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ES2324848B1 - Procedimiento y sistema para establecer una comunicacion radio directa entre dos o mas dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones moviles. - Google Patents

Procedimiento y sistema para establecer una comunicacion radio directa entre dos o mas dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones moviles. Download PDF

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ES2324848B1
ES2324848B1 ES200600323A ES200600323A ES2324848B1 ES 2324848 B1 ES2324848 B1 ES 2324848B1 ES 200600323 A ES200600323 A ES 200600323A ES 200600323 A ES200600323 A ES 200600323A ES 2324848 B1 ES2324848 B1 ES 2324848B1
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Daniel Almodovar Herraiz
Francisco J. Rubio Andres
Jose Eugenio Caballero Herrero
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Vodafone Espana SA
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Vodafone Espana SA
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Abstract

Procedimiento y sistema para establecer una comunicación radio directa entre dos o mas dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles.
La invención se refiere a un procedimiento para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles, estando dichos usuarios suscritos a un mismo operador, que comprende;
- utilizar una técnica de radio cognitiva para detectar recursos de espectro disponibles para comunicaciones radio en una determinada área dentro de la que se encuentran dichos al menos dos dispositivos de usuario, caracterizado porque el procedimiento además comprende:
- seleccionar al menos un recurso de entre los recursos disponibles, siendo dicho recurso un recurso del operador común a dichos dos o más dispositivos de usuario, y
- establecer un enlace radio directo entre dichos dos usuarios utilizando dicho recurso libre detectado del operador.
La invención también se refiere un sistema para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles.

Description

Procedimiento y sistema para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles.
Campo de la invención
La presente invención, dentro del campo de las telecomunicaciones móviles, se refiere a la capacidad de conocer el entorno radioeléctrico en el que se encuentra un terminal móvil y la toma de decisiones en torno a este conocimiento. Más en concreto, a la posibilidad de establecer una comunicación radio directa entre terminales que forman parte de un sistema celular aprovechando las técnicas de radio cognitiva.
Antecedentes de la invención
Las radios cognitivas son un concepto relativamente reciente en el mundo del I+D (mencionado por primera vez por Joseph Mitola: "Cognitive Radio. An Integrated Agent Architecture for Software Defined Radio Dissertation", Royal Institute of Technology, May 8, 2000); sin embargo, ya cuenta con el interés de la industria y estará con seguridad presente en los sistemas de telecomunicaciones de los próximos años. Las radios cognitivas se basan en que el dispositivo de comunicaciones del usuario es capaz de conocer el entorno radioeléctrico en el que se encuentra y tomar decisiones con este conocimiento (por ej., si puede transmitir o no, y qué espectro óptimo utilizar al transmitir para no producir interferencias). Uno de los aspectos relacionados con esta idea es que los actuales sistemas radio de comunicaciones no hacen un uso completo del todo el espectro disponible para ellos, es decir, que dado cualquier instante de tiempo y lugar (dentro del área geográfica autorizada para el sistema) es muy probable que haya espectro disponible para más comunicaciones (transmisión/recepción) de las que están teniendo lugar. Por ejemplo, esto permitiría a un dispositivo de usuario, dotado de inteligencia de radio cognitiva, hacer un barrido de frecuencias en ese punto y utilizar aquellas que estén libres (es decir, sin usar por el sistema).
Por otro lado, la comunicación radio directa entre dispositivos de usuario es un concepto conocido y empleado en soluciones comerciales, ya sea en sistemas completamente autónomos (por ej., walkie-talkies) o como una funcionalidad presente en sistemas celulares (por ej., TETRA). Se basa en que los dispositivos móviles de usuario se pueden comunicar directamente entre sí si se "ven" mutuamente desde el punto de vista radioeléctrico. La comunicación más típica es la de voz, siguiendo habitualmente un modelo half-duplex (sólo uno puede hablar a la vez). En el caso de que esta comunicación radio directa tenga lugar dentro de un sistema celular, podría ser gestionada exclusivamente por los terminales, sin intervención de la red, o bien ser asistida, es decir, con ayuda o control por parte de los nodos de red del sistema celular, tales como las estaciones base. Esta comunicación es directa en la capa física, es decir, la señal radio que va de un dispositivo a otro; por tanto, no se debe confundir con otros conceptos relativos a comunicaciones directas en capas superiores, como por ej. las populares comunicaciones "peer-to-peer" a nivel IP (donde la señal física atraviesa realmente muchos nodos intermedios entre un dispositivo de usuario y otro).
El concepto de PTT (Push-To-Talk) se refiere originalmente a un método de comunicación en líneas half-duplex consistente en pulsar un botón y mantenerlo apretado para poder transmitir (esto es, hablar) y liberarlo para poder recibir (esto es, escuchar), siendo uno de los protocolos de telefonía móvil más antiguos. Recientemente, el término de PTT (Push-To-Talk) se está usando más para referirse a una funcionalidad presente en teléfonos móviles y asociada a un servicio ofrecido por el operador móvil, de forma que se imita el comportamiento descrito; por ejemplo, dentro de un grupo de usuarios suscritos al servicio, uno de ellos puede hablar (sólo uno a la vez) pulsando el botón PTT de su terminal móvil y los demás le escucharán instantáneamente por los altavoces de sus teléfonos. Una implementación popular en la industria de este servicio, conocida como PoC (Push to Talk over Cellular), ya en proceso de estandarización, se basa en transporte de paquetes (GPRS, UMTS) y protocolos SIP y RTP.
El concepto de técnicas de retransmisión (relaying techniques) suele ir unido a otros como el de las redes auto-organizadas (self-configuring networks, ad-hoc networks, mesh networks, etc.). Es un concepto muy amplio y actualmente bajo una investigación muy intensa. El aspecto que interesa más para la invención aquí descrita se refiere a la posibilidad de ampliación de cobertura para habilitar la comunicación entre usuarios que no se ven mutuamente desde el punto de vista radioeléctrico. Por ejemplo, si tenemos un dispositivo móvil de usuario A que está dentro del alcance de otro B, y al mismo tiempo un tercer dispositivo C que también está dentro del alcance de B, pero de forma que A y C no se ven entre sí (es decir, no puede haber comunicación radio directa entre ambos), entonces, usando técnicas de retransmisión, B puede hacer de puente entre A y C para que pueden hablar entre sí (de forma que habría un tramo de señal radio directa A-B y otro B-C). Esta retransmisión puede ir desde una simple repetición de la señal física hasta algoritmos más complejos que impliquen direccionamiento y enrutado.
Existen algunos sistemas que recogen la idea de comunicación directa entre terminales móviles dentro de un sistema celular, la combinación en un mismo dispositivo de un terminal celular con un walkie-talkie o el concepto de dispositivos walkie-talkie genéricos o "universales".
Así por ejemplo, en la solicitud de patente PCT publ. WO 98/35515 se refleja la idea de comunicación directa entre terminales móviles con una frecuencia especial. O en la solicitud de patente alemana DE 10006688 se refiere a un sistema que combina GSM con DECT. En cuanto a soluciones comerciales, podemos citar el sistema de radiocomunicaciones TETRA que incluye un modo directo entre terminales, y los terminales Motorota dotados de la funcionalidad "MOTOtalk off-network digital walkie-talkie" (walkie-talkie digital operando fuera de red), que combinan un teléfono convencional celular con un walkie-talkie convencional.
Sin embargo, ninguna de ellas coincide con la invención que se expone a continuación. Los puntos clave que diferencian a esta invención son la combinación con técnicas de radio cognitiva y el aprovechamiento de recursos de espectro libre del operador móvil (es decir, perteneciente a éste bajo una licencia).
En la literatura existente, cuando se habla de la posibilidad de utilizar las técnicas de radio cognitiva dentro de un sistema de forma que los dispositivos de usuario puedan utilizar los recursos radio libres detectados en el sistema, se asume que dichos dispositivos funcionarían como dispositivos estándar del sistema (por ej., un móvil GSM seguiría siendo un móvil GSM, o un terminal 4G sería un terminal de acuerdo a como se definen las funciones de un terminal en un sistema 4G), pero no para otros usos, como la comunicación radio directa que se describe en la presente invención.
Es sabido que en el campo de telefonía móvil se utilizan frecuentemente abreviaciones y acrónimos. A continuación se expone un glosario de acrónimos/términos que son utilizados a lo largo de la presente memoria descriptiva:
-
ARFCN: Absolute Radio Frequency Channel Number (Número Absoluto de Canal de Radiofrecuencia)
-
BCCH: Broadcast Control Channel (Canal de Control de Difusión)
-
BSC: Base Station Controller (Controlador de Estación Base)
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BTS: Base Transceiver Station (Estación Base Transmisora/Receptora)
-
CCDC: Cellular Cognitive Direct Communication (Comunicación Directa en sistemas Celulares basada en radio Cognitiva)
-
CDM: Code Division Multiplex (Multiplexación por División en Código)
-
FDM: Frequency Division Multiplex (Multiplexación por División en Frecuencia)
-
FR: Full Rate (Tasa Completa)
-
GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying (Modulación Gaussiana de Mínimo Desplazamiento de Fase)
-
GSM: Global System for Mobile Communications (Sistema Global de Comunicaciones Móviles)
-
GPRS: General Packet Radio Service (Servicio de Paquetes con Acceso Radio)
-
HLR: Home Location Register (Registro Local de Localización del Usuario)
-
I+D: Investigación y Desarrollo
-
IP: Internet Protocol (Protocol de Internet)
-
OTA: Over The Air (A través del Aire)
-
SCH: Synchronization Channel (Canal de Sincronización)
-
SIM: Subscriber Identity Module (Módulo de Identidad GSM del Usuario)
-
MSC: Mobile Switching Centre (Centro de Conmutación Móvil)
-
PTT: Push To Talk (Pulsar Para Hablar)
-
RTP: Real-time Transport Protocol (Protocolo de Transporte en Tiempo Real)
-
SDCCH: Stand-alone Dedicated Control Channel (Canal de Control Dedicado Independiente)
-
SMS: Short Message Service (Servicio de Mensajes Cortos)
-
SIP: Session Initation Protocol (Protocolo de Establecimiento de Sesión)
-
TCH: Traffic Channel (Canal de Tráfico)
-
TDM: Time Division Multiplex (Multiplexación por División en Tiempo)
-
TETRA: Terrestrial Trunked Radio (Radio Conmutada Terrestre)
-
TS: Time Slot (Ranura Temporal)
-
UMTS: Universal Mobile Telecommunications System (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles).
Descripción de la invención
La invención se refiere a un procedimiento y a un sistema para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 12, respectivamente. Realizaciones preferidas del procedimiento y del sistema se definen en las reivindicaciones dependientes.
La invención se basa principalmente en la fusión de los conceptos de "radios cognitivas" (cognitive radio) y "comunicación radio directa entre terminales móviles". De forma secundaria y opcional, según la realización particular de la invención, ésta también puede incorporar conceptos o mecanismos de "Push-To-Talk" y de "técnicas de retransmisión" (relaying techniques).
La formulación general de la invención propuesta es que dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles, preferiblemente de forma controlada por el operador, los dispositivos de usuario, solos o asistidos por la red, hacen uso de técnicas de radio cognitiva para establecer una comunicación radio directa entre ellos aprovechando los recursos de espectro libres de ese sistema móvil ofrecidos por dicho operador, en el momento y lugar en que se encuentran.
Así, un primer aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles, utilizando dichos dos o más dispositivos usuarios una red de un mismo operador, que comprende:
- utilizar una técnica de radio cognitiva para detectar recursos de espectro disponibles para comunicaciones radio en una determinada área dentro de la que se encuentran dichos al menos dos dispositivos de usuario,
caracterizado porque el procedimiento además comprende:
- seleccionar al menos un recurso de entre los recursos disponibles, siendo dicho recurso un recurso del operador común a dichos dos o más dispositivos de usuario, y
- establecer un enlace radio directo entre dichos dos usuarios utilizando dicho recurso libre detectado del operador.
De esta forma, mediante la presente invención los dispositivos de usuario (terminales móviles) aprovechan los recursos libres detectados por técnicas de radio cognitiva para un funcionamiento que, aunque pueda estar autorizado por el operador, no es el funcionamiento estándar del sistema (por ej., el móvil no actuaría como móvil GSM sino como walkie-talkie).
Es decir, la invención está encaminada a utilizar el espectro licenciado del operador -pero no utilizado en un momento y lugar determinados- para establecer una comunicación radio directa entre dos dispositivos de usuario suscritos a dicho operador.
Mediante el uso de la técnica de radio cognitiva se permite al dispositivo de usuario conocer su entorno radioeléctrico, de forma que detecta y selecciona recursos libres en el sistema celular al que el usuario está suscrito, y que pueda cambiar esa selección de recurso de manera dinámica a medida que el entorno radioeléctrico vaya cambiando.
Preferiblemente dicho recurso además de estar libre, es un recurso no interferente con el servicio normal del operador; es decir, mediante alguna técnica de radios cognitivas se detecta la presencia de recursos o canales libres en el sistema celular -es decir, aquellos que no se están usando,- y para establecer el enlace radio directo se utiliza un recurso que no afecta al funcionamiento correcto del sistema (es decir, que no provoca interferencias) si el dispositivo de usuario lo utiliza.
Preferiblemente el enlace radio directo que se describe en esta invención se establecerá de forma controlada por el operador. Algunos ejemplos de métodos de control posibles serían: las condiciones o términos de la suscripción (por ej. alta en el servicio, limitaciones de uso, etc.), los mecanismos específicos al respecto introducidos en el terminal de usuario y/o en la tarjeta de identidad del usuario (por ej. la tarjeta SIM en el sistema GSM), o la señalización con la red móvil en el caso de que exista comunicación con ella y se haga uso del modo asistido en la implementación de la invención.
La utilización de la técnica de radio cognitiva para conocimiento del entorno radioeléctrico puede ser realizada por el dispositivo de usuario por sí solo (autónoma) o asistido por la red. También puede realizarse de forma manual (con intervención del usuario) o automática (sin intervención del usuario).
Preferiblemente se incluyen mecanismos de control de forma que se detecta cuando el entorno radioeléctrico cambia, y se deja libre el recurso que se estaba utilizando y se cambia a un nuevo recurso libre.
De acuerdo con una realización preferida, el procedimiento incluye constituir un grupo CCDC formado por dichos dos o más dispositivo de usuario. Es decir, el procedimiento de la invención utiliza preferiblemente un algoritmo de gestión para la constitución de un grupo de usuarios CCDC (es decir, usuarios que pueden comunicarse entre ellos haciendo uso de la comunicación radio directa basada en recursos libres del sistema celular), la coordinación de recursos libres a escoger y usar entre los usuarios de un mismo grupo CCDC (tanto en el momento de la constitución del grupo como luego, de forma dinámica, al ir cambiando el entorno radioeléctrico de al menos uno de los miembros, obligando a cambiar de recurso libre), y la coordinación de recursos a usar entre grupos de usuarios distintos cuando hay solape geográfico entre alguno de los miembros de dos grupos.
De forma opcional la invención comprende utilizar cualquier técnica de retransmisión que, por medio de uno o varios saltos radio, ponga en comunicación a dos usuarios de un mismo grupo CCDC aunque éstos no se encuentren en alcance radioeléctrico directo. Gracias a la aplicación (opcional) de técnicas de retransmisión (relacionadas también con los conceptos de redes ad-hoc, redes auto-organizadas, etc.) se puede aportar una mejora sobre el funcionamiento básico del procedimiento de la invención.
También puede incluirse preferiblemente el modo PTT en los terminales de usuario del grupo CCDC de forma que éstos tengan la experiencia de usuario PTT, consistente en pulsar y mantener el botón PTT para hablar, y liberar el botón para oír por el altavoz. Asimismo, en el caso de que alguno de los miembros del grupo CCDC tenga comunicación con la red móvil, se puede añadir opcionalmente cualquier mecanismo que permita la inclusión en un servicio PTT celular del operador móvil de usuarios CCDC, es decir, que hagan uso de comunicación radio directa basada en recursos libres. Por tanto, un mismo grupo PTT podría tener tanto usuarios móviles estándar (que se podrían encontrar en áreas geográficas diferentes) como usuarios móviles de un grupo CCDC (localizados en un área determinada).
El procedimiento de la invención también puede comprender habilitar la comunicación de usuarios CCDC con un puesto de emergencia.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un sistema para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles, utilizando dichos dos o más dispositivos usuarios una red de un mismo operador, que comprende:
- medios de radio cognitiva para detectar recursos de espectro disponibles para comunicaciones radio en un área determinada dentro de la que se encuentran dichos al menos dos dispositivos de usuario,
- dichos dos o más dispositivos de usuario disponen de un modo de comunicación estándar del sistema celular y un modo de comunicación de radio directo o walkie-talkie,
caracterizado porque el sistema además comprende:
- medios de selección de al menos un recurso de entre los recursos disponibles, siendo dicho recurso un recurso del operador común a dichos dos o más dispositivos de usuario, y
- medios de establecimiento de un enlace radio directo entre dichos dos usuarios utilizando dicho recurso libre detectado del operador.
El número de recursos libres en un sistema celular es inversamente proporcional a la densidad de estaciones base (y por extensión, de potenciales usuarios) en el área. En un entorno urbano o semiurbano, por tanto, será difícil encontrar recursos libres, es decir, que no estén ocupados y que puedan cogerse y utilizarse. sin interferir al sistema; son áreas donde el operador móvil utiliza al máximo el espectro del que dispone. En cambio, en zonas rurales o no habitadas, es muy probable que se puedan encontrar recursos libres; se podría decir que el operador móvil tiene ahí espectro excedente o sobrante.
La invención cubre ambos casos de aprovechamiento de espectro libre, tanto en un entorno urbano (por ej., en ciudades) o semi-urbano, como en un entorno rural, siempre que se implemente un algoritmo que vaya buscando de manera dinámica los huecos o canales libres y los vaya aprovechando sin interferir al sistema (sin reducirle la capacidad). No obstante, se observa que las aplicaciones más interesantes estarían en el escenario rural o no habitado.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo ilustrativo pero no limitativo de ésta.
En la Figura 1 se muestra cómo un terminal puede detectar y escoger un recurso libre.
La Figura 2 es un diagrama ilustrativo de un grupo de terminales operando en modo radio directo (CCDC).
La Figura 3 representa el diagrama de bloques funcionales de un terminal específico de la invención, que cuenta tanto con el modo estándar GSM como con el modo radio directo.
Descripción de una realización preferida de la invención
Es objeto de la presente invención un procedimiento para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema celular de comunicaciones móviles, dichos usuarios suscritos a un mismo operador, que comprende:
- utilizar una técnica de radio cognitiva para detectar recursos de espectro disponibles para comunicaciones radio en una determinada área dentro de la que se encuentran dichos al menos dos dispositivos de usuario,
El procedimiento además comprende:
- seleccionar al menos un recurso de entre los recursos disponibles, siendo dicho recurso un recurso del operador común a dichos dos o más dispositivos de usuario, y
- establecer un enlace radio directo entre dichos dos usuarios utilizando dicho recurso libre detectado del operador.
En la Figura 1 se muestra cómo un terminal puede detectar y escoger un recurso libre: en este caso, una frecuencia del espectro del operador que no está empleada en el área y cuyo uso no interfiere al funcionamiento de la red.
En primer lugar, se trata de encontrar recursos o canales libres en el sistema celular - es decir, aquellos que no se están usando, y preferiblemente que no afecten al funcionamiento correcto del sistema (es decir, que no provoquen interferencias) si el dispositivo móvil los usa. Los sistemas celulares utilizan principalmente la multiplexación de tres tipos de recursos: la frecuencia (FDM), el tiempo (TDM) y los códigos (CDM). Lo que se conoce como recurso o canal suele ser una combinación de ellos.
En el sistema GSM un canal corresponde a la combinación de una frecuencia y una ranura de tiempo (TS: time slot). Cada frecuencia consiste en dos portadoras pareadas de 200 KHz+200 KHz en las bandas de 900, 1800 (Europa) u 850, 1800 (América). Además, para cada frecuencia, el tiempo se divide en segmentos o tramas consecutivos (de 4.615 ms cada trama), de forma que cada trama dispone de ocho ranuras de tiempo para establecer comunicaciones diferenciadas (véase Figura 1, elemento 1). Por tanto, un ejemplo de "canal GSM" sería el constituido por la frecuencia ARFCN=11 (portadora 892.2 MHz ascendente + portadora 937.2 MHz descendente) y la ranura temporal TS=3 (ranura número 4 de las 8 existentes en la trama - ya que el sistema GSM las numera de 0 a 7). La portadora ascendente se utiliza para la comunicación desde el terminal 10 hacia la estación base 20, mientras que la portadora descendente se emplea para la comunicación desde la estación base 20 hacia el terminal móvil 10 (según la numeración indicada en la Figura 1). En el sistema GSM, esta división en el tiempo en tramas y ranuras exige una sincronización de "relojes" entre la estación base y el terminal, de forma que ambos estén coordinados exactamente respecto a cuando empieza cada trama y cada ranura temporal.
La existencia de recursos o canales libres y la selección de uno de ellos se lleva a cabo por medio de las técnicas de radio cognitiva. El esquema más inmediato en este caso consiste en que el dispositivo móvil efectúa un barrido de todo el espectro de ese sistema móvil, y en concreto un barrido de las frecuencias, conocidas, del operador que le da servicio, para ver los niveles de señal existentes en el aire. Entonces se escoge aquel/los canal/es que no tiene/n actividad (véase Figura 1, elemento 2). Como se ha mencionado antes, para considerar al recurso verdaderamente libre, además de no haber ocupación del canal en ese momento, debe existir una garantía de que al cogerlo no se va a afectar al funcionamiento del sistema (cómo garantizarlo dependería de cada sistema en particular).
Pueden utilizarse diferentes técnicas de radio cognitiva aplicables para la detección y selección del recurso a utilizar, como por ej., basadas en barrido de frecuencias, en bases de datos, en asistencia por parte de la red, etc.
En el caso del sistema GSM, el plan de frecuencias típico que emplean los operadores móviles GSM divide las frecuencias disponibles en dos categorías: aquellas que están pensadas para estar presentes siempre en el aire (ya que las estaciones base las emplean para transmitir información de difusión o broadcast, por ej., BCCH), y aquellas que pueden estar presentes en el aire o no dependiendo que la existencia en ese momento de comunicaciones de usuario en ese lugar (por ej. SDCCH para SMS y TCH para llamadas de voz). En el barrido de frecuencias GSM correspondientes a un operador (que son un subconjunto del total GSM), la ausencia de nivel de señal en una frecuencia del segundo grupo no proporciona garantía de que esa frecuencia este realmente libre en el área; en cambio, la ausencia de señal en una frecuencia del primer grupo (llamadas a partir de ahora frecuencias BCCH) indica que no hay ninguna estación base en el área usándola y, por extensión, que está disponible para una nueva comunicación sin interferir en el correcto funcionamiento del sistema celular. Como valor de referencia, se podría considerar "limpia" y disponible a aquella frecuencia BCCH cuyo nivel de señal radio sea inferior a -110 dBm, lo cual garantizaría que no sólo esa frecuencia, sino también sus adyacentes, no están siendo usadas por una estación base en el área (véase Figura 1, elemento 2). En el caso de existir varias disponibles, la frecuencia BCCH óptima a escoger sería aquella que en el barrido esté rodeada del mayor número de otras frecuencias limpias tanto por arriba como por abajo (dado que el usuario se puede desplazar y variar su entorno radioeléctrico). Un caso extremo sería el de ausencia total de cobertura GSM, en el cual todas las frecuencias BCCH estarían limpias y libres. La transmisión de información de difusión o "broadcast" de la estación base, como se ha mencionado antes, siempre está contenida en la portadora descendente, de las dos que constituyen la frecuencia BCCH. Además, sólo tiene lugar en la ranura TS=0 de las ocho existentes en la trama GSM (véase Figura 1, elemento 3), aunque si el barrido dura el tiempo suficiente no habrá problema en detectar esa señal (de hecho, como la trama sólo dura 4.615 ms esto es muy fácil de conseguir). Un barrido muy básico sólo detectaría nivel de señal, mientras que un barrido un poco más avanzado, pero igualmente sencillo, podría además sincronizarse con la estación base y leer su información de difusión (SYSTEM INFORMATION) para aquellas frecuencias en las que se detecte señal.
Como se ha indicado anteriormente, las aplicaciones más interesantes de la presente invención están en el escenario rural o no habitado. En este caso, algunos ejemplos de aplicaciones de la invención podrían ser:
a) servicio de walkie-talkie entre exploradores o montañeros (por ej. en regiones de alta montaña, selva, desierto, etc.), entre ellos y también opcionalmente hacia un punto de emergencia al que alguno de ellos tenga visibilidad radioeléctrica directa;
b) servicio de ocio que proporciona comunicación a excursionistas, cazadores, boy-scouts, etc. en bosques o zonas despobladas;
c) servicio de comunicación entre vehículos en zonas con poca o ninguna cobertura, tal y como barcos participando en una regata, todo-terrenos en un rally, avionetas, etc.
En todos estos casos, mediante la presente invención, dado que el operador no puede ofrecer un servicio con su red, el operador permite que sus usuarios puedan establecer una comunicación radio directa entre ellos, y opcionalmente con la red móvil (si al menos uno de los miembros del grupo tiene cobertura) o con puestos de emergencia (que a su vez pueden ser totalmente locales o conectados con el mundo exterior por cualquier mecanismo, por ej. red móvil, teléfono fijo, estación de radio, etc.). Esta situación se refleja en la figura 2, que es un diagrama ilustrativo de un grupo de terminales 10, 10', 10'' operando en modo radio directo. En este caso el grupo CCDC está formado por cuatro usuarios, todos usando ARFCN=11, tras una puesta en común manual o automática. Y usando protocolo PTT para decidir quién habla y quién escucha. En la situación mostrada en la figura 2, de los cuatro usuarios, el usuario del terminal 10 está hablando, mientras que los terminales 10' están escuchando; así mismo el terminal 10'' está escuchando, pero a la vez está en modo retransmisión para que uno de los terminales 10' pueda estar en efecto escuchando. Entre este grupo CCDC además puede existir comunicación con la red móvil, proporcionándole asistencia en el modo directo, y servicio estándar de voz y datos.
La invención puede implementarse tanto los casos en que en el área donde se usa no haya ninguna cobertura del sistema, como cuando hay cobertura de al menos una estación base (la cual, opcionalmente, podría prestar algún tipo de asistencia al dispositivo móvil para ayudarle en sus tareas de radio cognitiva y en el servicio de comunicación radio directa en general). En caso de existencia de servicio de red (porque hay estaciones base que proporcionan cobertura) para cualquiera de los miembros del grupo CCDC, la invención permitiría en su dispositivo de usuario hacer uso para la comunicación: sólo del modo radio directo, sólo del modo estándar con la red móvil, o de ambos modos simultáneamente (véase Figura 2, elemento 4; también Figura 3).
Otro caso típico de ausencia de cobertura son los interiores, tales como las cuevas o simas (por ej. la invención habilitaría la comunicación entre un grupo de espeleólogos). Sin embargo, este caso también se da en ciudad (por ej., garajes, sótanos) y entonces, el recurso libre que el usuario ha ocupado en el interior podría interferir el servicio del sistema celular en cuanto el usuario salga al exterior. Por ello, una realización preferida de la invención también incluye mecanismos de control que permiten dejar libre el recurso (y opcionalmente cambiar a otro) en cuanto se detecte que el entorno radioeléctrico ha cambiado. Esto es aplicado ante cualquier circunstancia de cambio de entorno radioeléctrico, es decir, no sólo la de salir de un interior, sino por ejemplo en otras, como por ej., vehículos que recorren distancias suficientemente grandes como para que cambien las estaciones base de su área.
En la realización preferida de la invención se utiliza un terminal móvil específico, que permita no sólo el modo de comunicación estándar del sistema celular sino también el modo de comunicación radio directa. El modo de comunicación radio directa sería de hecho una simplificación del modo estándar: se reutilizarían algunos recursos como los puramente radio de transmisión y recepción, y no se necesitaría de muchos de los protocolos (principalmente de señalización y gestión) del sistema estándar, dado que están diseñados para interactuar con la red; en cambio se requerirían protocolos sencillos de control de la comunicación radio directa (ver Figura 3).
De forma opcional, puesto que uno de los servicios asociados a la invención es el de una comunicación de voz en grupo, es natural incluir la experiencia PTT en el terminal móvil (es decir, pulsar y mantener el botón PTT para hablar, y liberar el botón para oír por el altavoz). Esto permite basar el dispositivo de usuario en los terminales móviles PTT actuales. También, a nivel de red, si hay cobertura de alguna estación base en la zona, la invención permite la combinación del modo radio directo con el servicio PTT basado en red del operador. Es decir, la invención habilita que un grupo de usuarios del servicio PTT pueda incluir tanto usuarios que se comunican a través de la red celular como usuarios que se comunican mediante el modo radio directo. En el ejemplo de los montañeros, se puede imaginar un usuario PTT en la montaña que tiene a la vez comunicación de voz de grupo con otro usuario cercano al que llega en modo radio directo y con otros remotos a los que llega a través de la red del sistema celular. Aunque los terminales combinados celular-walkie talkie ya han sido propuestos en invenciones previas, existe una diferencia pues el terminal propuesto en esta invención incluye inteligencia de radio cognitiva para reconocer su entorno radioeléctrico y hacer uso de los recursos libres en el espectro licenciado del operador móvil (ver Figura 3).
En el caso del sistema GSM, el terminal adaptado a la invención incluye un modo estándar GSM y un modo radio directo (o modo walkie-talkie) que, desde el punto de vista de la implementación técnica es una simplificación del modo estándar, compartiendo algunos de sus recursos tales como teclado, display, contactos, tarjeta SIM, subsistema radio (antena, amplificadores y filtros, transmisor y receptor: modulación GMSK, codecs, etc.) y eliminando otros, tales como los mecanismos de capas superiores (Call Control, Mobility Management, etc.), es decir, aquellos asociados al diálogo con las estaciones base y la red. Algunas características son opcionales en el modo walkie-talkie, y se pueden incluir o no dependiendo de la implementación particular, por ej. control de potencia, encriptación, etc.
La Figura 3 recoge todos esos conceptos en un diagrama ilustrativo de una posible implementación de un terminal. Este terminal conservaría la pila de protocolos estándar de un sistema GSM (elemento 200) y tendría además una pila de protocolos específica para el modo radio directo (elemento 201). En concreto, la pila estándar GSM en el plano de señalización, tal y cómo se puede consultar en cualquier especificación técnica del sistema GSM, consta de abajo arriba de las siguientes capas: Radio, LAPDm (Protocolo de Acceso al Enlace en Canal Dm), RR (Gestión de Recursos Radio), MM (Gestión de la Movilidad) y CC/SS/SMS (Control de Llamadas/Servicios Suplementarios/Servicio de Mensajes Cortos). En comparación, la pila de protocolos del modo radio directo sería mucho más sencilla, ya que no necesitaría de las capas superiores de GSM; en concreto, tal y como se muestra en la Figura 3, contaría de abajo a arriba con las siguientes capas: Radio (elemento 100), MACd (Control de Acceso al Medio para modo directo, por ej. gestión de las ranuras temporales - elemento 101) y CCd (Control de Conexión del modo directo, por ej. procedimientos de radio cognitiva, procedimiento de puesta en común de frecuencia entre los miembros de un grupo, etc. - elemento 102). En las capas más bajas de ambas pilas de protocolos existen elementos comunes que serían reutilizados en el caso de una implementación óptima del terminal; en concreto, la capa Radio completa así como parte de las funcionalidades de acceso al medio (o sea, parte de las capas LDAPm y RR en modo estandar GSM y de la capa MACd en el modo directo) se podrían implementar de forma única en el terminal, compartiendo recursos de hardware y software (elemento 202).
Continuando con la descripción de la Figura 3, por encima de las pilas de protocolos de cada modo se encuentra una función de conmutación de modos (elemento 103) que permitiría seleccionar uno de los dos modos de operación, ya sea de forma excluyente o simultánea. Después, encontramos el Sistema Operativo del terminal (elemento 104), y por encima de él los dispositivos de Entrada/Salida (tales como teclado, pantalla, botón PTT, altavoz o micrófono - elemento 105), los de Almacenamiento (memoria, bases de datos, ficheros en tarjeta SIM - elemento 106), y cualquier otro recurso del terminal que pueda ser usado indistintamente, de forma excluyente o simultánea, por los dos modos de operación (elemento 107).
Un modo muy básico de funcionamiento es que los terminales móviles de un grupo de usuarios en modo directo transmiten y reciben todos en el mismo recurso o canal. En GSM estándar el terminal transmite en una frecuencia de enlace ascendente y en una cierta ranura de tiempo, y recibe o escucha en la frecuencia pareada de enlace descendente (situada 45 MHz por encima) en otra ranura de tiempo distinta separada por dos o más ranuras temporales (con el objeto de poder transmitir y recibir simultáneamente); estos valores de frecuencia y ranura temporal los elige la red en el establecimiento de la llamada y se los comunica al móvil. En una implementación básica de la invención, puede hacerse que todos los terminales móviles del grupo CCDC transmitan y reciban en la misma portadora (fijada por ellos mediante cualquier mecanismo o con asistencia de la red, si existe), utilizando el mecanismo PTT como medio de control del canal (modelo half-duplex). En implementaciones más avanzadas, también se puede añadir un mecanismo de sincronismo entre terminales de un mismo grupo CCDC de forma que puedan seguir utilizando la estructura temporal en tramas y ranuras del sistema GSM y que por tanto necesiten una sola portadora y una ranura temporal, dejando libre las demás ranuras de esa misma frecuencia para otros grupos.
La invención puede suponer de forma opcional modificaciones en la red del operador, es decir, admite tanto un modo de funcionamiento "autónomo", en que los terminales usan sus propios recursos así como la información estándar de estaciones base si hay alguna en la zona, como un modo de funcionamiento "asistido", en que la red modificada específicamente para esta invención, les proporciona una información especial.
Para el caso de GSM, este modo asistido requeriría que la invención incluya pequeñas modificaciones en el software de los nodos BTS, BSC y MSC (por ej., cambios en los mensajes de SYSTEM INFORMATION, o un protocolo nuevo para el diálogo entre la red y el terminal móvil que va a emplear el modo walkie-talkie). Este nuevo software se podría cargar sólo en las zonas donde el operador quiere dar este tipo de servicio (por ej., zonas rurales) (Figura 2, elemento 5).
El sistema preferiblemente incluye mecanismos de supervisión y control (directo o indirecto) del servicio prestado al usuario por parte del operador móvil, que pueden ser: a) la tarjeta SIM y la información que contiene; b) el terminal móvil, por ej. registros especiales de uso del servicio (logs), algoritmos específicos integrados, etc.; c) la red, con registros estándar en la red no modificada (modo autónomo) o registros especiales y algoritmos específicos en la red modificada para la invención (modo asistido); d) la suscripción de usuario en el HLR y en los sistemas de aprovisionamiento del operador.
Por otro lado, de acuerdo con una realización preferida de la invención, ésta utiliza técnicas de retransmisión (Figura 2, elemento 6). En el modo más básico la comunicación sólo podría producirse entre aquellos dispositivos de usuario que se encuentren bajo alcance radioeléctrico mutuo (por ej., A ve a B, C ve a B, A y C no se ven - entonces, A no puede escuchar directamente lo que dice C y viceversa). Un funcionamiento mejorado incorporando técnicas de retransmisión permite la comunicación de todos los usuarios del grupo entre sí, de forma que algunos dispositivos de usuario hacen de puente para reenviar la señal hacia el destino a base de uno o varios saltos (implicando cada salto una comunicación radio directa). Estas técnicas pueden ir desde la mera retransmisión en capa física de todo lo que llega a un dispositivo (por ej., B retransmite la señal que recibe de A, con lo cual también llega a C, que está dentro de su alcance), hasta algoritmos inteligentes en capas superiores (por ej., capas 2, 3 del modelo OSI) que implicarían algún tipo de direccionamiento y la aplicación de protocolos entre dispositivos (por ej., mantenimiento de tablas de rutas). Es importante destacar que la comunicación radio siempre es directa entre terminales móviles que se ven, mientras que, a niveles superiores, puede haber una comunicación extremo a extremo entre terminales móviles que no se ven. La invención contempla tanto el caso de comunicación usuario a grupo (por ej., típico de llamadas de voz con experiencia PTT) como el de usuario a usuario (sin visibilidad para el resto del grupo). También se contempla tanto el servicio de voz como de datos.
En el caso del sistema GSM, asumiendo el caso de que todos los móviles en el grupo CCDC transmiten y reciben en la misma frecuencia y misma ranura temporal, estando implementado el mecanismo de sincronismo entre ellos, se puede añadir un mecanismo de retransmisión muy sencillo haciendo que cada móvil retransmita lo que le llega en una ranura temporal en otra ranura temporal distinta a esa (y separada dos o más ranuras de la primera, por limitaciones de transmisión y recepción propias del sistema GSM).
Finalmente, la invención también incluye otras variaciones de implementación, que quedan dentro del concepto general expuesto en la invención, como por ejemplo:
- algoritmo para la detección y selección de recurso libre: autónomo o asistido por la red;
- algoritmo para la detección y selección de recurso libre: manual (con intervención del usuario, por ej., seleccionando sobre una lista), automático (el dispositivo la realiza sin requerir interacción del usuario) o mixto;
- algoritmo para la puesta en común del recurso libre escogido dentro de los usuarios de un mismo grupo: manual (por ej., todos escogen el mismo en sus listas) o automático (por ej., a través de comunicación Bluetooth, poniendo juntos todos los dispositivos durante unos segundos);
- algoritmo para evitar la colisión de recurso escogido con otros grupos de usuarios localizados dentro del mismo área;
- algoritmo en cada usuario para el cambio dinámico (o eliminación) de recurso a medida que cambia el entorno radioeléctrico y para el mantenimiento de la comunicación con los demás usuarios;
- algoritmo para el control de potencia en los dispositivos, permitiendo ahorro de batería y reduciendo interferencias;
- algoritmo para la reserva de un recurso o canal libre que permita comunicar con un puesto de emergencia existente en el área;
- algoritmo para habilitar la retransmisión de un dispositivo a otro; etc.
Se considera que estos y otros algoritmos admiten diversas variaciones, o soluciones particulares de implementación, sin alterar el concepto general de la invención aquí propuesta.
Una implementación de la invención muy básica y sencilla de implementar en el caso del sistema GSM sería la siguiente:
- Terminal con modo estándar y modo directo (walkie-talkie), incluyendo botón PTT (ver Figura 3). Ambos modos funcionan de modo excluyente (o uno u otro, pero no a la vez).
- Selección manual del modo, estándar o directo, por parte del usuario.
- Sólo servicio de voz en modo directo (no datos).
- Codec único y fijo en la comunicación de voz, por ejemplo GSM FR 16 Kbps.
- Sin control de potencia. Uso de la potencia máxima del móvil siempre (por ej., 1 W) para garantizar la mayor cobertura posible.
- No se implementa el modo asistido por la red, todo es autónomo en los terminales.
- El terminal realiza un barrido de las frecuencias BCCH del operador (conocidas por algún mecanismo, por ej. una pequeña base de datos en el terminal o tarjeta SIM, actualizable por el operador por medio de la funcionalidad OTA) y presenta aquellas que están libres al usuario en pantalla para que escoja una manualmente. Si no hay ninguna, se indica al usuario que el servicio no está disponible. El criterio para determinar disponibilidad será medir un nivel de señal inferior a -110 dBm en esa frecuencia. Hay que tener en cuenta que cada frecuencia GSM es en realidad una pareja: frecuencia de enlace descendente y frecuencia de enlace ascendente. En esta implementación se usa la primera sólo para detección de estaciones base no pudiendo ser empleada por los terminales en modo directo, mientras que la segunda (parte ascendente) es la que se emplea para las comunicaciones en modo directo. Esta decisión de no usar la parte descendente aunque también este disponible sacrifica capacidad del sistema CCDC pero a cambio simplifica mucho la implementación, tanto del terminal como de los mecanismos de detección de interferencias. En cualquier caso, el barrido se debe realizar tanto para la parte descendente (para detectar estaciones base GSM) como para la parte ascendente (para detectar otros móviles GSM en la zona, tanto en modo estándar, que los habrá sólo si hay estación base, como en modo directo CCDC, que los puede haber aunque no haya estación base).
- Los usuarios del grupo CCDC tienen que ponerse de acuerdo entre ellos para escoger todos manualmente la misma frecuencia (por ej. ARFCN=11), y automáticamente los terminales tomarán la portadora ascendente asociada a esta frecuencia).
- No existe ningún mecanismo de sincronismo entre terminales, por lo que no se pueden hacer uso de la multiplexación en el tiempo (es decir, de la división en ranuras temporales).
- Los terminales móviles transmiten y reciben (alternativamente, mediante el protocolo PTT, en modo half-duplex) en la misma frecuencia (la seleccionada manualmente).
- No hay retransmisiones, cada terminal puede hablar o escuchar solo a aquellos dentro de su alcance radio directo (de forma que la difusión de mensajes a todo el grupo no está garantizada por la implementación, sino que queda en manos de los propios usuarios).
- De forma regular, el terminal realiza barridos periódicos para detectar cambios en el entorno radioeléctrico. Si el terminal de un usuario determina que la frecuencia BCCH actualmente en uso en el modo walkie-talkie puede interferir a la red (al detectar nivel de señal mayor que -110 dBm en la parte descendente de esa frecuencia, lo cual alerta de la cercanía a una estación base GSM), entonces se indica al usuario que tiene que abandonarla o cambiar a otra frecuencia libre. La implementación no incluye en este caso un mecanismo de actualización de frecuencia en el resto de usuarios, esto queda también en manos de los propios usuarios. El terminal contempla dos diferentes niveles de señal umbrales de detección de una frecuencia BCCH en uso (es decir, una frecuencia que, con el desplazamiento del usuario, pasa de estar limpia a estar ocupada por la red): el primer umbral, más bajo (-110 dBm en la parte descendente de la frecuencia propia) sirve para indicar al usuario que debe cambiar de frecuencia, permitiéndole un tiempo para que se coordine con el resto de usuarios mediante comunicación vocal; el segundo, más alto (-95 dBm para la parte descendente de la frecuencia propia), estaría asociado a una indicación de pérdida definitiva de esa frecuencia, ya que el servicio de red móvil tendría prioridad sobre el modo directo.
- En el caso de varios grupos en una misma área geográfica, esta implementación no incluye ningún mecanismo para evitar que elijan el mismo recurso de entre todos los que hay disponibles (es decir, la misma frecuencia). Esto se deja en manos del azar (al existir varias opciones posibles), del mecanismo de detección de otros grupos (es decir, un segundo conjunto de usuarios al llegar a una zona y constituir el grupo detectaría actividad en la portadora ascendente que estén usando los del primero y sus terminales no la mostrarían entre las opciones disponibles) y finalmente de la interacción vocal y puesta en común entre grupos de usuarios.
Partiendo de esta implementación básica, que proporciona un servicio con importantes limitaciones desde el punto de vista de usuario así como ineficiencia en la capacidad del sistema, se pueden realizar implementaciones más complejas (dentro del paraguas general de la invención aquí descrita), añadiendo mejoras para solventar cada una de esas limitaciones.
Por ejemplo, la capacidad del sistema, entendida como el número de grupos CCDC que pueden convivir en una misma zona sin interferirse, se puede ver aumentada grandemente (de hecho, multiplicada por 7) añadiendo un mecanismo de sincronismo entre terminales. Esto permitiría reutilizar el sistema de división en tramas y ranuras temporales para el que cualquier terminal GSM está preparado. La forma de conseguir el sincronismo entre miembros de un mismo grupo, y entre grupos distintos, sería adaptar el procedimiento que ya se usa entre la estación base GSM y los móviles. Para ello, se reservaría la ranura temporal TS=0 de cada portadora ascendente (que son las que usan los terminales CCDC) y se montaría sobre ella un mecanismo SCH similar al de la estación base, con el objeto de ajustar relojes entre los terminales y que todos estén coordinados respecto a cuándo empieza y termina cada trama y ranura temporal. Con la implementación de este procedimiento, cada grupo CCDC haría uso de una frecuencia y de una ranura temporal, por ej. ARFCN=11 (portadora ascendente) y ranura TS=3. Hasta 7 grupos podrían compartir la misma frecuencia (ranuras TS=1 hasta TS=7). Otro enfoque distinto para aumentar la capacidad del sistema consiste en permitir que los grupos CCDC puedan hacer uso también de la portadora descendente de la frecuencia, no sólo de la ascendente. En este caso, el barrido de frecuencias BCCH para detectar presencia de estaciones base debería considerar no sólo nivel de señal sino también sincronización y decodificación de al menos un mensaje válido de difusión (SYSTEM INFORMATION) con el objeto de poder distinguir una transmisión de estación base de una transmisión de terminales CCDC. Una vez resuelto este aspecto, la capacidad del sistema CCDC se multiplicaría por dos.
En cuando al alcance del sistema, se vería mejorado sustancialmente si en lugar de un solo salto radio, fuesen posible dos o más; es decir, que cada terminal en estado de escucha (de acuerdo al modo PTT) se dedique a retransmitir la señal que recibe. Esto es posible de una forma relativamente sencilla si existe el mecanismo de sincronismo mencionado en el párrafo anterior. Para ello se debe disponer no de una sino de dos ranuras temporales por grupo CCDC (por ej. TS=1 y TS=5), de forma que la primera (TS=1) es para transmisión directa del que habla en modo PTT y la segunda (TS=5) es para retransmisiones por parte de los que que escuchan - nota: debido a los requisitos de GSM ambas han de estar separadas por 2 o más ranuras, para que el terminal pueda conmutar adecuadamente entre recepción y transmisión. Entonces, el mecanismo consiste en que el terminal en modo PTT de escucha comprueba, de forma regular, el nivel de señal recibido en ambas ranuras (TS=1 y TS=5). Si es mayor en la primera (TS=1), entonces se dedicará a recibir por esa ranura y a retransmitir esa misma señal por la segunda (TS=5) - ya que se trata de un terminal que es capaz de escuchar directamente al que habla. En cambio, si la señal recibida es mayor por la segunda ranura (TS=5), entonces el terminal se dedicará a recibir por esa y no retransmitirá nada - ya que se trata de un terminal al que la señal original del que habla le llega por medio de una retransmisión. Teniendo en cuenta que cada salto radio, en las frecuencias de GSM y con la potencia máxima, podría ser de varios kilómetros (por ej. 5 o 10 km), esto aumenta de forma considerable la cobertura total para el grupo CCDC. Por otra parte, esto se conseguiría a costa de una reducción de la capacidad del sistema, ya que en lugar de 7 grupos por portadora, ahora podrían convivir sólo 3 grupos (por ej. usando las parejas de ranuras 1 y 5, 2 y 6, 3 y 7).
Finalmente, las otras limitaciones del servicio al usuario se solventarían añadiendo: servicio de datos, control de potencia, técnicas de radio cognitiva automatizadas (sin intervención manual de usuario) para la selección de frecuencia BCCH y ranura temporal y cambios dinámicos ante el entorno radioeléctrico, mecanismos automáticos de puesta en común dentro de un grupo y de evitar colisión con otros grupos, mecanismos de retransmisión que garanticen mediante saltos la máxima difusión posible a todo el grupo y proporcionen también comunicaciones usuario a usuario, etc.

Claims (1)

1. Un procedimiento para establecer una comunicación radio directa entre dos o más dispositivos de usuario dentro de un sistema GSM, estando dichos usuarios suscritos a un mismo operador, que comprende:
- efectuar un barrido de las frecuencias de dicho operador para detectar los niveles de señal existentes en una determinada área dentro de la que se encuentran dichos al menos dos dispositivos de usuario,
caracterizado porque el procedimiento además comprende:
- seleccionar un canal del operador común a dichos dos o más dispositivos de usuario que no tenga actividad, y
- establecer un enlace radio directo entre dichos dos usuarios utilizando dicho canal libre detectado del operador.
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