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UTILIZACIÓN DINÁMICA DE RECURSOS INALÁMBRICOS
CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a comunicaciones inalámbricas adaptables y más particularmente a la utilización adaptable de uno o más recursos inalámbricos disponibles.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La escasez de recursos asociada con el uso del espectro electromagnético (tal como el ancho de banda) puede afectar adversamente el despliegue de nuevas aplicaciones por empresas nuevas y existentes (incluyendo proveedores de servicios) . Como ejemplo, los requisitos de ancho de banda asociados con una nueva aplicación que una empresa desea desplegar podrían exceder uno o más recursos de espectro electromagnético que se hayan asignado a la empresa. La velocidad a la cual se despliegan las nuevas aplicaciones ha excedido la capacidad de muchas entidades gubernamentales responsables de monitorear el uso del espectro electromagnético para evaluar adecuadamente las nuevas aplicaciones. Los procesos de aprobación - 2 -actuales son típicamente lentos y costosos y tienden a favorecer a empresas más grandes, mejor establecidas sobre las empresas más pequeñas, las cuales pueden colocar en desventaja a las empresas más pequeñas. El uso actual del espectro electromagnético permite la transmisión de datos a velocidades entre aproximadamente 19.2 a 48 Kbps en canales entre aproximadamente 200 KHz a 1.5 MHz . Muchos protocolos actuales para la comunicación inalámbrica utilizan técnicas de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) , acceso múltiple por división de código (CDMA), o de conmutación de circuitos. Las terminales de usuario (tales como teléfonos móviles) pueden, dependiendo de la aplicación de usuario, operar en un modo individual, modo dual, o trimodo. Las comunicaciones inalámbricas pueden limitarse a fronteras regionales o nacionales, y los dispositivos que soportan las comunicaciones inalámbricas utilizan típicamente un segmento dedicado del espectro electromagnético.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Las modalidades particulares de la presente invención pueden reducir o eliminar desventajas y problemas asociados tradicionalmente con las comunicaciones inalámbricas . En una modalidad de la presente invención, un método para la utilización dinámica de recursos inalámbricos incluye monitorear uno o más recursos de comunicaciones inalámbricas y generar datos de recursos de comunicaciones inalámbricas. Utilizando los datos de recursos de comunicaciones inalámbricas, se pronostica la ocurrencia de uno o más agujeros en uno o más periodos de tiempo futuros. Un agujero incluye una oportunidad de comunicaciones inalámbricas en la cual uno o más recursos de comunicaciones inalámbricas asignados a uno o más usuarios primeros se encuentra disponible tempo almente para las comunicaciones inalámbricas por uno o más usuarios segundos. Los datos pronosticados de agujero se generan, y, utilizando los datos pronosticados de agujero, se sintetizan uno o más canales de comunicaciones inalámbricas a partir de uno o más agujeros pronosticados. Los datos de síntesis de canal se generan, y los datos que reflejan la retroalimentación proveniente de uno o más intentos anteriores de comunicaciones inalámbricas y se reciben datos que reflejan una o más condiciones de red. De acuerdo con los datos recibidos y los datos de síntesis de canal, se seleccionan uno o más canales particulares de comunicaciones inalámbricas a partir de uno o más canales de comunicaciones inalámbricas sintetizadas. Los datos de selección de comunicaciones inalámbricas se generan y, utilizando los datos de selección de canal de comunicaciones inalámbricas, se le dan instrucciones a una unidad de radio para comunicarse utilizando uno o más canales de comunicaciones inalámbricas seleccionados. Se le dan instrucciones a la unidad de radio para descontinuar el uso de uno o más canales seleccionados de comunicaciones inalámbricas después de que se haya completado las comunicaciones. Las modalidades particulares de la presente invención proporcionan una o más ventajas. Las modalidades particulares permiten el uso mejorado de uno o más recursos de espectro electromagnético mejorado u otros recursos inalámbricos (tales como intervalos de tiempo, energía, y códigos) . En las modalidades particulares, se utilizan uno o más recursos inalámbricos subutilizados (los cuales incluyen recursos inalámbricos no utilizados) para proporcionan uno o más enlaces inalámbricos para uno o más usuarios. Las modalidades particulares incrementan la utilización de uno o más recursos inalámbricos limitados por un sistema de comunicaciones (tal como un dispositivo de usuario terminal, estación base, o punto de acceso) . En las modalidades particula es, se- identifican una o más porciones subutili zadas de uno o más recursos inalámbricos y subsecuentemente se utilizan sobre una base de necesidades para establecer uno o más enlaces inalámbricos para uno o más usuarios. En las modalidades particulares, en lugar de monitorear solamente bandas particulares, los recursos inalámbricos se monitorean utilizando un proceso multi-dimensión , multi-capa. En modalidades particulares, los recursos inalámbricos subutilizados se agrupan para establecer enlaces inalámbricos entre dos usuarios o entre un dispositivo y un punto de infraestructura. En modalidades particulares, dos o más usuarios pueden negociar uno con otro para determinar una o más porciones adecuadas de uno o más recursos inalámbricos para establecer enlaces inalámbricos eficientes y eficaces. En modalidades particulares, los enlaces inalámbricos se monitorean para incrementar adicionalmente la eficiencia y efectividad de establecer enlaces inalámbricos en el futuro. Las modalidades particulares pueden utilizarse en dispositivos inalámbricos de la siguiente generación tanto en aplicaciones del Departamento de Defensa de los E.ü. (DoD) como en aplicaciones comerciales. Las modalidades particulares de los recursos inalámbricos permiten el uso adaptable de uno o m s recursos inalámbricos con base en la disponibilidad de los recursos inalámbricos y con base en una o más necesidades particulares de uno o más usuarios, las cuales permiten las comunicaciones inalámbricas de alta calidad de servicio (QoS) y de alta velocidad en diversas condiciones. Las modalidades particulares proporcionan una solución de radio de software de banda ancha, de multi-espectro para sistemas de red de área local inalámbrica (WLAN), celulares, y otros sistemas inalámbricos que sirven como una alternativa de bajo costo para redes ad hoc que no proporcionan flexibilidad general. Las modalidades particulares proporcionan sistemas inalámbricos rentables tanto en ambientes de DoD como comerciales . En modalidades particulares, se identifican una o más porciones subutilizadas de uno ' o más recursos inalámbricos y subsecuentemente se activan sobre una base de necesidad para establecer uno o más enlaces inalámbricos para la transferencia de información por uno o más usuarios. Después que se ha completado la transferencia de información, uno o más recursos inalámbricos pueden desactivarse a fin de permitir que uno o más de otros usuarios activen uno o más recursos inalámbricos. En las modalidades particulares, se combinan las técnicas de manejo de recursos flexibles con una o más capacidades de red ad hoc y uno o más elementos de red. En las modalidades particulares, se crean más interdependencias entre los elementos de red a fin de proporcionar una cobertura y alcance de red más grandes. En las modalidades particulares, un centro de autenticación puede verificar que un usuario se encuentra intentado acceder a una red y subsecuentemente proporcionarle al usuario uno o más enlaces inalámbricos. Las modalidades particulares utilizan técnicas eficientes y eficaces de intermediarios para permitir la aplicación y utilización de recursos conforme se requieran. Las modalidades particulares utilizan uno o más segmentos del espectro electromagnético sobre una base de necesidad para comunicar datos particulares (tales como datos de voz, datos de correo electrónico, o datos de página web) a fin de mejorar la escasez de recursos de espectro electromagnético, los cuales facilitan el uso de nuevos servicios y aplicaciones. Las modalidades particulares pueden utilizarse para más o menos asegurar que uno o más servicios utilizan uno o más recursos de espectro electromagnético limitado solamente cuando se necesitan (y abandonar al uso de uno o más recursos de espectro electromagnético limitado cuando no es necesario) para permitir que empresas más pequeñas ofrezcan más servicios . Las modalidades particulares proporcionan técnicas flexibles de manejo de recursos de espectro inalámbrico, las cuales pueden incrementar la utilización de recursos inalámbricos por elementos de red inalámbrica. En las modalidades particulares, los centros de autenticación pueden accesarse fácilmente para verificar y proporcionar uno o más enlaces inalámbricos entre un proveedor de aplicaciones y un usuario de aplicaciones. En las modalidades particulares, los recursos inalámbricos se utilizan dinámicamente para alojar y expandir la base de las aplicaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Para proporcionar una comprensión más completa de la presente invención y las características y ventajas de la misma, se hace referencia a la siguiente descripción, tomada en conjunto con los dibujos acompañantes, en los cuales : La Figura 1 es una ilustración esquemática de un sistema de comunicaciones inalámbricas para establecer enlaces de - 10 -comunicaciones al activar recursos inalámbricos no utilizados o subutilizados; La Figura 2 es una ilustración funcional de una técnica adaptable de software para mejorar el uso de recursos inalámbricos no utilizados o subutilizados; La Figura 3 es una ilustración funcional del método adaptable de softstate ilustrado en la Figura 2 ; La Figura 4 es un diagrama de bloques que ilustra el método y sistema para la utilización dinámica de recursos inalámbricos de acuerdo con la presente invención; Las Figuras 5A a 5E ilustran la funcionalidad DPA de ejemplo; La Figura 6 es un diagrama de bloques del pronos ticador de la Figura 4; La Figura 7 es una ilustración de síntesis de canal y optimización con base en las características pronosticadas de agujero; La Figura 8 es un diagrama de bloques de estructura de circuito cerrado del optimizador de la Figura 4; La Figura 9 es una ilustración de un método de meta acceso adaptable para empaquetar - Il la información de acuerdo con la presente invención ; La Figura 10 es un diagrama de bloques de una funcionalidad MAC de multi-usuaxio que muestra los modos de operación variable del adaptador de la Figura 4; y La Figura 11 es un diagrama de flujo que ilustra un algoritmo que describe la operación del asignador de adelantamiento.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Refiriéndose a la Figura 1, el sistema de comunicaciones inalámbricas comprende las terminales celulares 10 programadas para identificar los recursos inalámbricos no utilizados o subutili z ados para establecer enlaces inalámbricos entre las terminales celulares y otros elementos de red incluyendo direccionadores 12 y estaciones base 14. Cada una de las terminales inalámbricas 10 busca recursos inalámbricos no utilizados o subutilizados para establecer un enlace de comunicaciones con un dispositivo destino. Además, cada uno de los elementos inalámbricos se programa para establecer un proceso inverso a - 12 -fin de establecer un enlace de comunicaciones desde un originador de información para habilitar el establecimiento de un enlace de comunicaciones. Una terminal 1 0 podría ser un teléfono móvil o un dispositivo inalámbrico de equipo de premisas de cliente (CPE) que proporcione acceso de cliente a una o más redes de comunicaciones. La información puede comunicarse entre dos terminales 10 , entre una terminal 10 y un direccionador 12 , y entre una terminal y una estación base 1 4 utilizando uno o más enlaces inalámbricos . La información puede comunicarse entre dos direccionadores 12 y entre dos estaciones base 1 4 que utilizan uno o más enlaces cableados (los cuales podrían incluir enlaces ópticos) . Una terminal 1 0 desde la cual puede comunicarse la información puede utilizar una técnica adaptable de softstate (la cual se describe más completamente a continuación) a fin de buscar recursos inalámbricos subutili zados para un enlace inalámbrico a un dispositivo destino (el cual podría ser otra terminal 10 , un direccionador 12 , o una estación base 14 ) . Una terminal 10 a la cual puede comunicarse la información puede utilizar un proceso inverso - 13 - (la cual se describe más detalladamente a continuación) para permitir que se establezca una porción final de un enlace inalámbrico utilizando uno o más recursos inalámbricos subutilizados y una técnica adaptable de softstate. Típicamente, el sistema de comunicaciones inalámbricas tal como se ilustra en la Figura 1 opera en velocidades de datos de 20 Mbps a 1 Gbps con anchos de banda de canal mayores a 5 MHz. El sistema opera en un modo integrado de multi-protocolo que utiliza conmutación de paquetes y se basa en IP. Cada una de las terminales celulares 10 son unidades adaptables de multi-modo para las comunicaciones globales que comparten los recursos inalámbricos sobre una base de demanda de aplicaciones . Refiriéndose a la Figura 2, se ilustra el software residente en cada una de las terminales inalámbricas 10 que funcionan mediante una unidad 16 de radio como parte de la terminal inalámbrica para establecer un enlace de comunicaciones a las demás terminales inalámbricas. El software funciona para identificar y determinar recursos no utilizados - 14 -o subutili zados disponibles en el ambiente. Este es un método de asignación dinámica y utiliza unidades 16 de radio inteligentes para una capacidad mejorada de procesamiento de DSP en una red de comunicaciones y terminales inalámbricas. Después de la identificación de recursos inalámbricos no utilizados o subutili zados , el software funciona para seleccionar un posible recurso de espectro a utilizarse para propósitos de transmisión y recepción. La porción identificada del recurso inalámbrico seleccionada por el software configura la unidad 16 de radio para establecer un enlace de comunicaciones. La información de retroalimentación se recibe provenient e de la red en intentos de comunicación anteriores para refinar adicionalmente la identificación y determinación de recursos inalámbricos no utilizados o subutilizados . Un planteamiento para la utilización dinámica de recursos inalámbricos se basa en la evaluación del tiempo. Tres planteamientos potenciales basados en tiempo para compartir los recursos inalámbricos escasos que cumplan las consideraciones variables de demanda-suministro - 15 -incluyen: a) milisegundos-segundos , b) minutos-horas, y c) días-semanas-meses . El planteamiento de milisegundos-segundos reutiliza y asigna los recursos con base en sobretensiones temporales de demanda-suministro, por ejemplo, condiciones de tráfico en una red y emergencias. Con este planteamiento, la necesidad de controlar un recurso inalámbrico por un usuario lleva la prioridad sobre otros usuarios. El intervalo de tiempo para establecer un enlace de comunicaciones e información de transferencia es demasiado breve para la negociación de recursos o tráfico de recursos con otros usuarios. El planteamiento de minutos-ho as proporciona la capacidad de prestar recursos inalámbricos provenientes de otros usuarios para cumplir temporalmen e la demanda. Se establece un mecanismo de despeje en la xed para habilitar el compartimiento mejorado de datos de usuario y reseñar la capacidad en HLR/HBR y redes interconectadas a fin de permitir el movimiento de información sobre diferentes frecuencias. El planteamiento de días-semanas-meses permite que los propietarios de recursos inalámbricos negocien la reutilización de recursos - 16 -inalámbricos para eventos especiales, tales como conferencias y convenciones. La interconexión y otros elementos de red se establecen antes de que suceda el evento. Refiriéndose a la Figura 3, se muestra un diagrama de flujo de la operación del software de la Figura 2 para establecer enlaces de comunicaciones para la utilización de recursos inalámbricos. Ini cialmente , el software recibe datos de recursos provenientes del ambiente, por ejemplo, datos detectados, pronosticados, asignados, o almacenados, y estos datos se ingresan durante una operación 18 al módulo adaptable 20 de software. En la operación 22 de software, los recursos inalámbricos se analizan para propósitos de crear enlaces de comunicaciones. Este análisis puede agrupar los recursos con base en algunos criterios. Un enlace de comunicaciones puede ser una banda de frecuencias, intervalo de tiempo, nivel de energía u otro recurso, es decir "finitamente" no utilizado o subutilizado . Después, en la operación 24 de software, el conocimiento acumulado sobre recursos inalámbricos no utilizados o subutilizados se - 17 -comparte con otros nodos vecinos en una red para determinar el mejor recurso a fin de utilizarlo para establecer enlaces de comunicaciones. Con base en las negociaciones con los nodos vecinos en una red, el módulo adaptable de softstate determina en operación 26 el recursos inalámbrico que cumplirá mejor los criterios de enlace, por ejemplo, ancho de banda, nivel de energía, QoS . Después de determinar el recurso inalámbrico a utilizar para establecer un enlace de comunicaciones, el software en operación 28 transmite la información de recursos inalámbricos a la unidad 16 de radio para su uso en la activación de recursos inalámbricos no utilizados o subutilizados según se requiere para establecer un enlace de comunicaciones para un usuario a fin de transmitir la información. En operación 30 del módulo adaptable 20 de softstate, la información de ret oaliment ación se recibe respecto a la efectividad y eficiencia de las comunicaciones. En operación 32, la retroaliment ación de información referente a comunicaciones anteriores se incorpora a la operación 22 de análisis a fin de determinar mejor la utilización de recursos inalámbricos - le para futuros enlaces de comunicaciones. Refiriéndose a la Figura 4, se ilustra la arquitectura, para el módulo adaptable 20 de software de la Figura 3. Los recursos inalámbricos se evalúan por un detector 34 con base en el nivel de energía, frecuencia y tiempo para identificar los recursos disponibles o recursos no disponibles. Estos datos se transfieren a un prono sticador 36 para entregar como salida un análisis de frecuencia/tiempo a un sintetizador 38 de canal. El sintetizador 38 de canal recibe también información sobre los recursos inalámbricos y factores ambientales además de la retroalimentación referente a cambiar las condiciones ambientales tales como el QoS de canal observado. El sintetizador de canal 38 entrega como salida las frecuencias de canal y tiempos a un optimizador 40 que se comunica con unidades vecinas 42 y recibe la entrada proveniente de una cola 44 de mensajes pendiente. El optimizador 40 entrega como salida una lista 46 de canal de acceso aleatorio/dedicado que se acopla a un asignador 48 de adelantamiento y un asignador 50 de canal actual. El asignador 48 de adelantamiento - 19 -recibe también datos provenientes de la cola 44 de mensajes pendiente tal como demanda promedio/pico, tipos de mensajes, y destinos. El asignador 48 de adelantamiento responde al entregar como salida solicitudes de observación especifica de tiempo/frecuencia para su uso futuro. El asignador 50 de canal actual recibe también la transmisión observada en un canal de entrada y entrega como salida a la radio 16 los comandos de transmisión que incluyen mensajes, ancho de banda de canal para la frecuencia, formas de onda, energía y modulación. El término "softstate" se refiere a la capacidad adaptable del sistema de control para incluir opciones múltiples para los medios de comunicaciones (es decir, los canales formados provenientes de agujeros de combinación) hasta que se realizan las asignaciones finales. Los circuitos de control orientados a la retroalimentación se incluyen para proporcionar un grado de control durante la adaptación. Las técnicas que utilizan la Cognición (es decir, conciencia de los agujeros de espectro y comportamiento de los agujeros) y Softstate (es decir, la capacidad de mover las comunicaciones - 20 -entre los agujeros que se abren y cierran sin fijarse a solamente un agujero para todas las comunicaciones ) habilitarán el alcance de la utilización dinámica del espectro. El método de la presente invención utiliza oportunidades de espectro que se presentan por los sistemas de comunicaciones y sistemas detectores tales como señales de TV, enlaces de datos y radar. El Planteamiento Cognitivo , Softstate para la Utilización Dinámica del Espectro consiste en las siguientes partes: 1) El pronóstico de agujeros de espectro no utilizados con base en datos detectados y caracterizados. Esta conciencia del comportamiento de espectro es la base para denominar a esta operación como Cognitiva. 2) Sintetizar los agujeros en canales para propósitos de comunicaciones. Este elemento combinado con los elementos de Optimización y Asignación a continuación mostrados constituyen el Softstate Adaptable. 3) Optimización de los canales a utilizarse por mapear los mensajes y - 21 - recursos requeridos a la disponibilidad de canal . 4) Asignar los canales para las comunicaciones . 5) Adaptarse dinámicamente a los cambios en el tráfico ofrecido, el ambiente espectral y las condiciones de red al mover recursos a los nuevos canales sintetizados con base en comunicaciones exitosas/no exitosas. La combinación de Conciencia de Espectro con Softstates Adaptables pueden incrementar el espectro y las eficiencias de recursos inalámbricos. Esta modalidad incluye: Dos circuitos de control (rápido y lento) que proporcionan retroalimentación continua para un mayor grado de adaptabilidad en la dinámica del espectro. Una adaptación más rápida tiene lugar durante la Asignación de agujeros a mensajes y la síntesis de canales (por ejemplo, donde se pierden los mensajes debido a colisiones o malas condiciones de canal) mientras tiene lugar una - 22 - adaptación más lenta en la etapa Optimización (por ejemplo, eliminando el uso de agujeros de espectro que parecen ser aceptables, pero prueban ser problemáticos durante las transmisiones actuales) . La conciencia (Cognición) del ambiente espectral y el impacto de utilizar recursos de radio y espectro para incrementar la naturaleza dinámica del s is tema . • Operaciones para utilizar rápidamente espectro y recursos con mínima sobrecarga y latencia (Softstate Adaptable) . • Moverse entre los agujeros de espectro rápidamente al proporcionar múltiples mapeos de agujeros a recursos y canales, y permitir la asignación de agujeros con base en las condiciones actuales (Softstate Adaptable) . Refiriéndose a la Figura 4, el planteamiento Softstate Cognitivo comprende dos bloques principales. La primera parte, pronosticador 36, determina agujeros de espectro - 23 -con base en los datos de espectro detectados/caracterizados proporcionados por la función 34 de detección/caracterización. El pronos ticador 36 utiliza datos sobre el espectro en su ambiente local para pronosticar el comportamiento de los agujeros de espectro en el futuro cercano. Esto es llamado Cognitivo porque explota las características de conciencia de espectro. La segunda parte, el adaptador 52, mapea agujeros de espectro pronosticados a recursos de radio y mensajes de comunicaciones y adapta como elementos de comunicaciones, cambian. El adaptador 52 utiliza datos provenientes del pronos ticador 36 a fin de determinar el mapeo más eficaz de agujeros a mensajes con el uso óptimo de recursos de radio. El adaptador busca minimizar el desperdicio tanto de recursos de radio como recursos de espectro mientras se asegura que las comunicaciones se completan dentro de la sincronización derecha y parámetros de QoS . QoS en este contexto se refiere a las mediciones de rendimiento requeridas por el usuario tales como velocidades de error de bit, disponibilidad de canal y latencias. El adaptador 52 es también - 24 -responsable de determinar rápidamente el éxito/falla de mensajes comunicados y cambiar estrategias (en términos de bandas de frecuencias, niveles de energía, intervalos de tiempo, códigos, etc.) para "adaptarse" a las re-transmisiones. Esto es referido como recursos de radio-Soft state Adaptables que se despliegan y re-despliegan de la manera más eficaz para las comunicaciones eficaces, con múltiples opciones (suaves) consideradas para su mejor uso espectral. El planteamiento es comprehensi o porque buscará y explotará las oportunidades de espectro presentadas tanto por los sistemas de comunicaciones y los sistemas de detector. Los agujeros que se encuentran presentes en las señales de TV, los enlaces de datos y radar se utilizarán y adaptarán para las comunicaciones . La adaptación se mejora mediante el uso de una estructura de ret roalimentación de 2 circuitos que proporciona un mejor control y reacción a los cambios dinámicos en el ambiente o en las comunicaciones. Un circuito - el circuito de control rápido, permite una adaptación rápida a las condiciones cambiantes - 25 -de espectro (por ejemplo, emergencia súbita de usuarios asignados, des anecimiento severo de canal) y un mejor mapeo de los recursos a los agujeros de espectro. El otro circuito - el circuito de control lento, incorpora cambios significativos en el comportamiento de espectro o utilización de recursos a un ritmo más lento (por ejemplo, eliminación de algunos agujeros que son problemáticos, ajustar a un lado los agujeros más dedicados, utilizar técnicas de modulación diferentes) para incrementar la eficacia del sistema y mantenerlo estable. La combinación de la funcionalidad de Pronóstico y Adaptación en el Planteamiento Softstate Cognitivo es también referida como el Adaptador de Pronos t icador-Dinámico (DPA) . El término
"agujeros" se refiere a aquellas oportunidades de espectro (frecuencias, intervalos de tiempo, códigos, niveles de energía) que son no utilizadas por los usuarios asignados y pueden utilizarse por otros usuarios a medida que no se siente impacto o interferencia significativa por los usuarios asignados. Debe observarse que algunos usuarios pueden trabajar bien con alguna interferencia, especialmente si la interferencia - 26 -se encuentra debajo de un cierto nivel, por ejemplo, en sistemas de CDMA. El DPA emplea una arquitectura jerárquica de control (Figura 4) para realizar una asignación y utilización del espectro. La arquitectura tiene dos bloques principales -pronos ticador 36 y un adaptador 52. El pronosticador 36 funciona para mirar continuamente los agujeros caracterizados y pronosticar su comportamiento en la característica. El adaptador 52 tiene 3 funciones separadas - síntesis 38, optimización 40 y asignación 48, 50. La función 38 de sintetizador es responsable de combinar los agujeros pronosticados (por ejemplo, bandas de frecuencia, intervalos de tiempo, códigos) en canales de comunicaciones. Los canales se encuentran compuestos de agujeros individuales o múltiples que cumplen algunos criterios (por ejemplo, niveles QoS, etc.) El optimizador 40 determina el mejor conjunto de canales al mirar los niveles de QoS, retroalimentación a intentos anteriores, condiciones inalámbricas externas y coordinación con vecinos. Los asignadores 48, - 27 - 50 manejan el mapeo del conjunto optimizado de canales a mensajes y recursos de radio (forma de onda, modulación, codificación, etc.) . El proceso de toma de decisiones necesario en el adaptador 52 para crear canales a partir de los agujeros, mapear canales a mensajes, y recursos de radio se realiza utilizando una Capa de Toma de Decisiones multi-modelo . Para transmitir los mensajes que son compactos y que se encuentran estrechamente empaquetados, se utiliza un método de Transmisión de Meta-Acceso. El método de Transmisión de Meta-Acceso permitirá un intercambio rápido de información de mensajes entre los nodos en la red con el uso óptimo del espectro y los recursos de radio. El proceso total es dinámico debido a que la retroalimentación se utiliza continuamente en combinación con los datos ambientales a partir de elementos de caracterización de detección para decidir cómo utilizar los agujeros de espectro más eficazmente. La estructura jerárquica de control en el adaptador 52 proporciona una respuesta rápida de cambiar las necesidades de comunicación mientras se mantiene la estabilidad en la red.
- 28 - El circuito de control lento (Controlador de circuito Lento - Nivel 1 o Circuito Exterior) monitorea y actualiza la lista de canales disponibles para su uso por el nodo especifico y cambia lentamente las asignaciones de canales dedicados vs . canales de acceso aleatorio con base en los requisitos de QoS y de capacidad de datos. El circuito lento verificará que las condiciones de canal en deterioro han mostrado alguna repetición que descarta esos canales. Nuevamente al esperar durante un periodo de tiempo largo antes de actuar, ayuda a mantener estable el sistema. El circuito de control rápido (Asignador de Circuito Rápido - Nivel 2 o Circuito Interior) utiliza información de retroalimentación para adaptarse rápidamente a los cambios en el compor amiento de canal mediante la modificación de parámetros de señal y empaquetado de mensajes. Las tramas de tiempos contempladas para los circuitos de Nivel 1 y de Nivel 2 son nominalmente 1 segundo y 10 milisegundos respectivamente. Estas tramas de tiempos se seleccionaron como ejemplos con base en la necesidad de una rápida adaptación mientras se asegura que el sistema siga estable.
- 29 - Manteniendo la trama de tiempo para el circuito rápido muy pequeña (por ejemplo, 10 milisegundos ) , el DPA será capaz de maximizar el uso de agujeros, minimizar el desperdicio de recursos de radio, minimizar la latencia y evitar que los mensajes no enviados para se borren innecesariamente. Por otra parte, el circuito de control lento (por ejemplo, 1 segundo) necesitará solamente incorporar cambios donde las condiciones hayan cambiado lo suficiente y que garantice un cambio en la estructura de síntesis y optimización de los canales . Esta trama de tiempo depende más de cambios en el tráfico de entrada y el movimiento de los usuarios. La asignación de canales puede tener lugar independientemente o cooperativamente con otros nodos. El optimizador 40 y los asignadores 48, 50 miran conjuntamente los datos de ambiente espectral pronosticados, los recursos inalámbricos y la cola de mensajes para determinar si se requieren los canales requeridos pueden asignarse (es decir, ver alguna capacidad de canal no utilizada, pocos mensajes con buena latencia a fin de transmitir - 30 -y no demasiada actividad en el ambiente) o determinar si se comparte la información con nodos vecinos. Con base en esta información, el nodo puede decidir transmitir mensajes seguros en el conocimiento de que tiene más que la capacidad de canal adecuada para cumplir el requisito de QoS de mensajes. Esta es una asignación independiente. Este puede ser el caso especialmente cuando el nodo viene primeramente en un ambiente. Si cambian las condiciones ambientales (demasiados mensajes perdidos, actividad incrementada, menor capacidad de canal), el adaptador 52 cambiará los parámetros y utilizará retroaliment ación e intercambio de información con los vecinos. En este caso, el nodo utilizará información proveniente de sus vecinos para asignar canales equitativamente (en cualquier instrucción de prioridad) y asegurará que los nodos en la red puedan tener algunas oportunidades para transmitir. A esto se la llama asignación cooperativa. La Figura 4 indica (en el bloque punteado, ligeramente sombreado) , la funcionalidad de MAC de ulti-Usuario (MÜMAC) implicada en la determinación si debe utilizarse - 31 -el modo independiente o cooperativo en el proceso de optimización. En general, el adaptador proporciona adaptación dinámica a las condiciones ambientales al determinar el mejor modo (por ejemplo, independiente, cooperación, entre) y el uso óptimo de los recursos. Las Figuras 5A a 5B ilustran una funcionalidad de DPA a manera de ejemplo. Las Figuras 5A a 5B muestran la metodología utilizada por el DPA para ver los agujeros en su ambiente, sintetizar los agujeros en canales de comunicación, optimizar las configuraciones de mejor canal, asignar canales y finalmente mapear los canales en mensajes y recursos de radio para propósitos de comunicación. En esta ilustración, una cuadricula de 2D de los agujeros muestra el funcionamiento del DPA. Las Figuras 5A a 5B representan cada una de ellas un tiempo de 25 milisegundos . La caja central, oscuramente sombreada, en cada cuadrícula representa un uso actual en una banda de frecuencias y tiempo particular por un no usuario. Las cajas ligeramente sombreadas son agujeros que no son detectados, mientras que las cajas que contienen letras mayúsculas son - 32 -aquellas que fueron detectadas y pronosticadas por el DPA. Para propósitos de explicación, un nodo es capaz de detectar veinte agujeros de espectro disponibles en un ambiente de tiempos de 25 milisegundos . Ocho de los veinte se descartan por una variedad de razones (por ejemplo, tiempos demasiado breves, historia pasada, etc.) en el pronosticador 36 y los doce agujeros restantes se utilizan para la combinación en canales. El sintetizador 38 crea seis canales comprendidos sea de dos agujeros por canal o un agujero por canal (Figura 5B) . El optimizador 40 mira los canales sintetizados y determina que las condiciones ambientales permitirán utilizar los seis agujeros (Figura 5C) . Cuatro de los agujeros se utilizarán primeramente con base en sus características y dos se utilizarán como sistema de soporte. Los canales de sistema de soporte ayudan a la adaptación - si las comunicaciones o cualquiera de los primeros cuatro parecen ser usuarios no exitosos o asignados, después conmuta a los canales de sistema de soporte. El asignador 48 mapea el primer mensaje a los dos agujeros y los mensajes - 33 -segundo y tercero a los otros dos agujeros (Figura 5D) respectivamente. La transmisión de los mensajes uno y dos es exitosa, pero el mensaje tres no lo es y consecuentemente el asignador se adapta al re- transmitir exitosamente utilizando uno de los canales de sistema de soporte (Figura 5E) . En la conclusión de esta rutina, se han utilizado cinco canales exitosamente la comunicación. Durante este periodo de tiempo, hubo un usuario asignado en el ambiente espectral sembrado por el nodo. Suponiendo que un periodo de tiempo de alrededor de 100 milisegundos (cuatro tramas de 25 milisegundos) , hubo solamente una y el mismo usuario en una banda asignada en el ambiente y la aplicación fue capaz de utilizar repetidamente y exitosamente cinco de los veinte agujeros en cada trama de 25 milisegundos, después el incremento general en la utilización del espectro utilizando el DPA es veinte veces. La Figura 5? ilustra el pronóstico (aspecto Cognitivo) . La cuadricula muestra el cálculo de Pronóstico del cual estarán disponibles los agujeros de espectro para la - 34 -transmisión en la siguiente trama de tiempo (un largo de 25 milisegundos ) . Cada agujero se caracteriza por la frecuencia y la duración (por ejemplo, BW de 20 MHz a 880 MHz durante 5 milisegundos) . Otras características de canal tales como el nivel de energía pueden incluirse también para proporcionar un mayor grado de control. Por simplicidad, suponemos que los agujeros se repiten a si mismos periódicamente como se muestra por la cuadrícula. La Figura 5B ilustra la síntesis. El DPA sintetiza después los agujeros en canales. Estos canales sintetizados se ilustran con bordes gruesos en la figura. El sintetizador combina los agujeros A&D en el canal 1 y B&E en el segundo mientras deja C, H e I como agujeros individuales que son llamados canales. La Figura 5C ilustra la optimización (primer nivel de Softstate) . Esta parte del DPA mira la utilización de esos canales que pueden proporcionar las comunicaciones más eficaces con recursos mínimos. La densidad de agujeros y las condiciones en el ambiente son suficientemente ligeras para que el Optimizador se asigne todos los canales a si mismo. Al final de la rutina - 35 -de Optimización, se determina que B&E, H, I son los mejores canales y deben utilizarse primeramente mientras que C y K son los canales de acceso aleatorio (sistema de soporte) a utilizarse, si es necesario, para cumplir los requisitos de QoS . Los demás canales no son satisfactorios para su uso al instante y se descartan. Los bordes dobles y las letras subrayadas en las cajas representan el conjunto optimizado de canales. La Figura 5D ilustra la asignación (segundo nivel de Softstate) . El DPA comunica utilizar los agujeros B y E para el primer mensaje y después utiliza H para el segundo mensaje e I para el tercer mensaje. No se recibe ningún reconocimiento para el tercer mensaje enviado por I, de modo que se utiliza C para re-enviar el mensaje y la comunicación es exitosa. De esta manera, se han utilizado 5 de los 12 agujeros disponibles para comunicar los mensajes en una trama de tiempo de 25 milisegundos . La Figura 5E ilustra la retroalimentación . Las fallas repetidas de transmisión por I se alimentan de regreso - 36 -mediante los circuitos de control y el agujero I es excluido de consideraciones en el futuro por el Sintetizador o el Optimi zador . El éxito al utilizar B, E, H y C les permite utilizarse como canales confiables (individualmente o en combinación con otros agujeros) a medida que ocurren . El pronosticador 36 aborda cómo calcular exitosamente la utilización espectral en' el ambiente. Intenta pronosticar rápidamente y con precisión las características de canal espectral de RF esp'acial-temporal , sobre una base casi continua, en la región geográfica de interés en un sistema inalámbrico. Utilizar las entradas de las funciones 34 de detección y caracterización que proporcionan características de uso espectral, calcula el futuro uso espectral. El pronóstico de agujeros se realiza en el espectro utilizado tanto por la comunicación por los sensores de RF, y señales tales como TV, comunicaciones militares, celulares de enlaces de datos y radares . El espectro asignado a los radares puede ser completamente no utilizado en grandes áreas geográficas. Además, el escaneo típico o los - 37 -radares por impulsos tienen ciclos de trabajo cortos y grandes agujeros temporales en el rango de frecuencias de operación. Estos agujeros podrían pronosticarse con un grado de confianza y utilizarse para la transmisión. Cuando se utilizan agujeros de espectro y temporales de radar, los efectos de los lóbulos laterales/lóbulos posteriores significativos se considerarán para asegurar que la energía en estos lóbulos laterales /lóbulos posteriores no adelgazan las transmisiones de datos. La utilización espectral es una función del tiempo, frecuencia, y ubicación. En cualquier instante, un solo usuario transmite una señal con un cierto ancho de banda y frecuencia central. Esa señal decae con la distancia desde la fuente de acuerdo con las condiciones locales de propagación. Por ende, en una ubicación particular en el espacio, los niveles de energía diferibles se encuentran presentes en las dimensiones de tiempo-frecuencia. Las observaciones se dividen en depósitos de tiempo que se clasifican como ocupadas o disponibles de acuerdo con algún conjunto de métricas (por ejemplo, nivel de - 38 -energía, ciclo de trabajo, etc) . La energía observada se calcula para cada depósito al escanear el ancho de banda de canal definido para el periodo de muestreo especificado. Este nivel de energía se compara con un umbral de nivel de energía especificado y todo el ancho de banda de observación se clasifica como "ocupado" o "disponible" para la duración de muestras. Este proceso representa el primer procedimiento para seleccionar agujeros que se sintetizan después en canales para la transmisión de señales . Refiriéndose a la Figura 6, el uso espectral observado que se detecta y caracteriza es alimentado al pronosticador 36 en el punto A. Después, la clasificación de los agujeros de espectro observado se realiza para determinar si el compartimiento es de naturaleza determiní s ti ca , estocástica o mixta. Con base en la clasificación, los datos de agujero observados se alimentan al tipo de modelo apropiado. El tipo de modelo permite parámetros específicos que describan más completamente las características de la forma de onda (por ejemplo, ciclo de trabajo, amplitud, etc.) a fin - 39 -de extraerse en el punto B y de alimentarse en un calculador de secuencias. El calculador de secuencias pronosticará el comportamiento de la forma de onda para un determinado intervalo de tiempo en el futuro, con base en observaciones pasadas. La secuencia calculada resultante y una medición de la confianza en el cálculo se generan en el punto C para cada modelo. Observe que para algunos modelos de clasificación, la etapa de extracción de parámetros se salta a favor de cálculos de secuencia inmediata. Las diferentes secuencias calculadas y los indicadores de confianza se alimentan en un selector de modelos para entregar los huecos de tiempo pronosticados en el canal en el punto D. El pronos ticador 36 se enfocará en la identificación de los diferentes tipos de modelo de pronóstico, evaluar la precisión de pronósticos para diferentes características de uso de canal subyacente, identificar los cálculos apropiados de confianza, y desarrollar métodos para seleccionar el método apropiado. Las clases de modelos de pronóstico (tipos de modelo) incluyen lo siguiente: · Técnicas sencillas "basadas en la - 40 -inercia" que rastrean el ciclo de trabajo de la utilización de canal sobre una escala de tiempos de al menos varios segundos y suponen que "un canal en uso tiende a permanecer en uso" y
"un canal en reposo tiende a reposar". La decadencia exponencial con un solo parámetro, que se puede sintonizar, es un simple ejemplo aquí, el cual puede utilizarse para la reducción de huecos de tiempo . • Las técnicas periódicas que suponen el uso periódico del espectro sobre alguna escala de tiempos a fin de permitir un compartimiento del espectro. Un ejemplo donde esto seria aplicable es con radares escaneados de manera azimutal con base en tierra. • Técnicas basadas en filtros donde la serie de tiempos de disponibilidad de espectro se filtra digitalmente para extraer parámetros clave que pueden utilizarse a fin de pronosticar los futuros valores. Las velocidades de intervalo o tramas y sub-harmónicas - 41 - pueden acoplar bien este tipo de modelo . • Los métodos de pronóstico de series de tiempo que se han utilizado para pronosticar exitosamente los futuros valores de series complejas de tiempo con base en observaciones pasadas. Los intervalos de TDMA compleja asignada pueden rastrearse utilizando este tipo de modelo . • Técnicas espectrales donde la información sobre la forma espectral y/o el ancho de banda se utiliza para mejorar los valores de pronósticos y evaluar la confianza referente a la velocidad de cambio de disponibilidad de espectro. Esto es particularmente útil donde se comprenden mejor las variaciones espectrales . Los espectros de canales de TV pueden pronosticarse mejor utilizando esta técnica (dentro de algunos limites de incertidumbre ) . El rendimiento del pronos ticador 36 se basará en el concepto de errores de pronóstico de huecos de clasificación en "colisiones" (es - 42 -decir, huecos pronosticados no existente) y "oportunidades faltantes" (es decir, fallas para pronosticar agujeros disponibles) . Dado que el principal objetivo es maximizar el uso espectral mientras se minimiza el impacto a los usuarios de espectro existentes, las colisiones y oportunidades fallidas necesitan cambiarse unas por otras. Con objeto de evaluar el rendimiento del modelo, la probabilidad de colisiones y oportunidades fallidas necesita medirse contra un amplio rango de comportamiento de tiempo-espectro. Los cálculos de confianza se desarrollarán con base en una combinación de "bondad del ajuste" de las observaciones a las suposiciones de cada tipo de modelo (por ejemplo, para un modelo periódico, el hueco varia su longitud) y las mediciones de rendimiento de colisión/oportunidad fallida. Los cálculos de confianza disminuirán monótonamente como una función de cómo se pronostica en avance la disponibilidad de canal. Las técnicas de pronósticos intentarán incorporar el historial de uso espectral a largo plazo y a corto plazo para mejorar la precisión de pronóstico del modelo y reducir la carga - 43 -computacional . Cuando existe poca información de uso de canal disponible tal como durante la iniciali zación , se necesitarán múltiples tipos de modelo para caracterizar el comportamiento de huecos espectrales. A medida que hay más información de canal disponible, solamente necesitan utilizarse tipos específicos de modelos para permitir una convergencia más rápida con las características apropiadas. Esta metodología de análisis evaluará la utilidad de diferentes clases de algoritmos de pronóstico de huecos y proporcionará cálculos de seguridad para diferentes características de uso de canal a fin de facilitar la selección del modelo. El sintetizador-optimizador (S-O) 38,40 forma el núcleo del DPA. Refiriéndose a la Figura 7, el papel clave de este componente es empaquetar los agujeros pronosticados en canales que pueden utilizarse para propósitos de comunicaciones y después optimizar los canales como dedicados, de tipo de acceso aleatorio o híbridos para cumplir dinámicamente las necesidades de comunicación anticipadas. El optimizador 40 decide también el tipo de negociaciones - independientes o cooperativas - 44 -que necesitan realizarse con los vecinos en la red para obtener la mejor utilización de recursos. El empaquetamiento de la información a comunicarse se realiza utilizando el método de Transmisión de Meta-Acceso mientras que la decisión sobre qué condiciones requirieron la operación o cooperación independiente con usuarios amigables se realiza por MUMAC (MAC de Multi-Usuario) . El S-0 38,40 representa el motor de adaptación básica del DPA. El pronos ticador 36 proporciona una lista de agujeros, identificados cada uno de ellos por una frecuencia especifica, ancho de banda, y medición de tiempo. Consecuentemente, un agujero espectral podría consistir de un Ancho de Banda de 10 MHz en el espectro de 900 MHz (900-910 MHz) que no se utiliza durante 10 milisegundos y que se ocupa durante los otros 90 milisegundos por los usuarios asignados en una trama de tiempo de 100 milisegundos. Las mediciones de tiempo varían de puramente determiní sticas (por ejemplo, tiempo inicial específico y duración del siguiente agujero) a puramente aleatorias (por ejemplo, velocidad esperada de ocurrencia de agujeros, duración - 45 -esperada más corta de un agujero) . Los híbridos proporcionan opciones intermedias (por ejemplo, tiempos iniciales específicos y alternos con desbloqueos si hay colisiones) . El sintetizador 38 de canal empaqueta estos pronósticos de frecuencia individual en pronósticos de canal -estos incluyen una lista de frecuencias a utilizarse (por ejemplo, secuenciales , simultáneas, mixtas) , el ancho de banda a utilizar en cada una, y las oportunidades de tiempo relevantes. Esto se realiza mediante un proceso de acoplamiento de patrones - buscando la combinación específica de recursos disponibles en un cierto periodo de tiempo y que aparece en un patrón que proporciona el rendimiento necesario. Las capacidades de radio específicas y los factores ambientales a priori y/o observados se utilizan para sintetizar las listas de canales utilizables. Además, el sintetizador 38 debe adaptarse a las necesidades y observaciones de QoS obtenidas mediante la retroalimentación en diversos canales. Un canal asignado en el cual no ocurren transmisiones exitosas en un número sucesivo de intentos es eliminado del uso actual. Un agujero no en la lista de asignación de canal no es utilizado. Un planteamiento eficaz de configurar los agujeros disponibles y pronosticados en canales examina las caracteristicas de cada agujero y determina sus capacidades. Con base en las caracteristicas de agujero, se agruparán uno o múltiples agujeros en canales a utilizarse en el proceso de Optimización. El proceso se describe a continuación: Designar las salidas (secuencia de agujeros) del pronosticador como fj..n(t) . Los canales de comunicaciones se encuentran compuestos de combinaciones especificas de estos agujeros en tiempos específicos. Pueden ser apropiados diversos planteamientos a los canales de sintetización . Liso y llano, cada agujero individual, fi es tomado como un canal, y disponibilidad es como se pronostica. Esto es claramente el conjunto más sencillo de lógica de decisión aplicable a esta función. Sin embargo, frecuentemente es más eficaz para propósitos de rendimiento a fin de asignar múltiples agujeros. Por lo tanto, el siguiente nivel de complejidad considerará las combinaciones de dos o más agujeros {fi) , pero son coincidentes en tiempo.
- 47 - Además, cada f¿ es un miembro de solo un conjunto. La disponibilidad de canal especifico se determina después por la combinación sencilla de f± en el conjunto (Ecuación 1) :
El uso óptimo del espectro se alcanza al considerar combinaciones múltiples de fir y utilizar compensaciones temporales.
Consecuentemente, flr podría utilizarse para los primeros 12 µe de un canal, seguido de f2 durante un periodo, etc. Además, considere utilizar fx en combinación con un cierto número de otros elementos no exclusi amente, aplazando hasta un momento posterior la decisión de qué uso es óptimo. Este planteamiento más general aporta la · complejidad combinacional para alcanzar pot encialmente un mejor uso espectral. El optimizador 40 mantiene una lista de canales (comprendida de agujeros individuales o conjuntos de agujeros pronosticados) para su uso por la radio. La función primaria del optimizador es para asegurar que los canales adecuados se encuentran disponibles al asignador - 48 -a fin de mantener la QoS. Asigna canales como dedicados, acceso aleatorio o híbridos con base en restricciones de QoS, historia pasada y otros criterios. La sub-asignación de canales por el optimizador reduce la QoS local (nodal) debido a las transmisiones parciales o la eliminación de mensajes debido a la expiración de tiempo. La sobre-asignación de canales dedicados dará como resultado una QoS menor del sistema general dado que todos los nodos pueden comunicarse simultáneamente e incrementarán las colisiones. Refiriéndose a la Figura 8, se ilustra el planteamiento de circuito cerrado utilizado por el optimizador 40 para categorizar los canales sintetizados en diferentes tipos. El planteamiento se basa en varios elementos asociados y es clave para el funcionamiento del DPA. Las suposiciones fundamentales en este planteamiento son que 1) la velocidad del mensaje y la llegada del agujero son en general aleatorias, y 2) el estado de todas las colas de mensajes de nodos vecinos no es conocida globalmente con suficiente detalle. Por lo tanto, la optimización global en tiempo real del uso de canal (agujero) sería demasiado complejo - 49 -y requerirla bastante tiempo para intentarse. El objetivo primario del control global, y del optimizador 40, es lograr QoS en el envió de mensajes como se determina por los parámetros de latencia de mensajes. La meta es alcanzar esto mientras se mantiene el uso eficaz de ancho de banda disponible, y permitir alguna degradación gradual en el rendimiento a medida que se alcanza la demanda y excede la capacidad general . La operación básica del optimizador 40 es ajustar dinámicamente la capacidad de canal dedicada solicitada, nD y se ejemplifica por la ecuación en la Figura 8 (caja de Demanda de Canal Dedicado) . Aqui, la demanda se ajusta dinámicamente con base en la velocidad media del ingreso de mensajes en la cola sobre algún periodo de tiempo, y aumentarse por la reserva de mensajes en la cola. El optimizador 40 determina después un conjunto de canales que en agregado cumplirá esta capacidad. Con base en las características de canal y otros factores, un canal puede ser dedicado (es decir, utilizar primeramente para la transmisión) o de acceso aleatorio (es decir, utilizar solamente si es - 50 -necesario) . Esta determinación de acceso dedicado vs . aleatorio se realiza independientemente o puede incluir información de nodos vecinos - cooperativamente. Muchos agujeros y pocos mensajes permitirían la operación independiente por cada nodo sin la sobrecarga adicional de cooperación, mientras que menos agujeros necesitarían algún grado de compartimiento de información cooperativa entre vecinos para asegurar la equivalencia y mantener el rendimiento. Los equilibrios que implican la capacidad de sobrecarga utilizada en el intercambio de información existen, de manera que se prefieren las técnicas de selección y asignación de canal inteligentes que funcionan en modo independiente o con poca sobrecarga. En el caso de la asignación independiente de canales a recursos y mensajes, puede surgir una condición por el nodo que tiene múltiples canales con las mismas características o similares a fin de seleccionar la comunicación y los recursos podrían utilizarse intentado determinar el mejor de estos canales. El proceso para seleccionar los canales óptimamente - 51 -puede designarse para seleccionar aleatoriamente casi igualmente los canales buenos (y agregar los efectos inerciales para minimizar cambios inútiles ) . El método de Transmisión de Meta-Acceso se utiliza para empaquetar la información (por ejemplo, mensajes, datos, información de canal, etc.) eficazmente y eficientemente. Como parte de esta transmisión, la información sobre el ambiente (por ejemplo, canales disponibles, utilizados, cola de mensajes, etc.) puede agregarse a los datos de mensaje. Esto permitirá una menor sobrecarga en términos de alertar al receptor a qué está viendo el emisor, ayuda en una futura programación, reducir el tiempo y recursos necesarios y agujeros de canal, pero se realiza solamente cuando las condiciones ambientales requieren asignaciones de canal cooperativo. El método de la presente invención permite la transmisión de información para adaptarse dinámicamente y también es capaz de acoplar el mejor protocolo de componente para la forma de onda actual, lo cual puede incluir SDMA, DDMA , CSMA, T DMA , BAMA, y CDMA u otros - 52 -protocolos. La Figura 9 ilustra una trama de muestra para el Método de Meta-Acceso para transmitir información. El esquema permite el uso tanto de métodos de asignación como de contenido para decidir cómo transmitir mejor la información . El método de Meta-Acceso puede utilizar canales de acceso dedicado o aleatorio para propósitos de transmisión. Incorporados en el protocolo se encuentran los bordes de retraso de acceso y los abastecimientos para evitar la inestabilidad. Esto permite una mayor reutilización de ancho de banda espacial. El rendimiento de este método es directamente dependiente del número de nodos móviles en la red. El protocolo decidirá si utiliza las transmisiones de emisión o uniemisión con base en criterios diferentes tales como canales disponibles, éxitos /fallas anteriores, tráfico de mensajes, niveles de QoS, latencia, etc. Por lo tanto, el apoyo tanto para el tráfico punto a punto como multi-punto de manera unificada será parte de este método. La capacidad de representar correctamente las posibilidades de canal, - 53 -iniciar las comunicaciones y utilizar la retroalimentación de rendimiento para seleccionar cognitivament e un programa mientras se incluye un intercambio cooperativo de información de programación con otros nodos impactará directamente el rendimiento de la radio asi como también el uso de los recursos para comunicaciones. Refiriéndose a la Figura 10, se ilustra una estructura MAC de muíti-usuario que permitirá el adaptador 52 a fin de decidir dinámicamente cómo comunicarse con otros nodos en la red. El optimizador 40 observará diferentes factores tales como las condiciones ambientales, recursos inalámbricos y cola de mensajes para decidir si necesita o no necesita negociar con los nodos vecinos respecto al canal de acceso. En el caso de las asignaciones esperadas, sin conflictos, y los múltiples canales posibles, el optimizador 40 decidirá transmitir la información a un nodo vecino sin realizar coordinación alguna. Si este método tiene éxito y las condiciones ambientales cambian lo suficientemente lento para rastrearse, el optimizador continuará siguiendo - 54 -esta trayectoria. Esto dará como resultado el uso eficaz de los recursos y el espectro. Este modo se identifica como operación independiente. En el modo independiente, los agujeros de acceso dedicado serán los utilizados primeramente para las comunicaciones y después los agujeros de acceso aleatorio. Como las condiciones ambientales cambian (por ejemplo, la densidad de agujeros comienzan a disminuir o falla al comunicarse y se incrementan las solicitudes de retransmisión) , el optimizador 40 comenzará a coordinar con nodos vecinos. Hará esto de dos maneras - modos semi-cooperativo y completamente cooperativo. En el caso anterior, el optimizador anexará la información de agujeros de espectro observada en su ambiente cooperativo local a los mensajes a transmitirse. El optimizador puede solicitar también alguna información a enviarse de regreso desde el receptor como parte de un reconocimiento. Este método de sobrecarga baja para intercambiar información le permitirá al optimizador 40 comprender las condiciones en otras partes de la red y realizar mejores decisiones referentes al - 55 -uso de los agujeros de espectro y recursos inalámbricos para las comunicaciones. En este modo, el optimizador puede decidir utilizar solamente porciones de sus agujeros de acceso dedicado y permitirle a otros nodos utilizar algunos de ellos. También puede decidir incrementar el uso de agujeros de acceso aleatorio para disminuir las latencias en la red . El optimizador 40 conmutará a un modo completamente cooperativo cuando se observa una disponibilidad de agujeros significativamente decreciente. En este modo, el conocimiento local de los agujeros de espectro y las "intenciones a transmitir" se enviarán a los nodos vecinos e información enviados de regreso por los nodos vecinos se utilizarían para determinar un compartimiento equitativo de los agujeros de espectro. Este intercambio de información de agujeros de espectro permitirá que cada nodo determine cuáles agujeros deben dedicarse y cuáles deben ser de acceso aleatorio para cada uno. En este modo, los agujeros dedicados se utilizan siempre primeramente, dado que la distribución de agujeros dedicados a - 56 -diferentes nodos se ha completado, la probabilidad de colisión será muy baja. Puede realizarse el uso cuidadoso de agujeros de acceso aleatorio, dado que ocurrirán las oportunidades de colisión y el consecuente desperdicio de recursos debido a que muchos de los nodos deciden utilizarlos simultáneamente. El optimizador 40 utilizará el método de Meta-Acceso descrito para decidir cómo debe empaquetarse la información de programación con otra información de mensajes en el modo semi-cooperativo. Sin embargo, cuando el optimizador 40 conmuta al modo completamente cooperativo, también utilizará el formato de método de Meta-Acceso para empaquetar la información exclusivamente en agujeros que observa y cómo los utilizará para las comunicaciones. La estructura MAC de muí ti-usuario soportará tanto las comunicaciones de uniemisión y multi-emisión . El intercambio de información en ambos modos de Emisión y Uniemisión se codificará en un formato comprimido que representa oportunidades de transmisión disponibles con respecto al tiempo, frecuencia, energía y otros parámetros. La Emisión se - 57 -utilizará cuando se requieren las comunicaciones de mult i-punto para redes escasas, mientras que la uniemisión se utilizará para apoyar rápidamente las comunicaciones punto a punto de sobrecarga baja. Refiriéndose nuevamente a la Figura 4, los asignadores 48, 50 tienen dos funciones primarias: 1) acoplar los canales con los mensajes, y 2) determinar los parámetros de forma de onda específicos a utilizarse para cada transmisión. Nuevamente, la estructura de Toma de Decisiones se utiliza para determinar las mejores posibilidades de acoplamiento y mapeo. Los asignadores 48, 50 buscan solucionar los siguientes retos: 1) Los canales se traslapan tanto en tiempo como en frecuencia. 2) La selección de canal implica una escucha continua (olfateo y retroalimentación) para identificar las condiciones cambiantes de canal. 3) Los canales seleccionados para su uso pueden ofrecer menos que la QoS esperada debido a un cierto número de factores temporales que incluyen el uso - 58 - simultáneo por los nodos adyacentes y la posible interferencia de los dispositivos no cooperativos. Las combinaciones de canal se utilizarán para proporcionar la mejor QoS posible bajo las condiciones de carga ambiental pesada . El Asignador 48 de Adelantamiento (LAA) mapea el conjunto actual de mensajes con prioridad a los canales disponibles en las siguientes una o dos tramas de 20 milisegundos y los recursos de radio que pueden requerirse para realizar una comunicación exitosa. Este mapeo es de naturaleza tentativa y consecuentemente no siempre es necesario un mapeo óptimo. En general, los canales de transmisión son estocásticos , algunas transmisiones de mensajes pueden fallar, y pueden llegar mensajes adicionales de alta prioridad en la trama de interés. Este mapeo tentativo se utiliza para determinar dos conjuntos claves de datos - uno: canales específicos de interés donde deben detectarse las capacidades de transmisión, y dos: los parámetros de RF general y la estrategia de selección de canal a emplearse.
- 59 - El LAA 48 recibe la entrada proveniente del optimizador 40 y también mira la cola 44 de mensajes y crea un mapeo entre los canales de comunicaciones y los mensajes. Este mapeo puede ser uno a uno (un canal a un mensaje) , muchos a uno (varios canales para un mensaje) y muchos a muchos (múltiples canales para múltiples mensajes) . Los últimos dos casos son de interés especial porque el papel del LAA 48 es de naturaleza más estratégica. El LAA 48 funciona para asegurar que el asignador 50 actual puede adaptarse rápidamente a las cambiantes condiciones ambientales tales como ausencia de un canal pronosticado, fallas repetidas a transmitir, re-transmitir solicitudes, etc. Al proporcionar un conjunto mayor de posibilidades a utilizar, la capacidad adaptable asi como también la flexibilidad de softstate de la radio-a s ignador se mejora significativamente. Esta técnica proporciona una eficacia creciente en la utilización dinámica del espectro. El LAA 48 re-calcula constantemente el número de canales necesarios para cumplir los requisitos de la cola de mensajes. De esta manera determina muy rápidamente si los mensajes - 60 -se están formando en colas demasiado rápido y necesita alertar al optimizador 40 a cambiar la estructura de partición de los agujeros de acceso dedicado vs. los agujeros de acceso aleatorio mediante la negociación con los nodos vecinos. El número de canales necesarios para un determinado tamaño de cola mensajes puede calcularse por la ecuación 3:
2(1-A ~Pi --- / iA1-A ~Pi ---Pk)
donde NQk es el número de mensajes en la cola de mensajes de la clase de prioridad k, Ak es la velocidad de llegada de los mensajes de la clase de prioridad k, x2 es el segundo momento promedio del tiempo de servicio para procesar las solicitudes de clase k, y p¿ es la utilización de sistema para la clase de prioridad k. La suposición subyacente aqui es que el proceso de asignación no tiene derecho preferente. Sea C quien denota el número total de canales disponibles para el LAA 48 como se proporciona por el optimizador, y sea M el tamaño de la cola de mensajes como se define por la ecuación 4 : 61 -
M=?N? (4 =1
Después, siempre y cuando C=M, no habrá caída de los mensajes. La suposición aqui es que cada mensaje requiere un canal dedicado o aleatorio. En caso de que C<M, será probable que algunos mensajes (con baja prioridad o niveles de QoS que son difíciles de cumplir) puedan no estar asignados a un canal en todos los retrasos o afrontar retrasos excesivos, y como resultado puede caerse. Sin embargo, la arquitectura de DPA permite la sintonización de los parámetros de manera tal que puede minimizarse la probabilidad de caída de un mensaje de la cola de mensajes. Esta sintonización se logra mediante los circuitos de retroalimentación rápido y lento que son siempre cognitivos de los cambios en el ambiente y ajustan la síntesis y optimización de los canales . El LAA 48 supone que las listas de canal (acceso dedicado y aleatorio) proporcionadas por el optimizador 40 cumplen algunos niveles de SIR y de QoS. La - 62 -arquitectura de DPA es lo suficientemente flexible para permitir una partición dinámica del total de canales en diferentes depósitos, donde cada depósito se selecciona como objetivo para una aplicación especifica, por ejemplo, una aplicación tolerante a los retrasos o intolerante a los retrasos. Refiriéndose a la Figura 11, se ilustra un algoritmo para la arquitectura de LAA. El algoritmo realiza los siguientes pasos: • Mirar la cola de mensajes para recoger el mensaje adecuado. • Acoplar los canales asignados a los mensajes. Solicitar más canales provenientes del Optimizador si es necesario . • Aplicabilidad de un canal C(k) al mensaj e M ( k) . • Si se encuentra un buen acoplamiento, entonces se etiquetan el canal y el mensaje. Si el acoplamiento no es muy bueno, entonces junto con el etiquetado, se proporciona una clasificación. • Los mapeos de canal -mensaj e se le - 63 - envían al CA. • La estructura de lista de LAA se actualiza con los ajustes de mapeo que fueron al C . El Asignador de Canal Actual (CA) 50 proporciona el mapeo final de mensajes a los recursos de radio de manera tal que los objetivos del sistema general se cumplen de mejor manera o son aproximados. El CA 50 calcula los parámetros óptimos dada la memoria intermedia de mensajes actual y todos los posibles agujeros que pueden ser el siguiente a utilizar. La meta del asignador de canales dentro de la arquitectura de DPA es que debe maximizar el número de usuarios satisfechos dentro del ancho de banda de radio disponible. Este CA 50 funciona eficazmente con requisitos de QoS de tráfico y utiliza aquellos que jerarquizan la transmisión. Dada la menor capacidad a la demanda, el CA puede ser incapaz de asignar equitativamente recursos para todas las necesidades de transmisión. En el extremo, pueden dejarse algunos mensajes en la memoria intermedia de mensajes y expirará el tiempo. Esta condición se detecta por una gran - 64 -diferencia entre la capacidad dedicada de corriente y la demanda tanto pico como promedio. A medida que el espectro se pone disponible, el control de Nivel 1 se ajustará incrementando la asignación de agujeros dedicada. La combinación del control de circuito rápido (por ejemplo, 10 ms) y el control de circuito lento (por ejemplo, 1 segundo) proporciona un balance entre optimizar la QoS y satisfacer el proceso para proporcionar un acceso equitativo a todos los nodos y mensajes. El algoritmo básico para el CA 50 examina los pares etiquetados de mensajes recibidos provenientes del LAA 48 y se acopla al par de recursos inalámbricos requeridos (forma de onda, modulación, codificación, etc.) a fin de completar una comunicación exitosa. Después solicita la radio para transmitir los datos por el canal asignado. Si la comunicación no tiene lugar, debido a varias razones posibles, por ejemplo, se cambian las características de RF de canal, no estuvo disponible un canal pronosticado, la calidad de canal se deterioró, etc. Después, el CA 50 determina si hay otros canales alternos que pueden cumplir los - 65 -requisitos de QoS de mensaje sin que expire el tiempo. Si puede, entonces tiene lugar la reasignación de un canal y se actualizan las listas en el CA y el LAA. Si fracasa esa posibilidad, el mensaje se cae de la cola. El sintetizador 38, el optimizador 40 y el LAA 48 son alertados de este (os) evento (s) , de manera que las alteraciones pueden realizarse en la conformación del canal y la asignación para futuros intentos de comunicación. Refiriéndose nuevamente a la Figura 1, la red para la utilización dinámica de recursos dinámicos incluye interfases abiertas que permiten el compartimiento de los recursos . Además, la red tiene capacidades de facturación y autenticación y una base de datos compartida. Para modelar el uso de recursos inalámbricos, se requiere un conocimiento predeterminado del uso de recursos existentes en una ubicación y base de tiempo. También se requiere información sobre las dependencias de frecuencia, espacial, y temporales para modelar los balanceos y asignación de recursos inalámbricos utilizando los sistemas existentes. Las terminales inalámbricas 10 pueden - 6 6 -ser radios adaptables capaces de manejar anchos de banda grandes y múltiples protocolos - La red tiene la capacidad de asignar los recursos sobre una base de demanda utilizando radios capaces de manejar diferentes protocolos y que proporcionan un centro de información para bases de datos compartidas . Aunque se ha ilustrado una modalidad preferida de la invención en los dibujos acompañantes y se describe en la descripción anterior, se comprenderá mejor que la invención no se encuentra limitada a las modalidades descritas, pero es capaz de numerosas reconfiguraciones y modificaciones de partes y elementos sin aislarse del espíritu de la invención .