ES2665925T3 - Descubrimiento de vecino eficiente energéticamente para redes de sensores inalámbricos móviles - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo (601) de nodo para una red de sensores inalámbricos, que comprende: - un receptor (651) de recepción de transmisiones desde otros nodos en dicha red de sensores inalámbricos, - un controlador (641) configurado para conectar selectivamente dicho receptor (651) de acuerdo con un calendario conocido para dicho controlador (641), y - una memoria (642) configurada para almacenar información acerca de otros nodos en dicha red de sensores inalámbricos; en el que dicho dispositivo (601) de nodo está configurado para mantener sincronización con y recibir transmisiones de baliza desde otro nodo en dicha red de sensores inalámbricos, transportando dichas transmisiones de baliza información relacionada con control de conexiones de red y transferencia de datos entre nodos, caracterizado porque dicho controlador (641) está configurado para leer a partir de la información de transmisiones de baliza recibida acerca de nodos vecinos desde los que dicho dispositivo (601) de nodo no recibe dichas transmisiones de baliza y con los que dicho dispositivo (601) de nodo no mantiene sincronización, cuya información incluye información de tiempo que describe temporización de transmisiones de baliza desde nodos vecinos desde los que dicho dispositivo (601) de nodo no recibe dichas transmisiones de baliza en relación con la temporización de transmisiones de baliza desde el nodo desde el que el dispositivo (601) de nodo recibió dicha transmisión de baliza que incluye dicha información de tiempo, y para almacenar tal información en dicha memoria (642), y dicho controlador (641) está configurado para utilizar tal información almacenada para conectar selectivamente dicho receptor (651) para intentar la recepción de una transmisión de baliza desde tal nodo vecino como una respuesta a un fallo o debilitamiento observado en calidad de enlace en sincronización mantenida anteriormente.

Description

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Sin embargo, si escuchar a las SDU no proporciona suficientes vecinos que tienen buena calidad de enlace, también se aceptan enlaces de menor calidad (q0). La última parte de el algoritmo supervisa información de vecinos e intenta sustituir estos enlaces de baja calidad por unos mejores (líneas 10-20).
El algoritmo prefiere la selección de vecinos con alta calidad de enlace (líneas 9 y 20), ya que estos tienen tasa de errores de trama baja y permiten ahorro de energía con control de potencia de transmisión. Adicionalmente, cuando se tienen varias elecciones con igual o casi igual calidad de enlace, se seleccionan vecinos que anuncian diferentes SDU. La selección permite conseguir información de vecindad global, que proporciona más elecciones de selección de vecino y por lo tanto añade robustez.
El algoritmo se adapta a movimiento prefiriendo vecinos que se aproximan (N+) y evitando nodos que se alejan (N-). Listas de N+ y N-se actualiza tras recepción de baliza. Pequeños cambios en calidad de enlace se filtran para evitar variación normal en la calidad de señal medida y que movimiento despacio provoque sustituciones de enlaces innecesarias.
Si un vecino se aleja, se busca una sustitución en las SDU anunciadas por vecinos que se aproximan (líneas 13-15). La búsqueda finaliza después de la detección de un nuevo vecino con cualquier calidad de enlace (q0). Se acepta incluso enlace de calidad baja, ya que el nodo se mueve hacia el anunciador. Por lo tanto, es probable que la calidad de enlace de los vecinos aceptados también aumente. Las SDU de los nodos que se mueven más rápido se manejan primero (líneas 14, 21-22), porque el movimiento es hacia la vecindad del nodo en cuestión. Líneas 16-17 manejan la situación cuando el nodo está estacionario, moviéndose despacio o la calidad de enlace del vecino es mala y no se encontró una sustitución en la lista N+. De nuevo, se permite que los nodos que se mueven más cerca tengan una calidad de enlace baja.
Debería observarse que, ya que las temporizaciones se conocen exactamente, un nodo no escucha continuamente la radio. Por lo tanto, la detección de vecinos con información distribuida tiene un beneficio adicional sobre exploración de red tradicional, ya que un nodo puede estar en suspensión o comunicarse con sus vecinos mientras espera una baliza recepción en la parte de sincronización del algoritmo.
SELECCIÓN DE SDU Y ENLACES
Un nodo puede tener una oferta excesiva de nodos vecinos con los que podría mantener enlaces de comunicación. Para prepararse de forma más efectiva para posibles cambios en enlaces, sería ventajoso si el nodo pudiera seleccionar aquellos nodos desde los que recibe SDU de modo que se ubican en tantas direcciones diferentes como sea posible. Esto se consigue fácilmente de modo que el nodo trata de sincronizar esencialmente con aquellos otros nodos desde los que puede recibir tantas SDU diferentes como sea posible. En otras palabras, el nodo intenta evitar recibir SDU duplicadas. Maximizar el número de SDU únicas recibidas y almacenadas también maximiza la posibilidad de encontrar un nuevo enlace útil sobre la base de las SDU almacenadas. Esto es más importante en redes dispersas que únicamente tienen un número pequeño de otros nodos dentro del alcance de radio.
Anteriormente en la realización basada en pseudocódigo ya abordamos el objeto de supervisar los cambios en calidad de enlace. Si la calidad de un enlace parece estar mejorando, el nodo puede decidir bien mantener el mismo incluso si la calidad de enlace era baja para comenzar, porque la mejora observada sugiere que estos nodos están en un movimiento relativo entre sí, de modo que el enlace puede ser mucho mejor en el futuro. Por otra parte, un enlace debilitado es más probable que quede obsoleto y es un buen candidato para ser sustituido incluso si en la actualidad aún tuviera una calidad de enlace aceptable.
EJEMPLO DE UN NODO
La Figura 6 ilustra la arquitectura de un dispositivo 601 de nodo ilustrativo de acuerdo con una realización de la invención. Un subsistema 604 informático se adapta para ejecutar el protocolo MAC (Control de Acceso al Medio), los protocolos superiores y algoritmos de aplicación dependiendo de rendimiento y memoria disponibles. Una implementación física ilustrativa del subsistema informático comprende una unidad 641 de Microcontrolador (MCU) PIC18LF4620 de Microchip, que se integra en un núcleo de procesador de 8 bits con memoria de programa FLASH de 64 kB, memoria de datos RAM (memoria de acceso aleatorio) de 4 kB y EEPROM (memoria de sólo lectura eléctricamente programable borrable) de 1 kB. Puede usarse una memoria 642 externa, por ejemplo, una EEPROM de 8 kB, para proporcionar un almacenamiento de datos no volátil. El controlador tiene alta eficiencia energética y modos de ahorro de potencia versátiles y temporización de activación de energía baja con reloj de cristal externo de 32,768 kHz (no mostrado). Operación de modo activo se cronometra mediante una fuente de reloj ajustable interna. Una frecuencia de reloj utilizada ilustrativa es 4 MHz que resulta en un rendimiento de 1 MIPS. Se usa un Convertidor 632 de Analógico a Digital (ADC) interno de 10 bits para supervisión de estado de energía de batería. También puede conectarse al ADC un sensor 631 externo con salida analógica.
Un subsistema 605 de comunicaciones comprende un transceptor 651 de RF, una antena 652 y la parte de MCU 641 que ejecuta los protocolos de comunicación. Una implementación física ilustrativa del subsistema 605 de comunicaciones utiliza un transceptor nRF2401 de 2,4 GHz de Nordic Semiconductor que tiene tasa de datos de transmisión de 250 kbps o 1 Mbps seleccionable y 83 canales de frecuencia disponibles. Nivel de potencia de transmisión es seleccionable entre -20 dBm y 0 dBm. La radio tiene una interfaz para MCU de baja velocidad, que
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intercambio de datos no se ven afectadas por operaciones de mantenimiento de red. Por lo tanto, de ahora en adelante nos centramos puramente en las operaciones de mantenimiento de red.
Ya que todos los nodos habitualmente utilizan protocolos de descubrimiento de vecino y transmisiones de baliza de red similares, se puede asumir que la red soporta movilidad aleatoria para todos los nodos. El grado máximo de movilidad se limita más significativamente mediante un protocolo de enrutamiento, que está fuera el alcance de la presente invención. En el siguiente análisis se modela el consumo de energía de un único nodo móvil que se mueve entre un campo de sensor estacionario.
Primero se modela el rendimiento del protocolo de descubrimiento de vecino y a continuación la tasa de transmisión de baliza de red óptima de energía. Consumo de energía se considera en periodos de 1 s de operación, que es igual a un consumo de potencia medio. La evaluación de potencia media en lugar de energía es más conveniente debido a la independencia de tiempo.
Suponiendo una distribución de nodo uniforme, sea la densidad de nodo d nodos/m2. Esto significa que n = dr2 nodos se ubican en un alcance de radio (r). Se considera un nodo que mantiene sincronización y recibe SDU desde k nodos vecinos. Como un nodo se mueve en un campo de WSN estacionario a velocidad v, un fallo de enlace de comunicación se produce cuando cualquiera de los k enlaces falla. La tasa de fallo de enlace de comunicación resultante (ff) es
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A continuación, se modela la probabilidad de descubrimiento de vecino satisfactorio usando SDU recibidas. Se considera una situación presentada en la Figura 9, en la que un nodo A mantiene sincronización y recibe SDU desde los nodos B y D. La distancia entre los nodos A y B es b y sus alcances de radio forman círculos con un radio r. Además, el nodo B mantiene sincronización y recibe SDU con los nodos C y E ubicados en su alcance. Ya que el nodo E está en el área de intersección de los alcances de los nodos A y B (SAB), el nodo A puede recibir sus transmisiones (de baliza) y la SDU señalizada mediante el nodo B al nodo A es útil. El nodo C está fuera del área SAB, así que el nodo A no puede detectar sus transmisiones, que resultan en una SDU inservible. El tamaño del área de intersección SAB se define mediante el radio r y la distancia b como
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Por lo tanto, la probabilidad pi de que un nodo ubicado en SB está también en el área de intersección SAB es igual a INTC(b)/r2. Además, sean los nodos A y B vecinos ubicados aleatoriamente, de modo que b consigue un valor en el intervalo [0, r], y el nodo A recibe SDU desde el nodo B. La probabilidad de que una SDU recibida sea útil se determina integrando la probabilidad INTC(b)/r2 sobre el círculo de radio b centrado en A para b en [0, r]. Se obtiene
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Como cada nodo mantiene sincronización con otros k nodos, que generan todos k SDU, la probabilidad q de que ninguna de las k2 SDU recibidas es útil y se requiere una exploración de red se modela mediante
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El intervalo de exploración de red (Ins) requerido es
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En caso de un fallo de enlace, un nodo intenta recibir balizas de acuerdo con SDU hasta que se detecta un nuevo vecino con suficiente intensidad de señal. Se define que el intervalo de suficiente intensidad de señal en proporción un alcance de radio máximo (r) es . El número esperado (u) de recepciones de baliza hasta que una baliza dentro de la distancia de r se recibe satisfactoriamente se modela mediante media ponderada como
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