ES2555958T3 - Red de sensores inalámbricos de energía eficiente y procedimiento para disponer comunicaciones en una red de sensores inalámbricos - Google Patents

Abstract

Una red (100) de sensores inalámbricos que comprende - un primer nodo de cabecera (101) - un primer subnodo (102) adaptado para comunicar con el primer nodo de cabecera (101), haciendo así al primer nodo de cabecera (101) y al primer subnodo (102) miembros de un primer grupo (103) - un segundo nodo de cabecera (111) y - un segundo subnodo (112) adaptado para comunicar con el segundo nodo de cabecera (111), haciendo así al segundo nodo de cabecera (111) y al segundo subnodo (112) miembros de un segundo grupo; caracterizado porque - el primer nodo de cabecera (101) está adaptado para seleccionar una primera frecuencia para su uso en comunicaciones inalámbricas dentro del primer grupo (103) - el primer subnodo (102) está adaptado para comunicar con el primer nodo de cabecera (101) en dicha primera frecuencia, usando un esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo para permitir también a otros nodos comunicar con el primer nodo de cabecera (101) en dicha primera frecuencia - el segundo nodo de cabecera (111) está adaptado para averiguar la primera frecuencia seleccionada por el primer nodo de cabecera (101), y para seleccionar una segunda frecuencia - diferente de dicha primera frecuencia - para su uso en comunicaciones inalámbricas dentro del segundo grupo - el segundo subnodo (112) está adaptado para comunicar con el segundo nodo de cabecera (111) en dicha segunda frecuencia, usando un esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo para permitir también a otros nodos comunicar con el segundo nodo de cabecera (111) en dicha segunda frecuencia, - para comunicar información desde el primer grupo (103) al segundo grupo, el primer nodo de cabecera (101) está adaptado para averiguar la segunda frecuencia seleccionada por el segundo nodo de cabecera (111) y para comunicar con el segundo nodo de cabecera (111) en dicha segunda frecuencia, usando el mismo esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo que dicho segundo subnodo (112), y - el primer nodo de cabecera (101) y el segundo nodo de cabecera (111) están adaptados adicionalmente para transmitir de manera repetitiva señales (331, 332) de baliza de red en una tercera frecuencia, que es diferente de dicha primera frecuencia y dicha segunda frecuencia.

Description

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DESCRIPCION

Red de sensores inalambricos de ene^a eficiente y procedimiento para disponer comunicaciones en una red de sensores inalambricos

Campo tecnico

La presente invencion se refiere en general a la tecnologfa de redes de sensores inalambricos. Especialmente la invencion se refiere a optimizar el consumo de potencia global de una red de sensores inalambricos, principalmente a traves de medios para hallar protocolos de comunicaciones y disposiciones que encuentren un equilibrio eficaz entre el caudal de informacion requerido y la energfa consumida para transmitir y recibir informacion.

Antecedentes de la invencion

Una red de sensores inalambricos (WSN) es un caso especial de redes inalambricas, incluyendo las caractensticas espedficas de la misma en general requisitos muy estrictos para minimizar el tamano ffsico y el consumo de potencia de los dispositivos de nodo, asf como papeles especializados para los nodos: una gran mayona de los nodos son sensores que recopilan informacion y la transportan a ciertos nodos de sumidero de datos, que son pocos en numero y pueden actuar como pasarelas que pasan la informacion recopilada a otras redes y sistemas. Las redes de sensores inalambricos tienen frecuentemente una naturaleza ad-hoc, que significa que los nodos pueden ir y venir o realizar itinerancia desde una parte de la red a otra, y la propia red debe adaptarse los cambios consecuentes en topologfa y conectividad, necesitando a menudo capacidad de encaminamiento de multiples saltos. Las velocidades de caudal en redes de sensores son normalmente relativamente bajas, al menos en comparacion con las velocidades de datos de nivel de Mbit/s de las redes de comunicaciones entre ordenadores. Por motivos de generalidad, los accionadores tambien pueden considerarse como nodos; es habitual entender que la palabra “sensor” en redes de sensores inalambricos abarca ampliamente tanto sensores verdaderos como accionadores.

Las redes de sensores inalambricos y sus nodos se conocen en general a partir de numerosas publicaciones de la tecnica anterior. Una publicacion, el documento US 2004/0100917 A1, desvela un procedimiento de eleccion de dispositivo coordinador, el fin de lo cual es asegurar que ninguna parte de una red de sensores inalambricos ad-hoc se quede desconectada, asf como para minimizar la cantidad global de energfa necesaria para configurar comunicaciones dispuestas a traves de la red. La solucion desvelada en ese documento se basa en distribuir un mensaje de inicializacion a traves de la red, despues del cual cada nodo aplica un retardo aleatorio antes de difundir un mensaje de “peticion de estado de coordinador”. Otra publicacion, el documento US 2003/0152041 A1, describe ciertas caractensticas de nivel general de redes de sensores inalambricos, que incluyen asignacion jerarquica de nodos a una pluralidad de niveles de nodo asf como mantener un nodo dormido todas las veces distintas a inicializar el nodo o a hacer que realice una tarea.

Una publicacion de la tecnica anterior, el documento US 2002/0044533 A1, menciona las desventajas de depender de la posicion espacial conocida con precision de cada nodo, que convencionalmente requiere que cada nodo comprenda un receptor de GPS (Sistema de Posicionamiento Global). Como una alternativa mas ventajosa, dicha publicacion presenta un sistema en el que cada nodo averigua el conjunto completo de los otros nodos con los que basicamente podna comunicar, pero unicamente mantiene comunicaciones activas con un subconjunto de los mismos, que conduce a una manera independiente de posicion para configurar y mantener la topologfa de red. Otra publicacion de la tecnica anterior, el documento CA 2 311 245 A1, considera la division de nodos en dos niveles jerarquicos, de modo que cada nodo de nivel superior rige un grupo de nodos de nivel inferior vecinos, y unicamente son necesarias comunicaciones de “lmea troncal” superiores entre nodos de nivel superior.

Una publicacion de la tecnica anterior, el documento WO 01/69279, desvela una red de sensores inalambricos en la que cada nodo tiene su propio dispositivo de localizacion, y los nodos pueden intercambiar tanto informacion de localizacion como datos de reconocimiento. El sistema esta concebido principalmente para fines de reconocimiento militar. Otra publicacion de la tecnica anterior, el documento WO 01/26329, que es un miembro de una familia muy grande de solicitudes de patente interrelacionadas, desvela un numero muy grande de detalles que en el momento de la escritura de esta descripcion ya se consideran que forman el estado generalmente conocido de la tecnica de las redes de sensores inalambricos. Otra publicacion de la tecnica anterior mas es el documento US 6.208.247 B1, que se centra principalmente en la implementacion ffsica de dispositivos de nodo para redes de sensores inalambricos.

La fuente principal de dificultades en la ruta hacia el consumo de potencia minimizado en redes de sensores inalambricos es tradicionalmente el protocolo de comunicaciones que determina la cantidad y naturaleza de las transmisiones inalambricas entre los nodos. El hecho de que la red deba poderse adaptar dinamicamente a la aparicion y desaparicion de nodos asf como otros cambios en la topologfa de red significa que el protocolo de comunicaciones debe incluir suficientes procedimientos para descubrir posibilidades actualmente disponibles para comunicar con otros nodos, asf como rutinas para determinar el orden en el que los nodos actualmente conectados comunican entre sf. El protocolo de comunicaciones debena implicar un cierto grado de escalabilidad, que significa que debena facilitar las comunicaciones de energfa eficiente independientemente de cuantos nodos hayan en la red. Adicionalmente el protocolo de comunicaciones debena asegurar algun nivel mmimo requerido de caudal, es decir

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cantidad de informacion que puede transmitirse a un destino deseado a traves de la red en alguna unidad de tiempo. La parte mas importante del protocolo de comunicaciones se cree que es la parte MAC (Control de Acceso al Medio).

Los protocolos conocidos para redes de sensores inalambricos incluyen el Sensor-MAC (tambien conocido como S- MAC), el Timeout-MAC (T-MAC) y el IEEE 802.15.4 la norma de Red de Area Personal Inalambrica de Baja Velocidad (LR-WPAN). De estos, se ha descrito el S-MAC en la publicacion cientifica W. Ye, J. Heidemann, y D. Estrin: “Medium access control with coordinated, adaptive sleeping for wireless sensor networks”, ACM/IEEE Trans. Networking, vol. 12, N° 3, pags. 493-506, junio de 2004. Utiliza una estructura de intervalos comun en un esquema de MAC de Acceso Multiple por Deteccion de Portadora (CSMA). Los nodos se planifican para reactivarse e ir a espera periodicamente, lo que reduce el consumo de energfa significativamente en comparacion con CSMA convencional. Un intervalo S-MAC consiste en una transmision de sincronizacion de tipo baliza corta, un periodo activo de longitud fija (300 ms) para intercambio de datos, y un tiempo de espera hasta el final del intervalo. Cada nodo se reactiva en el comienzo de un intervalo y cualquier nodo que desee transmitir datos realiza acceso al canal CSMA/CA con una toma de contacto RTS/CTS (Peticion Para Enviar / Liberacion Para Enviar). La longitud del intervalo es un parametro MAC predefinido y estatico en el orden de 500 ms a 10 s. En la implementacion mas reciente, el protocolo S-MAC realiza exploracion de la red de 10 s de duracion cada 2 minutos. Evidentemente, la exploracion de red consume una cantidad alta de energfa.

El protocolo es similar a S-MAC, pero se mejora la eficiencia de energfa ajustando dinamicamente la longitud del periodo activo. Un nodo pasa al modo en espera si no puede recibir ninguna actividad en el canal en un intervalo de ifmite de tiempo de 15 ms. En contraste a S-MAC, la longitud del intervalo se fija a 610 ms. T-MAC realiza esporadicamente exploracion de red de 610 ms de duracion. Este corto tiempo de exploracion mantiene el consumo de energfa bastante bajo.

La norma IEEE 802.15.4 LR-WPAN es un miembro de la familia del IEEE 802.15.X de normas WPAN y se ha descrito en “Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANS)”, IEEE Std 802.15.4 - edicion del 2003. Utiliza acceso de canal CSMA/CA con uso opcional de estructura de supertrama, que es bastante similar a la estructura de intervalos S-MAC. Una red LR- WPAN consiste en coordinadores, que proporcionan servicios de sincronizacion y encaminan datos en una red, y dispositivos, que pueden comunicar con coordinadores. Los coordinadores controlan sus estructuras de supertrama transmitiendo balizas en el comienzo de cada supertrama. Una baliza se sigue por un Periodo de Acceso de Contienda (CAP), durante el cual los nodos de red pueden transmitir datos y peticiones a un coordinador usando CSMA/CA. El tipo de asignacion especializada opcional Intervalos de Tiempo Garantizados (GTS) despues de CAP reduce la contienda y latencia. El CAP y el GTS se siguen opcionalmente mediante un periodo inactivo hasta una siguiente baliza durante la que los nodos pueden pasar al modo en espera. El periodo de baliza y la longitud de supertrama son variables entre 15,4 ms a 252 s, que posibilita un equilibrio entre latencia y consumo de energfa. Los nodos LR-WPAN realizan exploracion de red periodicamente a traves de un conjunto de canales de RF. Cada canal se recibe para un intervalo de baliza o hasta que se ha recibido un numero especificado de balizas. El tiempo de exploracion del peor caso es por encima de 67 minutos, cuando se explora el intervalo de baliza maximo y todos los 16 canales especificados para la banda de frecuencia de 2,4 GHz. Esto equivale a la energfa de varios millones de transmisiones de baliza. Evidentemente, la energfa consumida para exploracion de red puede ser muy alta.

Un desarrollo adicional a LR-WPAN anteriormente descrito se conoce como el ZigBee y se describe en lmea en el sitio web oficial de la alianza ZigBee (
http://www.zigbee.org). Incluye definiciones de capa de red y de seguridad y perfiles de aplicacion y soporta listas de control de acceso, temporizadores de refresco de paquetes y ciertas normas de cifrado.

Otra sugerencia de protocolo es el Control de Acceso al Medio de Auto-Organizacion para Redes de Sensores (SMACS), descrito en la publicacion cientffica K. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi, y G. J. Pottie: “Protocols for selforganization of a wireless sensor network” IEEE Personal Communications, vol. 7, N° 5, pags. 16-27, octubre de 2000. Posibilita a los nodos descubrir sus vecinos, desde enlaces, y establecer planificaciones para transmision y recepcion sin la necesidad de nodos maestros. Una red usa topologfa entre pares con Acceso Multiple por Division de Frecuencia (FDMA), en la que cada enlace opera en diferentes canales de RF. El protocolo SMACS se basa en nodos inalambricos fijos. Sin embargo, el protocolo tiene una extension para gestion de movilidad mediante un algoritmo de Escucha Clandestina-Y-Registro (EAR), que posibilita la interconexion de nodos moviles en el campo de nodos inalambricos fijos. SMACS posibilita eficiencia de energfa bastante alta debido a los intervalos de intercambio de datos planificados. Las desventajas son altos requisitos de rendimiento para cada nodo y el soporte para movilidad unicamente limitada.

La Arquitectura de Grupo Unido (LCA) es una solucion que se ha conocido ya durante aproximadamente veinte anos. Se describio en primer lugar en la publicacion cientffica D. Baker, y A. Ephremides: “The architectural organization of a mobile radio network via a distributed algorithm”, IEEE Trans. Communications, vol. 29 N° 11, pags. 1694-1701, noviembre de 1981. Mejora la escalabilidad organizando la red en un conjunto de grupos, teniendo cada uno una cabecera de grupo, que actua como un controlador local. Los otros nodos son nodos normales, o nodos de pasarela, que ambos estan en alcance de comunicacion directa con la cabecera del grupo. LCA utiliza MAC de Acceso Multiple por Division en el Tiempo (TDMA) con intervalos de tiempo especializados para cada nodo. La

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transferencia de datos regular se suspende periodicamente mediante una fase de control para realizar un algoritmo de agrupacion distribuido, durante el que se detectan los nodos vecinos y se elige la funcion de nodo logico. En LCA, los nodos registran y mantienen informacion acerca de su entorno immediate, que hace al protocolo bastante bien escalable. La desventaja es que LCA utiliza una estructura de trama de TDMA global, que requiere un reloj global. Adicionalmente puesto que los nodos unicamente conocen sus grupos vecinos, no se soporta el encaminamiento de multiples saltos.

Otro protocolo conocido mas es la Jerarqrna de Agrupacion Adaptativa de Baja Energfa (LEACH) descrito en la publicacion cientifica W. Heinzelman, A. Chandrakasan, y H. Balakrishnan: “An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks”, IEEE Trans. Wireless Communications, vol. 1, N° 4, pags. 660-670, octubre de 2002. Es un protocolo MAC de asignacion especializada con topologfa agrupada. LEACH extiende la jerarqrna de red mediante una estacion base, que actua como una rafz en una red. Las cabeceras de grupos y la estacion base emplean unicamente comunicaciones directas. Por lo tanto, se utiliza una topologfa en estrella en dos niveles jerarquicos. El protocolo LEACH mejora la eficiencia de energfa de red total permitiendo a la mayona de los nodos transmitir a cortas distancias, y requerir que unicamente las cabeceras del grupo usen alta potencia de transmision para comunicar con una estacion base. En consecuencia, las cabeceras de grupo tienen una vida de batena mas corta que otros nodos, que puede reducir el tiempo de vida de la red global. Para distribuir el consumo de energfa mas uniformemente, LEACH propone rotar cabeceras de grupo aleatoriamente. Una desventaja es que la escalabilidad de la red esta limitada por la cobertura y el rendimiento de la estacion base.

Todas las sugerencias de protocolo conocidas incluyen desventajas que hacen inadecuado para usarse como el protocolo de comunicaciones para la red de sensores inalambricos de baja potencia final. Muchos de ellos simplemente requieren demasiadas transmisiones para calificar como soluciones verdaderamente de baja potencia. En otros, el tiempo que un nodo tipicamente necesita para la exploracion de la red es prohibitivamente largo. Un problema espedfico que surge en muchos protocolos avanzados de otra manera es que requieren usar hardware bastante complejo en cada nodo, por ejemplo para medir de manera repetitiva y almacenar multiples valores de RSSI (Indicadores de Intensidad de Senal Recibida).

Ademas, el documento US-B1-6304556 describe una red ad-hoc inalambrica que usa grupos de nodos.

Sumario de la invencion

Un objeto de la invencion es presentar una solucion de comunicaciones para una red de sensores inalambricos que posibilita reducir el consumo de potencia global de los nodos a un nivel en el que no necesitan necesariamente ninguna batena u otra fuente de energfa renovable o sustituible sino que puede recoger su energfa requerida a partir de fuentes secundarias, como vibracion, luz ambiental, diferencias de temperatura o similares. Otro objeto de la invencion es presentar una solucion de comunicaciones que posibilita gestion de red eficiente, por ejemplo, evitando tiempos de exploracion de red prohibitivos. Otro objeto mas de la invencion es presentar una solucion de comunicaciones que posibilita la seleccion de potencia de transmision y/o determinacion de distancia de transmision sin tener que medir de manera repetitiva el nivel de potencia de senal recibida o cantidad explteita similar.

Para conseguir los objetos de la invencion, se consideran varios aspectos y puntos de vista. Una disposicion ventajosa para asignar recursos de comunicaciones se encuentra que consiste en una combinacion de canalizacion de frecuencia y acceso de canal a intervalos de tiempo, significando lo ultimo una combinacion de MAC a intervalos y acceso multiple por division en el tiempo y que implica adicionalmente una combinacion de acceso aleatorio e intervalos reservables. La gestion de potencia esta basada mas ventajosamente en transmitir ciertas senales de baliza a al menos dos niveles de potencia en serie, de modo que un dispositivo de recepcion pueda deducir cual es el mmimo nivel de potencia requerido para transmision a traves de una cierta conexion inalambrica. Se reduce la exploracion de red innecesaria transmitiendo las denominadas balizas en reposo, que indican tiempo a un tiempo de recepcion util posterior. Se proporcionan posibilidades para circular el turno de actuacion en el papel de mayor demanda de potencia entre los nodos de red.

Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la invencion esta caracterizada por las caractensticas indicadas en la parte caracterizadora de la reivindicacion 11 dirigida a una red de sensores inalambricos.

Adicionalmente la invencion se aplica a un procedimiento para disponer comunicaciones en una red de sensores inalambricos, estando caracterizado el procedimiento por las caractensticas indicadas en la parte caracterizadora de la reivindicacion independiente 20 dirigida a un procedimiento.

Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la invencion tiene una topologfa que se asemeja a un grupo de estrellas interconectadas. Un numero de subnodos se comunica con un nodo de cabecera, constituyendo por lo tanto un grupo. Las comunicaciones entre grupos tienen lugar a traves de conexiones entre los nodos de cabecera de los grupos. Cada grupo tiene una frecuencia de comunicaciones espedfica de grupo para su uso al transmitir informacion entre los subnodos y el nodo de cabecera del grupo. Se aplica un esquema de acceso multiple por division en el tiempo espedfico de grupo en cada grupo, que contiene tanto intervalos de acceso aleatorio como intervalos reservables. Adicionalmente existe una frecuencia de senalizacion espedfica de red para su uso al transmitir senales de baliza de red.

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Existen dos tipos de senales de baliza. Cada nodo de cabecera transmite senales de baliza de red en la frecuencia de senalizacion espedfica de red de acuerdo con un cierto horario. Adicionalmente cada nodo de cabecera transmite senales de baliza de grupo en la frecuencia de comunicaciones espedfica de grupo de acuerdo con un cierto horario. Mas ventajosamente una transmision de baliza consiste en al menos dos apariciones de una trama de baliza en serie, transmitiendose cada aparicion a un nivel de potencia diferente (pero predeterminado). Un nodo de recepcion averigua cual es el nivel de potencia de transmision mas bajo en el que puede recibir aun la trama de baliza apropiadamente, y usa este hallazgo para estimar la distancia entre el y el nodo que emitio la transmision de baliza, y/o el nivel de potencia por defecto que debena usar para transmitir informacion en la direccion inversa a ese nodo.

Cada grupo tiene un denominado ciclo de acceso, que es un periodo de tiempo de aparicion de manera repetitiva durante el que tiene lugar un cierto periodo de comunicaciones activas (basado en TDMA) y un periodo en reposo relativamente largo. Esta division en un periodo de comunicaciones y periodo en reposo se conoce generalmente como MAC a intervalos. Si un nuevo subnodo quisiera unirse a un cierto grupo o si el nodo de cabecera de otro grupo quisiera establecer una conexion con el nodo de cabecera de dicho cierto grupo, debe realizar en primer lugar exploracion de red, es decir recibir continuamente o de acuerdo con algun horario de recepcion hasta que conozca la temporizacion y frecuencia usadas para la transmision en dicho cierto grupo. Un periodo de recepcion continuo requerido puede hacerse relativamente largo, si el periodo en reposo es continuo y ocupa una mayor parte del ciclo de acceso. Es ventajoso transmitir “balizas en reposo” durante el periodo en reposo, que anuncian al menos cuando tendra lugar el siguiente periodo de comunicaciones. Si cada nodo de cabecera transmite balizas a intervalos regulares (“periodo de baliza”), la recepcion continua para la duracion de un periodo de baliza debena asegurar que se averiguara la temporizacion y frecuencia de todos los grupos vecinos. Un nodo de cabecera puede preferir realizar exploracion de red para la duracion de un periodo de baliza completo, mientras un subnodo (o un nodo de cabecera con bajas reservas de energfa) unicamente necesita recibir continuamente hasta que recibe la siguiente transmision de baliza, sea una transmision de baliza real o una en reposo. En cualquier caso un lfmite de tiempo maximo util para la exploracion de red es un periodo de baliza.

Para operar como un nodo de cabecera, un dispositivo de nodo debe tener mas capacidades extensivas que las que son necesarias para operar como un subnodo. Por lo tanto, parecena ser logico proporcionar dos tipos de dispositivos de nodo, de los cuales alguno se unina unicamente a una red de sensores inalambricos como subnodos mientras que otros tomanan las responsabilidades de los nodos de cabecera. Por otro lado, puesto que operar como un nodo de cabecera consume mas energfa que operar como un subnodo, y puesto que los recursos de la energfa disponible pueden ser mas o menos iguales para todos los dispositivos de nodo (especialmente si los nodos recogen energfa de su entorno), es ventajoso si los nodos pueden circular la responsabilidad del nodo de cabecera entre ellos mismos. Esto es posible unicamente si existe un “exceso” de nodos que pueden operar como un nodo de cabecera. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la invencion puede consistir en una mezcla de dos tipos de nodos, o como alternativa de nodos de un tipo que unicamente pueden operar como nodos de cabecera si se requiere.

Las caractensticas novedosas que se consideran como caractensticas de la invencion se exponen en particular en las reivindicaciones adjuntas. La propia invencion, sin embargo, tanto en cuanto a su construccion como su procedimiento de operacion, junto con objetos adicionales y ventajas de la misma, se entendera mejor a partir de la siguiente descripcion de realizaciones espedficas cuando se leen en relacion con los dibujos adjuntos.

Las realizaciones ejemplares de la invencion presentadas en esta solicitud de patente no se han de interpretar para imponer limitaciones a la aplicabilidad de las reivindicaciones adjuntas. El verbo “comprender” se usa en esta solicitud de patente como una limitacion abierta que no excluye la existencia tambien de caractensticas no indicadas. Las caractensticas indicadas en las reivindicaciones dependientes son mutuamente combinables de manera libre a menos que se indique explfcitamente de otra manera.

Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1

La Figura 2

La Figura 3

La Figura 4 La Figura 5 La Figura 6 La Figura 7 La Figura 8

La Figura 9a La Figura 9b

ilustra topologfa ejemplar de una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion,

ilustra caractensticas de protocolo en una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion,

ilustra un ciclo de acceso y una estructura de supertrama de acuerdo con una realizacion de la invencion,

ilustra la division esquematica de energfa consumida para diversos fines, ilustra ciertas consideraciones relacionadas con optimizacion de velocidad de baliza, ilustra ciertas otras consideraciones relacionadas con optimizacion de velocidad de baliza, ilustra ciertas otras consideraciones mas relacionadas con optimizacion de velocidad de baliza, ilustra estructuras de trama en una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion,

ilustra aspectos de exploracion de red de acuerdo con una realizacion de la invencion, ilustra aspectos de asociacion de nodo de acuerdo con una realizacion de la invencion,

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La Figura 10

La Figura 11 La Figura 12

La Figura 13 La Figura 14

ilustra transferencia de datos en una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion,

ilustra dispositivo de nodo ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion,

ilustra arquitectura de software en un dispositivo de nodo de acuerdo con una realizacion de la

invencion,

ilustra ciertos nodos de cabecera que toman parte en minimizacion de latencia de datos y ilustra horarios de transmision de los nodos de la Figura 13.

Descripcion detallada de la invencion

La siguiente descripcion analizara diversos aspectos de la presente invencion en mas detalle. TOPOLOGfA DE RED

La Figura 1 es una ilustracion grafica ejemplar de la topologfa de una red 100 de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion. Hay un numero de nodos que actuan como nodos de cabecera, mostrados como drculos negros, como los nodos de cabecera 101 y 111. Cada nodo de cabecera tiene uno o mas subnodos 102 o 112, mostrados como drculos blancos pequenos, que comunican directamente con el nodo de cabecera. Juntos un nodo de cabecera y los subnodos que comunican directamente con dicho nodo de cabecera constituyen un grupo 103 o 113. Las comunicaciones entre grupos tienen lugar a traves de conexiones entre pares entre los nodos de cabecera. Se soportan multiples saltos y se posibilita basicamente las comunicaciones entre un par arbitrariamente seleccionado de nodos en la red.

Algunos de los nodos pueden actuar como nodos de sumidero, que significa que son usuarios de informacion (mientras los otros nodos son principalmente productores de informacion) y pueden proporcionar conexiones de pasarela a otros sistemas y/u otras redes. Los nodos de sumidero se muestran como drculos blancos grandes, como el nodo 104 de sumidero. Es ventajoso - aunque no obligatorio - que un nodo de sumidero actue como un nodo de cabecera en la topologfa de red. Un nodo de sumidero puede ser, por ejemplo, un accionador o un concentrador de datos que recopila informacion producida mediante subnodos de tipo sensor y la transporta a una unidad de procesamiento central. Es posible que un nodo de sumidero realice peticiones a la red y recopile unicamente aquella informacion en la que un accionador, un usuario u otra parte este actualmente interesado. Para limitar la congestion en trayectorias de transferencia que conducen a nodos de sumidero es ventajoso crear en la red una tendencia intrmseca para agregar datos. Un nodo de sumidero no se le impide producir informacion; en otras palabras la division en nodos productores de informacion y nodos usuarios de informacion no es necesario que sea definitiva. Adicionalmente debena observarse que los nodos de sumidero no son necesarios para la operacion de la red de sensores inalambricos; es posible tambien que un nodo de sumidero se ponga unicamente en la red de vez en cuando para recopilar informacion acumulada.

A diferencia de las celdas de sistemas de radio celulares, un grupo no se pretende que tenga un area de cobertura definida; ni que haya un objeto particular para proporcionar cobertura geografica extensiva o continua. La capacidad de las comunicaciones es unicamente necesaria en areas donde hay nodos, y por otro lado los nodos estan adaptados para proporcionar junto con las comunicaciones requeridas capacidad por sf mismos sin configuracion exterior. El numero de subnodos en cualquier grupo puede variar dinamicamente, pueden configurarse nuevos grupos, pueden disolverse o dividirse grupos antiguos, y “la red troncal” de conexiones entre nodos de cabecera puede cambiar su topologfa dependiendo de cuales de los dispositivos de nodo se elijan para actuar como nodos de cabecera. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion por lo tanto se auto- configura y es dinamicamente adaptativa a cambios tales como aparicion y desaparicion de nodos de cabecera y subnodos, cambios en las localizaciones ffsicas de los nodos, cambios en las condiciones de propagacion de senal entre los nodos y asf sucesivamente. Se encuentran diferencias adicionales a los sistemas de radio celulares en el protocolo MAC de acuerdo con una realizacion de la invencion, que se describira en mas detalle mas adelante.

Con respecto a las capacidades y funcionalidad de los dispositivos de nodo, se puede suponer que hay los denominados Dispositivos de Funcionalidad Reducida (RFD), que pueden actuar unicamente como subnodos, asf como Dispositivos de Funcionalidad Completa (FFD), que pueden actuar como subnodos o como nodos de cabecera. Las designaciones “RFD” y “FFD” son espedficas a la norma del IEEE 802.15.4 LR-WPAN, por lo que su uso en este punto debena considerarse que ilustra un paralelismo ejemplar, sin requerir que los RFD y FFD de una red de acuerdo con la invencion debenan ser exactamente los mismos que en dicha norma. Lo que un FFD debe tener como capacidades adicionales a aquellas de los RFD incluyen principalmente encaminamiento y agregacion de datos, que se describiran en mas detalle mas adelante. Al menos un FFD debe existir en cada grupo. Si hay mas, los FFD pueden circular la responsabilidad de actuar como el nodo de cabecera del grupo. Como una ultima alternativa todos los dispositivos de nodo en la red pueden ser FFD.

CONTROL DE ACCESO AL MEDIO EN LA PILA DE PROTOCOLO

Una pila de protocolo ventajosa que se sugiere para su uso en una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion consiste en cinco capas como se presenta en la Figura 2. En la parte inferior de la pila esta una capa 201 ffsica, que proporciona los procedimientos de intercambio de bits a traves del medio

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inalambrico. En la parte superior de la misma esta la capa 202 MAC, que se describe en mas detalle mas adelante. Hacia arriba de la capa 202 MAC hay una capa 203 de encaminamiento, que gestiona datos de multiples saltos que se reenvfan entre nodos de cabecera. La capa 203 no se usa en un subnodo. Una capa 204 de transporte realiza fragmentacion de datos en transmision y desfragmentacion en recepcion, y normalmente tambien se le da la tarea de soportar comunicacion de extremo a extremo entre una fuente de datos y un destino. Una capa 205 de aplicacion, que en redes de sensores esta estrechamente relacionada con una aplicacion de sensor, depende de la funcion logica de un nodo. En un subnodo, la capa de aplicacion consiste en funciones de adquisicion de muestra y preprocesamiento. En un nodo de cabecera se incluyen funciones de fusion de datos y distribucion de recursos.

Los detalles de la capa 202 MAC se presentan en el lado a la derecha de la Figura 2. Los Puntos de Acceso de Servicio (SAP) presentan las interfaces funcionales para acceder a servicios de protocolo MAC y a la capa ffsica. Los procedimientos 211 de gestion se ejecutan bajo demanda para formar y mantener la topologfa de red y gestionar la transferencia de datos. La senalizacion de gestion vertical con las capas de encaminamiento 203 y ffsica 201 se maneja mediante un SAP 212 de Gestion (MSAP) y un SAP 213 de Gestion Ffsica (PMSAP) respectivamente. Las funciones asociadas a procesamiento de datos de usuario se agrupan en el control 214 de trama, control 215 de cola, control 216 de error y acceso 217 de canal. Una capa superior (encaminamiento 203) se accede a traves de un SAP 218 de Datos (DSAp) y el transceptor de la capa 201 ffsica a traves del SAP 219 de Datos Ffsico (PDSAP). Una implementacion ejemplar de la funcionalidad 216 de control de error es una CRC (Comprobacion de Redundancia Cfclica) de 16 bits de descarte con acuses de recibo positivo unicamente y retransmision si se ha solicitado acuse de recibo pero no se obtiene antes del agotamiento de un lfmite tiempo predeterminado.

Las tramas de MAC se crean (en transmision) y desensamblan (en recepcion) mediante la funcion de ensamblaje de trama, que gestiona tambien el direccionamiento. Las cabidas utiles de datos de usuario se disponen en colas de acuerdo con sus prioridades. La funcion 216 de control de error realiza deteccion de error, acuses de recibo y retransmisiones. La funcion 217 de acceso de canal controla transmisiones y recepciones de trama en canales de RF usando funciones de temporizacion de ciclo de acceso y asignacion de frecuencia. Una funcion de ajuste de potencia selecciona nivel de potencia de TX alto o bajo de acuerdo con la distancia de transmision. Las prioridades de trama se controlan mediante la funcion de prioridades de acceso.

Incluso si el concepto tradicional del modelo OSI (Interconexion de Sistemas Abiertos) supone que las capas de protocolo son relativamente independientes entre sf, de modo que unicamente comunican entre sf a traves de interfaces inter-capa bien definidas, para minimizar el consumo de potencia es mas ventajoso considerar la pila de protocolo como una totalidad. Las decisiones mas cruciales que afectan directamente al ahorro de energfa se realizan con respecto a la capa MAC, por lo que las otras capas debeffan disenarse de modo que puedan adaptarse a y utilizar las peculiaridades de la capa MAC en la mayor medida posible. Por ejemplo, debeffa crearse tan poco trafico de control como sea posible por las otras capas de protocolo, y tal trafico de control debeffa adaptarse a sf mismo a la velocidad de datos, retardo, tamano de trama y otras restricciones impuestas por la capa MAC. Las limitaciones afectaran especialmente al protocolo de encaminamiento. No es posible cambiar continuamente y actualizar tablas de encaminamiento largas. Las rutas optimas a todos los destinos posibles no pueden mantenerse continuamente en la memoria de todos los nodos de cabecera. Se usara mas ventajosamente un protocolo de encaminamiento reactivo, que almacena en memoria la siguiente direccion de salto para cada destino necesario.

ESTRUCTURA DE CICLO E INTERVALO DE ACCESO

Una unidad basica de tiempo en el horario de transmision de un grupo es el ciclo de acceso. De acuerdo con la Figura 3, el ciclo 301 de acceso consiste en una supertrama 302 y un periodo 303 en reposo. La longitud relativa en tiempo de la supertrama 302 se ha exagerado por razones de claridad grafica en la Figura 3; aunque la longitud del ciclo 301 de acceso es un parametro de sistema y puede variar dependiendo del caudal deseado y valores de retardo, la supertrama 302 ocupa ffpicamente una porcion relativamente mas pequena de la supertrama de la Figura 3. Como un ejemplo, la longitud del ciclo 301 de acceso puede ser algo entre 1 y 10 segundos, mientras que una longitud sugerida para la supertrama 302 es 260 ms.

La supertrama 302 comprende un numero de intervalos. La invencion no limita el numero de intervalos en la supertrama, pero un valor ventajoso se ha encontrado que es 13 intervalos, cada uno de los cuales es de 20 ms de longitud en la supertrama de 260 ms de duracion ejemplar. De acuerdo con una realizacion de la invencion, el primer intervalo 311 de la supertrama es un intervalo de baliza de grupo, en el que el nodo de cabecera del grupo transmite una senal de baliza de grupo. De los intervalos restantes, ha sido ventajoso designar algunos intervalos como intervalos de acceso aleatorio o basados en contienda, mostrados en tachado sencillo en la Figura 3, de los cuales el intervalo 312 es un ejemplo. Puesto que el protocolo ALOHA es un ejemplo muy bien conocido de la transmision basada en contienda sencilla, dichos intervalos pueden denominarse intervalos ALOHA. Un numero ejemplar de intervalos ALOHA es cuatro. Los intervalos restantes, de los cuales el intervalo 313 es un ejemplo, son intervalos reservables. Aunque la realizacion de la invencion que se considera que es la mas ventajosa incluye tanto intervalos ALOHA como intervalos reservables en la supertrama, la invencion basicamente no excluye incluso supertramas que unicamente tuvieran intervalos de uno de estos tipos, ademas del intervalo de baliza de grupo. Los intervalos reservables son mejores que los intervalos ALOHA en terminos de eficiencia de energfa, puesto que unicamente necesitan recibirse intervalos reservables asignados, que habla en favor de tener mas intervalos reservables que

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intervalos ALOHA en la supertrama. Es imposible predecir fiablemente la aparicion de transmisiones en los intervalos ALOHA, que significa que deben recibirse como una totalidad.

Un uso planeado de los intervalos ALOHA y reservables implica mapear trafico de alta prioridad a intervalos de tiempo reservables en el protocolo MAC, que posibilita fiabilidad y un ancho de banda constante. Para trafico de prioridad normal, se usan los intervalos de tiempo ALOHA. Los intervalos ALOHA no necesitan reserva, y las colisiones de tramas pueden tener lugar debido a la contienda con otros nodos. Los acuses de recibo y las retransmisiones MAC rapidas pueden utilizarse para ambas clases de trafico, que proporciona un equilibrio entre fiabilidad y consumo de energfa. La prioridad de trafico y clases de fiabilidad y su mapeo en intervalos de tiempo se presenta en la siguiente tabla.

Prioridad de trafico y clase de fiabilidad

Intervalos de tiempo Acuses de recibo

reservable

ALOHA activado desactivado

Alta prioridad, alta fiabilidad

X X

Alta prioridad, fiabilidad normal

X X

Prioridad normal, alta fiabilidad

X X

Prioridad normal, fiabilidad normal

X X

Las tramas de datos estan dispuestas en dos colas para trafico de alta prioridad y normal. Las tramas en colas estan ordenadas de acuerdo con sus clases de fiabilidad, de manera que una clase de alta fiabilidad adelanta a una clase de fiabilidad normal. Tambien, los intervalos de tiempo ALOHA pueden utilizarse para trafico de alta prioridad, cuando una cola de trafico de alta prioridad se desborda. Los intervalos de tiempo reservables se asignan a nodos de acuerdo con prioridades de nodo. Se supone que los nodos de cabecera transmiten datos mas importantes que los subnodos, y tienen una alta prioridad de nodo. Una prioridad de nodo normal se asigna tfpicamente a los subnodos.

Basicamente sena posible decidir que la senal de baliza de grupo se transmite en alguna otra localizacion en la supertrama que en su mismo comienzo. Sin embargo, comenzar la supertrama con la senal de baliza de grupo tiene ciertas ventajas. Es facil para los otros nodos sincronizarse a sf mismos a la estructura de intervalo de la supertrama cuando comienza con la senal de baliza de grupo. Adicionalmente puesto que la senal de baliza de grupo contiene preferentemente la informacion mas reciente acerca de las asignaciones de intervalo con respecto a los intervalos reservables, es bueno para los otros nodos recibir esta informacion antes de la aparicion de los intervalos usados para intercambiar datos.

Ademas se ha encontrado ventajoso considerar cada intervalo como que consiste en una primera mitad y una segunda mitad. Con respecto al intervalo 311 de baliza de grupo, la primera mitad 321 se usa para transmitir una trama de baliza de grupo a un primer nivel de potencia (en este punto un nivel de potencia alto) y la segunda mitad 322 se usa para transmitir una copia esencialmente identica de la misma trama de baliza de grupo a un segundo nivel de potencia (en este punto un nivel de potencia bajo). El uso de diferentes niveles de potencia esta relacionado con determinar la distancia entre nodos y la potencia de transmision requerida para otras transmisiones, que se describira en mas detalle mas adelante. Las mitades de los intervalos ALOHA e intervalos reservables se asignan para transmision de enlace ascendente y enlace descendente. En este caso ejemplar la primera mitad 323 de un intervalo 313 reservable es la mitad del enlace ascendente, y la segunda mitad 324 es la mitad del enlace descendente respectivamente.

Haciendo que las mitades de enlace ascendente y enlace descendente (o mas generalmente: instantes de transmision de enlace ascendente y enlace descendente) se sigan entre sf muy rapido y en este orden facilita seleccionar la potencia de transmision para la transmision del enlace descendente basandose en una potencia de transmision usada para la transmision de enlace ascendente. Un nodo que hace una transmision de enlace ascendente seleccionara su potencia de transmision de enlace ascendente basandose en como de bien pueda recibir senales de baliza desde el nodo al que esta transmitiendo, como se describira en mas detalle mas adelante. La potencia de enlace ascendente seleccionada se anuncia mas ventajosamente en un campo de encabezamiento incluido en la transmision de enlace ascendente. El nodo que recibe la transmision de enlace ascendente lee el valor de dicho campo de encabezamiento y selecciona la potencia de transmision de enlace descendente correspondiente. La cercama en tiempo del par de transmision enlace ascendente-enlace descendente asegura que las condiciones de propagacion de senal probablemente han permanecido esencialmente iguales.

Adicionalmente la cercama en tiempo de los intervalos de enlace ascendente y enlace descendente juntos - asf como el hecho de que la longitud de intervalo sugerida es mas larga que el tiempo real que toma transmitir una trama - posibilitan un posible esquema de retransmision rapida, en el que un acuse de recibo negativo (o la ausencia de un acuse de recibo positivo incluso si se pidio uno) para una transmision de enlace ascendente desencadena una repeticion inmediata de la transmision de enlace ascendente durante el resto del tiempo que esta realmente

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originalmente asignado para la transmision de enlace descendente. Si es posible aumentar la potencia de transmision, es normalmente ventajoso usar potencia de transmision superior para la repeticion inmediata que la que se uso para la transmision de enlace ascendente original.

Usar intervalos de enlace descendente no es siempre necesario; al menos si la tarea principal de una red es transportar datos bastante unidireccionalmente desde subnodos a la direccion de los sumideros. Sin embargo, mantener informacion de encaminamiento necesita en muchos casos que la transmision de enlace descendente sea al menos posible, aunque la capacidad de enlace descendente no necesita ser simetricamente igual a la capacidad de enlace ascendente. Adicionalmente para acuses de recibo de comunicacion fiables despues son necesarias tramas de datos. En tales casos es ventajoso combinar el acuse de recibo y posibles datos de enlace descendente en una trama comun. Por lo tanto, la parte de enlace descendente no reduce la utilizacion de canal y eficiencia de energfa significativamente. La creacion de enlaces de datos de enlace descendente bajo bases de demanda reducina mas probablemente la eficiencia de energfa mucho mas. Ademas, la utilizacion de canal eficiente no es un asunto principal en las WSN, puesto que las velocidades de datos son muy bajas.

Un nodo que debena recibir datos en un intervalo reservable o que debena comprobar un intervalo ALOHA para averiguar, si contiene una transmision, no necesita necesariamente mantener su receptor encendido durante la duracion total del intervalo. Si se encuentra una transmision, el receptor puede apagarse inmediatamente despues de que se ha recibido completamente una trama (suponiendo que la longitud del intervalo sea mayor que la longitud de trama). Puesto que cada nodo esta adaptado mas preferentemente a realizar sus transmisiones en el mismo comienzo de un intervalo, con respecto a un intervalo vacfo es suficiente que el nodo de recepcion escuche la duracion de una cierta ventana de tiempo antes de que pueda deducir que no provienen transmisiones. La longitud de dicha ventana de tiempo puede expresarse como t + p, donde p es el tiempo que toma transmitir una trama y t es un tiempo adicional marginal usado para compensar errores de sincronizacion y tolerancias de cristal oscilante. Por ejemplo, pueden usarse los valores de t = 100 microsegundos y p = 256 microsegundos. Puede hacerse un calculo de equilibrio coste y energfa: usando un oscilador de cristal mas preciso (y mas caro) puede seleccionarse un valor mas pequeno de t, que reduce consumo de energfa.

Ademas de transmitir senales de baliza de grupo y emitir transmisiones de enlace descendente en los intervalos apropiados de la supertrama 302, un nodo de cabecera transmite senales de baliza de red en un canal de red. Para requerir unicamente que el nodo de cabecera tenga un unico transmisor de radio, es ventajoso planificar la transmision de las senales de baliza de red para que tengan lugar durante el periodo 303 en reposo. En la realizacion ejemplar de la Figura 3 un nodo de cabecera transmite una denominada senal 331 de baliza de red activa una vez durante cada ciclo 301 de acceso. En este punto la transmision de la senal 331 de baliza de red activa se planifica para que tenga lugar en el mismo fin de cada ciclo de acceso, de modo que la senal 331 de baliza de red activa sucedera inmediatamente mediante la transmision de la senal de baliza de grupo en el comienzo de una supertrama. Adicionalmente el nodo de cabecera transmite un numero de denominadas senales 332 de baliza de red en reposo durante el resto del periodo 303 en reposo. En este punto el numero de senales de baliza de red en reposo por ciclo de acceso es uno, pero podna ser cero o mas de uno. El periodo 333 de baliza es la longitud de tiempo entre el comienzo de una senal de baliza de red y el comienzo de la siguiente senal de baliza de red. Si el nodo de cabecera transmite senales de baliza de red a intervalos exactamente constantes, el periodo 333 de baliza es una constante bien definida, y su inversa puede denominarse la velocidad de baliza. Si las balizas de red se transmiten a intervalos variables, puede calcularse un periodo de baliza medio y una velocidad de baliza media correspondiente.

USAR TRANSMISIONES DE BALIZA EN REPOSO PARA AHORRAR POTENCIA

Se puede analizar el fin de las denominadas transmisiones de baliza en reposo (ejemplificadas anteriormente a traves de las senales de baliza de red en reposo) en mas detalle. Una suposicion comun con respecto a redes inalambricas es que mantener el numero de transmisiones por ciclo de tiempo tan pequeno como sea posible conduce a ahorros mayores en energfa. Sin embargo, esto no es completamente cierto. Hacer un cierto numero de transmisiones de baliza “innecesarias” ayuda a mantener el tiempo requerido para exploracion de red corto, que puede dar como resultado ahorrar mucha mas energfa que la que se consumira haciendo dichas transmisiones. Al contrario de la creencia comun, un transceptor de radio consume facilmente mas potencia en recepcion que en transmision. Un dispositivo de nodo ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion consume 20,07 mW de potencia en transmision a un nivel de potencia de -20 dBm, 30,68 mW en transmision a 0 dBm y 44,98 mW en recepcion, cuando el microcontrolador del dispositivo de nodo esta en modo activo. Adicionalmente se tiene que tener en mente que las transmisiones de baliza son breves y tienen lugar de acuerdo con una planificacion bien definida, mientras la exploracion de red es esencialmente continua y dura un tiempo imprevisto hasta que produce un resultado o tiene lugar un lfmite de tiempo, y que potencialmente existen muchos mas subnodos que necesitan realizar exploracion de red que nodos de cabecera que hacen transmisiones de baliza.

La Figura 4 ilustra una division esquematica de la energfa que un nodo consume en comunicaciones inalambricas en energfa 401 de arranque, energfa 402 de intercambio de datos y energfa 403 de mantenimiento de red. De estos, la energfa 401 de arranque consiste en exploracion de red y recepciones de baliza para detectar nodos en un alcance asf como asociacion de red, que significa el intercambio de transmisiones requeridas para conectar el nodo a la red. El intervalo 411 de tiempo durante el que se consume la energfa 401 de arranque puede designarse como el periodo

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de arranque de nodo. La ene^a 402 de intercambio de datos consiste en transmisiones y recepciones que se requieren para transportar los datos de cabida util de capa superior y acuses de recibo. La energfa 403 de mantenimiento de red se gasta en transmitir y recibir senales de baliza asf como realizar exploracion de red periodica para actualizar informacion de topologfa de red. El periodo 412 en el que el nodo gasta la energfa 402 de intercambio de datos y la energfa 403 de mantenimiento de red es el tiempo de vida del nodo, durante el que el nodo esta disponible para participacion activa en operacion de red.

Las dimensiones verticales de los bloques 401, 402 y 403 son ejemplares y no hacen referencia a ningun significado cuantitativo o informacion acerca de la energfa o potencia real. El consumo de potencia global es facilmente el mas alto durante el periodo 411 de arranque de nodo, puesto que una vez que el nodo ha adquirido suficiente conocimiento acerca de los horarios de comunicaciones y niveles de potencia requeridos, puede aplicar de manera eficaz estrategias de ahorro de energfa durante el tiempo de vida 412 del nodo.

Las importancias relativas de la energfa 401 de arranque, la energfa 402 de intercambio de datos y la energfa 403 de mantenimiento de red al presupuesto de energfa de toda una red dependen de la naturaleza de la red. En una red altamente dinamica con tiempos de vida de nodo muy cortos puede ser incluso que la energfa 401 de arranque sea la que domine. Sin embargo, en casos tfpicos los tiempos de vida de los nodos pueden ser meses o incluso anos, caso en el que la importancia relativa de la energfa 401 de arranque permanece insignificante.

Para modelar matematicamente el consumo de energfa de una red se necesitan ciertas definiciones. La energfa Ex usada para transmitir una trama de datos es

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donde

Lf = longitud de trama en bits

Ei = energfa necesaria para intercambiar un bit de datos entre el controlador de nodo y el transceptor

Tst = longitud en tiempo de un periodo transitorio de arranque del transceptor R = velocidad de datos de radio en bits/segundo y

Ptx = consumo de potencia en modo de transmision, cuando tambien el controlador de modo esta en modo activo.

Se espera que el consumo de potencia medio durante el periodo de arranque del transceptor sea el mismo que Ptx. Si hay multiples valores posibles para el nivel de potencia de transmision, estos afectan directamente a Ptx, que a su vez se observa como multiples valores de Ex. Por motivos de ejemplo, se supone que hay un nivel de potencia de transmision alto y un nivel de potencia de transmision bajo, dando como resultado diferentes valores Etx(aito) y Ex(bajo)- La energfa de recepcion de trama E„ es

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donde

Ti = longitud en tiempo de un periodo de escucha en reposo y

Prx = consumo de potencia en modo de recepcion, cuando tambien el controlador de nodo esta en modo activo.

Si la exploracion de red siempre da como resultado recibir satisfactoriamente la siguiente senal de baliza disponible, el tiempo de exploracion de red del peor caso es esencialmente igual a la inversa de la velocidad de baliza fb (se supone que un nodo de cabecera siempre realizara exploracion de red para todo el periodo de baliza, mientras un subnodo puede dejar de explorar inmediatamente despues de haber encontrado un grupo adecuado, donde “adecuado” significa que el nodo de cabecera del grupo esta suficientemente cerca y el grupo no aparece altamente cargado de manera prohibitiva). Por lo tanto se puede expresar la energfa de exploracion de red Ens como

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Realmente la expresion anterior es una aproximacion, porque no tiene en cuenta la energfa usada para transferir los datos recibidos desde el transceptor de radio a una unidad de procesamiento del nodo. La diferencia es insignificante, sin embargo, puesto que el transceptor debe estar en modo en reserva (y no en modo de recepcion) mientras se transfieren los datos a la unidad de procesamiento. El tiempo que toma cargar una trama de datos recibidos es aproximadamente 1 ms.

Para el fin de los siguientes calculos se supone que las operaciones de intercambio de datos tienen prioridad superior que las transmisiones de baliza, de modo que la energfa de intercambio de datos no se ve afectada por la

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velocidad de baliza. Una secuencia de arranque de nodo consiste en exploracion de red (que puede dar como resultado recibir varias senales de baliza de red hasta que se encuentre un grupo adecuado, pero se supone que esta limitado a un periodo de baliza), recepcion de baliza de red, recepcion de baliza de grupo, transmision de trama de asociacion y recepcion de acuse de recibo. Se supone que la trama de asociacion se va a transmitir en el nivel de potencia de transmision bajo anteriormente mencionado. La expresion para una energfa de arranque de nodo Es es por lo tanto

Es=Ens+3Erx+E,x(bajo) ■ (4)

Esto muestra que la ene^a de arranque de nodo es inversamente proporcional a la velocidad de baliza fb. Con los valores ejemplares de Lf = 256 bits, Ei = 2,3 nJ/bit, Tst = 250 |is, R = 1 Mbps, Px(aito) = 30,68 mW, Ptx(bajo) = 20,07 mW, Ti = 300 |is y Prx = 44,98 mW se obtiene una energfa de arranque de nodo de 4,6 mJ para una velocidad de baliza de 10 Hz y 45 mJ para una velocidad de baliza de 1 Hz.

Las operaciones de mantenimiento de red se realizan continuamente durante todo el tiempo de vida de la red. Por lo tanto, es mas conveniente considerar el consumo de energfa sobre periodos de 1 s de operacion, que equivale a consumo de potencia medio. Una potencia de mantenimiento de red media Pm se define como una suma de la potencia de exploracion de red Pns y potencia de intercambio de baliza Pb. Ademas la energfa de exploracion de red, Pns depende de la velocidad requerida de las operaciones de exploracion de red que posibilita encaminamiento de datos adecuado en la red. Esto depende de la dinamica de la red y se define como intervalo de exploracion de red Ts. Como los nodos de cabecera usan distancias de comunicacion mas largas y encaminamiento de datos mas complejo, se supone que realizan exploracion de red mas frecuentemente que los subnodos. Por lo tanto, el intervalo de exploracion de red se define por separado para nodos de cabecera (Ts(h)) y subnodos (Ts(s)). Pns se promedia por nodo, que tiene en cuenta el numero ns de subnodos por cada nodo de cabecera. Por lo tanto, se obtiene la potencia de exploracion de red mediante

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Para obtener resultados tangibles, se puede fijar Ts(h, Ts(s) y ns a algunos valores ejemplares, como 100 s y 500 s respectivamente para los intervalos de exploracion de red y ns = cuatro subnodos por cada nodo de cabecera. Adicionalmente se supone que la longitud Tac de un ciclo de acceso es 4 s. En la Figura 5, la curva 501 ilustra la potencia de exploracion de red Pns, que disminuye rapidamente a medida que la velocidad de baliza fb aumenta. Se obtiene una disminucion desde 160 |iW a 16 |iW a medida que la velocidad de baliza aumenta desde 1 Hz a 10 Hz.

La potencia de intercambio de baliza se consume mediante transmisiones y recepciones de baliza. Ademas de las balizas de red transmitidas a la velocidad fb, se transmiten balizas de grupo una vez por ciclo de acceso, la longitud del cual es Tac. Por simplicidad, se supone que las balizas de grupo se van a recibir desde un nodo de cabecera unicamente. Como se ha indicado anteriormente, por razones de control de potencia es aconsejable transmitir siempre tramas de baliza dos veces, en primer lugar usando el nivel de potencia superior y posteriormente el inferior. Por lo tanto la potencia Pb consumida por el intercambio de baliza puede modelarse como

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La variacion de Pb con fb se representa tambien en la Figura 5 como la curva 502. En contraste a la potencia de exploracion de red, la potencia de intercambio de baliza Pb puede minimizarse minimizando fb. La potencia de intercambio de baliza Pb disminuye desde 71 |iW a 23 |iW a medida que fb disminuye desde 10 Hz a 1 Hz. Como se observa en la figura, la potencia de mantenimiento de red Pm, que se representa como la curva 503, tiene un mmimo (77 |iW) en la velocidad de baliza de 5,6 Hz. A velocidades de baliza bajas por debajo de 1 Hz, Pm tfpicamente dobla a medida que la velocidad de baliza se reduce a la mitad. El efecto se invierte a velocidades de baliza altas por encima de 10 Hz.

A continuacion, se considera el efecto del intervalo de exploracion de red y el numero de subnodos por nodo de cabecera en consumo de potencia de mantenimiento. Evidentemente, el aumento del intervalo de exploracion de red reduce la potencia para exploracion de red y desplaza la Pm minima a velocidades de baliza inferiores. Como un ejemplo cuando fb es 1 Hz, Pm aumenta desde 55 |iW a 833 |iW a medida que Ts(h) disminuye desde 500 s a 20 s. Por otro lado, el aumento de ns reduce la potencia media por nodo consumida para transmisiones de baliza. Como los subnodos tienen tipicamente intervalos de exploracion de red mas largos que los nodos de cabecera, el consumo de potencia de exploracion de red tambien se reduce. Cuando fb es 1 Hz, el aumento de ns desde 0 a 8 reduce Pm desde 500 |iW a 150 |iW.

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Un consumo de potencia de nodo media en una red de sensores inalambricos sin exploracion de red puede ser, por ejemplo, en el orden de 100 |iW. Por lo tanto, el consumo de potencia de mantenimiento de red tiene un efecto muy significativo en todo el tiempo de vida de la red. A continuacion se aplica la suposicion acerca del tiempo de vida de nodo largo (es decir, la energfa de arranque permanece insignificante al consumo de energfa de nodo total). La velocidad de baliza optima fb* se determina minimizando la potencia de mantenimiento de red con respecto a la velocidad de baliza. Una funcion de optimizacion puede escribirse como

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donde Eb = Exaito) + Etx(bajo)- Puede observarse que existe un unico mmimo en fb * que se obtiene ajustando dPm/dfb = 0 en (7). Esto produce

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Por lo tanto, la velocidad de baliza optima se determina mediante los parametros de red Ts(h), TS(S) y ns, y los parametros de radio Eb y Prx.

La Figura 6 presenta la variacion de fb* con TS(h), con valores de ns como 0 (curva 601), 1 (curva 602), 4 (curva 603) y 8 (curva 604). La relacion TS(S) / TS(h) se fija a 5. Para los parametros dados, la velocidad de baliza optima fb* vana entre 2 - 21 Hz. El aumento de los subnodos por un nodo de cabecera eleva la velocidad de baliza optima. Aunque esto aumenta el consumo de potencia del nodo de cabecera, el consumo de potencia de red global se reduce debido a operaciones de exploracion de red mas cortas.

La Figura 7 presenta fb* como una funcion de TS(h), ya que la relacion TS(S) / Ts(h) equivale a 2 (curva 703), 5 (curva 702) y 10 (curva 703). Evidentemente, la reduccion de la relacion Ts(s) / Ts(h) aumenta la velocidad de baliza optima, puesto que las operaciones de exploracion de red se realizan mas frecuentemente. Cuando Ts(h) es 100 s y Ts(s) / Ts(h) se reduce desde 10 a 2, la velocidad de baliza optima aumenta desde 5,5 Hz a 9,2 Hz.

Como una conclusion de esta subseccion se puede observar que la velocidad de baliza de una red de sensores inalambricos tiene un efecto muy significativo en el consumo de potencia de mantenimiento, que se define como la suma de potencia de intercambio de baliza y potencia de exploracion de red. La velocidad de baliza se optimiza con respecto al intervalo de exploracion de red requerido determinado mediante la dinamica de la red y el algoritmo de encaminamiento de datos. Las estimaciones representan que la potencia de mantenimiento de red vana desde por debajo de 100 |iW a incluso varios milivatios, para que la velocidad de baliza tenga la influencia mas significativa. Para el caso ejemplar anteriormente analizado, la velocidad de baliza optima en aplicaciones tfpicas y una red razonablemente estable es de aproximadamente 5 Hz. Para una red dinamica que requiere exploracion de red frecuente, la velocidad de baliza optima esta en el orden de 20 Hz. La funcion de optimizacion utilizada no considera las colisiones en el canal de red, que se hacen notables a velocidades de baliza superiores y redes densas. Por lo tanto, es razonable preferir velocidades de baliza por debajo de 10 Hz. De manera mas importante los hallazgos con respecto a optimizacion de la velocidad de baliza son genericos y pueden aplicarse a soluciones de red de sensores inalambricos previamente conocidas, tales como la norma LR-WPAN asf como los protocolos S-MAC y T-MAC. Como una norma general, en soluciones como LR-WPAN las balizas adicionales transmitidas durante el periodo inactivo del coordinador reducinan eficazmente el tiempo de exploracion de red, si el intervalo de baliza fuera de otra manera largo, por encima de 1 s. En redes densas y grandes, una velocidad de baliza optima seria un poco inferior que en el analisis anterior debido a la probabilidad de colision superior.

SINCRONIZACION DE TIEMPO

Aunque los grupos son asmcronos con respecto entre si, una capacidad para ensanchar una referencia de tiempo a nivel de red entre los nodos es especialmente ventajosa si los valores de medicion u otros datos debieran indicarse en el tiempo, que ayuda a evitar confusiones cuando los datos de medicion que se originan desde diferentes fuentes o han recorrido a traves de diferentes rutas se fusionan y agregan. Por ejemplo, realizar indicaciones de tiempo hace posible deducir la velocidad y direccion de movimiento de un objetivo en movimiento que produce resultados de medicion en diversos nodos de sensor en diferentes instantes de tiempo. Esto puede requerir adicionalmente informacion acerca de las localizaciones de al menos algunos de los nodos; el conocimiento de localizacion se consigue facilmente, por ejemplo, programando ciertos nodos fijos para conocer sus coordenadas y anunciarlos en sus mensajes de datos al nodo o nodos de sumidero.

Un requisito natural para sincronizacion de tiempo es que debe conseguirse con un mmimo numero posible de mensajes de control transmitidos y recibidos, es decir, con una minima energfa posible consumida al distribuir la

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referencia de tiempo.

De acuerdo con una realizacion de la invencion, las senales de baliza de red y las senales de baliza de grupo se usan para propagar una referencia de tiempo a traves de la red de sensores inalambricos con una precision deseada, tal como un microsegundo. Se supone que existe un nodo en la red que tiene excepcionalmente buen acceso a tiempo de referencia externo preciso. Tfpicamente ese nodo es un nodo de sumidero, o puede ser un nodo de referencia de tiempo especializado equipado con un reloj preciso, un receptor de GPS o fuente de tiempo similar.

Las senales de baliza de red y las senales de baliza de grupo pueden tener diferentes papeles en propagar la referencia de tiempo. De acuerdo con una sugerencia, una trama de baliza de red contiene un tiempo completo absoluto expresado con, por ejemplo, 48 bits, que con la resolucion ejemplar de un microsegundo significana un tiempo expresable global que abarca aproximadamente nueve anos. Una trama de baliza de grupo puede contener un denominado tiempo corto, que unicamente incluye un numero (tal como 16 bits, que significa tiempo de 65 milisegundos que abarca con una resolucion de un microsegundo) de los bits menos significativos del tiempo completo. La indicacion de tiempo contenida en una trama de baliza debena expresar el tiempo en el que se transmitio esa trama de baliza.

Ademas de la propia indicacion de tiempo, es ventajoso incluir en la transmision de baliza un indicador de como de precisa se cree que es la referencia de tiempo. Un indicador sencillo es un campo de saltos de tiempo, el valor del cual es cero en el nodo que actua como una fuente de tiempo de referencia y aumenta con uno en cada nodo que reenvfa la referencia de tiempo. Un indicador mas elaborado puede incluir tambien una indicacion de cuanto tiempo ha pasado desde que el nodo de transmision recibio una referencia de tiempo desde algun lugar cercano a la fuente de tiempo de referencia, puesto que tiene lugar desviacion en todos los cristales que actuan como relojes locales en los nodos. Si un nodo tiene multiples transmisiones de referencia de tiempo recibidas desde las que elegir, debena seleccionar siempre la que en el indicador indica la mejor precision posible de la referencia de tiempo.

Al menos estan disponibles dos alternativas basicas para su uso como la estrategia para poner una referencia de tiempo recibida en uso. De acuerdo con una alternativa sencilla un nodo simplemente recibe una transmision de baliza, lee la indicacion de tiempo y - al menos si el indicador de precision satisface algun criterio de aceptacion - toma simplemente la referencia de tiempo en uso como un indicador del tiempo exacto en el que se recibio la senal de baliza. Incluso si tomar la referencia de tiempo en uso incluye anadir algun retardo por defecto, esta alternativa sencilla dara como resultado inevitablemente alguna imprecision de temporizacion, puesto que el tiempo que toma para la transmision propagarse a traves del aire y a traves del hardware de transmision y de recepcion, incluyendo el procesamiento de MAC, no se conoce con exactitud. Sin embargo, la precision conseguida en muchos casos es suficiente, si la red no incluye ninguna aplicacion que dependiera de sincronizacion exacta.

De acuerdo con una alternativa mas elaborada y mas precisa, un primer nodo transmite una referencia de tiempo en una baliza de grupo en un tiempo to. Un segundo nodo recibe esta baliza de grupo e indica el tiempo de recepcion como ti de acuerdo con su propio reloj. El segundo nodo almacena los tiempos to y ti pero no actualiza aun su propio reloj de acuerdo con la referencia de tiempo. En un intervalo de transmision de enlace ascendente el segundo nodo transmite una trama de datos al primer nodo en un tiempo t2, que el segundo nodo almacena de nuevo. El primer nodo indica la recepcion de dicha trama de datos como t3 y envfa un numero de bits menos significativos de la indicacion de tiempo t3 al segundo nodo en una trama de acuse de recibo. Ahora el segundo nodo conoce todos los tiempos to, ti, t2 y t3 y puede calcular un tiempo de propagacion tpropagacion como sigue:

imagen8

Ahora el segundo nodo puede actualizar su propio tiempo t como sigue:

t = t + (t0-t1)+tpropagacion . (10)

Se puede observar que los retardos de transferencia son tipicamente mas cortos de 1 milisegundo. Por lo tanto para transferir el tiempo t3 en una trama de acuse de recibo debena ser suficiente reservar algo como de 12 a 16 bits; 12 bits significanan un rango de tiempo posible de +2 ms, mientras 16 bits son suficientes para +32 ms. Un maximo de 16 bits reservados para este fin no es una reserva excesiva desde una trama. Sin embargo, si se selecciona este principio para distribuir la referencia de tiempo, debena realizarse una reserva de este tipo para tramas de enlace descendente. Para evitar complicaciones es ventajoso hacer que todos los nodos de una red de sensores inalambricos siempre apliquen el mismo principio seleccionado para distribuir la referencia de tiempo.

Si la fuente de tiempo de referencia original fue un nodo de sumidero, la referencia de tiempo tfpicamente se propaga hacia abajo en la jerarqrna de red similar a arbol en una direccion inversa en comparacion con la propagacion de datos hacia arriba a traves del nodo de sumidero. Si la trayectoria optima (obtenida desde factores como energfa global, carga de nodo de cabecera, calidad de enlace) entre un nodo X y el nodo de sumidero es larga y dicho nodo X necesita una referencia de tiempo mas precisa, puede obtenerla desde un nodo cercano equipado con GPS (o que pueda espedficamente de otra manera) escuchando regularmente las transmisiones de (red o

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grupo) senal de baliza de ese nodo. El nodo X debe por lo tanto permanecer consciente acerca de la temporizacion y frecuencia de tanto el nodo equipado con GPS como ese nodo de cabecera adyacente a traves del que transmite datos hacia el nodo de sumidero. Para mantener el consumo de ene^a global al mmimo no es aconsejable aumentar la exploracion de red.

ESTRUCTURAS DE TRAMA

La Figura 8 ilustra una estructura 800 de trama ventajosa que puede usarse para transmisiones en una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion. Utilizar un formato de trama de longitud fija reduce ligeramente la eficiencia de energfa del transceptor en comparacion con una posibilidad alternativa de permitir que la longitud de trama vane dependiendo del numero de bits real a transmitirse. Sin embargo, las tramas de longitud fija simplifican la gestion de memoria y la decodificacion de encabezamientos, y mejoran la robustez del esquema de TDMA.

Una seleccion ejemplar de tipos de trama especifica 13 tipos de trama, que se mapean en tres formatos de trama MAC. Un tipo de trama de baliza de red usa un formato de trama de baliza de red. En correspondencia, un tipo de trama de baliza de grupo usa un formato de trama de baliza de grupo. Todos los otros tipos de trama (es decir, datos, asociacion, reserva de intervalo, acuse de recibo, asociacion y reserva de intervalo combinados, acuse de recibo y reserva de intervalo combinados, datos y asociacion combinados, datos y reserva de intervalo combinados, datos y acuse de recibo combinados, datos y asociacion y reserva de intervalo combinados, y datos y acuse de recibo y reserva de intervalo combinados) usan un formato de trama de datos. Agregar datos, asociacion, acuses de recibo y reservas para tramas comunes debena usarse siempre que sea posible, si unicamente debido a la energfa transitoria requerida para arrancar un transceptor es del mismo orden de magnitud que la energfa requerida para la propia transmision. Dicha agregacion ayuda tambien a minimizar retardos producidos por cambios de topologfa en la red, puesto que los datos pueden transmitirse inmediatamente con el mensaje de control apropiado (tal como un mensaje de asociacion o de reserva de intervalo). Agregar se usa tambien mas ventajosamente mediante nodos de cabecera que transportan mensajes de datos sencillos (tal como resultados de medicion) desde varios subnodos hacia un nodo de sumidero, de modo que las cabidas utiles y los datos de identificacion de nodo adecuados se combinan en tramas comunes si es posible.

Todas las tramas son de 32 bytes de largo, que consisten en un encabezamiento 801 ffsico, encabezamiento 802 MAC, encabezamiento 803 espedfico de tipo, cabida util 804, relleno 805 (si se requiere) y un final 806. Las longitudes ejemplares para dichos campos son 40 bits para el encabezamiento 801 ffsico, 64 bits para el encabezamiento 802 mAc, 136 bits juntos para el encabezamiento 803 espedfico de tipo, cabida util 804 y relleno 805, asf como 16 bits para el final 806.

Un encabezamiento 801 ffsico consiste en una secuencia 811 de preambulo (por ejemplo, 8 bits) para sincronizacion de bits de transceptor, y una direccion 812 de red (por ejemplo, 32 bits) usada para distinguir tramas reales de ruido de fondo y para identificar una unica red de sensores inalambricos. Un encabezamiento 802 MAC comienza con un codigo 821 de tipo de trama (por ejemplo, 4 bits). Un campo 822 de potencia de TX (por ejemplo, 4 bits) especifica la potencia de transmision usada para la trama actual. Los campos de direccion incluyen una direccion 823 de grupo de destino (por ejemplo, 16 bits), una direccion 824 de nodo de destino (por ejemplo, 8 bits), una direccion 825 de grupo de fuente (por ejemplo, 16 bits) y una direccion 826 de nodo de fuente (por ejemplo, 8 bits). Un campo 827 de longitud de cabida util (por ejemplo, 8 bits) finaliza el encabezamiento 802 MAC.

Los formatos de un encabezamiento 803 espedfico de tipo y una cabida util 804 dependen del tipo de trama. La cabida util sin uso se rellena mediante el relleno 805 para mantener la longitud de trama fija. La longitud del relleno 805 puede obtenerse desde el campo 827 de longitud de cabida util del encabezamiento 802 MAC. En el final de cada trama, se usa un final 806 para deteccion de error.

El encabezamiento espedfico de tipo de una trama de datos comienza con un campo 831 de prioridad (por ejemplo, 1 bit), que describe el nivel de prioridad de datos de cabida util. Un campo 832 de tipo nodo (por ejemplo, 1 bit) define si el nodo de transmision es un subnodo o un nodo de cabecera. Se pide un acuse de recibo para una trama de datos actual mediante un campo 833 de peticion de ack (por ejemplo, 1 bit). Un campo 834 de estado de ack (por ejemplo, 1 bit) es para realizar acuse de recibo de una trama de datos anterior. Si se usa un campo de estado de ack mas largo, o si el bit de estado de ack en el campo 834 solo solicita al dispositivo de recepcion buscar un mensaje de acuse de recibo en la parte de cabida util de la trama, o si se consigue el acuse de recibo enviando tramas de acuse de recibo espedficas, el acuse de recibo puede incluir tambien un numero de secuencia u otro identificador de la trama de datos que se realiza acuse de recibo. Una cabida util de trama de datos contiene datos 841 de usuario transferidos entre capas de protocolo superiores.

El encabezamiento espedfico de tipo para balizas de red y de grupo comienza con un campo 835 de frecuencia (por ejemplo, 8 bits) que define el canal de RF del grupo. Un campo 836 de energfa (por ejemplo, 8 bits) define la reserva de energfa del nodo de cabecera. La carga del grupo, resultante del numero de subnodos asociados, actividad de encaminamiento de datos, y agregacion de datos, se especifica mediante un campo 837 de carga (por ejemplo, 8 bits). De acuerdo con informacion de energfa y carga, los nuevos subnodos pueden seleccionar el nodo de cabecera mas adecuado. Una cabida util en tramas de baliza es espedfica de tipo. Una cabida util de baliza de red contiene

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un campo 842 (por ejemplo, 32 bits) para anunciar el tiempo a la siguiente baliza de grupo, por ejemplo en resolucion de 100 |is. Por lo tanto, otros nodos pueden volver al modo en espera hasta el comienzo de una siguiente supertrama. Adicionalmente la cabida util de baliza de red contiene un campo 843 (por ejemplo, 48 bits) para distribuir la referencia de tiempo completa, asf como un campo 844 (por ejemplo, 8 bits) para transmitir un indicador de precision de tiempo. Una cabida util de baliza de grupo especifica una longitud 845 de ciclo de acceso (por ejemplo, 32 bits) en resolucion de 100 |is para mantener sincronizacion de grupo, posibles ciclos 846 en espera (por ejemplo, 8 bits) para suspender temporalmente la comunicacion en un grupo, una referencia 847 de tiempo corta (por ejemplo, 16 bits), un indicador 848 de precision de tiempo (por ejemplo, 8 bits) y una tabla 849 de asignacion de intervalo de tiempo reservable (por ejemplo, 64 bits), que especifica reservas de intervalos actuales.

PROCEDIMIENTOS DE GESTION

Los procedimientos de gestion de una red de sensores inalambricos especifican mecanismos para soportar auto- configuracion de red y conservacion de energfa. Los mecanismos incluyen exploracion de grupo, estimacion de distancia, formacion de red, asociacion de grupo, reserva de intervalo y ciclos de espera. Los primeros cuatro de estos se muestran esquematicamente como partes de las figuras 9a y 9b.

Un procedimiento de exploracion de grupo se usa cuando un nodo necesita descubrir un grupo vecino para asociacion o reenvfo de datos. En la Figura 9a el procedimiento de exploracion de grupo se ilustra como las etapas 901 a 906. Despues de haber iniciado la exploracion en la etapa 901, un nodo escucha al canal de red en el bucle que consiste en las etapas 902 y 903, intentando recibir balizas de red desde grupos vecinos. El consumo de energfa para explorar es significativo, puesto que el transceptor esta en la escucha en reposo y en el modo RX durante un largo tiempo. Dependiendo de la configuracion, la exploracion puede finalizarse despues de un periodo de baliza de red (“modo temporizado”), tiempo durante el que se reciben balizas de red desde todos los grupos vecinos con una alta probabilidad. Por lo tanto el nodo se ha pasado a traves de las etapas 902, 905 y 903 al menos una vez antes de finalizar en la etapa 904. La otra alternativa es detener la exploracion inmediatamente despues de que se ha encontrado un grupo adecuado (es decir, se haya recibido una baliza de red en reposo o activa), que en la Figura 9a corresponde a un paso desde la etapa 905 a la etapa 906.

La Figura 9b ilustra el proceso de asociacion con un nodo de cabecera. Para robustez, un subnodo debena asociarse con su nodo de cabecera mas cercano. Despues de comenzar en la etapa 911 el nodo que desea asociarse escucha la frecuencia de grupo que ha lefdo desde una baliza de red previamente recibida. Tambien el momento para comenzar el procedimiento de asociacion de grupo se ha determinado leyendo el valor apropiado desde una baliza de red previamente recibida. Unicamente si no sucediera la recepcion de una baliza de grupo, tiene lugar un paso a traves de las etapas 912 y 913 a una nueva exploracion de grupo en la etapa 914. De otra manera el nodo detiene la recepcion en la etapa 915 inmediatamente despues de haber recibido satisfactoriamente una baliza de grupo.

Una medicion de RSSI no se incluye tipicamente por defecto en transceptores de baja potencia; ni es recomendable puesto que aumentana la complicacion del receptor y consumo de potencia. Como se ha indicado antes, de acuerdo con una realizacion de la invencion, todas las balizas en el protocolo sugerido se transmiten dos veces usando diferentes niveles de potencia de transmision (por ejemplo 0 dBm y -20 dBm), que producen diferentes rangos de transmision. Si ambas balizas se considera que se han recibido satisfactoriamente en la etapa 916, un nodo estima que esta en proximidad cercana de un nodo de cabecera, y selecciona la potencia de transmision inferior para sus propias transmisiones de acuerdo con la etapa 917. De otra manera un nodo esta lejos de un nodo de cabecera y la comunicacion tiene lugar con la potencia de transmision superior de acuerdo con la etapa 918. En el ultimo caso mencionado un subnodo comienza tambien a descubrir si esta disponible un nodo de cabecera mas cercano de acuerdo con la etapa 919. Si se encuentra otro nodo de cabecera, conceptualmente tiene lugar un salto de vuelta a la etapa 916. Sin embargo, es posible tambien que haya disponibles unicamente nodos de cabecera “distantes”, por lo que el nodo puede necesitar contenerse a sf mismo con comunicacion con uno de ellos en el nivel de potencia de transmision superior. En ese caso, es aconsejable realizar una exploracion de red de vez en cuando, a una velocidad que puede ser superior que en casos donde un nodo de cabecera cercano ya esta disponible, para averiguar si hay algun otro nodo de cabecera con el que el nodo pudiera comunicar en el nivel de potencia de transmision inferior.

Es posible usar mas de dos niveles de potencia de transmision, transmitiendo mas de dos tramas de baliza - cada una a diferentes niveles de potencia - en cada transmision de senal de baliza, o usar seleccion dclica de niveles de transmision de baliza de modo que una primera transmision de senal de baliza comprendena dos tramas de baliza a niveles de potencia 1 y 2 respectivamente, la siguiente transmision de senal de baliza comprendena dos tramas de baliza a niveles de potencia 3 y 4 (o 1 y 3) respectivamente, la siguiente a niveles de potencia 5 y 6 (o 1 y 4) respectivamente y asf sucesivamente hasta que se hubieran usado todos los niveles de potencia. Los nodos de recepcion estimanan su distancia y nivel de potencia de transmision requerida de acuerdo con la transmision de baliza de nivel mas bajo que pudieran recibir satisfactoriamente.

Cuando un nodo se activa por primera vez realiza el procedimiento de exploracion de grupo. Un FFD puede establecer un propio grupo y hacerse un nodo de cabecera, o asociarse con un grupo existente y hacerse un subnodo. La decision depende de la carga y el estado de energfa de los grupos encontrados, y tambien la distancia

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estimada a ellos. La decision se muestra esquematicamente como las etapas 920, 921 y 922 en la Figura 9b. Un RFD puede, evidentemente, asociarse unicamente con un grupo existente, puesto que no puede operar como un nodo de cabecera. Un establecimiento de grupo en la etapa 921 consiste en la seleccion de una direccion de grupo y un canal de RF de grupo, de acuerdo con la informacion obtenida desde grupos vecinos. Una vez que se ha establecido un grupo, otros nodos y grupos existentes pueden asociarse con el, y formar la conectividad de red global.

Se requiere una asociacion de grupo para intercambiar datos con un nodo de cabecera de grupo. Un subnodo puede asociarse unicamente con un grupo, mientras un nodo de cabecera necesita asociarse con varios grupos vecinos para formar conectividad de multiples saltos eficaz. Un nodo se asocia despues de recibir balizas de grupo transmitiendo una peticion de asociacion de grupo en un intervalo ALOHA en la etapa 923. Si un nodo de cabecera recibe y acepta la peticion, transmite un acuse de recibo y una direccion de nodo en la parte de enlace descendente del intervalo. Recibir el acuse de recibo en el nodo de asociacion es como se muestra en la etapa 924 en la Figura 9b. Puesto que la red esta preparada para tener alta dinamica, no se usan las peticiones de disociacion de red separadas. Un nodo se disocia automaticamente de un grupo, si un nodo de cabecera no puede recibir datos desde un nodo durante un numero de ciclos de acceso. Dicho numero es un parametro disponible para seleccion mediante el disenador de la red y puede ser, por ejemplo, diez.

Un nodo puede reservar un intervalo de tiempo reservable transmitiendo una peticion de reserva de intervalo en un intervalo de tiempo ALOHA. Si un nodo de cabecera recibe la peticion, normalmente transmite un acuse de recibo en la parte de enlace descendente del intervalo (aunque un nodo solicitante puede solicitar espedficamente que no se transmita acuse de recibo, de manera similar como en cualquier otro caso donde un nodo desea llevar el ahorro de energfa al maximo incluso no habiendo de mantener su propio receptor para recibir acuses de recibo). La asignacion de intervalo apropiada, si se ha de dar una, vendra en la siguiente senal de baliza de grupo desde ese nodo de cabecera. Los intervalos reservables se asignan de acuerdo con niveles de prioridad pedidos, mientras los prefieran los nodos de cabecera. La asignacion se especifica en balizas de grupo, y se actualiza en cada ciclo de acceso. Si un nodo de cabecera no puede recibir datos en un intervalo reservable apropiado durante cuatro ciclos de acceso, o el intervalo esta asignado a un nodo de prioridad superior, la reserva de intervalo anterior se elimina automaticamente. Un nodo de cabecera puede establecer un grupo completo a un estado en reposo para uno o mas ciclos de acceso usando el campo de ciclos en espera en una baliza de grupo. Durante los ciclos en espera, toda la comunicacion en un grupo se suspende temporalmente. Los ciclos en espera permiten ahorro de energfa adicional a costa de aumentar el retardo de transferencia.

El canal de red esta tfpicamente predeterminado. Bajo condiciones que contienen interferencias serias es posible predeterminar un numero de canales de red, uno de los cuales se selecciona y se usa siempre que permanezca posible. La responsabilidad de decidir la seleccion entre un numero de canales de red predeterminado, asf como la responsabilidad de determinar cuando es el momento para cambiar el canal de red, tfpicamente recae en un unico nodo importante, que normalmente es tambien un nodo de sumidero. Cuando un nuevo nodo se une a una red el canal de red del cual puede ser cualquiera de un numero de posibles canales, explora a traves de los posibles canales de red hasta que encuentra uno donde las transmisiones de baliza de red estan disponibles para recepcion, y continua usando (y explorando) ese canal de red siempre que parezca que esta operativo.

El principio seleccionado para exploracion de red es muy importante desde el punto de vista de consumo de energfa. La red de sensores inalambricos de acuerdo con la invencion utiliza periodos de actividad cortos y tiempos de espera largos. Los grupos son asmcronos con respecto entre sf y operan en diferentes frecuencias, que necesitan averiguar los horarios de transmision y frecuencias de nodos vecinos. Escuchar sus senales de baliza de red en un canal de red de acuerdo con la descripcion anterior es mucho mas eficiente en energfa que algunas practicas de la tecnica anterior, en las que un nodo debe escuchar a traves de todas las posibles frecuencias el tiempo suficiente para escuchar algun trafico o balizas.

Basicamente es posible sustituir la division de frecuencia entre grupos con division de codigo, en la que todos los grupos usanan una frecuencia de transmision comun pero diferentes codigos de ensanchamiento espedficos de grupo (y/o espedficos de nodo) para evitar colisiones inter-grupo. Sin embargo, puesto que CDMA requiere sincronizacion extensiva y arquitectura de transceptor un poco mas complicada, se espera que sea una alternativa factible unicamente para algunas aplicaciones muy espedficas.

TRANSFERENCIA DE DATOS

Un protocolo de comunicaciones para una red de sensores inalambricos que comprende grupos debe especificar mecanismos para intercambiar datos de usuario en comunicaciones intra-grupos (es decir entre nodos que pertenecen al mismo grupo) e inter-grupos (entre nodos que pertenecen a diferentes grupos). Un subnodo o un nodo de cabecera de fuente esta asociado con un nodo de sumidero o de destino, que mas tfpicamente es un nodo de cabecera. El intercambio de datos se realiza durante la supertrama de grupo de destino y el tiempo en reposo de grupo de fuente, y usando ALOHA o intervalos de tiempo reservables. Para compartir recursos de red mas por igual entre nodos, los subnodos pueden utilizar preferentemente unicamente un intervalo de tiempo por ciclo de acceso, consiguiendo por lo tanto 132 bits por caudal de ciclo de acceso. Para permitir comunicacion inter-grupo eficiente, la utilizacion de intervalos de nodos de cabecera no esta limitada. Por lo tanto, el caudal maximo con ocho intervalos

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de datos reservables es de 1056 bits por ciclo de acceso.

Las comunicaciones inter-grupo desde un subnodo a traves del nodo de cabecera 1 al nodo de cabecera 2 con un ejemplo de un procedimiento de reserva de intervalo se presentan en la Figura 10. Un bloque tachado ilustra la transmision y un bloque blanco la recepcion. La fila mas baja de bloques ilustra la actividad de radio del nodo de cabecera 1, la fila mas superior de bloques ilustra la actividad de radio del nodo de cabecera 2 y la fila media de bloques ilustra la actividad de radio del subnodo. El tiempo continua desde la izquierda a la derecha en el dibujo. El nodo de cabecera 1 y el nodo de cabecera 2 operan en los canales de grupo 9 y 5, respectivamente. La senalizacion de red se realiza en el canal 1. Los designadores 1001, 1002 y 1003 de referencia designan el ciclo de acceso, periodo de supertrama y periodo en reposo respectivamente del grupo de nodo de cabecera 1. De manera similar los designadores 1011, 1012 y 1013 de referencia designan el ciclo de acceso, periodo de supertrama y periodo en reposo respectivamente del grupo del nodo de cabecera 2. Ambos nodos de cabecera transmiten balizas de red en reposo dos veces en sus ciclos de acceso. Las longitudes relativas de los periodos de tiempo en la Figura 10 no son a escala.

Un subnodo 1, anteriormente asociado con el nodo de cabecera 1, recibe las transmisiones 1021 de baliza de grupo del nodo de cabecera 1 y transmite datos usando un intervalo 1022 ALOHA y un tipo de trama de datos puro. El nodo de cabecera 1 responde transmitiendo un acuse de recibo en la parte 1023 de enlace descendente del mismo intervalo ALOHA. Suponiendo que el nodo de cabecera 1 no conoce aun la temporizacion de un nodo o grupo de siguiente salto adecuado, comienza una comunicacion inter-grupo mediante la exploracion 1031 de grupo. La exploracion se completa cuando las balizas 1032 de red en reposo se reciben desde el nodo de cabecera 2, que es el destino seleccionado (siguiente salto). A continuacion, habiendo lefdo la temporizacion apropiada desde las balizas 1032 de red en reposo recibidas, el nodo de cabecera 1 recibe las balizas 1041 de grupo en el canal 5 y transmite una trama de tipo datos y asociacion y reserva de intervalo combinados usando un intervalo 1042 ALOHA. El nodo de cabecera 2 responde mediante una trama 1043 de acuse de recibo que contiene la direccion de nodo que asigna al nodo de cabecera 1. Enviar los datos de inmediato en dicha trama combinada mejora la eficiencia de energfa global y minimiza retardos en comparacion con un caso donde el nodo de asociacion debena realizar asociacion en primer lugar y comenzar a transmitir datos unicamente posteriormente.

En la siguiente supertrama del grupo de nodo de cabecera 1, una trama 1051 de datos se recibe desde el subnodo 1, y se realiza acuse de recibo en 1052. Se supone que el subnodo no pidio un intervalo reservable, por lo que la trama 1051 de datos viene de nuevo en un intervalo ALOHA. Ahora el nodo de cabecera 1 ya es un nodo asociado del grupo de nodo de cabecera 2, por lo que unicamente necesita recibir balizas de grupo desde el nodo de cabecera 2 en 1061, y transmitir una trama de datos en un intervalo 1062 de tiempo reservable. El nodo de cabecera 2 responde con un acuse de recibo 1063.

Como se observa en la figura, la comunicacion inter-grupo no aumenta significativamente el ciclo de trabajo del nodo de cabecera de destino, que simplifica la gestion de energfa. En conjunto, el tiempo activo de un transceptor en un nodo de cabecera esta en el orden de poco porcentaje de la longitud de un ciclo de acceso, mientras que para un subnodo esta en el orden de poco por mil. Un nodo de cabecera de fuente se carga mediante la exploracion de grupo. Sin embargo, el consumo de energfa se reduce mediante las balizas de red en reposo. Despues de la asociacion de grupo, la comunicacion inter-grupo es eficiente en energfa. La comunicacion intra-grupo no se altera, puesto que la comunicacion inter-grupo se realiza en tiempo de reposo de grupo. Tambien, el ciclo de trabajo de subnodo es bajo, requiriendo unicamente tres recepciones y una transmision por ciclo de acceso.

ENCAMINAMIENTO

El protocolo de encaminamiento a seleccionarse depende ligeramente de la informacion preliminar que este disponible con respecto a la naturaleza topologica esperada de la red de sensores inalambricos. El siguiente ejemplo esta basado en suposiciones de acuerdo con las que la red unicamente contiene relativamente pocos sumideros en comparacion con el numero global de nodos, y los mensajes desde los sumideros hacia los otros nodos son muy raramente espedficos de nodo sino que normalmente se refieren a toda la red o a alguna seccion de la misma. Se prefiere un principio de encaminamiento reactivo, de acuerdo con el que el protocolo de encaminamiento unicamente soporta almacenar informacion de encaminamiento con respecto a ciertos destinos que es necesario que se conozcan. Cada nodo unicamente necesita mantener una tabla de encaminamiento de siguiente salto, en lugar de memorizar rutas completas a destinos. Para un subnodo la tabla de encaminamiento de siguiente salto es particularmente sencilla, puesto que el siguiente salto a cualquier sitio es la conexion al nodo de cabecera del grupo. Se prefieren los numeros de secuencia de tramas y soporte de encaminamiento multitrayectoria, de modo que es posible mejorar la fiabilidad de encaminar datos importantes pasandolos a traves de trayectorias alternativas.

De acuerdo con una alternativa ejemplarmente sencilla, un nodo de sumidero que esta interesado en lecturas de temperatura desde el area de cobertura de la red envfa una peticion para temperaturas en una trama de datos que contiene tambien un identificador del nodo de sumidero de envfo. La peticion continua a traves de la red de acuerdo con el principio de inundacion. Para evitar bucles y duplicados la trama contiene un numero de secuencia. Cada nodo de cabecera reenvfa la peticion a todos los otros nodos que pueden escuchar excepto desde los que proviene. Un contador de salto se actualiza en la trama que contiene la peticion: cuando un nodo de cabecera empieza a reenviar una peticion que recibe, aumenta el valor del contador de salto en uno.

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Cada nodo que recibe dicha peticion almacena el valor del contador de salto en recepcion, el identificador del nodo originador (sumidero) y el del nodo desde el que se recibio la peticion mas recientemente. Por lo tanto un registro en una tabla de encaminamiento consiste en un identificador de destino, un identificador de siguiente salto y un contador de salto. Si el nodo de cabecera recibe mas tarde una copia de la misma peticion con un valor de cuenta de salto superior, descarta la ultima peticion sin reenviarla. En correspondencia si el nodo de cabecera recibe una copia de la misma peticion con un valor de cuenta de salto inferior, borra el registro anterior de la tabla de encaminamiento y lo sustituye con uno que contiene el recuento de salto y el identificador de nodo de transmision obtenido desde la ultima recepcion. En el momento de disenar el protocolo de encaminamiento es posible tambien definir que (al menos si los recuentos de salto de las dos copias recibidas son mas cercanos entre sf que un lfmite predefinido) el nodo de cabecera de recepcion realiza un registro basandose en ambas copias recibidas de la peticion, registros que pueden usarse a continuacion mas tarde para encaminamiento multitrayectoria.

La inundacion de la red con la peticion se extinguira por sf misma cuando todos los nodos de cabecera la hayan recibido y reenviado. Cuando un nodo que se conoce a sf mismo para incluir un sensor de temperatura recibe la peticion, obtiene una lectura de temperatura y transmite - de acuerdo con la informacion en su tabla de encaminamiento - una trama que contiene su identificador de fuente, la lectura de temperatura, localizacion posible (con referencia a otros nodos) y posiblemente una indicacion de tiempo hacia el nodo de sumidero que realizo la peticion. Observando los contenidos de estas transmisiones de direccion inversa los nodos de cabecera que se localizan en la trayectoria de encaminamiento hacia el nodo de sumidero apropiado pueden producir de nuevo registros a sus tablas de encaminamiento, conteniendo dichos registros entradas de siguiente salto con respecto al nodo desde el que se origino la lectura de temperatura. De vez en cuando el nodo de sumidero puede transmitir nuevas peticiones para obtener toda la informacion de encaminamiento actualizada.

DISPOSITIVO DE NODO PROTOTIPO

La Figura 11 ilustra la arquitectura de un dispositivo 1101 de nodo ejemplar de acuerdo con una realizacion de la invencion. Un subsistema 1104 informatico esta adaptado para ejecutar el protocolo MAC, los protocolos superiores y algoritmos de aplicacion dependen del rendimiento y memoria disponibles. Una implementacion ffsica ejemplar del subsistema informatico comprende una unidad 1141 de microcontrolador Xemics XE88LC02, que consiste en un nucleo de procesador CoolRisc 816, un ADC 1132 de 16 bits, memoria de programa interna de 22 kB y memoria de datos de 1 kB. Una memoria 1142 externa, por ejemplo una memoria de solo lectura programable electricamente borrable (EEPROM), proporciona un almacenamiento de datos no volatil. La velocidad de ejecucion de instruccion maxima de dicha MCU ejemplar es 2 MHz.

Un subsistema 1105 de comunicaciones comprende un transceptor 1151 de RF, una antena 1152 y la parte de MCU 1141 que ejecuta los protocolos de comunicacion. Una implementacion ffsica ejemplar del subsistema 1105 de comunicaciones utiliza un transceptor de 2,4 GHz NordicVLsi nRF2401. Una velocidad de datos de transmision ejemplar es 1 Mbps. El transceptor 1151 tiene integrado reconocimiento de patron y funciones de CRC de 16 bits, y una memoria intermedia de datos para transmision y recepcion. El reconocimiento de patron se usa mas ventajosamente para detectar una direccion de red. La CRC del transceptor de radio facilita significativamente la carga de trabajo del control de error de la MCU, puesto que unicamente necesitan implementarse en software los mecanismos de acuse de recibo y retransmision.

Un subsistema 1103 de deteccion aprovecha mas ventajosamente el uso del ADC 1132 interno y de la MCU 1141. Dicho ADC tiene tfpicamente etapas de pre-amplificacion y compensacion de desplazamiento, que aumenta precision de muestreo. Una tasa de muestreo maxima tfpica que usa resolucion de 16 bits es alrededor de 2 kHz. La MCU 1141 puede usarse para implementar un controlador de ADC y tareas de transmision de muestra para la capa de aplicacion. Como un sensor 1131 casi cualquier tipo de sensor puede usarse dependiendo de la aplicacion.

El subsistema 1102 de potencia puede disenarse de diversas maneras. El diseno ejemplar de la Figura 11 comprende una fuente 1121 de energfa, que puede ser, por ejemplo, un circuito de recogida de energfa ambiental basado en el fenomeno piezoelectrico, o una celula fotovoltaica. Un regulador 1122 se usa para regular la fuente de alimentacion proporcionada al resto del dispositivo de nodo. Aunque un regulador de modo de conmutacion tendna eficiencia superior, un regulador lineal tal como un regulador de tension lineal TPS71525 puede preferirse aun debido a su corriente en quietud inferior, ruido inferior, interferencias electromagneticas inferiores y tamano mas pequeno. Como un almacenamiento temporal de energfa y una reserva de demanda pico puede usarse una batena recargable o un supercondensador 1123. En un dispositivo prototipo se ha usado un condensador de 0,22 F.

Las dimensiones de dicho prototipo son 31 mm x 23 mm x 5 mm. El lado superior de una placa de circuito impreso en el prototipo contiene el transceptor, antena, EEPROM, sensor y conectores. La MCU y el regulador se montan en el lado inferior. Las mediciones de consumo de potencia del prototipo se presentan en la siguiente tabla.

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Modo de MCU

Modo de ADC Modo de sensor Modo de radio Potencia (mW)

Activo

Activo

Activo

Recibir datos 46,06

Transmitir datos (Potencia: 0 dBm)

31,76

Transmitir datos (Potencia: -20 dBm)

21,15

Carga de datos

3,74

En espera

2,43

Apagado

2,41

Apagado

1,35

En espera

0,019

El consumo de potencia mmimo es 19 |iW, cuando el sistema esta en el modo en espera, mientras que el maximo es 46,06 mW, cuando todos los componentes estan activos, y el transceptor esta en el modo RX. El consumo de potencia de la MCU es 1,33 mW a velocidad de reloj de 1,8 MHz. El transceptor de radio consume 33 veces la potencia de la MCU. La recepcion de datos necesita casi dos veces la potencia de transmision. En redes de sensores inalambricos los consumos de potencia de los modos en espera y RX son los mas importantes.

La Figura 12 ilustra una arquitectura de software ejemplar para un nodo como el anteriormente ilustrado en la Figura 11. Los servicios 1201 de sistema operativo basicos comprenden entre otros, una maquina 1202 de estado de control de nodo general, la operacion de la cual se planifica mediante un temporizador 1203. La maquina 1202 de estado de control de nodo realiza llamadas de funcion MAC representadas como flechas. El conjunto 1204 de trama, cola 1205 y controlador de radio 1206 (que incluye las funciones de TX de trama 1207 y RX de trama 1208) estan asociados a datos y flujo de control. Las funciones de gestion en el lado derecho de la Figura 12 se ejecutan bajo demanda e incluyen estimacion 1209 de distancia, exploracion 1210 de grupo, asociacion y disociacion 1211 de grupo, asignacion 1212 de intervalo y control 1213 de potencia de nodo. El controlador 1214 de ADC controla el muestreo de sensor y constituye una parte espedfica de las tareas 1215 de aplicacion y encaminamiento de sensor, que en la pila de protocolo pertenecen a la capa de aplicacion. El software puede desarrollarse usando cualquier herramienta de desarrollo disponible, tal como un Entorno de Desarrollo Integrado de Raisonance (RIDE). El software ejemplar desarrollado con dicha herramienta y un compilador A c816-gcc (ver. 2.8.0) con nivel de optimizacion 1 dieron como resultado un tamano de implementacion de nodo de cabecera MAC de 14 kB, que requiere 137 B de memoria de datos. Una version de subnodo del software requiere 13 kB de memoria de programa y 109 B de memoria de datos. Los requisitos de memoria de datos no incluyen colas de trama.

CONSUMO DE POTENCIA Y RENDIMIENTO

En el trabajo de investigacion que conduce a la invencion, el consumo de potencia se estimo en una red de cinco nodos donde dos subnodos (subnodo 1, subnodo 2) estan asociados con un nodo de cabecera 1. El nodo de cabecera 1 recibe tramas de datos desde ambos subnodos. Las tramas de datos recibidas se concatenan en una trama de datos, que se encamina al nodo de cabecera 3 mediante un nodo de cabecera 2. Las tramas de datos se transmiten en intervalos de tiempo reservables. La estimacion incluye el subnodo 1, el nodo de cabecera 1, y el nodo de cabecera 2. Los procedimientos de asociacion de grupo y reserva de intervalo se excluyen.

Puesto que la comunicacion inter-grupo tiene lugar en el tiempo en reposo de grupo, longitudes de ciclo de acceso mas cortas de 1 s no son convenientes. La longitud de ciclo de acceso maxima se establece a 10 s. El periodo de baliza de red se fija a 250 ms. Durante un ciclo de acceso, el subnodo 1 recibe dos balizas de grupo, y transmite una trama de datos, y opcionalmente recibe un acuse de recibo desde el nodo de cabecera 1. Los nodos de cabecera transmiten balizas de red y de grupo, reciben intervalos ALOHA y asignan intervalos de tiempo reservables, y reenvfan datos a un nodo de cabecera vecino. Los acuses de recibo se usan para cada trama de datos.

En los consumos de potencia estimados el subnodo 1 consiguio el consumo de potencia mas bajo. Usando el ciclo de acceso de 10 s mas largo, el subnodo 1 consume 31 |iW con acuses de recibo, y 27 |iW sin acuses de recibo, mientras que los consumos de potencia del nodo de cabecera 1 y del nodo de cabecera 2 son 171 |iW y 166 |iW, respectivamente. Cuando se usa el ciclo de acceso de 1 s mas corto, el consumo de potencia del subnodo 1 aumenta a 140 |iW con acuses de recibo, y 103 |iW sin acuses de recibo. Al mismo tiempo los consumos de potencia del nodo de cabecera 1 y del nodo de cabecera 2 son 574 |iW y 526 |iW, respectivamente.

Como una comparacion, un consumo de potencia real medido desde un prototipo de un subnodo 1 es desde 36 |iW a 134 |iW con acuses de recibo, y desde 22 |iW a 97 |iW sin acuses de recibo. Los consumos de potencia del nodo de cabecera 1 y del nodo de cabecera 2 son desde 312 |iW a 850 |iW, y desde 283 |iW a 855 |iW, respectivamente. Los consumos de potencia de los nodos de cabecera son superiores que los estimados. Esto se produce por las

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actividades de MCU y receptor superiores que las modeladas debido a gestion de temporizacion bastante compleja e imprecision de sincronizacion. Estas no pueden modelarse con precision en las estimaciones. Sin embargo, la estimacion de consumo de potencia del subnodo 1 es precisa. A medida que la longitud de ciclo de acceso aumenta, el subnodo 1 se acerca rapidamente al consumo de potencia del modo en espera.

El caudal entre los dos nodos se ha analizado como una funcion de la longitud de ciclo de acceso, a medida que el numero de intervalos de tiempo reservables utilizados se aumenta desde 1 a 8. Se consigue caudal mas alto usando la longitud de ciclo de acceso de 1 s mas corta. Como cada trama de datos lleva datos de usuario de 132 bits, el caudal maximo usando 8 intervalos de tiempo reservables es 1056 bps. Debido a los intervalos de enlace descendente, el caudal es simetrico en ambas direcciones, consiguiendo caudal total maximo de 2112 bps. El caudal desde un subnodo al nodo de cabecera vana desde 13,2 bps a 132 bps, a medida que la longitud del ciclo de acceso se reduce desde 10 s a 1 s y unicamente se permite un intervalo de tiempo reservable. Debena observarse que al contrario de suposiciones anteriores, no es aconsejable transmitir datos a baja velocidad de bits si se ha de ahorrar energfa. Bastante al contrario, las transmisiones - especialmente transmisiones de baliza que pretenden recibirse mediante un gran numero de nodos receptores - debenan hacerse a una velocidad de transmision relativamente alta (tal como 1 Mbps) de modo que el tiempo para mantener encendidos los receptores de los nodos de recepcion puede mantenerse tan corto como sea posible.

Un retardo de protocolo medio para transferir una trama de datos entre dos nodos es aproximadamente una mitad de la longitud de ciclo de acceso, cuando el caudal ofrecido esta por debajo del caudal del protocolo MAC estimado. En este caso, las colas del protocolo MAC se vadan en cada supertrama.

La estimacion puede extenderse a redes mayores con cuatro grupos, teniendo cada uno siete subnodos asociados. Los datos se reenvfan entre los grupos a un sumidero usando tres intervalos de datos reservables por grupo. Cinco subnodos en cada grupo se asignan en intervalos de tiempo reservables, mientras que los restantes dos subnodos por grupo son tramas de transmision en intervalos de tiempo ALOHA. Los acuses de recibo se usan para cada trama de datos. El periodo de baliza de red es 250 ms. Por simplicidad, no se consideran las colisiones y los errores de trama en la estimacion. Los consumos de potencia de los subnodos y nodos de cabecera se estiman en funcion de los caudales conseguidos.

Se determinan caudales de una direccion desde el subnodo al nodo de cabecera, y entre nodos de cabecera. Los caudales maximos para un subnodo y un nodo de cabecera son 132 bps, y 396 bps, mientras que la potencia de consumo 140 |iW y 977 |iW, respectivamente.

Suponiendo que un subnodo obtiene muestras de 16 bits a tasa de muestreo de 1 Hz, se requiere un caudal de 16 bps desde un subnodo a un nodo de cabecera. De acuerdo con resultados medidos desde prototipos, esto da como resultado longitud de ciclo de acceso de 8,2 s y consumo de potencia de subnodo de 34 |iW para el caudal requerido. El consumo de potencia del nodo de cabecera usando la misma longitud de ciclo de acceso es 230 |iW consiguiendo un caudal de 48 bps para reenvfo de datos. Por lo tanto, el consumo de potencia medio para un nodo es 59 |iW. Debido al gran numero de subnodos, la agregacion de datos debena aplicarse en los nodos de cabecera. Como se requiere retardo de transferencia por salto de 2 s, la longitud de ciclo de acceso se reduce a 4 s. Esto da como resultado caudal maximo de 33 bps y consumo de potencia de 50 |iW para los subnodos. El caudal de nodo de cabecera y consumo de potencia son 99 bps y 340 |iW. El consumo de potencia medio por un nodo aumenta a 86 |iW. Esta energfa puede obtenerse a partir de una batena de litio con tamano de 1 cm3 que dura ligeramente sobre un ano.

La energfa puede recogerse tambien, por ejemplo, a partir de una diferencia de temperatura de 5,5 °C usando un generador termoelectrico con tamano de 1 cm2, a partir de la vibracion de pequenas maquinas, por ejemplo la carcasa de un horno microondas usando un generador piezoelectrico con tamano de 1 cm3. En su totalidad, el consumo de potencia verificado de un subnodo es tan bajo como 27 |iW, cuando se usa una longitud de ciclo de acceso de 10 s sin acuses de recibo. Esto da como resultado aproximadamente 5 s de retardo de transferencia y caudal de 13,2 bps desde un subnodo a un nodo de cabecera, que satisface los requisitos de la mayona de las aplicaciones WSN. El caudal total maximo en dos direcciones usando intervalos de tiempo reservables es 264 bps entre un subnodo y un nodo de cabecera, y 792 bps entre nodos de cabecera.

CIRCULAR LA RESPONSABILIDAD DE NODO DE CABECERA

Actuar como un nodo de cabecera consumira notablemente mas energfa que como un subnodo. Por otro lado, el numero medio de subnodos por nodo de cabecera tiene un efecto en la velocidad optima para realizar transmisiones de baliza: cuanto mas alto sea el numero medio de subnodos, mas frecuentemente debenan realizarse las transmisiones de baliza (vease ns en la ecuacion 8). Por lo tanto, incluso a primera vista sena aconsejable tener unicamente el numero mmimo absoluto de nodos de cabecera en una red de sensores inalambricos de acuerdo con una realizacion de la invencion, aumentar el numero medio de subnodos por nodo de cabecera puede conducir a una situacion donde la velocidad de transmision de baliza predeterminada ya no sea optima. Adicionalmente si uno de los nodos de cabecera falla en una red de este tipo, la ausencia de rutas redundantes para comunicaciones inter- grupo requerira cantidades relativamente grandes de exploracion de red mediante un numero de nodos antes de que se haya establecido de nuevo la conectividad completa.

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Un Kmite inferior al numero de nodos de cabecera se consigue cuando la distancia entre nodos de cabecera adyacentes se hace demasiado larga dando como resultado comunicaciones inter-grupo no fiables, que con los transceptores de 2,4 GHz NordicVLSI nRF2401 anteriormente mencionados significa aproximadamente 10 metros en condiciones en interiores, o que los nodos de cabecera ya no puedan encaminar el caudal esperado desde los subnodos al sumidero o sumideros incluso si agregaran datos en transmision.

Existen dos enfoques basicos. En primer lugar, es posible hacer el grupo de velocidad de transmision de baliza espedfico, de modo que cada nodo de cabecera decide dinamicamente su propia velocidad de transmision de baliza basandose en el numero de subnodos actualmente asociados con el. Si este es el caso, a continuacion - considerando unicamente el consumo de energfa - es incluso aconsejable programar cada FFD de modo que no actuara como un nodo de cabecera unicamente si puede evitarlo. Sin embargo, no es aconsejable permitir a ningun nodo de cabecera disminuir su velocidad de transmision de baliza por debajo de un valor nominal que determina el periodo de baliza nominal la longitud del cual debena ser suficiente para recibir al menos una senal de baliza de red desde cualquier nodo de cabecera suficientemente cerca de sus balizas de red a recibir. Las secciones densas de la red (> 1 nodo / m2) pueden beneficiarse enormemente de hacer velocidad de baliza superior a dicho valor nominal, puesto que los ahorros globales conseguidos en energfa de exploracion de red requerida son mucho mayores que la energfa adicional gastada en las transmisiones de baliza. Un lfmite superior para la velocidad de baliza se encuentra cuando las colisiones entre senales de baliza de red desde diferentes nodos de cabecera se hacen demasiado comunes.

Una segunda alternativa es determinar de antemano un cierto numero nominal de subnodos que cada nodo de cabecera debena tener en su grupo, y fijar la velocidad de transmision de baliza basandose en dicho numero nominal de subnodos. Como una consecuencia de esta segunda alternativa, si un nuevo FFD lee las indicaciones de carga desde transmisiones de baliza de nodos vecinos de cabecera y notifica que parecen todas ya tener un numero nominal completo de subnodos, empieza a actuar como un nuevo nodo de cabecera en lugar de exprimirse a sf mismo como un subnodo adicional a uno de los grupos previamente existentes. Incluso si los nodos de cabecera no estan permitidos a cambiar la velocidad de baliza por su propia iniciativa, es posible definir la velocidad de baliza para que sea un parametro de red que un nodo de cabecera que ordene puede cambiar difundiendo un mensaje de cambio correspondiente a traves de toda la red.

Un nodo de cabecera no esta obligado a seguir su esfuerzo, si el consumo de energfa requerido mediante la operacion del nodo de cabecera amenaza con agotar sus recursos de energfa por debajo de algun umbral predeterminado, o si la velocidad de consumo de energfa supera la velocidad de reposicion de energfa correspondiente (es decir recogida) durante alguna duracion de tiempo predeterminada. Un dispositivo de nodo de este tipo puede simplemente rechazar operar como un nodo de cabecera nuca mas, y anuncia su retirada no realizando transmisiones de baliza nunca mas. Los otros nodos alrededor de el notificaran que el grupo anterior no esta operativo nunca mas, y empezaran a buscar conexiones de sustitucion. Eventualmente un FFD que opero previamente como un subnodo se indicara que puede recibir unicamente transmisiones de baliza al nivel de potencia de transmision mas alto, que significa que esta relativamente lejos de todos los nodos de cabecera existentes, y decide cambiar al papel de un nodo de cabecera (mas ventajosamente se ha programado para no hacerlo, o al menos retardar hacerlo siempre que sea posible, si sus propios recursos de energfa parecen que son demasiado bajos). Anuncia su decision haciendo una transmision de baliza de grupo, despues de la cual espera a otros nodos alrededor de el para enviar sus tramas de asociacion. Un subnodo anterior puede decidir tambien hacerse un nodo de cabecera si notifica desde transmisiones de baliza de grupo que la carga de su grupo anterior se han hecho prohibitivamente alta.

Si ocurriera que dos FFD decidan exactamente de manera simultanea hacerse nuevos nodos de cabecera, sus transmisiones de baliza colisionaran. Teniendo que el canal de red contendra unicamente las senales de baliza de red, que son muy cortas (2 x 256 microsegundos) en la disposicion de transmision de baliza sugerida, la probabilidad de una colision es pequena. Sin embargo, es deseable descartarla incluso mas, es posible aprovechar el comportamiento determimstico de los nodos: una decision para hacerse un nodo de cabecera se realizara cuando se cumplan ciertos criterios, que - con respecto al efecto de factores externos - tendran lugar en un cierto instante de tiempo comun. Se puede definir que despues del momento en el que dicho criterio se satisfaga, cada subnodo anterior espera la duracion de un retardo, la longitud del cual se selecciona aleatoriamente o se calcula con un algoritmo que tiene en cuenta la energfa de nodo (cuanta mas energfa, retardo mas corto), nodos de cabecera restantes conocidos para el nodo (cuantos menos nodos de cabecera restantes conocidos, retardo mas corto; requiriendo sin embargo al menos un nodo de cabecera restante para escucharse para mantener la conectividad) y/o movilidad de nodo (si un nodo conoce por sf mismo que es altamente movil, usa un retardo mas largo). De esta manera es mas probable que el nuevo nodo de cabecera sera la eleccion optima en terminos de requisitos de energfa asf como escalado de red y topologfa.

CONGESTION Y ESCALABILIDAD

Incluso si hay un numero de diferentes canales de frecuencia desde los que elegir, en redes grandes puede ocurrir que un nuevo grupo simplemente ya no pueda encontrar una frecuencia libre. En ese caso puede tomar el canal de frecuencia en el que considera que hay la menor cantidad de trafico existente. El periodo en reposo largo en los ciclos de acceso, junto con el hecho de que las senales de baliza de red se transmiten en una frecuencia separada,

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significa que una unica frecuencia puede adaptar bien mas de un grupo, siempre que el nodo de cabecera mas reciente seleccione su periodo de supertrama para no solapar con aquellos de los nodos de cabecera anteriores.

Al contrario de una creencia comun, usar TDMA para distribuir la capacidad de comunicaciones disponible no mantiene la solucion de red para que sea escalable. La red tiene una topologfa en grupo, donde se aplica TDMA dentro de grupos (comunicacion intra-grupo). La escalabilidad dentro de los grupos no es un problema, puesto que todos los miembros de grupo (subnodos) estan en el alcance de una cabecera de grupo (nodo de cabecera). Tambien, un nodo de cabecera controla el numero de subnodos asociados con el. Ademas, los intervalos ALOHA permiten que un gran numero de subnodos de baja actividad comuniquen con el nodo de cabecera bajo demanda.

Para comunicacion inter-grupo el problema de la escalabilidad se resuelve distribuyendo el control de TDMA en la red. Las planificaciones de TDMA a nivel de red se evitan. Un nodo de cabecera que desea comunicar con otro nodo de cabecera se asocia con un grupo vecino de manera similar a los subnodos que operan allt

MINIMIZAR LATENCIA DE DATOS EN UNA DIRECCION

Si cada nodo de cabecera inicia el ciclo de acceso en su grupo en un momento arbitrario de tiempo, los momentos de inicio de ciclo de acceso (y por lo tanto, por ejemplo, momentos de transmision de baliza de grupo) se distribuiran uniformemente a traves del tiempo. Esto tiene sus ventajas: por ejemplo, ensanchar el uso de tiempo de transmision ayuda a evitar colisiones y nivel fuera de la interferencia de radio experimentada por otros dispositivos electronicos cercanos. Sin embargo, tambien da como resultado la consecuencia de que el retardo medio entre saltos inter-grupo es esencialmente una mitad de la longitud del ciclo de acceso. Si la red de sensores inalambricos es grande y el ciclo de acceso es largo (es decir, 10 segundos), el retardo global resultante de generar datos en un subnodo para hacer los datos disponibles en un nodo de sumidero puede hacerse prohibitivamente largo. Este retardo, que viene del hecho de que cada nodo que reenvfa los datos debe esperar solamente el siguiente momento de transmision adecuado es comunmente conocido como latencia de datos.

Una medida sencilla, pero efectiva, esta disponible para minimizar la latencia de datos como se ilustra en las Figuras 13 y 14. La Figura 13 es un diagrama de topologfa de red simplificado donde se han omitido los subnodos. Se supone que un subnodo en el grupo de un primer nodo de cabecera 1301 genera datos, que debenan encaminarse a traves del segundo y tercero nodos de cabecera 1302 y 1303 a un nodo 1304 de sumidero. Se supone ademas que se ha ejecutado un protocolo de encaminamiento, dando como resultado que cada uno del primer, segundo y tercer nodos de cabecera 1301, 1302 y 1303 ha almacenado un registro de siguiente salto apropiado para encaminar datos hacia el nodo 1304 de sumidero. El numero relativamente pequeno de nodos de sumidero en una red de sensores inalambricos tfpica asegura que en la mayona de nodos de cabecera la tabla de encaminamiento tiene unicamente una unica entrada para un siguiente salto hacia un nodo de sumidero.

De acuerdo con la Figura 14, cada nodo de cabecera ha temporizado su ciclo de acceso de modo que su propia supertrama, mostrada como un bloque blanco en la Figura 14, tiene lugar inmediatamente antes de la supertrama de ese otro nodo de cabecera que en una tabla de encaminamiento representa un siguiente salto hacia el nodo 1304 de sumidero. La actividad de transceptor que no pertenece a una propia supertrama de nodo de cabecera pero se refiere a comunicacion con un nodo adyacente se ilustra como bloques tachados finos. Si el primer nodo de cabecera 1301 ha obtenido algun dato desde un subnodo en un intervalo de la supertrama que tiene lugar en primer lugar en la Figura 14, puede recibir una baliza 1401 de grupo desde el segundo nodo de cabecera 1302 inmediatamente de manera posterior asf como reenviar los datos y recibir un acuse de recibo en la etapa 1402 aun durante la misma supertrama del segundo nodo de cabecera 1302. La misma rapida sucesion de recepcion y reenvfo de datos de baliza de grupo con acuse de recibo se repite en las etapas 1411 y 1412 asf como 1421 y 1422 respectivamente. Una cadena de reenvfo de datos similar se repite en las etapas 1403, 1404, 1413, 1414, 1423 y 1424.

El retardo de salto th es constante y equivale a la longitud de una supertrama. La latencia de datos total desde un subnodo a un nodo de sumidero equivale a una vez la longitud de la supertrama menos el numero de saltos inter- grupo requerido, sumado con la longitud incompleta de una supertrama que tuvo antes de que el primer nodo de cabecera pudiera empezar a reenviar los datos. Anteriormente se ha analizado una longitud de supertrama ejemplar de 260 milisegundos, que es una figura de latencia de datos inter-grupo mucho mas aceptable que una media de una mitad de un ciclo de acceso de 10 segundos Con transceptores rapidos capaces de velocidad de transmision de 1 Mbps es bastante posible acortar la longitud de intervalo a, por ejemplo, un milisegundo, que reducina adicionalmente la latencia de datos en un decenio.

Como una limitacion se ha de observar que el esquema de reduccion de latencia anteriormente descrito unicamente funciona bien en una direccion de transmision unicamente. En la direccion inversa maximiza bastante la latencia de datos, con un retardo inter-grupo constante de casi una longitud completa de un ciclo de acceso. Si se soporta encaminamiento multi-trayectoria, cada nodo de reenvfo de datos debe seleccionar una entrada de siguiente salto preferida en la tabla de encaminamiento, con referencia a que optimiza su temporizacion de ciclo de acceso, o seleccionar un numero de entradas de siguiente salto igualmente preferentes y temporiza su ciclo de acceso de modo que reenviar datos a cualquiera de los nodos de cabecera adyacentes correspondientes tendra lugar despues de un retardo que es tan pequeno como sea posible, tomando sus diferentes horarios de ciclo de acceso.

Ajustar la temporizacion de ciclo de acceso se maneja mas elegantemente de modo que cuando un nodo de cabecera desea cambiar el momento de inicio de su ciclo de acceso, lo anuncia en una baliza de grupo una longitud de ciclo de acceso mas corta o mas larga que la normal, que es unicamente valida para la duracion de un (o unos pocos) ciclo de acceso, despues de lo cual la temporizacion es correcta y la longitud de ciclo de acceso normal 5 puede invertirse. El comienzo excepcionalmente temprano o tardfo de un ciclo de acceso inmediatamente siguiente naturalmente debe tenerse en cuenta tambien cuando se insertan valores a los campos “tiempo a siguiente baliza de grupo” para intervenir senales de baliza de red, si las hubiera.

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   REIVINDICACIONES

   1. Una red (100) de sensores inalambricos que comprende

   - un primer nodo de cabecera (101)

   - un primer subnodo (102) adaptado para comunicar con el primer nodo de cabecera (101), haciendo as^ al primer nodo de cabecera (101) y al primer subnodo (102) miembros de un primer grupo (103)

   - un segundo nodo de cabecera (111) y

   - un segundo subnodo (112) adaptado para comunicar con el segundo nodo de cabecera (111), haciendo asf al segundo nodo de cabecera (111) y al segundo subnodo (112) miembros de un segundo grupo; caracterizado porque

   - el primer nodo de cabecera (101) esta adaptado para seleccionar una primera frecuencia para su uso en comunicaciones inalambricas dentro del primer grupo (103)

   - el primer subnodo (102) esta adaptado para comunicar con el primer nodo de cabecera (101) en dicha primera frecuencia, usando un esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo para permitir tambien a otros nodos comunicar con el primer nodo de cabecera (101) en dicha primera frecuencia

   - el segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para averiguar la primera frecuencia seleccionada por el primer nodo de cabecera (101), y para seleccionar una segunda frecuencia - diferente de dicha primera frecuencia - para su uso en comunicaciones inalambricas dentro del segundo grupo

   - el segundo subnodo (112) esta adaptado para comunicar con el segundo nodo de cabecera (111) en dicha segunda frecuencia, usando un esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo para permitir tambien a otros nodos comunicar con el segundo nodo de cabecera (111) en dicha segunda frecuencia,

   - para comunicar informacion desde el primer grupo (103) al segundo grupo, el primer nodo de cabecera (101) esta adaptado para averiguar la segunda frecuencia seleccionada por el segundo nodo de cabecera (111) y para comunicar con el segundo nodo de cabecera (111) en dicha segunda frecuencia, usando el mismo esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo que dicho segundo subnodo (112), y - el primer nodo de cabecera (101) y el segundo nodo de cabecera (111) estan adaptados adicionalmente para transmitir de manera repetitiva senales (331, 332) de baliza de red en una tercera frecuencia, que es diferente de dicha primera frecuencia y dicha segunda frecuencia.
2. 2. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque:

   - los esquemas de acceso de canal a intervalos de tiempo aplicados en cada uno de dichos primer y segundo grupos comprenden en cada grupo, en el que se producen de manera repetitiva, ciclos (301) de acceso, un ciclo (301) de acceso que comprende una supertrama (302) para comunicaciones y un periodo (303) de reposo

   - el primer nodo de cabecera (101) y el segundo nodo de cabecera (111) estan adaptados para transmitir senales (331) de baliza de red activas - estando cada senal (331) de baliza de red activa seguida inmediatamente por una supertrama (302) - asf como senales (332) de baliza de red en reposo, transmitiendose cada senal (332) de baliza de red en reposo durante dicho periodo (303) de reposo e indicando un tiempo de reposo restante antes de una supertrama (302) posterior.
3. 3. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizada porque cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para transmitir una senal (321, 322) de baliza de grupo dentro de cada supertrama (302), transmitiendose dicha senal (321, 322) de baliza de grupo en la frecuencia seleccionada por el nodo de cabecera para su uso en comunicaciones inalambricas dentro del grupo del nodo de cabecera.
4. 4. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 3, caracterizada porque cada uno del primer subnodo (102) y del segundo subnodo (112) esta adaptado para hacer transmisiones basadas en contienda al nodo de cabecera de su grupo en un intervalo (312) basado en contienda de una supertrama (302).
5. 5. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizada porque:

   - cada uno del primer subnodo (102) y del segundo subnodo (112) esta adaptado para hacer peticiones para un intervalo reservable en supertramas (302) al nodo de cabecera de su grupo dentro de un intervalo (312) basado en contienda de una supertrama (302) y

   - cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para hacer peticiones para un intervalo reservable en supertramas (302) a otros nodos de cabecera dentro de un intervalo (312) basado en contienda de una supertrama del esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo aplicado en el grupo de dicho otro nodo de cabecera.
6. 6. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 5, caracterizada porque:

   - cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para conceder un intervalo (313) reservable a un nodo que ha hecho una peticion para un intervalo reservable y

   - cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para transmitir, dentro de una senal (321, 322) de baliza de grupo de una supertrama, una tabla (845) de asignacion de intervalo de tiempo reservable que indica intervalos reservables concedidos en esa supertrama (302).

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   50
7. 7. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 5, caracterizada porque:

   - cada uno del primer subnodo (102) y del segundo subnodo (112) esta adaptado para realizar transmisiones de enlace ascendente al primer nodo de cabecera (101) y al segundo nodo de cabecera (111) respectivamente en mitades (323) de enlace ascendente de intervalos (313) de supertramas (302) del respectivo nodo de cabecera y

   - cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para realizar transmisiones de enlace descendente a subnodos del propio grupo del nodo de cabecera en mitades (324) de enlace descendente de intervalos (313) de las propias supertramas (302) del nodo de cabecera, y para usar dichas transmisiones de enlace descendente para realizar acuse de recibo a tales transmisiones de enlace ascendente precedentes de dichos subnodos que han incluido una peticion de acuse de recibo, y

   - cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para realizar transmisiones a otro nodo de cabecera en mitades (323) de enlace ascendente de intervalos (313) de supertramas (302) de dicho otro nodo de cabecera.
8. 8. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 7, caracterizada porque cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para seleccionar una potencia de transmision para una transmision de enlace descendente basandose en una indicacion de una potencia de transmision usada para una transmision de enlace ascendente que el nodo de cabecera que realiza la transmision de enlace descendente ha recibido mas recientemente desde el nodo al que el nodo de cabecera esta realizando la transmision de enlace descendente, habiendo incluido dicha transmision de enlace ascendente una indicacion acerca de una potencia de transmision usada.
9. 9. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 3, caracterizada porque:

   - cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para transmitir, como dicha senal (321, 322) de baliza de grupo, un numero de tramas (321, 322) de baliza de grupo sucesivas a diferentes niveles de potencia y

   - cada nodo que recibe las senales (321, 322) de baliza de grupo esta adaptado para determinar, basandose en la trama de baliza de nivel de potencia mas bajo que pudo recibirse satisfactoriamente, un nivel de potencia de transmision requerido para transmisiones al nodo que transmitio dichas senales (321, 322) de baliza de grupo.
10. 10. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 9, caracterizada porque cada uno del primer subnodo (102) y del segundo subnodo (112) esta adaptado para responder a una situacion donde fue unicamente capaz de recibir satisfactoriamente una trama de baliza de grupo de nivel de potencia mas alto desde un nodo de cabecera realizando exploracion de red para encontrar otros nodos de cabecera.
11. 11. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque:

    - cada uno del primer nodo de cabecera (101) y del segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para transmitir, como dicha senal (331, 332) de baliza de red, un numero de tramas (341, 342) de baliza de red sucesivas a diferentes niveles de potencia y

    - cada nodo que recibe senales de baliza de red esta adaptado para determinar, basandose en la trama de baliza de nivel de potencia mas bajo que pudo recibirse satisfactoriamente, un nivel de potencia de transmision requerido para transmisiones al nodo que transmitio dichas senales de baliza de red.
12. 12. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque el primer nodo de cabecera (101) y el segundo nodo de cabecera (111) estan adaptados para transmitir senales (331, 332) de baliza de red a una velocidad de repeticion que se ha determinado minimizando una suma de un consumo de energfa medio en transmisiones de baliza y consumo de energfa medio en exploracion de red realizado para recibir transmisiones de baliza.
13. 13. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 12, caracterizada porque el primer nodo de cabecera (101) y el segundo nodo de cabecera (111) estan adaptados para transmitir senales de baliza de red a una velocidad de repeticion

    imagen1

    donde

    Prx = consumo de potencia de un nodo en modo de recepcion,

    Eb = suma de energfa usada para transmitir una trama de transmision a un primer nivel de potencia de transmision y energfa usada para transmitir una trama de datos a un segundo nivel de potencia de transmision, inferior a dicho primer nivel de potencia de transmision,

    TS(h) = intervalo de exploracion de red para nodos de cabecera Ts(s) = intervalo de exploracion de red para subnodos y

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    55

    ns = numero de subnodos por cada nodo de cabecera.
14. 14. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque:

    - cada uno de dicho primer nodo de cabecera (101) y segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para transmitir una indicacion (843) de tiempo completo que indica tiempo absoluto en cada senal de baliza de red y una indicacion (847) de tiempo corto que indica un numero de bits menos significativos de tiempo absoluto en las senales de baliza de grupo transmitidas en la frecuencia de grupo del nodo de cabecera,

    - cada nodo de la red de sensores inalambricos esta adaptado para leer indicaciones de tiempo desde senales de baliza recibidas y para ajustar un reloj interno del nodo para coincidir con una referencia de tiempos indicada en dichas indicaciones de tiempo.
15. 15. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 14, caracterizada porque cada uno de dicho primer nodo de cabecera (101) y segundo nodo de cabecera (111) esta adaptado para transmitir un indicador (844, 848) de precision de tiempo junto con una indicacion de tiempo, indicando dicha precision de indicacion de tiempo al menos uno de un numero de saltos entre nodos desde una fuente de tiempos de referencia y tiempo desde que el nodo que transmite dicha indicacion de tiempo ha recibido una referencia de tiempos.
16. 16. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque

    - cada uno del primer (101) y segundo (111) nodos de cabecera esta adaptado para anunciar, en una senal de baliza transmitida, una situacion (837) de carga actual en sus grupos, y

    - un dispositivo de nodo de dicha red de sensores inalambricos esta adaptado para asociar como un subnodo a uno de los grupos del primer (101) o segundo (111) nodos de cabecera, o establecerse a sf mismo como un nodo de cabecera de un nuevo grupo, dependiendo de como de cargados se anuncian que estan los grupos del primer (101) y segundo (111) nodos de cabecera.
17. 17. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque al menos uno del primer (101) y segundo (111) nodos de cabecera es un nodo de sumidero (104) adaptado para recopilar informacion de otros nodos en la red de sensores inalambricos y para actuar como una pasarela para al menos uno de otro sistema y de otra red.
18. 18. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque como dispositivos (101, 102, 104, 111, 112) de nodo comprende dispositivos adaptados para actuar selectivamente bien como nodos de cabecera o subnodos, y dispositivos adaptados para actuar como subnodos unicamente, dicho dispositivo que esta adaptado para actuar como subnodos unicamente no es capaz de encaminamiento o agregacion de datos.
19. 19. Una red de sensores inalambricos de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque como dispositivos (101, 102, 104, 111, 112) de nodo comprende exclusivamente dispositivos adaptados para actuar selectivamente bien como nodos de cabecera o bien como subnodos.
20. 20. Un procedimiento para disponer comunicaciones en una red de sensores inalambricos, caracterizado porque comprende:

    - seleccionar una primera frecuencia para su uso en comunicaciones inalambricas entre un nodo de cabecera y subnodos de un primer grupo (103)

    - comunicar informacion entre los nodos de dicho primer grupo (103) en dicha primera frecuencia, usando un esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo

    - informar a un nodo de cabecera de un segundo grupo (113) acerca de la primera frecuencia seleccionada para el primer grupo (103), y seleccionar una segunda frecuencia - diferente de dicha primera frecuencia - para su uso en comunicaciones inalambricas dentro de dicho segundo grupo (113)

    - comunicar informacion entre los nodos de dicho segundo grupo (113) en dicha segunda frecuencia, usando un esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo,

    - informar al nodo de cabecera del primer grupo (103) acerca de la segunda frecuencia seleccionada para el segundo grupo (113) y comunicar informacion desde el nodo de cabecera de dicho primer grupo (103) al nodo de cabecera de dicho segundo grupo (113) en dicha segunda frecuencia, usando el mismo esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo que otros nodos en dicho segundo grupo (113), y

    - transmitir de manera repetitiva senales (331, 332) de baliza de red mediante los nodos de cabecera de dicho primer y segundo grupos en una tercera frecuencia, que es diferente de dicha primera frecuencia y dicha segunda frecuencia.
21. 21. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 20, caracterizado porque comprende:

    - disponer transmisiones inalambricas en cada uno de dicho primer y segundo grupos en ciclos (301) de acceso que se producen de manera repetitiva, comprendiendo un ciclo (301) de acceso una supertrama (302) para comunicaciones y un periodo (303) de reposo

    -transmitir, mediante los nodos de cabecera del primer y segundo grupos, senales (331) de baliza de red activas

    - estando cada senal de baliza de red activa seguida inmediatamente por una supertrama (302) - asf como

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    senales (332) de baliza de red en reposo, transmitiendose cada senal (332) de baliza de red en reposo durante dicho periodo (303) de reposo e indicando un tiempo de reposo restante antes de una supertrama (302) posterior.
22. 22. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 21, caracterizado porque comprende transmitir, mediante los nodos de cabecera del primer y segundo grupos, una senal (321, 322) de baliza de grupo dentro de cada supertrama (302), transmitiendose dicha senal (321, 322) de baliza de grupo en la frecuencia seleccionada mediante el nodo de cabecera para su uso en comunicaciones inalambricas dentro del grupo del nodo de cabecera.
23. 23. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 21, caracterizado porque comprende realizar transmisiones basadas en contienda a los nodos de cabecera de grupos dentro de los intervalos (312) basados en contienda de las supertramas (302).
24. 24. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 23, caracterizado porque comprende:

    - hacer, mediante subnodos, peticiones para intervalos reservables en supertramas (302) a los nodos de cabecera de sus grupos dentro de intervalos (312) basados en contienda de supertramas y

    - hacer, mediante nodos de cabecera, peticiones para intervalos reservables en supertramas (302) a otros nodos de cabecera dentro de intervalos (312) basados en contienda de supertramas del esquema de acceso de canal a intervalos de tiempo aplicado en los grupos de dichos otros nodos de cabecera.
25. 25. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 24, caracterizado porque comprende:

    - conceder, mediante nodos de cabecera, intervalos (313) reservables a nodos que han hecho una peticion para un intervalo reservable y

    - transmitir, mediante nodos de cabecera y dentro de las senales (321, 322) de baliza de grupo de supertramas (302), una tabla (845) de asignacion de intervalo de tiempo reservable que indica intervalos reservables concedidos en esa supertrama (302).
26. 26. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 25, caracterizado porque dicha concesion de intervalos reservables implica dar prioridad a otros nodos de cabecera sobre los subnodos.
27. 27. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 21, caracterizado porque comprende:

    - transmitir como senales (321, 322) de baliza de grupo un numero de tramas (321, 322) de baliza de grupo sucesivas a diferentes niveles de potencia y

    - en cada nodo que recibe las senales (321, 322) de baliza de grupo determinar, basandose en la trama de baliza de nivel de potencia mas bajo recibida satisfactoriamente, un nivel de potencia de transmision requerido para transmisiones al nodo que transmitio dichas senales de baliza de grupo.
28. 28. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 27, caracterizado porque comprende realizar exploracion de red para encontrar otros nodos de cabecera en una situacion donde un subnodo fue unicamente capaz de recibir satisfactoriamente una trama (321) de baliza de grupo de nivel de potencia mas alto desde un nodo de cabecera.
29. 29. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 20, caracterizado porque comprende:

    - transmitir, como senales (331, 332) de baliza de red, un numero de tramas (331, 332) de baliza de red sucesivas a diferentes niveles de potencia y

    - en cada nodo que recibe las senales de baliza de red determinar, basandose en la trama de baliza de nivel de potencia mas bajo recibida satisfactoriamente, un nivel de potencia de transmision requerido para transmisiones al nodo que transmitio dichas senales de baliza de red.
30. 30. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 20, caracterizado porque comprende transmitir senales (331, 332) de baliza de red a una velocidad de repeticion que se ha determinado minimizando una suma de un consumo de energfa medio en transmisiones de baliza y consumo de energfa medio en exploracion de red realizada para recibir transmisiones de baliza.
31. 31. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 30, caracterizado porque comprende transmitir senales (331, 332) de baliza de red a una velocidad de repeticion

    imagen2

    donde

    Prx = consumo de potencia de un nodo en modo de recepcion,

    Eb = suma de energfa usada para transmitir una trama de datos a un primer nivel de potencia de transmision y

    10

    15

    energfa usada para transmitir una trama de datos a un segundo nivel de potencia de transmision, inferior a dicho primer nivel de potencia de transmision,

    TS(h) = intervalo de exploracion de red para nodos de cabecera Ts(s) = intervalo de exploracion de red para subnodos y ns = numero de subnodos para cada nodo de cabecera.
32. 32. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 20, caracterizado porque comprende:

    - anunciar, en una senal de baliza transmitida, una situacion (837) de carga actual en el grupo del nodo de cabecera que transmite la senal de baliza, y

    - decidir asociar un dispositivo de nodo como un subnodo a uno de los grupos existentes, o establecer dicho dispositivo de nodo como un nodo de cabecera de un nuevo grupo, dependiendo de como de cargados se anunciaron que estan los grupos existentes.
33. 33. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 20, caracterizado porque comprende realizar la relacion de tiempo activo a la longitud de un ciclo de acceso mas largo en nodos de cabecera que en subnodos para reducir el consumo de energfa global de la red de sensores inalambricos.
34. 34. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 20, caracterizado porque comprende distribuir una referencia de tempos desde una fuente de tiempos de referencia a traves de los nodos de la red de sensores inalambricos.