ES2383212T3 - Metodo y disposición para métricas de enrutamiento avanzadas en redes multi-salto - Google Patents

Abstract

Un dispositivo para estabilizar un conjunto (18) de secador en una vasija (10) de presión de reactor de un reactor nuclear, que comprende un brazo (202) de reacción conformado y posicionado para acoplarse a, y rotar alrededor de, un soporte (30) de retención de una cabeza superior (12) de la vasija de presión del reactor, y un muelle (36) acoplado al brazo (202) de reacción, estando posicionado el muelle para aplicar una fuerza estabilizadora (38) a una ménsula (28) de soporte del secador de vapor del conjunto (18) de secador con respecto a la vasija (10) de presión de reactor.

Description

Metodo y disposici6n para metricas de enrutamiento avanzadas en redes multi-salto

Campo tecnico de la invenci6n

La presente invenci6n se refiere en general a enrutamiento en redes de comunicaci6n tales como redes multi-salto, y 5 mas en particular al caso de la determinaci6n de metricas apropiadas de costes de enlace para su uso en enrutamiento y determinaci6n de ruta.

Antecedentes de la invenci6n

En general, el enrutamiento puede ser definido como el acto de mover informaci6n desde una fuente hasta un destino a traves de uno o mas nodos intermedios en una red de comunicaci6n.

10 Cuando se aplica enrutamiento en una red inalambrica, tal red se menciona con frecuencia como red multi-salto. En una red multi-salto, los nodos que estan fuera del alcance de los otros pueden beneficiarse de nodos situados en posiciones intermedias que pueden enviar sus mensajes desde la fuente hacia el destino. Tradicionalmente, las redes multi-salto han estado con frecuencia asociadas con lo que se conoce como redes ad hoc, en las que los nodos son en su mayor parte m6viles y no existe ninguna infraestructura de coordinaci6n central. Sin embargo, la

15 idea de construcci6n de red multi-salto puede ser aplicada tambien cuando los nodos son fijos. Adicionalmente, se puede prever coordinaci6n central, en particular cuando los nodos son fijos y los canales son robustos. Tambien se pueden prever redes hibridas que incluyan enlaces alambricos ademas de los enlaces inalambricos en redes multisalto. Un tipo comun de red multi-salto esta basada en lo que se conoce como almacenamiento y envio, en el que se recibe el paquete completo con anterioridad a ser enviado.

20 El enrutamiento incluye por lo general dos tareas basicas: determinar trayectorias de enrutamiento adecuadas y transportar informaci6n a traves de la red. En el contexto del proceso de enrutamiento, la primera de esas tareas se conoce normalmente como determinaci6n de ruta y la ultima de esas tareas se conoce con frecuencia como envio de paquete.

Para la determinaci6n de ruta, una alternativa habitual consiste en extender lo que se conoce como arbol de

25 enrutamiento. La Figura 1A ilustra un ejemplo de tal arbol de enrutamiento, en este caso enraizado en un nodo de destino dado. El arbol de enrutamiento se calcula normalmente en base a un algoritmo de trayectoria mas corta, lo que implica que las trayectorias mas cortas determinadas desde los diversos nodos del arbol hasta el nodo de destino es lo que se conoce como "trayectorias de menor coste". En la practica, el arbol esta construido de forma continua y se actualiza para gestionar la movilidad y cambiar las condiciones de enlace.

30 Cuando un nodo particular del arbol desea enviar un paquete en el proceso consiguiente de envio de paquete, el nodo se considera como un nodo fuente, y el paquete sigue la trayectoria de enrutamiento determinada desde la fuente hasta el destino, segun se ha ilustrado en la Figura 1B. Diferentes nodos pueden enviar paquetes hasta el mismo destino con el tiempo, con lo que diferentes nodos actuaran como nodos fuente y enviaran a traves de su trayectoria respectiva mas corta. Adicionalmente, puesto que pueden existir multiples destinos, se pueden generar

35 multiples arboles, cada uno de ellos enraizado en un destino correspondiente.

El envio de un paquete es por lo general relativamente directo, mientras que la determinaci6n de ruta o trayectoria puede ser muy compleja.

Los protocolos de enrutamiento utilizan en general lo que se conoce como metrica de enrutamiento como base para evaluar que trayectoria o ruta sera la mejor para un paquete dado y determinar con ello la trayectoria 6ptima hasta el

40 destino. En la tecnica anterior, muchas metricas diferentes han sido usadas por los algoritmos de enrutamiento para determinar la mejor ruta, o al menos una adecuada.

Una metrica de salto por cable convencional resulta inadecuada en un entorno inalambrico, debido basicamente a que no refleja la dependencia de la calidad de enlace con respecto a la distancia. Tambien, la potencia de transmisi6n es un factor importante al afectar a la calidad de enlace.

45 Un ejemplo de metrica por cable de menos uso en situaciones alambricas, encontrada todavia con frecuencia, es una metrica de conteo de salto simple, en la que el coste de enlace £Cij desde el nodo vi hasta el vj se define como £Cij = 1.

Otra metrica que ha sido sugerida en la literatura de investigaci6n se basa en la distancia fisica entre dos nodos, por ejemplo £Cij = Distanciaij.

50 Un ejemplo mejor, adecuado para un entorno de radio, consiste en usar la ganancia media de enlace Gij y definir el coste de enlace como la inversa de la ganancia media de enlace, es decir, /Cij = Gijt . Esta metrica proporciona valores grandes (con potencia fija) de SNR (Relaci6n de Seral respecto a Ruido) del receptor, y rutas de potencia minima (con control de potencia). Esta no es una mala metrica, pero puede conducir a una situaci6n en la que los paquetes experimenten grandes retrasos (debido principalmente a que la misma no refleja la capacidad de un enlace apropiadamente).

Con ello, un ejemplo aun mejor de metrica de enlace consiste en utilizar la tasa media de enlace estimada y definir el

coste de enlace como la inversa de la tasa media de enlace, es decir, /Cij = 11 rij, suponiendo capacidades de

5 adaptaci6n de tasa. Esta metrica puede ser apreciada de dos maneras. En primer lugar, para un paquete de tamaro fijo, estriba en ofrecer trayectorias de retardo minimo (suponiendo que la demora de espera en la red sea despreciable). Sin embargo, en el contexto de un esquema multi-salto con una fase de datos de tamaro fijo (con un numero variable de paquetes en una fase de datos que depende de la adaptaci6n de tasa) ofrece la utilizaci6n de recurso de menos tiempo a lo largo de una trayectoria. La metrica de enlace basada en tasa media puede ser

10 estimada mediante la capacidad de Shannon clasica:

donde B es el ancho de banda (puede ser despreciado si solamente se utiliza un ancho de banda comun en el sistema completo), E{...} es el valor esperado, Pi es la potencia de transmisi6n del nodo Vi (que puede ser fija o determinada mediante algun otro mecanismo), σN2 es el nivel de ruido (en el nodo Vj). El termino σN2 podria incluir

15 tambien potencialmente interferencia media, modelada entonces como ruido gaussiano complejo, aparte del ruido del receptor.

Utilizando la capacidad de Shannon para el caso de metrica de ganancia inversa descrito en lo que antecede, se (Objetivo) dada.

aprecia que esta corresponde a enrutamiento de potencia minima con una tasa de enlace objetivo rij

La potencia minima se determina entonces como:

rij(Objetivo)

⎛

σ⎟ ⎞

N

G

ij

B

p

i

−

⎠

(2)

⎜ ⎝

=

La referencia [1] describe el uso de potencia de transmisi6n de enlace como una metrica de costo razonable para minimizar la potencia de transmisi6n acumulativa utilizada sobre una trayectoria completa. Esto es bueno para el consumo de bateria y tambien reduce el nivel de interferencia del sistema, dejando espacio para nuevas conexiones y permitiendo de ese modo una operaci6n a una carga de red mas alta.

25 Segun se ha indicado, es posible incluir interferencia en la medici6n. Los tipos de metricas basados en interferencia incluyen Enrutamiento de Menor lnterferencia (LlR), donde la idea consiste en usar una ruta que provoque la interferencia menos destructiva, y Enrutamiento de Menor Resistencia (LRR), donde la idea consiste en utilizar la ruta que encuentre la menor interferencia.

Tambien es posible incluir intensidad de trafico en la metrica. Sin embargo, la inclusi6n de tales aspectos de trafico

30 en la metrica (por ejemplo, la incorporaci6n de aspectos de intensidad de trafico y normas de acceso al medio) no es directa, dado que se necesita considerar aspectos de estabilidad.

Resulta evidente que la metrica de enrutamiento tiene un efecto sustancial sobre la determinaci6n de ruta, y por lo tanto es de la mayor importancia para proporcionar metricas mejoradas para la determinaci6n de rutas adecuadas. La selecci6n mejorada de ruta conduce entonces de manera natural a un enrutamiento mejorado con rendimiento

35 mas alto y demora reducida en las redes.

La publicaci6n de Solicitud de Patente Num. US 2003/0161268 A1 se refiere a integraci6n de capa transversal de funciones en varias capas de protocolo. Las conexiones se determinan con preferencia mediante optimizaci6n integrada de una funci6n objetivo dada con respecto a parametros de conexi6n sobre al menos tres capas de protocolo dentro de la red. Con preferencia, la optimizaci6n incluye enrutamiento (selecci6n de trayectoria), acceso

40 de canal y adaptaci6n de parametros de enlace fisico.

Sumario de la invenci6n

La presente invenci6n subsana estos y otros inconvenientes de las disposiciones de la tecnica anterior.

Un objeto general de la presente invenci6n consiste en proporcionar un enrutamiento mejorado en redes multi-salto totalmente inalambricas o al menos parcialmente inalambricas. En particular, resulta deseable proporcionar un

45 rendimiento mas alto y una demora reducida en tales redes, o permitir una operaci6n a una carga de red mas alta.

Un objeto de la invenci6n consiste en proporcionar selecci6n de ruta o determinaci6n de ruta mejorada, mediante el uso de mediciones de ruta incrementadas.

Un objeto especifico consiste en proporcionar un metodo y una disposici6n mejorados para la determinaci6n de costes de enlace para el enrutamiento en una red multi-salto al menos parcialmente inalambrica.

Tambien es un objeto especifico proporcionar un metodo y una disposici6n para determinaci6n de ruta basada en determinaci6n perfeccionada de coste de enlace en una red de ese tipo.

Otro objeto especifico consiste en proporcionar un metodo y una disposici6n para enrutamiento en base a la determinaci6n mejorada de coste de enlace.

Estos y otros objetos han sido alcanzados por la invenci6n segun se define mediante las reivindicaciones de patente que se que acomparan.

Los inventores han previsto un escenario de red multi-salto en el que los nodos estan equipados con avanzadas disposiciones multi-antena, y especialmente un escenario con una flora variada de nodos de reemisi6n y terminales de usuario final equipados con diferentes disposiciones de antena.

Los inventores han reconocido la ventaja de explorar la presencia de tales disposiciones avanzadas de antena en nodos de red multi-salto no solo para proporcionar una alta capacidad sobre los canales de desvanecimiento sino tambien con el prop6sito de determinar un coste de enlace para determinaci6n de ruta o enrutamiento en la red. Una idea basica de la invenci6n consiste por lo tanto en determinar el coste de enlace para un enlace inalambrico entre un par de nodos de la red basada en caracteristicas multi-canal entre los nodos, donde al menos uno de los nodos esta configurado para operar con multiples antenas con vistas aproporcionar multiples canales.

El coste de enlace se determina con preferencia en base al numero de antenas de transmisi6n y de antenas de recepci6n, respectivamente, proporcionando de ese modo de manera efectiva una metrica de enrutamiento habilitada multi-antena. De esa forma, la invenci6n estara capacitada para integrar con suavidad el uso de dimensionalidad diferente de canales multi-antena, manejar diversas propiedades de canal multi-antena, y soportar diversos esquemas de comunicaciones multi-antena. Los beneficios de todo esto pueden ser diferentes en cada caso, pero principalmente pueden ser atribuidos a diversidad, multiplexado espacial, o ganancia de conformaci6n de haz (esta ultima conocida como ganancia coherente o de directividad). Mas especificamente, la invenci6n permite, y utiliza, la dimensionalidad de canal incrementada ofrecida por esquemas basados en canales MlMO, MlSO y/o SlMO, posiblemente junto con esquemas SlSO convencionales para la determinaci6n de coste de enlace en una unica y misma red multi-salto.

Por ejemplo, el coste de enlace puede ser determinado como una funci6n de una matriz de canal de N x M dimensiones, donde N y M son el numero de antenas en el nodo de transmisi6n y en el nodo de recepci6n, respectivamente. Los numeros N y M, correspondientes al numero de antenas, abarcan efectivamente el vector o matriz de canal. Alternativamente, se puede utilizar una medici6n heuristica basada mas directamente en los valores de N y M.

Con preferencia, el coste de enlace se determina tambien en base al conocimiento del esquema de comunicaci6n de antena multiple utilizado entre los nodos. Esto puede realizarse, por ejemplo, determinando el coste de enlace de acuerdo con una funci6n que sea dependiente del esquema particular de comunicaci6n de antena multiple tal como MlMO basado en conformaci6n de haz adaptativo tradicional (BF) o en multiplexado espacial. De esta forma, la metrica de enlace no solo refleja el numero de antenas sino tambien que configuraci6n de antena o esquema se utiliza, proveyendo de ese modo el numero arbitrario de antenas tanto en el lado del transmisor como en el lado del receptor, asi como diferentes esquemas de antena avanzados. Si varios esquemas de comunicaci6n de antena multiple estan soportados entre dos nodos, se puede hacer una selecci6n de esquema para optimizar el rendimiento de la metrica utilizada para determinaci6n de ruta. Ademas, se pueden adoptar diferentes esquemas para diferentes enlaces dependiendo de las caracteristicas del canal y de la capacidad del nodo.

La metrica de enrutamiento puede tener por ejemplo forma de demora (es decir, ser dependiente de la velocidad), dimensi6n de energia o de potencia. Por ejemplo, el coste de enlace puede ser determinado como la inversa de la tasa media de enlace, donde la tasa media de enlace puede ser calculada en base a un valor esperado de una matriz de canal para una potencia de transmisi6n dada, o en base, al menos parcialmente, al numero de antenas de transmisi6n y de antenas de recepci6n y a la potencia de transmisi6n. En otro ejemplo, el coste de enlace se determina como la potencia minima de transmisi6n utilizada para una tasa de enlace fija por salto, donde la potencia minima de transmisi6n se determina en base a la matriz de canal, o al menos parcialmente en base al numero de antenas de transmisi6n y de antenas de recepci6n utilizadas y a la tasa de enlace fija.

En base a este nuevo tipo de coste de enlace habilitado multi-antena, se lleva a cabo la determinaci6n de ruta para seleccionar una trayectoria buena u 6ptima, y para enviar despues los datos del paquete desde un nodo dado hasta al menos un nodo contiguo por la trayectoria hasta un nodo de destino dado de acuerdo con la determinaci6n de ruta.

En la practica, la determinaci6n de ruta se lleva a cabo en base a la informaci6n de coste de enlace para un numero de enlaces inalambricos y/o enlaces alambricos en la red multi-salto al menos parcialmente inalambrica. La nueva determinaci6n de coste de enlace basada en caracteristicas multi-canal de la invenci6n, se emplea para determinar el coste de enlace para al menos parte de los enlaces inalambricos de la red. En una red multi-salto hibrida con ambos enlaces inalambricos y alambricos, los costes de enrutamiento para el punto de vista de extremo a extremo se determinan normalmente considerando las caracteristicas de ambas partes inalambrica y alambrica. Esto significa que el coste de enlace para enlaces alambricos ha de ser determinado de acuerdo con alguna metrica, o simplemente establecido en valores constantes o incluso en valores cero, dependiendo de la aplicaci6n. Debe entenderse tambien que el coste de enlace para algunos de los enlaces inalambricos puede ser determinado utilizando otros metodos, siempre que el coste de enlace para al menos un enlace inalambrico se determine de acuerdo con la invenci6n.

La invenci6n ofrece las siguientes ventajas:

ݹ Metrica de coste de enlace con soporte inherente para un numero arbitrario de antenas tanto en el lado del transmisor como en el lado del receptor, asi como para diferentes esquemas avanzados de antena.

ݹ lntegraci6n suave de esquemas de antenas multiples junto con esquemas SlSO tradicionales para determinar coste de enlace.

ݹ Selecci6n de ruta 6ptima

ݹ Rendimiento mas alto y demora, consumo de potencia y/o de energia reducidos en la red.

ݹ Soporte para canales correlacionados/sin correlacionar.

ݹ Soporte para canales de rango completo/rango degenerado.

ݹ Generalmente aplicable a cualquier protocolo de enrutamiento.

Otras ventajas ofrecidas por la invenci6n podran ser apreciadas con la lectura de la descripci6n que sigue de realizaciones de la invenci6n.

Breve descripci6n de los dibujos

La invenci6n, junto con otros objetos y ventajas de la misma, podra ser comprendida con referencia a la descripci6n que sigue tomada junto con los dibujos que se acomparan, en los que:

La Figura 1A es un diagrama esquematico que ilustra un ejemplo de arbol de enrutamiento convencional generado durante determinaci6n de ruta;

La Figura 1B es un diagrama esquematico que ilustra el envio de paquete entre un nodo fuente y un nodo de destino;

La Figura 2 es un diagrama esquematico que ilustra un ejemplo de una red multi-salto totalmente inalambrica con una mezcla de nodos con varias disposiciones de antena;

La Figura 3 es un diagrama esquematico que ilustra un ejemplo de red multi-salto parcialmente inalambrica con una mezcla de nodos con varias disposiciones de antena;

La Figura 4 es un diagrama de flujo esquematico de un metodo de enrutamiento de datos que incluye determinaci6n de coste de enlace y determinaci6n de ruta de acuerdo con una realizaci6n preferida de la invenci6n;

La Figura 5 es un diagrama esquematico que ilustra un ejemplo de selecci6n de trayectoria que incluye conmutaci6n de llamada en un escenario de estaci6n de base;

La Figura 6 es un diagrama esquematico de bloques de un nodo de red de acuerdo con una realizaci6n preferida de la invenci6n, y

La Figura 7 es un diagrama esquematico que ilustra un ejemplo computacional de un arbol de costes con nodos distribuidos por un area circular normalizada.

Descripci6n detallada de realizaciones de la invenci6n

A traves de los dibujos, los mismos caracteres de referencia van a ser usados para elementos correspondientes o similares.

Introducci6n

La invenci6n es aplicable en general a cualquier protocolo de enrutamiento, con independencia de la implementaci6n, incluyendo tanto algoritmos de enrutamiento distribuidos como centralizados, enrutamiento de salto-a-salto asi como enrutamiento de fuente, enrutamiento de enlace-estado, y enrutamiento de distancia-vector

(mencionado tambien a veces como basado en algoritmo de Bellman-Ford), enrutamiento pro-activo o reactivo, enrutamiento plano o jerarquico, enrutamiento de trayectoria simple y multi-trayectoria, asi como variaciones y combinaciones de los mismos.

Para mas informaci6n sobre tecnicas de enrutamiento, especialmente en redes ad hoc inalambricas, se puede hacer referencia a [2].

En enrutamiento fuente se supone normalmente que el nodo de extremo de fuente determina la ruta completa. Los nodos intermedios actuan entonces simplemente como unidades de almacenamiento y envio, enviando descuidadamente los paquetes al siguiente nodo por la trayectoria hasta el nodo de destino.

En enrutamiento de salto a salto, cada nodo determina y mantiene basicamente una tabla de enrutamiento con informaci6n, para cada uno de un numero de destinos, de un siguiente nodo de salto preferido. Cuando un nodo recibe un paquete, este envia el paquete hasta el siguiente nodo de salto en base a la informaci6n sobre el destino del paquete. El proceso de envio continua de nodo en nodo hasta que el paquete alcanza el destino.

Los nodos de red pasan informaci6n de enrutamiento y mantienen sus tablas de enrutamiento por medio de transferencia de varios mensajes de informaci6n de enrutamiento. La informaci6n de enrutamiento varia naturalmente dependiendo del esquema de enrutamiento particular utilizado.

Los esquemas de enrutamiento de salto a salto se clasifican normalmente en dos categorias principales, a saber algoritmos de enlace-estado y de distancia-vector. Los algoritmos de enlace-estado inundan generalmente de informaci6n todos los nodos (sin embargo, existen tambien soluciones que inundan solamente una parte de la red), pero cada nodo envia entonces solamente informaci6n que describe el estado de sus propios enlaces. Los algoritmos de distancia y vector por otra parte estan basados en el intercambio de informaci6n de costes de enrutamiento solamente entre nodos contiguos.

La manera en que se determinan y actualizan las tablas de enrutamiento puede diferir de un esquema de enrutamiento a otro. Sin embargo, un objetivo comun consiste normalmente en encontrar la trayectoria que sea 6ptima en algun sentido, segun se ha mencionado en la secci6n de antecedentes.

Para una mejor comprensi6n de la invenci6n, puede ser util proporcionar una breve visi6n general de un ejemplo de un tipo de algoritmo de enrutamiento utilizado habitualmente. Se debe entender, sin embargo, que la invenci6n no se limita a este ultimo.

Una alternativa clasica consiste en desplegar lo que se conoce como arbol multi-salto de trayectoria mas corta entre un nodo fuente y un nodo de destino, donde cada enlace esta caracterizado por un coste delta, y a cada nodo se ha asignado un coste acumulado para alcanzar el destino a lo largo de la trayectoria mas corta determinada. Se debe aclarar que la expresi6n "trayectoria mas corta" corresponde normalmente a una trayectoria de coste minimo, lo que pone de relieve que la trayectoria o ruta es una trayectoria que ofrece el coste minimo con respecto a alguna metrica de coste particular.

El algoritmo de trayectoria mas corta de Bellman-Ford sera utilizado como ejemplo de un algoritmo de trayectoria mas corta en lo que sigue, aunque el algoritmo de Dijkstra, o cualquier otro algoritmo de enrutamiento para esa materia, podria ser utilizado tambien. El algoritmo de Bellman-Ford ha jugado un papel central en redes cableadas tal como en lnternet, pero tambien tiene una importante funci6n en redes multi-salto inalambricas. En una implementaci6n comunmente preferida, el algoritmo de Bellman Ford proporciona una determinaci6n de trayectoria mas corta de una forma distribuida y "descoordinada" y garantiza convergencia dentro de un periodo de tiempo finito basada en el intercambio de informaci6n de coste de enrutamiento entre nodos contiguos.

Para el algoritmo de Bellman-Ford, el coste ci de un nodo Vi para cada destino d de un conjunto de destinos dados puede ser asi determinado por medio de la ecuaci6n distribuida de Bellman Ford:

Ci(d) = min{ΔCij + Cj(d)}, (3)∀j∈Ni

donde ∀j∈Mi es el indice contiguo de nodos contiguos pertenecientes al nodo Vi, cj es el coste para el Vj contiguo para alcanzar el destino dd y ΔCij es el coste para ir desde el nodo Vi hasta el Vj (es decir, el coste por salto, o el coste de enlace).

El numero de iteraciones puede estar entonces limitado a un numero entero, limitando con ello por el extremo superior el numero de saltos, por ejemplo a un maximo de dos saltos.

Segun se ha mencionado en lo que antecede, el algoritmo de Bellman-Ford se implementa facilmente de una manera distribuida. Se construye y se define un arbol multi-salto entre una fuente y un destino en una red multi-salto en base a la informaci6n de coste de enrutamiento distribuida en la red. En la practica, los nodos contiguos intercambian listas de enrutamiento. Cada lista de enrutamiento contiene multiples entradas, donde cada entrada especifica un nodo de destino, el coste de enrutamiento desde el nodo en cuesti6n hasta el de destino, asi como

tambien una indicaci6n de un nodo de salto siguiente. La lista de enrutamiento se envia tipicamente en un paquete, indicado a veces como paquete de Hola.

Un nodo que recibe una lista de enrutamiento, comprueba si alguna entrada ofrece una ruta que sea mas 6ptima que la indicada en la lista de los propios nodos. Con frecuencia, las fechas y horas o los numeros de secuencia estan incluidos conjuntamente en la entrada para asegurar que la nueva informaci6n de costes no es informaci6n de estado abrogada.

Para reducir la sobrecarga de una alternativa distribuida, es tambien una practica habitual limitar la propagaci6n de la informaci6n de coste de enrutamiento por toda la red. Por ejemplo, se puede permitir un numero maximo de saltos, solamente nodos dentro de una regi6n determinada, o solamente nodos bajo el control de una Estaci6n de Base (BS).

Conceptos basicos

Los inventores han previsto un escenario de red multi-salto en el que los nodos estan equipados con disposiciones multi-antena avanzadas, y especialmente un escenario con una flora diversa de nodos de demora y terminales de usuario final equipados con diferentes disposiciones de antena. La Figura 2 ilustra un ejemplo de una red multi-salto totalmente inalambrica con una mezcla de nodos con varias disposiciones de antena. Los nodos pueden tener un numero diferente de antenas y una separaci6n diferente entre antenas, y pueden utilizar diferentes esquemas de comunicaci6n multi-antena tal como conformaci6n de haz adaptativo convencional y multiplexar espacialmente comunicaci6n MlMO (Multiple Entrada Multiple Salida), MlSO (Multiple Entrada Unica Salida), SlMO (Unica Entrada Multiple Salida), y por supuesto el tradicional SlSO (Unica Entrada Unica Salida). La Figura 3 ilustra un ejemplo correspondiente, pero con enlaces alambricos entre algunos de los nodos, formando de ese modo una red multisalto parcialmente inalambrica con enlaces cableados asi como con varias disposiciones de antena avanzadas para comunicaci6n inalambrica. Por supuesto, la invenci6n es tambien aplicable a casos mas homogeneos de disposiciones multi-antena, tal como una red de conformaci6n de haz adaptativo o una red MlMO.

En este contexto, los inventores han reconocido la ventaja de explorar la presencia de disposiciones de antena avanzadas en redes multi-salto no solo para proporcionar una alta capacidad sobre canales de desvanecimiento sino tambien con el prop6sito de determinar coste de enlace para determinaci6n de ruta o enrutamiento en la red. Una idea basica de la invenci6n consiste por lo tanto en determinar el coste de enlace para un enlace inalambrico entre un par de nodos en la red basado en caracteristicas multi-canal entre los nodos, donde al menos uno de los nodos esta configurado para su operaci6n con multiples antenas para proporcionar multiples canales.

Soluciones avanzadas de antena tal como sistemas adaptativos de antena y sistemas MlMO (Entrada Multiple Salida Multiple) pueden ser utilizados para aumentar el comportamiento en capacidad del sistema utilizando multiples antenas de transmisi6n y/o de recepci6n. Por ejemplo, un sistema MlMO clasico esta normalmente basado en un nodo de transmisi6n con multiples (N) antenas de transmisi6n y un nodo de recepci6n con multiples (M) antenas de recepci6n. En forma de matriz, el modelo multi-canal correspondiente puede ser expresado como:

y = Hx + w, (4)

donde y es el vector de la seral recibida, H es una matriz de canal compleja de M por N, x es el vector de la seral transmitida, w es un vector de ruido blanco completo de M por 1. El modelo es valido para un enlace, pero puede ser ampliado para que incluya fuentes potenciales de interferencia. Sin embargo, en una primera aproximaci6n, en caso de fuentes de interferencia potenciales, estas pueden estar incluidas en el vector w adicionalmente al ruido. La matriz H de ganancia de canal complejo puede ser escrita como:

donde hij es una representaci6n compleja del canal entre la antena de transmisi6n j en el nodo de transmisi6n y la antena de recepci6n i en el nodo de recepci6n.

Las caracteristicas multi-canal entre el nodo de transmisi6n y el nodo de recepci6n pueden ser asi representadas por ejemplo mediante el numero N de antenas de transmisi6n y el numero M de antenas de recepci6n, las cuales definen en conjunto las dimensiones (N, M) de la matriz de canal. Otra opci6n consiste en considerar la matriz H de ganancia de canal complejo real en la determinaci6n de coste de enlace para determinaci6n de ruta. Con estos ejemplos, las caracteristicas multi-canal corresponden basicamente a caracteristicas de matriz de canal, que incluyen informaci6n sobre las dimensiones de la matriz y/o informaci6n mas detallada sobre el contenido de la matriz de canal, incluyendo tambien representaciones de valor propio de la matriz de canal.

Con el fin de proporcionar el comportamiento multi-canal, al menos uno de N y M debe ser mayor de 1, soportando de ese modo MlMO (Multiple Entrada Multiple Salida), MlSO (Multiple Entrada Unica Salida), SlMO (Unica Entrada Multiple Salida).

Con frecuencia, el termino MlMO se utiliza de dos maneras diferentes, para referirse a una propiedad de matriz de

5 un canal, y a un metodo de comunicaci6n. En la presente descripci6n, sin embargo, MlMO, MlSO, SlMO y SlSO se refieren normalmente al canal como tal, no al modo en que este se aprovecha. Dado un elemento de canal en un canal MlMO, MlSO o SlMO, se pueden considerar entonces sus propiedades basicas, por ejemplo si el elemento es estatico o variable. En general, nos referimos con frecuencia a canales variables debido a la movilidad de nodos de comunicaci6n. Dada la variabilidad, resulta con frecuencia adecuado modelizarla como una variable aleatoria. Un

10 aspecto interesante es la caracteristica de un canal MlMO, MlSO o SlMO, es decir si los elementos de canal estan correlacionados, no correlacionados o existe algo entre ellos. Una multitud de esquemas de antena multiple que operan sobre enlaces simples son bien conocidos en el estado de la tecnica. Estos difieren frecuentemente con respecto a si existe un conocimiento total o parcial de los elementos de canal (y posiblemente la interferencia) en el receptor, y si se conoce en ambos transmisor y receptor, o solamente en el receptor. Los metodos de comunicaci6n

15 de antena multiple que han sido desarrollados consideran este conocimiento conjuntamente con el conocimiento de si el canal es de tipo MlMO, MlSO o SlMO.

La lista que sigue debe ser vista como ejemplos de esquemas de comunicaci6n de antena avanzada bien conocidos, y por ello no es exhaustiva. Para los detalles sobre cada esquema, se puede considerar la literatura de investigaci6n de antena avanzada relevante y actual, vease por ejemplo [11].

Tipo de canal

Esquema Caracteristicas de elemento de canal preferido Tipo de Realimentaci6n Caracteristica adaptada Comentarios

MlSO

Diversidad de Alamouti Desvanecimiento sin correlacionar Ninguna Ninguna Codificaci6n de STC en TX Descodificaci6n de STC en RX

Diversidad de demora

Desvanecimiento sin correlacionar Ninguna Ninguna Codificaci6n de Divers. de demora en TX

BF adaptativa con realimentaci6n

Desvanecimiento sin correlacionar CSl Cargas complejas de antena de TX

BF adaptativa

Desvanecimiento Vector de fase Cargas de fase El vector de

(semi-)

correlacionado de canal de antena de TX fase de canal

tradicional con

es conocido.

realimentaci6n

Formaci6n de un frente de onda coherente

BF adaptativa

Ningun "Direcci6n" Cargas de fase Se aprovecha

tradicional

desvanecimiento correlacionado de antena de TX conocimiento de signatura de matriz. Formaci6n de un frente de onda coherente

SlMO

Combinaci6n de relaci6n maxima Desvanecimiento sin correlacionar Ninguna Cargas complejas de antena de RX

Combinaci6n de

Desvanecimiento Ninguna Cargas Optimizar

rechazo de

sin correlacionar complejas de SlNR, es decir

interferencia

antena de RX suprimir interferencia

MlMO

MlMO basado en SVD Desvanecimiento sin correlacionar CSl Cargas complejas de antena de TR y RX Ganancia de multiplexado espacial

Tipo de canal

Esquema Caracteristicas de elemento de canal preferido Tipo de Realimentaci6n Caracteristica adaptada Comentarios

OR de papel sucio obliga al cero. MlMO basado en descomposici6n

Desvanecimiento sin correlacionar CSl Cargas complejas de antena de TX y RX Ganancia de multiplexado espacial. Aprovecha codificaci6n no lineal en TX

BLAST

Desvanecimiento sin correlacionar Tasa Cargas complejas de antena de RX Ganancia de multiplexado espacial. Utiliza cancelaci6n de interferencia sucesiva en RX

MlMO basado en codificaci6n de espacio tiempo

Desvanecimiento sin correlacionar Ninguna Ninguna Ganancia de diversidad (la diversidad de Alamouti es un caso especial de esta)

Observese que, en alguna medida, se puede decir que en muchas tecnicas de multiplexado espacial, se tiene tambien una forma de conformaci6n de haz, aunque con multiples haces y con frecuencia variando rapidamente en base a la realizaci6n instantanea de H. Este tipo de conformaci6n de haz difiere de un tipo tradicional de conformaci6n de haz adaptativo en que la signatura de matriz no es por lo general explicitamente conocida, en vez de que el canal H sea con frecuencia conocido. Adicionalmente, en la conformaci6n de haz adaptativo tradicional, los elementos de antena estan generalmente posicionados unos cerca de otros (a menos que la distancia de coherencia), de tal modo que los elementos de canal estan totalmente correlacionados. Existe tambien sin embargo un tipo elaborado de conformaci6n de haz adaptativo tradicional, en el que se supone que los canales estan completamente correlacionados (debido a la colocaci6n de los elementos de antena dentro de la distancia de coherencia) y el canal entre el transmisor y el receptor resulta conocido para el transmisor. Este conocimiento del canal se utiliza entonces para apuntar un haz en una direcci6n deseada. Segun se ha expuesto en lo que antecede, dependiendo del esquema y de las propiedades del canal, se pueden conseguir varias ganancias diferentes.

Esquemas de flujo

La Figura 4 muestra un diagrama esquematico de flujo de un metodo para enrutar datos, que incluye diseminaci6n de informaci6n de costes de enrutamiento, determinaci6n de ruta, envio de paquete, asi como tambien determinaci6n de coste de enlace de acuerdo con una realizaci6n preferida de la invenci6n. Segun se ha indicado en lo que antecede, la invenci6n se basa en la determinaci6n de coste de enlace, para cada uno de un numero de enlaces en lo que se considera una red multi-salto, en base a caracteristicas multi-canal del enlace respectivo.

Esta caracteristica multi-canal puede ser determinada, por ejemplo, en base a estimaci6n explicita de matriz de canal (segun se indica en la etapa S1 opcional) y/o (tal y como se indica en la etapa S2 opcional) al numero de antenas de transmisi6n y de recepci6n o a otra informaci6n sobre las capacidades de procesamiento del sistema de antena de los nodos involucrados tal como el esquema de comunicaci6n de antena que se utiliza. La estimaci6n de matriz de canal de la etapa S1 puede ser ciega o estar basada en transmisiones piloto.

Una vez que se ha determinado alguna forma de caracteristica multi-canal, se calcula el coste de enlace de acuerdo con una funci6n de coste de enlace predeterminada basada en las caracteristicas multi-canal (etapa S3). La funci6n de coste de enlace puede depender tambien del esquema de comunicaci6n multi-antena (BF adaptativa tradicional, MlMO basado en multiplexado espacial, MlMO basado en codificaci6n de espacio y tiempo, y asi sucesivamente) que va a ser usado entre los nodos. Si estan soportados varios esquemas de comunicaci6n multi-antena, se puede realizar entonces una selecci6n de esquema para optimizar la metrica de de comportamiento utilizada para la determinaci6n de ruta.

Si se encuentran presentes enlaces alambricos en la red multi-salto considerada, se pueden determinar los costes de enlace correspondientes de acuerdo con alguna metrica predeterminada o ser dados como valores constantes, o incluso establecidos en cero.

Tambien es posible determinar el coste de enlace para algunos de los enlaces inalambricos utilizando otros metodos, siempre que el coste de enlace para al menos un enlace inalambrico se determine de acuerdo con la invenci6n.

La informaci6n de coste de enlace determinado se utiliza posteriormente junto con la informaci6n de coste de enrutamiento adicional (la cual puede variar dependiendo del protocolo de determinaci6n de ruta utilizado) para determinaci6n de ruta (etapa S4), determinando de ese modo trayectorias 6ptimas, o al menos apropiadas, para la informaci6n de enrutamiento entre diferentes nodos de red de la red.

En el proceso de envio (etapa S5), los paquetes son enviados desde la fuente hasta el destino a traves de un conjunto de nodos intermedios adecuados a lo largo de una trayectoria determinada durante la determinaci6n de ruta. En este proceso de envio, es recomendable utilizar el esquema de comunicaci6n multi-antena seleccionado con conocimiento del canal de actualizaci6n de los parametros de transmisi6n tales como las cargas de antena.

La invenci6n introduce de ese modo medios para tomar en consideraci6n esquemas de antena avanzados cuando se lleva a cabo determinaci6n de ruta en una red multi-salto. Mas especificamente, la invenci6n permite de ese modo una utilizaci6n incrementada de, y beneficiarse de, esquemas de antena avanzados en una red multi-salto. Esto se hace introduciendo nuevas metricas de enrutamiento habilitadas de antena avanzadas asi como mecanismos de seralizaci6n y operaci6n.

La invenci6n sugiere una metrica de enlace que refleja el numero de antenas y/o los canales (MlMO, MlSO, SlMO, SlSO) con configuraci6n de matriz de antena que se utilizan. Ademas, estos canales con configuraci6n de matriz de antena pueden aprovechar, dependiendo de las caracteristicas del canal, diferentes efectos para aumentar el rendimiento de la comunicaci6n. Esos efectos pueden ofrecer ganancia de conformaci6n de haz, ganancias de diversidad, y ganancia de multiplexado espacial o combinaciones de las mismas. Existen diferentes metodos que dependen de los canales con configuraci6n de matriz de antena y de las diferentes caracteristicas de canal.

Ejemplos ilustrativos de determinaci6n de coste de enlace

En lo que sigue, la invenci6n va a ser descrita con referencia a ejemplos ilustrativos de c6mo determinar el coste de enlace.

El coste de enlace puede ser una funci6n del numero N, M de antenas de transmisi6n y de recepci6n:

ΔCij = ƒ(N, M) (6)

El coste de enlace puede ser, alternativamente, una funci6n de al menos la matriz H de M veces el canal N (o una representaci6n de la misma) entre dos nodos, donde N y M son el numero de antenas de TX y de RX. El coste de enlace puede escribirse simplemente como:

ΔCij = ƒ(H) (7)

El coste de enlace puede usar tambien preferentemente parametros adicionales, tal como la relaci6n esperada (SlSO) de seral respecto a ruido (o la relaci6n de seral respecto a ruido mas interferencia) ρ, una relaci6n de enlace fija deseada. La metrica puede ser en forma de demora (es decir, dependiente de la velocidad), de dimensi6n de energia o de potencia.

Ejemp/os de metrica

En lo que sigue se presenta alguna realizaci6n ejemplar de la invenci6n. En primer lugar, aprovechamos una relaci6n de capacidad de enlace simple (vease la referencia [3]) con el prop6sito de una metrica de enrutamiento y a continuaci6n buscamos otras formas de metrica que tengan el denominador comun que tiene en cuenta la forma y las caracteristicas de la matriz de canal, H. Una suposici6n en esta realizaci6n ejemplar consiste en que MlMO multiplexado espacialmente esta soportado en todos los nodos. El MlMO multiplexado espacialmente puede estar basado, por ejemplo, en lo que se conoce como alternativa MlMO de Descomposici6n de Valor Singular (SVD), es decir, realizaci6n de SVD de la matriz de canal H. El resultado de una operaci6n de SVD es que la matriz de canal H puede ser descompuesta en tres matrices de acuerdo con H = U·S·VH, donde U y V son matrices unitarias, y S una matriz diagonal con los valores singulares en su diagonal. En MlMO basado en SVD, el que envia multiplica en primer lugar el vector x por V, y el que recibe multiplica las seral y recibida por UH. Efectivamente, la transmisi6n ocurrira por canales ortogonales con una ganancia dada por los valores singulares en S. El beneficio de esta alternativa consiste en que maneja dimensiones de canal y caracteristicas de canal arbitrarias.

La matriz de canal puede ser determinada por estimaci6n explicita de canal de acuerdo con metodos de calculo muy aceptados tales como los basados en calculos de Minimo Error Cuadratico Medio (MMSE) o de Maxima Probabilidad. La estimaci6n de matriz de canal se basa tipicamente en transmisiones piloto, aunque tambien es posible lo que se conoce como estimaci6n de canal ciego.

Tasa con potencia pi dada (fija): Como promedio, la tasa para un enlace desde un nodo Vi hasta Vj se determina en base principalmente al valor esperado de la matriz de canal Hij de dimensi6n (N, M), definido entre el nodo Vi y el nodo Vj de acuerdo con:

donde B es el ancho de banda (puede ser despreciado si se utiliza solamente un ancho de banda (BW) comun en la totalidad del sistema), E{...} es el valor esperado, Oet{...} es el determinante, Ii es la matriz de identidad de dimensi6n M por M, Pi es la potencia de transmisi6n del nodo Vi (que puede ser fija o determinada mediante algun otro mecanismo), σN2 es el nivel de ruido (en el nodo Vj), y H es el operador Hermitiano. Segun se ha indicado anteriormente, el termino σN2 podria incluir tambien potencialmente interferencia media, aparte del ruido del receptor.

El coste de enlace se define entonces en base a la inversa de la tasa media, por ejemplo:

ΔCij = 11 r ij . (9)

En principio, la metrica anterior podria ser calculada tambien suponiendo que se lleva a cabo el water-filling limitado en potencia de los propios canales con el fin de optimizar la capacidad del canal. Sin embargo, a SNR alta la diferencia con igual distribuci6n de potencia sobre los propios canales es despreciable.

Esto genera tambien con frecuencia que la capacidad instantanea del canal sea una metrica razonablemente buena, es decir, el valor esperado no necesite ser determinado, cuando la dimensi6n de Hij sea razonablemente grande.

Utilizando esta (nueva) medici6n, los nodos con diferentes configuraciones de antena, es decir con numeros arbitrarios de antenas y situaci6n arbitraria con canales correlacionados/no correlacionados pueden ser manejados desde las antenas (por ejemplo, MlMO, MlSO/SlMO basados en multiplexado espacial con canales sin correlacionar y BF, y BF adaptativa tradicional, estan inherentemente soportados).

Se pueden utilizar simplificaciones para determinar la metrica si la estadistica del canal es conocida. Por ejemplo, si los canales MlMO estan (se sabe que estan) sin correlacionar, una medici6n heuristica podria ser:

donde N y M son el numero de antenas de transmisi6n y de recepci6n, respectivamente. Se podria prever tambien una metrica heuristica mas exacta, que incluya por ejemplo la determinaci6n del rango real del canal (en vez del limite superior segun se ha supuesto en la presente memoria con el argumento max (Md M)).

Para la conformaci6n de haz adaptativo tradicional (que opera en el rango limitado de no-ElRP (Potencia Radiada lsotr6pica Efectiva)), una medici6n correspondiente podria ser definida como:

El numero de elementos de antena podria ser anunciado en un mensaje regular de Hola (junto con el mensaje de coste de enrutamiento).

Potencia con tasa Ri dada (fija): Otra medici6n de coste podria ser la ruta de minima potencia para tasa fija (o deseada) por salto. Segun se aprecia en (8), no resulta sencillo c6mo resolver la potencia. Esta podria ser formulada, sin embargo, resolviendo la potencia como el coste de enlace de acuerdo con:

(min)

pij = min {pi}, (12)

(Objetivo)r ij = r ij

donde la tasa en (8) es igual a un objetivo de tasa dado r ij(Objetivo), y (8) se resuelve con relaci6n a la potencia pi. Se utiliza entonces la metrica elegida en (12) junto con un algoritmo de enrutamiento de trayectoria mas corta. El coste de enlace se define entonces como la potencia por salto:

(min)

ΔCij = pij. (13)

Bajo la suposici6n de simplificaci6n utilizada en (10), la potencia puede ser resuelta explicitamente y determinada mediante:

⎛

( Objetivo )

rij (MIMO)

⎞⎟ ⎟ ⎟

σ N

NB

⋅

min(N,M )

−⋅

p

i

⎜ ⎜ ⎜⎝

=

⎠

max(N,M ) , (14)

Ademas, la invenci6n ofrece soluciones para manejar canales de rango diferente. Las caracteristicas de una matriz de canal o vector de canal pueden ser diferentes dependiendo del tipo de reflexiones que se produzcan. Por ejemplo, un canal de matriz H puede ser ortogonalizado con una descomposici6n de valor singular (SVD). Si la SVD 5 da como resultado solamente un valor singular significativo (y los otros son sustancialmente cero), entonces se dice que el canal se ha degenerado, dado que las filas en H son sustancialmente identicas. La matriz de canal tiene entonces un rango igual a uno. Este canal es adecuado para su uso en conformaci6n de haz adaptativo tradicional puesto que solamente un haz puede ser enviado y recibido. Tipicamente, las antenas de las matrices estan situadas realmente cerca, y existe esencialmente una trayectoria de seral. Sin embargo, si resultan multiples valores 10 singulares significativos, el canal no estara degenerado y puede ser usado para enviar multiples corrientes de datos sustancialmente no-interferentes en paralelo (los canales se indican con frecuencia como sub-canales MlMO o canales propios). Tipicamente, se experimenta lo que se denomina entorno de dispersi6n cuando esto ocurre, o existiran multiples trayectorias de seral entre las matrices del remitente y del receptor. La invenci6n, en particular cuando se utiliza la relaci6n de determinante junto con water-filling de canales propios, esta capacitada para manejar 15 tanto canales degenerados como no degenerados, es decir se supone un haz simple cuando es 6ptimo y se supone un MlMO espacialmente multiplexado con multiples haces cuando es 6ptimo. Ademas, las estadisticas de la matriz de canal puede diferir dependiendo de las condiciones de reflexi6n. Si se determina la matriz de co-varianza para H, es decir, RHH = E{H·HH}, y la matriz de co-varianza es una matriz diagonal o simplemente una matriz de identidad, entonces los canales no estan correlacionados. Sin embargo, si la matriz de co-varianza no es una matriz de

20 identidad, se puede hablar de canales correlacionados. La invenci6n, especialmente cuando se utiliza la relaci6n de determinante, esta capacitada para manejar tanto canales correlacionados como no correlacionados. De manera mas precisa, si los canales estan totalmente correlacionados, entonces el canal tiene un rango uno y solamente se puede utilizar un haz.

Mientras que las realizaciones que anteceden han sido capaces de seleccionar el esquema 6ptimo de comunicaci6n

25 bajo la suposici6n de que se encuentra disponible informaci6n de estado de canal (CSl) completa, es decir H, que se conoce tanto en el remitente como en el receptor, en la practica uno de ellos puede tener solamente informaci6n limitada en el transmisor, tal como la matriz de co-varianza RHH, la ganancia media de la trayectoria, o ninguna informaci6n en absoluto. En esta situaci6n, se puede tener que utilizar en cambio otros esquemas de comunicaci6n sub-6ptimos. Por ejemplo, si se usa un C6digo de Espacio Tiempo que consigue diversidad, los detalles de la

30 metrica cambian, por ejemplo la tasa/rendimiento promedio (inverso), o la potencia media, para conseguir una cierta calidad de comunicaci6n (tal como un nivel de probabilidad media predeterminado de recepci6n correcta).

Otros aspectos re/acionados con e/ coste

De manera similar al enrutamiento de minima potencia que antecede, se podria realizar tambien enrutamiento de minima energia. Se considera entonces una metrica de energia por salto que se minimiza mientras se toman en

35 consideraci6n las caracteristicas de matriz o vector del canal.

Aparte de los costes relacionados con el enlace, no se excluye que se puedan desarrollar metricas de coste mas avanzadas, donde cada nodo pueda aradir un factor de coste dependiendo de, por ejemplo, demora de espera (util en particular con la metrica de tasa inversa) y otros parametros de alguna importancia. Los parametros podrian depender tambien del nodo (o la zona) para hacer frente a las asimetrias.

40 Operaci6n en sistemas celulares

Aunque la invenci6n es particularmente adecuada para redes ad hoc, la invenci6n es tambien aplicable a, por ejemplo, multi-salto en un sistema celular. La operaci6n de redes multi-salto en un sistema celular tiene caracteristicas diferentes en comparaci6n con el enrutamiento tradicional en redes ad hoc. En primer lugar, se observa que el trafico fluye tipicamente hasta y desde puntos de acceso. En segundo lugar, se aprecia que el punto

45 de acceso puede tener mas potencia para transmitir. Esta asimetria refleja en si misma que el coste podria tomar esos aspectos en consideraci6n. La utilizaci6n del establecimiento de potencia dependiente del nodo en la metrica de coste de enlace como en (8) asegura el manejo de las asimetrias en alguna medida.

La Figura 5 ilustra un ejemplo de selecci6n de trayectoria que incluye conmutaci6n de llamada en un escenario de estaci6n de base en un sistema de comunicaci6n celular. El ejemplo de sistema simplificado ilustrado en la Figura 5 50 incluye una estaci6n m6vil (MS) capacitada para comunicar con dos estaciones de base (BS). Las estaciones de base estan conectadas a un punto de anclaje de movilidad tal como un controlador de red de radio (RNC) o un nodo de red similar. Se supone que al menos uno de los nodos involucrados tiene una disposici6n multi-antena para comunicaci6n multi-canal inalambrica. El coste para cada enlace MS-BS se determina en base a caracteristicas multi-canal entre la estaci6n m6vil y la respectiva estaci6n de base. Con preferencia, el coste de enlace para enlaces 55 normalmente cableados entre la estaci6n de base y el nodo de anclaje de movilidad se determina en base a la tasa de enlace o mediante asignaci6n de un coste de enlace C fijo, constante. En el ejemplo de la Figura 5, la selecci6n de trayectoria desde la estaci6n m6vil hasta el punto de anclaje de movilidad se traduce en una selecci6n entre las dos trayectorias multi-salto MS-BS1-RNC y MS-BS2-RNC. Normalmente, se selecciona la trayectoria con menos coste acumulado. En algun sentido, la selecci6n de trayectoria en una red celular de ese tipo puede incluir asi un procedimiento de conmutaci6n de llamada entre las estaciones de base. En otras palabras, la conmutaci6n de 5 llamada se basa en las caracteristicas multi-canal entre la estaci6n m6vil y la respectiva estaci6n de base, en la asignaci6n de un coste respectivo para cada enlace MS-BS segun se ha indicado en lo que antecede y en la selecci6n de una estaci6n de base apropiada para la comunicaci6n m6vil en base a los costes de enlace acumulados determinados a lo largo de la trayectoria respectiva. Adicionalmente, se pueden considerar tambien otros criterios tradicionales de conmutaci6n de llamada tales como recursos de carga/residuales libres, recursos de

10 potencia, etc., en la estaci6n de base. Ademas, tambien pueden estar incluidos mecanismos de histeresis para evitar lo que se conoce como efecto ping-pong, es decir una conmutaci6n rapida y demasiado sensible de ida y vuelta. El mecanismo de histeresis y otros criterios podrian ser tambien, por supuesto, utilizados en el caso mas general de multi-salto.

La expresi6n "enrutamiento" debe ser asi interpretada en un sentido general en el contexto de una "red multi-salto" 15 general que incluya al menos dos saltos, de los que al menos uno sea un salto inalambrico.

Aspectos de implementaci6n

En lo que sigue se va a describir un ejemplo ilustrativo de mecanismos posibles de seralizaci6n y operaci6n para determinar costes de enrutamiento en una red multi-salto, que soporta diferentes esquemas avanzados de antena. El ejemplo que sigue esta dirigido hacia operaci6n distribuida y enrutamiento proactivo1.

20 1 Las rutas se calculan continuamente e independientemente de la actividad del trafico.

Normalmente, cada nodo de la red anuncia, a intervalos regulares, capacidades del nodo. Esto es tipico para redes ad hoc y puede ser incluido en lo que se denomina con frecuencia mensajes de Beacons o de Hola. La informaci6n que puede ser transmitida de acuerdo con la invenci6n incluye:

-

Capacidad de procesamiento de seral de antena avanzada. Por ejemplo, informaci6n de si el nodo es MlMO25 habilitado de multiplexado espacial, habilitado de C6digo de Espacio Tiempo, o habilitado en diversidad de recepci6n.

-

Se anuncia informaci6n de coste de enrutamiento.

-

Si la determinaci6n de coste de enlace esta basada en estimaci6n de matriz de canal, se pueden enviar ventajosamente multiples pilotos que permitan caracterizaci6n de canales de matriz o de vector. Esto no tiene 30 que tener lugar al mismo tiempo que se envia el mensaje de Beacon.

-

Alternativamente, o como complemento, se puede transmitir informaci6n sobre el numero de antenas.

-

Tambien pueden ser potencialmente transmitidas otras caracteristicas de la matriz. Por ejemplo, indicaci6n de si los elementos de antena estan colocados apretadamente o espaciadamente (esencialmente decir si estan previstos para MlMO basado en multiplexado espacial o para conformaci6n de haz adaptativo tradicional), o

35 incluso si se utilizan multiples polarizaciones asi como si son de polarizaci6n circular o lineal. Opcionalmente, tambien la interferencia caracterizada en la estaci6n de envio de mensaje de Beacon/Hola puede ser enviada a otros nodos.

El nodo que recibe informaci6n a partir de los mensajes de Beacons/Hola:

-

Si se ha habilitado estimaci6n de matriz de canal, el nodo recibe uno o mas pilotos en sus una o mas ramas de 40 antena. El nodo realiza a continuaci6n estimaci6n de canal para determinar los canales de matriz o de vector (incluso canales SlSO cuando eso ocurra).

-

El nodo calcula metrica de enlace y determina costes de enrutamiento basados en estimaci6n de matriz de canal y/o informaci6n sobre el numero de antenas y potencialmente tambien en base a otras caracteristicas de la(s) matriz(ces) de antenas, tal como los esquemas de comunicaci6n de matriz de antena soportados.

45 -Potencialmente tambien, la interferencia caracterizada en la estaci6n de envio del mensaje de Beacon/Hola puede ser utilizada en la determinaci6n de coste de enlace.

-

El nodo realiza determinaci6n de ruta.

-

El nodo realiza envio de paquete de acuerdo con las rutas determinadas, cuando un paquete se encuentra disponible, y utiliza parametros de transmisi6n, tales como cargas de potencia y de antena de transmisi6n, 50 determinados a partir del proceso de determinaci6n de ruta, a partir de una o mas caracterizaciones de enlace

recientes, o a partir de una combinaci6n de los mismos.

La Figura 6 es un diagrama esquematico de bloques de un nodo de red de acuerdo con una realizaci6n preferida de la invenci6n. El nodo de red 100 comprende basicamente un m6dulo 10 de transmisi6n/recepci6n (TX/RX), un m6dulo 20 de informaci6n de enrutamiento, un m6dulo 30 de determinaci6n de coste de enlace, un m6dulo 40 de estimaci6n de canal, un m6dulo 50 de determinaci6n de ruta, y un m6dulo 60 de envio de paquete. El m6dulo 10 de transmisi6n/recepci6n puede estar configurado para operaci6n multi-antena con una matriz de antena que especifique las cargas de antena deseadas para MlMO/MlSO/SlMO, esquema de Codificaci6n de Espacio-Tiempo, u otros esquemas de antena avanzados. El m6dulo 10 de transmisi6n/recepci6n tiene tambien normalmente capacidades para modulaci6n/demodulaci6n y codificaci6n/descodificaci6n asi como capacidades de conversi6n de frecuencia si se precisa. La informaci6n sobre costes de enrutamiento y las capacidades de antena recibida desde otros nodos se transfiere desde el m6dulo 10 de TX/RX hasta el m6dulo 20 de informaci6n de enrutamiento, el cual mantiene informaci6n de coste multi-salto e informaci6n de capacidad de antena tal como el numero de antenas y opcionalmente tambien que esquema de comunicaci6n de antena se utiliza. El m6dulo 30 de determinaci6n de coste de enlace esta preferentemente configurado para determinar el coste de enlace como una funci6n de las caracteristicas multi-canal de un enlace entre dos nodos. Estas caracteristicas multi-canal pueden estar representadas por el numero de antenas del nodo 100 de red considerado y por el numero de antenas del nodo hom6logo, o representadas por una estimaci6n de la matriz de canal. El m6dulo 40 de estimaci6n de canal puede ser utilizado para estimaci6n de canal basada en serales piloto o incluso basada en "datos ordinarios" en lo que se llama estimaci6n de canal "ciego", y esta capacitado para manejar estimaci6n de canal de matriz, de vector y escalar, categorizando canales MlMO, MlSO, SlMO, e incluso SlSO. La informaci6n sobre la matriz de canal estimada es transferida al m6dulo de determinaci6n de coste de enlace para su uso en la determinaci6n del coste de enlace. El m6dulo 50 de determinaci6n de ruta recibe informaci6n sobre el coste de enlace determinado junto con informaci6n de coste multi-salto complementaria (dependiendo del algoritmo de enrutamiento utilizado) y lleva a cabo el procedimiento de determinaci6n de ruta requerido. El m6dulo 60 de envio de paquete es responsable de enviar paquetes adicionales por la red y por lo tanto transfiere datos de paquete recibidos, temporalmente almacenados en una memoria intermedia de recepci6n, a una memoria intermedia de transmisi6n para su planificaci6n y encapsulaci6n en nuevos paquetes para su transmisi6n a otros nodos de red. El m6dulo 60 de envio de paquete puede dar tambien instrucciones al m6dulo 10 de TX/RX sobre los parametros de transmisi6n que debe usar. Esos parametros pueden ser recibidos ya sea desde el m6dulo 50 de determinaci6n de ruta, o ya sea desde el m6dulo 40 de estimaci6n de canal (se utilizan estimaciones de canal para encontrar parametros de transmisi6n adecuados), para una mejor actualizaci6n de la informaci6n caracteristica del canal. Los paquetes que van a ser enviados (que ya poseen una direcci6n de destino), se preparan con al menos informaci6n de direcci6n (siguiente salto) de acuerdo con la informaci6n de enrutamiento almacenada en la tabla de enrutamiento. Naturalmente, el m6dulo 60 de envio de paquete puede transferir tambien datos del paquete a la memoria intermedia ademas de al nodo de red, por ejemplo para su uso en varias aplicaciones internas del nodo.

El envio de paquete tradicional, basado por ejemplo en el algoritmo de Bellman-Ford, es trivial en el sentido de que existe normalmente s6lo una opci6n de salto siguiente. Otros protocolos de envio, sin embargo, tal como lGRP de Cisco [4], Enrutamiento de Envio Aleatorio [5], Enrutamiento Oportuno [6, 7], Envio de Diversidad de Selecci6n [8], y Anycast [9], y el mas reciente de Envio de Diversidad Multi-usuario [10], habilita un nodo para que envie un paquete recibido a uno externo de diversos nodos opcionales. El proceso de envio incluye por lo tanto realizar una elecci6n no trivial entre un conjunto de nodos favorables. Estos esquemas son a veces indicados como Enrutamiento Basado en Decisi6n de Envio, FDBR, y es enrutamiento en su forma mas adaptativa, es decir, que toma una decisi6n adaptativa en cada caso de envio. Estos protocolos de envio mas avanzados pueden operar en base a informaci6n de coste procedente de un protocolo subyacente de determinaci6n de ruta/coste tal como un protocolo de trayectoria mas corta como el de Bellman-Ford. Esta operaci6n de envio, segun ha sido descrito en [6] - [10] es ventajosa cuando la calidad de comunicaci6n del enlace varia impredeciblemente debido al desvanecimiento de canales o a un nivel de interferencia impredeciblemente variable, mientras que [4] y [5] ofrecen algunas ventajas de distribuci6n de carga sobre multiples nodos y trayectorias.

En particular, los protocolos de reenvio de diversidad pueden operar incluso en base a un protocolo de determinaci6n de ruta que este mas adaptado al envio de diversidad. La determinaci6n de coste de enlace de acuerdo con la invenci6n puede ser usada tambien con gran ventaja en tales protocolos de determinaci6n de ruta adaptados.

Ejemplo computacional

La Figura 7 es un diagrama esquematico que ilustra un ejemplo computacional de un arbol de coste con nodos distribuidos a traves de un area circular normalizada. En este ejemplo particular, un destino dado ha sido representado en el centro del circulo, y se ha construido un arbol de coste a partir del nodo de destino. Esto corresponde al caso de enrutamiento proactivo. Se debe comprender no obstante que es posible construir el arbol de coste con otra forma redondeada, es decir saliendo desde la fuente - buscando un destino deseado, para lo que se conoce como enrutamiento reactivo. En los calculos del arbol de coste, se ha determinado el coste de enlace en base a la inversa de la tasa media con consideraci6n de las caracteristicas multi-canal. El arbol de coste se ha determinado en base a un algoritmo de trayectoria mas corta. Los nodos tienen un numero diferente de antenas comprendido en la gama de entre 1 y 10 (aleatorizado), y por simplicidad todos los nodos operan con una potencia de transmisi6n dada (la gama de transmisi6n ha sido indicada para el nodo superior). El diagrama de la Figura 7 muestra que el modelo propuesto por la invenci6n funciona, y que es capaz de manejar una mezcla compleja de un

numero diferente de antenas asi como tambien un tipo variable de canales, en particular los elementos de canal, parte de los canales SlMO, MlSO o MlMO asumidos en la Figura 7, han sido seleccionados aleatoriamente entre realizaciones correlacionadas y no correlacionadas.

Conclusiones finales

En resumen, las ventajas sobre la tecnica anterior consisten en que la invenci6n ofrece determinaci6n de ruta en una red multi-salto inalambrica con soporte inherente para un numero arbitrario de antenas en cada estaci6n de retransmisi6n (SlSO, SlMO, MlSO o MlMO), diferentes propiedades de los canales en terminos de correlaci6n/no correlaci6n, diferentes esquemas de antena multiple, adaptaci6n automatica entre diferentes modos de operar, y compatibilidad total de versiones anteriores con SlSO.

Las realizaciones descritas en lo que antecede se proporcionan unicamente como ejemplos, y se debe entender que la presente invenci6n no se limita a las mismas. Las modificaciones, cambios y mejoras adicionales que conserven los principios subyacentes basicos descritos y reivindicados en la presente memoria, estan dentro del alcance de la invenci6n segun se define mediante las reivindicaciones anexas.

Referencias

[1] US 2003/0161268 A1.

[2] X. Zou, B. Ramamurthy, S. Magliveras, "Tecnicas de Enrutamiento para Clasificaci6n y Comparaci6n de Redes lnalambricas Ad Hoc" Proc. de la Sexta Multiconferencia Mundial sobre Sistemica, Cibernetica e lnformatica - SCl, Julio 2002.

[3] P.F. Driessen, G. J. Foschini, "Sobre la f6rmula de capacidad para canales inalambricos de multiple entrada -multiple salida: Una interpretaci6n geometrica", lEEE Trans. Commun., vol. 47, pp. 173 -176, Febrero 1999.

[4] C.L. Hedrick Rutgers, "Cisco -Una introducci6n a lGPR", 22 de Agosto de 1991, http://www.cisco.com/warp/ public/103/5.html.

[5] R. Nelson, L. Kleinrock, "La capacidad especial de una red de radio por paquetes multi-salto ALOHA ranurada con captura", lEEE Transactions on Communications, 32, 6, pp. 684-694, 1984.

[6] WO 96/19887.

[7] WO 98/56140.

[8] US 2002/0051425 A1.

[9] S. Jain, Y Lv, S.R. Das, "Aprovechamiento de Diversidad de Trayectoria en la Capa de Enlace de Redes Ad Hoc lnalambricas", Technical Report, "lNGS Lab., Julio de 2003.

[10] US 2004/0233918 A1.

[11] l. Berenguer y X. Wang, "Codificaci6n de Espacio-Tiempo y Procesamiento de Seral para Comunicaciones MlMO - Un Cuaderno". Journal of Computer Science and Technology, 18(6), pp. 689-702, Noviembre de 2003.

Claims (22)

1. REIVINDICACIONES

   1.-Un metodo de determinaci6n de coste de enlace para enrutamiento en una red multi-salto al menos parcialmente inalambrica, comprendiendo dicho metodo las etapas de:

   -

   estimar (S1), para un enlace inalambrico entre un par de nodos de red donde al menos uno de los nodos esta configurado para operar con multiples antenas para proporcionar multiples canales, caracteristicas multicanal entre los nodos incluyendo un vector de ganancia de canal complejo o matriz H que tiene unas dimensiones N x M:

   donde hij es una representaci6n compleja del canal entre la antena de transmisi6n j en un primero de dichos nodos y la antena de recepci6n i en un segundo de dichos nodos, donde N es el numero de antenas de transmisi6n y M es el numero de antenas de recepci6n y al menos uno de entre N y M es mayor de 1; y caracterizado por la etapa de:

   -

   determinar (S3) coste de enlace para dicho enlace inalambrico como una funci6n de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H.

2. 2.-El metodo de la reivindicaci6n 1, en el que dicha funci6n para la determinaci6n de coste de enlace esta definida

   como 11r ij, donde r ij es la tasa media de enlace de dicho enlace inalambrico, la cual es una funci6n de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H.
3. 3.-El metodo de la reivindicaci6n 2, en el que la tasa media de enlace r ij se determina en base a un valor esperado de dicho vector de ganancia de canal completo o matriz H y a un valor dado de potencia de transmisi6n para la transmisi6n entre dichos nodos de red.
4. 4.-El metodo de la reivindicaci6n 1, en el que dicha funci6n para determinaci6n de coste de enlace se define como la potencia minima de transmisi6n para la transmisi6n entre dichos nodos de red, la cual es una funci6n de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H.
5. 5.-El metodo de la reivindicaci6n 4, en el que dicha funci6n para determinaci6n de coste de enlace se define como la potencia minima de transmisi6n, la cual se determina en base a dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H y a un valor dado de tasa de enlace para el enlace inalambrico entre dichos nodos de red como entrada.
6. 6.-El metodo de la reivindicaci6n 1, en el que dicha red es una red multi-salto totalmente inalambrica.
7. 7.-El metodo de la reivindicaci6n 1, en el que dicha red es una red multi-salto ad hoc.
8. 8.-El metodo de la reivindicaci6n 1, en el que dicho par de nodos de red incluye una estaci6n m6vil (MS) y una estaci6n de base (BS), y la conmutaci6n de llamada entre estaciones de base (BS1, BS2) en una red celular es una parte de dicho enrutamiento.
9. 9.-El metodo de la reivindicaci6n 2, en el que el coste de enlace se determina en base a la inversa de la tasa media de acuerdo con:

   ΔCij = 11r ij ,

   donde la tasa media para un enlace desde un nodo Vi hasta otro Vj se determina en base al vector de ganancia de canal complejo o matriz H, tambien mencionada como Hij de dimensi6n M x N, definida entre el nodo Vi y el nodo Vj de acuerdo con:

   donde B es el ancho de banda, el cual puede ser despreciado si solamente se utiliza un ancho de banda comun en el sistema global, E{...} es un valor esperado, Oet{...} es el determinante, Ii es la matriz de identidad de dimensi6n M por M, Pi es la potencia de transmisi6n del nodo Vj, σN2 es el nivel de ruido en el nodo Vj, y H es el operador Hermitiano.
10. 10.-Un metodo para determinaci6n de ruta en base a coste de enlace en una red multi-salto al menos parcialmente inalambrica, comprendiendo dicho metodo las etapas de:

    -

    determinar coste de enlace para un enlace inalambrico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17, y

    -

    realizar determinaci6n de ruta al menos parcialmente en base a dicho coste de enlace determinado.

11. 11.-Un metodo para enrutamiento de datos en base a coste de enlace en una red multi-salto al menos parcialmente inalambrica, comprendiendo dicho metodo las etapas de:

    -

    determinar coste de enlace para un enlace inalambrico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17;

    -

    realizar determinaci6n de ruta al menos parcialmente en base a dicho coste de enlace determinado, y

    -

    enviar datos desde un nodo dado hasta al menos un nodo contiguo por la trayectoria, hasta un nodo de destino de acuerdo con la citada determinaci6n de ruta.

12. 12.-Una disposici6n para determinaci6n de coste de enlace para enrutamiento en una red multi-salto al menos parcialmente inalambrica, comprendiendo dicha disposici6n:

    -

    medios (40) para estimar, para un enlace inalambrico entre un par de nodos de red donde al menos uno de los nodos esta configurado para operar con multiples antenas con el fin de proporcionar multiples canales, caracteristicas multi-canal entre los nodos incluyendo un vector de ganancia de canal complejo o matriz H que tiene dimensiones N x M:

    donde hij es una representaci6n compleja del canal entre la antena de transmisi6n j en un primero de dichos nodos y la antena de recepci6n i en un segundo de dichos nodos, donde N es el numero de antenas de transmisi6n y M es el numero de antenas de recepci6n y al menos uno de entre N y M es mayor de 1; y

    caracterizado por

    -

    medios (30) para determinaci6n de coste de enlace para dicho enlace inalambrico como una funci6n de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H.

13. 13.-La disposici6n de la reivindicaci6n 12, en la que dichos medios de determinaci6n (30) son operables para la

    determinaci6n de coste de enlace como 11r ij, donde r ij es la tasa media de enlace para dicho enlace inalambrico, la cual es una funci6n de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H.
14. 14.-La disposici6n de la reivindicaci6n 13, en la que dichos medios de determinaci6n (30) comprenden medios para determinar la tasa media de enlace en base a un valor esperado de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H y a un valor dado de potencia de transmisi6n para la transmisi6n entre dichos nodos de red.
15. 15.-La disposici6n de la reivindicaci6n 12, en la que dichos medios de determinaci6n (30) son operables para la determinaci6n de coste de enlace como una funci6n de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H, y dicha funci6n se define como potencia de transmisi6n minima para la transmisi6n entre dichos nodos de red, la cual es una funci6n de dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H.
16. 16.-La disposici6n de la reivindicaci6n 15, en la que dichos medios de determinaci6n (30) son operables para determinaci6n de coste de enlace como la potencia de transmisi6n minima determinada en base a dicho vector de ganancia de canal complejo o matriz H y a un valor dado de tasa de enlace para el enlace inalambrico entre dichos nodos de red como entrada.
17. 17.-La disposici6n de la reivindicaci6n 12, en la que dicha red es una red multi-salto totalmente inalambrica.
18. 18.-La disposici6n de la reivindicaci6n 12, en la que dicha red es una red multi-salto ad hoc.
19. 19.-La disposici6n de la reivindicaci6n 12, en la que dicho par de nodos de red incluye una estaci6n m6vil (MS) y una estaci6n de base (BS), y la conmutaci6n de llamada entre estaciones de base (BS1, BS2) en una red celular es parte de dicho enrutamiento.
20. 20.-La disposici6n de la reivindicaci6n 12, en la que dichos medios de determinaci6n (30) son operables para determinaci6n de coste de enlace en base a la inversa de la tasa media de acuerdo con:

    ΔCij = 11r ij ,

    donde la tasa media para un enlace desde el nodo Vi hasta el Vj se determina en base al vector de ganancia de canal complejo o matriz H, tambien mencionada como Hij de dimensi6n M x N, definida entre el nodo Vi y el nodo Vj de acuerdo con:

    donde B es el ancho de banda, el cual puede ser despreciado si solamente se utiliza un ancho de banda comun en el sistema global, E{...} es un valor esperado, Oet{...} es el determinante, Ii es la matriz de identidad de dimensi6n M 10 por M, Pi es la potencia de transmisi6n del nodo Vi, σN2 es el nivel de ruido en el nodo Vj, y H es el operador Hermitiano.
21. 21.-La disposici6n de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12-20, en la que dicha disposici6n se implementa en al menos un nodo de red (100) de la red multi-salto.
22. 22.-Una disposici6n para determinaci6n de ruta en base a coste de enlace en una red multi-salto al menos 15 parcialmente inalambrica, comprendiendo dicha disposici6n:

    -

    una disposici6n para determinaci6n de coste de enlace de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12-21, y

    -

    medios (50) para realizaci6n de determinaci6n de ruta basada al menos parcialmente en dicho coste de enlace determinado.

    20 23.-Una disposici6n para enrutamiento de datos en base a coste de enlace en una red multi-salto al menos parcialmente inalambrica, comprendiendo dicha disposici6n:

    -

    una disposici6n para determinaci6n de coste de enlace de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12-21; y

    -

    medios (50) para realizar determinaci6n de ruta basada al menos parcialmente en dicho coste de enlace 25 determinado, y

    -

    medios (60) para enviar datos desde un nodo dado hasta al menos un nodo contiguo por la trayectoria hasta un nodo de destino dado de acuerdo con dicha determinaci6n de ruta.