ES2839281T3 - Procedimiento para la corrección de frecuencia de un oscilador de un nodo sensor de una red de sensores inalámbrica - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la corrección de frecuencia de un oscilador (10) de un nodo sensor de una red de sensores con las etapas de procedimiento: - recibir una señal de emisión de un primer emisor con una modulación según el procedimiento de multiplexación por división de frecuencia ortogonal, OFDM; - determinar la desviación de frecuencia del oscilador (10), mediante la señal de emisión recibida; - determinar una señal de corrección para la corrección de la desviación de frecuencia del oscilador (10); - corregir la frecuencia del oscilador (10) con la señal de corrección; en donde el nodo sensor está conectado en comunicación a nodos sensores adicionales; caracterizado por que el nodo sensor desde otro nodo sensor recibe la información sobre el segundo emisor, empleado por el otro nodo sensor actualmente, para la corrección de frecuencia, y a continuación continúa la corrección de frecuencia con este emisor, cuando al quedar por debajo de la distancia de señal a interferencia o de la relación de símbolo/ruido se detecta un enmascaramiento del primer emisor.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la corrección de frecuencia de un oscilador de un nodo sensor de una red de sensores inalámbrica
La invención se refiere a un procedimiento para la corrección de frecuencia (sintonización) de los osciladores de referencia locales de nodos sensores de una red de nodos sensores.
Las redes de sensores inalámbrica son cada vez más importantes en la vida diaria. Con frecuencia, hoy en día se accede inalámbricamente a indicaciones de contador de contadores de gas y de agua mediante operadores de red. Asimismo, con frecuencia, las instalaciones en la producción o la logística están equipadas con sensores inalámbricos. Un sensor con una unidad de comunicación para la transferencia de los datos de sensor, y dado el caso, de otros datos, se denomina en la presente memoria nodo sensor. Una pluralidad de nodos sensores dentro de una zona determinada puede formar una red de sensores.
Para muchas aplicaciones es especialmente importante el conocimiento de la posición exacta de los nodos sensores. Con frecuencia las posiciones de los nodos sensores se determinan con ayuda de una red de receptores estacionarios, en donde un receptor así también puede ser componente de un nodo sensor de una red de sensores. Con distintos procedimientos de localización, como una medición de tiempo de propagación directa de señales entre varios receptores o una medición de tiempo de propagación diferencial de señales entre varios receptores, puede determinarse la posición exacta del nodo sensor que va a localizarse.
En tales procedimientos es especialmente importante facilitar informaciones de tiempo con alta precisión en cada nodo sensor de la red de sensores. Habitualmente cada nodo sensor contiene un oscilador de referencia local como reloj, desde cuya frecuencia se derivan las informaciones de tiempo necesarias para el funcionamiento del nodo sensor.
Un aspecto a la hora de facilitar informaciones de tiempo con alta precisión en cada nodo sensor de la red de sensores es la sintonización de los relojes locales de los nodos sensores. La sincronización garantiza que los relojes locales en cada nodo sensor funcionen con la misma frecuencia de reloj. La sintonización se denomina también sincronización de frecuencia.
Para muchos de los procedimientos de localización a modo de ejemplo ya es suficiente una relación de fase rígida de los osciladores de referencia de los nodos de sensor.
Otro aspecto a la hora de facilitar informaciones de tiempo con alta precisión en cada nodo sensor de la red de sensores es la sincronización de tiempo de los relojes locales de los nodos sensores. La sincronización de tiempo garantiza que los relojes locales en cada nodo sensor emitan en un momento dado el mismo valor de tiempo.
Se conoce el facilitar información de tiempo de alta precisión mediante el sistema GPS. Aunque con frecuencia no es suficiente la precisión que puede alcanzarse, y la aplicación no es posible en el entorno interior. Para el entorno interior existe actualmente solo la posibilidad de recurrir a distribuciones de reloj por cable, lo que sin embargo excluye muchas aplicaciones, en particular nodos sensores inalámbricos.
La publicación previa "Time and Frequency Synchronization of a Wireless Sensor Network with Signals of Opportunity (PTTI 2014 - Proceedings of the 2014 Precise Time and Time Interval Meeting) trata sobre la determinación y corrección del error de frecuencia del reloj local de un nodo sensor empleando las señales de un emisor DVB-T.
La presente invención se basa en el objetivo de indicar un procedimiento para la corrección de frecuencia del oscilador de referencia local de un nodo sensor.
El objetivo se consigue con el procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1. Las reivindicaciones adicionales indican configuraciones ventajosas del procedimiento de acuerdo con la invención.
El procedimiento de acuerdo con la invención se basa en el uso de las denominadas "Signals of Opportunity (señales de oportunidad) como referencia de frecuencia. Las señales de radio se denominan señales de oportunidad, que se irradian originalmente para otra finalidad y son adecuadas para una sincronización de frecuencia de un oscilador de referencia local con su frecuencia de emisión.
Como señal de oportunidad son adecuadas, por ejemplo, señales de televisión o de radio (DVB-T, DAB) o también señales de redes de comunicación (GSM, UMTS, LTE). Estas señales se irradian habitualmente dentro de una zona geográfica de varios emplazamientos diferentes con alta potencia de emisión y ancho de banda y pueden recibirse también en edificios sin comunicación visual con el emisor con una buena relación de señal-ruido. Además, estas señales presentan características ventajosas, como el acoplamiento a una frecuencia de referencia de exactitud alta, una estabilidad de frecuencia alta y secuencias de señal características, a partir de las cuales pueden obtenerse
informaciones para la compensación de frecuencia y fase de los osciladores de referencia locales de los nodos de sensor.
El procedimiento de acuerdo con la invención para la corrección de frecuencia de un oscilador de un nodo sensor de una red de sensores comprende las etapas de procedimiento:
- recibir una señal de emisión de un primer emisor con una modulación según el procedimiento de multiplexación por división de frecuencia hexagonal (OFDM);
- determinar la desviación de frecuencia del oscilador mediante la señal de emisión recibida;
- determinar una señal de corrección para la corrección de la desviación de frecuencia del oscilador;
- corregir la frecuencia del oscilador con la señal de corrección;
en donde el nodo de sensor está conectado en comunicación con otros nodos sensores; y el nodo sensor desde otro nodo sensor recibe la información sobre el segundo emisor empleado por el otro nodo sensor actualmente para la corrección de frecuencia y a continuación continúa la corrección de frecuencia con este emisor, cuando al quedar por debajo de la relación señal a interferencia o relación de símbolo/ruido se detecta un enmascaramiento del primer emisor.
En un perfeccionamiento del procedimiento, para determinar la desviación de frecuencia del oscilador se determina una desviación de frecuencia portadora de la señal de emisión recibida.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento, para determinar la desviación de frecuencia del oscilador se determina un error de frecuencia de muestreo de la señal de emisión recibida.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento el error de frecuencia de muestreo se corrige independientemente de la corrección desviación de frecuencia del oscilador.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento la determinación de la desviación de frecuencia se realiza mediante relaciones de fase de portadoras individuales recibidas de la señal de emisión.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento la determinación del error de frecuencia de muestreo se realiza mediante relaciones de fase de portadoras individuales recibidas de la señal de emisión.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento la determinación de la desviación de frecuencia se efectúa durante el periodo de la transmisión de un símbolo de emisión.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento la determinación de la desviación de frecuencia se efectúa durante el periodo de la transmisión de dos símbolos de emisión consecutivos.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento
- tras la recepción de la señal de emisión desde la señal de emisión recibida se determina la respuesta de impulso de canal del canal de transmisión;
- a partir de la respuesta de impulso de canal se determinan las señales de diferentes rutas de transmisión de la señal de emisión recibida; y
- la desviación de frecuencia del oscilador se determina mediante la señal de una ruta de transmisión.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento la desviación de frecuencia del oscilador se determina mediante señales de varias rutas de transmisión.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento se selecciona una señal para determinar la desviación de frecuencia del oscilador mediante su energía de señal, su calidad de señal o su relación temporal con respecto a otras señales de la respuesta de impulso de canal.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento se reciben las señales de emisión de varios emisores.
En un perfeccionamiento adicional del procedimiento la señal de emisión recibida contiene informaciones de tiempo y el oscilador se sincroniza en el tiempo mediante información de tiempo.
La invención se explica a continuación mediante ejemplos de realización. Los dibujos adjuntos representan:
Figura 1 un esquema funcional de bloque de entrada de un receptor para la recepción de señales moduladas OF-DM para un nodo sensor;
Figura 2 el muestreo erróneo de las portadoras individuales de una señal OFDM que resulta de un desplazamiento de frecuencia portadora;
Figura 3 el muestreo erróneo de las portadoras individuales de una señal OF-DM que resulta del error de frecuencia de muestreo;
Figura 4 la influencia de desplazamiento de frecuencia portadora y error de frecuencia de muestreo en las fases de las portadoras individuales de una señal OFDM;
Figura 5 un receptor OFDM;
Figura 6A un ejemplo de realización de un receptor OFDM con dispositivo de regulación para la corrección de la frecuencia de oscilador;
Figura 6B un ejemplo de realización adicional de un receptor OFDM con dispositivo de regulación para la corrección de la frecuencia de oscilador;
Figura 7 la influencia de la desviación del error de frecuencia de muestreo (SCO) en la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora (CFO);
Figura 8 la representación de una respuesta de impulso de canal en la recepción por múltiples trayectos;
Figura 9 la dependencia en el tiempo de un pico en la respuesta de impulso de canal dependiendo del error de frecuencia de muestreo (SCO);
Figura 10 la representación de una respuesta de impulso de canal en la recepción por múltiples trayectos para dos emisores en una red de frecuencia única (SFN).
Para muchos procedimientos de la localización de nodos sensores es necesaria una sincronización de los osciladores de referencia locales de los nodos sensores individuales. En la sincronización debe diferenciarse entre la sincronización de frecuencia y la sincronización de tiempo. La sincronización de frecuencia persigue el objetivo, de sincronizar la frecuencia de los osciladores de referencia locales de los nodos sensores individuales o constatar la desviación hacia una frecuencia de referencia externa. Por sincronización en el tiempo ha de entenderse la compensación de las diferentes horas locales de los nodos sensores individuales a un tiempo de referencia externo. La sincronización de frecuencia de los osciladores de referencia locales de varios nodos sensores mediante señales de oportunidad se basa en el conocimiento de que las señales de radiodifusión y señales de telefonía móvil utilizadas como señal de oportunidad, se generan habitualmente con respecto a una frecuencia de referencia muy exacta (OCXO, estándar de frecuencia de rubidio o similar) y con ello forman una referencia de frecuencia de alta precisión. La meta de la sincronización de frecuencia es ahora determinar y corregir la desviación entre la frecuencia de referencia local imprecisa de los nodos sensores y la frecuencia de referencia muy exacta de la SoO seleccionada, al obtenerse desde la SoO señales de corrección, que mediante regulación analógica o digital o también formas combinadas de esta corrigen la frecuencia del oscilador de referencia local del nodo sensor.
Para la sincronización de frecuencia de sus osciladores de referencia locales los nodos sensores disponen de un canal de recepción, que puede recibir la señal de oportunidad seleccionada total o parcialmente. El oscilador de este canal de recepción forma al mismo tiempo el oscilador de referencia local del nodo sensor. Además, es ventajoso una conexión de datos inalámbrica adicional (por ejemplo, W-LAN) entre los nodos sensores individuales, para poder intercambiar datos entre los nodos sensores. Para ello, el nodo de sensor puede presentar una unidad de emisión y una unidad de recepción para la conexión de datos, así como una unidad de recepción individual para la señal de oportunidad que va a recibirse, que emplean un oscilador de referencia local común.
Como alternativa el nodo de sensor puede presentar también solo una unidad de recepción, que se conmuta de manera alterna entre la recepción de datos y la recepción de la señal de oportunidad.
Como alternativa el nodo de sensor puede presentar también solo una unidad de recepción, que está configurada para la recepción de datos simultánea y la recepción de la señal de oportunidad.
A continuación, se describe la sincronización de frecuencia mediante señales de oportunidad, que están moduladas según el procedimiento de multiplexación por división de frecuencia hexagonal (OFDm ).
Una señal OFDM modulada consta de una pluralidad de portadoras individuales de banda estrecha con separación de frecuencia constante. Los datos digitales que van a transmitirse se modulan hacia las portadoras individuales con un procedimiento de modulación como modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) o modulación de amplitud de cuadratura con 16 o 64 símbolos (16-QAM o 64-QAM). Determinadas portadoras individuales se modulan a este respecto con una secuencia de símbolo conocida, predeterminada. La secuencia de símbolo correspondiente se denomina también señal piloto. En la sucesión temporal de la señal de emisión la señal piloto se transmite continuamente a una parte de las portadoras individuales. Estas portadoras individuales se denominan también portadoras piloto. Adicionalmente portadoras individuales adicionales en tiempos determinados, en lugar de los datos útiles, pueden transmitir la señal piloto. Mediante una correlación de la señal recibida con secuencias de símbolo conocidas de las señales piloto puede determinarse la posición de fase y de frecuencia de las portadoras individuales que transmiten una señal piloto.
Los receptores para señales moduladas OFDM determinan la frecuencia de portadora de la señal OFDM o las frecuencias de portadoras de las portadoras individuales, así como la frecuencia de muestreo para el muestreo de la señal con respecto a una frecuencia de referencia local, que se genera por un oscilador.
La figura 1 muestra un esquema funcional del bloque de entrada de un receptor para la recepción de señales moduladas OFDM para un nodo sensor.
El receptor mostrado a modo de ejemplo está realizado como receptor de mezcla directa. Un oscilador 10 genera la frecuencia de referencia fREF local. La frecuencia de referencia fREF local se alimenta a un bucle de regulación de fase
(PLL) 20. EL PLL 20, con la frecuencia de referencia fREF local como referencia, genera una frecuencia correspondiente a la frecuencia portadora de la señal de recepción, que se alimenta al mezclador 30. La señal de entrada recibida por una antena 40 se alimenta igualmente al mezclador 30. La señal de salida del mezclador corresponde a la señal de emisión antes de la conversión a la frecuencia de portadora. A continuación, la señal de salida del mezclador se alimenta a un convertidor analógico/digital 50. La frecuencia de muestreo del convertidor analógico/digital se obtiene asimismo de la frecuencia de referencia local fREF. La señal de salida del convertidor analógico/digital 50 se aplica en la salida A. A través de la entrada B puede alimentarse al oscilador 10 una primera señal de corrección para la corrección de la frecuencia de referencia fREF local. A través de la entrada C el PLL 20 puede alimentar una segunda señal de corrección para la corrección de la frecuencia portadora generada por el PLL 20. En la salida D está disponible la frecuencia de referencia fREF local (dado el caso corregida) para el uso en grupos constructivos adicionales del nodo sensor.
Desviaciones de frecuencia de la frecuencia de referencia local del receptor en comparación con la frecuencia de referencia del emisor producen una desviación de frecuencia portadora, que en lo sucesivo se denomina desplazamiento de frecuencia portadora (Carrier Frequency Offset, CFO) y/o un error de frecuencia de muestreo (Sampling Clock Offset, SCO) de la señal recibida.
Un desplazamiento de frecuencia portadora se expresa ya en la salida del mezclador en la gama de frecuencias en un desfase de frecuencias constante de todas las portadoras individuales en comparación con su frecuencia nominal respectiva. El desplazamiento de frecuencia portadora lleva a que, en la conversión analógica/digital siguiente, todas las portadoras individuales se someten a muestreo del mismo modo fuera de su máximo y con ello se pierde la ortogonalidad de las portadoras individuales. Esto está representado simbólicamente en la figura 2. La figura 2 muestra a modo de ejemplo cinco portadoras individuales de una señal OFDM. El eje x de la figura 2 muestra la frecuencia de la señal OFDM normalizada a la frecuencia media de la señal OFDM con un ajusta a escala de acuerdo con la distancia nominal de las portadoras individuales. El eje y de la figura 2 representa una amplitud normalizada de las portadoras individuales. Las curvas representadas en la figura 2 representan las portadoras individuales de la señal OFDM. Las líneas discontinuas verticales en la figura 2 muestran el muestreo resultante del desplazamiento de frecuencia portadora fuera del máximo de las portadoras individuales, mientras que las flechas horizontales simbolizan el desplazamiento del muestreo. La consecuencia es una interferencia entre símbolos no deseada entre los símbolos modulados en distintas portadoras individuales.
En el caso de dos símbolos consecutivos en el tiempo un desplazamiento de frecuencia portadora provoca un desplazamiento constante de la fase de cada portadora individual.
Un error de frecuencia de muestreo se expresa en la gama de la frecuencia de un desfase linealmente ascendente o descendente con la frecuencia del momento de muestreo de las portadoras individuales. Esto está representado simbólicamente en la figura 3. La figura 3 muestra igualmente a modo de ejemplo cinco portadoras individuales de una señal OFDM. El eje x de la figura 3 muestra la frecuencia de la señal OFDM normalizada a la frecuencia media de la señal OFDM con un ajusta a escala de acuerdo con la distancia nominal de las portadoras individuales. El eje y de la figura 3 representa una amplitud normalizada de las portadoras individuales. Las curvas representadas en la figura 3 representan las portadoras individuales de la señal OFDM. Las líneas discontinuas verticales en la figura 3 muestran el muestreo de las portadoras individuales resultante del error de frecuencia de muestreo, mientras que las flechas horizontales simbolizan el desplazamiento del muestreo. A esto le sigue como está representado en la figura 4, una fase linealmente ascendente o descendente de portadoras individuales contiguas. El eje x de la figura 4 muestra la frecuencia de la señal OFDM normalizada a la frecuencia media de la señal OFDM, simbolizando las flechas verticales las portadoras individuales. El eje y de la figura 4 muestra la posición de fase de las portadoras individuales. Sin desplazamiento de frecuencia de muestreo las portadoras individuales presentarían la misma posición de fase, tal como se representa mediante la línea horizontal señalada con CFO. El desplazamiento de frecuencia portadora provoca un desplazamiento de las capas de fase de todas las portadoras individuales en el eje y.
A partir de las variaciones de fase de las portadoras individuales entre sí descritas anteriormente, provocadas por el desplazamiento de frecuencia portadora y/o el error de frecuencia de muestreo o de las portadoras individuales de dos símbolos consecutivos puede derivarse una señal de corrección, para corregir la frecuencia de referencia local del receptor.
Esto puede suceder por ejemplo mediante un dispositivo de regulación conocido por el estado de la técnica, tal como se representa en la figura 5. El dispositivo de regulación 60 representado en la figura 5 para el bloque de entrada representado en la figura 1 de un receptor para la recepción de señales moduladas OFDM pone en práctica un logaritmo, en el que el error de frecuencia de muestreo se corrige antes de la determinación de una señal de corrección para la corrección desplazamiento de frecuencia portadora en el dispositivo de regulación 60. Para ello, el dispositivo de regulación 60 recibe la señal de salida de la salida A del convertidor analógico/digital 50 del bloque de entrada del receptor descrito anteriormente con respecto a la figura 1 y este alimenta a un re-muestreador 61 (conversor de frecuencia de muestreo), que puede efectuar adaptaciones de frecuencia de muestreo muy pequeñas, para corregir el error de frecuencia de muestreo. La señal del re-muestreador 61 se alimenta a una FFT 62, cuyas señales de salida se entregan a un estimador 63. El estimador 63 estima y corrige el error de frecuencia de muestreo, al alimentarse a través de un filtro de bucle 64 al re-muestreador 61 una señal de corrección para la adaptación de la adaptación de frecuencia de muestreo. Tras la corrección del error de frecuencia de muestreo el
estimador (63) determina una señal de corrección, que a través de la entrada B se alimenta al oscilador para la corrección de la frecuencia de oscilador.
A este respecto es desventajosa la alta complejidad del dispositivo de regulación, en particular del re-muestreador, que requieren un gasto de conexión elevado y una potencia de cómputo elevada en el procesamiento y con ello no son adecuados para la utilización en nodos sensores con potencia de cómputo limitada.
Los esquemas básicos de los dispositivos de regulación de acuerdo con la invención están representados en la figura 6A y figura 6B.
El dispositivo de regulación 70 representado en la figura 6A recibe la señal de salida desde la salida A del convertidor analógico/digital 50 del bloque de entrada anteriormente descrito del receptor y está configurado para emitir una primera señal de corrección a la entrada B del bloque de entrada del receptor. La primera señal de corrección influye en la frecuencia de referencia local del oscilador 10 del receptor y con ello directamente en el desplazamiento de frecuencia portadora y el error de frecuencia de muestreo del receptor OFDM. Una sincronización de frecuencia del oscilador 10 con la frecuencia de la señal recibida de oportunidad se alcanza entonces cuando el desplazamiento de frecuencia portadora y el error de frecuencia de muestreo se compensan mediante la primera señal de corrección.
Este dispositivo de regulación puede emplearse ventajosamente, cuando en la creación de una señal de oportunidad modulada OFDM para la generación del reloj de muestreo y la generación de la frecuencia portadora se ha empleado la misma frecuencia de referencia.
El dispositivo de regulación 70' representado en la figura 6B recibe la señal de salida desde la salida A del convertidor analógico/digital 50 del bloque de entrada anteriormente descrito del receptor y está configurado para emitir una primera señal de corrección a la entrada B del bloque de entrada del receptor y emitir una segunda señal de corrección a la entrada C del bloque de entrada del receptor. Como ya se ha descrito, la primera señal de corrección influye en la frecuencia de referencia local del oscilador 10 del receptor, mientras que la segunda señal de corrección influye en la frecuencia portadora generada por el PLL 20. Mediante una selección correspondiente de la primera y segunda señal de corrección se permite sincronizar la frecuencia de referencia local del oscilador del receptor con la frecuencia de la señal de oportunidad y al mismo tiempo influir en el desplazamiento de frecuencia portadora y en el error de frecuencia de muestreo del receptor de manera independiente. Una sincronización de frecuencia del oscilador 10 con la frecuencia de la señal recibida de oportunidad se alcanza entonces cuando el desplazamiento de frecuencia portadora se compensa mediante la primera y la segunda señal de corrección.
Este dispositivo de regulación puede emplearse ventajosamente, cuando en la creación de una señal de oportunidad modulada OFDM para la generación del reloj de muestreo y la generación de la frecuencia portadora se emplean diferentes frecuencias de referencia.
Preferentemente los dispositivos de regulación 70 y 70' funcionan de manera iterativa y procesan al menos uno o también varios símbolos OFDM consecutivos. Para ello, los dispositivos de regulación contienen una memoria tampón 71 para el almacenamiento intermedio de la corriente de datos digital del convertidor analógico/digital 50. Los dispositivos de regulación contienen además dispositivos 72 para determinar las fases y/o las relaciones de fase de las portadoras individuales de uno o varios símbolos y dispositivos 73 consecutivos para la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora que resulta de estos y/o del error de frecuencia de muestreo. A partir del desplazamiento de frecuencia portadora y/o el error de frecuencia de muestreo s determinan la primera, y dado el caso, la segunda señal de corrección.
Los desplazamientos de fase provocados mediante desplazamiento de frecuencia portadora y error de frecuencia de muestreo pueden determinarse, por ejemplo, para las portadoras piloto transmitidas continuamente mediante una correlación de la señal recibida con la secuencia de símbolo conocida de las portadoras piloto. Una posibilidad adicional es una correlación de símbolos OFDM actualmente recibidos con los símbolos OFDM recibidos previamente a una etapa de símbolo. A este respecto puede determinarse una diferencia de fase por ejemplo como diferencia de las fases de dos símbolos consecutivos.
Esto ofrece una exactitud mejorada, dado que en este sentido se consideran todas las portadoras individuales al mismo tiempo. La determinación de desplazamiento de frecuencia portadora y errores de frecuencia de muestreo puede realizarse en ambos casos mediante procedimientos de estimación conocidos.
Una mejora adicional de la exactitud de la determinación de desplazamiento de frecuencia portadora y errores de frecuencia de muestreo puede conseguirse al demodularse la señal recibida y al modularse de nuevo utilizando la frecuencia de referencia local según el mismo procedimiento que la señal de emisión. La copia obtenida de este modo de la señal de emisión se compara con la señal recibida, para determinar desviaciones de la posición de fase de las portadoras individuales.
El dispositivo de regulación según la figura 6A está configurado en una forma de realización, para determinar la primera señal de corrección a partir del desplazamiento de frecuencia de muestreo estimado. En una forma de realización adicional el dispositivo de regulación está configurado según la figura 6A, para determinar la primera señal de corrección a partir del error de frecuencia de muestreo estimado. En una forma de realización adicional el dispositivo de regulación está configurado según la figura 6A, para determinar la primera señal de corrección a partir
de la combinación de desplazamiento de frecuencia portadora estimado y error de frecuencia de muestreo estimado. De manera análoga el dispositivo de regulación está configurado según la figura 6B, para averiguar valores de estimación para desplazamiento de frecuencia portadora y/o el error de frecuencia de muestreo del receptor, de terminar a partir de estos la primera señal de corrección y la segunda señal de corrección de modo que se influye en o el desplazamiento de frecuencia portadora o el error de frecuencia de muestreo del receptor o en ambos. figura 7 muestra resultados de simulación para la influencia de la desviación del error de frecuencia de muestreo en la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora. En el eje X están representadas la relación de símbolo/ruido Es/Nü en dB y en el eje Y la desviación estándar de la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora (CFO) en Hz para errores de frecuencia de muestreo (SCO) de ü, 1, 10, 2ü, 50 y 100 ppm. Puede distinguirse que la desviación estándar de la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora (CFO) en Hz aumenta sucesivamente para los errores de frecuencia de muestreo (SCO) representados de 0, 1, 10, 20, 50 y 100 ppm.
Para valores inferiores a 10 dB Es/N0 una reducción del error de frecuencia de muestreo (SCO) no provoca ninguna mejora significativa de los resultados de la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora (CFO).
Puede distinguirse que para una relación de recepción realista de error de frecuencia de muestreo (SCO) 20 dB Es/N0 de menos de 50 ppm apenas se ven perjudicados los resultados de la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora (CFO).
El dispositivo de regulación 70' según la figura 6B puede estar configurado por consiguiente en una forma de realización, para efectuar la corrección de desplazamiento de frecuencia portadora y de los errores de frecuencia de muestreo dependiendo de la relación de símbolo/ruido Es/N0. Además, el dispositivo de regulación 70' puede estar configurado para corregir para valores de Es/N0 por debajo de un valor umbral predeterminado solo el desplazamiento de frecuencia portadora del receptor.
Además, el dispositivo de regulación 70' según la figura 6B puede estar configurado para influir de manera iterativa en primer lugar en el error de frecuencia de muestreo del receptor hasta que el error de frecuencia de muestreo quede por debajo de un valor umbral predeterminado, y a continuación minimizar el desplazamiento de frecuencia portadora.
En la recepción de la señal de oportunidad en particular en el entorno interior cabe contar con un rasgo marcado de la recepción por trayectos múltiples. La recepción por trayectos múltiples significa que no solo se recibe la señal emitida por el emisor a través de la ruta de recepción directa (line of sight, LOS, línea de mira), sino que se reciben señales retrasadas adicionalmente en el tiempo. Las causas para ello son, por ejemplo, reflexión, refracción, dispersión o difracción de las señales emitidas. También un emisor con la misma frecuencia de emisión, pero de posición diferente (emisor en el mismo canal) puede aparecer como fuente de señal adicional. La recepción por trayectos múltiples lleva a que el receptor a través del canal de transmisión reciba una señal, que consta de una superposición de la señal de la ruta de recepción directa y de las señales de rutas de recepción con retraso adicional en el tiempo. El comportamiento de todo el canal de transmisión entre emisor y receptor se describe mediante la función de transmisión de canal.
Las modificaciones de la función de transmisión de canal producen un salto de fase en la señal recibida e influyen con ello en la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora. Si la función de transmisión de canal para distintos nodos sensores es diferente, esto produce diferentes resultados de estimación de los nodos sensores individuales. En receptores OFDM para aplicaciones de comunicación, se observa por lo tanto con frecuencia solo una variación diferencial de la fase para determinar el desplazamiento de frecuencia portadora, lo que sin embargo produce una reducción en la precisión de la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora.
Una solución para este problema es, conocer el canal y después a partir de este emplear solo determinadas rutas de propagación para la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora.
En señales OFDM con frecuencia están integrados mecanismos, para determinar las propiedades de canal. Así, en las señales DVB-T y LTE existen las así llamadas señales piloto dispersas y en DAB un símbolo de referencia conocido al completo. Si en el receptor la señal de emisión conocida de estas señales piloto se compara con los valores recibidos realmente, entonces puede determinarse la función de transmisión de canal. Si esta con ayuda de una transformación de Fourier inversa se traslada al dominio de tiempo, entonces se obtiene la respuesta de impulso de canal (channel impulse response, CIR). La figura 8 muestra una respuesta de impulso de canal en la recepción por múltiples trayectos. Se representan la energía de los impulsos de señal recibidos a través de distintas rutas de recepción y su retardo en el tiempo con respecto al momento de la transmisión. La ruta de recepción con el retardo en el tiempo más corto corresponde a la ruta de recepción directa (línea de visión, Line of Sight, LOS). Las rutas de recepción adicionales se denominan también ecos. La respuesta de impulso de canal da información sobre la expansión en el tiempo de las señales recibidas en el receptor.
En una comunicación visual directa y sin interferencias entre el emisor OFDM y el receptor del nodo sensor la respuesta de impulso de canal contiene un impulso dominante, que representa la energía de la señal recibida a través de la ruta de recepción directa. La respuesta de impulso de canal contiene además varios pequeños impulsos, que representan la energía de señales reflejadas por ejemplo de casas o montañas. La posición de fase de un
impulso en la respuesta de impulso de canal se corresponde a la posición de fase central de los tonos piloto de la señal recibida. Mediante observación de la posición de fase de cada impulso en la respuesta de impulso de canal a lo largo del tiempo, a partir de cada impulso de la respuesta de impulso de canal puede determinarse el desplazamiento de frecuencia portadora correspondiente. Sin embargo, existe un giro de fase constante entre los impulsos de los ecos individuales y el impulso de la ruta de recepción directa de la respuesta de impulso de canal. Este giro de fase es proporcional a la longitud de la ruta de transmisión de los ecos.
Para mejorar la exactitud de la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora, se realiza la determinación que ya se ha descrito anteriormente de las variaciones de fase de las portadoras individuales de la señal recibida del receptor en una forma de realización exclusivamente para la señal recibida a través de la ruta de recepción directa. En una forma de realización adicional la determinación de las variaciones de fase de las portadoras individuales de la señal recibida por el receptor se realiza de manera independiente para cada ruta de recepción. Para ellos los dispositivos 72 están configurados para determinar las fases y/o las relaciones de fase de las portadoras individuales de uno o varios de los símbolos consecutivos de los dispositivos de regulación 70 y 70', formar la respuesta de impulso de canal de la señal recibida y determinar las fases de los impulsos de la respuesta de impulso de canal.
El uso de la señal recibida a través de la ruta de recepción directa es ventajoso entonces cuando los ecos son esencialmente más pequeños que el impulso dominante de la ruta de recepción directa. La pérdida de energía al desecharse la información de los ecos lleva no solo a un escaso empeoramiento de la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora y lleva a una simplificación del algoritmo.
Cuando la ruta de recepción directa está desconectada, es decir, cuando el nivel de la ruta de recepción directa ya no es dominante, por ejemplo, cuando los ecos recibidos presentan valores indicados de nivel similares a los de la ruta de recepción directa, entonces es ventajoso emplear las señales recibidas de las rutas más eficientes. Tras una observación inicial de las fases de los impulsos individuales de la respuesta de impulso de canal puede determinarse el desfase constante entre la ruta de recepción directa y los ecos. Después, la energía de las rutas individuales puede combinarse con coherencia de fase, para obtener resultados precisos para la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora. Cuando la función de transmisión de canal varía, se producen variaciones en el número de los impulsos y su posición en el tiempo en la respuesta de impulso de canal. En este caso es ventajoso incluir nuevos impulsos añadidos o impulsos con posición modificada solo en la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora, cuando estos se observan durante un tiempo predeterminado de manera estable en una posición en la respuesta de impulso de canal. La exactitud de la estimación de fase depende del número de las portadoras piloto empleadas para el cálculo de la respuesta de impulso de canal. También en este caso es ventajoso tomar una decisión de señal de los soportes de datos con respecto a señales piloto existentes y aplicar el procedimiento ya descrito anteriormente de la re-modulación de la señal recibida, con el fin de aumentar la energía para el cálculo de la respuesta de impulso de canal.
En la respuesta de impulso de canal se expresa un desplazamiento de frecuencia portadora en una variación de fase de los impulsos individuales. Un error de frecuencia de muestreo (SCO) se expresa en un "caminar" de los impulsos a través del tiempo. La causa para ello es que el error de frecuencia de muestreo con respecto a la duración de señal nominal lleva a una expansión temporal o recalcado de la señal. Si ahora para cada símbolo se calcula la respuesta de impulso de canal, entonces se produce una variación de la posición pico proporcional al error de frecuencia de muestreo, como se muestra en la figura 9, que representa la dependencia en la respuesta de impulso de canal del error de frecuencia de muestreo. El eje x de la figura 9 representa el momento de la respuesta de impulso de canal, mientras que el eje y de la figura 9 representa la amplitud de la respuesta de impulso de canal. Las curvas representadas en la figura 9 muestran las respuestas de impulso de canal del mismo símbolo para distintos errores de frecuencia de muestreo.
Como ya se ha descrito al principio, para la determinación del desplazamiento de frecuencia portadora no es obligatorio corregir por completo el error de frecuencia de muestreo. Sin embargo, cabe señalar que no se producen interferencias entre símbolos, dado que en este caso la respuesta de impulso de canal ya no puede determinarse. Esto sucede, cuando para la demodulación de la señal OFDM con ayuda de FFT se emplean informaciones de diferentes símbolos OFDM. En una portadora individuales los símbolos OFDM se transmiten sucesivamente en el tiempo, en donde los símbolos OFDM están separados unos de otros por intervalos de protección (Guard-Interval). Por lo tanto, es ventajoso, establecer el comienzo temporal de la zona de observación para la FFT en el centro del intervalo de protección (Guard-Interval). Esto es posible si hasta el momento todas las interferencias han ido desapareciendo mediante la recepción por múltiples trayectos. Si solo el pico de la ruta de recepción directa se observa a lo largo del tiempo, esta cambia continuamente la posición hacia una dirección en el eje de tiempo dependiendo del error de frecuencia de muestreo. Este cambio puede corregirse por que, en función del cambio de posición o tras superar un umbral de observación se insertan uno o varios valores de muestreo adicionales en la corriente de datos recibida por el convertidor analógico/digital o el primer o varios valores de muestreo del nuevo símbolo se desestiman. Por ello la posición del impulso de la ruta de recepción directa en la respuesta de impulso de canal del símbolo siguiente se desplaza de nuevo al valor original y el intervalo de observación se mantiene en una posición constante. Se vitan por ello interferencias entre símbolos y el seguimiento de señal permanece estable.
En la recepción de la señal de oportunidad puede suceder que se produzcan de manera prematura variaciones
demasiado intensas de las propiedades de canal. Así, un obstáculo móvil, por ejemplo, un peatón, puede producir una atenuación intensa de la ruta de recepción directa, cuando el obstáculo mediante enmascaramiento interrumpe una comunicación visual directa con el emisor. Por lo tanto, es ventajoso, observar en la determinación de las variaciones de fase de las portadoras individuales de la señal recibida por el receptor también la energía de señal o la calidad de señal, como, por ejemplo, la relación señal a interferencia (SIR) o la relación de símbolo/ruido de los impulsos de la señal en la respuesta de impulso de canal. Tal como puede verse en la figura 7, una peor relación de símbolo/ruido produce peores resultados de estimación del desplazamiento de frecuencia portadora. Si la relación señal a interferencia (SIR) o la relación de símbolo/ruido de un impulso en la respuesta de impulso de canal queda por debajo de un valor previamente definido, o tiene lugar una modificación repentina, es ventajoso desechar el valor de estimación del desplazamiento de frecuencia portadora tomado como base en la regulación iterativa y en su lugar seguir empleando el valor de estimación averiguado previamente, hasta que la relación señal a interferencia (SIR) o la relación de símbolo/ruido superen de nuevo el valor previamente definido. Con ello la estimación del desplazamiento de frecuencia portadora es cada vez más robusta frente a modificaciones breves del canal de transmisión, provocadas por ejemplo mediante enmascaramientos.
En una forma de realización adicional la selección de las señales empleadas para determinar las variaciones de fase de las portadoras individuales se realiza basándose en la relación señal-interferencia (SIR) o la relación de símbolo/ruido de los impulsos de la señal en la respuesta de impulso de canal. Si la relación señal a interferencia (SIR) o la relación de símbolo/ruido de un impulso en la respuesta de impulso de canal queda por debajo de un valor previamente definido o tiene lugar una modificación repentina, en su lugar se emplea otro impulso en la respuesta de impulso de canal. A este respecto, cabe señalar que su fase con respecto a los símbolos precedentes es continua o no presenta ningún salto intenso. Esto deduciría una modificación de la ruta de eco debido al objeto de enmascaramiento.
La señal de oportunidad puede enviarse también en una denominada red de frecuencia única (Single-Frequency-Networks (SFN)). Esto significa que varios emplazamientos de emisor distribuidos emiten la misma señal sincronizada en el tiempo en la misma frecuencia.
La figura 10 ilustra el efecto de las transmisiones de dos emisores en una red de frecuencia única (SFN) en la respuesta de impulso de canal del receptor de un nodo sensor. La señal del emisor situado geográficamente más cerca de la red de sensores 1 tiene una ruta de recepción directa más corta y por lo tanto se recibe de manera más temprana en el tiempo por el receptor. La señal del emisor 2 más alejado geográficamente de la red de sensores tiene una ruta de recepción directa más larga y actúa como una ruta de recepción por múltiples trayectos del emisor 1 con ruta expansión larga. Debido a las diferentes geográficamente diferentes del emisor 1 y del emisor 2 las señales de los emisores se reciben por los receptores en la red de sensores desde distintas direcciones de incidencia. Un obstáculo móvil enmascararía entones solo una de las rutas ricas en energía. Por consiguiente, la selección descrita anteriormente de las señales empleadas para determinar las variaciones de fase de las portadoras individuales puede realizarse basándose en la relación señal-interferencia (SIR) o la relación de símbolo/ruido de los impulsos de la señal en la respuesta de impulso de canal también durante la recepción de varios emisores de una red de única frecuencia (SFN). En un perfeccionamiento se emplean osciladores separados con bucles de regulación independientes para cada emisor.
Para muchas redes de sensores no es necesaria una sintonización absoluta de los osciladores de referencia locales de los nodos sensores individuales con respecto a una frecuencia de referencia de alta precisión, sino solo una buena sintonización en lo posible entre los osciladores de referencia locales de los nodos sensores individuales. En una red de sensores delimitada geográficamente con varios nodos sensores el enmascaramiento de la ruta de recepción directa de un emisor actúa en todos los nodos sensores de la red de sensores del mismo modo. En una forma de realización un nodo de sensor está configurado para detectar al quedar por debajo la relación señal a interferencia (SIR) o relación de símbolo/ruido un enmascaramiento de un primer emisor de referencia, y a continuación continuar con la sincronización de frecuencia del oscilador de referencia local con un segundo emisor de referencia. A este respecto el segundo emisor de referencia puede ser también un emisor de otra frecuencia o de otro estándar de transmisión. El nodo de sensor puede estar configurado además para transmitir la información sobre el emisor de referencia empleado actualmente a nodos sensores adicionales conectados en comunicación o recibir esta información desde otro nodo sensor y a continuación continuar con la sincronización de frecuencia del oscilador de referencia local con el emisor de referencia del otro nodo sensor. Como ya se ha descrito, en este caso hasta la determinación de nuevos valores de estimación del desplazamiento de frecuencia portadora en la regulación iterativa puede emplearse adicionalmente el valor de estimación averiguado en último lugar del desplazamiento de frecuencia portadora.
Además de la sincronización de frecuencia el nodo de sensor también se desea una sincronización de tiempo, es decir, el ajuste de las diferentes horas locales de los nodos sensores individuales a un tiempo de referencia externo como, por ejemplo, el tiempo universal coordinado (Coordinated Universal Time, UTC), para poder determinar, por ejemplo en mediciones de tiempo de propagación, una diferencia de tiempo de propagación entre los nodos sensores individuales. Muchas de las señales de radio anteriormente mencionadas, adecuadas como señal de oportunidad contienen cronoselladores con diferente exactitud, con los que los receptores se sincronizan en el tiempo o se facilita la hora. Con estos cronoselladores puede conseguirse una sincronización en el tiempo de los
nodos de sensor.
Los procedimientos descritos anteriormente pueden aplicarse asimismo para señales WLAN (IEEE-802.11) como señal de oportunidad. Los emisores WLAN pueden utilizarse de manera asequible, compacta y flexible. Dado que las señales WLAN, a diferencia de las transmisiones de DVB-T, DAB o LTE no se emiten continuamente, los procedimientos anteriormente descritos han de adaptarse en el sentido de que la ausencia de valores de estimación del desplazamiento de frecuencia portadora no influye negativamente en la sincronización de frecuencia. Como ya se ha descrito, puede seguir empleándose para ello ventajosamente en la regulación iterativa el valor de estimación del desplazamiento de frecuencia portadora averiguado en último lugar hasta que se haya determinado un valor de estimación del desplazamiento de frecuencia portadora.
Una mejora adicional puede conseguirse mediante una adaptación del hardware de rúter. Es ventajoso un oscilador continuamente activo, lo más estable posible como frecuencia de referencia para el emisor WLAN seleccionado, para minimizar desviaciones de frecuencia, que aparecen, por ejemplo, en la conexión del oscilador durante un periodo determinado. Además, es ventajoso emplear la frecuencia de referencia en la creación de las señales moduladas OFDM tanto para la generación del reloj de muestreo y como para la creación de la frecuencia portadora. La ventaja es un acoplamiento rígido de desplazamiento de frecuencia portadora y error de frecuencia de muestreo.
Si, como por ejemplo en el entorno interior, la recepción de la señal seleccionada de oportunidad no fuera posible o limitada pueden instalarse emisores correspondientes de potencia pequeña. Como alternativa pueden emplearse repetidores pasivos o activos.
Claims (13)
1. Procedimiento para la corrección de frecuencia de un oscilador (10) de un nodo sensor de una red de sensores con las etapas de procedimiento:
- recibir una señal de emisión de un primer emisor con una modulación según el procedimiento de multiplexación por división de frecuencia ortogonal, OFDM;
- determinar la desviación de frecuencia del oscilador (10), mediante la señal de emisión recibida;
- determinar una señal de corrección para la corrección de la desviación de frecuencia del oscilador (10);
- corregir la frecuencia del oscilador (10) con la señal de corrección;
en donde el nodo sensor está conectado en comunicación a nodos sensores adicionales;
caracterizado por que el nodo sensor desde otro nodo sensor recibe la información sobre el segundo emisor, empleado por el otro nodo sensor actualmente, para la corrección de frecuencia, y a continuación continúa la corrección de frecuencia con este emisor, cuando al quedar por debajo de la distancia de señal a interferencia o de la relación de símbolo/ruido se detecta un enmascaramiento del primer emisor.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que, para determinar la desviación de frecuencia del oscilador (10), se determina una desviación de frecuencia portadora de la señal de emisión recibida.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que, para determinar la desviación de frecuencia del oscilador (10), se determina un error de frecuencia de muestreo de la señal de emisión recibida.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el error de frecuencia de muestreo se corrige independientemente de la corrección de la desviación de frecuencia del oscilador (10).
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la determinación de la desviación de frecuencia se realiza mediante las relaciones de fase de portadoras individuales de la señal de emisión recibidas.
6. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que la determinación del error de frecuencia de muestreo se realiza mediante las relaciones de fase de portadoras individuales de la señal de emisión recibidas.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la determinación de la desviación de frecuencia se efectúa durante el periodo de la transmisión de un símbolo de emisión.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la determinación de la desviación de frecuencia se efectúa durante el periodo de la transmisión de dos símbolos de emisión consecutivos.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que:
- tras la recepción de la señal de emisión desde la señal de emisión recibida se determina la respuesta de impulso de canal del canal de transmisión;
- a partir de la respuesta de impulso de canal se determinan las señales de diferentes rutas de transmisión de la señal de emisión recibida; y
- la desviación de frecuencia del oscilador se determina mediante la señal de una ruta de transmisión.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la desviación de frecuencia del oscilador se determina mediante las señales de varias rutas de transmisión.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 o 10, en el que se selecciona la señal para determinar la desviación de frecuencia del oscilador, mediante su energía de señal, su calidad de señal o su relación temporal respecto a otras señales de la respuesta de impulso de canal.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que se reciben las señales de emisión de varios emisores.
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la señal de emisión recibida contiene informaciones de tiempo, y el oscilador (10) se sincroniza en el tiempo mediante información de tiempo.
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