ES2221803B1 - Procedimiento de acceso al medio de transmision de multiples nodos de comunicaciones sobre red electrica. - Google Patents
Procedimiento de acceso al medio de transmision de multiples nodos de comunicaciones sobre red electrica.Info
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Abstract
Procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica. Que permite el acceso de forma igualitaria de nodos sobre un medio compartido como la red eléctrica, alcanzar la máxima velocidad de acceso cuando no hay colisiones entre peticiones de reserva y la detección de señales de coexistencia de forma robusta en entornos ruidosos. Se caracteriza por la utilización de señales de reserva (5) y liberación (10) de la comunicación y por la espera aleatoria antes de una reserva de la red eléctrica con valores mínimos y máximos fijados por anticipado.
Description
Procedimiento de acceso al medio de transmisión
de múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica.
La presente invención, tal y como se expresa en
el enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un
procedimiento de acceso al medio de transmisión de múltiples nodos
de comunicaciones sobre la red eléctrica.
El procedimiento de la invención es aplicable a
sistemas de comunicaciones que utilicen la red eléctrica como medio
compartido para la comunicación entre sus nodos.
El objetivo de esta invención es conseguir un
sistema de acceso a la red eléctrica, para los nodos que sigan el
procedimiento, de forma eficiente, equitativa y con una mínima
consumición de recursos.
En la mayoría de sistemas de telecomunicación es
necesario realizar un proceso de acceso al medio de tal manera que
los diferentes nodos que lo utilizan obtengan un acceso justo y
equitativo al mismo. En el caso de la red eléctrica el problema se
agrava porque deben coexistir sistemas que utilizan diferentes
tecnologías para la transmisión de datos. El procedimiento de la
invención resuelve estos problemas mediante la utilización de unas
señales específicas que son fáciles de generar y detectar y un
procedimiento de reserva y liberación del canal. Una vez un nodo
reserva el canal mediante dicho procedimiento puede utilizar
cualquier método de transmisión de datos conocido en el estado del
arte.
A lo largo de la descripción se utilizan los
acrónimos OFDM (multiplexación por división ortogonal en
frecuencia) y DFT (transformada discreta de Fourier) cuyas
realizaciones son conocidas en el estado del arte. Asimismo se
utilizan los acrónimos SOT y EOT para referirse a las señales de
inicio de transmisión y final de transmisión respectivamente.
En el estado de la técnica existen múltiples
formas de realizar el proceso de acceso al medio, como el
protocolo ALOHA, el ALOHA ranurado, los protocolos de acceso
múltiple por detección de portadora CSMA (Carrier Sense Multiple
Access) con detección de colisiones o los CSMA que evitan las
colisiones, los protocolos de paso de testigo y muchos otros.
También es conocido el uso de un tiempo de espera aleatorio
(backoff time) que se incrementa con el número de pérdidas, como el
que aparece en la norma ANSI/IEEE 802.11, que se encuentra en el
IEEE Std 802.11-1997 "Part 11: Wireless LAN
medium access control (MAC) and physical layer (PHY)
specifications"; pero este modo de coexistencia presenta, como
principal inconveniente, que los usuarios deben conocer la cantidad
de información a transmitir antes de realizar una petición de
reserva. Esto presenta el inconveniente añadido de que todos los
nodos deben ser capaces de demodular las señales de reserva para
saber cuanta información se va a transmitir, lo cual incrementa la
complejidad de dichas señales. La invención descrita en este
documento resuelve este problema con señales de liberación que son
enviadas por el transmisor y por el receptor para avisar que el
canal puede volver a ser reservado por otros usuarios en cualquier
momento.
Respecto a las señales de inicio y liberación, en
la patente USA 6111919 titulada "Synchronization of OFDM
signals" se describen unas señales similares a las utilizadas en
el procedimiento de la invención que son utilizadas para la
sincronización de señales OFDM mediante la comparación con una
referencia fija, por lo que las portadoras de la señal base también
tienen valores fijos, lo cual constituye un uso completamente
diferente al de la invención. En el procedimiento de la invención
las señales se utilizan para detectar su recepción sin derivar
referencia temporal alguna, ya que el instante de recepción tiene
una indeterminación de varios símbolos OFDM y no tiene la precisión
necesaria para sincronizar señales OFDM. Para mejorar el
funcionamiento en canales selectivos en frecuencia también se
calculan las sumas de incrementos de fase en subrangos de
frecuencias. Otra diferencia es que se utilizan varios umbrales en
recepción para detectar la señal si se supera el umbral en varias
medidas consecutivas, lo cual es similar a realizar una correlación
temporal. La duración de las señales también es variable para
mejorar la probabilidad de detección aprovechando dicha correlación
temporal.
En el procedimiento de la invención se envía
información en las señales ya que se puede distinguir entre dos
tipos: SOT y EOT, que potencialmente podrían ser de más tipos,
alternando los signos de la señal base de manera diferente. En la
patente mencionada también se realiza un desplazamiento de fases a
la salida de la DFT necesario para sincronizar, perro que no se
utiliza en el procedimiento de invención.
En el procedimiento de la invención también se
utiliza traslado en banda digital lo cual le da más flexibilidad ya
que la simetría de las señales puede mantenerse en el canal o
no.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención
consiste en un procedimiento de acceso al medio de transmisión de
múltiples nodos de comunicaciones sobre red eléctrica, que
comprende la comunicación entre distintos sistemas que utilizan la
red eléctrica como canal de comunicaciones, un protocolo de acceso
al medio y unas señales para realizar dicho protocolo. Este
protocolo está caracterizado porque se utilizan dos señales
diferentes (señales de coexistencia); una de inicio de transmisión
(Start of Transmission SOT) y otra de fin de transmisión (End of
Transmission EOT) para reservar y liberar el canal respectivamente,
y que todos los sistemas presentes en la red son capaces de
detectar. Asimismo cuando un nodo desea acceder al canal espera la
liberación del canal y después comienza un periodo de contienda en
el que el nodo espera un tiempo aleatorio antes de enviar un SOT
para reservar el canal o desiste si detecta un SOT antes de que su
tiempo de espera haya vencido. Una vez un nodo ha reservado el
canal con un SOT tiene un tiempo máximo para transmitir
información, pasado el cual debe transmitir un EOT.
En el procedimiento de la invención un nodo
considera liberado el canal cuando se recibe una señal de fin de
transmisión (EOT), o también cuando el tiempo transcurrido desde el
SOT de reserva del canal o el momento de inicialización del nodo es
mayor que un tiempo máximo predeterminado denominado tiempo de
ocupación del canal.
Una vez liberado el canal el nodo selecciona el
tiempo de espera antes de enviar un SOT de forma aleatoria entre un
valor mínimo y un valor máximo que depende de la prioridad de los
datos a transmitir, de la congestión del canal y de la utilización
anterior del canal por ese nodo.
Si un nodo intentó transmitir información y
perdió dicha contienda al recibir un SOT durante el tiempo de
espera seleccionado, el tiempo de espera del periodo seleccionado
inmediatamente después no será aleatorio, sino que será el tiempo
restante del tiempo de espera de la contienda inmediatamente
anterior.
Para que la reserva del canal sea efectiva para
nodos visibles para un transmisor y un receptor, los dos nodos
implicados en la comunicación envían señales de reserva y
liberación de canal, SOT y EOT, en el canal previamente reservado
por el nodo transmisor.
Por otro lado, y para evitar que la detección de
posibles señales de liberación falsas interrumpan la comunicación,
se filtran las señales de liberación, EOT, recibidas durante los
periodos de comunicación de datos e información de validación del
transmisor al receptor y del receptor al transmisor una vez se ha
realizado la reserva del canal.
Además, el valor aleatorio de espera en la
contienda se obtiene a partir de uno o más bits del conversor
analógico digital para conseguir un valor totalmente aleatorio,
dependiente del ruido de la señal del canal.
Una vez se ha reservado el canal con un SOT, el
nodo transmite una trama de petición de transmisión (RTS) al nodo
destino.
Cuando un nodo destino recibe una trama de
petición de transmisión (RTS) transmite una trama de control para
aceptar la transmisión (CTS) siempre que el canal no estuviese
reservado anteriormente a la recepción de la petición de
transmisión (RTS).
En caso de que los RTS se crucen, es decir, que
un nodo reciba una trama de petición de transmisión (RTS) del nodo
al que anteriormente ha transmitido un RTS al haber reservado el
canal, dicho nodo transmitirá una trama de control para aceptar la
transmisión (CTS) siempre que su dirección MAC sea menor que la del
nodo destino.
En cualquier caso, cuando un nodo recibe un CTS
del nodo al que le transmitió un RTS transmitirá una trama de
datos. Por otra parte cuando un nodo recibe una trama de datos del
nodo al que le transmitió un CTS, dicho nodo transmite una trama de
validación de los datos recibidos y un EOT, completando la
comunicación.
En caso de que se detecte un error en la
comunicación con el receptor tras realizar una reserva del canal,
esto es, que el nodo con el que comunica no conteste o no acepte la
transmisión, el valor máximo de espera de las siguientes contiendas
en el nodo transmisor se aumenta.
En caso de que la reserva del canal y la
comunicación con el receptor se complete sin errores, se ajusta el
valor máximo de espera a su valor inicial en el nodo
transmisor.
Una vez terminada la comunicación el canal se
libera con una señal de liberación. El nodo transmisor envía una
señal de liberación del canal, EOT, cuando recibe una trama de
validación del nodo al que transmitió datos tras realizar una
reserva del canal, o bien la envía en cierto instante previamente
calculado de forma que las señales de liberación del canal del nodo
transmisor y receptor coincidan en cierta ventana temporal
previamente fijada.
La señal de reserva del canal, SOT, consiste en
repetir n veces una misma señal base, mientras que la señal de
liberación EOT consiste en repetir n veces la misma señal base pero
alternando los signos en cada repetición. De forma similar se
generan otras señales utilizando diferentes patrones de repetición
de la señal base, tales como (+ - -), (++ - -), etc. para poder
utilizar, en caso necesario, más de dos señales de
coexistencia.
Para mejorar la detección en recepción de las
señales, la señal base consiste en una señal OFDM cuyas portadoras
en frecuencia se ponen a un valor aleatorio si esas frecuencias se
utilizan para transmitir datos o a cero en caso contrario.
Si dos o más nodos utilizan rangos de frecuencia
diferentes pueden acceder simultáneamente al medio de transmisión,
ya que las señales de reserva de uno de ellos no serán detectadas
por los demás.
De esta forma, la detección de las señales de SOT
y EOT consiste en realizar DFTs consecutivas sobre la señal
recibida, calcular la diferencia de fase en una portadora entre una
DFT y la anterior y sumar todas las diferencias de fase en las
portadoras que ocupan frecuencias utilizadas por el nodo receptor,
detectándose un SOT si la suma está por debajo de un umbral o un
EOT si la suma está por encima de otro umbral.
Para optimizar la detección se realiza la suma de
las diferencias de fase por subrangos de frecuencia dentro de la
banda utilizada por el receptor, siendo suficiente la detección en
un subrango para detectar la señal.
Para maximizar la posibilidad de detección, se
utilizan varios umbrales diferentes para cada señal y que se deben
dar durante varias sumas de diferencias de fase consecutivas para
detectar la señal, siendo suficiente la detección en un umbral para
detectar la señal. Esto es similar a la realización de una
correlación temporal.
Además las primeras y últimas muestras de la
señal base están multiplicadas en el tiempo por una ventana tipo
coseno alzado, mientras que en recepción se multiplican las
muestras que entran en la DFT por una ventana tipo hanning o
similar.
Para aumentar la flexibilidad del sistema se
realiza una traslación en frecuencia de la señal base en
transmisión y recepción.
La misma señal utilizada para la reserva del
canal, el SOT, también se utiliza para otros dispositivos como el
funcionamiento del control automático de ganancia (AGC). Al
utilizar este símbolo en el funcionamiento del control automático
de ganancia el sistema es capaz de alterar la amplitud de la señal
sin que ello afecte a la probabilidad de detección de los símbolos,
ya que para la detección del SOT únicamente se utiliza la
información de fase.
Gracias al procedimiento de la invención se
consigue una coexistencia igualitaria entre todas las unidades que
quieran acceder al medio compartido, de forma que se consigue la
máxima velocidad de acceso cuando no hay colisiones entre
peticiones de reserva. Además, al realizar la reserva del canal, no
es necesario que el transmisor conozca por anticipado cuánta
información va a transmitir, gracias a la utilización de señales de
liberación EOT. Asimismo tampoco es necesario que todos los nodos
utilicen la misma técnica de modulación para transmitir los datos,
permitiendo la coexistencia de diferentes tecnologías aplicando el
procedimiento de la invención. También resulta ventajosa la forma
de realización de dichas señales ya que, gracias a ella, la
detección de señales de reserva y liberación se puede realizar
correctamente en entornos muy ruidosos o con baja relación señal a
ruido (SNR) gracias a la repetición de la misma señal base y a la
detección mediante múltiples umbrales.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa un ejemplo real en el que
los nodos están conectados a distintos tramos de la red eléctrica
de baja tensión y tienen visibilidad mutua.
Figura 2.- Muestra una gráfica con los valores
máximo de periodos de espera según el número de retransmisiones
necesarias.
Figura 3.- Representa un caso normal de
transmisión de datos después de que el nodo A realice la espera
aleatoria y se realice la transmisión de RTS/CTS.
Figura 4.- Muestra el caso especial en el que se
cruzan dos peticiones de transmisión de dos nodos, y la forma de
resolverlo.
Figura 5.- Representa una realización de las
señales de reserva (SOT) y liberación (EOT) del canal a partir de
cierta señal base.
Figura 6.- Muestra un diagrama de bloques en
recepción para la detección de las señales necesarias para la
coexistencia.
Figura 7.- Representa el enventanado de los
símbolos recibidos mediante el diagrama mostrado en la figura
6.
Figura 8.- Muestra gráficamente la forma de la
suma de fases de la señal recibida y la ubicación de los umbrales
de detección de las señales de coexistencia.
Seguidamente se realiza una descripción de un
ejemplo de la invención, haciendo referencia a la numeración
adoptada en las figuras.
En un ejemplo de realización de la invención el
medio compartido es la red eléctrica a la que están conectados
todos los nodos del sistema. Además existe un bloque (1) en cada
nodo que se encarga de compartir el medio y realizar las
contiendas, y que debe seguir el mismo proceso que el indicado en
esta invención.
Esto puede observarse en la figura 1, donde los
nodos A, B, C, D, E, F, G, H e I están conectados a la misma
sección de la red eléctrica de baja tensión, que se encuentra
después de un transformador (2) de media a baja tensión del tendido
eléctrico.
Cada uno de los nodos presentados en la figura
tiene un bloque (1) que realiza el procedimiento de la invención
para conseguir un adecuado acceso al medio.
En resumen, cuando un nodo quiere transmitir
datos, envía una orden a su bloque de contienda (1). En dicha
orden se informará de la prioridad del mensaje que quiere enviarse,
estando esta prioridad, en este ejemplo de la invención, limitada
entre 0 y 7, donde 0 indica máxima prioridad y 7 mínima prioridad.
La invención prevé el envío de una señal de inicio de transmisión
(SOT) y otra de fin de transmisión (EOT), tal y como será descrito,
por lo que no es necesario indicar cuál es el tamaño del paquete a
enviar, ya que gracias a estas señales se realizan las reservas
eficientemente sin esta información.
Cuando el canal está libre, bien porque el bloque
de contienda del nodo ha recibido un EOT o bien porque ha
transcurrido un tiempo mayor a cierto valor predefinido como
"tiempo máximo de ocupación del canal" sin recibir SOT, que es
el tiempo máximo que un nodo puede estar transmitiendo en el canal
tras el que obligatoriamente debe transmitir un EOT, comenzará la
contienda por el canal.
En ese momento el bloque de contienda elige un
valor aleatorio entre un valor mínimo y un valor máximo determinado
por la prioridad. En este ejemplo de realización se selecciona un
valor aleatorio entre 1 y 2^{n}-1, donde n es un
valor dependiente de la prioridad y del número de retransmisiones
realizadas. Dicho valor "n" está limitado entre un valor
mínimo y un valor máximo para cada prioridad y en un inicio se
coloca a su valor mínimo para garantizar que las contiendas por el
canal durarán lo mínimo posible cuando no se produzcan colisiones
con otras peticiones de reserva.
En una realización de la invención el valor de
"n" depende de la prioridad según una tabla conocida por todos
los nodos que realizan el proceso de la invención y que, en este
ejemplo de realización, sería similar a la siguiente:
| Prioridad | |||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||
| Inicial | 5 | 5 | 5 | 4 | 4 | 4 | 3 | 3 | |
| Valor de | Mínimo | 5 | 5 | 5 | 4 | 4 | 4 | 3 | 3 |
| "n" | Máximo | 9 | 8 | 7 | 9 | 8 | 7 | 8 | 7 |
En este ejemplo de realización el valor inicial
se hace coincidir con el mínimo para optimizar el proceso de acceso
al canal cuando no hay colisiones con otros nodos, y el valor
máximo está limitado para evitar que la caída de nodos o de enlaces
lleve a los nodos a tiempos de espera demasiado elevados.
Para que el bloque de contienda (1) consiga un
valor realmente aleatorio en este ejemplo, en lugar de
pseudoaleatorio, dicho valor se obtiene con un registro de
desplazamiento que toma el último bit del conversor analógico
digital, que es el más dependiente del ruido térmico de la línea
Una forma sencilla de obtener un valor máximo de
2^{n}-1, consiste, en una implementación, en
escoger "n" bits de este registro de desplazamiento.
El bloque de contienda esperará un tiempo igual
al valor aleatorio obtenido multiplicado por una ventana temporal,
que en el ejemplo de la invención es igual al tamaño en muestras de
una señal de reserva de canal SOT. Si durante dicho periodo el
bloque de contienda no recibe ningún SOT considerará que ha ganado
la contienda y emite un SOT. En cambio, si recibe algún SOT
considera que ha perdido la contienda y anota el tiempo restante de
espera.
Si posteriormente se realiza una nueva contienda
con la misma prioridad, se utilizará el valor restante del tiempo
de espera en lugar de tomar un valor aleatorio. Con ello se
consigue aumentar la probabilidad de acceso al canal de un nodo
cuantas más veces ha intentado iniciar una transmisión con una
determinada prioridad y ha recibido un SOT durante el tiempo de
espera.
Es necesario reservar el canal tanto en recepción
como en transmisión para evitar que existan transmisiones que
colisionen con la comunicación que va a realizarse. Para ello tanto
el transmisor como el receptor enviarán las señales de reserva y
liberación del canal. Una vez comienza la comunicación entre
transmisor y receptor, y para evitar que ruidos del canal produzcan
detecciones falsas de EOTs, dichas señales de liberación se
filtran, impidiéndoles llegar al bloque de contienda.
Es posible que, aunque el nodo transmisor haya
ganado la contienda, el nodo receptor sea incapaz de contestar,
bien porque haya detectado otra comunicación o bien porque no esté
activado. Por ello, después de reservar el canal con una señal SOT
se realiza un proceso de petición y aceptación de transmisión. Esta
señal SOT también se utiliza para realizar el control automático de
ganancia (AGC) en recepción. Al realizarlo fuera del proceso de
envío de datos se puede cambiar la amplitud de la señal sin afectar
a la probabilidad de detección de los datos enviados.
El nodo transmisor enviará una trama de petición
(RTS) al receptor, y en caso de que este sea capaz de realizar la
comunicación enviará a su vez una trama de aceptación (CTS) a ese
transmisor. Una vez confirmada la comunicación el transmisor
comenzará a transmitir los datos, y después el nodo receptor
enviará una trama de validación de dichos datos.
En la figura 3 puede observarse un proceso de
petición y aceptación de transmisión sin fallos. En un primer
momento, marcado como (3), se libera el canal, bien por la
recepción de un EOT o bien por haber transcurrido el tiempo máximo
de ocupación de canal sin haber recibido un SOT. En ese momento el
nodo A tiene pendiente el envío de información al nodo B, con lo
que selecciona aleatoriamente el tiempo de espera (4) de acuerdo a
la prioridad y a las retransmisiones de paquetes con dicha
prioridad según fue descrito. Una vez transcurrido el tiempo de
espera sin recibir ninguna señal de reserva, envía la señal SOT (5)
y después una trama de petición de transmisión (6) (RTS) al nodo
B. El nodo B recibe la petición (5) y la acepta, mandando un SOT
(5), para mantener reservado el canal, y una trama de aceptación de
la transmisión (7) (CTS) al nodo A. Cuando el nodo A recibe la
aceptación (CTS) (7) envía la trama de datos (8) precedida de otro
SOT (5) y posteriormente, al recibir los datos, el nodo B envía la
trama de validación (9) precedida de otro SOT(5). Finalmente
los nodos A y B transmiten una señal de liberación EOT (10) en el
mismo instante para permitir nuevas comunicaciones para los nodos
que puedan recibir dicha señal.
En una implementación, y aprovechando las
características del SOT, cuando un nodo inicia la transmisión de
cualquier tipo de trama primero envía dicha señal, a partir de la
cual se realiza un ajuste automático de la ganancia en recepción
para compensar la atenuación producida por el canal sobre la trama
transmitida.
Cuando un nodo reserva el canal y transmite un
RTS y el nodo receptor transmite un CTS ambos nodos filtrarán las
señales de liberación, EOT, para evitar que la falsa detección de
estas señales interrumpa la comunicación ya establecida. El
filtrado de EOT se volverá a deshabilitar cuando los dos nodos
liberen el canal al transmitir un EOT o cuando se produzca algún
error en la comunicación.
La utilización del protocolo RTS/CTS para
petición y validación de la transmisión es totalmente opcional,
pudiéndose utilizar otro tipo de protocolo o bien ninguno una vez
realizadas las reservas con las señales de coexistencia descritas.
Además los datos y las tramas RTS y CTS pueden estar moduladas con
cualquier tipo de modulación comprensible para algunos de los nodos
de la red, siendo esto independiente de la utilización de las
señales de coexistencia presentadas.
Existe un caso especial consistente en que dos
nodos compitan y ganen un canal cuando quieren enviarse información
entre ellos. En este caso los RTS se cruzarán por el canal y, si
son recibidos correctamente, podrían producir dos CTS y múltiples
colisiones. Para evitarlo, y en caso de cruce de señales RTS,
únicamente el nodo que reciba el RTS y tenga una dirección MAC,
dirección de acceso al medio, menor que la del destino enviará el
CTS.
En la figura 4 se muestra este caso especial. En
este caso las peticiones de transmisión (6a) y (6b) de los nodos A
y B se cruzan. En el momento (11) llega el RTS (6b) del nodo B al
nodo A, y en el momento (12) llega el RTS (6a) del nodo A al B.
Ambos habían intentando acceder al canal y están esperando un CTS
(7) del otro nodo, así que comprueban sus direcciones MAC y como la
dirección del nodo A es menor que la del nodo B, envía un CTS y se
olvida de su reserva. El nodo B lo recibe y continúa su transmisión
normal con el envío de la señal SOT (5) y los datos (8).
Si se detecta un error en la comunicación y ésta
no ha podido efectuarse después de la reserva del canal, esto es
cuando el receptor no responde al RTS con un CTS, el transmisor
anota que se perdió la contienda y aumenta el valor de "n"
para el cálculo del próximo tiempo de espera para dicha prioridad.
Dicho valor de "n" está limitado por un máximo dependiente de
la prioridad. Esto puede observarse en la figura 2, donde cada
columna muestra el máximo tiempo de espera. que puede seleccionarse
para una prioridad fija. Se puede comprobar que dicho valor máximo
aumenta según el número de retransmisiones necesarias para acceder
al canal de forma exponencial.
Cuando la comunicación se completa correctamente,
si el valor de "n" para la prioridad de la comunicación no
estaba a su valor inicial, esto es, se habían producido errores en
la comunicación en anteriores situaciones, se devuelve el valor de
"n" a su valor inicial, que también es dependiente de la
prioridad.
Como se ha comentado anteriormente tanto el
transmisor como el receptor tienen que enviar las señales de SOT y
EOT. Las señales SOT se envían antes de las tramas RTS, CTS, de
datos y de validación, mientras que para las señales EOT existen
dos posibilidades, o bien que el receptor la envíe tras la trama de
validación y el transmisor cuando la reciba, o bien que se calcule
previamente cierto instante en ambos extremos de la comunicación
para enviar dicha señal al mismo tiempo. Esta segunda forma es
preferible para que la liberación del canal sea simultánea para
nodos que sólo sean capaces de recibir señales del transmisor y
nodos que sólo sean capaces de recibir señales del receptor.
Tal y como fue descrito, para la implementación
de este procedimiento de acceso al medio son necesarias dos
señales para realizar la reserva (SOT 5) y liberación (EOT 10) del
canal. Estas señales deben tener ciertas características para su
utilización en la red eléctrica entre las que cabe citar una alta
sensibilidad en canales selectivos en frecuencia, corta duración,
fácil generación y detección, y resistencia a los ruidos presentes
en la red eléctrica.
Para ello las señales SOT (5) y EOT (10) se
definen a partir de una señal base (13) que se repite K veces, como
por ejemplo se muestra en la figura 5. Dependiendo de los signos
utilizados en cada repetición se genera el SOT (5) o el EOT (10).
El SOT (5) corresponde a K repeticiones de la señal con el mismo
signo, mientras que el EOT (10) corresponde a K repeticiones pero
alternando el signo en cada repetición, es decir, se transmite la
señal base tal cual y después se transmite invertida, y así
sucesivamente hasta completar las K repeticiones. De esta forma las
señales se pueden generar en el tiempo a partir de una memoria que
contiene las muestras de una señal base y de la que se lee K veces
para generar las señales. En dicha figura 5 se muestra un ejemplo
de generación de estas señales a partir de una señal base, donde el
valor elegido para K es 6.
El procedimiento también permite el envío de más
señales utilizando otros patrones de signos en la repetición de la
señal base. Por ejemplo, en una implementación en la que fuese
necesario distinguir entre más de dos usuarios, algunos patrones
podrían ser (++ - -) o (+++ - +).
El número de repeticiones puede ser configurado
para permitir un compromiso entre la duración de la señal y la
probabilidad de detección. Es decir, a mayor número de repeticiones
mayor sensibilidad (se aumenta 3 dB cada vez que se duplica la
duración de la señal) a costa de una mayor duración de la señal, lo
que hace que el protocolo tarde más tiempo en realizarse.
La señal base también se puede generar en
frecuencia como una señal OFDM. Esto tiene la ventaja de poder
determinar exactamente las frecuencias ocupadas por las señales SOT
y EOT. Para generar la señal base se pueden poner a cero las
portadoras en frecuencias que no se quieran utilizar y a un valor
aleatorio las demás. Normalmente dicho valor aleatorio consistirá en
un módulo constante y una fase aleatoria para que todas las
portadoras utilizadas tengan la misma potencia. De esta forma se
transmitirán las señales de SOT y EOT sólo en las frecuencias
utilizadas por el sistema para transmitir datos. Esto representa
una gran ventaja porque un nodo solo reservará el canal en las
frecuencias que quiere utilizar, y de esta forma dos nodos que
utilicen rangos de frecuencias que no se solapen pueden transmitir
simultáneamente ya que comparten el medio mediante división en
frecuencia, maximizando la utilización de canal. Si los rangos de
frecuencia se solapan total o parcialmente los nodos detectarán las
señales de reserva y liberación y el acceso al medio se realizará
por división en el tiempo de acuerdo al procedimiento descrito
según la invención.
Para atenuar más rápidamente los lóbulos
secundarios de la señal se multiplica la señal base en tiempo por
una ventana de coseno alzado. De esta manera se reduce la radiación
fuera de banda de las señales y se evita la detección de señales
entre nodos que tienen rangos de frecuencia diferentes con lo cual
pueden acceder al medio simultáneamente, ya que si las frecuencias
utilizadas por los dos sistemas no están suficientemente separadas,
pueden darse falsas detecciones de SOT o EOT debido a los lóbulos
secundarios, cuando no deberían detectar nunca las señales entre
ellos al utilizar frecuencias diferentes. Al utilizar la ventana,
la separación mínima para no detectar las señales de reserva y
liberación de canal entre nodos que utilizan rangos de frecuencia
diferentes disminuye.
Para la detección de las señales en recepción se
realizan DFTs consecutivas sobre la señal recibida. Para la
realización de estas DFTs no es necesaria ninguna sincronización
entre el transmisor y el receptor, ya que no importa en qué momento
se empiecen a realizar. Esto se observa claramente en la Figura 7
en la que se muestra la señal recibida y el enventanado realizado
por la DFT. Claramente dicho enventanado no corresponde al
realizado en transmisión, pero las propiedades de la señal se
mantienen ya que cada DFT se realiza sobre la misma señal, y no
afecta que no sea exactamente igual a la señal base original, ya
que lo que realiza el detector es una comparación entre una señal y
la siguiente. La Figura 6 muestra una diagrama de bloques de un
receptor que incluye un bloque DFT (14). Posteriormente se calcula
la fase mediante un bloque (15) en cada una de las portadoras que
se resta (16) de la fase en el símbolo anterior que se guardó en
una memoria (17). A continuación se calcula el valor absoluto de
esas diferencias de fase y se suman (18) para después comparar (19)
con un umbral (20). Si se envió un SOT las diferencias de fase
serán cercanas a cero ya que se realiza la DFT sobre la misma
señal, y por tanto se detectará la señal cuando la suma de
diferencias de fase esté por debajo del umbral. En el caso del EOT
ocurre a la inversa, las diferencias de fase serán del orden de
180º, y se detectará la señal cuando la suma de fases esté por
encima del umbral. Para un correcto funcionamiento del sistema es
necesario que el número de repeticiones de la señal base sea mayor
o igual que 3, ya que de esta manera aseguramos que siempre habrá
dos DFTs realizadas sobre la misma señal independientemente de cómo
enventane el receptor. Cuando el detector funciona sobre el ruido
recibido del canal, las diferencias de fase están uniformemente
distribuidas en el intervalo entre 0º y 180º y al realizar la suma
de diferencias la resultante es una distribución gaussiana, de
acuerdo con el Teorema Central del Límite, con media de 90º y una
varianza menor cuanto mayor sea el numero de fases sumadas. Los
umbrales se determinarán para minimizar la probabilidad de falsa
detección y maximizar la sensibilidad. En todo este proceso solo se
utilizan las portadoras correspondientes a frecuencias utilizadas
por el receptor.
Para mejorar el funcionamiento del detector en
canales selectivos en frecuencia se pueden dividir las portadoras
que salen de la DFT en subgrupos, de acuerdo a su posición en
frecuencia, y realizar las sumas de fases en cada uno de dichos
subgrupos. Con detectar la señal en uno de los subgrupos es
suficiente, ya que corresponde al caso en que solo esas frecuencias
son recibidas con suficiente nivel por encima del ruido.
Otra mejora posible es realizar una correlación
temporal entre las sumas de diferencias de fase. Dado que la señal
base se envía varias veces consecutivas, al realizar la DFT en el
receptor la suma de fases cumplirá con las condiciones de detección
durante varios símbolos consecutivos. En otros casos no se llegará
al umbral, pero si se observará un acercamiento de la suma de fases
al mismo durante varios símbolos consecutivos. Se puede aprovechar
este hecho para seleccionar un segundo umbral, algo mayor en el
caso del SOT y algo menor para el EOT, que detectará la señal en
caso de haberse alcanzado en dos símbolos consecutivos.
Similarmente, se puede hacer lo mismo con 3 símbolos consecutivos y
así sucesivamente.
El funcionamiento se observa en la figura 8 que
representa el resultado de la suma de fases durante varios símbolos
consecutivos. También se observan 4 líneas (23,24) que representan
los umbrales, siendo las dos inferiores (23) para el SOT y las
superiores (24) para el EOT. Se aprecia que inicialmente la suma de
fases tiene un valor intermedio entre los umbrales, indicando este
hecho que no se está recibiendo ninguna de las dos señales, pero
entre el símbolo 10 y 15 baja, lo cual quiere decir que se ha
recibido un SOT, que en este caso se detectaría con ambos umbrales.
Más adelante, entre el símbolo 30 y 35 se detecta una subida que
corresponde al EOT. En este caso sólo se detecta con el segundo
umbral ya que durante dos símbolos consecutivos la suma de fases se
mantiene por encima de dicho umbral.
En recepción se multiplican las muestras que
entran a la DFT por una ventana tipo hanning o similar, con lo que
se igualan las probabilidades de falsa detección del SOT y del EOT.
Esto se representa mediante un bloque ventana (22) en la Figura
6.
En transmisión y recepción se realiza un traslado
en banda digital como se representa mediante un bloque (21) para
el caso del receptor. Esto le da más flexibilidad al sistema ya que
permite situar la señal en cualquier rango de frecuencias. Otra
ventaja es que se puede mantener la simetría de las señales después
del traslado en banda o no. En el primer caso sistemas que utilicen
el traslado en banda y sistemas que trabajen en banda base pueden
detectar las señales, mientras que si no se mantiene la simetría
sólo las detectarán los sistemas que realicen el traslado en banda
en recepción, de la misma manera que las señales transmitidas en
banda base solo las detectaran los nodos que reciban en banda base.
De esta forma se puede hacer que sistemas con traslado en banda y
sin traslado en banda compartan el canal mediante el procedimiento
de la invención o que funcionen como dos grupos independientes.
Como se ha visto el receptor no utiliza en ningún
momento la información de amplitud en cada portadora, y esto
permite recibir las señales mientras se realizan ajustes de
ganancia en el receptor. Estos ajustes afectarán a la amplitud de
las portadoras pero no a la fase de las mismas. El diseño del
amplificador del receptor debe realizarse de forma que la fase de
la función de transferencia no varíe entre las diferentes
ganancias.
Claims (29)
1. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica que comprende la comunicación entre distintos sistemas
que utilizan la red eléctrica como canal de comunicaciones, un
protocolo de acceso al medio y unas señales para realizar dicho
protocolo, caracterizado porque:
- -
- se utilizan dos señales diferentes; una de inicio de transmisión (Start of Transmission SOT) (5) y otra de fin de transmisión (End of Transmission EOT) (10) para reservar y liberar un canal respectivamente, que todos los sistemas presentes en la red han de ser capaces de detectar;
- -
- se espera a la liberación del canal (3) cuando un nodo desea acceder a dicho canal y después establece un periodo de contienda (4) en el que el nodo realiza una acción seleccionada entre esperar un tiempo aleatorio antes de enviar una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) para reservar el canal; o desistir de realizar la reserva si detecta una señal de inicio de transmisión (SOT) (5) antes de que el tiempo de espera aleatorio establecido (4) haya vencido; y
- -
- se establece un tiempo máximo para transmitir información una vez un nodo ha reservado el canal con una señal de inicio de transmisión (SOT) (5), pasado el cual se transmite una señal de fin de transmisión (EOT) (10).
2. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque un
nodo considera liberado el canal (3) cuando recibe una señal de
fin de transmisión (EOT) (10).
3. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque un
nodo considera liberado el canal (3) cuando selectivamente el
tiempo transcurrido desde una señal de inicio de transmisión (SOT)
(5) de reserva del canal es mayor que un tiempo predeterminado
denominado tiempo máximo de ocupación del canal, o cuando el tiempo
transcurrido desde el momento de inicialización del nodo es mayor
que dicho tiempo máximo de ocupación del canal, y no se ha recibido
ninguna señal de inicio de transmisión (SOT) (5).
4. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque el
tiempo de espera (4) de un nodo antes de enviar una señal de
inicio de transmisión (SOT) (5) se selecciona aleatoriamente entre
un valor mínimo y un valor máximo que depende de la prioridad de
los datos a transmitir, de la congestión del canal y de la
utilización anterior del canal por ese nodo.
5. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque se
selecciona como tiempo de espera (4) el tiempo que resta para
finalizar el tiempo aleatorio seleccionado de la contienda
inmediatamente anterior, cuando un nodo intentó transmitir
información y perdió dicha contienda al recibir una señal de inicio
de transmisión (SOT) (5) durante dicho tiempo de espera
seleccionado.
6. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque los
dos nodos implicados en una comunicación envían señales de reserva
(SOT) (5) y liberación (EOT) (10) de canal, en el canal previamente
reservado por el nodo transmisor.
7. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque se
filtran las señales de liberación (EOT) (10), recibidas durante los
periodos de comunicación de datos (8) e información de validación
(9) del transmisor al receptor y del receptor al transmisor una
vez se ha realizado la reserva del canal.
8. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque el
valor aleatorio de espera en una contienda (4) se obtiene a partir
de uno o más bits del conversor analógico digital.
9. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1, caracterizado porque
cuando un nodo accede a un canal después de transmitir una señal
de inicio de transmisión (SOT) (5) transmite una trama de petición
de transmisión (RTS) (6) al nodo destino.
10. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 9, caracterizado porque
cuando un nodo recibe una trama de petición de transmisión (RTS)
(7) transmite una trama de control para aceptar la transmisión
(CTS) (7) siempre que al recibir dicha trama de petición de
transmisión (RTS) (6) el canal no estuviese reservado
anteriormente.
11. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 9, caracterizado porque
cuando un nodo recibe una trama de petición de transmisión (RTS)
(6) del nodo al que anteriormente ha transmitido una trama de
petición de transmisión (RTS) (6) tras haber reservado el canal,
transmite una trama de control para aceptar la transmisión (CTS)
(7) siempre que su dirección MAC (Medium Access Control) sea menor
que la del nodo destino.
12. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicaciones 10 y 11, caracterizado
porque cuando un nodo recibe una trama de control para aceptar una
transmisión (CTS) (7) del nodo al que le transmitió una trama de
petición de transmisión (RTS) (6), transmite una trama de datos
(8).
13. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 12, caracterizado porque
cuando un nodo recibe una trama de datos (8) del nodo al que le
transmitió una trama de control para aceptar la transmisión (CTS)
(7), dicho nodo transmite una trama de validación de los datos
recibidos (9) y una señal de fin de transmisión (EOT) (10),
completando la comunicación.
14. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 4, caracterizado porque se
aumenta el valor máximo de espera de las siguientes contiendas en
un nodo transmisor cuando se detecta un error en la comunicación
con el receptor tras realizar una reserva del canal.
15. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 14, caracterizado porque se
ajusta el valor máximo de espera a un valor inicial en un nodo
transmisor cuando se ha realizado una reserva del canal y la
comunicación con el receptor se completa sin errores.
16. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 13, caracterizado porque un
nodo transmisor envía una señal de fin de transmisión (EOT) (10),
cuando recibe una trama de validación (9) del nodo al que
transmitió datos (8) tras realizar una reserva del canal.
17. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 13, caracterizado porque un
nodo transmisor envía una señal de fin de transmisión (EOT) (10),
en cierto instante previamente calculado para que las señales de
fin de transmisión (EOT) (10) del nodo transmisor y receptor
coincidan en una ventana temporal previamente fijada.
18. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque la
señal de inicio de transmisión (SOT) (5) consiste en repetir n
veces una misma señal base (13).
19. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque la
señal de fin de transmisión (EOT) (10) consiste en repetir n veces
una misma señal base (13), alternando los signos en cada
repetición.
20. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque se
generan señales diferentes además de las de inicio de transmisión
(SOT) (5) y de fin de transmisión (EOT) (10) utilizando diferentes
patrones de repetición de una señal base (13).
21. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicaciones 18, 19 y 20 caracterizado
porque la señal base (13) es una señal OFDM, sobre cuyas portadoras
en frecuencia se realiza una operación seleccionada entre ponerlas
a un valor aleatorio si esas frecuencias se utilizan para
trasmitir datos; y ponerlas a cero si esas frecuencias no se
utilizan para transmitir datos.
22. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 21, caracterizado porque
nodos que utilizan rangos de frecuencia diferentes acceden
simultáneamente al medio de transmisión.
23. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 21 caracterizado porque la
detección de las señales de inicio de transmisión (SOT) (5) y de
fin de transmisión (EOT) (10) consiste en realizar DFTs (14)
(Transformada Discreta de Fourier) consecutivas sobre la señal
recibida, calcular la diferencia (16) de fase (15) en una
portadora entre una DFT y la anterior (17) y sumar todas las
diferencias de fase en las portadoras que ocupan frecuencias
utilizadas por el nodo receptor (18), detectándose (19) una señal
de inicio de transmisión (SOT) (5) si la suma está por debajo de un
umbral previamente establecido (23), y una señal de fin de
transmisión (EOT) (10) si la suma está por encima de otro umbral
previamente establecido (24).
24. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 23 caracterizado porque la
suma de las diferencias de fase (18) se hace por subrangos de
frecuencia dentro de la banda utilizada por el receptor, siendo
suficiente la detección en un subrango para detectar una señal de
inicio de transmisión (SOT) (5) o de fin de transmisión (EOT)
(10).
25. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicaciones 23 y 24 caracterizado
porque se utilizan varios umbrales diferentes (23) y (24) para cada
tipo de señal, inicio de transmisión (SOT) (5) o fin de transmisión
(EOT) (10), y que se deben dar durante varias sumas de diferencias
de fase consecutivas (18) para detectar la señal correspondiente
de inicio o fin de transmisión, siendo suficiente la detección con
un umbral para detectar dicha señal.
26. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 21 caracterizado porque las
primeras y últimas muestras de la señal base están multiplicadas en
el tiempo por una ventana tipo coseno alzado.
27. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 23 caracterizado porque en
recepción se multiplican las muestras que entran en la DFT (14) por
una ventana (22) tipo hanning o similar.
28. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 21 caracterizado porque en
transmisión y recepción se realiza una traslación en frecuencia de
la señal (21).
29. Procedimiento de acceso al medio de
transmisión de múltiples nodos de comunicaciones sobre red
eléctrica, según reivindicación 1 caracterizado porque la
señal de inicio de transmisión (SOT) (5) además se utiliza para
realizar el control automático de ganancia (AGC).
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