Procedimiento para hacer funcionar dispositivos inalámbricos (24),

comprendiendo el procedimiento las etapas de: proporcionar una pluralidad de nodos emisores (602), teniendo cada uno un mensaje respectivo para enviar de forma inalámbrica a un nodo receptor;

asignar una distribución de probabilidad (604) a una pluralidad de canales de frecuencia de tal modo que una probabilidad de selección respectiva se asigna a cada canal de frecuencia;

asignar una prioridad a cada uno de los canales de frecuencia basándose en la probabilidad de selección de canal, de tal modo que los canales con menor probabilidad de selección son asignados al nivel de prioridad mayor; seleccionar de forma aleatoria (606) dicho canal de frecuencia respectivo para cada uno de los nodos emisores según la distribución de probabilidad;

enviar mensajes de forma inalámbrica (608) desde los nodos emisores al nodo receptor en los seleccionados canales de frecuencia seleccionados;

utilizar el nodo receptor (610) para muestrear un primer canal de frecuencia con la mayor prioridad;

si el nodo receptor detecta una señal en el primer canal de frecuencia (614) durante el muestreo, sintoniza el nodo receptor con el primer canal de frecuencia y recibe (618) el resto del mensaje en el primer canal; y

si el nodo receptor no detectó ninguna señal en el primer canal de frecuencia, utilizar el nodo receptor para muestrear un segundo canal de frecuencia con el menor nivel prioridad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere a redes de sensores inalámbricos y, más particularmente, a redes de sensores inalámbricos que transportan mensajes sensibles al retardo.

2. Descripción de la técnica relacionada

La recogida de mensajes poco frecuentes pero sensibles al retardo de un grupo de nodos emisores es un proceso clave en muchas aplicaciones de redes de sensores inalámbricos. Esto resulta particularmente importante para aplicaciones relacionadas con la seguridad, como sistemas para detectar intrusos y alarmas antiincendios. Un suceso detectado por varios nodos emisores en la red puede desencadenar la transmisión simultánea de varios mensajes. En tales casos, es importante que el primer mensaje sea recibido rápidamente y que todos los mensajes sean recogidos finalmente con bajos niveles de tiempo de espera.

Con la transmisión de varias tareas automatizadas desde un dominio alámbrico a uno inalámbrico, las redes de sensores inalámbricos (WSNs) están sujetas cada vez más a nuevos dominios de aplicación. Las aplicaciones de naturaleza crítica han sido el punto fuerte de redes alámbricas debido a los altos niveles de fiabilidad de las redes alámbricas. A pesar del uso tradicional de las redes alámbricas, la fiabilidad cada vez mayor de WSNs junto con su rentabilidad ha originado la adopción gradual de WSNs también para tales aplicaciones críticas. La naturaleza de tales aplicaciones, sin embargo, requiere nuevos protocolos de Control de Acceso al Medio (MAC, del inglés Media Access Control) para WSNs que superen estos requisitos y proporcionen suficiente confianza en el uso de WSNs.

Los requisitos de las aplicaciones de naturaleza crítica pueden ser fundamentalmente diferentes a los de las aplicaciones para las que se han diseñados los protocolos MAC conocidos. Por ejemplo, la energía es un recurso valioso en dispositivos sensores y la mayoría de los protocolos MAC existentes se optimizan para conservar energía, compensar el tiempo de espera, el rendimiento y otras métricas de rendimiento similares del proceso. Los mismos protocolos típicamente no son adecuados cuando la aplicación requiere un mejor rendimiento a expensas de energía adicional. Si la reducción del tiempo de espera es el elemento principal, siendo la reducción del consumo de energía solo un tema secundario, es necesario rediseñar los protocolos a partir de esta perspectiva de aplicación.

En algunas aplicaciones, es necesario que los sensores inalámbricos transporten mensajes urgentes a una estación base centralizada con un retraso mínimo contado a partir del momento en que se generan los mensajes urgentes. Estos mensajes vienen provocados por los sucesos detectados por nodos emisores, y los mensajes están destinados a informar a la estación base, de modo que la estación base puede realizar cualquier acción posible. Tales mensajes se originan muy raramente, y se puede desear reducir el tiempo de espera cuando tales mensajes se originan, incluso si se utiliza algo de energía adicional en ese momento. Las aplicaciones para la detección de intrusos y las alarmas antiincendios, por ejemplo, pueden requerir tales niveles bajos de tiempo de espera. Aunque los mensajes típicamente son correlativos, la recogida de todos los mensajes en contraposición a solo un subconjunto de los mensajes proporciona información valiosa que se puede utilizar para la detección de falsos positivos o el análisis posterior al evento. Por ejemplo, el Estándar Europeo EN 54-25 sobre sistemas de alarmas antiincendios especifica la duración en la que la primera alarma debería ser informada y todas las alarmas se deberían recibir en la estación base. Los retos en el diseño de protocolos MAC WSN para tales aplicaciones incluye el manejo de un número de mensajes simultáneos sin saber cuántos mensajes se enviarán simultáneamente, y la planificación de posibles interferencias. Adicionalmente, es importante asegurar la implementación de viabilidad teniendo en cuenta las limitaciones adicionales impuestas en los WSNs, como la sincronización temporal, el cálculo limitado y las capacidades de almacenamiento.

Los protocolos MAC para redes de sensores inalámbricos se pueden clasificar principalmente en protocolos libres de contención, basados en la contención y de ahorro energético. Los protocolos libres de contención son principalmente los que se basan en el Acceso Múltiple por división de Tiempo (TDMA, del inglés Time-Division Multiple Access) , en el que los espacios de tiempo son asignados a cada nodo por la estación base y cada nodo envía su mensaje (si lo tiene) solo durante este espacio de tiempo asignado. Tales protocolos basados en TDMS tienen un rendimiento muy bajo cuando el número de nodos implicados se desconoce o varía continuamente. En algunas aplicaciones, el número de nodos apenas se conoce, haciendo que los esquemas basados en TDMA no sean apropiados. Otros procesos libres de contención, p. ej., Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA, del inglés Frequency-Division Multiple Access) , se encuentran con las mismas limitaciones.

Los protocolos basados en la contención se pueden dividir en Acceso Múltiple por Detección de Portadora (basados en CSMA, del inglés Carrier Sense Multiple Access-based) o no basados en CSMA. Los protocolos IEEE

802.11 y 802.15.4 son ejemplos de protocolos CSMA, estando el último diseñado específicamente para aplicaciones proporcionadas por redes de sensores inalámbricos. Estos protocolos utilizan una ventana de contención de tamaño variable cuyo tamaño se ajusta en cada nodo según el éxito del nodo al enviar el mensaje, escogiendo cada nodo un intervalo de tiempo en esta ventana mediante el uso de una distribución de probabilidad uniforme. Estos protocolos hacen un buen trabajo a la hora de manejar escenarios con un número reducido de nodos, pero no funcionan bien con un número elevado de mensajes simultáneos. El protocolo Sift, descrito en KYLE JAMIESON ET AL: "Sift: A MAC Protocol for Event-Driven Wireless Sensor Networks", WIRELESS SENSOR NETWORKS LECTURE NOTES IN COMPUTER SCIENCE; LNCS, SPRINGER, BERLIN, DE, vol. 3868, 1 de enero de 2006 (2006-01-01) , páginas 260-275, XP019027949, ISBN: 978-3-540-32158-3, fue diseñado para superar estas deficiencias en aplicaciones WSN que necesitan tratar con tal número elevado de mensajes guiados por los datos y correlacionados espacialmente. El sift también está basado en CSMA pero utiliza una ventana de contención del tamaño. Los nodos escogen los intervalos de tiempo a partir de una distribución de probabilidad geométrica de tal modo que solo unos pocos nodos son contenidos en los primeros intervalos de tiempo, y así el Sift trata un gran número de mensajes fácilmente. Los protocolos basados en Aloha, por el contrario, no detectan el canal antes de la transmisión y confían en cada nodo escogiendo de forma aleatoria un intervalo de tiempo para transmitirlo, dependiendo la probabilidad de transmisión del número de mensajes implicados. Cuando este número de mensajes contenidos no se conoce, estos protocolos no funcionan bien. En general, los protocolos basados en CSMA superan a los protocolos basados en Aloha cuando el tiempo de propagación entre nodos es suficientemente bajo para hacer que la detección del portador sea útil.

Lo que no se describe ni se sugiere en la técnica anterior es un procedimiento para manejar mensajes sensibles al retardo en una red de sensores inalámbricos con un tiempo de espera reducido.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un procedimiento para recoger mensajes urgentes desencadenados por un acontecimiento a partir de un grupo de nodos emisores con un tiempo de espera reducido y sin requerir ninguna cooperación o preparación previa entre los emisores o entre el emisor y el receptor durante la ejecución del protocolo. La invención puede reducir la contención entre los nodos mediante la utilización de una combinación de multiplexación temporal y multiplexación de frecuencia. Los canales de frecuencia múltiple se pueden utilizar en los intervalos de tiempo, y la contención se puede reducir controlando la probabilidad de seleccionar cada canal por parte de los nodos. A pesar de la utilización de canales múltiples, se puede considerar la presencia de solo un transceptor en todos los nodos incluyendo el receptor.

La presente invención puede utilizar una distribución no uniforme para controlar la contención entre los nodos, y no está basada en CSMA. La presente invención separa las transmisiones de mensajes por diferentes... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para hacer funcionar dispositivos inalámbricos (24) , comprendiendo el procedimiento las etapas de:

proporcionar una pluralidad de nodos emisores (602) , teniendo cada uno un mensaje respectivo para enviar de forma inalámbrica a un nodo receptor; asignar una distribución de probabilidad (604) a una pluralidad de canales de frecuencia de tal modo que una probabilidad de selección respectiva se asigna a cada canal de frecuencia;

asignar una prioridad a cada uno de los canales de frecuencia basándose en la probabilidad de selección de canal, de tal modo que los canales con menor probabilidad de selección son asignados al nivel de prioridad mayor; seleccionar de forma aleatoria (606) dicho canal de frecuencia respectivo para cada uno de los nodos emisores según la distribución de probabilidad;

enviar mensajes de forma inalámbrica (608) desde los nodos emisores al nodo receptor en los seleccionados canales de frecuencia seleccionados; utilizar el nodo receptor (610) para muestrear un primer canal de frecuencia con la mayor prioridad; si el nodo receptor detecta una señal en el primer canal de frecuencia (614) durante el muestreo, sintoniza el nodo receptor con el primer canal de frecuencia y recibe (618) el resto del mensaje en el primer canal; y si el nodo receptor no detectó ninguna señal en el primer canal de frecuencia, utilizar el nodo receptor para muestrear un segundo canal de frecuencia con el menor nivel prioridad.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, comprendiendo la etapa adicional de repetir la etapa de muestreo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la etapa de muestreo se repite inmediatamente después de completar la etapa de muestreo inicial.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que al menos dos de las probabilidades de selección son desiguales.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, comprendiendo las etapas adicionales de:

repetir la etapa de seleccionar de forma aleatoria dicho canal de frecuencia respectivo para cada uno de los nodos emisores según la distribución de probabilidad; reenviar de forma inalámbrica los mensajes no recibidos desde el nodo emisor al nodo receptor en los correspondientes canales de frecuencia seleccionados; y utilizar el nodo receptor para muestrear el primer y el segunda canal de frecuencia;

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los mensajes se envían de forma inalámbrica substancialmente al mismo tiempo.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que cada uno de los nodos emisores realiza independientemente la etapa de seleccionar de forma aleatoria dicho canal de frecuencia para él mismo.

8. Procedimiento para hacer funcionar dispositivos inalámbricos (24) , comprendiendo el procedimiento las etapas de:

proporcionar una pluralidad de nodos emisores (702) , teniendo cada uno un mensaje respectivo para enviar de forma inalámbrica a un nodo receptor; asignar una distribución de probabilidad (704) a una pluralidad de canales de frecuencia de tal modo que una probabilidad de selección respectiva se asigna a cada canal de frecuencia;

seleccionar de forma aleatoria (706) dicho canal de frecuencia respectivo para cada uno de los nodos emisores según la distribución de probabilidad; enviar mensajes de forma inalámbrica (708) desde los nodos emisores al nodo receptor en los seleccionados canales de frecuencia seleccionados; utilizar el nodo receptor (710) para muestrear cada uno de los canales de frecuencia; identificar (712) al menos uno de los canales de frecuencia muestreados ocupado en el que se identifica una señal enviada por el nodo receptor durante el muestreo; determinar (714) un canal de frecuencia ocupado con mayor prioridad, el canal de frecuencia ocupado de mayor prioridad teniendo una probabilidad de selección inferior entre los canales de frecuencia ocupados; y sintonizar (716) el nodo receptor con el canal de frecuencia ocupado con mayor prioridad y recibir el resto del mensaje en el canal de frecuencia ocupado con mayor prioridad.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, comprendiendo la etapa adicional de repetir la etapa de muestreo.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa de muestreo se repite inmediatamente después de completar la etapa de muestreo inicial.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que la etapa de identificación comprende identificar al menos uno de los canales de frecuencia ocupados en el que se identificó una señal enviada por el nodo receptor en al menos

un número límite de las etapas de muestreo, siendo el número límite inferior a un número total de las etapas de muestreo.

12. Procedimiento según la reivindicación 8, comprendiendo las etapas adicionales de: repetir la etapa de seleccionar de forma aleatoria dicho canal de frecuencia respectivo para cada uno de los nodos emisores según la distribución de probabilidad;

reenviar de forma inalámbrica los mensajes no recibidos desde los nodos emisores al nodo receptor en los correspondientes canales de frecuencia seleccionados; y utilizar el nodo receptor para muestrear cada uno de los canales de frecuencia.

13. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que los mensajes se envían de forma inalámbrica substancialmente al mismo tiempo.

14. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que cada uno de los nodos emisores realiza independientemente la etapa de seleccionar de forma aleatoria dicho canal de frecuencia para él mismo.