Procedimiento para ajustar el funcionamiento de un nodo de enrutamiento de una red de comunicación inalámbrica asíncrona, nodo de red y red de comunicación que lo lleva a cabo.

Procedimiento para ajustar el funcionamiento de un nodo de enrutamiento (R3) de una red de comunicación inalámbrica asíncrona,

en el que dicho nodo de enrutamiento (R3) comprende un emisor-receptor de radio que tiene un funcionamiento intermitente, correspondiendo dicho funcionamiento intermitente a una secuencia periódica de un intervalo despierto (Rl) y un intervalo de latencia (Rs), en el que dicha red comprende una pluralidad de cúmulos (CL1, CL2,...), teniendo cada uno de dichos cúmulos (CL1, CL2,...) un nodo de cabeza de cúmulo (R3, R4,...), en el que un nodo de cabeza de cúmulo es un nodo de enrutamiento que recibe paquetes de datos transmitidos desde otros nodos del cúmulo, en el que cuando se intenta una transmisión dentro de un cúmulo se encuentra una probabilidad de canal ocupado (c), en el que cuando la transmisión dentro de un cúmulo se lleva a cabo se encuentra una probabilidad de comunicación de colisión (p), siendo transferido un paquete de datos dentro de un cúmulo con una probabilidad de exitosa de transferencia (Ψ) y con un retraso medio de transferencia (π), en el que el nodo de cabeza de cúmulo recibe de los otros nodos del cúmulo estimaciones de la probabilidad del canal ocupado, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

A) para el cúmulo (CL1) cuyo dicho nodo de enrutamiento (R3) es el nodo de cabeza de cúmulo, determinar el consumo de energía como una función de la probabilidad de canal ocupado (c), la probabilidad de comunicación de colisión (p), la duración del intervalo despierto (Rl) y la duración del intervalo de latencia (Rs) de dicho nodo de enrutamiento (R3),

B) para el cúmulo (CL1) cuyo dicho nodo de enrutamiento (R3) es el nodo de cabeza de cúmulo, determinar los valores de la duración del intervalo despierto (Rl) y la duración del intervalo de latencia (Rs) de dicho nodo de enrutamiento (R3) que reducen dicho consumo de energía bajo un umbral establecido, según unos valores predeterminados de la probabilidad de canal ocupado (c) y de la probabilidad de comunicación de colisión (p) y según una restricción predeterminada para la probabilidad de exitosa de transferencia (Ψ) y para el retraso medio de transferencia (π), y

C) ajustar la duración del intervalo despierto (Rl) y la duración del intervalo de latencia (Rs) de dicho nodo de enrutamiento (R3) a valores seleccionados entre dichos valores determinados en la etapa B.

Procedimiento para ajustar el funcionamiento de un nodo de enrutamiento de una red de comunicación inalámbrica asíncrona, nodo de red y red de comunicación que lo lleva a cabo.

SECTOR DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento para ajustar el funcionamiento de un nodo de enrutamiento de una red de comunicación inalámbrica asíncrona y a un nodo de red y una red de comunicación que lo lleva a cabo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las redes WPAN [Redes de área personal inalámbricas] son conocidas desde hace algunos años; una red PAN [Red de área personal] puede ser definida como una red de ordenadores para la comunicación entre los dispositivos que hay cerca de una persona; una red WPAN es una Red PAN que utiliza las tecnologías de comunicación inalámbricas de corto alcance.

Una tecnología de comunicación que se utiliza muy a menudo para la implementación de un Red WPAN es la tecnología ZigBee.

Una de las principales y recientes aplicaciones de redes WPAN son las redes WSN [Red de Sensores inalámbrica].

En una red WPAN los componentes clave son los nodos de la red, también llamados dispositivos. En general, una red WPAN puede comprender una mezcla de red y los dispositivos impulsados por los dispositivos de batería; los dispositivos alimentados por baterías están diseñados para limitar su consumo de energía para asegurar una larga vida útil de sus baterías. Proporcionar un uso eficiente de la energía en redes WSN es particularmente importante con el fin de lograr un despliegue a largo plazo de las aplicaciones ya que los nodos de la red de sensores no pueden ser fácilmente recargados o reemplazados cuando la energía de su batería ha terminado.

El componente de un nodo de una red WPAN, que es el principal responsable del consumo de energía es el emisor-receptor de radio (tanto cuando se transmite como cuando se recibe) , y la forma típica y eficaz de reducir el consumo de energía en una red WPAN asíncrona (una red en la que los nodos no tienen un reloj sincronizado y por lo tanto no transmiten y reciben de manera síncrona) es el uso de "ciclos de trabajo", es decir, permitiendo que el emisor-receptor de radio de los dispositivos operen intermitentemente durante cortos intervalos de tiempo, de esta manera, la funcionamiento de cada uno nodo es una secuencia periódica (tiempo de funcionamiento del emisorreceptor fijo) de un (corto) Intervalo despierto y un (largo) intervalo de latencia. Por supuesto, esto complica los protocolos de comunicación utilizados en las redes WPAN.

A partir de la técnica anterior, se conocen redes WSN asíncronas en las que todos (o casi todos) los nodos funcionan con baterías y por lo tanto, están diseñados para limitar el consumo de energía y protocolos MAC especiales en el que se usan para limitar el consumo de energía de los emisor-receptores de radio.

El artículo de J. Polastre y otros, "Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks", SenSys 2004, noviembre de 2004, describe en detalle uno de estos protocolos MAC llamados "B-MAC", basados en "muestreo de preámbulo". De acuerdo con este protocolo, cuando un nodo emisor tiene datos para transmitir, se transmite un preámbulo que dura por lo menos tanto como el período de intervalo de latencia del nodo receptor (esta duración se conoce como "la duración del preámbulo") ; cuando el nodo receptor despierta (esto sucede de acuerdo con un período denominado "intervalo de comprobación") , detecta el preámbulo y se mantiene despierto para recibir datos. En este artículo también menciona el uso de un conjunto de interfaces bidireccionales que permiten una aplicación para cambiar el "intervalo de comprobación" y la "longitud del preámbulo" con el fin de optimizar el consumo de energía, la latencia y el rendimiento y adaptarse a las condiciones cambiantes de la red.

El artículo de M. Buettner y otros, "X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor

Networks", SenSys 2006, noviembre de 2006, describe en detalle otro de esos protocolos MAC llamado "X-MAC", basado en el "muestreo de preámbulo" y una secuencia de preámbulos de longitud fija corta. De acuerdo con este protocolo, cuando un nodo de origen tiene que transmitir un paquete de información, su transmisor transmite una serie de preámbulos cortos y de longitud fija, cada uno relativo a la dirección del nodo de destino; las pequeña pausas entre preámbulos permiten que el receptor del nodo de destino se despierte (de acuerdo con su propio horario de funcionamiento interno) , para detectar el preámbulo y para enviar una confirmación que detiene la secuencia de preámbulos e indica la disponibilidad del nodo de destino para recibir datos; los receptores que no son de destino que oyen los preámbulos de forma estroboscópica pueden volver a la latencia de inmediato, en lugar de permanecer despiertos durante la recepción de datos.

Este artículo también describe un algoritmo adaptativo que puede ser utilizado para ajustar dinámicamente los parámetros de ciclo de servicio con el fin de optimizar el consumo de energía por paquete, la latencia o ambos. El artículo de Park y otros "Breath: A Self-Adapting Protocol for Wireless Sensor Networks in Control and Automation" SENSOR, MESH AND AD HOC COMMUNICATIONS AND NETWORKS, 2008. SECON ’08, de Junio de 2008 describe un problema de optimización restringido, para el cual la función objetivo es el consumo de energía de red de los nodos de cúmulo y considera aspectos de capa física tales como el control de potencia y los ciclos de trabajo (ciclos de escucha/ latencia)

Un enfoque diferente para reducir el consumo de energía se da a conocer en la patente de US 7.035.240; esta patente trata de un procedimiento y de la arquitectura de red para la implementación de una red eficiente energéticamente. La red incluye una pluralidad de nodos que recopilan y transmiten los datos que se enrutan en última instancia, a una estación base. Los nodos de la red forman un conjunto de grupos con un único nodo que actúa como un cúmulo de cabeza. El cúmulo de cabeza avisa a los nodos para que se unan a su cúmulo, programa la recolección de los datos dentro de un cúmulo, y luego transmite los datos a la estación base. Un clúster puede combinar inteligentemente los datos de los nodos individuales. Después de un período de funcionamiento, los cúmulos se reforman con un conjunto diferente de nodos que actúan como cabezas de cúmulo. La red proporciona un aumento de la vida útil del sistema mediante el equilibrio de la utilización de la energía de los nodos individuales.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El solicitante ha considerado que en redes de comunicaciones inalámbricas asíncronas, especialmente en redes WPAN / WSN, hay una necesidad de una mejor optimización del consumo de energía de los nodos de la red con respecto a los protocolos conocidos por las siguientes razones.

La solución conocida por la patente US7.035.240 se basa en un enfoque de alto nivel que requiere el equilibrio de carga y la agregación de datos en los nodos del clúster de cabeza de la red y proporciona una red síncrona dentro de cada cúmulo de la red basada en una programación TDMA [Acceso Múltiple de División de Tiempo].

Las soluciones conocidas a partir de los dos artículos mencionados anteriormente no tienen en cuenta el efecto de acceso aleatorio que es una función del tráfico de datos, los parámetros de MAC y la topología de la red y que es responsable de una gran parte del consumo de energía, en otras palabras, el modelo de consumo de energía es demasiado simplificado y no puede dar lugar a una verdadera reducción al mínimo.

La presente invención tiene por objeto mejorar las soluciones del estado de la técnica.

En particular, la presente invención aborda el problema de minimizar el consumo de energía en una red de comunicación inalámbrica de ciclo de trabajo asíncrono.

La idea básica detrás de la presente invención es el uso de un modelo de consumo de energía que tiene en cuenta el efecto de acceso aleatorio; de todos modos, con el fin de simplificar el modelo, la red se divide en una pluralidad de cúmulos de manera que cada uno de dichos cúmulos comprende un nodo de cúmulo de cabeza, a los efectos de esta división, un nodo de cúmulo de cabeza es un nodo de enrutamiento que se considera que sólo recibe los paquetes de datos de los otros nodos del cúmulo y los otros nodos del cúmulo son considerados nodos que sólo transmiten de paquetes de datos al nodo de cabeza de cúmulo -esto significa que de acuerdo con esta partición los cúmulos pueden superponerse parcialmente.

Con el fin de construir el modelo, el solicitante... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para ajustar el funcionamiento de un nodo de enrutamiento (R3) de una red de comunicación inalámbrica asíncrona, en el que dicho nodo de enrutamiento (R3) comprende un emisor-receptor de radio que tiene un funcionamiento intermitente, correspondiendo dicho funcionamiento intermitente a una secuencia periódica de un intervalo despierto (Rl) y un intervalo de latencia (Rs) , en el que dicha red comprende una pluralidad de cúmulos (CL1, CL2, ...) , teniendo cada uno de dichos cúmulos (CL1, CL2, ...) un nodo de cabeza de cúmulo (R3, R4, ...) , en el que un nodo de cabeza de cúmulo es un nodo de enrutamiento que recibe paquetes de datos transmitidos desde otros nodos del cúmulo, en el que cuando se intenta una transmisión dentro de un cúmulo se encuentra una probabilidad de canal ocupado (c) , en el que cuando la transmisión dentro de un cúmulo se lleva a cabo se encuentra una probabilidad de comunicación de colisión (p) , siendo transferido un paquete de datos dentro de un cúmulo con una probabilidad de exitosa de transferencia (') y con un retraso medio de transferencia (, ) , en el que el nodo de cabeza de cúmulo recibe de los otros nodos del cúmulo estimaciones de la probabilidad del canal ocupado, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

A) para el cúmulo (CL1) cuyo dicho nodo de enrutamiento (R3) es el nodo de cabeza de cúmulo, determinar el consumo de energía como una función de la probabilidad de canal ocupado (c) , la probabilidad de comunicación de colisión (p) , la duración del intervalo despierto (Rl) y la duración del intervalo de latencia (Rs) de dicho nodo de enrutamiento (R3) ,

B) para el cúmulo (CL1) cuyo dicho nodo de enrutamiento (R3) es el nodo de cabeza de cúmulo, determinar los valores de la duración del intervalo despierto (Rl) y la duración del intervalo de latencia (Rs) de dicho nodo de enrutamiento (R3) que reducen dicho consumo de energía bajo un umbral establecido, según unos valores predeterminados de la probabilidad de canal ocupado (c) y de la probabilidad de comunicación de colisión (p) y según una restricción predeterminada para la probabilidad de exitosa de transferencia (') y para el retraso medio de transferencia (, ) , y

C) ajustar la duración del intervalo despierto (Rl) y la duración del intervalo de latencia (Rs) de dicho nodo de enrutamiento (R3) a valores seleccionados entre dichos valores determinados en la etapa B.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el cúmulo (CL1) cuyo dicho nodo de enrutamiento (R3) es el nodo de cabeza de cúmulo comprende un número (N) de nodos y los nodos de dicho cúmulo (CL1) transmiten paquetes de datos según una velocidad media de generación de paquete de datos (I) , y en el que, en la etapa A, el consumo de energía se determina como una función también de dicho número de nodos (N) y de dicha velocidad media de generación de paquete de datos (I) .

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho nodo de enrutamiento (R3) determina de forma repetida la probabilidad de canal ocupado (c) y utiliza esta probabilidad determinada para llevar a cabo de forma repetida etapa B.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que dicho nodo de enrutamiento (R3) determina la probabilidad de canal ocupado (c) mediante la recepción de estimaciones de la probabilidad de canal ocupado realizadas por los otros nodos (R2, E4, E5, R4) de dicho cúmulo (CL1) y mediante el cálculo de un promedio o el máximo de las estimaciones recibidas.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho nodo de enrutamiento (R3) determina de forma repetida la probabilidad de comunicación de colisión (p) realizando estimaciones y utiliza esta probabilidad determinada para llevar a cabo de forma repetida la etapa B.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la determinación de etapa B se lleva a cabo por dicho nodo de enrutamiento (R3) a partir de una tabla (TBL) de valores almacenados internamente.

7. Procedimiento según las reivindicaciones 2 y 6, en el que dicha tabla (TBL) contiene una pluralidad de conjuntos de valores de la duración del intervalo despierto (Rl) y la duración del intervalo de latencia (Rs) , para diferentes valores del número de nodos (N) , la velocidad media de generación de paquete de datos (I) , la probabilidad de canal ocupado (c) , la probabilidad de comunicación de colisión (p) , la probabilidad de exito de transferencia (') , y el retraso medio de transferencia (, ) .

8. Nodo de una red de comunicación inalámbrica asíncrona que comprende un emisor-receptor de radio que tiene un funcionamiento intermitente, correspondiendo dicho funcionamiento intermitente a una secuencia periódica de un intervalo despierto y un intervalo de latencia, empleándose dicho emisor-receptor de radio al menos para recibir paquetes de datos, en el que su funcionamiento se establece según el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Red de comunicación inalámbrica asíncrona que comprende uno o más nodos de enrutamiento según la reivindicación 8.

10. Red de comunicación inalámbrica asíncrona según la reivindicación 9, en el que todos los nodos de enrutamiento son según la reivindicación 8.