ES2894043T3 - Un método de selección de roles para sistemas de comunicación inalámbrica - Google Patents

Abstract

Un sistema de comunicación inalámbrica (100), que comprende una pluralidad de nodos de radio, cada uno de los cuales puede operar al menos como un nodo enrutador (104) o como un nodo no enrutador (104), en donde cada uno de la pluralidad de nodos de radio se configura para: - detectar la densidad de los nodos enrutadores (104) dentro de su vecindad, y - tomar una decisión con base en la densidad detectada de si operar como un nodo enrutador (104) o como un nodo no enrutador (106), caracterizado porque la decisión se proporciona al comparar la densidad detectada con un margen de densidad escalable, y en donde el margen de densidad se escala con uno o más valores de histéresis para mitigar cambios de rol innecesarios.

Description

DESCRIPCIÓN

Un método de selección de roles para sistemas de comunicación inalámbrica

Campo técnico

La invención se refiere en general al campo técnico de las redes de comunicación inalámbrica. Especialmente, la invención se refiere a la selección de roles de nodos en redes de comunicación inalámbrica.

Antecedentes

Las redes de comunicación inalámbrica, por ejemplo, las redes de malla inalámbricas, están compuestas por múltiples, incluso cientos o miles de nodos de radio (más adelante denominados "nodos") que se comunican entre sí a través de dos o más interfaces de radio. Para soportar las diversas funciones de tales redes de comunicación inalámbrica, los nodos típicamente necesitan operar en diferentes roles. Uno o más nodos de la red operan en rol de sumidero, es decir, forman parte de puertas de enlace a otras redes, por ejemplo, Internet, y suministran datos en y desde la red de comunicación inalámbrica. El resto de los nodos de la red se pueden dividir en enrutadores y no enrutadores en dependencia de si necesitan participar en el reenvío de datos. Los enrutadores mantienen la conectividad de la red y reenvían datos de otros nodos cuando es necesario. Los no enrutadores pueden transmitir sus propios datos y recibir datos dirigidos a ellos, pero típicamente no enrutan datos de otros nodos.

La red de comunicación inalámbrica puede comprender dispositivos sensores que producen datos, que se monitorean a través de Internet. Cada dispositivo sensor está equipado con una o más interfaces de radio y varios sensores y operan como nodos de la red de comunicación inalámbrica. La interfaz de radio de cada nodo se usa para suministrar los datos hacia el nodo receptor o cualquier otro nodo de la red. Incluso si un solo nodo no puede llegar directamente al nodo receptor, la red formada entre los nodos se encarga de enrutar los datos y los mensajes de control al destino deseado. Un protocolo de enrutamiento implementado en cada nodo elige la trayectoria al(a los) sumidero(s). De manera similar, puede haber datos que se suministran, a través de múltiples enlaces de radio, desde el nodo sumidero al(a los) nodo(s) o entre los nodos dentro de la red de comunicación inalámbrica.

Las redes de comunicación inalámbrica pueden necesitar adaptarse a diferentes tipos de entornos, densidades de dispositivos, topologías y cambios arbitrarios en cualquiera de los anteriores.

De acuerdo con una solución de la técnica anterior, los nodos de una red de comunicación inalámbrica pueden dividirse en roles activos, es decir, de retransmisión y de súper ahorro. Un nodo raíz genera una trayectoria de enrutamiento a través de la red, es decir, selecciona los nodos activos, y los nodos activos en la ruta no pueden cambiar sus roles a rol de súper ahorro. La selección se repite periódicamente. El método se basa en la toma de decisiones centralizada por parte del nodo raíz, lo que puede reducir la complejidad de los nodos. Un inconveniente de la solución de la técnica anterior es que no aborda la disponibilidad local de los dispositivos activos alrededor de la red de malla, por ejemplo, en caso de que los nuevos terminales quieran unirse a la red (pero están en la cobertura de radio de los terminales de súper ahorro solamente). Adicionalmente, la actualización de toda la información del enrutador desde el nodo central puede generar una señalización extensa, especialmente cuando la cantidad de nodos es alta.

De acuerdo con otra solución de la técnica anterior, la selección de los nodos de enrutamiento principales en una red de malla inalámbrica jerárquica se puede realizar al intercambiar información de métricas de la trayectoria. La calidad de la señal (por ejemplo, la relación señal/ruido y/o la intensidad de la señal recibida) se puede medir para proporcionar la información de la métrica de la trayectoria y las selecciones se realizan con base en esta información. Por lo tanto, en este caso no hay una selección de rol real o el rol se selecciona individualmente para cada transmisión para optimizar la trayectoria de la ruta y aumentar la eficiencia del enrutamiento. Sin embargo, todos los nodos deben intercambiar información de métricas de la trayectoria y estar preparados para formar parte de la trayectoria de datos.

Una publicación US 20070195728 A1 describe un método para redes ad hoc inalámbricas móviles, donde los nodos de la red pueden cambiar roles de manera dinámica y distribuida de acuerdo con el entorno de red circundante.

Una publicación WO 2010/039166 A1 describe un aparato y método para gestionar el enrutamiento de paquetes a través de dispositivos de red alimentados internamente en redes de sensores inalámbricos. El método incluye configurar un rol que asumirá un nodo alimentado internamente durante una fase de operaciones de una red híbrida que tiene un nodo alimentado externamente y el nodo alimentado internamente.

Resumen

A continuación se presenta un resumen simplificado con el propósito de proporcionar una comprensión básica de algunos aspectos de diversas modalidades de la invención. Este resumen no es una visión general extensa de la invención. No se pretende identificar elementos claves o críticos de la invención ni delinear el ámbito de la invención. El siguiente resumen simplemente presenta algunos conceptos de la invención en una forma simplificada como preludio de una descripción más detallada de modalidades ilustrativas de la invención.

Un objetivo de la invención es presentar un sistema de comunicación inalámbrica, un método de selección de roles, un dispositivo de nodo de radio, un programa informático y un medio legible por ordenador. Otro objetivo de la invención es que el sistema de comunicación inalámbrica, el método de selección de roles, el dispositivo de nodo de radio, el programa informático y el medio legible por ordenador mejoren la adaptabilidad de un sistema de comunicación inalámbrica.

Los objetivos de la invención se alcanzan mediante un sistema de comunicación inalámbrica, un método de selección de roles, un dispositivo de nodo de radio, un programa informático y un medio legible por ordenador según se define en las respectivas reivindicaciones independientes.

Las modalidades adicionales se describen en las reivindicaciones dependientes.

Varias modalidades ejemplificativas y no limitantes de la invención tanto en cuanto a construcciones como a métodos de operación, junto con objetos adicionales y ventajas de la misma, se entenderán mejor a partir de la siguiente descripción de modalidades ejemplificativas y no limitantes específicas cuando se lean en relación con los dibujos adjuntos.

Los verbos "comprender" e "incluir" se usan en este documento como limitaciones abiertas que no excluyen ni requieren la existencia de características no citadas.

Las características citadas en las reivindicaciones dependientes se pueden combinar libremente entre sí a menos que se indique explícitamente de cualquier otra manera. Además, debe entenderse que el uso de "un" o "una", es decir, una forma singular, a lo largo de este documento no excluye una pluralidad.

Breve descripción de las figuras

Algunas modalidades de la invención se ilustran a manera de ejemplo y no a manera de limitación en las figuras de los dibujos adjuntos.

La Figura 1 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una red de comunicación inalámbrica.

La Figura 2 ilustra un ejemplo de una tabla de Acceso Múltiple por División de Tiempo-Frecuencia (FTDMA).

Las Figuras 3A-3F ilustran esquemáticamente ejemplos de un método de selección de roles de acuerdo con la invención.

La Figura 4 ilustra un ejemplo de cambios en la densidad del enrutador en una red de malla inalámbrica.

La Figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una arquitectura de hardware de un dispositivo de nodo de radio de acuerdo con la invención.

Descripción de las modalidades ejemplificadoras

La Figura 1 ilustra un ejemplo de red de comunicación inalámbrica 100, que puede ser, por ejemplo, una red de malla inalámbrica (WMN). La WMN puede ser, por ejemplo, una red de sensores inalámbricos (WSN). La comunicación inalámbrica en la red 100 puede basarse, por ejemplo, en bluetooth de baja energía (BLE), estándar IEEE 802.15, estándar IEEE 802.11 u otro protocolo de radio.

La red 100 puede comprender una pluralidad de nodos de radio. La pluralidad de nodos puede funcionar en diferentes roles. La red comprende al menos un nodo que opera en un rol de sumidero 102, es decir, es parte de la puerta de enlace a otras redes, por ejemplo, Internet, y suministra datos en y desde la red 100. El resto de los nodos de la pluralidad de nodos pueden dividirse en nodos enrutadores 104 y nodos no enrutadores 106 en dependencia de si necesitan participar en el reenvío de datos. La operación como un nodo enrutador 104 comprende la capacidad de recibir datos de al menos otro nodo y transmitir los datos recibidos a al menos otro nodo. Los nodos enrutadores 104 mantienen la conectividad de la red y reenvían datos de otros nodos cuando es necesario. Los nodos no enrutadores 106 pueden transmitir sus propios datos y recibir datos dirigidos a ellos, pero típicamente no enrutan datos de otros nodos. Cada uno de la pluralidad de nodos de la red 100 puede operar al menos como un nodo enrutador o como un nodo no enrutador. Típicamente, una red 100 puede ser tal que todos los nodos 104, 106 no puedan comunicarse directamente con el nodo sumidero 102 debido a la gran distancia entre los nodos 102, 104, 106 y el alcance de radio limitado, con lo cual se necesita comunicación multienlace (multisaltos) entre un nodo 104, 106 y el sumidero 102.

La red 100 puede necesitar adaptarse a diferentes tipos de entornos, densidades de dispositivos, topologías y cambios arbitrarios en cualquiera de los anteriores. Una función clave para la adaptabilidad de la red 100 es la selección de roles, es decir, la selección de qué nodos deben ser los nodos enrutadores 104 y qué nodos deben ser nodos enrutadores 106. La red 100 necesita suministrar datos, pero no todos los nodos son necesarios para el enrutamiento, al menos no todo el tiempo. El rol de enrutador puede tener algunos inconvenientes tanto a nivel de nodo como de red, por ejemplo:

• Los dispositivos que enrutan el tráfico de otros dispositivos en la red 100 consumen más energía que los que no participan en el enrutamiento/reenvío. Al menos parte de los nodos en las redes de comunicación inalámbrica típicamente tienen recursos energéticos limitados (por ejemplo, baterías), por lo que deberían evitar las actividades de enrutamiento si no es esencial para soportar el flujo de datos de la red 100;

• El número superfluo de nodos enrutadores 104 no agrega capacidad de suministro de datos a la red 100, pero puede disminuirla debido a la señalización redundante y las colisiones en las transmisiones de radio; y

• Un número superfluo de nodos de ruta 104 puede causar una complejidad adicional para los cálculos de ruta y la señalización adicional relacionada.

La Figura 2 ilustra un ejemplo de una tabla de Acceso Múltiple por División de Tiempo-Frecuencia (FTDMA) que se compone de múltiples canales de frecuencia 202a-202n. Todos los múltiples canales de frecuencia 202a-202n se dividen en intervalos de tiempo de supertrama (SF). Una secuencia repetida de n intervalos SF se denomina ciclo de acceso 206. Los tiempos de inicio de SF están sincronizados a través de los canales de frecuencia 202a-202n. Cada nodo enrutador 104 puede gestionar un intervalo SF en cada ciclo de acceso y transmite un mensaje de baliza al comienzo del intervalo SF. El mensaje de baliza puede comprender información sobre el nodo transmisor y las ocupaciones SF visibles para él.

Las Figuras 3A-3F ilustran esquemáticamente ejemplos de un método de selección de roles de acuerdo con la invención. Al menos un objetivo del método de selección de roles es optimizar el número de nodos enrutadores 104 de la red 100, lo que a su vez permite un uso eficiente de los recursos del espectro. El método de selección de roles se describe a continuación al hacer referencia a un nodo (dispositivo). Sin embargo, cada uno de la pluralidad de nodos de radio 104, 106 de la red 100 puede realizar las etapas del método de selección de roles de manera independiente.

En una etapa 302, el nodo detecta la densidad de los nodos enrutadores 104 dentro de su vecindad, es decir, dentro de su alcance de radio. Los términos "vecino(s) de un nodo" y "vecindad de un nodo" significan uno o más nodos cuyas transmisiones de radio pueden ser detectadas por el nodo receptor. Un significado extendido del término "vecindad" tiene en cuenta a los vecinos del vecino del nodo, es decir, vecindad de dos saltos. Como ejemplo, en un sistema con intervalos de tiempo y frecuencia, la densidad de los nodos enrutadores 104 puede definirse como un porcentaje de los intervalos SF ocupados en la tabla FTDMA, porque cada nodo enrutador 104 reserva un intervalo SF como se describió anteriormente. Por ejemplo, la densidad de los nodos enrutadores 104 puede definirse como una relación entre el número de ranuras SF ocupadas por ciclo de acceso 206 y el número de todos los intervalos SF (es decir, el número máximo de nodos enrutadores) por ciclo de acceso 206 en la tabla FTDMA. El número de todos los intervalos SF depende de la SF usada y de la duración del ciclo de acceso y del número de canales de frecuencia 202a-202n disponibles. El número de todos los intervalos SF puede fijarse a través de la red 100. Alternativamente, el número de todos los intervalos SF puede variar. De acuerdo con un ejemplo, puede haber cuatro canales de frecuencia 202a-202d y cuatro SF por cada canal 202a-202d, es decir, el número de todas las SF es 16. El número de SF ocupadas por canal de frecuencia puede ser, por ejemplo, 2, 4, 1 y 3, es decir, el número total de SF ocupadas es 10. Por tanto, la densidad en este ejemplo puede definirse como 0,625 (62,5 %). Cada nodo puede detectar su propia vista del número de ranuras SF ocupadas al escuchar directamente en todos los canales de frecuencia 202a-202n los mensajes de baliza transmitidos por otros nodos, es decir, una vecindad de enlace, y/o recopilar información de ocupación formada por otros nodos de los mensajes de baliza transmitidos por los otros nodos, es decir, dos enlaces de vecindad. Anteriormente, la detección de la densidad de los nodos enrutadores 104 se describe para un sistema con intervalos de tiempo y frecuencia. Sin embargo, el método de selección de roles de acuerdo con la invención no se limita a los sistemas con intervalos de tiempo y frecuencia anteriores y el método de selección de roles puede implementarse en cualquier otro sistema y la densidad de los nodos enrutadores puede detectarse mediante el uso de cualquier método de detección adecuado para el sistema en cuestión.

Anteriormente, en el ejemplo del sistema con intervalos de tiempo y frecuencia, la cantidad máxima de nodos enrutadores 104 se define por la cantidad máxima de intervalos SF. En otros sistemas, la cantidad máxima de nodos enrutadores 104 puede definirse de manera diferente, por ejemplo, puede ser un valor predefinido o detectarse de acuerdo con los recursos de espectro de radio disponibles. Los recursos de espectro de radio disponibles pueden ser, por ejemplo, canales de frecuencia en lista blanca y/o períodos de tiempo libres de interferencia.

Además, la definición de densidad puede simplificarse como el número de nodos enrutadores 104 detectados. Por ejemplo, si un nodo detecta más de un número predefinido de nodos enrutadores (por ejemplo, 4), elegirá un rol no enrutador. El inconveniente de este método es la falta de escala con diferentes situaciones de recursos del espectro. La ventaja es que el método se puede utilizar como método alternativo cuando se desconocen los recursos del espectro general, es decir, el número máximo de nodos enrutadores.

En una etapa 304, el nodo toma una decisión con base en si la densidad detectada funcionará como un nodo enrutador 104 o como un nodo no enrutador 106. Para tomar la decisión del posible cambio de rol, la densidad detectada se puede comparar con un margen de densidad. El margen de densidad puede ser un límite predefinido que define una densidad deseada de nodos enrutadores 104 a lo largo de la red 100, por ejemplo, un nivel de ocupación deseado de SF que comprende la transmisión de balizas. La densidad deseada puede ser, por ejemplo, una densidad de nodos enrutadores 104 que proporcionen un funcionamiento óptimo de la red 100. De acuerdo con una modalidad de la invención, el margen de densidad puede tener un valor común en toda la red, es decir, el margen de densidad es fijo para todos los nodos dentro de la red 100. Alternativamente, el margen de densidad puede ser diferente para uno o más nodos dentro de la red 100. Además, de acuerdo con una modalidad de la invención, el margen de densidad se puede escalar con uno o más valores de histéresis para mitigar cambios de rol innecesarios.

La decisión de cambiar el rol o no puede depender del rol actual del nodo. Además, la escala del margen de densidad puede depender del rol actual del nodo, por ejemplo, uno o más valores de histéresis pueden sumarse o restarse del margen de densidad en dependencia del rol actual del nodo. En las Figuras 3A-3F, la dependencia del rol actual del nodo se presenta en una etapa 306, en donde se define el rol actual del nodo, es decir, enrutador, no enrutadory sin rol definido, y la decisión de operar como un nodo enrutador o como un nodo no enrutador depende del rol actual del nodo.

De acuerdo con un ejemplo, el margen de densidad puede establecerse en 70 % y el valor de histéresis puede predefinirse como ± 5 % en dependencia del rol actual del nodo en la red 100, por ejemplo, 5 % para el nodo enrutador 104 y -5 % para el nodo no enrutador 106. Estos dan como resultado los siguientes cambios de rol:

1) Si un nodo es actualmente un nodo enrutador 104, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de no enrutador si la densidad detectada > 75 %, o

b. de cualquier otra manera, permanece en el rol de enrutador

2) Si un nodo es actualmente un nodo no enrutador 106, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de enrutador, si la densidad detectada < 65 %, o

b. de cualquier otra manera, permanece en el rol de no enrutador

3) Si un nodo no tiene información de rol anterior o rol predeterminado, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de enrutador, si la densidad detectada < 70 % (margen de densidad sin escala con histéresis), o b. de cualquier otra manera, selecciona el rol de no enrutador.

Los valores para el margen de densidad y los valores de histéresis usados en el ejemplo anterior son solo ejemplos no limitantes y puede usarse cualquier otro valor para el margen de densidad y los valores de histéresis.

Alternativamente o además, de acuerdo con una modalidad de la invención, el margen de densidad se puede escalar con un costo de ruta específico del nodo, disminuyendo o aumentando la probabilidad del nodo de elegir el rol de enrutador. La Figura 3B ilustra esquemáticamente un ejemplo del método de selección de roles de acuerdo con la invención, en donde en la etapa 307 el nodo define el costo de la ruta. Las etapas 302 y 307 pueden realizarse también en orden inverso, es decir, el nodo puede alternativamente definir primero el costo de la ruta y luego detectar la densidad de los nodos enrutadores dentro de su vecindad.

La probabilidad de que el nodo elija el rol de enrutador disminuye cuando aumenta el costo de la ruta. El costo de la ruta define una calidad de la ruta, por ejemplo, en términos de latencia y/o consumo de energía. El costo de la ruta puede basarse en varios criterios medibles, por ejemplo, como número de enlaces de radio al nodo sumidero 102. Los enlaces de radio y los nodos en la ruta pueden calificarse mediante el uso de al menos las siguientes métricas o su combinación:

• recursos energéticos acumulados de los nodos en la ruta, por ejemplo, si los nodos están alimentados por la red o por batería y cuál es el nivel de la batería;

• recursos energéticos de los nodos más cercanos, es decir, ¿el nodo tiene más batería restante que sus nodos vecinos?

• calidad de enlace acumulada (por ejemplo, tasa de errores de paquetes, intensidad de la señal recibida, valor acumulado) en la ruta;

• latencia acumulada (por ejemplo, retardo de propagación) en la ruta.

El costo de la ruta puede normalizarse, por ejemplo, a valores entre 0 y 10 %, de manera que cuanto mayor sea el costo de la ruta, mayor será el valor normalizado. Además, si más de una de las métricas anteriores se combinan en el costo de la ruta, una o más de ellas también pueden ponderarse más que las otras.

De acuerdo con un ejemplo, el margen de densidad puede establecerse nuevamente en 70 %, el valor de histéresis puede predefinirse nuevamente como ± 5 % en dependencia del rol actual del nodo en la red 100, por ejemplo, 5 % para un nodo enrutador 104 y - 5 % para un nodo no enrutador 106, y el costo de la ruta puede normalizarse a ± 5 % en dependencia del rol actual del nodo en la red 100, por ejemplo, 5 % para un nodo enrutador 104 y -5 % para un nodo no enrutador 106. Estos dan como resultado los siguientes cambios de rol:

1) Si un nodo es actualmente un nodo enrutador 104, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de no enrutador si la densidad detectada > 80 %, o

b. de cualquier otra manera, permanece en el rol de enrutador

2) Si un nodo es actualmente un nodo no enrutador 106, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de enrutador, si la densidad detectada < 60 %, o

b. de cualquier otra manera, permanece en el rol de no enrutador

3) Si un nodo no tiene información de rol anterior o rol predeterminado, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de enrutador, si la densidad detectada < 70 % (margen de densidad sin escala con histéresis y costo de ruta), o

b. de cualquier otra manera, selecciona el rol de no enrutador.

Los valores para el margen de densidad, los valores de histéresis y el costo de ruta usados en el ejemplo anterior son solo ejemplos no limitantes y puede usarse cualquier otro valor para el margen de densidad, los valores de histéresis y el costo de ruta.

Alternativamente o además, de acuerdo con una modalidad de la invención, el margen de densidad se puede escalar de acuerdo con la interferencia de radio dentro de la vecindad del nodo, disminuyendo o aumentando la probabilidad del nodo de elegir el rol de enrutador y disminuyendo o aumentando la densidad del enrutador dentro de la vecindad del nodo. Adicionalmente, el margen de densidad puede tener un límite mínimo de modo que incluso bajo mucha interferencia todavía habrá suficiente cantidad de enrutadores dentro del vecindario del nodo. La Figura 3c ilustra esquemáticamente un ejemplo del método de selección de roles de acuerdo con la invención, en donde en la etapa 301 el nodo define la interferencia de radio dentro de su vecindad.

La probabilidad de que el nodo elija el rol de enrutador disminuye cuando aumenta la cantidad de canales de frecuencia interferidos dentro de la vecindad del nodo. La interferencia en un canal de frecuencia se puede medir, por ejemplo, mediante

• Muestreo de potencia recibida;

• Uso de una evaluación de canal clara o una funcionalidad de escuchar antes de hablar;

• Medición de la tasa de errores de paquetes.

Con estas métricas, se puede medir la calidad de un canal de frecuencia y el canal de frecuencia se puede incluir en la lista blanca o en la lista negra.

De acuerdo con un ejemplo, si hay 40 canales de frecuencia en uso y 4 nodos enrutadores 104 permitidos por canal de frecuencia, el número máximo de nodos enrutadores será 160 (40 canales de frecuencia por 4 nodos enrutadores 104 por canal de frecuencia). Si la mitad de estos canales de frecuencia tienen una interferencia tan fuerte, que la comunicación en estos canales de frecuencia es de baja calidad o no funciona, solo hay 20 canales de frecuencia que pueden usarse. En esta situación, la cantidad máxima de nodos enrutadores 104 sería 80 (20 canales de frecuencia, 4 enrutadores por canal de frecuencia) y el margen de densidad puede establecerse en 50 % (80/160). El valor de histéresis puede predefinirse de nuevo como ± 5 % en dependencia del rol actual del nodo en la red 100, por ejemplo, 5 % para un nodo enrutador 104 y -5 % para un nodo no enrutador 106. Estos dan como resultado los siguientes cambios de rol:

1) Si un nodo es actualmente un nodo enrutador 104, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de no enrutador si la densidad definida > 55 %, o

b. de cualquier otra manera, permanece en el rol de enrutador

2) Si un nodo es actualmente un nodo no enrutador 106, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de enrutador, si la densidad definida < 60 %, o

b. de cualquier otra manera, permanece en el rol de no enrutador

3) Si un nodo no tiene información de rol anterior o rol predeterminado, hará lo siguiente:

a. seleccionar el rol de enrutador, si la densidad definida < 50 %, o

b. de cualquier otra manera, selecciona el rol de no enrutador.

Alternativamente o además, de acuerdo con una modalidad de la invención, la decisión puede depender de si un nodo enrutador 104 ha tenido miembros, es decir, nodos no enrutadores 106, recientemente. En otras palabras, si el nodo es actualmente un nodo enrutador 104 y hay uno o más nodos no enrutadores 106 que están asociados recientemente con dicho nodo, es decir, dentro de un intervalo de tiempo anterior predefinido, por ejemplo, en los últimos cinco minutos, al nodo no se le permite cambiar su rol de rol de enrutador a rol de no enrutador. Esto se ilustra en la Figura 3D, en donde en una etapa 308 se puede evitar la decisión de cambiar el rol de enrutador a no enrutador, si hay uno o más nodos no enrutadores 106 que están asociados con el nodo recientemente.

Alternativamente o además, de acuerdo con una modalidad de la invención, la decisión puede depender de si un nodo enrutador 104 tiene una ruta aun nodo sumidero 102 y además si uno o más de sus nodos vecinos en rol de enrutador no tienen una ruta a un nodo sumidero 102. Si un nodo enrutador 104 tiene una ruta a un nodo sumidero 102, pero uno o más de sus nodos vecinos en rol de enrutador no tienen una ruta a un nodo sumidero 102, el nodo no puede cambiar su rol de rol de enrutador a rol de no enrutador. Esto se ilustra en la Figura 3E, en donde en las etapas 309 y 310 se puede evitar la decisión de cambiar el rol de enrutador a rol de no enrutador, si el nodo tiene una ruta a un nodo sumidero 102 y además hay uno o más de sus nodos vecinos en rol de enrutador que no tienen una ruta a un nodo sumidero 102. Las etapas 309 y 310 pueden realizarse también después de realizar la etapa 308, si en la etapa 308 se define que no hay nodos no enrutadores 106 que estén asociados con el nodo recientemente. Alternativamente, la etapa 308 puede realizarse después de las etapas 309 y 310, si en las etapas 309 y 310 se define que el nodo no tiene una ruta a un nodo sumidero 102 o hay uno o más de sus nodos vecinos en el rol enrutador que tienen una ruta a un nodo sumidero 102.

Alternativamente o además, de acuerdo con una modalidad de la invención, la decisión de cambiar el rol debe ser válida al menos un tiempo predefinido antes de realizar el cambio de rol. En otras palabras, el proceso de cambio de rol se realiza, por ejemplo, las etapas 304, 308 y/o 310, una o varias veces durante un tiempo predefinido antes de cambiar el rol del nodo y si la decisión de cambiar el rol ha sido válida cada vez durante el tiempo predefinido, se puede realizar el cambio de rol. De cualquier otra manera, se evitará el cambio de rol. Esto se ilustra en la Figura 3F en una etapa 312, en donde la etapa 312 se realiza después de la etapa 308. Sin embargo, esta modalidad puede combinarse con cualquiera de las modalidades presentadas anteriormente de modo que la etapa 312 pueda realizarse después de tomar la decisión de cambiar el rol del nodo en cualquiera de las modalidades presentadas anteriormente. Por ejemplo, la etapa 312 puede realizarse después de la etapa 304 en la modalidad ilustrada en la Figura 3A. El tiempo predefinido puede ser el mismo o diferente para el cambio de rol de nodo de enrutador a nodo no enrutador y para el cambio de rol de nodo no enrutador a nodo enrutador. Adicionalmente, el tiempo predefinido puede ser diferente en dependencia del tipo de nodo, por ejemplo, si el nodo es de red o de batería.

La Figura 4 ilustra un ejemplo de cómo la densidad local de los nodos enrutadores 104 en una red 100 puede variar, es decir, cambiar, a lo largo del tiempo, es decir, el nivel de ocupación de la tabla FTDMA. Al principio 402, es decir, cuando los nodos se encienden, el número de nodos enrutadores 104 aumenta y probablemente va algo por encima del nivel deseado, es decir, el nivel óptimo para la red 100. El número de nodos enrutadores 104 se estabiliza, pero posteriormente pueden ser posibles incluso grandes cambios. Por ejemplo, en el ejemplo de la Figura 4, el pico alto 404 supera el 100 % de ocupación, lo que significa que algunos de los intervalos SF están temporalmente reservados doblemente.

Como se describió anteriormente, cada uno de la pluralidad de nodos de radio 104, 106 de la red 100 puede realizar las etapas del método de selección de roles de manera independiente. En el funcionamiento normal del sistema, el nodo sumidero 102 mantendrá permanentemente su funcionamiento como sumidero, ya que de cualquier otra manera se perderá la conexión a la red externa. Sin embargo, en caso de que se pierda la conexión a Internet desde el nodo sumidero 102, el nodo sumidero 102 puede realizar la selección de roles y convertirse en un nodo no enrutador 106. La conexión a Internet se puede proporcionar mediante el uso de cableado Ethernet, que puede sufrir una rotura de cable o un mal funcionamiento del dispositivo de interfaz. Alternativamente, la conexión a Internet se puede proporcionar mediante el uso de una solución de comunicación inalámbrica tal como LTE, que puede sufrir pérdida de cobertura de radio o mal funcionamiento del dispositivo. En el caso de que el nodo sumidero 102 decida operar como un nodo no enrutador 106, los datos acumulados y generados por el nodo se redireccionan hacia otro nodo sumidero 102 o hacia la red de malla inalámbrica 100.

La Figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una arquitectura de hardware de un dispositivo de nodo de radio 500 de acuerdo con la invención. El dispositivo de nodo (aparato) 600 comprende una memoria 502, una unidad de microcontrolador (MCU) 504, un transceptor de radio 506, una antena 508 y una fuente de alimentación 510. El dispositivo de nodo 500 puede ser un dispositivo de nodo de radio habilitado en malla, con lo cual puede ser un nodo enrutador 104, un nodo no enrutador 106, puede ser un dispositivo de nodo BLE. La MCU 504 se usa para ejecutar un programa informático (código) para una posible aplicación y protocolo de comunicación. El dispositivo de nodo 500 usa el transceptor de radio 506 con el propósito de transmitir y recibir datos entre otros dispositivos de nodo 500 y/o el(los) dispositivo(s) sumidero(s)(puerta de enlace) 102, y para transmitir tramas de comunicación a través de la antena 508. La fuente de alimentación 510 comprende componentes para alimentar el dispositivo, por ejemplo, una batería y un regulador.

La memoria 502 comprende el programa informático, que se configura para realizar al menos las acciones del nodo 104, 106, 500 presentado en esta parte de descripción, cuando se ejecuta en un ordenador, por ejemplo, en el nodo 104, 106, 500 por medio de la Mc U 504.

Tal acción puede ser la detección 302 de la densidad de los nodos enrutadores 104 dentro de la vecindad del dispositivo de nodo 500 mediante el uso de la MCU 504.

Además, dicha acción puede ser la recepción de datos de al menos otro nodo 102, 104, 106, 500 y la transmisión de los datos recibidos al menos de otro nodo 102, 104, 106, 500 mediante el uso del transceptor de radio 506.

Además, tal acción puede ser la producción de una comunicación de radio bidireccional con al menos otro dispositivo de nodo de radio 102, 104, 106, 500 mediante el uso del transceptor de radio 506.

Además, tal acción puede ser la decisión 304 con base en la densidad detectada de si operar como un nodo enrutador 104 o como un nodo no enrutador 106 mediante el uso de la MCU 504.

Además, tal acción puede ser la definición 306 del rol actual del nodo mediante el uso de la MCU 504.

Además, tal acción puede ser la comparación de la densidad detectada con un margen de densidad para tomar la decisión del posible cambio de rol mediante el uso de la MCU 504.

Además, dicha acción puede ser el escalado del margen de densidad con uno o más valores de histéresis para mitigar cambios de rol innecesarios mediante el uso de la MCU 504.

Además, dicha acción puede ser la definición del costo de la ruta específica del nodo y la escala del margen de densidad con el costo de la ruta específica del nodo mediante el uso de la MCU 504.

Además, tal acción puede ser la definición de la interferencia de radio dentro de la vecindad del nodo y el escalado del margen de densidad de acuerdo con la interferencia de radio dentro de la vecindad del nodo mediante el uso de la MCU 504.

Además, tal acción puede ser la definición 308 de si un nodo enrutador 104 ha tenido miembros, es decir, nodos no enrutadores 106, recientemente y la prevención de la decisión de cambiar el rol de nodo enrutador 104 a nodo no enrutador 106, si hay uno o más nodos no enrutadores 106 que están asociados con el nodo recientemente, mediante el uso de la MCU 504.

Además, tal acción puede ser la prevención de la decisión de cambiar el rol de nodo enrutador 104 a nodo no enrutador 106, si el nodo tiene una ruta a un nodo sumidero 102 y hay uno o más de sus nodos vecinos en rol de enrutador que no tienen una ruta a un nodo sumidero 102, mediante el uso de la MCU 504.

Además, dicha acción puede ser la realización del proceso de cambio de rol nuevamente después de un tiempo predefinido antes de cambiar el rol del nodo y la realización del cambio de rol, si la decisión de cambiar el rol sigue siendo válida después del tiempo predefinido, mediante el uso de la MCU 504.

Las acciones mencionadas anteriormente se pueden realizar de manera similar en el dispositivo de nodo de radio habilitado para BLE.

El programa informático puede almacenarse en un medio legible por ordenador no volátil tangible, por ejemplo, una memoria USB o un disco CD-ROM.

El método de selección de roles de acuerdo con la invención descrito anteriormente mejora la adaptabilidad de un sistema de red de comunicación inalámbrica, que a su vez mejora, es decir, optimiza, el funcionamiento de la red. Además, el número de nodos enrutadores en la red 100 puede optimizarse, lo que a su vez permite un uso eficiente de los recursos del espectro. Además, la conectividad de la red de comunicación inalámbrica se puede mantener al tener un número adecuado de nodos enrutadores, mientras que el resto de los nodos pueden usar principios operativos de mayor optimización de potencia. Además, el método de selección de roles permite que los bordes y las partes dispersas de la red se puedan tener en cuenta para que la cobertura siga siendo buena y los nuevos nodos encuentren la red más probable. Además, la solución de acuerdo con la invención es relativamente sencilla de implementar. Los ejemplos específicos proporcionados en la descripción proporcionada anteriormente no deben interpretarse como limitantes de la aplicabilidad y/o la interpretación de las reivindicaciones adjuntas. Las listas y grupos de ejemplos proporcionados en la descripción dada anteriormente no son exhaustivos a menos que se indique explícitamente de cualquier otra manera.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de comunicación inalámbrica (100), que comprende una pluralidad de nodos de radio, cada uno de los cuales puede operar al menos como un nodo enrutador (104) o como un nodo no enrutador (104), en donde cada uno de la pluralidad de nodos de radio se configura para:

- detectar la densidad de los nodos enrutadores (104) dentro de su vecindad, y

- tomar una decisión con base en la densidad detectada de si operar como un nodo enrutador (104) o como un nodo no enrutador (106),

caracterizado porque la decisión se proporciona al comparar la densidad detectada con un margen de densidad escalable, y

en donde el margen de densidad se escala con uno o más valores de histéresis para mitigar cambios de rol innecesarios.

2. El sistema (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la decisión depende del rol operativo actual de dicho nodo.

3. El sistema (100) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el margen de densidad tiene un valor común en todo el sistema.

4. El sistema (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el margen de densidad se escala con un costo de ruta específico del nodo, disminuyendo o aumentando la probabilidad de que dicho nodo elija el rol de enrutador.

5. El sistema (100) de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la probabilidad de que dicho nodo elija el rol de enrutador disminuye cuando aumenta el costo de la ruta.

6. El sistema (100) de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5, en donde el margen de densidad se escala de acuerdo con la interferencia de radio dentro de la vecindad del nodo, disminuyendo o aumentando la probabilidad del nodo de elegir el rol de enrutador y disminuyendo o aumentando la densidad del enrutador dentro de la vecindad del nodo.

7. El sistema (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la decisión de cambiar el rol ha sido válida al menos un tiempo predefinido antes de realizar el cambio de rol.

8. El sistema (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la densidad de los nodos enrutadores (104) se define como una relación entre el número de supertrama ocupada, SF, intervalos por ciclo de acceso (206) y el número de todos los intervalos SF por ciclo de acceso (206) en una tabla de Acceso Múltiple por División de Tiempo-Frecuencia, FTDMA.

9. El sistema (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se evita la decisión de cambiar el rol de un nodo enrutador aun nodo no enrutador, si el nodo tiene una ruta aun nodo sumidero (102), y hay uno o más nodos vecinos en rol de enrutador que no tienen una ruta a un nodo sumidero (102).

10. Un dispositivo de nodo de radio (104, 106, 500) para un sistema de comunicación inalámbrica (100), que puede operar al menos como un nodo enrutador (104) o como un nodo no enrutador (106) y que comprende: un microcontrolador (504), y

un transceptor de radio (506),

en donde el dispositivo de nodo de radio (102, 104, 106, 500) se configura para:

- detectar, mediante el microcontrolador (504), la densidad de los nodos enrutadores (104) dentro de su vecindad, y

- tomar una decisión, por parte del microcontrolador (504), con base en la densidad detectada, de si operar como un nodo enrutador (104) o como un nodo no enrutador (106),

caracterizado porque la decisión se proporciona al comparar la densidad detectada con un margen de densidad escalable, y

en donde el margen de densidad se escala con uno o más valores de histéresis para mitigar cambios de rol innecesarios.

11. Un método de selección de roles para el dispositivo de nodo de radio (104, 106, 500) de la reivindicación 10 en un sistema de comunicación inalámbrica (100), en donde el método comprende:

- detectar (302), mediante el microcontrolador (504), la densidad de los nodos enrutadores (104) dentro de su vecindad, y

- tomar una decisión (304), por parte del microcontrolador (504), con base en la densidad detectada, de si operar como un nodo enrutador (104) o como un nodo no enrutador (106),

caracterizado porque la decisión se proporciona al comparar la densidad detectada con un margen de densidad escalable, y

en donde el margen de densidad se escala con uno o más valores de histéresis para mitigar cambios de rol innecesarios.

12. Un programa informático configurado para realizar el método de la reivindicación 11.

13. Un medio legible por ordenador no volátil tangible que comprende el programa informático de la reivindicación 12.