Método y sistema de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, y nodo inalámbrico aplicable a tal sistema.

Método y sistema de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos,

y nodo inalámbrico aplicable a tal sistema

El método comprende:

- radiodifundir, desde una estación base, una señal de baliza a unos nodos inalámbricos de una red;

- realizar unas etapas de sincronización que comprenden intercambiarse entre los nodos de una red unas respectivas señales de referencia temporal;

- determinar que un nodo ha causado baja si su nodo consecutivo no ha recibido la respectiva señal de referencia temporal del mismo después de un tiempo predeterminado, y enviar, tras dicha determinación, por parte de dicho nodo consecutivo, su respectiva señal de referencia temporal al siguiente nodo; y

- enviar, cada nodo, una respectiva señal conteniendo un mensaje común, de manera distribuida, a dicha estación base, de manera sincronizada;

El sistema está previsto para implementar el método, y el nodo para formar parte del sistema.

Método y sistema de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, y nodo inalámbrico aplicable a tal sistema Sector de la técnica La presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, y más particularmente a un método que permite continuar con un ciclo de sincronización iniciado, aunque se produzca la baja de uno o más de dichos nodos inalámbricos.

En un segundo aspecto, la presente invención concierne a un sistema previsto para implementar el método propuesto por el primer aspecto.

Un tercer aspecto de la invención concierne a un nodo inalámbrico previsto para constituir, junto con otros nodos inalámbricos iguales o análogos, el sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención.

Estado de la técnica anterior

Un problema fundamental en las redes inalámbricas ad-hoc y las redes de sensores inalámbricas (WSN) consiste en conseguir una comunicación eficiente en términos de energía. Concretamente, uno de los retos actuales radica en enviar un mensaje común a una estación base distante por parte de un grupo de nodos o sensores distribuidos y con restricciones de potencia. Una solución a este problema se conoce como conformación de haz distribuida o “distributed beamforming”.

La conformación de haz es una técnica que permite a un transmisor dotado de más de una antena focalizar su señal en una dirección determinada, obteniendo claros beneficios energéticos.

Recientemente, la idea de la conformación de haz ha sido aplicada en redes donde cada transmisor está dotado de una sola antena. En este caso, trabajando cooperativamente los transmisores pueden emular una agrupación de antenas y comportarse como un “conformador de haz distribuido”.

Sin embargo, para que la eficiencia sea notable, es necesario que las señales lleguen a recepción coherentemente, es decir, formando una interferencia constructiva de la información enviada por los diferentes sensores. En estas circunstancias la ganancia, medida como el incremento de relación señal a ruido para la misma potencia total transmitida, es igual al número de sensores que forman la red.

A diferencia de la conformación de haz convencional, en el caso de tener varios emisores dotados de una sola antena, además de utilizar osciladores imperfectos, las portadoras de cada transmisor son sintetizadas mediante osciladores independientes.

Es por ello que las técnicas enfocadas a la sincronización de símbolo, fase y frecuencia, necesarias para asegurar que las señales se combinan constructivamente en recepción, son más complicadas que en la conformación de haz clásica.

Todo el conjunto de técnicas dedicadas a la sincronización de símbolo, fase y frecuencia requerirá de cierta comunicación entre sensores. Por esta razón, un reto importante consiste en que la comunicación entre los sensores implique un gasto de energía menor que el que supone transmitir hacia la estación base sin utilizar técnicas de conformación de haz. De lo contrario, el ahorro de energía que implica la ganancia del sistema no compensa el gasto de energía debido a la comunicación local.

Actualmente existen varias soluciones teóricas a la problemática de la conformación de haz distribuida, aunque todas ellas todavía muy preliminares porque no resuelven todo el conjunto de sincronizaciones y consideran escenarios ideales. La primera de ellas [Tu02] data del año 2002, donde se presentan los problemas derivados del uso de relojes independientes e imperfectos en cada sensor, proponiendo soluciones independientes para ambas fuentes de error. La más moderna de las soluciones [Bro08] data del año 2008, donde se presenta un protocolo denominado “round-trip carrier synchronization protocol”, bastante más eficiente que el trabajo [Tu02], pero aún con serias limitaciones en una situación real.

Para conseguir un sistema efectivo en un escenario real es necesario contemplar y solucionar los tres tipos de sincronización implicados: sincronización de símbolo, fase y frecuencia. Actualmente pocos trabajos se han dedicado a conseguir una suma simultánea de las señales en recepción, es decir, a la simultaneidad en el tiempo de llegada, o sincronización de símbolo, enfocándose más en la sincronización de frecuencia y fase.

De hecho, de entre todos los trabajos existentes, como son [Bro08], [Mu04], [Mu05], [Mu07], [Tu02] y [Wan08], el único que consigue simultaneidad evitando además la comunicación de los sensores con la estación base es, según el conocimiento de los presentes inventores, [Bro08]. Los demás trabajos concentran su esfuerzo en conseguir solamente sincronización de fase y sincronización de frecuencia.

No obstante las sincronizaciones conseguidas por [Bro08] resultan muy mejorables. En [Br008] proponen realizar un intercambio de un tipo particular de balizas, concretamente sinusoidales, entre los sensores de la red, para conseguir sincronización en frecuencia, fase y símbolo, todas ellas generadas en cada nodo a partir de la baliza radiodifundida por la estación base. Asimismo, por lo que refiere a la sincronización en fase y frecuencia, el número de estimaciones llevadas a cabo en [Br008] también es muy elevado. Todas estas desventajas lo convierten en un protocolo claramente mejorable en cuanto a las tres sincronizaciones mencionadas.

Garantizar simultaneidad en el destino ofrece un grado de libertad mayor: permite utilizar códigos con altas tasas de transmisión al no haber desajuste entre símbolos de las diferentes señales en el destino. Si un protocolo no ofrece simultaneidad, entonces se pueden producir pequeños desajustes entre señales en el destino, comportando una suma imperfecta de los símbolos en recepción. Este desacoplamiento entre símbolos empeora para altas tasas de transmisión.

Por lo tanto, si se quiere optar por un protocolo que no utilice técnicas enfocadas a la simultaneidad, o bien se mantienen tasas bajas, o bien se colocan los sensores con gran precisión de acuerdo a ciertas topologías prefijadas que permitan la simultaneidad directamente. Ambas cosas limitan el sistema y por esta razón se ha pretendido aportar novedades en este sentido.

Por otra parte, en un entorno como el de las redes WSN, los sensores pueden desaparecer sin ninguna clase de aviso previo, como por ejemplo es el caso de que un sensor se averíe y que, por tanto, no tenga capacidad para poder enviar un aviso previo de desconexión, para que el resto de componentes de la red tengan conocimiento de su baja y actúen en consecuencia.

Tanto el protocolo propuesto por [Bro08] como el propuesto por [Wan08] son sendas soluciones a la problemática de la sincronización en un entorno estático. En ninguno de dichos documentos se propone una solución realista para el caso de un sistema dinámico, entendido como aquél que permite la adición y/o baja de nodos. En dichas propuestas si un nodo desaparece, ya sea porque ha dejado de funcionar por razones técnicas o porque ha decidido desconectarse del sistema o red, los demás nodos se quedan bloqueados a la espera de la señal o baliza correspondiente al nodo que se ha dado de baja, y por tanto el proceso de sincronización queda interrumpido.

Aparece necesario, por tanto, ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, y que ofrezca una solución al problema técnico objetivo referido a cómo proporcionar un método y/o un sistema de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, mediante el cual llevar a cabo un proceso de sincronización del mensaje común o señal distribuida enviada por los nodos, en un entorno dinámico, que no se vea interrumpido por la baja no notificada de uno o más nodos.

Explicación de la invención La presente invención ofrece una solución al problema técnico objetivo planteado, para lo cual concierne, en un primer y un segundo aspectos, a un método y un sistema de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos que permite el buen funcionamiento independientemente de la desaparición de algunos nodos de la red, es decir que está previsto para trabajar dinámicamente, determinando las posible bajas de nodos y evitando que las mismas interrumpan el proceso de sincronización indicado, lo cual lo convierte en una propuesta mucho más flexible que las descritas en los antecedentes citados, que permite que los nodos se puedan desconectar voluntariamente en cualquier momento.

Para ello la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un método de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, que comprende realizar las siguientes...

1. Método de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, del tipo que comprende realizar las siguientes etapas:

a) radiodifundir, desde una estación base, una señal de baliza a una pluralidad de nodos inalámbricos de una red;

b) realizar una primera etapa de sincronización que comprende enviar, secuencialmente, cada uno de dichos nodos inalámbricos, después de la recepción de dicha señal de baliza, una respectiva señal de referencia temporal a al menos un nodo consecutivo, o más cercano, según un primer sentido en un ciclo de subida, empezando por un primer nodo de dicha red; y

c) realizar una segunda etapa de sincronización que comprende enviar, secuencialmente, cada uno de dichos nodos inalámbricos, una respectiva señal de referencia temporal a al menos un nodo consecutivo, o más cercano, según un segundo sentido, opuesto a dicho primer sentido, en un ciclo de bajada, empezando por el último nodo de dicha red; realizándose al menos dichas etapas a) , b) y c) con el fin de realizar una etapa d) que comprende enviar, tras dicha etapa c) , por parte de cada uno de dichos nodos inalámbricos una respectiva señal conteniendo un mensaje común, de manera distribuida, a dicha estación base, de manera sincronizada en fase, en frecuencia y en el tiempo de llegada, para que en ésta se sumen todas las señales recibidas de manera constructiva; estando dicho método caracterizado porque comprende determinar que al menos uno de dichos nodos inalámbricos ha causado baja en dicha red si al menos su respectivo nodo consecutivo no ha recibido la respectiva señal de referencia temporal del mismo, en dicha etapa b) o en dicha etapa c) , después de un tiempo de espera predeterminado, y enviar, tras dicha determinación, por parte de dicho nodo consecutivo, su respectiva señal de referencia temporal al siguiente nodo, en dicho ciclo de subida de dicha etapa b) o en dicho ciclo de bajada de dicha etapa c) , y porque la posición de cada uno de los nodos en dicha red es una posición lógica conocida por el respectivo nodo, siendo dichos primer y último nodos los que tienen las posiciones lógicas primera y última, respectivamente.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho tiempo de espera predeterminado es sustancialmente igual a 2·tp para cada nodo que ha causado baja, y de m·2·tp para m nodos consecutivos que han causado baja, si es el caso, siendo tp un tiempo de propagación máximo estimado entre dos nodos cualesquiera de la red.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende radiodifundir dichas señales de referencia temporal en dichas etapas b) y c) , de manera que éstas son recibidas también por el resto de nodos de la red, además de por el nodo consecutivo al cual van explícitamente dirigidas, comprendiendo el método llevar a cabo dicha determinación de que al menos un nodo ha causado baja además de en dicho nodo consecutivo, también en cada uno de los demás nodos de la red, si tras la recepción de la señal de referencia temporal radiodifundida por el nodo anterior al que puede haber causado baja, transcurre dicho tiempo de espera predeterminado sin recibir otra señal de referencia temporal.

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende, tras dicha determinación de la baja de al menos un sensor, actualizar la composición de la red en cada uno de los nodos de la red que no han causado baja, al menos por lo que se refiere a número total de nodos vivos y estado de cada uno de los nodos, y, únicamente para los nodos superiores respecto al que ha causado baja, en cualquiera de dichos primer y segundo sentidos, también por lo que se refiere a su nueva posición lógica en la red.

5. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque comprende contar, mediante un contador interno de cada nodo, el número de señales recibidas, incluyendo dicha señal de baliza y dichas señales de referencia temporal radiodifundidas, para saber, cada nodo, teniendo en cuenta al menos su posición lógica, cuándo es su turno para considerar que la señal de referencia temporal recibida va explícitamente dirigida al mismo y para realizar el posterior envío de su señal temporal de referencia en dicha etapa b) y/o en dicha etapa c) .

6. Método según la reivindicación 5, caracterizado porque cuando el último nodo, según el ciclo de subida de la etapa b) , causa baja, el método comprende que el penúltimo nodo tome el papel de dicho último nodo y solamente deba enviar una señal de referencia temporal, la ya enviada en el ciclo de subida, y porque cuando el antepenúltimo nodo determina dicha baja del último nodo, producida en el ciclo de subida de la etapa b) , el método comprende considerar, por parte de dicho antepenúltimo nodo, que la señal de referencia temporal radiodifundida por el penúltimo nodo en la etapa b) forma parte del envío del ciclo de bajada de la etapa c) y va dirigida a dicho antepenúltimo nodo.

7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque si dicha determinación de la baja de al menos un nodo se realiza en dicha etapa b) , el método comprende realizar dicha etapa d) mediante todos los nodos que no han causado baja.

8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque si dicha determinación de la baja de al menos un nodo se realiza en dicha etapa c) , el método comprende cancelar la realización de dicha etapa d) al menos por lo que respecta a los nodos posteriores al que ha causado baja, según dicho segundo sentido.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende utilizar, en dichas etapas b) y c) , unas señales de referencia temporal independientes de dicha señal de baliza.

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque dichas señales de referencia temporal contienen al menos un pulso o un impulso.

11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende utilizar, en dichas etapas b) y c) , unas señales de referencia temporal dependientes de dicha señal de baliza.

12. Método según la reivindicación 9 u 11, caracterizado porque comprende utilizar dichas señales de referencia temporal para realizar la sincronización en el tiempo de llegada a la estación base de las respectivas señales contenedoras de dicho mensaje común enviadas, en dicha etapa d) , por parte de cada uno de los nodos, mediante la determinación del momento en que cada nodo debe enviar su respectiva señal contenedora del mensaje común en dicha etapa d) .

13. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque comprende realizar dicha determinación mediante el cálculo previo, en cada nodo, de un retardo contando el tiempo que va desde la finalización de la recepción de la señal de baliza hasta la finalización de la recepción de la señal de referencia temporal enviada por el nodo inmediatamente anterior, en la etapa b) , si éste no ha causado baja, determinándose que dicho momento es igual al tiempo en que el nodo en cuestión ha acabado de enviar su respectiva señal de referencia temporal, en dicha etapa c) , más dicho retardo calculado τ.

14. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque comprende determinar que dicho momento en que cada nodo debe enviar su respectiva señal contenedora del mensaje común es igual, si al menos un nodo con posición lógica inferior ha causado baja en la etapa b) , al tiempo en que el nodo en cuestión ha acabado de enviar su respectiva señal de referencia temporal, en dicha etapa c) , más un retardo τ corregido resultante de restar un valor de error temporal ej a un retardo τ’

que va desde la finalización de la recepción de la señal de baliza hasta la finalización de la recepción de la señal de referencia temporal enviada por un nodo que no ha causado baja en la etapa b) con una posición lógica inferior inmediatamente anterior al nodo en cuestión pero superior a la del que ha causado baja.

15. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque comprende determinar que dicho momento en que cada nodo debe enviar su respectiva señal contenedora del mensaje común es igual, si al menos un nodo con posición lógica inferior e inmediatamente anterior al nodo en cuestión ha causado baja en la etapa b) , al tiempo en que el nodo en cuestión ha acabado de enviar su respectiva señal de referencia temporal, en dicha etapa c) , más un retardo corregido resultante de restar

un valor de error temporal ej a un retardo τ’ que va desde la finalización de la recepción de la señal de baliza hasta la finalización del transcurso de dicho tiempo de espera predeterminado sin recibir una señal temporal de referencia.

16. Método según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque dicho valor de error temporal ej es sustancialmente igual a m·2tp, siendo tp un tiempo de propagación estimado entre dos nodos, y m el número de nodos consecutivos que han causado baja.

17. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende realizar la sincronización de fase y frecuencia, en dicha etapa d) , de las respectivas señales contenedoras del mensaje común enviadas por parte de cada uno de los nodos, de manera distribuida, a la estación base, mediante la estimación, en cada nodo, de la fase y frecuencia de la señal de baliza recibida en dicha etapa a) .

18. Método según la reivindicación 1 ó 12, caracterizado porque dicha sincronización en el tiempo de llegada es una sincronización de símbolo.

19. Sistema de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, del tipo que comprende:

-una estación base (D0) prevista para radiodifundir por al menos una antena omnidireccional una señal de baliza; y

-una pluralidad de nodos inalámbricos (S1, S2…Sj…SN) dispuestos formando una red de comunicaciones, estando cada uno de dichos nodos inalámbricos (S1, S2…Sj…SN) previsto para recibir dicha señal de baliza y para enviar una respectiva señal conteniendo un mensaje común, de manera distribuida, a dicha estación base (D0) , de manera sincronizada en fase, en frecuencia y en el tiempo de llegada, para que en ésta se sumen todas las señales recibidas de manera constructiva; estando dicho sistema caracterizado porque está configurado para implementar el método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

20. Sistema según la reivindicación 19, caracterizado porque cada uno de dichos nodos inalámbricos (S1, S2…Sj…SN) comprende una antena omnidireccional por la que realizar dichos envíos de las etapas b) y c) , y al menos una unidad de procesamiento prevista para al menos determinar que al menos uno de los nodos inalámbricos (S1, S2…Sj…SN) ha causado baja, teniendo dicha unidad de procesamiento acceso a al menos una memoria, y capacidad para registrar en dicha memoria, que es al menos una, unos datos referentes al número total de nodos que conforman la red, al estado de los mismos, y a la posición lógica que ocupa en la red el nodo en cuestión, estando dicha unidad de procesamiento también prevista para actualizar dichos datos tras la determinación de que al menos un nodo ha causado baja.

21. Sistema según la reivindicación 20, caracterizado porque dicha unidad de procesamiento está prevista también para determinar el momento en que el nodo debe enviar su respectiva señal contenedora del mensaje común en dicha etapa d) , realizando todos los cálculos necesarios, para asegurar la mencionada sincronización en el tiempo de llegada a la estación base (D0) de las respectivas señales contenedoras de dicho mensaje común enviadas, en la etapa d) , por parte de cada uno de los nodos (S1, S2…Sj…SN) .

22. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, caracterizado porque dichos nodos inalámbricos (S1, S2…Sj…SN) son unos sensores inalámbricos y porque dicha red inalámbrica es una red ad hoc que contiene un número arbitrario de sensores inalámbricos.

23. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, caracterizado porque dichos nodos inalámbricos (S1, S2…Sj…SN) son móviles.

24. Nodo inalámbrico aplicable a un sistema de conformación de haz distribuida en redes de nodos inalámbricos, del tipo que está configurado para constituir, junto con otros nodos inalámbricos (S1, S2…Sj…SN) iguales o análogos, el sistema propuesto según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 23.

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5