadoras que ocupan frecuencias utilizadas por el nodo receptor (18), detectándose (19) una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) si la suma está por debajo de un umbral previamente establecido (23), y una señal de fin de transmisión (EOT) (10) si la suma está por encima de otro umbral previamente establecido (24).

24. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 23 caracterizado porque la suma de las diferencias de fase (18) se hace por subrangos de frecuencia dentro de la banda utilizada por el receptor, siendo suficiente la detección en un subrango para detectar una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) o de fin de transmisión (EOT) (10).

25. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicaciones 23 y 24 caracterizado porque se utilizan varios umbrales diferentes (23) y (24) para cada tipo de señal, inicio de transmisión (SOT) (5) o fin de transmisión (EOT) (10), y que se deben dar durante varias sumas de diferencias de fase consecutivas (18) para detectar la señal correspondiente de inicio o fin de transmisión, siendo suficiente la detección con un umbral para detectar dicha señal.

26. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 21 caracterizado porque las primeras y últimas muestras de la señal base están multiplicadas en el tiempo por una ventana tipo coseno alzado.

27. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 23 caracterizado porque en recepción se multiplican las muestras que entran en la DFT (14) por una ventana (22) tipo hanning o similar.

28. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 21 caracterizado porque en transmisión y recepción se realiza una traslación en frecuencia de la señal (21).

29. Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque la señal de inicio de transmisión (SOT) (5) además se utiliza para realizar el control automático de ganancia (AGC).