PUNTO DE ACCESO INALAMBRICO MULTIUSUARIO PARA PICONET EXTENDIDA.

Punto de acceso inalámbrico multiusuario para piconet extendida.

Según el estándar Bluetooth, una piconet consta de un dispositivo maestro y hasta 7 dispositivos esclavos.

La presente invención extiende este concepto para conseguir que un dispositivo maestro gestione un número elevado de esclavos en una misma piconet.

La invención está formada por dos controladores de banda base Bluetooth, conectados a sendos circuitos Bluétooth radio e interconectados entre sí y a un microcontrolador, el cual gestiona todo el sistema, de forma que uno de los controladores se encuentra permanentemente descubriendo otros dispositivos y el otro establece la conexión con los dispositivos descubiertos y realiza las tareas de comunicación con dichos dispositivos.

La invención contiene, además, un método de operación que permite obtener un rendimiento óptimo del punto de acceso, mejorando los procedimientos de incorporación de dispositivos esclavos, gestión de acceso al medio y abandono de la piconet

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200601452.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE ALCALA..

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: MORENO BLAZQUEZ,ANGEL, CARBAJO MARTIN,MELQUIADES, RODRIGUEZ MORENO,MARIA DOLORES.

Fecha de Solicitud: 31 de Mayo de 2006.

Fecha de Publicación: 13 de Mayo de 2010.

Fecha de Concesión: 30 de Abril de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

H04W84/20 ELECTRICIDAD. › H04 TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS. › H04W REDES DE COMUNICACION INALAMBRICAS (difusión H04H; sistemas de comunicación que utilizan enlaces inalámbricos para comunicación no selectiva, p. ej. extensiones inalámbricas H04M 1/72). › H04W 84/00 Topologías de red. › Disposiciones maestro-esclavo.
H04W88/10 H04W […] › H04W 88/00 Dispositivos especialmente adaptados para redes de comunicación inalámbricas, p. ej. terminales, estaciones base o dispositivos de punto de acceso. › adaptados para funcionar en múltiples redes, p. ej. puntos de acceso multimodo.
H04W88/12 H04W 88/00 […] › Dispositivos de control de punto de acceso.

Clasificación PCT:

H04W84/20 H04W 84/00 […] › Disposiciones maestro-esclavo.
H04W88/10 H04W 88/00 […] › adaptados para funcionar en múltiples redes, p. ej. puntos de acceso multimodo.
H04W88/12 H04W 88/00 […] › Dispositivos de control de punto de acceso.

PUNTO DE ACCESO INALAMBRICO MULTIUSUARIO PARA PICONET EXTENDIDA.

Fragmento de la descripción:

Punto de acceso inalámbrico multiusuario para piconet extendida.

Sector de la técnica

La invención se enmarca en el ámbito de las redes de área personal (PAN, Personal Area Networks), en entornos multiusuario, que utilizan tecnología inalámbrica en la banda libre ISM y, más concretamente, el estándar Bluetooth. La invención extiende el concepto de piconet (que en el estándar Bluetooth permite hasta 7 dispositivos esclavos y un maestro) para la inclusión de un gran número de terminales esclavos, el cuál depende en cada momento de las condiciones del entorno y que alcanza un límite tecnológico por encima de los 200 usuarios por piconet.

Estado de la técnica

La especificación IEEE 802.15 (Bluetooth) se ha convertido en el estándar de comunicaciones inalámbricas de voz y datos seguido por multitud de fabricantes (más de 2000 empresas se han adherido al mismo hasta el momento), existiendo un gran interés en su desarrollo. Bluetooth opera en la parte libre del espectro electromagnético, concretamente en la banda de 2,4 GHz, denominada ISM (Industrial, Scientific and Medical - Industrial, científica y médica). Proporciona un enlace inalámbrico de corto alcance (entre 10 y 100 m), una velocidad de hasta 1 Mbps y un consumo suficientemente bajo como para que sea posible su utilización en dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles y PDA (Personal Digital Assistant, Asistente personal digital), en el entorno de las denominadas Redes de área personal inalámbricas (WPAN, Wireless Personal Area Networks). Las redes de área local inalámbricas (WLAN, Wireless Local Area Networks) suelen operar a mayor velocidad, de 10 a 100 Mbps, con un alcance mayor y, por tanto, mayor consumo. Es corriente su utilización para conectar ordenadores portátiles a unared cableada a través de un punto de acceso (AP, Access Point). Uno de los estándares más conocidos es WiFi (802.11).

El Bluetooth SIG (Special Interest Group, Grupo de interés especial) es una asociación formada por empresas de reconocido prestigio en campos como las telecomunicaciones, informática, automoción o automatización industrial que promueven el desarrollo de la tecnología Bluetooth e impulsan su comercialización. Se fundó en septiembre de 1998, siendo sus promotores Agere, Ericsson, IBM, Intel, Microsoft, Motorola, Nokia y Toshiba, a los que se han sumado progresivamente como miembros multitud de empresas asociadas y colaboradoras. En noviembre de 2004 han publicado la versión 2.0 del estándar.

Bluetooth surgió inicialmente para sustituir conexiones cableadas de corto alcance, como la existente entre un ordenador y una impresora o entre los auriculares y un terminal de telefonía móvil cuando se utiliza como manos libres. Actualmente se puede utilizar para crear redes ad-hoc de hasta ocho dispositivos, uno de los cuales asume el papel de maestro y los demás (hasta siete) el de esclavos. Cada una de estas redes se denomina piconet y un mismo dispositivo puede pertenecer simultáneamente a varias piconet, permitiendo la interconexión entre ellas, formando lo que se denomina una scatternet. Un mismo dispositivo puede ser esclavo en varias piconet, pero nunca maestro en más de una de ellas. Un dispositivo que pertenece a varias piconet solamente puede enviar o recibir datos en una de ellas en un momento determinado.

Un sistema Bluetooth está compuesto por una unidad radio, una unidad de control del enlace y una unidad de soporte para la gestión del enlace y la interfaz con las aplicaciones de usuario. Dicho sistema proporciona una conexión punto a punto o punto a multipunto. Se trata de una transmisión full-duplex que utiliza técnicas de división en el tiempo, asignando ranuras de 625 microsegundos de duración que se numeran consecutivamente, correspondiendo las de numeración par a la comunicación maestro- esclavo y las impares a la comunicación esclavo-maestro. Nunca existe comunicación directa entre dos esclavos.

El transceptor Bluetooth es un sistema radio de espectro ensanchado que utiliza la técnica de salto en frecuencia sobre 79 canales, cada uno con un ancho de banda de 1 Mhz. Los saltos se producen a una velocidad de 1.600 saltos por segundo, con un patrón seudoaleatorio que recorre los 79 canales, permaneciendo el tiempo correspondiente a una ranura (625 microsegundos) en cada canal.

La conexión entre dos dispositivos Bluetooth se inicia cuando uno de ellos envía un mensaje de solicitud de conexión (INQUIRY) para descubrir a otros dispositivos que se encuentren activos en las inmediaciones. Cualquier dispositivo que se encuentre en estado de escucha (INQUIRY SCAN) reconocerá el mensaje y podrá responder con un mensaje de sincronización (INQUIRY RESPONSE) con la información necesaria para establecer la comunicación. Dicha información incluye el valor del reloj del dispositivo y su código de acceso, una dirección única de 48 bits (IEEE 802) asignada por el fabricante, denominada BD_ADDR. Además, el dispositivo maestro de la piconet le asigna de forma dinámica una dirección local como miembro activo, de 3 bits, denominada AM_ADDR y que es única en el ámbito de la piconet. Cada uno de los dispositivos Bluetooth que participan en una comunicación sincronizan los intercambios de datos con otros dispositivos utilizando su propio reloj interno. El dispositivo maestro utiliza su reloj interno para controlar la sincronización de la piconet. Los dispositivos esclavos sincronizan con el reloj del maestro añadiendo un valor de offset a su propio reloj interno.

El dispositivo Bluetooth que inició la comunicación puede quedar a la espera de recibir mensajes INQUIRY RESPONSE y así recopilar la información de BD_ADDR y valor del reloj interno de otros dispositivos Bluetooth en las inmediaciones. Una vez conocidos estos datos, puede enviar un mensaje PAGE para establecer una comunicación con uno de ellos, incluyendo en dicho mensaje el Código de acceso de dispositivo (DAC, Device Access Code) del dispositivo con el que se desea establecer la comunicación. Si dicho dispositivo se encuentra en modo PAGE SCAN, responderá con un mensaje idéntico y recibirá un mensaje de Sincronización de la frecuencia de salto (FHS, Frecuency Hop Synchronization) del dispositivo maestro, con la información necesaria para establecer la comunicación. En cuanto el dispositivo esclavo confirma su recepción ambos dispositivos pasan al estado de conexión.

Los procedimientos de INQUIRY y PAGE se encuentran muy bien definidos en la versión más reciente del estándar y constituyen las herramientas necesarias para formar una piconet nueva o para añadir un esclavo a una existente. Sin embargo, no existe ninguna regla o procedimiento sobre su utilización. Una vez descubiertos los dispositivos que se encuentran en las inmediaciones no es posible determinar cual es la secuencia de conexiones óptima a seguir para formar la piconet más adecuada de una forma eficiente. Las piconets se forman de manera más o menos aleatoria, lo que lleva a estructuras generalmente poco óptimas.

Durante el proceso de comunicación, el dispositivo maestro transmite en las ranuras pares y el esclavo seleccionado responde en las impares. Esta relación no puede mantenerse si el dispositivo maestro tiene que enviar mensajes INQUIRY para detectar la presencia de nuevos esclavos potenciales, comprometiéndose de forma significativa la velocidad efectiva de transferencia de datos en la piconet. De igual forma, un dispositivo maestro puede responder a un mensaje INQUIRY de otro dispositivo, pasando a formar parte como esclavo de una segunda piconet y dividiendo su capacidad de comunicación y ancho de banda entre los dos dominios de los que forma parte.

Sería, por tanto, deseable disponer de un mecanismo que permitiera mejorar el funcionamiento de un dispositivo maestro para poder optimizar la utilización tanto de las ranuras de tiempo dedicadas a descubrimiento de nuevos dispositivos como aquellas destinadas a la comunicación de datos entre dispositivos Bluetooth.

Para ello, la presente invención presenta un novedoso diseño para un punto de acceso operando como maestro y un método de operación de dicho punto de acceso que permite dividir las tareas de descubrimiento de dispositivos y comunicación entre ellos, utilizando para dicho cometido dos controladores de banda base Bluetooth gestionados por un microcontrolador e interconectados entre sí y con dicho microcontrolador de tal forma que se comportan ante el resto de dispositivos del sistema de comunicaciones como si de un único controlador...

Reivindicaciones:

1. Punto de acceso para redes inalámbricas de tecnología Bluetooth, funcionando como Maestro de una piconet en la que se supera la limitación de 7 usuarios esclavos que establece el estándar Bluetooth, caracterizado porque contiene:

a) Un controlador de banda base Bluetooth (1) (BT-1), conforme al estándar Bluetooth, configurado para funcionar de manera continua en modo MASTER INQUIRY.
b) Un controlador de banda base Bluetooth (2) (BT-2), conforme al estándar Bluetooth, configurado para funcionar alternativa y secuencialmente en modo PAGE y CONNECTION.
c) Dos circuitos integrados Bluetooth radio (3, 4) (conforme a la especificación Bluetooth, conectados independiente y respectivamente a los elementos a) y b) anteriores, a través de una interfaz conforme con la especificación Blue RF del Bluetooth Working Group y conectados cada uno de ellos a su propia antena (8, 9) de transmisión y recepción.
d) Un puerto de comunicaciones (5) para conexión con un sistema informático externo.
e) Un circuito integrado microcontrolador (6), conectado a los elementos a), b) y d) mediante un bus de comunicaciones (7), encargado de ejecutar un procedimiento de control de todo el sistema para:
vtcortaunaLlevar a cabo la comunicación de la aplicación ejecutada en el sistema informático con las aplicaciones ejecutadas en los potenciales dispositivos Bluetooth accesibles en la piconet. vtcortaunaControlar y gestionar el comportamiento de BT-1 y BT-2. vtcortaunaGarantizar que en todo momento BT-1 y BT-2 comparten la señal de sincronismo del reloj para que ambos actúen como un único dispositivo maestro. vtcortaunaGestionar que BT-1 y BT-2 comparten la información utilizada por cada uno de ellos.

2. Un método de operación del punto de acceso declarado en la Reivindicación 1 caracterizado porque comprende las operaciones siguientes:

a) El controlador de banda base BT-1 se mantiene constantemente en el estado de INQUIRY, enviando paquetes ID en las ranuras de transmisión utilizando la secuencia de saltos de frecuencia definida en la especificación Bluetooth, empleando para ello el código de acceso GIAC (General Inquiry Access Code), de forma que la secuencia de saltos de frecuencia se deriva del propio GIAC y del reloj del controlador de comunicaciones.
b) Dicho controlador BT-1 escucha en las ranuras de tiempo de recepción los posibles paquetes FHS enviados por otros dispositivos Bluetooth que se encuentren en estado INQUIRY SCAN, e informa al microcontrolador de los resultados recibidos mediante un INQUIRY RESULT EVENT, de acuerdo a la especificación Bluetooth, extrayendo, al menos, la información de la dirección BD_ADDR y el offset del reloj del esclavo. A continuación el controlador de comunicaciones volverá a realizar el mismo proceso de descubrimiento en estado INQUIRY.
c) Con dicha información, el microcontrolador solicita al controlador de banda base BT-2 que establezca una conexión con el dispositivo Bluetooth descubierto, pasando dicho controlador BT-2 al estado PAGE, dejando en suspenso su actividad habitual, que será la transmisión de los datos de la aplicación final entre los dispositivos de la piconet.
d) A continuación, el controlador de banda base BT-2 envía un mensaje PAGE al dispositivo Bluetooth detectado mediante un paquete ID, utilizando el salto de secuencia definido para PAGE en la especificación Bluetooth, con la estimación del reloj del dispositivo Bluetooth detectado facilitada por el microcontrolador y utilizando el control de acceso (CAC) derivado del BD_ADDR del dispositivo Bluetooth detectado.
e) Cuando el dispositivo Bluetooth detectado conteste con un paquete ID, el controlador de banda base BT-2 pasa a estado MASTER RESPONSE, en el que envía al dispositivo Bluetooth detectado un paquete FHS que, a su vez, entre otras cosas, determina la dirección LT_ADDR que identifica al enlace de transporte que se utilizará en el estado CONNECTION. Por su parte, el dispositivo Bluetooth detectado asentirá con un paquete ID.
f) A partir de este punto ambos dispositivos entran en estado CONNECTION, utilizando la secuencia de salto de frecuencia de canal básico derivada del BD_ADDR y del reloj del controlador de banda base BT-2 y el código de acceso (CAC) propio del canal, el cual se deriva de la dirección BD_ADDR del controlador de banda base BT-2. En esta conexión así establecida, el controlador de banda base BT-2 desempeña el papel de maestro y el dispositivo Bluetooth detectado el de esclavo.
g) Una vez en estado CONNECTION, un envío de un paquete POLL por parte del maestro y cualquier respuesta por el esclavo cerrarán el ciclo de establecimiento de conexión entre ambos. A partir de dicho momento el controlador de banda base BT-2 comunica al microcontrolador un evento de conexión completa, el cual se encarga de almacenar los datos de la conexión establecida.
h) Para cada esclavo incorporado a la piconet, el microcontrolador ordenará inmediatamente su paso al estado PARKED utilizando para ello al controlador de banda base BT-2, el cual enviará un comando HCI_Park_State al esclavo recién conectado. En ese momento, el microcontrolador comunica, al driver del sistema informático al que se encuentra conectado, la información correspondiente al nuevo usuario y la disponibilidad de un servicio no orientado a conexión para la transmisión de datos.
i) El microcontrolador configurará el acceso al medio compartido y el intercambio de datos entre el punto de acceso multiusuario y los esclavos incorporados a la piconet mediante el envío del paquete LMP_modify_beacon a través del enlace lógico PSB-C según la especificación Bluetooth. Con ello, el controlador de banda base BT-2 realizará un ciclo de refresco de los esclavos aparcados en el que el tiempo entre los instantes BEACON (T_B) se reparte entre un tiempo de transmisión de tramas BEACON (Daccess) pequeño y un tiempo de ventanas de acceso (Taccess) suficiente para escuchar las solicitudes de cada esclavo (1 ranura de 625 µsg. por cada esclavo). Al terminar la ventana de acceso se conocerán todas las solicitudes existentes, las cuales se atienden, a continuación, secuencialmente, mediante el mecanismo de desaparear, leer y aparcar, de acuerdo a la especificación Bluetooth.
j) El microcontrolador gestionará el abandono de la red por parte de los esclavos, ordenando al controlador de banda base BT-2 que interrogue directamente a un terminal esclavo que superó un cierto tiempo sin actividad de comunicación, comprobando en ese caso si continúa o no en la zona de cobertura del maestro para, en su caso, eliminarlo de la lista de terminales esclavos y notificarlo al driver informático.

3. Un método de operación del punto de acceso multiusuario de acuerdo a la Reivindicación 2, a emplear preferentemente cuando existan pocos esclavos que generen mucho tráfico, caracterizado porque:

El microcontrolador configurará el acceso al medio compartido y el intercambio de datos entre el punto de acceso multiusuario y los esclavos incorporados a la piconet mediante el envío del paquete LMP_set_broadcast_scan_window a través del enlace lógico PSB-C según la especificación Bluetooth. Con ello, el controlador de banda base BT-2 establece un ciclo de ranuras BEACON en el que, por cada trama BEACON, desaparca, interroga y aparca de nuevo a cada uno de los esclavos, de acuerdo a la especificación Bluetooth.
El método empleado para la gestión del abandono de la red por parte de los esclavos comprende la decisión del microcontrolador de que un terminal esclavo ha abandonado la red si no obtiene ninguna respuesta de dicho esclavo un determinado número de veces consecutivas para, en tal caso, eliminarlo de la lista de terminales esclavos y notificarlo al driver informático.

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