CZ2010873A3

CZ2010873A3 - Zpusob vytvorení funkcního usporádání obecné bezdrátové mesh síte komunikacních zarízení s paketovým prenosem zpráv a zpusob smerování paketového prenosu zpráv v takto vytvorené síti

Info

Publication number: CZ2010873A3
Application number: CZ20100873A
Authority: CZ
Inventors: Šulc@Vladimír
Original assignee: Microrisc S. R. O.
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-06-06
Also published as: US20160128063A1; US9179498B2; US20140160986A1; CZ305446B6; US9743404B2; US8681656B2; EP2458825A1; EP2458825B1; US20120163234A1

Abstract

Zpusob se týká vytvorení funkcního usporádání obecné bezdrátové mesh síte komunikacních zarízení s paketovým prenosem zpráv, zejména v bezdrátových sítích urcených pro telemetrii a automatizaci, která zahrnuje alespon jedno rídící komunikacní zarízení (C) a množinu jemu podrízených komunikacních zarízení (N). Rídícím komunikacním zarízením (C) se mesh sít prohledává tak, že každému postupne nalezenému podrízenému komunikacnímu zarízení (N) se prideluje a ukládá do jeho pameti v síti jedinecné virtuální smerovací císlo (VRN), vyjadrující vzdálenost tohoto podrízeného komunikacního zarízení (N) od rídícího komunikacního zarízení (C), danou poctem smerování, pricemž každému podrízenému komunikacnímu zarízení (N) se prideluje casový slot, ve kterém je aktivní pro další smerování paketu zpráv v mesh síti, tak, že tento slot se urcuje podle rozdílu mezi virtuálním smerovacím císlem (VRN) odpovídajícího prijímacího komunikacního zarízení (N) a virtuálním smerovacím císlem (VRN) odesílatele paketu zpráv, se kterým bylo navázáno spojení. Zpusob smerování paketového prenosu zpráv v obecné bezdrátové mesh síti, který je založený na postupném zaplavení celé virtuální smerovací struktury a využívá vícenásobný prístup s casovým delením, kde každým komunikacním zarízením (N), které je soucástí virtuální smerovací struktury, se urcí casový slot v rámci vyhrazený tomuto zarízení na základe predchozího prijetí paketu, obsahujícího virtuální smerovací císlo (VRN) odesílatele, z rozdílu mezi svým virtuálním smerovacím císlem a virtuálním smerovacím císlem odesílatele.

Description

Způsob vytvoření funkčního uspořádání obecné bezdrátové mesh sítě komunikačních zařízení s paketovým přenosem zpráv a způsob směrování paketového přenosu zpráv v takto vytvořené síti.

Oblast techniky

Předložený vynález se týká způsobu vytvoření funkčního uspořádání obecné bezdrátové mesh sítě komunikačních zařízení s paketovým přenosem zpráv, zejména v bezdrátových sítích určených pro telemetrii a automatizaci, a způsob směrování paketového přenosu zpráv v takto vytvořené síti.

Dosavadní stav techniky

V bezdrátových mesh sítích komunikačních zařízeni jsou zprávy posílány po menších částech, označovaných jako pakety. Pakety v sobě nesou informaci o svém adresátovi a jsou v obecné mesh síti přeposílány od odesílatele postupně z jednoho zařízení na další až k adresátovi. Definování cesty, tedy určováni, přes která zařízení budou pakety přeposílány, se označuje jako směrování nebo routování. Cílem směrování je zabezpečit co možná nejspolehlivějši a nerychlejší doručení paketu od odesílatele k adresátovi.

Mesh síť je nejobecnější síťová topologie, ve které může být obecně mezi libovolnými dvěma zařízeními zapojenými v této síti navázáno spojení, to znamená, že tato zařízení mohou spolu navzájem komunikovat a předávat si zprávy. Mesh síť, kde mezi každými dvěma zařízeními této sítě může být navázáno spojeni, se nazývá jako plně propojená mesh síť, v praxi se ovšem podstatně častěji řeší případy, kdy pouze některá zařízení jsou navzájem propojená a mohou spolu navázat spojení. Nejsnáze lze obecnou mesh síť a směrování ilustrovat na přikladu měst, která jsou navzájem propojena silniční sítí a směrování jako jízdu vozidla vezoucí náklad (paket) z města odesílatele zásilky k jejímu adresátovi. Vozidlo jede postupně od jednoho města k dalšímu a využívá danou silniční síť. Jednotlivé silnice propojující města představují spojení mezi nimi. Celá cesta z počátečního do koncového bodu je tak rozdělena na jednotlivé silnice, které v případě obecných sítí nazýváme spojeními. V uvedeném příkladu existuje mnoho různých cest, kterými může vozidlo dopravit zásilku mezi městem odesílatele a městem příjemce, podobné v reálných bezdrátových mesh sítích může existovat mnoho různých cest, kterými může být paket směrován od odesílatele k příjemci.

Protože v obecné mesh síti může nebo nemusí být mezi libovolnýma dvěma zařízeními spojení, bude vždy počet celkových možných spojení v síti zahrnující n zařízení menší nebo roven číslu N_max danému vztahem N_max = n * ( n -1 ) / 2. V konkrétním ilustračním příkladě s městy se jedná o maximální počet silnic zahrnutých v silniční síti mezi n městy.

V bezdrátové mesh síti spolu zařízení komunikuji bezdrátově, obvykle v oblasti radiových vln. Spojení mezi dvěma komunikujícími zařízeními je tak obvykle limitováno dosahem těchto zařízení, příliš vzdálená zařízení spolu nemohou navzájem navázat spojeni. Protože v obecné bezdrátové mesh síti není obvykle dopředu známo, jak jsou navzájem vzdálena jednotlivá zařízení a není proto zřejmé, která zařízení mohou spojení navázat, je směrováni, tedy nalezení cesty mezi zařízením odesílajícím paket a adresátem paketu, relativně složitý algoritmický problém, především vzhledem k počtu možných cest, jako kombinací různých spojení.

V praxi se pro komunikaci v mesh sítích využívají různé metody směrování. Jako příklad lze uvést směrování založené na směrovacích tabulkách, často využívané ve výpočetní technice, zaplavování nebo náhodné směrování. Směrováni založené na sdílení a distribuci směrovacích tabulek nebo vektorů je jedním z nejoptimálnějších z pohledu efektivity doručení paketu, ovšem příliš náročné na paměť řídicího procesoru nebo mikrořadiče komunikačních zařízení, zvláště v případě rozlehlých sítí s mnoha zařízeními. Zaplavování neuspořádané sítě založené na distribuci paketu postupně do celé sítě je řešení, které je vhodné pro spolehlivé doručeni paketu, ovšem z hlediska optimalizace a vzhledem ke specifikům bezdrátových síti s obvykle pomalými datovými přenosy a problémům se sdílením média (konflikty přístupu k médiu a jejich řešení) by znamenalo v uvedeném ilustračním přikladu projet vozidlem celou silniční síť. Náhodné směrování je využívané ve výpočetní technice například při zahlcení směrovače a může snížit ztrátovost paketů, ovšem například pro bezdrátové mesh sítě pro telemetrii je zcela nevhodné vzhledem k nízké spolehlivosti.

Na rozdíl od propojených systémů, kde jednotlivá zařízení mohou mít mezi sebou dedikované spojení, je specifikem bezdrátových mesh sítí sdílení komunikačního spektra. Nevhodné využívání komunikačního spektra a nepoužíváni pravidel pro komunikaci by vedlo ke kolizím jednotlivých komunikačních spojení a nebylo by možné efektivně komunikovat. Na ilustračním případě se silniční sítí mezi městy by to znamenalo, že by bez definování pravidel, kdo má přednost či po jaké straně silnice se má jezdit, vznikl chaos, došlo by ke kolizím a mnohé ze silnic by se staly neprůjezdné.

Pro komunikaci v bezdrátových sítích se proto používají různé techniky zabraňující kolizním stavům. Nejpoužívanějšími metodami je definování pravidel KDY které zařízení může vysílat (tzv. časový multiplex nebo též vícenásobný přístup s časovým dělením, z anglického Time Division Multiple Access - TDMA) a také KDE které zařízení může vysílat, tedy, na kterých frekvencích (většinou specifikované kanálem) může to které komunikační zařízení vysílat. V praxi se využívají také další techniky pro přístup k médiu / spektru. Z mnoha technik lze zmínit například CSMA, CDMA, TDMA nebo TMPS.

Pro svou implementační jednoduchost a spolehlivost se v praxi pro zamezení kolizím při vysílání velice často používá technika TDMA, která je založena na tom, že v daném časovém intervalu, označovaném jako časový slot, může vysílat vždy pouze jedno konkrétní zařízení. Skupina časových slotů příslušejících různým účastníkům se nazývá rámec. Na ilustračním příkladě se silniční sítí lze nejsnadněji demonstrovat tento přistup jako využití semaforu, který omezuje provoz na sdílené křižovatce v časově ohraničených intervalech.

Protože většina dnešních RF obvodů umožňuje přijímat a vysílat na více frekvencích, využívá mnoho systémů také frekvenční skákání (FHSS - Frequency Hoppping Spread Spectrum), kdy jsou buď jednotlivé bity, mnohem častěji však skupiny bitů, přenášeny na různých frekvencích. V praxi to znamená, že mohou být přenášeny současně v čase, protože se vzájemně neruší. Tento způsob komunikace lze ilustrovat na zvoleném případě jako víceproudou silnici mezi městy, kdy po silnici může jet zároveň několik vozidel současně.

Jak již bylo zmíněno, může být v obecné mesh síti s n komunikačními zařízeními navázáno až N_max spojení mezi komunikačními zařízeními, přičemž N_max = n * ( n -1 ) / 2, kde n je počet komunikačních zařízení v síti. Protože topologie obecné bezdrátové mesh sítě není dopředu známa, znamenalo by to v mezním případě aplikace bezkolizního zaplavení pomocí TDMA dedikovat až N_max časových slotů pro jednotlivá směrování pro zaručení spolehlivého doručení paketu. To by ovšem bylo značně neefektivní z časového hlediska. Například pro běžně používané rychlosti 19.2 kbit/s a přenos jednoho krátkého paketu se 24 B dat v síti se 100 komunikačními zařízeními by jeden rámec mohl trvat až 50s.

Bezdrátové mesh sítě začínají být dnes stále více využívány pro telemetrii a automatizaci, ale také pro mnoho dalších aplikací. Lze zmínit například oblast dálkového odečtu měřících zařízeni, řízeni veřejného osvětlení nebo monitoring distribuce. V těchto případech se jedná o sítě se stovkami či tisíci zařízeními, je proto obrovský tlak na cenu komunikačních zařízení, ale také na zajištění spolehlivého a rychlého doručování zpráv. Vytvořeni funkčního uspořádání bezdrátové sítě využívající paketový přenos a sestávající z desítek, stovek či tisíců zařízení je vzhledem k obrovskému počtu možných uspořádání takové sítě algoritmicky nesmírně náročný proces Především pro sítě sestávající z komunikačních zařízení s omezenými hardwarovými zdroji (programová a datová paměť) a komunikující malými rychlostmi se dále komplikuje, zvláště v případě mnohonásobných směrování, tedy při předávání zpráv z jednoho zařízení na další.

Různé techniky uspořádání bezdrátových mesh sítí a směrovací algoritmy jsou předmětem vědeckého bádání, jako příklad lze uvést příspěvky na konferenci MESH, jejíž poslední ročník v roce 2010 se konal v Benátkách (http://www.iaria.org/conferences2010/MESH10.html).

Na komerčním trhu též existují pokusy vytvořit protokoly podporující bezdrátové mesh sítě. Jako příklad lze uvést Zigbee (http://www.zigbee.org), implementující standard IEEE 802.15.4 nebo SmartMesh technologii firmy Dust Networks (http://www.dustnetworks.com) postavenou na vlastním proprietárním řešení. Náročnost na zdroje procesoru, především vysoké nároky na programovou a datovou paměť mikrořadiče, vedla k mnoha pokusům omezit počet podporovaných zařízení v síti a počet směrování a tím do značné míry zjednodušit vlastní realizaci. Jako příklad takových technologií lze uvést MiWi (http://www.microchip.com/miwi), založenou opět na standardu IEEE 802.15.4, ovšem omezující počet směrování na 4. Důvodem vysokých nároků na paměť je především fakt, že většina technologii využívá pro směrování směrovací tabulky. Jejich velikost je úměrná počtu podporovaných zařízení a počtu možných směrování v bezdrátové mesh síti.

Malý počet možných směrování, omezený počet komunikačních zařízení v jedné síti, nízká efektivita kolizních algoritmů, stejně jako vysoké nároky na používaný hardware, diskvalifikuji mnohá řešení pro použití v rozlehlých aplikacích vyžadujících stovky či tisíce komunikačních zařízení zapojených v obecné bezdrátové mesh síti.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob vytvoření funkčního uspořádání obecné bezdrátové mesh sítě komunikačních zařízení s paketovým přenosem zpráv, zejména v , bezdrátových sítích určených pro telemetrii a automatizaci, která zahrnuje alespoň jedno řídící komunikační zařízeni a množinu jemu podřízených komunikačních zařízení. Podstata vynálezu spočívá v tom, že řídícím komunikačním zařízením se mesh síť prohledává tak, že každému postupně nalezenému podřízenému komunikačnímu zařízeni se přiděluje a ukládá do jeho paměti v síti jedinečné virtuální směrovací číslo, vyjadřující vzdálenost tohoto podřízeného komunikačního zařízení od řídicího komunikačního zařízení, danou počtem směrování, přičemž každému podřízenému komunikačnímu zařízení se přiděluje časový slot, ve kterém je aktivní pro další směrování paketů zpráv v mesh síti, tak, že tento slot se určuje podle rozdílu mezi virtuálním směrovacím číslem odpovídajícího přijímacího komunikačního zařízení a virtuálním směrovacím číslem odesílatele paketu zpráv, se kterým bylo navázáno spojení.

Podle analýzy prohledávání mesh sítě řídícím komunikačním zařízením se může v další modifikaci tohoto vynálezu určovat pořadí přidělení virtuálních směrovacích čísel jednotlivým podřízeným komunikačním zařízením a jejich zařazení do směrovací struktury v mesh síti nebo jejich vyřazení z této struktury. Přiřazeni virtuálních směrovacích čísel jednotlivým podřízeným komunikačním zařízením se rovněž může ukládat do paměti řídícího komunikačního zařízení. V každém podřízeném komunikačním zařízení s přiděleným virtuálním směrovacím číslem se navíc může ukládat identifikátor prohledávání mesh sítě.

V další modifikaci vynálezu se v mesh síti jedinečná virtuální směrovací čísla mohou přidělovat pouze takovým podřízeným komunikačním zařízením, která jsou určena pro směrování paketů zpráv v této síti, nebo se vyhledávají pouze taková podřízená komunikační zařízení.

V další z modifikací tohoto vynálezu se do každého podřízeného komunikačního zařízení s přiděleným virtuálním směrovacím číslem ukládá identifikace, například síťová adresa nebo virtuální směrovací číslo, jemu nadřazeného rodičovského komunikačního zařízení, které je v mesh síti blíže k řídícímu komunikačnímu zařízení. Předmětem vynálezu je dále způsob odpovídání komunikačních zařízení v takto uspořádané obecné bezdrátové mesh síti, kdy odpovídajícími komunikačními zařízeními se zprávy směrují zpět do řídícího komunikačního zařízení tak, že jejich přenos zahrnuje neredundantní směrování přes strukturu rodič / potomek typu TREE topologie. Výhodná a jedinečná je zde především možnost volby vhodného směrovacího algoritmu pro odpověď v závislosti na konkrétní aplikaci.

Předmětem tohoto vynálezu je dále způsob směrování paketového přenosu zpráv v obecné bezdrátové mesh síti, uspořádané podle výše uvedených znaků (založený na TDMA v takto uspořádané bezdrátové mesh síti a využívající nalezená podřízená komunikační zařízení ke směrování na základě přidělených virtuálních směrovacích čísel), který je založený na postupném zaplavení celé virtuální směrovací struktury a využívá vícenásobný přístup s časovým dělením. Podstata vynálezu spočívá v tom, že každým komunikačním zařízením, které je součásti virtuální směrovací struktury, se určí časový slot, v rámci vyhrazeném tomuto zařízeni na základě předchozího přijetí paketu, obsahujícího virtuální směrovací číslo odesílatele, z rozdílu mezi svým virtuálním směrovacím číslem a virtuálním směrovacím číslem odesílatele. Délka rámce se může omezovat podle rozdílu virtuálních směrovacích čísel odesílatele a příjemce zprávy. Směrovaný paket zpráv se může odesílat sekvenčně alespoň dvakrát po sobě a na alespoň dvou různých frekvencích.

Přidělování příslušného časového slotu, ve kterém bude podřízené komunikační zařízení, provádějící směrování, aktivní, tedy bude schopno přeposlat paket nesoucí virtuální směrovací číslo posledního odesílajícího zařízení, bude realizováno automaticky každým komunikačním zařízením s přiděleným virtuálním směrovacím číslem, bez nutnosti sdílet směrovací tabulku nebo směrovací vektor nebo znát své okolí. K tomu dochází vždy pouze na základě znalosti svého přiděleného virtuálního směrovacího čísla a virtuálního směrovacího čísla odesílatele zahrnutého ve zprávě tak, že každé nalezené komunikační zařízení bude aktivní (tedy bude provádět směrování) pouze v časovém slotu, který si toto zařízení dopočítá na základě rozdílu mezi svým virtuálním směrovacím číslem a virtuálním směrovacím číslem odesílatele paketu, se kterým bylo navázáno spojení.

Vytvořeni funkčního uspořádání obecné bezdrátové mesh sítě s paketovým přenosem a techniky směrování v této síti podle tohoto vynálezu společně zaručuji spolehlivé a efektivní doručování paketů, nenáročné na zdroje řídicího mikrořadiče, a do značné míry tak odstraňuje nevýhody implementační náročnosti, zjednodušuje vlastní realizaci a pomáhá tak snížit cenu komunikačních zařízení. Způsob směrování popsaný v této patentové přihlášce je založen na využití časového multiplexu.

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech je schematicky znázorněn příklad provedení tohoto vynálezu. Na obr. 1a je znázorněn příklad neuspořádané mesh sítě, na obr. 1b příklad uspořádané mesh sítě. Na obr. 1c je uspořádaná mesh síť podle obr. 1b, se zónami, vyjadřujícími minimální počet směrování k řídícímu komunikačnímu zařízení. Na obr. 2 je příklad konkrétního provedeni vytvoření funkčního uspořádání bezdrátové mesh sítě.

Na obr. 3 je příklad zjednodušeného provedení a konstrukčního uspořádání modulu transceiveru, který je schopen pracovat současně jako řídící komunikační zařízení, tak i množina podřízených komunikačních zařízení. Na obr. 4 je přiklad vývojového diagramu směrováni v bezdrátové mesh síti.

Příklady provedení vynálezu

Způsob vytvoření funkčního uspořádání bezdrátové mesh sítě komunikačních zařízení s paketovým přenosem zpráv a způsob směrováni v takové uspořádané bezdrátové mesh síti jsou založeny na vytvořeni a následném využití nově vytvořené virtuální směrovací struktury, tedy množiny komunikačních zařízení N s přiřazeným virtuálním směrovacím číslem VRN. Na rozdíl od mnoha konvenčních způsobů komunikace v síti, které využívají jak pro adresování (pro zjištění, komu je paket určen), tak i pro směrování (pro určování cesty), stejné adresy nebo jejich zkrácené formy, je v řešení podle tohoto vynálezu pro adresaci komunikačních zařízení_N využívána stávající veřejná síťová adresa (například MAC adresa, adresa přidělená při připojeni se k této síti či jiná v síti používaná adresa), ovšem pro směrování je využito v síti jedinečné virtuální směrovací číslo, řídícím komunikačním zařízením C přidělené podřízenému komunikačnímu zařízení N. Přiklad neuspořádané sítě a uspořádané mesh sítě je znázorněn na obr. 1a, 1b a 1c. Z těchto obrázků je patrné, že každému nalezenému podřízenému komunikačnímu zařízeni N (s adresami N1 až N5) bylo přiřazeno unikátní virtuální směrovací číslo VRN, a to R1 až R5.

Nové uspořádání sítě, tedy vytvoření nové virtuální směrovací struktury jako množiny komunikačních zařízení N s přiřazeným virtuálním číslem VRN, může být realizované na základě alespoň jednoho prohledání sítě. Vlastni prohledávání sítě a přiřazování virtuálních směrovacích čísel VRN může být realizováno například tak, že řídící komunikační zařízení C nejprve pošle výzvu ANSWERME, aby mu odpověděla všechna podřízená komunikační zařízení N, která výzvu ANSWERME slyší, poté na základě odpovědí zjisti, která zařízení N jsou v dosahu a mohou navázat spojení. Těmto zařízením pak postupně, například podle jejich veřejné adresy, přiřadí zvyšující se virtuální číslo VRN, které si tato komunikační zařízení N uloží a budou následně využívat při směrování. Následně řídící zařízení C pošle postupně požadavek DOSCAN všem podřízeným komunikačním zařízením N nalezeným ve svém okolí, aby obdobným způsobem vyhledala v jejich okolí další zařízeni N a poslala zpět výsledek. Následně pak řídící komunikační zařízení C v dalším iteračním cyklu obdobně odešle požadavek DOSCAN všem dalším podřízeným zařízením N nalezeným v předchozím cyklu. Tento postup se bude opakovat až do nalezeni všech komunikačních zařízeni N v síti nebo do dosaženi omezení, například počtem iteračních cyklů. Tento způsob procházení sítě nejméně zatěžuje řídící komunikační zařízení C, neboť nevyžaduje ukládání mezivýsledků, kdo s kým sousedí. Číslo iteračního cyklu umožňuje rozdělit komunikační zařízení do zón, protože vyjadřuje minimální počet směrování ke každému zařízení zařazenému do této zóny (obr. 1c). Protože každé virtuální směrovací číslo VRN přiřazené tímto způsobem všem nalezeným podřízeným komunikačním zařízením N, ve kterých je následně i uložené, je v rámci této sítě jedinečné a protože vyjadřuje vzdálenost tohoto komunikačního zařízení N od řídícího komunikačního zařízení C, danou počtem minimálních směrování (skoků), bude tímto způsobem síť funkčně uspořádána pro efektivní směrování níže popsané.

Virtuální směrovací číslo VRN, odpovídající vzdálenosti od řídícího komunikačního zařízení C, může být přiděleno například tak, že v horním bajtu tohoto čísla bude uloženo číslo iteračniho cyklu, ve kterém bylo komunikační zařízeni N nalezeno, které přímo odpovídá počtu směrování od řídícího komunikačního zařízení C, přičemž do dolního bajtu bude uložen rozlišovací index zajišťující unikátnost. V mnoha případech vhodnější však může být postupné přidělováni čísla VRN zvyšujícího se o jedna, což je řešení praktické především z hlediska jednoduchosti realizace návazného směrováni. Protože virtuální směrovací číslo VRN bude přidělováno postupné podle pořadí nalezeni dle výše popsaného prohledávání, bude zachována podmínka nutná pro efektivní uspořádání sítě a to, že každé přidělené virtuální směrovací číslo VRN v iteračním cyklu vyhledávání x bude menší než virtuální směrovací číslo VRN přidělené v cyklu x+1, tedy že pro všechna virtuální směrovací čísla VRN bude platit VRN_X < VRNx₊i. Číslování může být realizováno také dalšími způsoby, například přiřazením znaku. Omezením a důležitým předpokladem je, že číslování využitelné pro směrování musí zachovávat unikátnost a musí reflektovat vzdálenost od jednoho bodu sítě. Popisovaný způsob je vztažen k řídícímu komunikačnímu zařízení C. Uvedená podmínka uspořádání VRN_X < VRN_X+1 reflektuje vzdálenost komunikačního zařízeni N od řídícího komunikačního zařízení C a umožňuje zařadit nalezená komunikační zařízeni N do zón (viz obr. 1c).

Z důvodů časové optimalizace celého procesu prohledáváni sítě lze požadavek DOSCAN opatřit informací o dosud nenalezených komunikačních zařízeních N a také informací o doposud nejvyšším přiřazeném virtuálním směrovacím číslu VRN. V daném případě proto, aby komunikační zařízeni N, dotázané požadavkem DOSCAN, dokázalo samo přiřadit unikátní virtuální směrovací číslo VRN jim nově nalezeným komunikačním zařízením N bez nutnosti zpětného dotazu na řídící komunikační zařízení C. Protože virtuální směrovací číslo VRN bude i v tomto případě přidělováno postupně podle pořadí nalezení, bude zachována podmínka nutná pro efektivní uspořádání sítě VRN_X < VRNx₊i.

Popsaný způsob vytvořeni funkčního uspořádáni je určený především pro větší sítě, sestávající z velkého množství komunikačních zařízení. Lze ho realizovat také v atomizované síti, tedy v síti rozložené na menší části, a to uspořádáním těchto menších sítí popsaným způsobem a následným uspořádáním těchto menších sítí podle jejich vzdálenosti od vztažného řídícího komunikačního zařízení C. Tento způsob nového funkčního uspořádání bezdrátové mesh sítě je vhodný zejména pro statické sítě, příkladem může být síť veřejného osvětlení, může být součástí instalační procedury, lze ho však iniciovat také později nebo i dynamicky, například na základě požadavku rozšíření sítě.

V případě dostatku paměti pro ukládání mezivýsledků není nutné přiřazovat virtuální směrovací číslo VRN jednotlivým nalezeným zařízením již v průběhu prohledáváni sítě, ale lze je provést až po ukončení prohledávání a následné analýze uložených mezivýsledků. Tento postup může být výhodný například pro optimalizaci vytvořené směrovací struktury na základě síly signálu (RSSI) jednotlivých spojení. V tomto případě je nutné při vlastním přiřazování virtuálního směrovacího čísla VRN dodržet pro všechna přiřazení podmínku pro efektivní uspořádání sítě: VRN_X < VRN_x+y

V případě dostatku paměti pro ukládání mezivýsledků a možnosti provést detailnější analýzu topologie sítě lze směrovací strukturu optimalizovat vyloučením všech nalezených komunikačních zařízení N, která nejsou vhodná pro směrování, například těch, která jsou schopná navázat pouze jedno spojeni, ze směrovací struktury. Po vyloučeni komunikačního zařízení N ze směrovací struktury by mělo následně dojít ke snížení virtuálních směrovacích čísel VRN všech zařízení s číslem VRN vyšším než je virtuální směrovací číslo VRN vyloučeného komunikačního zařízeni N tak, aby byla i v tomto případě zachována podmínka nutná pro efektivní uspořádání sítě VRN_X < VRN_x+i. Vyloučení ze směrovací struktury může být realizováno například odebráním virtuálního směrovacího čísla VRN nebo jeho nastavením na určitou hodnotu považovanou za neplatnou. Popsanou optimalizací dojde ke snížení počtu komunikačních zařízení zařazených do virtuální směrovací struktury a proto také k časovému zefektivněni směrování využívající tuto virtuální směrovací strukturu.

V případě dostatku paměti může řídící komunikační zařízení C ukládat přiřazení virtuálního směrovacího čísla VRN příslušným komunikačním zařízením N. Praktické může být například ukládat přiřazení podle používané síťové adresy. Na základě znalosti virtuálního směrovacího čísla VRN adresovaného zařízení pak bude možné optimalizovat směrování omezením počtu skoků, to znamená vytvořením menšího počtu povolených časových slotů, tedy zkrácením rámce. Ukládání lze realizovat i do externí paměti mimo řídicí komunikační zařízení C, je-li tato k dispozici.

V případě předpokladu vícenásobného prohledávání sítě může být výhodné uložit do všech nalezených podřízených komunikačních zařízení N kromě virtuálního směrovacího čísla VRN příslušného komunikačního zařízení N ještě rozlišující identifikátor prohledávání (DID). Tato identifikace může být následně použita při směrování například pro zamezení eventuálním konfliktům způsobeným použitím stejných virtuálních směrovacích čísel VRN přidělených během různých prohledávání, například kvůli nedostupnosti některých zařízení během následného prohledáváni. Tímto způsobem se odstraní možná duplicita virtuálních směrovacích čísel VRN.

Pokud budou pouze některá podřízená komunikační zařízení N v síti dedikována pro směrování, jejich počet bude Hr a pro všechna ostatní komunikační zařízení bude existovat spojení na alespoň jedno takové zařízení, dojde ke zmenšení virtuální směrovací struktury a tím i k následnému omezení počtu dedikovaných časových slotů v rámci na (η₅-1) při zachování možnosti adresace všech n komunikačních zařízení. V případě, že br, tedy počet komunikačních zařízení dedikovaných pro směrování, bude mnohem menší než celkový počet komunikačních zařízení v síti n, dojde k dramatickému snížení časové náročnosti směrováni. Tato možnost může být využita v praxi například pro metropolitní sítě, kde základní směrovací struktura bude tvořena komunikačními zařízeními zajišťujícími správu veřejného osvětleni, přičemž v rámci této sítě bude umožněno adresovat mnoho dalších zařízení, například pro automatický odečet spotřeby energie, vody, plynu apod.

Protože ukládání virtuálních směrovacích čísel VRN eventuálně i dalších informací, například identifikace prohledávacího cyklu (DID), je komunikačně vždy realizováno přes komunikační zařízení N blíže k řídícímu komunikačnímu zařízení C (například v popsaném příkladě řešení přes zařízení, kterému bylo odpovězeno na jeho dotaz

ANSWERME), může být během ukládání k dispozici také identifikace tohoto rodičovského zařízení (PADDR), například síťová adresa nebo jeho virtuální směrovací číslo VRN. V případě jejího uložení je možné ji použít například pro rychlé směrování od podřízeného komunikačního zařízení N k řídícímu komunikačnímu zařízení C, přičemž vlastní směrování bude probíhat přes nadřazené komunikační zařízení (rodič), které je identifikovatelné a adresovatelné pomocí uložené identifikace (PADDR). V uvedeném příkladu možné realizace, nenáročné na zdroje procesoru, je zajištěn princip jednoho rodiče, v případě dostatku zdrojů je však možné vyhledat a uložit adresu dalších rodičů a využít je následně pro alternativní rozprostřené směrování založené na TREE topologii.

Předmětem vynálezu je i způsob směrování, založený na využití vytvořené virtuální směrovací struktury. Jeho podstatou je využití vytvořené virtuální směrovací struktury v kombinaci s TDMA metodou (vícenásobný přistup s časovým dělením), společně zaručující směrování efektivním a postupným zaplavením sítě řízené tokem dat na základě virtuálních směrovacích čísel VRN. Časový slot, ve kterém je každé zařízení aktivní (tedy může provádět směrování a eventuálně též potvrzovat přijeti paketu zpráv), je v tomto případě vázán na jemu přidělené virtuální směrovací číslo VRN. Jak již bylo výše zmíněno, je pro směrování výhodné přiřazovat virtuální směrovací čísla VRN postupně v číselné řadě, zvyšující se vždy o jedna. V tomto případě je možné přiřadit každému komunikačnímu zařízení N časový slot daným jeho virtuálním směrovacím číslem VRN, bez nutnosti přepočtu. Počet možných časových slotů je dán velikostí vytvořené virtuální směrovací struktury v jednom rámci, tedy počtem komunikačních zařízení N, zahrnutých ve virtuální směrovací struktuře. Lze dokázat, že uspořádáním sítě podle výše uvedeného popisu stačí v případě sítě s n podřízenými komunikačními zařízeními N v síti pro spolehlivé doručení paketu zpráv postupným zaplavením od řídícího komunikačního zařízení C dedikovat pouze (n -1) časových slotů. Diky tomu dojde k podstatnému snížení časové náročnosti celého procesu směrování oproti zaplavení neuspořádané bezdrátové mesh sítě. Navíc je touto metodou směrování dosaženo vysoké spolehlivosti doručování. Při výpadku některého dílčího spojení je díky existujícím redundantním spojením vysoká pravděpodobnost, že výpadek tohoto dílčího spojení nezpůsobí nedoručení paketu. V literatuře se tato vlastnost sítě označuje jako „healing“. Přestože jednotlivá komunikační zařízení N v síti nejsou časově synchronizována (neexistuje vztažný absolutní čas), je možné díky vlastnostem uspořádání sítě a vkládání virtuálního směrovacího čísla VRN odesílatele do paketu provést výpočet časového slotu, příslušející směrujícímu komunikačnímu zařízení N relativně k době přijetí paketu, a to na základě dopočtu rozdílu mezi virtuálním směrovacím číslem VRN odesilatele paketu a jeho virtuálním směrovacím číslem. Prvotnímu odesílateli je přitom vyhrazen první časový slot rámce.

V případě popsaného uspořádání sítě v kombinaci s uložením vztahu mezi komunikačním zařízením N a virtuálním směrovacím číslem VRN (viz výše) lze dále snížit počet časových slotů nutných pro spolehlivé doručení paketu na základě znalosti virtuálního směrovacího čísla VRN adresovaného komunikačního zařízení N. V tomto případě bude průměrný počet časových slotů nutných pro spolehlivé doručeni paketu od řídícího komunikačního zařízení C k některému podřízenému komunikačnímu zařízení N dále snížen, v rámci celé sítě v průměru až na polovinu. Na základě znalosti virtuálního směrovacího čísla VRN adresovaného zařízení současně s informací o minimálním virtuálním směrovacím čísle VRN, přiřazeným ve stejném prohledávacím cyklu, je možné dále snížit počet časových slotů v rámci adresovaném konkrétnímu komunikačnímu zařízení N na toto minimální číslo. Časové snížení procesu směrování bude dosaženo na úkor potlačení možných alternativně využitelných spojení na zařízení s menším virtuálním směrovacím číslem VRN než je virtuální směrovací číslo VRN adresovaného zařízení, ale náležejících do stejné zóny.

V případě realizace alespoň jednoho frekvenčního skoku v rámci jednoho časového slotu, tedy použití více než jedné frekvence (kanálu) pro opakované odesláni paketu, dojde ke zvýšení redundantních spojení a tedy i ke zvýšení pravděpodobnosti doručení paketu. Především v případě zarušení jednoho kanálu, například kvůli interferenci s jiným systémem, se podstatným způsobem zvýší spolehlivost systému.

Jak je výše uvedeného popisu patrné, lze díky znalosti konkrétních informací a možnosti využít různé techniky komunikace volit v konkrétní aplikaci, využívající uspořádanou bezdrátovou mesh síť, různé způsoby směrování podle konkrétních požadavků této aplikace a podle výhodnosti jejich užití. Například v případě znalosti rodiče lze volit neredundantní, ale v dané konfiguraci nejrychlejší směrování přes strukturu rodič / potomek (tzv. TREE topologie). V praxi může být velice výhodné kombinovat různé, v systému dostupné a podporované, metody směrování podle účelu.

Například potvrzování doručení paketu může být realizováno nejprve rychlým směrováním přes rodiče a v případě selháni potom spolehlivým, ale pomalejším směrováním.

Způsob vytvoření nového funkčního uspořádání bezdrátové mesh sítě komunikačních zařízení a způsob směrování v této uspořádané bezdrátové mesh síti lze díky extrémně nízkým nárokům na paměť implementovat prakticky do jakéhokoliv mikrořadiče, specializovaného RF obvodu nebo do zakázkového čipu řídícího činnost bezdrátového komunikačního zařízení.

V níže popsaném přikladu konkrétní praktické realizace tohoto vynálezu podle obr. 2 bylo celé řešení implementováno do transceiver modulu TR-52B, jehož zjednodušené schéma a konstrukční uspořádáni jsou zobrazeny na obr. 3. Protože je modul TR-52B schopen pracovat jak v režimu Coordinator (tedy jako řídící komunikační zařízení C), tak i v režimu Node (tedy jako podřízené komunikační zařízení N), viz např. CZ užitný vzor 18340, CZ patent 301322 a EP 2071731, lze implementovat do jednoho modulu, respektive do programové paměti jeho mikrořadiče, obě části řešení, tedy způsob vytvoření uspořádání sítě prováděný řídicím komunikačním zařízením C i vlastní implementaci způsobu směrování, prováděnou podřízeným komunikačním zařízením N.

Pro zachováni kompatibility s nižšími verzemi operačního systému IQRF OS, implementující funkcionalitu dle CZ užitného vzoru 18340, CZ patentu 301322, EP 2071731, CZ užitného vzoru 16181, patentové přihlášky CZ2005-616, EP 1768268 a US patentové přihlášky 20070188343, a podporující pouze 240 komunikačních zařízeni v jedné síti (jedno řídicí komunikační zařízení C a až 239 podřízených komunikačních zařízeni N) bylo zvoleno uspořádání, které využívá výhod řešeni podle tohoto vynálezu tak, že původní struktura využívaná pro adresaci a zároveň pro směrování, byla dedikována pouze pro směrování. Rozšířením možnosti adresace z původního 1B adresování a oddělením adresace a směrování dle tohoto vynálezu bylo dosaženo řešení, optimalizovaného pro metropolitní sítě, sestávající ze základní směrovací struktury s až 239 směrovacími komunikačními zařízeními a současné možnosti adresovat až 65536 komunikačních zařízení zapojených v jedné síti. Pro zachování zpětné kompatibility s nižšími verzemi IQRF OS byla zachována základní struktura paketu, popsaná například v patentové přihlášce US 20090156141, přičemž vlastní rozšíření adresace bylo vloženo do části paketu určené pro směrování.

Obecná struktura paketu:

DLEN

CRCH

[NTW INFO]

[CRCN]

DATA

CRCD|CRCS

Jednotlivé části paketu obsahují informace o paketu, o jeho určení a také vlastní data. V části PIN (Packet INfo) jsou uloženy řídící informace o paketu, DLEN (Data LENgth) nese informaci o délce dat uložených v části DATA, CRCH/CRCD/CRCS se používají k zabezpečení konzistence paketu a jeho částí.

Původní struktura NTW INFO pro síťové pakety:

RX TX NIDO NID1 PID [RTOTX] [RTDEF] [RTVO] [RTIV] [RTV2] [RTV3] ...

[MPRWO] [MPRW1] [MPRW2] [CRYPTO] [CRYPT1] [AUXO] [AUX1]

Pro adresaci uvnitř sítě i pro směrování bylo využíváno jednobajtové adresace, poslední odesílatel paketu byl identifikován pomocí bajtu TX, příjemce pomocí bajtu RX. Při směrování musel být nulován bajt RTDEF identifikující algoritmus směrování, bajty RTV1 až RTV3 definovaly směrovací vektor, tedy sekvenci čtyř komunikačních zařízení N, přes které měl být paket směrován. Flexibilita původního řešení umožnila jednoduché rozšíření adresovacího prostoru při zachováni zpětné kompatibility. Nové způsoby směrování založené na řešení podle tohoto vynálezu jsou podporovány pro RTDEF != 0.

Nová struktura NTW INFO pro síťové pakety:

... [MPRWO] [MPRW1] [MPRW2] [CRYPTO] [CRYPT1] [AUXO] [AUX1]

Jak je patrné již z názvu, slouží bajt RTDEF pro definici, jakým způsobem bude paket v síti směrován a adresován. Konkrétní realizace podporuje jednobajtové a dvoubajtové adresování. Bajt TX nese informaci o síťové adrese prvotního odesílatele paketu, která je důležitá pro příjemce paketu, ale již ne pro zařízení zprostředkovávající směrování paketu. Bajt RTVRN obsahuje informaci o virtuálním směrovacím čísle VRN odesílatele paketu, která je využívána pro směrování a identifikaci časového slotu příslušného konkrétnímu komunikačnímu zařízení N. Řídící komunikační zařízení C používá pro zjednodušení realizace virtuální směrovací číslo VRN rovněž RTVRN=0. Bajt RTDTO obsahuje informaci o maximálním počtu směrování pro omezení celkové délky cesty a snížení doby odezvy systému. Definuje tedy velikost rámce počtem slotů. S využitím řešení podle tohoto vynálezu je možné zkrátit průměrnou dobu směrování v síti na polovinu. Protože virtuální směrovací čísla VRN jsou dostupná pouze IQRF OS, byla do IQRF OS implementována funkce optimizeHOPS(), která pro daného příjemce, identifikovaného pomocí bajtu RX, omezí počet směrováni podle virtuálního směrovacího čísla VRN příjemce paketu a automaticky nastaví bajt RTDTO. Bajt RTDT1 je uživatelsky definovatelný a umožňuje nastavit délku časového slotu v ticks. Současná verze IQRF OS definuje jeden tick jako 10ms. Možnost uživatelského nastavení délky časového slotu podstatným způsobem zvyšuje variabilitu a použitelnost celého řešení. Bajt RTDT2 nese identifikaci prohledávacího cyklu a s využitím řešení podle tohoto vynálezu zabrání eventuálním kolizím při vícenásobných prohledáváních systému. Bajt RTDT3 je využit pro rozšířené dvoubajtové adresování (oddělení adresování a směrování).

V každém podřízeném komunikačním zařízení N, které je součástí směrovací struktury, je v návaznosti na popisované řešení zapsána adresa rodiče PADDR, což umožní tomuto komunikačnímu zařízení rychlou odezvu například na dotaz řídícího komunikačního zařízení C tak, že odpověď bude moci být odeslána s minimálním počtem skoků přes rodiče každého směrujícího komunikačního zařízení (zredukování mesh topologie na TREE topologii při daném směrování).

Vlastní směrováni (viz výše) je realizováno tak, že při znalosti původního odesílatele paketu (RTOTX), při znalosti vlastního virtuálního směrovacího čísla VRNmy a virtuálního směrovacího čísla odesílatele VRN_Tx se nejprve provede vyhodnocení, zda je odesílatelem řídící komunikační zařízeni C (RTOTX==0). Pokud ano, potom komunikační zařízení v případě, že VRNmy > VRNtx, počká po dokončení aktivního časového slotu na jemu příslušný časový slot dobu RTDT1 * (VRNmy - VRNtx - 1) a provede přeposlání přijatého paketu. V opačném případě, není-li samo příjemcem paketu, paket zahodí. Pokud je paket určen pro řídící komunikační zařízení C, potom komunikační zařízení, v případě, že VRNmy < VRNtx. počká po dokončení aktivního časového slotu na svůj aktivní časový slot dobu RTDT1 * (VRNtx - VRNmy - 1) a provede přeposlání přijatého paketu. V opačném případě, není-li samo příjemcem paketu, paket zahodí. Pro přehlednost je přiložen na obr.4 vývojový diagram, popisující způsob směrování paketu odeslaného řídícím komunikačním zařízením C a paketu určeného pro řídící komunikační zařízeni C, odeslaným některým komunikačním zařízením N.

Vlastní prohledávání sítě je realizováno podle výše uvedeného popisu. Řídící komunikační zařízení C může proces prohledávání iniciovat voláním funkce discovery(x), kde parametr x udává omezení maximálním počtem iteračnich cyklů. Podpora prohledávání sítě na straně podřízeného komunikačního zařízení N je zajištěna voláním funkce answerSystemPacket(), volané po příjmu systémového paketu, tedy po návratu z funkce RFRXpacket(). Do operačního systému IQRF OS tímto byla přidána funkcionalita obsloužení systémových paketů ANSWERME a DOSCAN. Funkci discovery() lze volat opakovaně, což umožňuje přizpůsobovat uspořádáni a směrování i měnícím se podmínkám.

Funkce setRoutingOn() a setRoutingOff() přidané do IQRF OS modulů umožňují určit, zda bude zařízeni určeno pro směrování a bude tedy součástí směrovací struktury. V tomto případě navíc dynamicky, což může být výhodné například pro časté změny uspořádání sítě.

Jak je patrné z konkrétního příkladu realizace na modulech tra n see i věru TR-52B, řešení podle tohoto vynálezu je pro své nízké hardwarové nároky snadno implementovatelné. Pro realizaci celé přidané funkcionality nového funkčního uspořádání bezdrátové sítě a nového způsobu směrování v této uspořádané síti bylo využito méně než 2kW programové paměti mikrořadiče PIC16F886.

Průmyslová využitelnost

Vynález může být využit pro realizaci a zefektivnění komunikace bezdrátových aplikací, zajištění bezdrátové síťové komunikace elektrických nebo elektronických zařízení a k nim připojených dalších zařízení, jako jsou například prvky topných soustav, bezpečnostní systémy nebo světla. Vynález je snadno realizovatelný, má nízké nároky na používaný hardware, zajišťuje spolehlivé doručování zpráv a díky podpoře mnohonásobného směrováni může být s úspěchem využit pro systémy telemetrie, pro rozsáhlé senzorové sítě nebo pro systémy automatického odečtu dat.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob vytvoření funkčního uspořádání obecné bezdrátové mesh sítě komunikačních zařízení s paketovým přenosem zpráv, zejména v bezdrátových sítích určených pro telemetrii a automatizaci, která zahrnuje alespoň jedno řídící komunikační zařízeni (C) a množinu jemu podřízených komunikačních zařízení (N), vyznačující se tím, že řídícím komunikačním zařízením (C) se mesh síť prohledává tak, že každému postupně nalezenému podřízenému komunikačnímu zařízeni (N) se přiděluje a ukládá do jeho paměti v síti jedinečné virtuální směrovací číslo (VRN), vyjadřující vzdálenost tohoto podřízeného komunikačního zařízení (N) od řídícího komunikačního zařízení (C), danou počtem směrování, přičemž každému podřízenému komunikačnímu zařízení (N) se přiděluje časový slot, ve kterém je aktivní pro další směrováni paketů zpráv v mesh síti, tak, že tento slot se určuje podle rozdílu mezi virtuálním směrovacím číslem (VRN) odpovídajícího přijímacího komunikačního zařízeni (N) a virtuálním směrovacím číslem (VRN) odesílatele paketu zpráv, se kterým bylo navázáno spojení.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že podle analýzy prohledávání mesh sítě řídícím komunikačním zařízením (C) se určuje pořadí přidělení virtuálních směrovacích čísel (VRN) jednotlivým podřízeným komunikačním zařízením (N) a jejich zařazení do směrovací struktury v mesh síti nebo jejich vyřazení z této struktury.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že přiřazení virtuálních směrovacích čísel (VRN) jednotlivým podřízeným komunikačním zařízením (N) se ukládá rovněž do paměti řídicího komunikačního zařízení (C).
4. Způsob podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že v každém podřízeném komunikačním zařízení (N) s přiděleným virtuálním směrovacím číslem (VRN) se navíc ukládá identifikátor prohledávání mesh sítě (DID).
5. Způsob podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že v mesh síti se jedinečná virtuální směrovací čísla (VRN) přidělují pouze takovým podřízeným komunikačním zařízením (N), která jsou určena pro směrování paketů zpráv v této síti, nebo se vyhledávají pouze taková podřízená komunikační zařízeni (N).
6. Způsob podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že do každého podřízeného komunikačního zařízení (N) s přiděleným virtuálním směrovacím číslem (VRN) se ukládá identifikace, například síťová adresa nebo virtuální směrovací číslo (VRN) jemu nadřazeného rodičovského komunikačního zařízení, které je v mesh síti blíže k řídícímu komunikačnímu zařízení (C).
7. Způsob odpovídání komunikačních zařízení v obecné bezdrátové mesh síti, uspořádané podle nároku 6, vyznačující se tím, že odpovídajícími komunikačními zařízeními (N) se zprávy směrují zpět do řídícího komunikačního zařízení (C) tak, že jejich přenos zahrnuje neredundantní směrování přes strukturu rodič / potomek typu TREE topologie.
8. Způsob směrování paketového přenosu zpráv v obecné bezdrátové mesh síti, uspořádané podle některého z nároků 1 až 7, který je založený na postupném zaplavení celé virtuální směrovací struktury a využívá vícenásobný přístup s časovým dělením, vyznačující se tím, že každým komunikačním zařízením (N), které je součástí virtuální směrovací struktury, se určí časový slot, v rámci vyhrazeném tomuto zařízeni na základě předchozího přijetí paketu, obsahujícího virtuální směrovací číslo (VRN) odesílatele, z rozdílu mezi svým virtuálním směrovacím číslem a virtuálním směrovacím číslem odesílatele.
9. Způsob směrování podle nároku 8, vyznačující se tím, že délka rámce se omezuje podle rozdílu virtuálních směrovacích čísel (VRN) odesílatele a příjemce zprávy.
10. Způsob směrování podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že směrovaný paket zpráv se odesílá sekvenčně alespoň dvakrát po sobě a na alespoň dvou různých frekvencích.