ES2640951T3 - Arquitectura de red ad hoc - Google Patents

Abstract

Pila de protocolos para red de tipo ad hoc que comprende unos módulos existentes de arquitecturas de tercera generación 3GPP, comprendiendo dicha pila de protocolos un plano de acceso a radio, un módulo de gestión de movilidad AHMM y un módulo de control de recursos de radio RRC, pudiendo organizarse dicha red de tipo ad hoc en varios grupos (80) o agrupaciones, correspondiendo un grupo a una reagrupación de los recursos (81) de radio para una zona de cobertura dada, la pila de protocolos está caracterizada porque incluye además dichos elementos siguientes: * un módulo (37) de enrutado RSN dispuesto entre el módulo (36) de gestión AHMM y el módulo (38) de control de recursos de radio, siendo gestionada una parte de la gestión de movilidad en el plano de acceso con el fin de gestionar unas transferencias o "handovers" entre los grupos, en el caso de una red organizada en grupos de usuarios o "agrupada", * el módulo RRC (38) gestiona las decisiones de "handover" y la gestión de los recursos de radio, * comprendiendo además dicha pila de protocolos, una capa L2RTP (41) adaptada para tratar la retransmisión regenerativa a nivel de radio a nivel de un paquete de datos, * un plano de seguridad (16) que permite aislar las funciones de seguridad.

Description

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una proximidad, los nodos son capaces de asumir varios papeles de los que se dan ejemplos en el presente documento a continuación.

Nodo miembro, es decir, un nodo ordinario cuya instancia de RRC puede ejecutarse en dos modos:

1 -en ausencia de un jefe de grupo en la vecindad: elección autónoma de los recursos de radio en colaboración con MAC (configuración en plano), 2 -el modo esclavo, es decir, el uso de los recursos de radio está sometido al jefe de grupo al que está asignado; el RRC implementa los mensajes de protocolo para unas solicitudes de recursos, unas recepciones de asignación y la ejecución.

Jefe de grupo: la instancia de RRC localizada en el jefe del grupo implementa el protocolo y el algoritmo para el control y la asignación de los recursos de radio a los otros nodos. Esto se adapta típicamente cuando la densidad de nodos aumenta.

Nodo pasarela: realiza la interfaz entre dos o más de dos grupos (y pertenece a estos grupos).

Nodo jefe de grupo y nodo pasarela: combinación de dos papeles. Esto significa la adopción de una estructura jerárquica y se adapta típicamente a los escenarios en los que un nodo se convierte en el punto de acceso centralizado de la red (ejemplo: ATH y NLI).

Cuando los nodos conmutan de un papel a otro, el RRC y el RSN se reconfiguran de manera dinámica con el fin de que los algoritmos y los protocolos se activen o inhiban en consecuencia. Se da un ejemplo en la figura 5.

Cuando un nodo se pone bajo tensión, tiene inicialmente un papel de nodo miembro básico, RRC, 53, está en modo autónomo y activa 60 la capa PHY para la detección de los vecinos. La capa PHY se configura por el RRC para reenviarle unas medidas asociadas a la detección de una señal por encima de un umbral dado. Si no se detecta nada, esto significa que los nodos vecinos potenciales transmiten con un nivel de potencia demasiado débil. A continuación, el RRC activa el envío de una señal 61 con una elevación en potencia progresiva (procedimiento de sondeo). El hecho de que la transmisión se realice con una rampa de señal debe ser visto como una alerta para los nodos vecinos potenciales, que significa que un participante o tercero busca alcanzarles. Pueden de ese modo aumentar su escalada de potencia de una manera tal que no puedan ser entendidos.

Cuando se detecta una señal vecina 62, el RRC configura 63 y activa la PHY, 52, el MAC 50 y el RLC 51 para una recepción de mensajes y de decodificación.

Un marcador en los mensajes recibidos indica el papel del emisor. Si el emisor es un jefe de grupo la instancia del RRC del nodo afiliado conmuta a un modo esclavo. Si no, permanece en el modo autónomo 65. El RRC indica su estado al RSN, 54. Este último caso se representa en la figura 6.

El RSN activa el protocolo OLSR 66 y configura su algoritmo en modo en plano no jerarquizado. De ese modo se activa el descubrimiento de los vecinos. Los mensajes Hello son reenviados desde PHY a RSN a través de MAC y RLC, en el plano de usuario mientras que las medidas son informadas desde las capas base al RRC en el plano de control. Se añaden unos mensajes suplementarios más conocidos bajo la expresión “message Branch” a los mensajes de control según unos procedimientos conocidos para el experto en la materia.

Cuando se alcanza “un número umbral de vecinos” 67 (el umbral se ha configurado por ejemplo por el OAM en el plano de gestión y el umbral ha establecido un tamaño mínimo de agrupación), esto significa que debería arrancarse por el RSN un procedimiento 68 para la creación de un grupo y la elección del jefe de grupo. Si el nodo está elegido, 69 entonces la instancia RRC se pone en un estado de control 70 y de ese modo se reconfigura con el protocolo y el algoritmo adaptados. Si no, la instancia de RRC está en el modo esclavo y se reconfigura para tratar los mensajes protocolarios para unas solicitudes de recursos, la recepción de la asignación, y la ejecución.

En los dos casos, se inicia un procedimiento de control de potencia en el RRC con el fin de limitar la potencia de Tx, es decir para limitar la cobertura a un umbral = “número máximo de vecinos”, este umbral máximo se ha configurado por el OAM en el plano de gestión y se ha establecido para el tamaño máximo de agrupación o grupo.

El procedimiento OLSR para actualizar el conocimiento de sus vecinos se realiza de manera continua. La PHY continúa informando de las medidas al RRC para unas señales nuevamente detectadas.

Para los accesos de tipo TDMA y/o OFDMA, unas agrupaciones adyacentes pueden o bien implementar la compartición de frecuencia (con una coordinación de recursos de radio) si el tráfico está limitado o, más frecuentemente, implementar un motivo de reutilización de frecuencia de al menos 3 frecuencias (mientras que el receptor implemente el escrutado o escaneado multi-portadora).

En los dos casos, cuando un nodo detecta que varios mensajes contienen un indicador o “flag” que indica que los emisores son unos jefes de grupo, esto significa que el nodo está al alcance o bajo cobertura de al menos dos grupos y de ese modo el nodo es un candidato para convertirse en nodo pasarela entre estos grupos. De ese modo, el algoritmo de reconfiguración de RSN debería operar de acuerdo con el algoritmo de selección OLSR MPR.

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La transición hacia un enrutado jerárquico, es decir, hacia la centralización de los flujos de tráfico en unos nodos específicos, puede realizarse de la misma manera con la limitación de que solo los nodos autorizados pueden jugar este papel, por ejemplo, unos nodos ATH o NLI. El retorno a los modos de agrupación no jerarquizados se efectúa según un método dedicado.

Con el fin de controlar las dinámicas de los grupos, se puede impedir que un nodo de gran movilidad (aeronáutico, por ejemplo) pueda asumir el papel de jefe de grupo CH (Cluster Head) o de pasarela GW. Este nodo no puede ser un MPR u OLSR. Esta prohibición se gestiona por la capa de protocolo RSN a través del marcador de protocolo que indica la naturaleza del nodo, por ejemplo, un vehículo, un portátil, un vehículo aeronáutico lento o rápido, ATH: At The Hait, NLI: Naval and Land Interworking. Un nodo aeronáutico reducidamente móvil tal como un dron, debido a las condiciones de propagación de sus enlaces de radio con sus terminales en el terreno, se selecciona automáticamente como un MPR por el OLSR, salvo si este nodo debe configurarse por la función de administración de red OAM como no elegible debido a unas restricciones operativas. De ese modo se convierte en un candidato natural al papel de pasarela GW entre las zonas.

Gestión de los esquemas de acceso múltiple

La pila de protocolos según la invención permite la activación de varios esquemas de acceso en función del escenario operacional implementado. Se desarrollará un ejemplo: considerando que los equipos móviles están limitados desde el punto de vista del consumo de potencia, de ganancia de antena y de velocidad. Por otro lado, los equipos ATH y NLI definidos anteriormente pueden beneficiarse de una ganancia de antena más elevada y soportar unas capacidades de comunicación ampliadas.

Un ejemplo típico de esquemas de acceso representado en la figura 7 es el siguiente:

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los equipos 81 móviles transmiten con una modulación híbrida TDMA/FDMA de simple portadora en unas condiciones de cobertura reducida. Un equipo móvil aislado y más alejado utiliza el escalonamiento para comunicar con una pasarela de grupo o Cluster Gateway, es decir, se aplica DS-CDMA por encima del esquema de acceso TDMA/SC-(O)FDMA.

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Los equipos ATH/NLI 82 comunican simultáneamente con varios equipos móviles. Para un segmento temporal dado TDMA, estos equipos son capaces de recibir varias portadoras FDMA que se han sincronizado en el lado del emisor móvil de manera que sean ortogonales en el receptor ATH/NLI (desde un punto de vista del equipo de radio ATH/NLI, la señal recibida es como un TDMA/OFDMA). De manera simétrica, el emisor ATH/NLI se acompasa en un TDMA/OFDMA hacia cada uno de los receptores TDMA/SC-(O)FDMA.

En los equipos móviles, el RRC implementa unos algoritmos para la gestión de los recursos de radio en los modos TDMA/SC-(O)FDMA. Cuando un equipo móvil pasa al modo ATH, el nodo pasa al modo jefe del grupo “cluster head” y al modo nodo pasarela “cluster gateway” y el RRC se reconfigura para activar el algoritmo de recursos multiportadora. En el sentido descendente, desde el nodo jefe de grupo ATH hacia los nodos miembros móviles, el RRC implementa la modulación OFDMA por asignación de una subportadora o de un grupo de subportadoras a unos nodos miembros OTM. En la dirección ascendente, el jefe de grupo recoge todas las señales de portadora simple de los nodos miembros móviles y las combina como una señal OFDMA; desde un punto de vista de los emisores nodos miembros, la señal es SC-OFDMA mientras que el receptor del nodo jefe del grupo ATH tiene una visibilidad sobre las subportadoras, es decir, OFDMA.

El RRC utiliza las primitivas CPHY_CONFIG_REQ y MAC_CONFIG_REQ del plano de control inter-capas para reconfigurar el MAC y la PHY. Ciertos equipos no conmutan desde un modo a otro (por ejemplo, un equipo naval), así su entidad RRC se configura en la inicialización (puesta en tensión) contrariamente a un terminal móvil equipado con una antena de ganancia ascendente sobre un mástil que puede conmutar desde un modo móvil al modo ATH y viceversa y para el que la arquitectura según la invención permite una reconfiguración dinámica.

Gestión de MIMO de múltiple entrada múltiple salida

La arquitectura según la invención es compatible con la implementación del procedimiento de múltiple entrada múltiple salida o MIMO para unos enlaces de radio individuales, así como para los enlaces múltiples cooperativos multiusuario MU-MIMO. Debido a la sincronización avanzada y a unas restricciones de control de potencia, el MIMO puede reservarse a los escenarios siguientes:

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cuando el jefe del grupo es estable y juega el papel de concentrador de tráfico como pasarela de grupo, es decir, escenario ATH y/o NLI,

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en las zonas de densidad elevada, para descargar unas pasarelas del grupo para equilibrado de carga.

El ejemplo práctico ilustrado en la figura 7 se refiere a unos terminales 81 portátiles móviles con una antena simple mientras que los nodos 82 ATH/NLI pueden estar equipados con redes de antenas, formando parte dichos equipos por ejemplo de la misma zona 80 o grupo. Cada entidad jefe de grupo RRC se configura con un algoritmo de decisión multi-usuario MIMO. Recibe periódicamente unas medidas de calidad de las capas base y también unos informes de medidas de los nodos

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miembros. Esta entidad centralizada RRC supervisa el control de potencia de los nodos miembros y posee así un conocimiento de la potencia realmente transmitida por los nodos miembros. Cuando detecta una degradación en la calidad recibida y una pérdida de potencia de los nodos miembros, puede decidir activar la función multi-usuario MIMO o MU-MIMO, es decir, poniendo en orden un conjunto de nodos miembros para transmitir una información de flujo sobre los recursos de radio. En el jefe del grupo, hay una coordinación entre el RSN y el RRC para esta configuración de transmisión. El jefe de grupo RRC configura sus capas RLC, MAC y PHY y transmiten los mensajes de señalización RRC a unos nodos miembros que están afectados, incluyendo el tiempo de conmutación a una transmisión cooperativa.

Aplicaciones diversas

La arquitectura según la invención encuentra principalmente su aplicación en los campos listados en el presente documento a continuación.

El movimiento: la red es una red ad hoc móvil multi-saltos. Gestiona una autoorganización de los equipos de los terminales de comunicación incluyendo unos servicios de velocidad elevada, tales como los teléfonos portátiles, etc.

En parada: la arquitectura puede utilizarse con unos terminales fijos o semifijos que actúan como un armazón (Backbone) de manera que se interrelacionan con una infraestructura logística, u otras redes en movimiento. Esto puede realizarse, por ejemplo, con un terminal móvil equipado con una antena de ganancia ascendente sobre un mástil, la forma de onda del terminal se configura a continuación para soportar la capacidad de comunicación extendida asociada con unos servicios (velocidad más elevada, cobertura extendida).

Interconexión marítima/naval y terrestre: la arquitectura según la invención está adaptada para gestionar las comunicaciones entre los terminales “marítimos” (equipos montados en unos barcos) y los terminales terrestres.

La arquitectura de radio según la invención presenta principalmente las siguientes ventajas:

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define unos conjuntos funcionales tan independientes entre sí como sea posible,

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se estructura en capas y módulos,

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soporta unas interfaces y API compatibles de varias formas de ondas (“legacy”, futuros, etc.), • organiza las optimizaciones inter-capas en un marco estructurado y limitando los intercambios inter-capas,

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es “abierta” y propone unas interfaces normalizadas,

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permite la interoperabilidad entre equipos multi-suministradores,

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permite la integración progresiva de nuevas tecnologías tanto en las capas base como en las capas altas,

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soporta la optimización de la calidad de servicio mediante cross layering,

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soporta un modo de transmisión adaptativo (reconfiguración dinámica y en línea en función de las condiciones de transmisión),

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soporta varias vías de radio,

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es compatible con diferentes tipos de acceso,

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integra el aspecto ad hoc (enrutado, auto configuración, etc.) tanto en modo en plano como el modo agrupado y jerarquizado,

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soporta un modo de gestión y supervisión de seguridad local o a distancia,

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es utilizable para diferentes gamas de productos terrestres, aeronáuticos o avales,

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tiene en cuenta unas grandes restricciones de seguridad,

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se integra en un entorno de radio digital,

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permite compartir a la vez las especificaciones y el desarrollo entre productos y gamas de productos y el saber hacer del oficio.

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