WO2011128464A1 - Procedimiento y sistema para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos - Google Patents

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WO2011128464A1
WO2011128464A1 PCT/ES2010/000161 ES2010000161W WO2011128464A1 WO 2011128464 A1 WO2011128464 A1 WO 2011128464A1 ES 2010000161 W ES2010000161 W ES 2010000161W WO 2011128464 A1 WO2011128464 A1 WO 2011128464A1
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node
time
frame
link
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PCT/ES2010/000161
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Inventor
Francisco Barceló Arroyo
Marc Ciurana Adell
Israel Martín Escalona
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Universitat Politècnica De Catalunya
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04W4/025—Services making use of location information using location based information parameters
    • H04W4/027—Services making use of location information using location based information parameters using movement velocity, acceleration information

Definitions

  • the present invention concerns, in a first aspect, a method for calculating distances between wireless nodes, from the calculation of round trip time, or RTT (acronym for the English terms "Round Trip Time”), between sending and receiving of frames or data packets, and more particularly to a procedure that comprises calculating said round trip time by providing and using software layers in a node to be positioned.
  • RTT round trip time
  • a second aspect of the invention concerns a system for calculating distances between wireless nodes comprising a wireless node to be configured configured to implement the method proposed by the first aspect.
  • the invention has, among other applications, those relating to mobile communications, geolocation and telematic engineering.
  • the calculation of the arrival time of packets transmitted or received in a node is a vital process in positioning through multilateration systems.
  • the proposed procedures can be classified into two large groups: hardware and software solutions.
  • the first of the groups includes those solutions in which to achieve measurements of arrival times in wireless network nodes, the hardware modification of said nodes is carried out. This ensures that the measurements are taken at the precise moment in which the frames are received or transmitted by the network node.
  • the main drawback of this type of approach for the calculation of arrival times is that, by requiring hardware modifications, they are not applicable to conventional network devices and therefore cannot be applied directly to already deployed communications systems.
  • the second of the groups of solutions for the calculation of arrival times is based on the modification of the software that governs the node, using the existing hardware capabilities for the calculation of time stamps. Most of these solutions are based on temporarily marking the transmission of a packet to a reference node and the subsequent reception of that packet (or other response) to the origin node (RTT). To do this, they proceed to alter the link level of the protocol stack of the device, opting for different strategies each.
  • the present invention constitutes said alternative software solution, by providing a method and a system for calculating distances between wireless nodes, and is included in an alternative software approach to that described in the previous section consisting of modifying the device at the level of interruption, capturing the flow of operations and altering it to capture the RTTs.
  • This alternative software approach allows greater independence over the hardware and wireless system used, the realization of temporary markings in both transmission and reception, and the possible use of alternative clock signals to make said temporary marks.
  • the present invention concerns a method for calculating distances between wireless nodes, which comprises, in a manner known per se:
  • the response data frame contains recognition information that the reference node has received the request data frame, or is the same request data frame, reflected in the reference node, although the procedure proposed by the The first aspect of the invention is applicable to any other kind of response data frame.
  • the procedure proposed by the first aspect of the invention comprises, in a characteristic way, in order to determine said round trip time in the node to be positioned:
  • - provide, in the node to be positioned, a time marking software layer above the physical layer, in an OSI stack, and use it to assign, and register, time stamps to at least part of the data frame inputs and outputs , received and sent by the node to position;
  • the procedure proposed by the first aspect of the invention comprises, for an embodiment example, performing the following steps sequentially:
  • the method comprises, according to an exemplary embodiment, performing the following steps sequentially:
  • linking software layer uses the linking software layer to capture the received response data frame, once processed by the linking software layer, to access the registered time stamp assigned by the temporary dialing software layer, and to link them together.
  • the method proposed by the first aspect of the invention comprises, for a Preferred embodiment example, to obtain said time stamps, use a clock of the node to be positioned independent of that used by the link software layer, and of greater precision.
  • the method comprises, to obtain the time stamps, use the same clock of the node to be positioned used by the link software layer.
  • the time-marking software layer is arranged, in the OSI stack, between the physical layer and the link software layer.
  • the linkage software layer it is, for an exemplary embodiment, arranged in the OSI stack, at the same level as a protocol stack software layer.
  • the method comprises, in general, carrying out said data frame processing by means of a network interface controller contained in the link software layer
  • the aforementioned assignment of time stamps to data frame inputs and outputs comprises associating a time stamp to each hardware interrupt, representative of a respective data input or output, related to the network interface of the node a position
  • the method proposed by the first aspect of the invention comprises, for an exemplary embodiment, performing a plurality of steps a) and b), and a step c) comprising calculating the time elapsed between sending each stage a) and receiving of each stage b), to obtain a plurality of round trip times.
  • the method comprises performing, in the node to be positioned, according to an embodiment example, a subsequent stage of filtering and storing the round trip times.
  • step d) comprises filtering and calculating the distance between both wireless nodes from a subset of the round trip times stored in the node to be positioned.
  • the method comprises performing steps a) to d) to calculate the distance between the node to be positioned with respect to a plurality of reference nodes, and supplying the distance values calculated in step d) to an application of user capable of executing a multilateration algorithm.
  • a second aspect of the invention concerns a system for calculating distances between wireless nodes comprising a wireless node to be configured configured to implement the method proposed by the first aspect.
  • Fig. 1 is a schematic representation that includes the wireless node to be positioned of the system proposed by the second aspect of the invention, the reference node, and paths of data sent and received at certain times, according to the procedure proposed by the first aspect of the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of the OSI stack of the node to be positioned, modified according to the procedure proposed by the first aspect of the invention, for an exemplary embodiment
  • Fig. 3 is a flow chart that includes the different steps carried out according to the procedure proposed by the first aspect of the invention, for an exemplary embodiment
  • Fig. 4 is a flow sequence diagram followed for the procedure proposed by the first aspect of the invention, according to an exemplary embodiment. Detailed description of some embodiments
  • Fig. 1 the node to be positioned, referenced as N1, and the reference node or N2, of known position is illustrated.
  • the calculation of the distance between nodes N1 and N2 is made from the propagation time of a signal, estimating for this the time between the sending of said signal from the node to position and the reception in the reference node and the response generated from the anchor to the node to be positioned [8]. This time is called RTT and allows the calculation of distance according to equation (1).
  • d fWm. (1)
  • an expression usually used for the implementation of equation (1) is
  • d ⁇ - C , (2)
  • c the propagation speed of the signal used to calculate the RTT (usually the speed of light).
  • FIG. 1 An example of how the RTT is calculated is shown in Fig. 1.
  • the process begins with a node to position N1 that issues a message or data frame Tx to the reference node N2. This shipment is temporarily marked on the node to be positioned (t1 in Fig. 1).
  • the reference node N2 replies, immediately or after a time T known by the two nodes N1, N2, with a reply message Rx, such as an acknowledgment message or "acknowledgment" ACK, indicating the correct Receipt of the message sent.
  • the moment of reception of Rx in the node to position N1 is also marked (f 2 in Fig. 1), obtaining the RTT as the difference between the two time stamps (f 2 - 1-, in Fig. 1).
  • the procedure proposed by the first aspect of the invention is based on the calculation of the RTT according to the process described, that is, performing steps a) to d), although it has been conceived taking into account a series of premises that must be met, and in fact meets:
  • the first of the layers, or Layer L2-A has the purpose of realizing time stamps.
  • Said layer L2-A is inserted between the physical layer L1 and the link level or software layer L2-B (where the presence of the network interface controller used in the node to be positioned N1 is assumed) and, according to the proposed procedure , it will keep a time stamp for each data packet that circulates through the OSI stack, either ascendingly (received packets) or descending (packets to be transmitted).
  • the L2-A layer will keep a list with the temporary information of all the packets destined for or originated in the node to position N1.
  • L3-B layer aims to capture all the traffic that circulates (in terms of incoming traffic), or that will circulate (in terms of outgoing traffic), through the network interface and link the corresponding time stamp of those made in layer L2-A. Traffic capture will be done through one of the conventional APIs, such as that provided by 19].
  • the L3-A layer illustrated therein contains a conventional protocol stack, and the one indicated as L4 is an application layer.
  • Fig. 3 shows in detail the procedure proposed by the first aspect of the invention, for an exemplary embodiment, to estimate the distance between the node to be positioned N1 and the reference node N2, using the new OSI stack described above and illustrated in Fig. 2.
  • Tx and Rx refer to the message sent by the node to position N1 towards the reference node N2 and its response, respectively, through the channel C.
  • the diagram illustrated by Fig. 3 represents, by means of blocks or boxes, stages or steps joined together by arrow lines representing the sequence or time flow that is followed to perform the different steps. These arrow lines are not intended to represent the flow of information between the different blocks. That is to say that the information obtained, for example, in (4) is available in (8) for both the frame corresponding to the message sent Tx and that of the Rx response, although the blocks (4) and (8) are not illustrate united to each other.
  • the procedure can be divided into four main stages, referenced as A, B, C and D, and which are described below.
  • a call to the new routine, or modified "handler” will be launched, which, in this step (4), will link the interruption with a time stamp, using any clock among those available in the system (for example the one that governs the network interface, the one that governs the node completely, etc.).
  • the message will be sent to channel C.
  • Rx it will go to step (5).
  • D. Distance measurement computing stage This stage corresponds to the task of calculating the distance between the two nodes and feeding data to user applications whose objective is the calculation of the location of the node to be positioned. For this, the following steps will be carried out:
  • This step captures the traffic that circulates through the network interface. In this way, the information that is considered relevant for each of the frames that circulate or circulate through the network interface controller is saved.
  • Fig. 4 shows the flow sequence diagram followed for the procedure described above with reference to Fig. 3, where Us refers to the user, C to the channel, In to initialization and DR to distance reading. Most of the blocks illustrated correspond to the same ones illustrated in Fig. 3, so they retain the same references.
  • the flow starts from an initialization In, which consists of the above-mentioned stack update stage. Then, it is waiting for an application, normally under the control of the user Us, to decide to issue a block of data Tx to the communication channel C. When this happens, the shipment circulates through the protocols of the stack of operating system protocols that host the system, until reaching the link level.
  • the frame to be sent is registered by the system and a hardware interrupt is generated informing the network interface of the desire to transmit a frame.
  • a time stamp is stored for the frame sent (f,) and the original "handier" is executed, which is responsible for transmitting the frame definitively. After this, it awaits the relevant response.
  • a new hardware interrupt is generated and a new time stamp is stored for the received frame (f 2 ).
  • the original "handier" is executed, who will end up, if necessary, delivering the frame to the rest of the protocols of the conventional protocol stack.
  • the frame will be captured and registered by the system, in the same way it was made for the transmitted.
  • the time t1 and t2 will be linked to the frames that have generated them and calculate the corresponding RTT. At this point, the process will be repeated as many times as necessary to collect enough RTTs. Once enough information is available, we will proceed with the rest of the actions of the distance measurement computation stage (that is, from (9) onwards), that is, to read DR distances, which will have as aim to deliver distance values to the user application with which the final position of the node will be calculated.

Abstract

El procedimiento comprende, para determinar el RTT entre un nodo a posicionar y uno de referencia: - proporcionar una capa software de marcación temporal por encima de la capa física, y utilizarla para asignar, y registrar, marcas temporales a las entradas y salidas de tramas de datos, recibidas y a enviar por el nodo a posicionar; - tratar, mediante una capa software de enlace, las tramas de datos recibidas y a enviar por éste; y - proporcionar una capa software de vinculación, por encima de dicha capa software de enlace, y utilizarla para acceder a las marcas temporales registradas y a las tramas de datos recibidas y a enviar, y vincularlas entre sí. El sistema comprende un nodo inalámbrico a posicionar configurado para implementar el método propuesto por el procedimiento.

Description

Procedimiento y sistema para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos
Sector de la técnica
La presente invención concierne, en un primer aspecto, a un procedimiento para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos, a partir del cálculo del tiempo de ida y vuelta, o RTT (siglas de los términos en inglés "Round Trip Time"), entre el envío y la recepción de sendas tramas o paquetes de datos, y más particularmente a un procedimiento que comprende calcular dicho tiempo de ida y vuelta mediante la provisión y utilización de unas capas software en un nodo a posicionar.
Un segundo aspecto de la invención concierne a un sistema para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos que comprende un nodo inalámbrico a posicionar configurado para implementar el método propuesto por el primer aspecto.
La invención tiene, entre otras aplicaciones, las referidas a comunicaciones móviles, geolocalización e ingeniería telemática.
Estado de la técnica anterior
El cálculo del tiempo de llegada de paquetes transmitidos o recibidos en un nodo es un proceso vital en el posicionamiento mediante sistemas de multilateración. Hay múltiples aproximaciones a esta problemática, si bien los procedimientos propuestos pueden clasificarse en dos grandes grupos: soluciones hardware y software. El primero de los grupos comprende aquellas soluciones en las que para conseguir medidas de tiempos de llegada en nodos de redes inalámbricas se procede a la modificación del hardware de dichos nodos. Con ello se consigue que las medidas se tomen en el preciso instante en el que las tramas son recibidas o transmitidas por el nodo de red. El principal inconveniente de este tipo de aproximaciones para el cálculo de los tiempos de llegada es que, al requerir modificaciones hardware, no son aplicables a los dispositivos de red convencionales y por lo tanto no se pueden aplicar directamente a sistemas de comunicaciones ya desplegados. Un ejemplo de esto lo podemos encontrar en la propuesta para redes WLAN publicada en [1], donde se realiza un proceso de calibración del retardo en los nodos transmisores y receptores mediante RTS/CTS. En [2] se propone la obtención de las marcas temporales correspondientes a las recepciones y transmisiones de paquetes mediante la captura de un segmento de forma de onda de la señal transmitida para filtrarla y contrastarla con una secuencia conocida. Otras propuestas en este sentido han optado por sugerir cambios en el "firmware" de las interfaces de red de los nodos a posicionar, reduciendo de esta forma las modificaciones hardware al mínimo. Algunas de las contribuciones más significativas en este sentido para redes WLAN son las que pueden encontrarse en [3-5].
El segundo de los grupos de soluciones para el cálculo de los tiempos de llegada se basa en la modificación del software que gobierna el nodo, empleando las capacidades hardware existentes para el cálculo de las marcas temporales. La mayoría de estas soluciones se basan en marcar temporalmente la transmisión de un paquete hacia un nodo de referencia y la posterior recepción de dicho paquete (u otra respuesta) al nodo de origen (RTT). Para ello proceden a alterar el nivel de enlace de la pila de protocolos del dispositivo, optando eso sí, por estrategias distintas cada una de ellas.
Una aproximación de dichas soluciones software consiste en emplear una interfaz de red capaz de proveer de medidas temporales realizadas por el hardware. La ventaja de esta aproximación es que habitualmente se trata de soluciones que usan hardware estándar, aplicables de forma directa a cualquier sistema ya desplegado. Sin embargo, las marcas temporales realizadas con este tipo de procedimientos no suelen tener una precisión aceptable para la mayoría de aplicaciones de localización. Por ejemplo, en el caso de WLAN, las características del estándar IEEE 802.11 [10] harían que dicha resolución se situara en 1 microsegundo, la cual se corresponde con 300 metros de error en términos de distancia. Además, IEEE 802.11 sólo contempla la realización de marcas temporales en la recepción de las tramas y no en la transmisión. Un procedimiento representativo de esta opción es el presentado en [6], donde se emplea el nodo a posicionar y un nodo de monitoreo para capturar los RTTs mediante el uso del comando "tcpdump". Para reducir el error derivado del sistema de medidas, dicho sistema opta por tomar un gran número de muestras y proceder a un refinamiento de las mismas mediante un proceso de filtrado estadístico. Con ello, los autores consiguen errores en distancia del orden de 8 metros, valor que puede considerarse pobre para múltiples servicios y entornos. En 2008, los mismos autores propusieron un sistema de localización llamado Goodtry [7], el cual emplea una técnica similar a la expuesta en [6] pero a la que se añaden algunas características nuevas que teóricamente son capaces de mejorar la precisión obtenida.
Aparece necesario ofrecer una solución software alternativa a las incluidas en la aproximación descrita en el párrafo anterior que permita obtener una mayor precisión en el cálculo de los RTTs, y que, al contrario de las soluciones software citadas, no utilice la interfaz de red para obtener las medidas temporales, es decir que sea transparente a la interfaz de red utilizada, así como que sea implementabie en el propio nodo a posicionar, sin la necesidad de utilizar un nodo de monitoreo. Explicación de la invención
La presente invención constituye dicha solución software alternativa, mediante la aportación de un procedimiento y un sistema para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos, y se engloba en una aproximación software alternativa a la descrita en el apartado anterior consistente en modificar el dispositivo a nivel de interrupción, capturando el flujo de operaciones y alterándolo para capturar los RTTs. Esta aproximación software alternativa permite una mayor independencia sobre el hardware y sistema inalámbrico utilizados, la realización de marcas temporales tanto en transmisión como en recepción, y el posible uso de señales de reloj alternativos para realizar dichas marcas temporales.
Según un primer aspecto, la presente invención concierne a un procedimiento para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos, que comprende, de manera en sí conocida:
a) enviar, desde un nodo inalámbrico a posicionar, una trama o paquete de datos de solicitud, a un nodo inalámbrico de referencia, de posición conocida, o nodo ancla; b) recibir, en dicho nodo a posicionar, una trama o paquete de datos de respuesta, enviada por parte de dicho nodo de referencia tras recibir dicha trama de datos de solicitud;
c) calcular el tiempo transcurrido entre dicho envío de la etapa a) y dicha recepción de la etapa b), o tiempo de ida y vuelta; y
d) calcular la distancia entre ambos nodos inalámbricos a partir de dicho tiempo transcurrido calculado.
En general la trama de datos de respuesta contiene información de reconocimiento de que el nodo de referencia ha recibido la trama de datos de solicitud, o es la misma trama de datos de solicitud, reflejada en el nodo de referencia, aunque el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención es aplicable a cualquier otra clase de trama de datos de respuesta.
A diferencia de las propuestas convencionales, el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, de manera característica, con el fin de determinar dicho tiempo de ida y vuelta en el nodo a posicionar:
- proporcionar, en el nodo a posicionar, una capa software de marcación temporal por encima de la capa física, en una pila OSI, y utilizarla para asignar, y registrar, marcas temporales a al menos parte de las entradas y salidas de tramas de datos, recibidas y a enviar por el nodo a posicionar;
- tratar, mediante una capa software de enlace de la pila OSI del nodo a posicionar, las tramas de datos recibidas y a enviar por éste; y - proporcionar una capa software de vinculación, por encima de la capa software de enlace, y utilizarla para:
- acceder a las marcas temporales registradas mediante la capa software de marcación temporal,
- acceder a las tramas de datos a enviar, previo a su paso por la capa software de enlace, y a las recibidas, una vez tratadas por la capa software de enlace, y
- vincular las correspondientes marcas temporales con como mínimo la trama de datos de solicitud a enviar en la etapa a) y la trama de datos de respuesta recibida en la etapa b).
Por lo que se refiere a la trama de datos de solicitud a enviar en la etapa a), el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, para un ejemplo de realización, realizar las siguientes etapas de manera secuencial:
- capturar la trama de datos de solicitud a enviar mediante la capa software de vinculación;
- tratar la trama de datos de solicitud a enviar mediante la capa software de enlace;
- asignar, y registrar, mediante la capa software de marcación temporal, una marca temporal a la salida de la trama de datos de solicitud a enviar una vez tratada por la capa software de enlace; y
- acceder, mediante la capa software de vinculación, a la marca temporal registrada y asignada por la capa software de marcación temporal, y vincularla a la trama de datos de solicitud previamente capturada por la capa software de vinculación.
En cuanto a la trama de datos de respuesta recibida en la etapa b) se refiere, el procedimiento comprende, según un ejemplo de realización, realizar las siguientes etapas de manera secuencial:
- asignar, y registrar, mediante la capa software de marcación temporal, una marca temporal a la entrada de la trama de datos de respuesta recibida;
- tratar, mediante la capa software de enlace, la trama de datos de respuesta recibida; y
- utilizar la capa software de vinculación para capturar la trama de datos de respuesta recibida, una vez tratada por la capa software de enlace, para acceder a la marca temporal registrada y asignada por la capa software de marcación temporal, y para vincularlas entre sí.
Con el fin de aumentar la precisión de las marcas temporales asignadas, el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, para un ejemplo de realización preferido, para obtener dichas marcas temporales, utilizar un reloj del nodo a posicionar independiente del utilizado por la capa software de enlace, y de mayor precisión.
Para otro ejemplo de realización menos preferido el procedimiento comprende, para obtener las marcas temporales, utilizar el mismo reloj del nodo a posicionar utilizado por la capa software de enlace.
Para un ejemplo de realización preferido la capa software de marcación temporal se encuentra dispuesta, en la pila OSI, entre la capa física y la capa software de enlace.
En cuanto a la ubicación de la capa software de vinculación, ésta se encuentra, para un ejemplo de realización, dispuesta, en la pila OSI, al mismo nivel que una capa software de pila de protocolos.
El procedimiento comprende llevar a cabo, en general, el mencionado tratamiento de tramas de datos mediante un controlador de interfaz de red contenido en la capa software de enlace
Según un ejemplo de realización, la anteriormente explicada asignación de marcas temporales a entradas y salidas de tramas de datos comprende asociar una marca temporal a cada interrupción hardware, representativa de una respectiva entrada o salida de datos, relacionada con la interfaz de red del nodo a posicionar.
El procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, para un ejemplo de realización, realizar una pluralidad de etapas a) y b), y una etapa c) que comprende calcular el tiempo transcurrido entre el envío de cada etapa a) y la recepción de cada etapa b), para obtener una pluralidad de tiempos de ida y vuelta.
Tras dicha etapa c) de obtención de una pluralidad de RTTs, el procedimiento comprende realizar, en el nodo a posicionar, según un ejemplo de realización, una etapa posterior de filtrado y almacenamiento de los tiempos de ida y vuelta.
De acuerdo a un ejemplo de realización del procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención, la etapa d) comprende filtrar y calcular la distancia entre ambos nodos inalámbricos a partir de un subconjunto de los tiempos de ida y vuelta almacenados en el nodo a posicionar.
Para otro ejemplo de realización, el procedimiento comprende realizar las etapas a) a d) para calcular la distancia entre el nodo a posicionar respecto a una pluralidad de nodos de referencia, y suministrar los valores de distancia calculados en la etapa d) a una aplicación de usuario capaz de ejecutar un algoritmo de multilateración.
Un segundo aspecto de la invención concierne a un sistema para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos que comprende un nodo inalámbrico a posicionar configurado para ímplementar el método propuesto por el primer aspecto. Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:
la Fig. 1 es una representación esquemática que incluye el nodo inalámbrico a posicionar del sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención, el nodo de referencia, y sendas tramas de datos enviadas y recibidas en unos tiempos determinados, según el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención; la Fig. 2 es una representación esquemática de la pila OSI del nodo a posicionar, modificada según el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización;
la Fig. 3 es un diagrama de flujo que incluye las diferentes etapas llevadas a cabo según el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización; y
la Fig. 4 es un diagrama de secuencia del flujo seguido para el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención, según un ejemplo de realización. Descripción detallada de unos ejemplos de realización
En la Fig. 1 se ilustra al nodo a posicionar, referenciado como N1 , y al nodo de referencia o N2, de posición conocida. Tal y como se ha indicado anteriormente, el cálculo de la distancia entre los nodos N1 y N2 se realiza a partir del tiempo de propagación de una señal, estimando para ello el tiempo que transcurre entre el envío de dicha señal desde el nodo a posicionar y la recepción en el nodo de referencia y la respuesta generada desde el ancla hasta el nodo a posicionar [8]. Este tiempo se denomina RTT y permite el cálculo de la distancia según la ecuación (1 ). d = fWm. (1) Si bien no la única, una expresión habitualmente empleada para la implementación de la ecuación (1) es
RTT
d = ~ -C , (2) donde c representa la velocidad de propagación de la señal empleada para el cálculo del RTT (normalmente la velocidad de la luz).
Un ejemplo de cómo se calcula el RTT se muestra en la Fig. 1. El proceso empieza con un nodo a posicionar N1 que emite un mensaje o trama de datos Tx hacia el nodo de referencia N2. Este envío es marcado temporalmente en el nodo a posicionar (t1 en la Fig. 1). Al recibir el mensaje Tx, el nodo de referencia N2 contesta, inmediatamente o tras un tiempo T conocido por los dos nodos N1 , N2, con un mensaje de respuesta Rx, tal como un mensaje de reconocimiento o "acknowledge" ACK, indicando la correcta recepción del mensaje enviado. El instante de recepción de Rx en el nodo a posicionar N1 es también marcado (f2 en la Fig. 1), obteniéndose el RTT como la diferencia entre las dos marcas temporales (f2- 1-, en la Fig. 1).
Tal y como se ha indicado anteriormente, el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención se basa en el cálculo del RTT según el proceso descrito, es decir realizando las etapas a) a d), aunque se ha concebido teniendo en cuenta una serie de premisas que debe cumplir, y de hecho cumple:
1. La solución debe ser puramente software, es decir, no debe implicar el desarrollo de hardware específico para la captura de los tiempos de propagación. De esta forma, esta premisa afecta a la manera en la que se realizan las marcas temporales.
2. Debe ser independiente del hardware, es decir operar con distintos tipos de interfaces de red.
3. Debe ser aplicable a cualquier sistema operativo que gobierne el hardware del nodo a posicionar.
Para cumplir las premisas anteriores, tal y como se ha descrito anteriormente, se propone la inclusión de dos nuevas capas en la pila OSI del nodo a posicionar N1 , tal y como se indica en la Fig. 2. La primera de las capas, o capa L2-A, denominada anteriormente como capa software de marcación temporal, tiene como propósito la realización de las marcas temporales. Dicha capa L2-A se intercala entre la capa física L1 y el nivel o capa software de enlace L2-B (donde se presupone la presencia del controlador de la interfaz de red empleada en el nodo a posicionar N1) y, según el procedimiento propuesto, guardará una marca temporal para cada paquete de datos que circule por la pila OSI, ya sea de forma ascendente (paquetes recibidos) como de forma descendente (paquetes a transmitir). De esta forma, la capa L2-A guardará una lista con la información temporal de todos los paquetes destinados a u originados en el nodo a posicionar N1.
En segundo lugar se introduce una segunda nueva capa L3-B, denominada anteriormente como capa software de vinculación, sobre el nivel o capa de enlace L2-B, que observará todo el tráfico gestionado por la pila OSI. Dicha capa L3-B tiene como objetivo capturar todo el tráfico que circula (por lo que se refiere al tráfico entrante), o que circulará (por lo que se refiere al tráfico saliente), por la interfaz de red y vincularle la marca temporal que le corresponda de las realizadas en la capa L2-A. La captura del tráfico se realizará mediante una de las API convencionales, como puede ser la provista por 19].
Siguiendo con la descripción de la Fig. 2, la capa L3-A allí ilustrada contiene una pila de protocolos convencional, y la indicada como L4 es una capa de aplicaciones.
La Fig. 3 muestra en detalle el procedimiento propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización, para estimar la distancia entre el nodo a posicionar N1 y el de referencia N2, empleando la nueva pila OSI descrita con anterioridad e ilustrada en la Fig. 2. De igual manera que en la Fig. 2, en la Fig. 3 Tx y Rx hacen referencia al mensaje enviado por el nodo a posicionar N1 hacia el nodo de referencia N2 y a su respuesta, respectivamente, a través del canal C. El diagrama ilustrado por la Fig. 3 representa, mediante unos bloques o casillas, unas etapas o pasos unidos entre sí por unas líneas de flecha que representan la secuencia o flujo temporal que se sigue para realizar los distintos pasos. Dichas líneas de flecha no pretenden representar el flujo de información entre los diferentes bloques. Es decir que la información obtenida, por ejemplo, en (4) se encuentra disponible en (8) tanto pata la trama correspondiente al mensaje enviado Tx como a la de la respuesta Rx, aunque los bloques (4) y (8) no se ilustren unidos entre sí.
Tal y como se indica en la Fig. 3, el procedimiento puede ser dividido en cuatro etapas principales, referenciadas como A, B, C y D, y que quedan descritas a continuación.
A. Etapa de actualización de pila. En esta etapa se actualiza el sistema del nodo N1 para incluir en la pila OSI convencional las dos capas anteriormente mencionadas, es decir, la L2-A y la L3-B. Sólo se llevará a cabo una vez, al iniciar el procedimiento, indicado por la referencia In, e involucra los siguientes pasos:
(1) Se procederá a explorar la estructura que guarda la información de las rutinas, o "handler", de atención a la interrupción. En dicha estructura se consultará la dirección de memoria de la rutina que será llamada cada vez que se produzca una interrupción hardware relacionada con la interfaz de red empleada en el proceso de cálculo de la distancia (y por ende de posicionamiento). Finalmente se guardará como dato dicha dirección de memoria ("hand/er" original).
(2) Se establecerá una nueva rutina de atención a la interrupción para la interfaz involucrada en el proceso de posicionamiento "handler"' modificado).
B. Etapa de evento. En esta etapa se permanece a la espera de recibir un evento, relacionado con la transmisión (Tx) o la recepción (Rx) de un bloque de datos, a través del canal C. En esta etapa se realizan la siguientes acciones:
(3) Todo evento vendrá acompañado de la ejecución de una interrupción hardware relacionada con la interfaz de red involucrada en el proceso de medición de la distancia entre nodos. En este punto se espera de manera pasiva a que se produzca una de dichas interrupciones.
(4) Una vez recibida la interrupción en (3), se lanzará una llamada a la nueva rutina, o "handler" modificado, el cual, en este paso (4), vinculará la interrupción con una marca temporal, empleando para ello cualquier reloj de entre los disponibles en el sistema (por ejemplo el que gobierna la interfaz de red, el que gobierna el nodo por completo, etc.). Tras ello, para el caso de Tx, se procederá a enviar el mensaje hacia el canal C. En el caso de Rx se pasará al paso (5).
C. Etapa de controlador heredado. En esta etapa se llevarán a cabo todas las tareas relacionadas con el controlador de la interfaz de red. Esta operativa es transparente al procedimiento e involucra todas las acciones que se realizarían de forma convencional para la atención de la interrupción en el caso de que no se hubiesen efectuado modificaciones en la pila de protocolos de la interfaz. De esta forma, esta etapa involucra los siguientes pasos:
(5) Ejecución del "handler" original, tras el paso (4) para Rx, y tras el paso (6) para Tx.
(6) Tratamiento de la información de acuerdo a la pila de protocolos previa a las modificaciones realizadas en la etapa de actualización de pila. Se ejecuta tras el paso (5) para Rx, y al iniciar el envío Tx.
D. Etapa de computación de medida de distancia. A esta etapa le corresponde la tarea de calcular la distancia entre los dos nodos y alimentar de datos a aplicaciones de usuario que tengan por objetivo el cálculo de la localización del nodo a posicionar. Para ello se efectuarán los siguiente pasos:
(7) En este paso se captura el tráfico que circula por la interfaz de red. De esta forma, se guarda la información que se considere relevante de cada una de las tramas que circulan o circularán por el controlador de la interfaz de red.
(8) Emparejamiento, tras la ejecución del "handler" original, de las marcas temporales con las tramas capturadas. Para cada trama capturada, se consulta la lista de marcas temporales y se le asigna la marca que le corresponde. Para el ejemplo de realización ilustrado por la Fig. 3, dicho emparejamiento se lleva a cabo para ambas tramas Tx y Rx de manera simultánea, una vez se ha capturado, en (7), la correspondiente a la respuesta Rx. Es por ello que solamente se ha indicado Rx en la línea de flecha que une a (7) con (8).
(9) Cálculo de los RTT a partir de las marcas temporales.
(10) Pre-filtrado. En este paso se eliminan aquellas medidas de RTT que se consideran aberrantes. Las medidas aberrantes se deben principalmente a los errores introducidos por. el sistema de medidas y el canal radio y deben ser extraídas para poder alcanzar un valor de RTT adecuado a la distancia real que separa a los dos nodos de red.
(11) Generación del buffer de RTTs. Una vez filtradas las muestras, éstas se van añadiendo, en cola, en un buffer, que permitirá la lectura de los datos en bloque.
(12) Post-filtrado. Este paso es ejecutado cada vez que una aplicación de usuario solicita la estimación de la distancia entre el nodo a posicionar N1 y un nodo de referencia N2. En este paso se procederá a la lectura de un bloque de datos del buffer. Este bloque de datos se tratará estadísticamente con el objetivo de retinar su variabilidad y obtener un valor de RTT estable con el que calcular la distancia, empleando para ello cualquier implementación de la Ecuación (1), como puede ser la indicada en la Ecuación (2). Una vez obtenida la distancia, se facilitará ésta a la aplicación Ap de usuario solicitante, la cual procederá, junto con otras medidas de distancia, al cálculo de la posición del nodo.
La Fig. 4 muestra el diagrama de secuencia del flujo seguido para el procedimiento descrito con anterioridad con referencia a la Fig. 3, donde Us hace referencia al usuario, C al canal, In a la inicialización y DR a la lectura de distancias. La mayoría de los bloques ilustrados corresponden a los mismos ilustrados en la Fig. 3, por lo que conservan las mismas referencias. Tal y como puede apreciarse el flujo parte de una inicialización In, que consiste en la etapa de actualización de pila anteriormente mencionada. Acto seguido, queda a la espera de que una aplicación, normalmente bajo el control del usuario Us, decida emitir un bloque de datos Tx hacia el canal de comunicaciones C. Cuando esto sucede, el envío circula por los protocolos de la pila de protocolos del sistema operativo que alberga el sistema, hasta llegar al nivel de enlace. En este punto, la trama a enviar es registrada por el sistema y se genera una interrupción hardware informando a la interfaz de red del deseo de transmitir una trama. Al recibir la interrupción hardware, se almacena una marca temporal para la trama enviada (f,) y se procede a ejecutar el "handier"' original, el cual se encarga de transmitir definitivamente la trama. Tras esto se queda a la espera de la pertinente respuesta. Al recibir la respuesta Rx, se genera una nueva interrupción hardware y se almacena una nueva marca temporal para la trama recibida (f2). Tras esto se ejecuta el "handier" original quien acabará, en caso de que sea necesario, entregando la trama al resto de protocolos de la pila de protocolos convencional. Además, la trama será capturada y registrada por el sistema, de la misma forma en que se hizo para la transmitida. Tras esto se procederá a vincular el tiempo t1 y t2 con las tramas que los han generado y calcular el correspondiente RTT. En este punto, el proceso se repetirá todas las veces que sean necesarias para recoger suficientes RTTs. Una vez se tenga disponible suficiente información, se procederá a seguir con el resto de acciones de la etapa de computación de medida de distancias (es decir de la (9) en adelante), es decir a la lectura de distancias DR, que tendrán por objetivo entregar valores de distancia a la aplicación de usuario con las que se calculará la posición final del nodo.
Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.
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[8] Nathan Edward Tenny y Farrokh Khatibi. Apparatus and method for determining WLAN Access point position. Patente publicada el 4 de enero de 2007. US20070002813.
[9] LibPCAP, http://www.tcpdump.org .
[10] IEEE Standard 802.11-1999, Part 11 : Wireless LAN Médium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE, 1999.

Claims

Reivindicaciones
1. - Procedimiento para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos, del tipo que comprende:
a) enviar, desde un nodo inalámbrico a posicionar, una trama o paquete de datos de solicitud, a un nodo inalámbrico de referencia, de posición conocida;
b) recibir, en dicho nodo a posicionar, una trama o paquete de datos de respuesta, enviada por parte de dicho nodo de referencia tras recibir dicha trama de datos de solicitud;
c) calcular el tiempo transcurrido entre dicho envío de la etapa a) y dicha recepción de la etapa b), o tiempo de ida y vuelta; y
d) calcular la distancia entre ambos nodos inalámbricos a partir de dicho tiempo transcurrido calculado,
estando el procedimiento caracterizado porque comprende, con el fin de determinar dicho tiempo de ida y vuelta en el nodo a posicionar:
- proporcionar, en dicho nodo a posicionar, una capa software de marcación temporal por encima de la capa física, en una pila OSI, y utilizarla para asignar, y registrar, marcas temporales a al menos parte de las entradas y salidas de tramas de datos, recibidas y a enviar por dicho nodo a posicionar;
- tratar, mediante una capa software de enlace de dicha pila OSI del nodo a posicionar, las tramas de datos recibidas y a enviar por éste; y
- proporcionar una capa software de vinculación, por encima de dicha capa software de enlace, y utilizarla para:
- acceder a las marcas temporales registradas mediante dicha capa software de marcación temporal,
- acceder a las tramas de datos a enviar, previo a su paso por la capa software de enlace, y a las recibidas, una vez tratadas por la capa software de enlace, y
- vincular las correspondientes marcas temporales con al menos la trama de datos de solicitud a enviar en la etapa a) y la trama de datos de respuesta recibida en la etapa b).
2. - Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque, por lo que se refiere a la trama de datos de solicitud a enviar en la etapa a), comprende realizar las siguientes etapas de manera secuencial:
- capturar la trama de datos de solicitud a enviar mediante la capa software de vinculación; - tratar la trama de datos de solicitud a enviar mediante la capa software de enlace;
- asignar, y registrar, mediante la capa software de marcación temporal, una marca temporal a la salida de la trama de datos de solicitud a enviar una vez tratada por la capa software de enlace; y
- acceder, mediante la capa software de vinculación, a la marca temporal registrada y asignada por la capa software de marcación temporal, y vincularla a la trama de datos de solicitud previamente capturada por la capa software de vinculación.
3.- Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, por lo que se refiere a la trama de datos de respuesta recibida en la etapa b), comprende realizar las siguientes etapas de manera secuencial:
- asignar, y registrar, mediante la capa software de marcación temporal, una marca temporal a la entrada de la trama de datos de respuesta recibida;
- tratar, mediante la capa software de enlace, la trama de datos de respuesta recibida; y
- utilizar la capa software de vinculación para capturar la trama de datos de respuesta recibida, una vez tratada por la capa software de enlace, para acceder a la marca temporal registrada y asignada por la capa software de marcación temporal, y para vincularlas entre sí.
4.- Procedimiento según la reivindicación 1 , 2 ó 3, caracterizado porque comprende, para obtener dichas marcas temporales, utilizar un reloj del nodo a posicionar independiente del utilizado por la capa software de enlace, y de mayor precisión.
5. - Procedimiento según la reivindicación 1 , 2 ó 3, caracterizado porque comprende, para obtener dichas marcas temporales, utilizar el mismo reloj del nodo a posicionar utilizado por la capa software de enlace.
6. - Procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque dicha capa software de marcación temporal se encuentra dispuesta, en la pila OSI, entre la capa física y dicha capa software de enlace.
7.- Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha capa software de vinculación se encuentra dispuesta, en la pila OSI, al mismo nivel que una capa software de pila de protocolos.
8. - Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende llevar a cabo dicho tratamiento de tramas de datos mediante un controlador de interfaz de red contenido en dicha capa software de enlace
9. - Procedimiento según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicha trama de datos de respuesta contiene información de reconocimiento de que el nodo de referencia ha recibido la trama de datos de solicitud.
10. - Procedimiento según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicha trama de datos de respuesta es la misma trama de datos de solicitud, reflejada en dicho nodo de referencia.
11. - Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha asignación de marcas temporales a entradas y salidas de tramas de datos comprende asociar una marca temporal a cada interrupción hardware, representativa de una respectiva entrada o salida de datos, relacionada con la interfaz de red del nodo a posicionar.
12. - Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende realizar una pluralidad de dichas etapas a) y b), y porque dicha etapa c) comprende calcular el tiempo transcurrido entre el envío de cada etapa a) y la recepción de cada etapa b), para obtener una pluralidad de tiempos de ida y vuelta.
13. - Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque comprende, tras dicha etapa c), realizar, en el nodo a posicionar, una etapa posterior de filtrado y almacenamiento de los tiempos de ida y vuelta.
14. - Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque dicha etapa d) comprende filtrar y calcular la distancia entre ambos nodos inalámbricos a partir de un subconjunto de los tiempos de ida y vuelta almacenados en el nodo a posicionar.
15. - Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende realizar dichas etapas a) a d) para calcular la distancia entre dicho nodo a posicionar respecto a una pluralidad de nodos de referencia.
16.- Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado porque comprende suministrar los valores de distancia calculados en la etapa d) a una aplicación de usuario capaz de ejecutar un algoritmo de multilateración.
17.- Sistema para el cálculo de distancias entre nodos inalámbricos, caracterizado porque comprende un nodo inalámbrico a posicionar (N1) configurado para implementar el método propuesto según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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