DE112007000206T5

DE112007000206T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Knotens in einem Beacon-basierten Ad-hoc-Netz

Info

Publication number: DE112007000206T5
Application number: DE112007000206T
Authority: DE
Inventors: Jian Coral Springs Huang; Vernon A. Ft. Lauderdale Allen; Feng Weston Niu; Qicai Coral Springs Shi
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Google Technology Holdings LLC
Priority date: 2006-01-24
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-01-09
Also published as: US20070171843A1; KR101010877B1; US7570623B2; WO2007087467A2; WO2007087467A3; KR20080087869A; DE112007000206B4

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Beacon-Knotens in einem Kommunikationssystem, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Assoziieren mit einem Netz;
Ermitteln einer ersten Zeitperiode, um ein Beacon zu übertragen, wobei die erste Zeitperiode auf einer Zeit basiert, die ein Knoten benötigt, um sich mit dem Netz zu assoziieren;
Übertragen des Beacons für die erste Zeitperiode;
Einstellen von Beacon-Broadcasts für eine zweite Zeitperiode, nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist; und
periodisches Übertragen des Beacons, nachdem die zweite Zeitperiode abgelaufen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Ad-hoc-Netze und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Knotens in einem Ad-hoc-Netz.
Hintergrund der Erfindung
In einem Beacon-fähigen Ad-hoc-Sensornetz wird eine Netzassoziierung initiiert, wenn ein Knoten die Nachbarschaft scannt und Beacons erfasst, was als Aufforderung dazu dient, dem Netz beizutreten. Wenn ein Knoten die Netzassoziierung ausführt, beginnt er damit, seine eigenen Bea cons als ein Mittel für eine Zeitsynchronisation und als ein Signal einer Assoziierungsaufforderung zu übertragen. Die Beacons können allerdings neue Netzassoziierungen auch behindern. In der Tat haben zahlreiche Simulationen bewiesen, dass die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Bildung eines Beacon-fähiges Netzes im Vergleich zu einem nicht-Beacon-fähigen Netz, insbesondere unter der Bedingung einer kurzen Frame-Länge, d. h. aktiven Fensterzeit, viel geringer ist. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betreiben eines Knotens in einem Beacon-basierten Ad-hoc-Netz, die die Interferenz, welche Beacons für assoziierende Knoten zur Folge haben, reduzieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Flussdiagramm eines Ad-hoc-Kommunikationssystems.
2 ist ein detaillierteres Flussdiagramm des Kommunikationssystems von 1.
3 stellt eine Superframe-Struktur für das Kommunikationssystem von 1 und 2 dar.
4 ist eine detailliertere Ansicht der Superframe-Struktur von 3.
5 ist ein Flussdiagramm eines Knotens.
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb des Knotens von 5 darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Um das oben erwähnte Erfordernis anzugehen, überträgt ein Knoten, der sich mit einem Netz assoziiert hat, während eines Beacon-Intervalls als Teil eines Superframes periodisch ein Beacon. Das Beacon wird auf Basis einer Zeit, die benachbarte Knoten benötigen, um sich mit dem Netz zu assoziieren, eine erste Zeitperiode lang periodisch übertragen. Nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist, wird das Beacon für eine zweite Zeitperiode abgeschaltet, nach welcher das Beacon erneut periodisch übertragen wird.
Da der Knoten sein Beacon während der ersten Zeitperiode überträgt, können sich Knoten mit ihm assoziieren. Da der Knoten allerdings während der zweiten Zweitperiode ein Übertragen seines Beacons einstellt, wird eine Interferenz in dem System reduziert, wodurch es anderen Knoten ermöglicht wird, sich effizienter mit dem Netz zu assoziieren.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Beacon-Knotens in einem Kommunikationssystem. Das Verfahren umfasst die Schritte zum Assoziieren mit einem Netz, zum Ermitteln einer ersten Zeitperiode, um ein Beacon zu übertragen, wobei die erste Zeitperiode auf einer Zeit basiert, die ein Knoten benötigt, um sich mit dem Netz zu assoziieren, und zum Übertragen des Beacons für die erste Zeitperiode. Nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist, werden die Beacon-Broadcasts für eine zweite Zeitperiode eingestellt und erneut periodisch übertragen, nachdem die zweite Zeitperiode abgelaufen ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst darüber hinaus ein Verfahren, das die Schritte zum Assoziieren mit einem Netz und zum Übertragen eines Beacons für eine erste Zeitperiode umfasst, wobei die erste Zeitperiode auf einer Zeit basiert, die ein Knoten benötigt, um sich mit dem Netz zu assoziieren. Das Beacon wird nicht übertragen, nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist, und wird erneut übertragen, nachdem eine zweite Zeitperiode abgelaufen ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Vorrichtung, die einen Sender umfasst, der ein Beacon für eine erste Zeitperiode überträgt, wobei die erste Zeitperiode auf einer Zeit basiert, die ein Knoten benötigt, um sich mit dem Netz zu assoziieren, wobei der Sender ein Übertragen des Beacons einstellt, nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist, und das Beacon erneut überträgt, nachdem eine zweite Zeitperiode abgelaufen ist.
Wendet man sich nun den Zeichnungen zu, wobei ähnliche Ziffern ähnliche Komponenten bezeichnen, so sieht man, dass 1 ein Kommunikationssystem 100 darstellt. Das Kommunikationssystem 100 verwendet vorzugsweise ein Kommunikationssystemprotokoll, das durch 802.15.3 Wireless Personal Area Networks (dt.: drahtlose persönliche Netze) für hohe Datenraten oder 802.15.4 Wireless Personal Area Networks geringer Rate des IEEE (für: Institute of Electrical and Electronics Engineers) definiert wird. Es versteht sich allerdings für einen Durchschnittsfachmann, dass andere Kommunikationssystemprotokolle verwendet werden können, ohne dass von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Das Kommunikationssystem 100 kann zum Beispiel Kommunikationssystemprotokolle, wie z. B. AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector Routing), DSR (Dynamic Source Routing), TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm), Bluetooth^TM Standard (IEBE-Standard 802.15.1), ... usw. verwenden, ist aber nicht darauf beschränkt. Wie dargestellt wird, umfasst das Kommu nikationssystem 100 eine Anzahl von Knoten 20 und eine Anzahl von Koordinationsknoten 10. Die Knoten 20 repräsentieren Knoten, die durch eine Synchronisation, welche von den Koordinationsknoten 10 zur Verfügung gestellt wird, miteinander kommunizieren. Die Knoten 20 können transportabel (mobil) sein oder sie können an einem vorgegebenen Standort fest sein.
2 ist eine detailliertere Ansicht des Systems 100, die zwei Koordinationsknoten 205 und 208 und deren assoziierte Knoten 203–204 beziehungsweise 207 darstellt. In dieser Darstellung sind die Knoten 203 und 204 mit dem Koordinationsknoten 205 assoziiert. Der Knoten 203 lässt alle Kommunikationen durch den Knoten 204 zu dem Knoten 205 und schließlich zu einem endgültigen Ziel routen. Der Knoten 207 lässt alle Kommunikationen durch den Knoten 208 routen. Ein Knoten 206 muss sich noch mit dem Netz assoziieren. Wie oben beschrieben wird, assoziiert sich der Knoten 206 bei Wunsch nach einer Assoziierung durch ein Scannen der Nachbarschaft und das Erfassen von Beacons, was als Aufforderung dazu dient, dem Netz beizutreten. Wenn ein Knoten die Netzassoziierung ausführt, beginnt er damit, seine eigenen Beacons als ein Mittel für eine Zeitsynchronisation und als ein Signal einer Assoziierungsaufforderung zu übertragen. Die Beacons können allerdings auch neue Netzassoziierungen behindern. Die Beacons, die von den Knoten 203, 204 und 205 übertragen werden, können zum Beispiel mit dem Beacon, das von dem Knoten 206 übertragen wird, in Konflikt geraten. Um dieses Problem anzugehen, stellen alle Knoten in dem Kommunikationssystem 100 ihre Beacons nach einer Zeitperiode ab, um es benachbarten Knoten zu ermöglichen, sich mit ihnen zu assoziieren. Das Beacon bleibt bis zu einer Zeitperiode aus, nach der ein normales "Beaconing" wieder aufgenommen wird.
3 stellt eine Superframe-Struktur für das Kommunikationssystem 100 dar. Während Kommunikationen unter Knoten wird von dem Kommunikationssystem 100 ein spezifisches Übertragungsprotokoll verwendet, wobei jeder Knoten innerhalb eines bestimmten, nicht überlappenden Superframes 301, 302 kommuniziert, wie in der U.S.-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10/414,838 beschrieben wird, die hier durch Literaturhinweis umfasst wird. Mit Bezug auf 2 überträgt ein bestimmter Knoten während eines Superframes Zeitsteuerungs- und Steuerinformationen in einem Beacon-Feld, während jeder Knoten (wobei der Controller umfasst wird) einen CAP(für engl.: Contention Access Period)- und einen CFP(für engl.: Contention Free Period)-Slot, Teil des CTA-Leistungsmerkmals (für engl.: Channel Time Allocation-Kanalzeitzuweisung) des IEEE-Standards 802.15.3, zur Übertragung aufweist. Während seines garantierten Zeitschlitzes (bzw. engl.: Guaranteed Time Slot) überträgt ein bestimmter Knoten sein Beacon und irgendeinen Befehl (COM (von engl.: Command)), dessen Ausführung gewünscht wird, zu irgendeinem bestimmten Knoten oder kann Daten senden, die für einen einzelnen Knoten oder einen Satz Knoten bestimmt sind.
Das Beacon-Intervall (Beacon Interval – BI) und die Superframe-Länge oder -Dauer (SD) werden durch Beacon Order (BO) und Superframe Order (SO) respektive als BI = 2^(BO), wobei BO = 0, 1, 2, ... 14, und SD = 2^(SO), wobei SO = 1, 2, ... BO, ermittelt. Die Einschaltdauer wird als SD/BI definiert. Das wird in 4 dargestellt.
Während eines Netzzugangs fängt ein Knoten an, vorhandene Kanäle zu scannen, bis er ein Beacon von einem potentiellen Netzknoten (d. h. einem, mit dem er sich assoziieren kann) hört. Sobald das Beacon gehört wird, sendet er eine Assoziierungsanforderung und empfängt für die Assoziierungsanforderung ein ACK (für engl.: Acknowledgment-Quittung) von dem potentiellen Vorgänger. Ein Netzknoten ermittelt eine Netzadress/Time Sync-Information und sendet sie als eine Assoziierungsantwortnachricht aus, nachdem er eine Assoziierungsanforderung empfängt. Eine Assoziierungsantwortnachricht von dem potentiellen Vorgänger, die Netz-ID- und Zeitsynchronisationsinformation umfasst, wird empfangen. Die Assoziierung ist erfolgreich, nachdem der Knoten seine eigene Netz-ID eingerichtet hat und sich selbst in einen beacon-fähigen Modus gesetzt hat.
Während des Assoziierungsprozesses kann die Assoziierung auf Grund von direkter Interferenz, verursacht durch wiederholte Kollisionen, die ein Höchstmaß an Back-offs und indirekter Interferenz überschreiten, die durch versteckte Knoten verursacht wird, misslingen. Mit anderen Worten: der Prozess kann aufgrund von Übertragungen durch andere Knoten in dem Kommunikationssystem, die mit Übertragungen zwischen dem Knoten und seinem potentiellen Vorgänger in Konflikt geraten, misslingen. In diesem Fall gilt die Assoziierung als fehlgeschlagen und der Knoten versucht erneut, sich mit dem Netz zu assoziieren.
Wie oben erörtert wird, überträgt ein Knoten eine Dauer lang Beacons am Anfang jedes Superframes. Um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass sich ein Knoten assoziieren kann, und um eine Gesamtsysteminterferenz zu reduzieren, stellt ein Knoten ein übertragen seines Beacons für eine Zeitperiode ein. Der Knoten überträgt sein Beacon erneut zu einer Zeit, wenn ein bordeigener Timer abläuft. Diese Zeitperiode wird basierend auf den Werten von bekannten Netzparametern, wobei eine Gesamtzahl an angewendeten Knoten, ein Gesamtversorgungsbereich und ein gemeiner Übertragungsbereich umfasst werden, und Steuerparametern geschätzt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Zeitperiode durch das Produkt aus mittlerer Knotenassoziierungszeit und einem Steuerparameter geschätzt, um es einem Teil benachbarter Knoten zu ermöglichen, assoziiert zu werden. Am Ende dieser Zeitperiode beginnt der Knoten, seine Beacons erneut zu übertragen, und normale Datenkommunikationen können weitergehen.
In einem selbstorganisierenden Ad-hoc-Netz geschieht die Netzassoziierung spontan und gleichzeitig. Es kann allerdings ein koordiniertes Verhalten entstehen, falls in jedem der in dem Netz angewendeten Knoten ein identischer Timer vorhanden ist. Wenn ein Knoten eine Netzassoziierung sucht, scannt er einen oder mehrere Kanäle, um vorhandene Netzknoten (N) in seinem Versorgungsbereich (A) zu erfassen. Auf Basis der Anzahl an Beacons und/oder Datenpaketen, die er detektiert, kann der Knoten eine geschätzte Knotendichtefunktion F aufstellen.
Nachdem der Knoten mit dem Netz assoziiert wurde und ein Netzknoten wird, wird dann die Zeit, zu der er anfängt, Beacons zu übertragen, als T_beacon (gewöhnlich T_beacon = 0) ermittelt. Zu einem späteren Zeitpunkt T_off stellt der Netzknoten sein Beacon ab. Dieser Zeitpunkt ist gleich T_beacon plus und Offset, wobei es sich um die Zeitdauer handelt, die es einem Teil benachbarter Knoten ermöglicht, sich mit dem Netzknoten zu assoziieren. Folglich überträgt ein Kno ten in dem Netz 100 sein Beacon für eine Zeitperiode, wodurch es benachbarten Knoten ermöglicht wird, sich mit ihm zu assoziieren. Die Zeitperiode basiert auf einer Zeitperiode, in der sich eine Mehrzahl von benachbarten Knoten mit dem Knoten assoziiert. Der Knoten stellt sein Beacon dann zu einer Zeitperiode T_off ab. T_off kann als Toff = ΔT + Tbeacon, (1)ausgedrückt werden, wobei
wobei es sich bei 0 < β < 1 um einen numerischen Parameter handelt, R ein Übertragungsbereich für den Knoten ist, A einen Gesamtversorgungsbereich für den Knoten umfasst, N die Gesamtzahl an in dem Versorgungsbereich A angewendeten Knoten ist und Δτ eine geschätzte Assoziierungszeit pro Knoten ist. Bei allen von diesen Parametern handelt es sich um globale Netzparameter, die vor einer Anwendung bekannt sind.
Nachdem der Netzknoten sein Beacon abstellt, bleibt er ruhig, d. h. eine Zeitdauer lang werden zu Beginn jedes nachfolgenden Superframes keine Beacons übertragen, was durch ΔToff = αΔT, (3) ausgedrückt werden kann, wobei 0 < α < 1 und ΔT wie in der Gleichung (2) definiert wird. Am Ende von ΔT_off schaltet der Netzknoten sein Beacon erneut ein, um normale Datenkommunikationen zu ermöglichen.
5 ist ein Flussdiagramm eines Knotens 500. Wie dargestellt wird, umfasst der Knoten 500 einen Sender 503 und einen Empfänger 505, die wiederum mit logischen Schaltungseinrichtungen 501 gekoppelt sind. Eine Betriebsparameterdatenbank 509 wird zur Verfügung gestellt, um Netzparameter, wie z. B. β, R, A und N zu speichern. Ein Takt 507 dient als Zeitsteuerungsmittel, um eine genaue Zeitsynchronisation des Knotens 500 auszuführen. Zwar sind für den Knoten 500 verschiedene Formen vorgesehen, doch ist der Knoten 500 in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem Freescale Inc.-Transceiver MC13192 (Sender 504 und Empfänger 505), gekoppelt mit einem Motorola-HC08 8-Bit-Prozessor 501, gebildet.
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb des Knotens von 5 darstellt. Der logische Ablauf beginnt bei Schritt 601, wo sich der Knoten 500 mit dem Ad-hoc-Netz assoziiert. In Schritt 603 weisen die logischen Schaltungseinrichtungen 501 den Empfänger 505 an, vorhandene Kanäle zu scannen, um eine Anzahl vorhandener Netzknoten (N) in seinem Versorgungsbereich zu ermitteln. Wenn BO gesetzt wird, wird insbesondere auch die Zeitdauer, in der eine Vorrichtung Kanäle scannt, festgelegt. Irgendeine Vorrichtung würde nur für eine Zeit 2·BO scannen, um alle von den Beacons in ihrer Nähe (in ihrem Übertragungs-/Empfangsbereich) zu erfassen. Die Zeitdauer, die ein Beacon-Knoten an bleibt, wird allerdings durch eine geschätzte Anzahl Nachbarn bestimmt, die als N/A (Gesamtzahl an Knoten dividiert durch den Gesamtversorgungsbereich) hergeleitet und mit dem Bereich des Übertragungsbereichs multipliziert werden kann. Das ist für eine Verteilung von einheitlicher Dichte zutreffend. Auch für andere Verteilungen kann man die Knotendichteschätzung dementsprechend erhalten. Dann wird durch die logischen Schaltungseinrichtungen 501 eine erste Zeitperiode ermittelt, wobei die Zeitperiode einer Zeitperiode entspricht, in der sich benachbarte Knoten mit dem Netz assoziieren (Schritt 605). Wie oben erörtert wird, entspricht diese Zeitperiode T_beacon + ΔT. Darüber hinaus wird ΔT oben in der Gleichung (2) definiert und basiert auf Betriebsparametern, die in der Datenbank 509 gespeichert sind. Die Betriebsparameter umfassen zumindest entweder einen Übertragungsbereich für den Knoten 500, einen Gesamtversorgungsbereich für den Knoten 500, eine Gesamtzahl von in dem Netz angewendeten Knoten oder eine Assoziierungszeit pro Knoten, sind aber nicht beschränkt darauf. Auch ermitteln die logischen Schaltungseinrichtungen 501 ΔT_off zu dieser Zeit.
In Schritt 607 weisen die logischen Schaltungseinrichtungen 501 den Sender 503 an, Beacons die erste Zeitperiode lang periodisch zu übertragen. In Schritt 609 ermitteln die logischen Schaltungseinrichtungen 501, ob die Zeitperiode abgelaufen ist, und falls nicht, kehrt der logische Ablauf zu Schritt 607 zurück; andernfalls setzt sich der logische Ablauf zu Schritt 609 fort, wo eine Beacon-Übertragung für eine zweite Zeitperiode unterbleibt. In Schritt 611 greifen die logischen Schaltungseinrichtungen 501 auf den Takt 507 zu und ermitteln, ob eine Beacon-Übertragung für die zweite Zeitperiode gleich ΔT_off eingestellt worden ist, und falls nicht, kehrt der logische Ablauf zu Schritt 609 zurück; an dernfalls setzt sich der logische Ablauf zu Schritt 613 fort, wo ein normaler Netzbetrieb (eine Beacon-Übertragung) wieder aufgenommen wird.
Der obige logische Ablauf führt dazu, dass der Sender 503 eine erste Zeitperiode lang ein Beacon überträgt, wobei die erste Zeitperiode auf einer Zeit basiert, die ein Knoten benötigt, um sich mit dem Netz zu assoziieren. Diese Zeit kann man von einer Simulation oder anderen Mitteln erhalten. Der Sender 503 stellt ein Übertragen des Beacons ein, nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist, und überträgt das Beacon erneut, nachdem eine zweite Zeitperiode abgelaufen ist.
Zwar ist die Erfindung insbesondere mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden, doch versteht es sich für einen ausgebildeten Fachmann, dass darin verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne dass von dem Gedanken und dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Es ist vorgesehen, dass solche Änderungen unter den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.
ZUSAMMENFASSUNG
Bei Betrieb überträgt ein Knoten (500), der sich mit einem Netz (100) assoziiert hat, periodisch ein Beacon (303) während eines Beacon-Intervalls als Teil eines Superframes. Das Beacon wird auf Basis einer Zeit, die Knoten benötigen, um sich mit dem Netz zu assoziieren, eine erste Zeitperiode lang periodisch übertragen. Nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist, wird das Beacon für eine zweite Zeitperiode abgestellt, nach welcher das Beacon erneut periodisch übertragen wird.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Beacon-Knotens in einem Kommunikationssystem, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Assoziieren mit einem Netz; Ermitteln einer ersten Zeitperiode, um ein Beacon zu übertragen, wobei die erste Zeitperiode auf einer Zeit basiert, die ein Knoten benötigt, um sich mit dem Netz zu assoziieren; Übertragen des Beacons für die erste Zeitperiode; Einstellen von Beacon-Broadcasts für eine zweite Zeitperiode, nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist; und periodisches Übertragen des Beacons, nachdem die zweite Zeitperiode abgelaufen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Assoziieren mit dem Netz den Schritt zum Assoziieren mit einem Ad-hoc-Netz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Zeitperiode (ΔT) auf einem Übertragungsbereich (R) für den Knoten und einem Versorgungsbereich (A) für den Knoten basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zweite Zeitperiode (ΔT_off) auf ΔT basiert.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ΔToff = αΔT,wobei 0 < α < 1.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei
wobei 0 < β < 1 ein numerischer Parameter ist und N die Gesamtzahl an Knoten ist, die in dem Versorgungsbereich A angewendet werden.
Vorrichtung, die umfasst: einen Sender, der ein Beacon eine erste Zeitperiode lang überträgt, wobei die erste Zeitperiode auf einer Zeit basiert, die ein Knoten benötigt, um sich mit dem Netz zu assoziieren, wobei der Sender ein Übertragen des Beacons einstellt, nachdem die erste Zeitperiode abgelaufen ist, und das Beacon erneut überträgt, nachdem eine zweite Zeitperiode abgelaufen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Zeitperiode (ΔT) auf einem Übertragungsbereich (R) für den Knoten und einem Versorgungsbereich (A) für den Knoten basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die zweite Zeitperiode auf der ersten Zeitperiode basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Sender das Beacon während eines Beacon-Intervalls eines Superframes überträgt.