ES2347930T3 - Arquitecturas de canal eficientes para protocolos mac multicanal en redes ad hoc inalámbricas. - Google Patents

Arquitecturas de canal eficientes para protocolos mac multicanal en redes ad hoc inalámbricas. Download PDF

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Abstract

Sistema (500) de comunicación inalámbrica que emplea un protocolo MAC multicanal basado en un concepto de supertrama, que comprende: una estructura de supertrama PHY multicanal que 5 organiza de manera lógica una pluralidad de canales (103) incluyendo una supertrama (104) por canal que tiene una ventana (102) de control de una duración fija y una parte (105) restante, siendo dicha supertrama un canal lógico definido como punto 10 de reunión/canal (101) de encuentro usado por un dispositivo para sincronizarse con el sistema; y al menos un dispositivo (400) configurado para incluir: - un transmisor (401) que transmite supertramas (104) según dicha estructura de supertrama PHY; y - un receptor (402) que escucha dicha estructura de supertrama PHY en un conjunto predeterminado de canales de la pluralidad de canales (103), en el que, con una periodicidad predeterminada, dicho al menos un dispositivo (400) se sincroniza/resincroniza con el sistema (500) escuchando el receptor (402) el canal (101) de encuentro.

Description

El sistema, el aparato y el procedimiento de la presente invención se refieren a arquitecturas para protocolos de control de acceso al medio (MAC) multicanal en redes ad hoc inalámbricas. 5
La mayoría de los protocolos MAC inalámbricos, incluyendo el IEEE 802.11 MAC, se han diseñado para funcionar en un único canal compartido. Por ejemplo, a pesar de que la capa física (PHY) de IEEE 802.11a soporta un total de 12 canales sin solapamiento y la capacidad de conmutar dinámicamente entre 10 ellos (para la capa PHY de IEEE 802.11b están disponibles un total de 3 canales sin solapamiento), el IEEE 802.11 MAC actual no puede aprovechar esta capacidad y no es adecuado para funcionar en un entorno multicanal de este tipo.
Por tanto, unida a la demanda de una mejor reutilización del 15 espectro y tasas de transmisión de datos mejoradas, ha habido una necesidad creciente de desarrollo de protocolos MAC que puedan aprovechar múltiples canales de capa PHY de un modo dinámico. Si están diseñados apropiadamente, estos denominados protocolos MAC multicanal pueden proporcionar mejoras en el 20 rendimiento reduciendo las colisiones y permitiendo más transmisiones simultáneas y por tanto una mejor utilización del ancho de banda. Los protocolos MAC multicanal posibilitan que los nodos vecinos se comuniquen simultáneamente en diferentes canales sin interferir entre sí. Esta característica es muy 25 deseable especialmente en escenarios de carga elevada y para tráfico sensible a la QoS.
Para que un protocolo MAC multicanal sea satisfactorio, debe ofrecer un servicio similar a MAC de un solo canal (por ejemplo, IEEE 802.11) junto con un rendimiento superior. Es decir, un 30 protocolo MAC multicanal debe cumplir con los siguientes objetivos de diseño: una complejidad y conectividad comparables a la de MAC de un solo canal; soporte de movilidad; tratamiento del problema de terminal oculto multicanal; soporte de difusión/multidifusión; equilibrado de la carga; y rendimiento 35
global aumentado. Para cumplir con este conjunto de requisitos, es necesario que los múltiples canales PHY estén estructurados de una manera inteligente, de lo contrario se obtiene como resultado un rendimiento de MAC pobre.
Por tanto, es necesario un medio para estructurar un 5 protocolo para múltiples canales PHY.
La presente invención incluye un aparato, un procedimiento y un sistema que proporcionan tres protocolos alternativos para MAC multicanal en redes ad hoc inalámbricas.
Las normas de control de acceso al medio (MAC) inalámbrico 10 existentes tales como IEEE 802.11 presuponen un solo canal, aunque pueden estar disponibles múltiples canales en la capa física. Con la promesa de una mejor reutilización del espectro y un rendimiento mejorado, se está prestando cada vez más atención a los protocolos MAC que pueden tratar dinámicamente múltiples 15 canales (los denominados protocolos MAC multicanal). Con el fin de aprovechar completamente los múltiples canales de capa física (PHY) disponibles de una manera eficaz, es de primordial importancia considerar la manera en la que están estructurados estos canales para posibilitar un rápido descubrimiento de 20 dispositivo, una conectividad completa, el equilibrado de la carga y un uso de canal óptimo.
La presente invención proporciona tres arquitecturas para organizar de manera lógica múltiples canales: una supertrama multicanal paralela (PMS) y una supertrama multicanal secuencial 25 (SMS), y una supertrama multicanal sin solapamiento (NMS). Cada una de estas arquitecturas surge de diferentes compromisos y es aplicable a cualquier protocolo MAC multicanal que esté basado en el concepto de una supertrama, por ejemplo, la supertrama IEEE 802.11. 30
Véase el documento WO-A-2005/094007 (Philips).
La figura 1 ilustra una supertrama multicanal paralela (PMS);
la figura 2 ilustra una supertrama multicanal secuencial (SMS); 35
la figura 3 ilustra una supertrama multicanal sin solapamiento (NMS);
la figura 4 ilustra un aparato transceptor modificado según la presente invención; y
la figura 5 ilustra un sistema de comunicación inalámbrica 5 modificado según la presente invención.
Los expertos habituales en la técnica deben entender que las siguientes descripciones se proporcionan con fines ilustrativos y no limitativos. Un experto entiende que existen muchas variaciones que se encuentran dentro del espíritu de la 10 invención y el alcance de las reivindicaciones adjuntas. Los detalles innecesarios de la estructura y funciones conocidas pueden omitirse de las presentes descripciones para no dificultar la presente invención.
La presente invención proporciona un aparato, un 15 procedimiento y un sistema que proporcionan una estructura de canal que abarca todos los múltiples canales PHY. En una realización preferida, se proporcionan tres estructuras de supertrama de canales PHY multicanal para la comunicación de alta velocidad de sistemas por paquetes: 20
• una supertrama 100 multicanal paralela (PMS);
• una supertrama 200 multicanal secuencial (SMS);
• una supertrama multicanal sin solapamiento (NMS).
La estructura 100 de PMS se ilustra en la figura 1, mientras que la estructura 200 de SMS se ilustra en la figura 2 y la 25 estructura 300 de NMS se ilustra en la figura 3. En una realización preferida, estos tres enfoques tienen en común la definición de un canal lógico, denominado en el presente documento como canal 101 de encuentro, que sirve como punto de reunión para los dispositivos. Este canal 101 de encuentro puede 30 ser un único canal de todos los canales disponibles, así como un subconjunto de todos los canales disponibles.
Haciendo referencia ahora a la figura 1, puede observarse que, en una PMS 100, las supertramas se sincronizan por todos los múltiples canales PHY. Para que esta sincronización sea 35 posible, se emplea el canal de encuentro lógico que permite a los dispositivos sintonizarse periódicamente con el fin de resincronizarse. Dependiendo del protocolo MAC implementado, un dispositivo puede descubrir la conectividad de red explorando simplemente el canal de encuentro. Alternativamente, un 5 dispositivo puede tener que explorar cada canal para descubrir su destino pretendido. En cuanto a la transmisión de datos, ésta se lleva a cabo preferiblemente en cualquiera de los múltiples canales simultáneamente durante la parte restante de la supertrama. 10
Tal como se ilustra en la figura 1, la arquitectura 100 de PMS de la presente invención es muy adecuada ya que proporciona el fundamento para un uso eficaz del ancho de banda, el equilibrado de la carga por los canales, etcétera.
La figura 2 ilustra la organización de canal en una SMS 200. 15 Tal como se ilustra, una característica distintiva en la SMS 200 es que las supertramas en canales secuenciales están desplazadas en el tiempo unas respecto a otras en comparación con la PMS en la que las supertramas tienen lugar en paralelo. Un beneficio claro de este enfoque es que un dispositivo puede descubrir toda 20 la red simplemente explorando de manera secuencial por los canales y escuchando la duración de una ventana 102 de control. En una realización preferida, con el fin de permitir una sincronización entre canales apropiada, la SMS 200 adopta el mismo concepto que la PMS eligiendo de manera lógica un canal 25 como canal de encuentro con el que deben sintonizarse periódicamente los dispositivos con el fin de resincronizarse.
Haciendo referencia ahora a la figura 3, la NMS (300) emplea una sincronización más flexible en comparación con la PMS y la SMS. En este caso, sólo es necesario que el protocolo obligue a 30 que la ventana 102 de control de supertramas 104 por múltiples canales sea sustancialmente sin solapamiento, definiéndose sustancialmente como que las ventanas de control de cualesquiera dos supertramas se solapan 301 menos de un valor de tolerancia de solapamiento predeterminado. De esta manera no se requiere 35 una sincronización estricta. Por otro lado, la planificación de visitas a otros canales resulta más complicada ya que la ventana 102 de control ya no está sincronizada.
Cuando la estructura de supertrama PHY es una NMS 300, un dispositivo 400 se sincroniza/resincroniza con el sistema 500 5 realizando una exploración secuencial de la ventana 102 de control de cada una de una secuencia de supertramas de la estructura 300 de NMS por la pluralidad de canales 103 y escuchando el receptor 402 del dispositivo 400 al menos la duración fija de la ventana 102 de control de cada supertrama 10 104 de la secuencia para descubrir un destino pretendido. Una vez que el dispositivo 400 se ha sincronizado/resincronizado con el sistema 500, el transmisor 401 del dispositivo 400 transmite datos en la parte 105 restante de la supertrama 104 del destino descubierto. 15
Con estas tres estructuras de canal, se consiguen los propósitos de diseño objetivo tal como sigue:
• Una complejidad y conectividad (o bien conectividad indirecta) comparables a MAC de un solo canal – Esto es posible a través de la definición lógica del canal 20 de encuentro. Este canal sirve como punto de reunión en el que los dispositivos averiguan información unos de otros. En una realización preferida, esto se consigue o bien haciendo que ciertos dispositivos envíen comunicados sobre otros (por ejemplo, como en 25 la arquitectura de la figura 1), o bien haciendo que el dispositivo explore todos los canales (por ejemplo, como en la arquitectura de la figura 2).
• Soporte de movilidad – Aunque esta característica depende enormemente del diseño de protocolo MAC, las 30 dos arquitecturas basadas en supertramas de la presente invención permiten un mejor soporte de movilidad haciendo, por ejemplo, que todos los dispositivos envían tramas de baliza durante la ventana de control. 35
• Tratamiento del problema de terminal oculto multicanal - El uso de supertramas con una ventana de control junto con el concepto de canal de encuentro hace posible superar el terminal oculto multicanal. Esto se realiza haciendo que los dispositivos escuchen y/o 5 transmitan durante el periodo de la ventana de control, y que planifiquen el uso de los diversos canales de una manera sin conflictos.
• Soporte de difusión/multidifusión – La difusión y la multidifusión se llevan a cabo en una realización 10 preferida a través del uso del concepto de canal de encuentro. Los dispositivos se sintonizan con el canal de encuentro cada vez que una difusión/multidifusión esté en la cola para su transmisión, eliminando así la necesidad de transmitir un paquete múltiples veces por 15 todos los canales.
• Equilibrado de la carga – Esto se consigue distribuyendo los dispositivos por todos los múltiples canales de tal manera que todos estos canales experimenten la misma carga. Aunque este mecanismo 20 depende del protocolo MAC implementado, el canal de encuentro y las supertramas de la presente invención permiten un equilibrado de la carga apropiado.
• Mejor uso del ancho de banda – Esto es posible ya que estas arquitecturas permiten utilizar todos los 25 canales simultáneamente, con un tiempo de inactividad mínimo (posiblemente debido a la sobrecarga del protocolo MAC). Un esquema de equilibrado de la carga apropiado puede mejorar adicionalmente el uso del ancho de banda distribuyendo uniformemente las 30 transmisiones por todos los canales.
La figura 4 ilustra una realización preferida de un transceptor 400, que comprende un transmisor 401 y un receptor 402, modificado según la presente invención. El transmisor 401 comprende además un componente 401.1 de codificación y 35 modulación cuya salida se introduce en un módulo 401.2 de formateo de supertrama que formatea la salida del componente de codificación y modulación en una de una SMS 200 o una PMS 100 o una NMS 300, según la presente invención. Tras el formateo, según la presente invención, se filtra la señal, se convierte de 5 digital a analógica y se transmite a través del canal 402 mediante el módulo 401.3.
Se recibe una señal que incluye una supertrama según la presente invención por parte del receptor 403 modificado según la presente invención y que comprende un módulo 403.3 de 10 filtrado, control AGC, etc. de la señal recibida y que proporciona una señal de salida a un extremo 403.2 frontal digital que procesa adicionalmente la señal, por ejemplo, para descubrir la red.
La figura 5 ilustra un sistema de comunicación que comprende 15 transceptores 500 según la presente invención que transmiten y reciben mensajes que comprenden una estructura 100 200 300 de supertrama según la presente invención.
La presente invención puede emplearse ventajosamente en normas de conexión en red de próxima aparición en desarrollo 20 bajo los auspicios del IEEE, tal como IEEE 802.22 basado en enfoques de radio cognitivos en la banda de TV. Un MAC multicanal es muy adecuado para un entorno operativo de este tipo.
Finalmente, es importante observar que algunos de estos 25 objetivos de diseño pueden llevarse a cabo más fácilmente usando una arquitectura en vez de otra. Por tanto, los expertos en la técnica entenderán que la idoneidad de cada una de estas arquitecturas dependerá de los requisitos de aplicación y el diseño del protocolo. 30
Aunque se han ilustrado y descrito las realizaciones preferidas de la presente invención, los expertos en la técnica también entenderán que el sistema, el aparato y los procedimientos descritos en el presente documento son ilustrativos y que pueden realizarse diversos cambios y 35 modificaciones y que elementos de los mismos pueden sustituirse por equivalentes sin apartarse del verdadero alcance de la presente invención. Además, pueden realizarse muchas modificaciones para adaptar las enseñanzas de la presente invención a una situación particular sin apartarse de su alcance 5 central. Por tanto, la presente invención no pretende limitarse a las realizaciones particulares dadas a conocer como el mejor modo contemplado para llevar a cabo la presente invención, sino que la presente invención incluye todas las realizaciones que se encuentren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas 10 al presente documento así como todas las técnicas de implementación.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema (500) de comunicación inalámbrica que emplea un protocolo MAC multicanal basado en un concepto de supertrama, que comprende:
    una estructura de supertrama PHY multicanal que organiza de 5 manera lógica una pluralidad de canales (103) incluyendo una supertrama (104) por canal que tiene una ventana (102) de control de una duración fija y una parte (105) restante, siendo dicha supertrama un canal lógico definido como punto de reunión/canal (101) de encuentro usado por un dispositivo 10 para sincronizarse con el sistema; y
    al menos un dispositivo (400) configurado para incluir:
    - un transmisor (401) que transmite supertramas (104) según dicha estructura de supertrama PHY; y
    - un receptor (402) que escucha dicha estructura de 15 supertrama PHY en un conjunto predeterminado de canales de la pluralidad de canales (103),
    en el que, con una periodicidad predeterminada, dicho al menos un dispositivo (400) se sincroniza/resincroniza con el sistema (500) escuchando el receptor (402) el canal (101) de 20 encuentro.
  2. 2. Sistema (500) según la reivindicación 1, en el que el concepto (104) de supertrama es un protocolo IEEE 802.11.
  3. 3. Sistema (500) según la reivindicación 1, en el que la estructura de supertrama PHY se selecciona del grupo que 25 consiste en una supertrama (100) multicanal paralela (PMS) transmitida de modo que se transmiten supertramas en paralelo en cada canal de dicha pluralidad, una supertrama (200) multicanal secuencial (SMS) de modo que las supertramas transmitidas en canales secuenciales de dicha 30 pluralidad de canales están desplazadas en el tiempo unas respecto a otras, y una supertrama (300) multicanal sin solapamiento (NMS) de modo que las ventanas de control de supertramas transmitidas secuencialmente no se solapan en más de un valor de tolerancia de solapamiento predeterminado.
  4. 4. Sistema (500) según la reivindicación 3, en el que cuando la estructura de supertrama PHY es una PMS (100):
    el al menos un dispositivo (300) se sincroniza/resincroniza 5 con el sistema (500) realizando una exploración de una ventana (102) de control de al menos una supertrama siguiente de la estructura (100) de PMS, seleccionándose dicha exploración del conjunto que consiste en la exploración del punto de reunión/canal (101) de encuentro y 10 la exploración de cada canal de la pluralidad de canales (103); y
    una vez que el al menos un dispositivo (400) se ha sincronizado/resincronizado con el sistema (500), un transmisor (401) del al menos un dispositivo (300) 15 sincronizado transmite datos en cualquiera de la pluralidad de canales (103) simultáneamente durante la parte (105) restante de la al menos una supertrama de la estructura (100) de PMS.
  5. 5. Sistema (500) según la reivindicación 3, en el que cuando la 20 estructura de supertrama PHY es una SMS (200):
    el al menos un dispositivo (400) se sincroniza/resincroniza con el sistema (500) realizando una exploración secuencial de la ventana (102) de control de cada una de una secuencia de supertramas de la estructura (200) de SMS por la 25 pluralidad de canales (103) y escuchando el receptor (402) del al menos un dispositivo (400) la duración fija de la ventana (102) de control de cada supertrama (104) de dicha secuencia para descubrir un destino pretendido; y
    una vez que el al menos un dispositivo (400) se ha 30 sincronizado/resincronizado con el sistema (500), el transmisor (401) del al menos un dispositivo (400) transmite datos en la parte (105) restante de la supertrama (104) del destino descubierto.
  6. 6. Sistema (500) según la reivindicación 3, en el que cuando la estructura de supertrama PHY es una NMS (300):
    el al menos un dispositivo (400) se sincroniza/resincroniza con el sistema (500) realizando una exploración secuencial de la ventana (102) de control de cada una de una secuencia 5 de supertramas de la estructura (300) de NMS por la pluralidad de canales (103) y escuchando el receptor (402) del al menos un dispositivo (400) al menos la duración fija de la ventana (102) de control de cada supertrama (104) de dicha secuencia para descubrir un destino pretendido; y 10
    una vez que el al menos un dispositivo (400) se ha sincronizado/resincronizado con el sistema (500), el transmisor (401) del al menos un dispositivo (400) transmite datos en la parte (105) restante de la supertrama (104) del destino descubierto. 15
  7. 7. Sistema (500) según la reivindicación 4 ó 5 ó 6, en el que el transmisor (401) de dicho al menos un dispositivo (400) transmite una baliza en una trama de baliza durante cada ventana (102) de control.
  8. 8. Sistema (500) según la reivindicación 7, en el que al menos 20 uno del receptor (402) de dicho al menos un dispositivo (400) escucha, y el transmisor (401) de dicho al menos un dispositivo (400) transmite, durante la ventana (102) de control para planificar el uso de la pluralidad de canales (103) usando una técnica de planificación sin conflictos 25 predeterminada.
  9. 9. Sistema (500) según la reivindicación 8, en el que el receptor (402) de dicho al menos un dispositivo (400) escucha el canal (101) de encuentro cuando se planifica la transmisión de una difusión/multidifusión. 30
  10. 10. Sistema (500) según la reivindicación 9, en el que las transmisiones realizadas por el transmisor (401) de dicho al menos un dispositivo (400) se distribuyen por todos los canales de la pluralidad de canales (103) de modo que la carga de transmisión del sistema (500) está nivelada por todos los canales.
  11. 11. Procedimiento para una PHY en un sistema (500) de comunicación inalámbrica que tiene al menos un dispositivo (400), empleando dicho al menos un dispositivo (400) un 5 protocolo MAC multicanal basado en un concepto de supertrama, que comprende las etapas de:
    proporcionar una estructura (100 200 300) de supertrama PHY multicanal que organiza de manera lógica una pluralidad de canales (103), comprendiendo dicha estructura una supertrama 10 (104) PHY por canal de dicha pluralidad de canales (103), comprendiendo dicha supertrama (104) PHY una ventana (102) de control de una duración fija y una parte (105) restante;
    definir dicha supertrama como un canal lógico que es un punto de reunión/canal (101) de encuentro usado por dicho al 15 menos un dispositivo (400) para sincronizarse con el sistema (500); y
    configurar dicho al menos un dispositivo (400) para realizar las etapas de:
    - transmitir mediante un transmisor (401) del mismo la 20 supertrama (104) PHY según dicha estructura de supertrama PHY,
    - escuchar un receptor (402) del mismo la supertrama (104) PHY en un conjunto predeterminado de canales de la pluralidad de canales (103) según dicha estructura de 25 supertrama PHY,
    sintonizarse periódicamente con el canal de encuentro mediante dicho al menos un dispositivo para sincronizarse/resincronizarse con el sistema (500).
  12. 12. Dispositivo (400) para comunicación inalámbrica que emplea 30 un protocolo MAC multicanal basado en un concepto de supertrama, que comprende:
    una estructura de supertrama PHY multicanal que organiza de manera lógica una pluralidad de canales (103) incluyendo una supertrama (104) por canal que tiene una ventana (102) de 35 control de una duración fija y una parte (105) restante, siendo dicha supertrama un canal lógico definido como punto de reunión/canal (101) de encuentro usado por el dispositivo para sincronizarse con una red (500) de dispositivos (400) configurados de manera similar; 5
    un transmisor (401) que transmite supertramas (104) según dicha estructura de supertrama PHY; y
    un receptor (402) que escucha supertramas (104) de dicha estructura de supertrama PHY en un conjunto predeterminado de canales de una pluralidad de canales (103), 10
    en el que, con una periodicidad predeterminada, dicho dispositivo (400) se sincroniza/resincroniza con la red (500) sintonizándose con el canal (101) de encuentro.
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