WO2016207428A1 - Procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base d'un réseau de communication - Google Patents

Procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base d'un réseau de communication Download PDF

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WO2016207428A1
WO2016207428A1 PCT/EP2016/064806 EP2016064806W WO2016207428A1 WO 2016207428 A1 WO2016207428 A1 WO 2016207428A1 EP 2016064806 W EP2016064806 W EP 2016064806W WO 2016207428 A1 WO2016207428 A1 WO 2016207428A1
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WO
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base stations
time
base station
terminal
clocks
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/064806
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English (en)
Inventor
Lionel MOLINIER
Original Assignee
Sigfox
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W56/00—Synchronisation arrangements
    • H04W56/001—Synchronization between nodes
    • H04W56/0015—Synchronization between nodes one node acting as a reference for the others

Definitions

  • the present invention belongs to the field of digital telecommunications, and more particularly relates to a method for determining the time shift existing between the clocks of the base stations of a communication network, said communications being made between at least one central server and remote terminals. via at least one base station.
  • the present invention finds a particularly advantageous, though in no way limiting, application in ultra-narrowband wireless communication systems.
  • ultra narrow band (“Ultra Narrow Band” or UNB in the Anglo-Saxon literature)
  • UNB Ultra Narrow Band
  • the instantaneous frequency spectrum of the radio signals emitted by the terminals is of frequency width less than one kilohertz.
  • Such UNB wireless communication systems are particularly suitable for applications of the type M2M (acronym for machine-to-machine) or the Internet of Things ("Internet of Things” or loT in the literature Anglo-Saxon).
  • the data exchanges are essentially monodirectional, in this case on a rising link between terminals and an access network of said system.
  • the terminals transmit uplink messages that are collected by base stations of the access network, without having to first associate with one or more base stations of the access network.
  • the upstream messages sent by a terminal are not intended for a specific base station of the access network, and the terminal transmits its upstream messages assuming that they can be received by at least one forwarding station. based.
  • Such provisions are advantageous in that the terminal does not need to perform regular measurements, particularly greedy in terms of power consumption, to determine the most appropriate base station. to receive his messages.
  • the complexity lies in the access network, which must be able to receive uplink messages that can be transmitted at arbitrary times and on arbitrary central frequencies. Each base station of the access network receives messages from the various terminals that are within its reach.
  • TELECOMMUNICATIONS by the same applicant. It is a low bandwidth cellular network that aims to have a very wide geographical coverage, including in areas not covered by conventional communication networks whether they are wired or wireless (GSM, 3G, LTE , etc.).
  • This wireless network is characterized by an unorganized mode of communication where the remote terminals transmit messages on their initiative and where these messages are picked up by all the base stations which are within the reach of the terminal and where the base stations do not. are not intended to filter messages received by multiple base stations. On the contrary, they transmit in turn any message picked up to a central server.
  • the back-haul (base network formed by the base stations) of the messages from the base stations to the servers uses a variety of communication channels according to their availability: wired connection to the Internet, radio link, cellular wireless connection (GSM, 3G, LTE, ...), satellite link
  • the base stations may have to buffer the received messages to postpone their transmission to the server.
  • NTP Network Time Protocol
  • GPS signal Global Positioning System
  • the use of the NTP protocol does not give reliable results.
  • NTP is very efficient for LANs (Local Area Network) and can achieve clock accuracies of the order of 100 microseconds, however for high-speed Wide Area Network (WAN), NTP begins to show limits (the accuracy can then fall to 100 milliseconds).
  • WAN networks with low flow rate, very irregular flow rate, very variable and especially non-symmetrical latency, NTP does not allow to obtain reliable clock synchronizations. In some cases, desynchronizations have been observed in the order of 10 seconds.
  • NTP is based on a transmission latency between the nodes of the network which is essentially symmetrical, which is difficult to achieve when this latency is not constant and variable in time.
  • GPS synchronization would require equipping all stations base of a GPS receiver which implies a hardware overhead but also a complexity of deployment on the sites of the base stations (GPS antenna on the pylons, wiring and amplifier between the GPS antenna and the equipment).
  • the terminals on such a network must remain simple and therefore have no clock allowing them to time messages.
  • the low data rates limit the information transmitted and it is therefore not reasonable to transmit in each message a time stamp.
  • this information can be important for the client, as it may allow him to date an event (for example).
  • the base stations of the network are chosen voluntarily as inexpensive systems. It is therefore not possible to equip them with GPS receivers, or other sophisticated synchronization devices.
  • the present invention aims to remedy all or part of the limitations of the solutions of the prior art, in particular those set out above, by proposing a solution that makes it possible to correct the time differences between the messages received by the server, and / or or to synchronize the clocks of base stations at low cost.
  • the invention relates to a method for determining the time difference existing between the clocks of the base stations of a communication network, said communications being made between at least one terminal and at least one server.
  • central station by means of at least one base station, each base station being adapted to receive the upstream messages of the terminals which are within range, each base station being equipped with a clock of its own, each message thus increasing received being transmitted from the base station to the central server.
  • the method of determining the time offset comprises steps in which:
  • an uplink message is sent by a first remote terminal to the central server, said uplink message is received by at least two base stations of the communication network,
  • each of the base stations having received the same uplink message from the first terminal, which timestamps it according to its own clock, then transmits the message thus timestamped to the central server,
  • the central server collects the messages stamped by the base stations, retrieves the time stamped messages comprising the same amount message from the first terminal, and determines the time offsets between these time stamped messages comprising said same amount message, and deduces therefrom a temporal offset between the own clocks of the base stations having received said same amount message.
  • base station communication nodes of the network, adapted to retransmit received received messages to a server or another communication node of the network.
  • the invention is a method for determining the time shift existing between the clocks of the base stations, the method not being sensitive to the time of transmission of messages between the base stations and the central server. This characteristic makes it possible to overcome the variability of back-haul means between stations and over time. It also makes it possible to overcome the variable latencies introduced in this backhaul by a temporary loss of connectivity or by a congestion situation in the network or in the central server.
  • the method is based on the fact that a message sent by a remote terminal is generally received by several base stations; the base stations time stamp the received messages and transmit the time stamped messages to a central server configured to identify the identical messages received by different base stations and to deduce an offset of the time stamps of the base stations having received the same message.
  • the method for determining the time difference existing between the clocks of the base stations may further comprise one or more of the following characteristics, in isolation or in any technically feasible combination.
  • the central server determines one of the timestamps as a reference value, and transmits a synchronization request to the base stations on the basis of the reference value.
  • the central server maintains a database of time offsets between the clocks of the base stations, this database being used for correcting "timestamp" of each of the upstream messages transmitted by each of the base stations as and when they are reception.
  • the database of time offsets is completed for the base stations of a second set of base stations receiving range of a second terminal, said set comprising at least one common base station also part of a first set of base stations within reception range of the first terminal, by adding the time offset value found for the clock of a base station common to the two sets, the offsets of the clocks of the stations of the set with respect to this station taken as reference.
  • each base station that has received a resynchronization request corrects its clock by a value equal to the time offset found between the time of its time stamp and the time of the time stamp of the clock that served as a reference value.
  • step 53 all the received messages received from all the terminals are time stamped by the base stations receiving them, before retransmission to the server.
  • step 53 the timestamp of the received received messages is only made at recurring intervals, for a predetermined period of time
  • the step 54 for calculating the time offset of the clocks of the base stations is performed by the server only from time to time, at a predetermined interval calculated according to an estimate of the maximum drift of the least reliable clocks.
  • the central server chooses the clock of one of the base stations as a common reference from its status of NTP synchronization
  • each base station that has received this resynchronization request corrects its clock by a value equal to the time difference noted between the time of its time stamp and the time of the time stamp of the clock having served as a reference value.
  • the method for determining the time shift existing between the clocks of the base stations is such that, in a seventh step 57, the base stations receiving range of a second terminal are synchronized by to a base station and an element common to the two sets of base stations, within reception range of the first terminal and the second terminal, respectively, the base station being selected as a reference clock for the set of base stations to scope of the second terminal, this step 57 being repeated as long as there is at least one set of base stations within reception range of the same remote terminal, not yet resynchronized, the set comprising at least one base station already resynchronized in the same resynchronization operation, the identifiers of the base stations having been resynchronized being stored by the server.
  • the present invention relates to an access network comprising means configured to implement a method according to any one of the implementation modes of the invention.
  • the present invention relates to a central server comprising means configured to implement a method for determining the time difference existing between the clocks of the base stations according to any of the modes of implementation of the invention.
  • the invention relates to a wireless communication system, of the UNB type, comprising several terminals, an access network comprising several base stations, a server, comprising means configured to implement a method such as forth.
  • FIG. 1 a schematic representation of a wireless communication system
  • FIG. 2 a diagram illustrating the main steps of a method for determining the time difference existing between base station clocks
  • FIG. 3 a schematic representation of the case where two sets of base stations receiving messages from two remote terminals have a non-empty intersection.
  • identical references from one figure to another designate identical or similar elements. For the sake of clarity, the elements shown are not to scale unless otherwise stated.
  • the invention finds its place in the context of a wireless communication system 10, for example of the UNB ("Ultra Narrow Band”) type, comprising several terminals 20 and an access network 30 comprising several base stations 31, as shown schematically in FIG.
  • a wireless communication system for example of the UNB ("Ultra Narrow Band") type, comprising several terminals 20 and an access network 30 comprising several base stations 31, as shown schematically in FIG.
  • UNB Ultra Narrow Band
  • the access network 30 comprising several base stations 31, as shown schematically in FIG.
  • it comprises a large number of terminals 20 and base stations 31.
  • a single terminal 20 and two base stations 31 are sufficient.
  • radio signal is meant an electromagnetic wave propagating via non-wired means, the frequencies of which are included in the traditional spectrum of radio waves (a few hertz to several hundred gigahertz).
  • the terminals 20 are adapted to transmit uplink messages on a uplink link to the access network 30.
  • the uplink messages are for example transmitted asynchronously.
  • asynchronously transmitting is meant that the terminals 20 autonomously determine when they transmit, without coordination of said terminals 20 to each other and to the base stations 31 of the access network 30.
  • Each base station 31 is adapted to receive the upstream messages of the terminals 20 which are within range.
  • Each uplink message thus received is for example transmitted by the base station 31 to at least one server 32 of the access network 30, possibly accompanied by other information such as an identifier of the base station 31 which received it, the measured power of said received amount message, the date of receipt of said amount message, etc.
  • Each base station 31 is here assumed to have means for dating a received message, with respect to a local clock integrated in the base station.
  • the server 32 processes, for example, all the amounts received from the different base stations 31. In the remainder of the description, the case of a single central server 32 is considered. The invention is naturally adaptable to the case of a larger number of central servers 32.
  • Each base station 31 further comprises wireless communication means, considered as known to those skilled in the art, allowing said base station to receive uplinks and to issue messages descending.
  • the base stations 31 and the server 32 also comprise respective network communication means, considered as known to those skilled in the art, enabling the server 32 to exchange data with each base station 31.
  • the base stations 31 and the server 32 comprise respective processing modules (not shown in the figures), each processing module comprising for example one or more processors and storage means (magnetic hard disk, electronic memory, optical disk, etc.) in which is stored a computer program product, in the form of a set of program code instructions to be executed to implement the various steps of a time shift determination method between station clocks. basic, and synchronization of these clocks.
  • each processing module comprises one or more programmable logic circuits of the FPGA, PLD, etc. type, and / or specialized integrated circuits (ASIC) adapted to implement all or part of said process steps.
  • the access network 30 comprises a set of means configured in software (specific computer program product) and / or hardware (FPGA, PLD, ASIC, etc.) to implement the various steps of the method.
  • the method for determining the time shift existing between the clocks of the base stations 31 of the network comprises several steps.
  • a remote terminal 20 (an object connected in the case of the network here considered by way of non-limiting example), within range of several base stations 31.
  • a message sent by this terminal 20 will be received by all these base stations 31 essentially at the same time.
  • desired synchronization time approximately 0.1 seconds).
  • a rising message is sent by this remote terminal 20 to a central server 32.
  • This message can be any, it has no particular format required. Any message sent by one of the terminals 20, in accordance with the format of the network in question, and received by a plurality of base stations 31 may be used to implement the method for determining the time difference existing between the clocks of the base stations.
  • the uplink message is received by at least two base stations 31 of the communication network 30.
  • Each of these base stations 31 performs, to receive the uplink message, tasks whose details are assumed to be known per se. and come out as such from the scope of the invention.
  • each of the base stations 31 having received the message amounts it timestamps it according to its own clock, then transmits the message thus timestamped to the central server 32.
  • the steps and details of the transmission method of a rising message between a base station 31 and the server 32 are assumed to be known per se, and are therefore not detailed further here.
  • all the received messages received from the terminals 20 are time stamped before retransmission to the server 32.
  • this time stamp of the received amounts messages is only made at recurring intervals, for example every few tens of minutes and for a predetermined period of time. This second option makes it possible to reduce the length of the transmitted messages, which is favorable in the case of a low-speed network.
  • the central server 32 collects and stores in memory all the messages stamped by the base stations 31. The server 32 then identifies the received messages concerning the same initial amount message, and determines the time offsets ⁇ between the time stamp data attached to these time stamped messages. The difference in "timestamp" between two messages received from two stations gives the time difference between the clocks of the two stations.
  • the same amount message sent at a given time by the same terminal 20 is therefore received by at least two separate base stations 31.
  • Each of these base stations 31 timestamps the rising message according to its own clock, and transmits it to the central server 32 in the form of a timestamped message.
  • the central server 32 therefore receives at least two time stamped messages from the same amount message.
  • the difference in time stamping between two time-stamped messages transmitted to the central server 32 by two base stations 31 having received the same amount message corresponds to the time difference between the clocks of these two base stations 31.
  • this operation of calculating the time shift of the clocks of the base stations 31 is carried out permanently in the embodiment described here by way of example, but could, alternatively, be carried out only from time to time, at a predetermined interval calculated according to an estimate of the maximum drift of the least reliable clocks.
  • the server 20 keeps in memory a history of the time offsets ⁇ observed between the clocks different base stations 31, for a possible subsequent statistical analysis, or a probable failure detection of a clock.
  • the central server 32 selects the clock of one of the base stations 31 as a common reference (from its NTP synchronization status, for example) for the calculation of this time shift ⁇ .
  • a clock among those which have a good accuracy of synchronization. Synchronization accuracy is given by NTP.
  • the central server 32 requests each of the base stations 31 having sent the same message to shift its clock to compensate for its time offset with respect to this reference clock.
  • each base station 31 having received this resynchronization request corrects its clock by a value equal to the time difference ⁇ found between the time of its time stamp and the time of the time stamp of the clock having served as a reference value.
  • these fifth and sixth steps are avoided by maintaining, at server 32, a database of time offsets ⁇ between the clocks of base stations 31. This database is used to correct "timestamp" of each of the amount messages transmitted by each of the base stations 31 as and when they are received.
  • first remote terminal 20A and a second remote terminal 20B in range, respectively of a first set 310A, and a second set 310B of base stations 31.
  • the two base station sets 310A, 310B are assumed to have a non-empty intersection comprising at least one base station 31 C (see Figure 3).
  • the base stations 31 with a reception range of the second terminal 20B can then be synchronized with respect to a base station 31C which is an element of the two sets 310A, 310B of base stations 31, respectively receiving the terminal 20A and the terminal 20B, the base station 31 C being chosen as the reference clock for the assembly 310B.
  • This step 57 is repeated as long as there is at least one set 31 ON of base stations 31 within reach of the same remote terminal 20N, not yet resynchronized, the set 31 ON having at least one base station 31 already resynchronized in the same resynchronization operation.
  • this base is completed for the base stations of the second set 310B of base stations 31 within range.
  • receiving the second terminal 20B by adding the time offset value At (31 C) found for the clock of a base station 31 C common to the two sets 310A, 310B, to the offsets of the clocks of the stations of the set 310B with respect to this station 31 C taken as reference.
  • step by step it is possible to synchronize all the base stations of the global network, or at least all the base stations within reach of the same set of terminals.
  • This is a viral propagation synchronization of a reference value based on time shift data between clocks of the base stations.
  • the central server 32 keeps in memory the identity of the base stations 31 that were resynchronized, the moment of their resynchronization, and the offset of clock time they had to perform.
  • steps 53 of timestamp of the upstream messages and 56 of the resynchronization must necessarily be executed at least partially by a base station 31.
  • step 54 of collecting the data and the step 55 of determining a reference clock are executed by the server 32, which then transmits the time offset data. to be corrected at each base station 31, which then executes step 56 of resynchronization.
  • the method for determining the time difference existing between the clocks of the base stations makes it possible, in particular, to resynchronize step by step, at low cost, all the base stations of a communication network whose connection to the core of the network is unreliable and of poor quality.
  • this solution eliminates the need for terminals able to time stamp all messages sent, which would be expensive in terms of equipment, and increase the need for data rate, and therefore bandwidth.
  • This invention is also particularly useful in the case of a network requiring synchronized clocks, or at least whose relative time shifts are known, for operation in bidirectional mode.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base (31) d'un réseau de communication. Le procédé (50) comporte des étapes dans lesquelles : - 51 / un message montant est émis par un terminal distant (20) à destination d'un serveur central (32), - 52/ ledit message montant est reçu par au moins deux stations de base (31) du réseau de communication, - 53/ chacune des stations de base (31) ayant reçu le même message montant horodate celui-ci selon son horloge propre, puis émet le message ainsi horodaté vers le serveur central (32), - 54/ le serveur central (32) collecte tous les messages horodatés par les stations de base (31), extrait les messages horodatés comportant le même message montant issu du premier terminal (20A), et détermine les décalages temporels entre ces messages horodatés comportant ledit même message montant, et en déduit un décalage temporel entre les horloges propres des stations de base ayant reçu ledit même message montant.

Description

Procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base d'un réseau de communication
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention appartient au domaine des télécommunications numériques, et concerne plus particulièrement un procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base d'un réseau de communication, lesdites communications étant réalisées entre au moins un serveur central et des terminaux distant par l'intermédiaire d'au moins une station de base.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que nullement limitative, dans les systèmes de communication sans fil à bande ultra étroite. Par « bande ultra étroite » (« Ultra Narrow Band » ou UNB dans la littérature anglo-saxonne), on entend que le spectre fréquentiel instantané des signaux radioélectriques émis par les terminaux est de largeur fréquentielle inférieure à un kilohertz.
De tels systèmes de communication sans fil UNB sont particulièrement adaptés pour des applications du type M2M (acronyme anglo-saxon pour « Machine-to-Machine ») ou du type « Internet des objets » (« Internet of Things » ou loT dans la littérature anglo-saxonne).
Dans un tel système de communication sans fil UNB, les échanges de données sont essentiellement monodirectionnels, en l'occurrence sur un lien montant entre des terminaux et un réseau d'accès dudit système.
Les terminaux émettent des messages montants qui sont collectés par des stations de base du réseau d'accès, sans avoir à s'associer préalablement à une ou plusieurs stations de base du réseau d'accès. En d'autres termes, les messages montants émis par un terminal ne sont pas destinés à une station de base spécifique du réseau d'accès, et le terminal émet ses messages montants en supposant qu'ils pourront être reçus par au moins une station de base. De telles dispositions sont avantageuses en ce que le terminal n'a pas besoin de réaliser des mesures régulières, gourmandes notamment d'un point de vue consommation électrique, pour déterminer la station de base la plus appropriée pour recevoir ses messages montants. La complexité repose sur le réseau d'accès, qui doit être capable de recevoir des messages montants pouvant être émis à des instants arbitraires et sur des fréquences centrales arbitraires. Chaque station de base du réseau d'accès reçoit des messages montants des différents terminaux qui sont à sa portée.
Un tel mode de fonctionnement, dans lequel les échanges de données sont essentiellement monodirectionnels, est tout à fait satisfaisant pour de nombreuses applications, comme par exemple la télé-relève de compteurs de gaz, d'eau, d'électricité, la télésurveillance de bâtiments ou de maisons, etc.
Un tel réseau est notamment décrit dans la demande de brevet EP
2 580 882 A1 (« PROCEDE D'UTILISATION D'UNE RESSOURCE FREQUENTIELLE PARTAGEE, PROCEDE DE FABRICATION DE TERMINAUX, TERMINAUX ET SYSTEME DE
TÉLÉCOMMUNICATIONS ») du même demandeur. Il s'agit d'un réseau cellulaire à bas débit qui a vocation à avoir une couverture géographique très large, y compris dans des zones peu couvertes par des réseaux ce communication classiques qu'ils soient filaires ou sans fil (GSM, 3G, LTE, etc.).
Ce réseau sans fil se caractérise par un mode de communication non organisé où les terminaux distants transmettent des messages à leur initiative et où ces messages sont captés par toutes les stations de bases qui sont à la portée du terminal et où les stations de base n'ont pas vocation à filtrer les messages reçu par de multiple stations de base. Au contraire, elles transmettent à leur tour tout message capté vers un serveur central.
Le back-haul (réseau intermédiaire formé par les stations de base) des messages des stations de base vers les serveurs, utilise une variété de canaux de communication selon leur disponibilité : connexion filaire à Internet, faisceau hertzien, connexion sans fil cellulaire (GSM, 3G, LTE, ...), liaison satellitaire
(orbite basse ou orbite géostationnaire)...
Dans certaines situations de congestion du back-haul ou du serveur, les stations de bases peuvent être amenées à buffériser les messages reçus pour différer leur transmission vers le serveur.
On constate, lors de la mise en œuvre d'un tel réseau, des problèmes liés à la désynchronisation des horloges de base des différentes stations de base du réseau. Ces désynchronisations trouvent leur origine dans de nombreux facteurs (délai, gigue...). L'ordre de grandeur des différences de temps observées entre diverses horloges peut atteindre plusieurs secondes. Un tel décalage est préjudiciable au bon fonctionnement du réseau de communication. En effet, il peut être nécessaire pour certains utilisateurs d'un tel réseau de disposer d'informations de temps précises sur la date d'envoi des messages par les terminaux, par exemple lorsqu'il s'agit de messages d'événements tels que des pannes d'appareils auxquels ils sont connectés. Une synchronisation des horloges des stations de base, permettant une précision de datation meilleure que la seconde, est donc généralement souhaitable.
On connaît déjà dans ce domaine le protocole NTP (Network Time Protocol), qui est le protocole largement utilisé pour synchroniser les horloges d'équipements réseau.
On connaît par ailleurs, pour résoudre le problème de synchronisation d'horloges d'équipements réseau, la synchronisation des horloges par un signal GPS (Global Positioning System).
De par la nature de la connectivité utilisée pour le back-haul qui peut différer d'une station à l'autre et qui peut changer d'un instant à l'autre (par exemple perte de réseau cellulaire, déconnexion d'un lien Internet, fluctuation importante des délais de transmission...) l'utilisation du protocole NTP ne donne pas de résultats fiables.
En effet, NTP est très performant pour les réseaux LAN (Local Area Network) et permet d'atteindre des précisions d'horloge de l'ordre de 100 microsecondes, cependant pour les réseaux WAN (Wide Area Network) à haut débit, NTP commence à montrer des limites (la précision peut alors tomber à 100 millisecondes). Dans le cas de réseaux WAN à faible débit, à débit très irrégulier, à temps de latence très variables et surtout non symétriques, NTP ne permet pas d'obtenir des synchronisations fiables des horloges. On a constaté dans certains cas des désynchronisations de l'ordre de 10 secondes.
NTP repose sur une latence de transmission entre les nœuds du réseau qui est essentiellement symétrique, ce qui est difficilement atteignable lorsque cette latence n'est pas constante et variable dans le temps.
La synchronisation GPS nécessiterait d'équiper toutes les stations de base d'un récepteur GPS ce qui implique un surcoût matériel mais également une complexité de déploiement sur les sites des stations de base (antenne GPS sur les pylônes, câblage et amplificateur entre l'antenne GPS et l'équipement).
Les terminaux sur un tel réseau doivent rester simples et ne disposent donc pas d'horloge leur permettant d'horodater les messages. De plus, les débits faibles limitent les informations transmises et il n'est donc pas raisonnable de transmettre dans chaque message un horodatage. Pour autant, cette information peut être importante pour le client, dans la mesure où cela peut lui permettre de dater un événement (par exemple).
Or, les stations de base du réseau sont choisies volontairement comme des systèmes peu coûteux. Il n'est donc pas envisageable de les équiper de récepteurs GPS, ou d'autres dispositifs sophistiqués de synchronisation.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des limitations des solutions de l'art antérieur, notamment celles exposées ci-avant, en proposant une solution qui permette de corriger les décalages horaires entre les messages reçus par le serveur, et / ou de synchroniser les horloges des stations de base à faible coût.
A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base d'un réseau de communication, lesdites communications étant réalisées entre au moins un terminal et au moins un serveur central par l'intermédiaire d'au moins une station de base, chaque station de base étant adaptée à recevoir les messages montants des terminaux qui se trouvent à sa portée, chaque station de base étant équipée d'une horloge propre, chaque message montant ainsi reçu étant transmis par la station de base au serveur central.
Le procédé de détermination du décalage temporel comporte des étapes dans lesquelles :
- un message montant est émis par un premier terminal distant à destination du serveur central, - ledit message montant est reçu par au moins deux stations de base du réseau de communication,
- chacune des stations de base ayant reçu le même message montant du premier terminal horodate celui-ci selon son horloge propre, puis émet le message ainsi horodaté vers le serveur central,
- le serveur central collecte les messages horodatés par les stations de base, extrait les messages horodatés comportant le même message montant issu du premier terminal, et détermine les décalages temporels entre ces messages horodatés comportant ledit même message montant, et en déduit un décalage temporel entre les horloges propres des stations de base ayant reçu ledit même message montant.
On entend ici par « station de base » des nœuds de communication du réseau, adaptés à réémettre les messages montants reçus vers un serveur ou un autre nœud de communication du réseau.
On comprend que l'invention est un procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base, le procédé n'étant pas sensible au temps de transmission des messages entre les stations de base et le serveur central. Cette caractéristique permet de s'affranchir de la variabilité des moyens de back-haul entre les stations et au cours du temps. Il permet aussi de s'affranchir des latences variables introduites dans ce back- haul par une perte momentanée de connectivité ou par une situation de congestion dans le réseau ou dans le serveur central.
Le procédé repose sur le fait qu'un message émis par un terminal distant est en général reçu par plusieurs stations de base ; les stations de base horodatent les messages reçus et transmettent les messages horodatés à un serveur central configuré pour identifier les messages identiques reçus par différentes stations de base et pour en déduire un décalage des horloges d'horodatage des stations de base ayant reçu un même message.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
- le serveur central détermine une des horodates comme valeur de référence, et émet à destination des stations de base une demande de synchronisation sur la base de la valeur de référence.
- le serveur central maintient une base de données de décalages temporels entre les horloges des stations de base, cette base de données étant utilisée pour corriger « horodate » de chacun des messages montants transmis par chacune des stations de base au fur et à mesure de leur réception.
- la base de données de décalages temporels est complétée pour les stations de base d'un second ensemble de stations de base à portée de réception d'un second terminal, ledit ensemble comprenant au moins une station de base commune faisant également partie d'un premier ensemble de stations de base à portée de réception du premier terminal, en ajoutant la valeur de décalage temporel constatée pour l'horloge d'une station de base commune aux deux ensembles, aux décalages des horloges des stations de l'ensemble par rapport à cette station prise comme référence.
- chaque station de base ayant reçu une demande de resynchronisation corrige son horloge d'une valeur égale au décalage temporel constaté entre l'heure de son horodatage et l'heure de l'horodatage de l'horloge ayant servi de valeur de référence.
- lors de l'étape 53, tous les messages montants reçus de tous les terminaux sont horodatés par les stations de base les recevant, avant réémission vers le serveur.
- lors de l'étape 53, l'horodatage des messages montants reçus est seulement réalisé à intervalles récurrents, pendant une période de temps prédéterminée
- l'étape 54 de calcul de décalage temporel des horloges des stations de base est effectuée par le serveur seulement de temps en temps, à intervalle prédéterminé calculé en fonction d'une estimation de la dérive maximale des horloges les moins fiables.
- lors de l'étape 55, le serveur central choisit l'horloge d'une des stations de base comme référence commune à partir de son statut de synchronisation NTP,
- lors de l'étape 56, chaque station de base ayant reçu cette demande de resynchronisation corrige son horloge d'une valeur égale au décalage temporel constaté entre l'heure de son horodatage et l'heure de l'horodatage de l'horloge ayant servi de valeur de référence.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base est tel que, dans une septième étape 57, les stations de base à portée de réception d'un second terminal sont synchronisées par rapport à une station de base et un élément commun aux deux ensembles de stations de base, à portée de réception respectivement du premier terminal et du second terminal, la station de base étant choisie comme horloge de référence pour l'ensemble de stations de base à portée du second terminal, cette étape 57 étant répétée aussi longtemps qu'il existe au moins un ensemble de stations de base à portée de réception d'un même terminal distant, non encore resynchronisées, l'ensemble comportant au moins une station de base déjà resynchronisée dans la même opération de resynchronisation, les identifiants des stations de base ayant été resynchronisées étant mémorisées par le serveur.
Selon un autre aspect, la présente invention concerne un réseau d'accès comportant des moyens configurés pour mettre en œuvre un procédé selon l'un quelconque des modes de mise en œuvre de l'invention.
Selon encore un autre aspect, la présente invention concerne un serveur central comportant des moyens configurés pour mettre en œuvre un procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base selon l'un quelconque des modes de mise en œuvre de l'invention.
Selon encore un autre aspect, l'invention vise un système de communication sans fil, de type UNB, comportant plusieurs terminaux, un réseau d'accès comportant plusieurs stations de base, un serveur, comportant des moyens configurés pour mettre en œuvre un procédé tel qu'exposé.
PRÉSENTATION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures qui représentent :
- Figure 1 : une représentation schématique d'un système de communication sans fil,
- Figure 2 : un diagramme illustrant les principales étapes d'un procédé de détermination du décalage temporel existant entre des horloges de stations de base,
- Figure 3 : une représentation schématique du cas où deux ensembles de stations de base recevant des messages de deux terminaux distants présentent une intersection non vide. Dans ces figures, des références identiques d'une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas à l'échelle, sauf mention contraire.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
L'invention trouve sa place dans le contexte d'un système 10 de communication sans fil, par exemple de type UNB (« Ultra Narrow Band »), comportant plusieurs terminaux 20 et un réseau d'accès 30 comportant plusieurs stations de base 31 , tel que représenté schématiquement figure 1 . Dans un mode de fonctionnement normal du système, celui-ci comporte un grand nombre de terminaux 20 et de stations de base 31 . Pour la mise en œuvre du procédé ici décrit, un seul terminal 20 et deux stations de base 31 sont suffisants.
Les terminaux 20 et les stations de base 31 du réseau d'accès 30 échangent des données sous la forme de signaux radioélectriques. Par « signal radioélectrique », on entend une onde électromagnétique se propageant via des moyens non filaires, dont les fréquences sont comprises dans le spectre traditionnel des ondes radioélectriques (quelques hertz à plusieurs centaines de gigahertz).
Les terminaux 20 sont adaptés à émettre des messages montants sur un lien montant à destination du réseau d'accès 30. Les messages montants sont par exemple émis de façon asynchrone. Par « émettre de façon asynchrone », on entend que les terminaux 20 déterminent de manière autonome quand ils émettent, sans coordination desdits terminaux 20 entre eux et avec les stations de base 31 du réseau d'accès 30. Chaque station de base 31 est adaptée à recevoir les messages montants des terminaux 20 qui se trouvent à sa portée. Chaque message montant ainsi reçu est par exemple transmis par la station de base 31 à au moins un serveur 32 du réseau d'accès 30, éventuellement accompagné d'autres informations comme un identifiant de la station de base 31 qui l'a reçu, la puissance mesurée dudit message montant reçu, la date de réception dudit message montant, etc. Chaque station de base 31 est ici supposée dotée de moyens de dater un message reçu, au regard d'une horloge locale intégrée à la station de base.
Le serveur 32 traite, par exemple, l'ensemble des messages montants reçus des différentes stations de base 31 . On considère dans la suite de la description le cas d'un seul serveur central 32. L'invention est naturellement adaptable au cas d'un plus grand nombre de serveur centraux 32.
Chaque station de base 31 comporte en outre des moyens de communication sans fil, considérés comme connus de l'homme de l'art, permettant à ladite station de base de recevoir des messages montants et d'émettre des messages descendants. Les stations de base 31 et le serveur 32 comportent également des moyens de communication de réseau respectifs, considérés comme connus de l'homme de l'art, permettant au serveur 32 d'échanger des données avec chaque station de base 31 .
Les stations de base 31 et le serveur 32 comportent des modules de traitement respectifs (non représentés sur les figures), chaque module de traitement comportant par exemple un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans lesquels est mémorisé un produit programme d'ordinateur, sous la forme d'un ensemble d'instructions de code de programme à exécuter pour mettre en œuvre les différentes étapes d'un procédé de détermination de décalage temporel entre horloges de stations de base, et de synchronisation de ces horloges. Dans une variante, chaque module de traitement comporte un ou des circuits logiques programmables, de type FPGA, PLD, etc., et/ou circuits intégrés spécialisés (ASIC) adaptés à mettre en œuvre tout ou partie desdites étapes du procédé.
En d'autres termes, le réseau d'accès 30 comporte un ensemble de moyens configurés de façon logicielle (produit programme d'ordinateur spécifique) et/ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, etc.) pour mettre en œuvre les différentes étapes du procédé.
Mode de fonctionnement du procédé
Comme on le voit sur la figure 2, le procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base 31 du réseau comprend plusieurs étapes.
Considérons un terminal distant 20 (un objet connecté dans le cas du réseau ici considéré à titre d'exemple non limitatif), à portée de plusieurs stations de base 31 . Un message émis par ce terminal 20 sera reçu par toutes ces stations de base 31 essentiellement au même instant. Il peut exister un léger décalage temporel de réception lié à une différence de temps de vol (distance entre le terminal 20 et des stations de base 31 différentes) mais on peut raisonnablement l'ignorer du fait de sa valeur extrêmement faible au regard de la précision de synchronisation souhaitée (environ 0,1 seconde).
Dans une première étape 51 , un message montant est émis par ce terminal distant 20 à destination d'un serveur central 32. Ce message peut être quelconque, il n'a pas de format particulier requis. Tout message émis par un des terminaux 20, conforme au format du réseau considéré, et reçu par une pluralité de stations de base 31 peut être utilisé pour la mise en œuvre du procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base.
Dans une deuxième étape 52, le message montant est reçu par au moins deux stations de base 31 du réseau de communication 30. Chacune de ces stations de base 31 effectue, pour recevoir le message montant, des tâches dont les détails sont supposés connus en soi et sortent en tant que tels du cadre de l'invention.
Dans une troisième étape 53, chacune des stations de base 31 ayant reçu le message montant horodate celui-ci selon son horloge propre, puis émet le message ainsi horodaté vers le serveur central 32. Ici encore, les étapes et détails du procédé d'émission d'un message montant entre une station de base 31 et le serveur 32 sont supposées connues en soi, et ne sont donc pas détaillées plus avant ici. Dans le mode de mise en œuvre du procédé ici décrit, tous les messages montants reçus des terminaux 20 sont horodatés avant réémission vers le serveur 32.
Dans un autre mode de mise en œuvre, cet horodatage des messages montants reçus est seulement réalisé à intervalles récurrents, par exemple toutes les quelques dizaines de minutes et pendant une période de temps prédéterminée. Cette seconde option permet de réduire la longueur des messages transmis, ce qui est favorable dans le cas d'un réseau à faible débit.
Dans une quatrième étape 54, le serveur central 32 collecte et stocke en mémoire tous les messages horodatés par les stations de base 31 . Le serveur 32 identifie alors les messages reçus concernant le même message montant initial, et détermine les décalages temporels Δί entre les données d'horodatage attachées à ces messages horodatés. La différence d' « horodate » entre deux messages reçus de deux stations donne le décalage temporel entre les horloges des deux stations.
Un même message montant, émis à un instant donné par un même terminal 20 est donc reçu par au moins deux stations de base 31 distinctes. Chacune de ces stations de base 31 horodate le message montant en fonction de son horloge propre, et le transmet au serveur central 32 sous la forme d'un message horodaté. Le serveur central 32 reçoit donc au moins deux messages horodatés issus du même message montant. Aux différences de temps de propagation entre le terminal 20 et les stations de base 31 près, qui peuvent être ici négligés, la différence d'horodatage entre deux messages horodatés transmis au serveur central 32 par deux stations de base 31 ayant reçu le même message montant correspond donc au décalage temporel entre les horloges propres de ces deux stations de base 31 .
Ici encore, cette opération de calcul de décalage temporel des horloges des stations de base 31 est effectuée de façon permanente dans le mode de mise en œuvre décrit ici à titre d'exemple, mais pourrait, alternativement, être effectuée seulement de temps en temps, à intervalle prédéterminé calculé en fonction d'une estimation de la dérive maximale des horloges les moins fiables.
Dans une mise en œuvre particulière, le serveur 20 conserve en mémoire un historique des décalages temporels Δί observés entre les horloges des différentes stations de base 31 , en vue d'une éventuelle analyse statistique ultérieure, ou d'une détection de panne probable d'une horloge.
Dans une cinquième étape 55, le serveur central 32 choisit l'horloge d'une des stations de base 31 comme référence commune (à partir de son statut de synchronisation NTP, par exemple) pour le calcul de ce décalage temporel Δί. Dans le mode de réalisation décrit ici à titre d'exemple, on choisit une horloge parmi celles qui ont une bonne précision de synchronisation. La précision de synchronisation est donnée par NTP. On peut aussi choisir la station de base 31 qui présente le meilleur round-trip-time entre le serveur 32 et la station de base 31 .
Dans un exemple de mise en œuvre, Le serveur central 32 demande à chacune des stations de base 31 ayant émis le même message de décaler son horloge pour compenser son décalage temporel par rapport à cette horloge de référence. Dans une sixième étape 56, chaque station de base 31 ayant reçu cette demande de resynchronisation corrige son horloge d'une valeur égale au décalage temporel Δί constaté entre l'heure de son horodatage et l'heure de l'horodatage de l'horloge ayant servi de valeur de référence.
Alternativement, on évite ces cinquième et sixième étapes en maintenant, au niveau du serveur 32, une base de données de décalages temporels Δί entre les horloges des stations de base 31 . Cette base de données est utilisée pour corriger « horodate » de chacun des messages montants transmis par chacune des stations de base 31 au fur et à mesure de leur réception.
De la sorte, on peut resynchroniser toutes les horloges des stations de bases 31 qui sont à la portée d'un même terminal distant 20, ou alternativement disposer d'une base de données de décalages temporels entre stations de base 31 à portée de réception d'un même terminal 20, cette base de données permettant de corriger les horodates attachées à ces messages.
Plus généralement, ce principe est appliqué pour synchroniser l'ensemble du réseau. Considérons un premier terminal distant 20A et un second terminal distant 20B à portée, respectivement d'un premier ensemble 310A, et d'un second ensemble 310B de stations de base 31 . Les deux ensembles 310A, 310B de station de base sont supposées avoir une intersection non vide comprenant au moins une station de base 31 C (voir Figure 3).
Il est possible de synchroniser les stations de base 31 à portée du premier terminal 20A (le premier ensemble 310A à gauche sur la figure 3) par le procédé décrit plus haut, ou de créer une base de données de décalages temporels Δί observés entre les horloges des stations de base de ce premier ensemble 310A. Dans une septième étape 57, les stations de base 31 à portée de réception du second terminal 20B (celui de droite sur la figure 3) peuvent alors être synchronisées par rapport à une station de base 31 C qui est un élément des deux ensembles 310A, 310B de stations de base 31 , à portée de réception respectivement du terminal 20A et du terminal 20B, la station de base 31 C étant choisie comme horloge de référence pour l'ensemble 310B.
Par transitivité, toutes les stations de base 31 des deux ensembles 310A, 310B sont ainsi synchronisées.
Cette étape 57 est répétée aussi longtemps qu'il existe au moins un ensemble 31 ON de stations de base 31 à portée de réception d'un même terminal distant 20N, non encore resynchronisées, l'ensemble 31 ON comportant au moins une station de base 31 déjà resynchronisée dans la même opération de resynchronisation.
Alternativement, si une base de données de décalages temporels entre les horloges des stations de base 31 du premier ensemble 310A est maintenue par le serveur central 32, cette base est complétée pour les stations de base du second ensemble 310B de stations de base 31 à portée de réception du second terminal 20B, en ajoutant la valeur de décalage temporel At(31 C) constatée pour l'horloge d'une station de base 31 C commune aux deux ensembles 310A, 310B, aux décalages des horloges des stations de l'ensemble 310B par rapport à cette station 31 C prise comme référence.
Il est donc apparent que, de proche en proche, on peut synchroniser toutes les stations de base du réseau global, ou à tout le moins toutes les stations de base à portée d'un même ensemble de terminaux. Il s'agit d'une synchronisation par propagation virale d'une valeur de référence sur la base de données de décalage temporel entre horloges des stations de base.
Dans le présent exemple de réalisation, le serveur central 32 garde en mémoire l'identité des stations de base 31 qui ont été resynchronisées, l'instant de leur resynchronisation, et le décalage de temps d'horloge qu'elles ont dû effectuer.
Parmi les différentes étapes illustrées par la figure 2, seule les étapes 53 d'horodatage des messages montants et 56 de resynchronisation doivent nécessairement être exécutées au moins partiellement par une station de base 31 . On se place ici, de manière non limitative, dans le cas où l'étape 54 de collecte des données et l'étape 55 de détermination d'une horloge de référence sont exécutées par le serveur 32, qui transmet ensuite les données de décalage temporel à corriger à chaque station de base 31 , qui exécute ensuite l'étape 56 de resynchronisation.
Avantages du procédé
On comprend à la lecture de la description ci-dessus que le procédé de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base, tel qu'exposé ici, permet, notamment, de resynchroniser de proche en proche, à faible coût, toutes les stations de base d'un réseau de communication dont la connexion au cœur du réseau est peu fiable et de mauvaise qualité.
Par ailleurs, cette solution permet de s'affranchir d'un besoin de terminaux capables d'horodater tous les messages émis, ce qui serait coûteux en terme d'équipement, et augmenterait le besoin en débit de données, et donc en bande passante.
Cette invention est également particulièrement utile dans le cas d'un réseau nécessitant d'avoir des horloges synchronisées, ou dont au moins les décalages temporels relatifs sont connus, pour un fonctionnement en mode bidirectionnel.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé (50) de détermination du décalage temporel existant entre les horloges des stations de base (31 ) d'un réseau de communication, lesdites communications étant réalisées entre au moins un premier terminal (20A) et au moins un serveur central (32) par l'intermédiaire d'au moins une station de base (31 ), chaque station de base (31 ) étant adaptée à recevoir des messages montants de terminaux (20, 20A) qui se trouvent à sa portée, chaque station de base étant équipée d'une horloge propre, chaque message montant ainsi reçu étant transmis par la station de base (31 ) au serveur central (32),
caractérisé en ce que ledit procédé (50) comporte des étapes dans lesquelles :
- 51 / un message montant est émis par le premier terminal (20A) à destination du serveur central (32),
- 52/ ledit message montant est reçu par au moins deux stations de base (31 ) du réseau de communication,
- 53/ chacune des stations de base (31 ) ayant reçu le même message montant du premier terminal (20A) horodate celui-ci selon son horloge propre, puis émet le message ainsi horodaté vers le serveur central (32),
- 54/ le serveur central (32) collecte les messages horodatés par les stations de base (31 ), extrait les messages horodatés comportant le même message montant issu du premier terminal (20A), et détermine les décalages temporels entre ces messages horodatés comportant ledit même message montant, et en déduit un décalage temporel entre les horloges propres des stations de base ayant reçu ledit même message montant.
Procédé (50) selon la revendication 1 , comportant en outre une étape 55/ dans laquelle le serveur central (32) détermine une des horodates comme valeur de référence, et émet à destination des stations de base (31 ) une demande de synchronisation temporelle des horloges des stations de base sur la base de la valeur de référence.
Procédé (50) selon la revendication 2, dans lequel, lors de l'étape 55, le serveur central (32) choisit l'horloge d'une des stations de base (31 ) comme référence commune à partir de son statut de synchronisation NTP.
Procédé (50) selon la revendication 2 ou 3, comportant en outre une étape 56/ dans laquelle chaque station de base (31 ) ayant reçu cette demande de resynchronisation corrige son horloge d'une valeur égale au décalage temporel constaté entre l'heure de son horodatage et l'heure de l'horodatage de l'horloge ayant servi de valeur de référence.
Procédé (50) selon la revendication 4, dans lequel, dans une septième étape 57, les stations de base (31 ) à portée de réception d'un second terminal (20B) sont synchronisées par rapport à une station de base (31 C) qui est un élément commun aux deux ensembles (310A, 310B) de stations de base (31 ), à portée de réception respectivement du premier terminal (20A) et du second terminal (20B), la station de base (31 C) étant choisie comme horloge de référence pour l'ensemble (310B) de stations de base à portée du second terminal (20B), cette étape 57 étant répétée aussi longtemps qu'il existe au moins un ensemble (31 ON) de stations de base (31 ) à portée de réception d'un même terminal distant (20N), non encore resynchronisées, l'ensemble (31 ON) comportant au moins une station de base (31 ) déjà resynchronisée dans la même opération de resynchronisation, les identifiants des stations de base ayant été resynchronisées étant mémorisées par le serveur (32) .
Procédé (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le serveur central (32) maintient une base de données de décalages temporels entre les horloges des stations de base (31 ), cette base de données étant utilisée pour corriger « horodate » de chacun des messages montants transmis par chacune des stations de base (31 ) au fur et à mesure de leur réception. - Procédé (50) selon la revendication 6, dans lequel la base de données de décalages temporels est complétée pour les stations de base d'un second ensemble (310B) de stations de base (31 ) à portée de réception d'un second terminal (20B), ledit ensemble comprenant au moins une station de base commune (31 C) faisant également partie d'un premier ensemble
(310A) de stations de base (31 ) à portée de réception du premier terminal (20A), en ajoutant la valeur de décalage temporel At(31 C) constatée pour l'horloge d'une station de base (31 C) commune aux deux ensembles (310A, 310B), aux décalages des horloges des stations de l'ensemble (310B) par rapport à cette station (31 C) prise comme référence.
- Réseau d'accès (30) caractérisé en ce qu'il comporte des moyens configurés pour mettre en œuvre un procédé (50) selon l'une des revendications 1 à 7. - Serveur (32) caractérisé en ce qu'il comporte des moyens configurés pour mettre en œuvre un procédé (50) selon l'une des revendications 1 à 7. - Système (10) de communication sans fil, de type UNB, comportant plusieurs terminaux (20), un réseau d'accès (30) comportant plusieurs stations de base (31 ), un serveur (32), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens configurés pour mettre en œuvre un procédé (50) selon l'une des revendications 1 à 7.
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