ES2279535T3 - Sistema de comunicaciones bidireccional de punto a multipunto con seleccion de la frecuencia para la estacion base. - Google Patents
Sistema de comunicaciones bidireccional de punto a multipunto con seleccion de la frecuencia para la estacion base. Download PDFInfo
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Abstract
SISTEMA DE COMUNICACIONES BIDIRECCIONAL PUNTO MULTIPUNTO EN EL CUAL UNA ESTACION BASE TRANSMITE A UNA ESTACION REMOTA EN UNA FRECUENCIA DERIVADA EN LA ESTACION BASE DE UNA FRECUENCIA RECIBIDA EN DICHA ESTACION BASE EN UNA TRANSMISION PREVIA.
Description
Sistema de comunicaciones bidireccional de punto
a multipunto con selección de la frecuencia para la estación
base.
Esta invención se refiere al campo de sistema de
comunicaciones digital.
Las administraciones nacionales de todo el mundo
reparten el espectro de frecuencias de radio utilizables
separándolo en canales de un ancho de banda fijo. En Europa para VHF
y UHF estos canales separados son típicamente de 12,5 kHz de ancho.
En el documento CH 672 702 se describe un sistema que funciona en
canales asignados. En el documento EP 0 670 558 se describe un
sistema de comunicación inalámbrico de retrodispersión modulada que
tiene un amplio alcance.
Los datos se envían normalmente a través de
estos canales en serie, usando el canal completo en cada
transmisión. La velocidad de datos deseada y la tolerancia nominal
de las referencias de frecuencias fácilmente producibles (alrededor
de 10 partes por millón) quieren decir que tales sistemas
normalmente descomponen los datos en un ancho de banda relativamente
ancho (por ejemplo 7,5 kHz) el cual es una proporción grande del
ancho de banda de los canales asignados (12,5 kHz).
La sensibilidad fundamental de tales sistemas
está limitada por estos anchos de banda, el coeficiente de ruido
del receptor, y también por cualquier ruido parásito (natural o
artificial) presente en el receptor.
Muchos sistemas de comunicaciones están
limitados por la disponibilidad de potencia relativamente baja. Por
ejemplo, aplicaciones de telemetría tales como la monitorización de
contadores de gas están limitadas en potencia en cuanto a que, en
primer lugar, los contadores de gas remotos no tienen fuentes de
potencia propias (por lo tanto se les debe suministrar la potencia)
y, en segundo lugar, los reglamentos de seguridad limitan la
cantidad de potencia suministrada en las inmediaciones de una
fuente de gas potencialmente peligrosa.
Para el alcance de comunicaciones máximo a baja
potencia, es necesario funcionar en un ancho de banda bajo. (Esto
reduce la velocidad a la que la información puede transmitirse, pero
para muchas aplicaciones, esta reducción es aceptable). En
consecuencia, esto requiere que se emplee un filtrado de banda
estrecha, llegando las señales deseadas en esta banda estrecha. Para
conseguirlo, tanto el transmisor como el receptor deben funcionar
con precisión de alta frecuencia, de lo contrario la señal deseada
no se detectará por el receptor.
Este es un problema significativo en sistemas de
comunicaciones (por ejemplo en sistemas de seguimiento de
vehículos) en los que hay una necesidad de unidades de transmisión
de bajo coste. Los componentes de alta precisión necesarios harían
los costes prohibitivamente altos.
En nuestra solicitud de patente en tramitación
junto con la presente, titulada "Digital Communications" y
presentada el 31 de mayo de 2006, se proporciona un sistema de
comunicaciones digital que busca incrementar el alcance de un
transmisor sin incrementar su tamaño o coste.
Esto se consigue mejorando la sensibilidad del
receptor (es decir, permitiéndole recibir señales con una baja
potencia de señal) mediante la implementación de dicho receptor como
un banco de filtros estrechos. Cada filtro es, de hecho, un
receptor independiente que escucha una parte del canal total (12,5
kHz). Como tal, la potencia de ruido en cada filtro se reduce y la
sensibilidad por lo tanto aumenta.
En muchas aplicaciones, se podrían emplear
procedimientos de comunicación más sofisticados si la comunicación
de punto a multipunto bidireccional fuera posible. Sin embargo,
aunque la sensibilidad del receptor en la estación base (el
"punto") se mejora usando el método anterior, el mismo método
necesitaría emplearse en todas las estaciones remotas individuales
(los "multipuntos"), lo que hace de nuevo el coste
prohibitivamente alto. Además, hay un problema cuando se considera
una transmisión desde el emplazamiento base para recibirse en una
estación remota debido a la disparidad de potencia disponible entre
la estación base y cada estación remota, si se requiere un camino
de rendimiento de la misma gama. Según se ha descrito anteriormente,
el alcance se puede alargarse reduciendo el ancho de banda y esto
se consigue en la estación base mediante el banco de filtros
estrechos. Sin embargo, para comunicaciones bidireccionales en las
que cada camino necesita funcionar con un balance similar de
potencia y alcance, el receptor de la estación remota debe también
ser de ancho de banda estrecho. La baja tolerancia de la referencia
de frecuencia en las múltiples estaciones remotas de bajo coste
deseadas supone por lo tanto un problema de nuevo.
Por tanto un objetivo de la presente invención
es proporcionar un sistema de comunicaciones optimizado para
comunicaciones bidireccionales eficientes en potencia y de bajo
coste, con un alcance maximizado entre un emplazamiento base único
y una multiplicidad de estaciones remotas de bajo coste.
Según la presente invención en su aspecto más
amplio se proporciona un sistema de comunicaciones bidireccionales
de punto a multipunto que incluye una estación base y una estación
remota, caracterizándose el sistema según la reivindicación 1 más
adelante en la presente memoria.
Preferiblemente, el sistema comprende un
transceptor de estación base que tiene un transmisor para
transmitir una señal de datos modulada y un receptor que tiene
medios para dividir un canal recibido en una pluralidad de bandas
de frecuencia estrechas; medios para detectar la presencia de
señales de datos en dichas bandas de frecuencia estrechas
individuales; y medios de demodulación para demodular las señales
de datos, incluyendo los medios de demodulación al menos un filtro
de banda estrecha centrado en las bandas de frecuencia de la señal
de datos detectada; al menos un transceptor de estación remota que
tiene un transmisor para transmitir una señal de datos modulada y
un receptor que tiene al menos un filtro de definición de canal, en
el que, en uso, dicha estación base transmite a dicha estación
remota en una frecuencia derivada por la estación base a partir de
la frecuencia de una transmisión recibida previamente por dicha
estación base desde dicha estación remota.
De forma preferida, dicha división, dicha
detección y dicha demodulación se realizan digitalmente en un
procesador de señales digital.
Preferiblemente, dicha estación remota está
normalmente desactivada para reducir el consumo de potencia y se
activa para recibir transmisiones desde dicha estación base después
de un retardo de tiempo predeterminado en relación a un evento de
transmisión anterior.
De forma preferida, el receptor de dicha
estación remota es de tipo superheterodino con un único filtro de
definición de canal.
De forma alternativa, dicho receptor de la
estación remota se implementa usando un par de filtros como los
filtros de definición de canal. De forma preferida, los filtros se
sitúan en las salidas de un receptor de conversión directa dual,
incorporando dicho receptor la selección de banda lateral única
mediante un método de ajuste de fase.
Según un segundo aspecto de la invención se
proporciona un método de transmisión y recepción de datos
digitales, comprendiendo el método las etapas de la reivindicación 8
más adelante en la presente memoria.
Se entenderá que la invención incluye dentro de
su alcance un sistema de comunicación bidireccional básicamente tal
como se describe aquí con referencia a y tal como se ilustra en los
dibujos que acompañan.
En los dibujos que acompañan:
la figura 1 es un diagrama de bloques del
transceptor de la estación remota;
la figura 2 es un diagrama de bloques del
transceptor de la estación base;
la figura 3 es un diagrama de bloques de una
realización alternativa del transceptor de la estación remota;
la figura 4 es un diagrama que representa las
relaciones de frecuencia del transceptor de la figura 3.
El sistema de comunicaciones de radio de la
presente invención comprende dos tipos de transceptor o estación.
La estación I base se puede considerar como el "punto" del
sistema de comunicaciones de punto a multipunto. También se
proporcionan una pluralidad de transceptores remotos o estaciones 2
remotas; su número depende de la aplicación en particular.
Es imaginable que también pudiera haber más de
una estación 1 base, y / o sólo una estación 2 remota, pero para
los propósitos de este ejemplo, se describirá un sistema que
comprende una única estación 1 base y una pluralidad de estaciones
2 remotas.
El principal requisito de cada estación 2 remota
es que debería proporcionar el máximo alcance de rendimiento para
un coste y consumo de potencia mínimos. En referencia concretamente
a la figura 1, la estación 2 remota tiene una referencia 3 de
frecuencia que es común tanto a la transmisión como a la recepción
de elementos de la estación remota. Los requisitos de tolerancia de
la referencia 3 de frecuencia no son excesivamente altos. El total
de las tolerancias de montaje, temperatura y envejecimiento sólo
necesita ser tal que la transmisión no salga fuera del ancho del
canal de frecuencia asignado (en Gran Bretaña es típicamente 12,5
kHz).
Las frecuencias nominales del enlace ascendente
y del enlace descendente no tienen que ser necesariamente las
mismas, sin embargo, la relación entre ellas debe conocerse. Ésta
puede ser fija o puede cambiar con el tiempo de acuerdo con un
algoritmo conocido para cada extremo del enlace (es decir, tanto
para la estación 1 base como para la estación 2 remota).
La estación 2 remota comprende un receptor 4,
elementos 5 comunes y un transmisor 6. El receptor 4 es un receptor
superheterodino ("superhet.") que tiene un único filtro 7 de
definición de canal.
En la figura 3 se muestra una realización
alternativa del receptor 4 de la estación remota en el que se usan
un par de filtros como los filtros 7 de definición de canal. Éste
está adaptado en particular a la modulación de la transmisión de la
estación base usando modulación por desplazamiento de frecuencia
("FSK") modulada directamente, en la que la energía de la señal
se contiene básicamente en dos frecuencias discretas dentro del
canal. Los filtros se situarían en las salidas de un receptor de
conversión directa dual, incorporando dicho receptor la selección de
banda lateral única por el método del ajuste de fase. Se conoce
como receptor de banda lateral independiente (ISB). En uso, la
frecuencia de entrada del receptor se convierte en un par de
frecuencias separadas en dos veces el valor de la frecuencia
central del filtro 7 de canal.
En este método, las señales que llegan al canal
pero que son de frecuencia mayor al generador 12 de frecuencia
(banda lateral superior) llegarán básicamente a una salida, y
aquéllas a una frecuencia menor que la del generador 12 de
frecuencia (banda lateral inferior) llegarán básicamente a la otra
salida. Cuando se reciba una señal FSK directa entonces, cada filtro
de canal contendrá sólo una marca o intervalo de energía
respectivamente. La figura 4 es un diagrama de las relaciones de
frecuencias aquí descritas.
El receptor 4 de la estación remota demodula las
señales que caen dentro de su filtro 7 de definición de canal. Para
maximizar el balance de enlace (y por lo tanto el alcance), el
filtro 7 de definición de canal necesita ser significativamente más
estrecho que el canal asignado. Sin embargo, debido a los errores
entre la referencia 3 de frecuencia de la estación 2 remota y la
referencia de frecuencia de la estación 1 base, la estación 1 base
no tiene que poder necesariamente transmitir una señal dentro de la
banda de paso del filtro 7 de definición de canal del receptor
4.
Para solucionar este problema, la estación 1
base necesita poder determinar la frecuencia de transmisión de la
estación remota con una resolución que sea tan precisa o más precisa
que el ancho de banda del filtro 7 de definición de canal del
receptor de la estación remota. Una vez que la estación 1 base ha
recibido una transmisión preliminar desde una estación 2 remota, la
frecuencia de esta transmisión se conoce y por tanto puede
determinarse la referencia 3 de frecuencia de esa estación remota.
Una vez que se conoce esto, la estación 1 base puede transmitir a la
estación 2 remota a voluntad. De ahí que la estación 1 base pueda
transmitir a la estación 2 remota a la frecuencia de su receptor 4,
a pesar de que el ancho de banda efectivo del receptor 4 es mucho
más estrecho que el canal asignado.
El consumo de potencia de cada estación 2 remota
puede minimizarse si las transmisiones desde la estación 1 base
sólo se envían a estaciones 2 remotas individuales en tiempos
conocidos. Cada receptor 4 de una estación remota puede
desactivarse entonces el resto del tiempo. Esto se consigue
haciendo que el receptor 4 sólo busque una transmisión de la
estación base en un tiempo designado en relación con una
transmisión previa. Igualmente, la estación 1 base sólo transmite
señales en ese tiempo designado. La estación 1 base, que sabe cuándo
fue enviada la última transmisión y exactamente en qué frecuencia,
puede establecer con precisión cuando transmitir a la estación 2
remota designada. Los errores en la precisión del tiempo pueden
tratarse para hacerlos coincidir con los errores en la referencia
de la frecuencia, lo que permite predicciones de tiempo exactas y
en consecuencia ahorro de potencia.
Yendo ahora a la figura 2, la estación 1 base
comprende un transmisor 8, elementos 9 comunes y un receptor 10. El
receptor 10 se implementa usando un banco de filtros, cada uno más
estrecho que el canal asignado. Estos pueden conseguirse como
filtros individuales o mediante medios de procesamiento de
señales.
La salida del banco 11 de filtros tiene que
procesarse para establecer la identidad y la frecuencia de la señal
entrante. La frecuencia de la señal entrante puede determinarse o
bien
- 1.
- identificando en qué elemento del banco 11 de filtros se detecta la señal entrante; o
- 2.
- usando lo anterior solamente para identificar la señal entrante y entonces empleando posteriormente un filtro ágil con sus propios medios de cómputo de la frecuencia para localizar la frecuencia de la señal detectada.
La identidad de la señal recibida se obtiene
entonces por demodulación.
Habiendo identificado la frecuencia de una señal
entrante procedente de una estación 2 remota y anotando el tiempo,
la estación 1 base está entonces en posesión de la información
necesaria para posteriormente trasmitir de vuelta a la estación 2
remota. Esto puede compensar incluso errores de tiempo acumulados,
ya que los errores de reloj de las estaciones remotas también se
conocerán si se han derivado de la misma referencia 3 de
frecuencia.
Después de la sincronización, los errores más
significativos que es probable que surjan en la referencia 3 de la
frecuencia de la estación remota serán resultado de la desviación de
temperatura. Es posible, sin embargo, que la estación 2 remota sepa
qué temperatura ambiente hay y por lo tanto calcula si puede
necesitarse una resincronización con la estación 1 base.
El tiempo de resincronización de la estación 2
remota con la estación 1 base debe determinarse para cada sistema
implementado individual. Por ejemplo, la necesidad de
resincronización aumenta si la estación 1 base también se construye
usando una referencia de frecuencia de poca tolerancia, o si la
razón entre el ancho del canal y el ancho del receptor del filtro de
la estación remota es muy alta. Ocurriría otra necesidad de
resincronización regular si el ancho de banda de la estación remota
es muy pequeño en proporción de la frecuencia central
(considerablemente menor que 1 parte por millón).
Se podrían hacer más mejoras al sistema si la
estación 2 remota, una vez sincronizada con la estación 1 base y
establecida la comunicación, fuese informada de su propia frecuencia
absoluta. Podría entonces utilizarla para corregir errores
posteriores. Siguiendo con esto, una estación 2 remota podría
mantener la sincronización con la estación 1 base escuchando una
emisión de sincronización regular desde la estación 1 base (esto es
apropiado particularmente para sistemas que tienen una pluralidad
de estaciones 2 remotas). En caso de que esta emisión de
sincronización no se escuchara, (tanto si se debe a una desviación
de la frecuencia de cualquier estación o si se debe a una
interferencia) la estación 2 remota podría resincronizarse
automáticamente. El periodo de emisiones de sincronización podría
proyectarse aún así para obtener grandes ahorros de potencia en
relación a un sistema en el que la estación remota tiene que
recibir de manera continua.
El sistema no es particularmente sensible al
método de modulación usado para las transmisiones. Se podrían usar
métodos de amplitud, frecuencia o fase siempre que la mayoría de la
energía de la señal pase a través del filtro estrecho anteriormente
descrito. Si se usan métodos en los que la energía se distribuye
principalmente en varias frecuencias discretas, las técnicas de
bancos de filtros pueden aprovecharse de esto para añadir
diversidad y evitar interferencias.
En una realización preferida, dicha estación
base puede transmitir simultáneamente de manera sustancial a más de
una de dichas estaciones remotas e, igualmente, puede recibir
señales desde más de una estación remota simultáneamente de manera
sustancial siempre que estas señales se transmitan (por las
estaciones remotas) a frecuencias suficientemente diferentes para
que las señales se descompongan individualmente.
Además, en un sistema de transmisión
bidireccional simultáneo (dúplex completo), dicha estación base
puede transmitir a una o más estaciones remotas básicamente al mismo
tiempo en que recibe una señal o señales de otras estaciones
remotas, siempre que las respectivas frecuencias sean diferentes
unas de otras.
Si el sistema funcionase en dos frecuencias como
un sistema dúplex, la implementación podría usar múltiples
generadores de frecuencia; esto podría hacer que la estación 1 base
transmitiese continuamente. Sin embargo, sería necesario el uso de
una referencia de frecuencia común o enlazada.
Se prevén muchas aplicaciones del sistema de
comunicaciones de la presente invención, por ejemplo:
- -
- Dispositivos de seguridad para objetos o personal, para propósitos de estado o seguimiento de la localización (por ejemplo, etiquetado de presos, localización automática de vehículos);
- -
- Dispositivos de telemetría, por ejemplo medición de consumo de servicios públicos;
- -
- Monitorización del estado de plantas o sistemas de almacenamiento;
- -
- Barrido remoto de sensores, por ejemplo para tiempo o monitorización del medio ambiente;
- -
- Sistemas de alarma inalámbricos, por ejemplo aplicaciones de protección (por ejemplo intrusos) o seguridad (por ejemplo fuego).
Claims (8)
1. Sistema de comunicaciones bidireccional de
punto a multipunto que incluye una estación (1) base y una estación
(2) remota, en el que la estación (1) base comprende un transmisor
para transmitir a la estación (2) remota y un receptor que tiene
medios para dividir un canal recibido en una pluralidad de bandas
de frecuencia estrechas y un controlador conectado al medio de
división de canal para que establezca la frecuencia de la señal
recibida desde la estación remota, estando dicha estación base
adaptada para transmitir a una frecuencia que sea la misma, o con
una relación fijada, que la frecuencia establecida en dicha
estación remota.
2. Sistema de comunicaciones según la
reivindicación 1, caracterizado porque comprende:
un transceptor de estación base que tiene un
transmisor (8) para transmitir una señal de datos modulada y un
receptor (10) que tiene medios para detectar la presencia de señales
de datos en dichas bandas de frecuencia estrechas individuales; y
medios de demodulación para demodular las señales de datos,
incluyendo los medios de demodulación al menos un filtro de banda
estrecho centrado en las bandas de frecuencia de la señal de datos
detectada; y
al menos un transceptor de estación remota que
tiene un transmisor (6) para transmitir una señal de datos modulada
y un receptor (4) que tiene al menos un filtro (7) de definición de
canal,
en el que, en uso, dicha estación base trasmite
a dicha estación remota a una frecuencia derivada por la estación
base a partir de la frecuencia de una transmisión recibida
previamente por dicha estación base desde dicha estación
remota.
3. Sistema de comunicaciones según la
reivindicación 2, caracterizado porque dicha división, dicha
detección y dicha demodulación se llevan a cabo digitalmente en un
procesador de señales digital.
4. Sistema de comunicaciones según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha
estación remota está normalmente desactivada para reducir el consumo
de potencia y se activa para recibir transmisiones desde dicha
estación base después de un retardo de tiempo predeterminado en
relación a un evento de transmisión anterior.
5. Sistema de comunicaciones según cualquiera de
las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el receptor
en dicho transceptor de la estación remota es del tipo
superheterodino con un único filtro (7) de definición de canal.
6. Sistema de comunicaciones según cualquiera de
las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicho
receptor de la estación remota se implementa usando un par de
filtros (7) como los filtros de definición de canal.
7. Sistema de comunicaciones según la
reivindicación 6, caracterizado porque los filtros se
localizan en las salidas de un receptor de conversión directa dual,
incorporando dicho receptor la selección de banda lateral única
mediante un método de ajuste de fase.
8. Método de comunicaciones bidireccionales de
punto a multipunto que comprende las etapas de:
- a.
- transmitir una señal de datos modulada digitalmente desde una estación remota;
- b.
- recibir dicha señal de datos modulada en una estación base;
- c.
- dividir un canal que tiene dicha señal recibida en una pluralidad de bandas de frecuencia estrechas;
- d.
- establecer la frecuencia de la señal recibida usando la salida de la etapa de división;
- e.
- transmitir una señal desde la estación base a la misma frecuencia, o con una relación fijada, que dicha frecuencia establecida por la estación remota.
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