Procedimiento para transmitir un paquete de información en una red de comunicaciones inalámbrica asíncrona y nodo de red que lo implementa.

Procedimiento para transmitir un paquete de información, que comprende una sección de preámbulo,

desde un primer nodo (N1) a un segundo nodo (N2) en una red de comunicaciones inalámbrica asíncrona, en el que dichos nodos utilizan señales de reloj respectivas para sincronizar su funcionamiento, en el que al menos dicho segundo nodo (N2) comprende un emisor receptor de radio que tiene un funcionamiento intermitente, correspondiendo dicho funcionamiento intermitente a una secuencia periódica de intervalos despiertos y intervalos de latencia, en el que cuando dicho paquete de información está listo para ser transmitido por dicho primer nodo (N1):

- dicho primer nodo (N1) estima un tiempo de inicio de un intervalo despierto de dicho segundo nodo (N2) mediante al menos una transmisión previa de un paquete de información desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2),

- dicho primer nodo (N1) determina un tiempo de transmisión basado al menos en dicho tiempo de inicio estimado, y

- dicho primer nodo (N1) inicia la transmisión de dicho paquete de información a dicho segundo nodo (N2) en dicho tiempo de transmisión determinado;

caracterizado por el hecho de que dicho primer nodo (N1) estima dicho tiempo de inicio basado en al menos información de desplazamiento temporal e información de deriva de reloj transmitida desde dicho segundo nodo (N2) a dicho primer nodo (N1) en el momento de dicha al menos una transmisión previa, en el que dicha información de desplazamiento temporal corresponde a una primera duración del intervalo entre la recepción de la sección de preámbulo del paquete de información transmitida desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) y el inicio del intervalo despierto de dicho segundo nodo (N2) que precede a dicha recepción, siendo dicha primera duración medida por dicho segundo nodo (N2), y en el que dicha información de deriva de reloj (C) corresponde a una segunda duración de un segundo intervalo entre instantes despiertos consecutivos presentados por dicho segundo nodo (N2), siendo dicho segundo intervalo conocido por dicho primer nodo (N1) y por dicho segundo nodo (N2), siendo dicha segunda duración medida o estimada por dicho segundo nodo (N2).

Procedimiento para transmitir un paquete de información en una red de comunicaciones inalámbrica asíncrona y nodo de red que lo implementa.

SECTOR DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento para transmitir un paquete de información desde un primer nodo a un segundo nodo en una red de comunicaciones inalámbrica asíncrona y a un nodo de red que lo implementa.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las WPAN [Redes de área personal inalámbricas] se conocen desde hace algunos años; una red PAN [red de área personal] se puede definir como una red de ordenadores para la comunicación entre los dispositivos cercanos a una sola persona; una red WPAN es una red PAN que utiliza tecnologías de comunicación inalámbricas de corto alcance.

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

Una de los principales y recientes aplicaciones de las redes WPAN son las redes WSN [Wireless Sensor Network].

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 dispositivos alimentados por red y dispositivos alimentados con batería; los dispositivos alimentados con batería están diseñados para limitar su consumo de energía para asegurar una larga vida a 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 sensores no pueden ser fácilmente recargados o reemplazados cuando la energía de su batería se 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 transmite como cuando recibe) ; La manera típica 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 forma sincrónica) es el uso del "ciclo de trabajo", es decir, permitir que el emisor receptor de radio de los dispositivos funcione de forma intermitente durante cortos intervalos de tiempo; de esta manera, el funcionamiento de cada nodo es una secuencia periódica (periodo de funcionamiento de emisor receptor fijado) de intervalos despiertos (cortos) e intervalos de latencia (largos) . Por supuesto, esto complica los protocolos de comunicación utilizados en las redes WPAN.

De la técnica anterior, también 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 en el que se utilizan protocolos MAC especiales para limitar el consumo de energía de los emisores receptores de radio.

El artículo de M. Buetter et al, "X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks", SenSys 2006, 1-3 November 2006, Boulder, Colorado, USA, describe en detalle uno de estos protocolos MAC llamado "X-MAC" basado en un preámbulo de longitud fija. De acuerdo con este protocolo, cuando un nodo fuente tiene que transmitir un paquete de información, su transmisor transmite una serie de preámbulos cortos y de longitud fija, conteniendo cada uno la dirección del nodo de destino; unas pequeñas pausas entre preámbulos permiten que el receptor del nodo de destino se despierte (de acuerdo con su propio horario de funcionamiento interno) y que envíe una confirmación que detiene la secuencia de preámbulos y que señale la disponibilidad del nodo de destino para recibir los datos, es decir, la carga útil del paquete de información; unos receptores que no son de destino que oyen por casualidad los preámbulos estroboscópicos pueden volverse a dormir de inmediato, en lugar de permanecer despiertos durante la recepción de datos.

El artículo de A. El-Hoiydi y J. Decotignie, "WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for Multi-hop Wireless Sensor Networks", en Actas del Primer Taller Internacional sobre Aspectos algorítmicos de Redes Inalámbricas de Sensores, Lecture Notes in Computer Science, LNCS 3121, pp.18-31, Springer-Verlag, Julio 2004, describe en detalle otro de esos protocolos MAC llamados "WiseMAC", basado en un preámbulo de longitud variable. De acuerdo con este protocolo, se aprende primero el horario de funcionamiento de los vecinos directos de un nodo y después se utiliza para reducir al mínimo el tamaño de un preámbulo de longitud variable de un paquete de información a transmitir; los reconocimientos no sólo son utilizados para indicar la recepción de un paquete de datos por un nodo de destino, sino también para informar al nodo de origen del tiempo restante hasta su siguiente momento de despertar; de esta manera, un nodo puede mantener una tabla de desplazamientos de tiempo programados de todos sus destinos habituales hasta el momento; utilizando esta información, un nodo puede transmitir un paquete de información justo en el momento adecuado, con un preámbulo de tamaño mínimo.

Según este artículo, la duración del preámbulo debe cubrir la deriva potencial de reloj entre los relojes en el nodo fuente y en el nodo destino; esta deriva es proporcional al tiempo transcurrido desde que el último reconocimiento fue recibido por el nodo fuente, es decir, desde la última transmisión desde el nodo fuente al nodo de destino; la donde e es la tolerancia de la frecuencia del cuarzo utilizado para la generación de las señales de reloj en el nodos, L es el tiempo intervalo entre transmisiones, TW es el período fijo de la programación de los nodos de la red y "min" es una función que determina el "mínimo".

El artículo de Y.S. Hong y J. H. No, "Time Synchronización in Wireless Sensor Network Applications", Lecture Notes in Computer Science, 2007, Volumen 4761/2007, páginas 429-435, describe un algoritmo de sincronización temporal para redes de sensores que tiene la finalidad de reducir las energías de cálculo y de comunicación consumidas por el algoritmo. El algoritmo utiliza el sellado temporal por capas MAC y estima la tasa de deriva de reloj y el desplazamiento con la finalidad de obtener un rendimiento de alta precisión. Funciona en dos etapas: en la primera etapa, se construye un árbol de expansión en la red de sensores; en la segunda etapa, todos los nodos de la red sincronizan sus relojes con sus nodos ascendentes.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El solicitante ha considerado que en redes de comunicaciones inalámbricas, especialmente en redes WPAN / WSN, hay una necesidad de disminuir aún más el consumo de energía de los nodos de red con respecto a protocolos conocidos, al menos, por las siguientes razones.

En el caso del presente X-MAC, generalmente se necesita transmitir un número de preámbulos de longitud fija, de hecho, con el fin de ahorrar energía el período de funcionamiento del emisor receptor debería ser bastante largo (por ejemplo, de algunos segundos) y el intervalo despierto debería ser muy corto (por ejemplo, de algunos milisegundos) , pero cuanto mayor es el período mayor es el número de preámbulos que se deben transmitir antes de que el nodo se despierte y detecte un preámbulo y por lo tanto un paquete de información dirigido a él.

En el caso de WiseMAC, en general es necesario transmitir un preámbulo de longitud variable largo; de hecho, con la finalidad de ahorrar energía el periodo de funcionamiento de emisor receptor debería ser bastante largo (por ejemplo, de algunos segundos) y el intervalo despierto debería ser muy corto (por ejemplo, de algunos milisegundos) , y en estas redes de comunicación inalámbricas (especialmente en redes WSN) las transmisiones de paquetes de información entre dos nodos are no son muy frecuentes y los cuarzos no son muy precisos, por lo tanto, la duración requerida del preámbulo (TP en la fórmula anterior) es bastante largo y tiende a estar cerca del periodo de funcionamiento de emisor receptor (TW en la fórmula anterior) .

Además, el solicitante ha considerado que un protocolo basado en los preámbulos de longitud fija es preferible, ya que permite una mejor organización de las aplicaciones de comunicaciones de acuerdo con capas jerárquicas. De hecho, si se va a gestionar un preámbulo de longitud variable, los flujos de bits en bruto recibidos y transmitidos, es decir, datos de bajo nivel, deben ser conocidos y controlados por los primitivas de alto nivel con el fin de ser capaces de detectar el preámbulo durante su transmisión (lado del receptor) y para interrumpir la transmisión del preámbulo cuando sea necesario (lado del transmisor) .

Por lo tanto, el problema técnico general que hay detrás de la presente invención es el de reducir... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para transmitir un paquete de información, que comprende una sección de preámbulo, desde un primer nodo (N1) a un segundo nodo (N2) en una red de comunicaciones inalámbrica asíncrona, en el que dichos nodos utilizan señales de reloj respectivas para sincronizar su funcionamiento, en el que al menos dicho segundo nodo (N2) comprende un emisor receptor de radio que tiene un funcionamiento intermitente, correspondiendo dicho funcionamiento intermitente a una secuencia periódica de intervalos despiertos y intervalos de latencia, en el que cuando dicho paquete de información está listo para ser transmitido por dicho primer nodo (N1) :

- dicho primer nodo (N1) estima un tiempo de inicio de un intervalo despierto de dicho segundo nodo (N2) mediante al menos una transmisión previa de un paquete de información desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) ,

- dicho primer nodo (N1) determina un tiempo de transmisión basado al menos en dicho tiempo de inicio estimado, y

- dicho primer nodo (N1) inicia la transmisión de dicho paquete de información a dicho segundo nodo (N2) en dicho tiempo de transmisión determinado;

caracterizado por el hecho de que dicho primer nodo (N1) estima dicho tiempo de inicio basado en al menos información de desplazamiento temporal e información de deriva de reloj transmitida desde dicho segundo nodo (N2) a dicho primer nodo (N1) en el momento de dicha al menos una transmisión previa, en el que dicha información de desplazamiento temporal corresponde a una primera duración del intervalo entre la recepción de la sección de preámbulo del paquete de información transmitida desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) y el inicio del intervalo despierto de dicho segundo nodo (N2) que precede a dicha recepción, siendo dicha primera duración medida por dicho segundo nodo (N2) , y en el que dicha información de deriva de reloj (C) corresponde a una segunda duración de un segundo intervalo entre instantes despiertos consecutivos presentados por dicho segundo nodo (N2) , siendo dicho segundo intervalo conocido por dicho primer nodo (N1) y por dicho segundo nodo (N2) , siendo dicha segunda duración medida o estimada por dicho segundo nodo (N2) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que, en los momentos de transmisiones de paquetes de información desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) , dicho primer nodo (N1) recibe desde dicho segundo nodo (N2) al menos dicha información de desplazamiento temporal y dicha información de deriva de reloj, y en el que dicho primer nodo (N1) estima dicho tiempo de inicio mediante un número de transmisiones previas de paquetes de información desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) , y basado al menos en dicha información de desplazamiento temporal e información de deriva de reloj recibidas.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho tiempo de inicio se calcula añadiendo un tiempo relativo a una transmisión previa de un paquete de información a dicho segundo nodo (N2) a un error de desplazamiento de tiempo y al producto de un error de deriva de reloj (C) por el periodo (P) relativa a dicha secuencia periódica de dicho primer nodo (N2) y por un número entero (N) , en el que dicho número entero (N) se escoge de modo que dicho tiempo de inicio es ulterior al tiempo actual.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho tiempo de transmisión también está basado en un adelanto de tiempo que tiene en cuenta la confianza en las estimaciones.

5. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que dicho primer nodo (N1) estima dicho tiempo de inicio mediante las transmisiones previas más recientes.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que, en los momentos de transmisiones de paquetes de información desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) , dicho primer nodo (N1) recibe desde dicho segundo nodo (N2) al menos dicha información de desplazamiento temporal y dicha información de deriva de reloj y almacena dicha información recibida o información derivada de esta.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que, en los momentos de transmisiones de paquetes de información desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) , dicho primer nodo (N1) recibe desde dicho segundo nodo (N2) y también almacena información de periodo (P) relativa a dicha secuencia periódica de dicho segundo nodo (N2) , y en el que dicho primer nodo (N1) estima dicho tiempo de inicio basándose también en dicha información de periodo almacenada (P) .

8. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha segunda duración también es medida o estimada por dicho primer nodo (N1) , y en el que la deriva de reloj (C) es proporcional al ratio entre la medida o estimación de dicha segunda duración por dicho primer nodo (N1) y la medida o estimación de dicha segunda duración por dicho segundo nodo (N2) .

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que dicha deriva de reloj (C) es proporcional al valor promedio de ratios correspondiente a las segundas duraciones diferentes.

10. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha información de deriva de reloj corresponde a la duración del intervalo entre el inicio de un primer intervalo despierto de dicho segundo nodo (N2) durante el cual un paquete de información es recibido por dicho segundo nodo (N2) desde dicho primer nodo (N1) y el inicio de un segundo intervalo despierto de dicho segundo nodo (N2) durante el cual un paquete de información siguiente es recibido por dicho segundo nodo (N2) desde dicho primer nodo (N1) .

11. Nodo de red (N1) para una red de comunicaciones inalámbrica asíncrona que comprende un sincronizador (TM) que genera una señal de reloj (CLK) para sincronizar su funcionamiento y para medir el tiempo, caracterizado por el hecho de que comprende un emisor receptor (RTX) adaptado para recibir desde otro nodo de red (N2) al menos información de desplazamiento temporal e información de deriva de reloj relativo a dicho otro nodo de red (N2) , una memoria (MEM) adaptada para almacenar al menos dicha información recibida o información derivada de esta, y una unidad de control y procesamiento (CPU) conectada a dicho sincronizador (TM) y a dicha memoria (MEM) con la finalidad de determinar el tiempo de transmisión de paquetes de información a dicho otro nodo de red (N2) a partir de dicha información almacenada, en el que cualquier paquete de información comprende una sección de preámbulo, en el que dicha información de desplazamiento temporal corresponde a una primera duración del intervalo entre la recepción de la sección de preámbulo del paquete de información transmitida desde dicho primer nodo (N1) a dicho segundo nodo (N2) y el inicio del intervalo despierto de dicho segundo nodo (N2) que precede a dicha recepción, siendo dicha primera duración medida por dicho segundo nodo (N2) , y en el que dicha información de deriva de reloj (C) corresponde a una segunda duración de un segundo intervalo entre instantes despiertos consecutivos presentados por dicho segundo nodo (N2) , siendo dicho segundo intervalo conocido por dicho primer nodo (N1) y por dicho segundo nodo (N2) , siendo dicha segunda duración medida o estimada por dicho segundo nodo (N2) .

12. Nodo de red (N1) según la reivindicación 11, en el que dicha memoria (MEM) está adaptada para almacenar información de desplazamiento temporal e información de deriva de reloj e información de periodo (P) o información derivada de esta relativo a dicho otro nodo de red (N2) recibida desde dicho otro nodo de red (N2) .

13. Nodo de red (N1) según la reivindicación 11 o la 12, en el que dicha memoria (TAB) está adaptada para almacenar información de sincronización relativa a uno o más nodos vecinos (N2, N3, N4) a utilizar para la transmisión de paquetes de información respectivamente a dichos uno o más nodos vecinos (N2, N3, N4) .

14. Nodo de red (N1) según la reivindicación 11, en el que dicha unidad de control y procesamiento (CPU) está programada para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

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