FI118291B - Energiatehokas langaton anturiverkko, solmulaitteita sitä varten sekä menetelmä tietoliikenteen järjestämiseksi langattomassa anturiverkossa - Google Patents

Description

118291

Energiatehokas langaton anturiverkko, solmulaitteita sitä varten sekä menetelmä tietoliikenteen järjestämiseksi langattomassa anturi verkossa - Energi-effektivt trädlöst sensornät, nodapparater för detsamma samt metod för att arrangera kommunikationerna i ett trädlöst sensornät 5

TEKNINEN ALA

Keksintö kohdistuu yleisesti langattomiin anturiverkkoihin. Erityisesti keksintö kohdistuu langattoman anturiverkon kokonaistehonkulutuksen optimointiin ensisijaisesti etsimällä tietoliikenneprotokollia ja järjestelyjä, joilla saadaan aikaan tehokas 10 tasapaino tarvittavan tiedonsiirron suoritustehon ja tiedon lähettämisen ja vastaanottamisen vaatiman energiankulutuksen välille.

KEKSINNÖN TAUSTAA

Eräs langattomien verkkojen erityistapaus on langaton anturiverkko, jolle yleisesti ovat ominaisia mm. hyvin tiukat vaatimukset solmulaitteiden fyysisen koon ja te-15 honkulutuksen minimoimiseksi, samoin kuin solmujen erikoistuneet tehtävät: suurin osa solmuista on antureita, jotka keräävät tietoa ja välittävät sen tietyille da-tanieluina toimiville solmuille, joita on vain vähän ja jotka voivat toimia yhdyskäytävinä, joita pitkin kerätty tieto välitetään muille verkoille ja järjestelmille. Langatto-;v> mat verkot ovat usein ad-hoc-tyyppisiä, jolloin solmut voivat tulla ja mennä eli vael- ; ; 20 taa verkon yhdestä osasta toiseen, ja verkon itsensä on sopeuduttava tästä aiheu- * · « "V tuviin verkkotopologian ja yhdistettävyyden muutoksiin, mikä usein edellyttää mo- * · * nihyppyreititystä. Anturiverkkojen suorituskyky on yleensä suhteellisen alhainen, ainakin verrattuna tietokoneiden välisten tietoliikenneverkkojen Mbit/s-tason tie- ; donsiirtonopeuksiin. Yleistäen voidaan myös toimilaitteita pitää solmuina; langatto-25 mien anturiverkkojen yhteydessä on tavanomaista ymmärtää termi "anturi" laajasti siten, että se käsittää sekä varsinaiset anturit että toimilaitteet.

• · *..! Langattomat anturiverkot ja niiden solmut tunnetaan yleisesti useista tekniikan ta- • « *·;·’ son julkaisuista. Julkaisussa US 2004/0100917 A1 esitetään koordinaattorilaitteen : valintaprosessi, jonka tarkoituksena on varmistaa, ettei mikään ad-hoc-tyyppisen 30 langattoman anturiverkon osa jää yhteydettä, sekä minimoida energian kokonais- • · · Λ määrä, joka tarvitaan verkon kautta järjestetyn tietoliikenteen toteuttamiseksi. Esi- ***\ tetty ratkaisu perustuu alustussanoman jakeluun verkon kautta, minkä jälkeen jo kainen solmu odottaa mielivaltaisen viiveen verran ennen kuin lähettää koordinaattorin tilatiedustelusanoman. Toisessa julkaisussa US 2003/0152041 A1 seloste- 2 118291 taan yleisellä tasolla langattomien anturiverkkojen tiettyjä ominaisuuksia, joihin kuuluu myös solmujen hierarkkinen allokointi eri solmutasoille sekä solmun pitäminen lepotilassa kaikkina muina aikoina paitsi solmua alustettaessa tai määrättäessä se suorittamaan jokin tehtävä.

5 Tekniikan tason julkaisussa US 2002/0044533 A1 mainitaan haittapuolet, jotka johtuvat siitä, että on tarkasti tunnettava kunkin solmun avaruudellinen sijainti, mikä tavanomaisesti on edellyttänyt kussakin solmussa GPS-vastaanotinta (Global Positioning System). Edullisempana vaihtoehtona mainitussa julkaisussa esitetään järjestelmä, jossa jokainen solmu etsii kaikki muut solmut, joiden kanssa se voisi 10 periaatteessa kommunikoida, mutta ylläpitää aktiivista tiedonsiirtoa vain joidenkin solmujen kanssa, jolloin on mahdollista pystyttää ja ylläpitää sijainnista riippumatonta verkkotopologiaa. Eräässä toisessa tekniikan tason julkaisussa CA 2 311 245 A1 käsitellään solmujen jakoa kahteen hierarkiatasoon siten, että kukin korkeamman tason solmu hallitsee joukkoa sitä ympäröiviä alemman tason 15 solmuja ja suurempitehoista "kaukotietoliikennettä" tarvitaan vain korkeamman tason solmujen välillä.

Tekniikan tason julkaisussa WO 01/69279 esitetään langaton anturiverkko, jossa kullakin solmulla on oma paikannuslaitteensa ja solmut pystyvät vaihtamaan sekä sijaintitietoa että tiedusteludataa. Järjestelmä on ensisijaisesti tarkoitettu sotilaalli-20 siin tiedustelutarkoituksiin. Eräässä toisessa tekniikan tason julkaisussa WO 01/26329, joka kuuluu erääseen laajaan toisiinsa liittyvien patenttihakemusten • · \ perheeseen, esitetään lukuisia yksityiskohtia, joiden jo tämän selityksen kirjoitus- "V hetkellä katsotaan muodostavan langattomien anturiverkkojen yleisesti tunnetun • · · tekniikan tason. Lisäksi on vielä eräs tekniikan tason julkaisu US 6208247 B1, joka * ' 25 keskittyy pääasiassa langattomien anturiverkkojen solmulaitteiden fyysiseen toteu- tukseen.

• * · • * • ·

Merkittävin ongelmalähde pyrittäessä minimoimaan langattomien anturiverkkojen tehonkulutusta on perinteisesti tietoliikenneprotokolla, joka määrittää solmujen vä- * · · *... listen langattomien lähetysten määrän ja luonteen. Koska verkon täytyy pystyä '·;** 30 dynaamisesti sopeutumaan solmujen ilmaantumiseen ja poistumiseen samoin kuin verkkotopologian muihin muutoksiin, tietoliikenneprotokollan täytyy sisältää riittä- :***: vät menettelyt, joilla voidaan selvittää, mitä mahdollisuuksia on kullakin hetkellä • · · käytettävissä tiedonsiirtoon muiden solmujen kanssa, samoin kuin rutiinit, joilla '***! määrätään, missä järjestyksessä sillä hetkellä kytkettynä olevat solmut kommuni- 35 koivat keskenään. Tietoliikenneprotokollassa on oltava tietty määrä skaalautuvuut-ta, mikä tarkoittaa, että sen tulee mahdollistaa energiatehokas tiedonsiirto verkon 3 118291 sisältämien solmujen lukumäärästä riippumatta. Lisäksi tietoliikenneprotokollan tulisi varmistaa jokin vaadittu vähimmäissuorituskyky, so. tietomäärä, joka voidaan siirtää haluttuun määränpäähän verkon kautta tietyssä aikayksikössä. Tärkeimpänä tietoliikenneprotokollan osana pidetään ns. MAC-osaa (Medium Access 5 Control).

Tunnettuja langattomien anturiverkkojen protokollastandardeja ovat mm. Sensor-MAC (tunnetaan myös lyhenteellä S-MAC), Timeout-MAC (T-MAC) ja IEEE 802.15.4 Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Näistä S-MAC:ia on selostettu tieteellisessä julkaisussa W. Ye, J. Heidemann ja D. Estrin: “Medium 10 access control with coordinated, adaptive sleeping for wireless sensor networks,” ACM/IEEE Trans. Networking, vol. 12, no. 3, pp. 493-506, Jun. 2004. Siinä käytetään CSMA-MAC:in (Carrier Sense Multiple Access) tavallista aikavälirakennetta. Solmut on järjestetty olemaan jaksoittain hereillä ja lepotilassa, mikä merkittävästi vähentää energiankulutusta verrattuna tavanomaiseen CSMA:han. S-MAC-aika-15 väli koostuu lyhyestä beacon-tyyppisestä synkronointilähetyksestä, vakiopituisesta (300 ms) aktiivisesta tiedonvaihtojaksosta sekä aikavälin loppuun kestävästä lepo-jaksosta. Kukin solmu herää aikavälin alussa, ja solmu, joka haluaa lähettää dataa, suorittaa CSMA/CA-kanavapääsymenettelyn käyttäen RTS/CTS-kättelyä (Request To Send/Clear To Send). Aikavälipituus on ennalta määritelty ja staattinen 20 MAC-parametri, joka on suuruusluokkaa 500 ms - 10 s. Uusimmassa toteutuksessa S-MAC-protokolla suorittaa 10 s pituista verkkoskannausta 2 minuutin välein.

j**\* On selvää, että verkkoskannaus kuluttaa paljon energiaa.

• · * * * "V Timeout-MAC:ia (T-MAC) on selostettu tieteellisessä julkaisussa Tijs van Dam ja • · · **:·] Koen Langendoen: "An Adaptive Energy Efficient MAC Protocol for Wireless Sen- ‘ : 25 sor Networks”, SenSys’03, marraskuu 5-7, 2003, Los Angeles, California, USA.

Protokolla on samantapainen kuin S-MAC, mutta energiatehokkuutta on parannet- * « · tu aktiivisen jakson pituuden dynaamisella säädöllä. Solmu siirtyy lepotilaan, mikäli se ei vastaanota kanavalta minkäänlaista aktiviteettia 15ms:n aikavalvonnan ai- kana. Toisin kuin S-MAC:issa, aikavälin pituus on kiinteästi 610 ms. T-MAC suorit- .*·*. 30 taa sporadisesti 610 ms kestävää verkkoskannausta. Tämä lyhyt skannausaika . ·. pitää energiankulutuksen melko vähäisenä.

*··.

• · « * * * · IEEE 802.15.4 LR-WPAN -standardi kuuluu IEEE 802.15.X WPAN-standardiper-heeseen, ja sitä on selostettu julkaisussa "Wireless Medium Access Control (MAC) v\ and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area 35 Networks (LR-WPANS)", IEEE Std 802.15.4-2003 edition. Siinä käytetään CSMA/CA-kanavapääsymenettelyä ja valinnaisesti ylikehysrakennetta, joka on 4 118291 samanlainen kuin S-MAC-aikavälirakenne. LR-WPAN-verkko koostuu synkronoin-tipalveluja tarjoavista ja dataa verkossa reitittävistä koordinaattoreista sekä laitteista, jotka pystyvät kommunikoimaan vain koordinaattorien kanssa. Koordinaattorit ohjaavat ylikehysrakenteitaan lähettämällä beacon-signaaleja kunkin ylikehyksen 5 alussa. Beacon-lähetettä seuraa CAP-jakso (Contention Access Period), jonka aikana verkkosolmut voivat lähettää dataa ja pyyntöjä koordinaattorille käyttäen CSMA/CA:ta. CAP:tä seuraavat valinnaiset "dedicated assignment" -tyyppiset GTS-aikavälit (Guaranteed Time Slots) vähentävät kilpailua ja latenssia. CAP.tä ja GTS:ää seuraa valinnaisesti inaktiivinen jakso seuraavaan beacon-lähetteeseen 10 asti, jonka aikana solmut voivat siirtyä lepotilaan. Beacon-jakso ja ylikehyksen pituus vaihtelevat välillä 15,4 ms - 252 s, mikä mahdollistaa optimoinnin latenssin ja energiankulutuksen välillä. LR-WPAN-solmut suorittavat verkkoskannausta jaksottaisesti tietyillä RF-kanavilla. Kutakin kanavaa vastaanotetaan beacon-välin ajan tai kunnes on vastaanotettu määrätty määrä beacon-lähetteitä. Pahimmassa tapa-15 uksessa pisin skannausaika on yli 67 minuuttia, kun skannataan maksimi-beacon-väli ja kaikki 2,4 GHz:n taajuuskaistalle määritetyt 16 kanavaa. Tämä vastaa useiden miljoonien beacon-lähetysten energiaa. On selvää, että verkkoskannaukseen kulutettu energia voi olla hyvin suuri.

Edellä selostetusta LR-WPAN:sta edelleen kehitetty muoto tunnetaan nimellä Zig-20 Bee, jota verkossa on selostettu ZigBee-yhteenliittymän virallisilla kotisivuilla (http://www.zigbee.org). Se sisältää verkko- ja tietoturvakerrosten määrittelyt ja sovellusprofiilit ja tukee pääsynvalvontaluetteloita, pakettien tuoreusajastimia ja • · ί tiettyjä salausstandardeja.

• * * · 1*4

Eräs toinen protokollaehdotus on SMACS (Self-Organizing Medium Access Cont-25 rol for Sensor Networks), jota on selostettu tieteellisessä julkaisussa K. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi ja G. J. Pottie: “Protocols for self-organization of a wireless sen-sor network,” IEEE Personal Communications, voi. 7, no. 5, pp. 16-27, Oct. 2000. Siinä solmujen on mahdollista löytää naapurinsa, muodostaa linkkejä ja laatia ai-katauluja lähetykselle ja vastaanotolle ilman isäntäsolmuja. Verkko käyttää vertais-.··*. 30 topologiaa hyödyntäen taajuusjakoista monipääsyä (FDMA), missä jokainen linkki toimii eri RF-kanavalla. SMACS-protokolla perustuu paikallaan pysyviin langatta- * * · ί·! ‘ miin solmuihin. Protokollalla on kuitenkin laajennus liikkuvuuden hallintaan käyttä- • · · en ns. EAR-algoritmia (Eavesdrop-And-Register), joka mahdollistaa mobiilisolmu-jen väliset yhteydet stationaaristen langattomien solmujen kentässä. SMACS mah- * · 35 dollistaa melko suuren energiatehokkuuden aikataulutettujen tiedonvaihtoaikaväli- • · 5 118291 en ansiosta. Haittapuolina ovat suuret suorituskykyvaatimukset kullekin verkko-solmulle sekä vain rajallinen liikkuvuuden tuki.

LCA (Linked Cluster Architecture) on ratkaisu, joka on tunnettu jo yli kahdenkymmenen vuoden ajan. Sitä selostettiin ensi kerran tieteellisessä julkaisussa D. Ba-5 ker ja A. Ephremides: “The architectural organization of a mobile radio network via a distributed algorithm,” IEEE Trans. Communications, vol. 29 no. 11, pp. 1694-1701, Nov. 1981. Se parantaa skaalattavuutta järjestämällä verkon klustereiksi, joista jokaisella on klusterin johtaja, joka toimii paikallisena ohjaimena. Muut solmut ovat joko tavallisia solmuja tai yhdyskäytäväsolmuja, jotka molemmat ovat 10 suoran tietoliikenneyhteyden päässä klusterin johtajasta. LCA:ssa käytetään TDMA-MAC:ia (Time Division Multiple Access) ja dedikoituja aikavälejä kullekin solmulle. Ohjausvaihe keskeyttää säännöllisen datasiirron ajoittain hajautetun klusterointialgoritmin suorittamiseksi, jonka aikana etsitään naapurisolmut ja valitaan looginen solmutehtävä. LCA:ssä solmut tallentavat ja ylläpitävät tietoja välit-15 tömästä ympäristöstään, mikä tekee protokollasta melko hyvin skaalautuvan. Haittapuolena on se, että LCA hyödyntää globaalia TDMA-kehysrakennetta, mikä edellyttää globaalia kelloa. Lisäksi, koska solmut tuntevat vain naapuriklusterinsa, monihyppyreititystä ei tueta.

Vielä eräs tunnettu protokolla on LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierar-20 chy), jota on selostettu tieteellisessä julkaisussa W. Heinzelman, A. Chandrakasan ja H. Balakrishnan: "An application-specific protocol architecture for wireless mic- • rosensor networks," IEEE Trans. Wireless Communications, vol. 1, no. 4, pp. 660- • « » "V 670, Oct. 2002. Se on klusteroitua topologiaa käyttävä "dedicated assignment" -tyyppinen MAC-protokolla. LEACH laajentaa verkkohierarkiaa tukiasemalla, joka 25 toimii verkon juurena. Klusterien johtajat ja tukiasema käyttävät vain suoraa tie- • 9 •••j donsiirtoa. Näin käytetään tähtimäistä topologiaa kahdessa hierarkiatasossa.

LEACH-protokolla parantaa verkon kokonaisenergiatehokkuutta sallimalla useimpien solmujen lähettää lyhyillä etäisyyksillä ja edellyttämällä vain klusterien johtajil-·**.. ta suurempaa lähetystehoa tiedonsiirtoon tukiaseman kanssa. Tämän seuraukse- 30 na klusterien johtajien akkujen elinikä on lyhyempi kuin muilla solmuilla, mikä saat-. \ taa lyhentää verkon kokonaiselinikää. Energiankulutuksen jakamiseksi tasaisempi/ min on esitetty, että LEACH:ssä kierrätetään klusterien johtajia satunnaisesti. Hait- • · **·* tapuolena on, että tukiaseman peitto ja suorituskyky rajoittavat verkon skaalautu- vuutta.

9 · 9 • 9 9 9 9 35 Kaikkiin tunnettuihin protokollaehdotuksiin liittyy haittapuolia, joiden vuoksi ne ovat sopimattomia lopullisen matalatehoisen langattoman anturiverkon tietoliikennepro- 6 118291 tokolliksi. Monet niistä yksinkertaisesti edellyttävät liian suurta määrää lähetyksiä ollakseen aidosti matalatehoisia ratkaisuja. Joissakin ratkaisuissa solmun tyypillisesti verkkoskannaukseen tarvitsema aika on sopimattoman pitkä. Yksi erityisongelma monissa muuten edistyneissä protokollissa on se, että ne vaativat melko 5 monimutkaisen laitteiston käyttöä kussakin solmussa esimerkiksi RSSI-arvojen (Received Signal Strength Indicator) toistuvaa mittausta ja tallennusta varten.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Keksinnön tavoitteena on esittää tietoliikenneratkaisu langatonta anturiverkkoa varten, joka mahdollistaa solmujen kokonaistehonkulutuksen vähentämisen tasol-10 le, jolla ne eivät välttämättä tarvitse akkuja tai muita täydennettäviä tai vaihdettavia energialähteitä vaan voivat hankkia tarvitsemansa energian sekundaarilähteistä, kuten tärinästä, ympäristön valosta, lämpötilaeroista tms. Keksinnön eräänä toisena tavoitteena on esittää tietoliikenneratkaisu, joka mahdollistaa tehokkaan verkonhallinnan esimerkiksi eliminoimalla liian pitkät verkkoskannausajat. Vielä kek-15 sinnön eräänä tavoitteena on esittää tietoliikenneratkaisu, joka mahdollistaa lähetystehon valinnan ja/tai lähetysetäisyyden määrittämisen ilman tarvetta toistuvasti mitata vastaanotettua signaalitehoa tai jotain muuta täsmällistä suuretta.

Keksinnön tavoitteiden saavuttamiseksi tarkastellaan useita aspekteja ja näkökulmia. Eräs edullinen järjestely tietoliikenneresurssien jakamiseksi on yhdistelmä .. . 20 taajuuskanavointia ja aikaväli-kanavapääsyä, mikä jälkimmäinen tarkoittaa aikavä- • · · | ;* li-MAC:n ja aikajakoisen monipääsyn yhdistelmää ja johon lisäksi sisältyy haja- • · · :·γ saanti- ja varattavien aikavälien yhdistelmä. Tehonhallinta perustuu edullisimmin tiettyjen beacon-signaalien lähettämiseen peräkkäin vähintään kahdella tehotasol-la niin, että vastaanottava laite pystyy päättelemään, mikä on tarvittava vähim-25 mäistehovaatimus tietyn langattoman yhteyden yli tapahtuvaan lähetykseen. Tar-peetonta verkkoskannausta vähennetään lähettämällä ns. "idle beacon" -lähettei- ·♦· tä, jotka ilmoittavat ajan seuraavaan käyttökelpoiseen vastaanottoaikaan. Verkko- :*. solmujen on mahdollista vuorotella kaikkein eniten tehoa vaativassa roolissa toimi- • »· )···. misessa.

• · • * * • 30 Keksinnön mukaiselle langattomalle anturiverkolle ovat tunnusomaisia ne ominai-**· · .*·*. suudet, jotka on esitetty langattomaan anturiverkkoon kohdistuvan itsenäisen pa- tenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

* « · ♦ * · * · *.·.· ·····' « * 7 118291

Keksintö koskee myös langattoman anturiverkon solmulaitetta, jolle ovat tunnusomaisia ne ominaisuudet, jotka on esitetty solmulaitteeseen kohdistuvan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

Lisäksi keksintö koskee menetelmää tietoliikenteen järjestämiseksi langattomassa 5 anturiverkossa, jolle menetelmälle ovat tunnusomaisia ne ominaisuudet, jotka on esitetty menetelmään kohdistuvan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaisen langattoman anturiverkon topologia muistuttaa joukkoa toisiinsa kytkettyjä tähtiä. Ryhmä alisolmuja kommunikoi pääsolmun kanssa muodos-10 taen näin klusterin. Klusterien välinen tietoliikenne tapahtuu klusterien pääsolmu-jen välisten yhteyksien kautta. Kullakin klusterilla on oma klusterikohtainen taajuutensa, jolla alisolmujen ja klusterin pääsolmun välinen tiedonsiirto tapahtuu. Kussakin klusterissa sovelletaan klusterikohtaista TDMAita, jossa käytetään sekä ha-jasaanti- että varattavia aikavälejä. Lisäksi verkko-beaoon-signaalien siirtoon on 15 käytettävissä verkkokohtainen merkinantotaajuus.

Beacon-signaaleja on kahdenlaisia. Kukin pääsolmu lähettää verkko-beacon-sig-naaleja verkkokohtaisella merkinantotaajuudella tietyn aikataulun mukaisesti. Lisäksi kukin pääsolmu lähettää klusteri-beacon-signaaleja klusterikohtaisella tieto-liikennetaajuudella tietyn aikataulun mukaisesti. Edullisimmin beacon-lähetykseen .. . 20 kuuluu vähintään kaksi peräkkäin esiintyvää beacon-kehystä, jotka lähetetään * « · j ;* (ennalta määrätyillä) eri tehotasoilla. Vastaanottava solmu tutkii, mikä on pienin lä- • · · :·ί ' hetysteho, jolla se pystyy vielä vastaanottamaan beacon-kehyksen kunnolla, ja hyödyntää havaintoaan arvioidakseen itsensä ja beacon-lähettäjän välisen etäi-syyden ja/tai oletustehon, jota sen tulisi käyttää tiedonsiirtoon kyseisen solmun *:· 25 suuntaan.

Mi· • · • · • ·

Jokaisella klusterilla on ns. saantisykli, joka on toistuvasti esiintyvä ajanjakso, jo- .. hon sisältyy tietty aktiivinen (TDMA-pohjainen) tiedonsiirtojakso ja suhteellisen pit- • · kä joutojakso. Tästä menettelystä, jossa saantisykli jaetaan tiedonsiirtojaksoon ja *···* joutojaksoon, käytetään yleisesti nimitystä "slotted MAC". Jos uusi alisolmu haluai- • :*» 30 si liittyä tiettyyn klusteriin tai jos toisen klusterin pääsolmu haluaisi muodostaa yh- • *· · .***. teyden mainitun tietyn klusterin pääsolmuun, sen täytyy ensin suorittaa verkkos- • · · .·. kannaus, so. vastaanottaa jatkuvasti tai tietyn vastaanottoaikataulun mukaisesti, • · · *·** kunnes se tietää mainitussa tietyssä klusterissa tiedonsiirtoon käytettävän ajoituk- sen ja taajuuden. Tarvittavasta jatkuvasta vastaanottojaksosta saattaa muodostua 35 suhteellisen pitkä, mikäli joutojakso on jatkuva ja kattaa suuren osan saantisyklis- ) 8 118291 tä. On edullista lähettää "idle beacon" -signaaleja joutojakson aikana ilmoittaen ainakin, milloin seuraava tiedonsiirtojakso esiintyy. Jos kukin pääsolmu lähettää beacon-signaaleja säännöllisin välein ("beacon-jaksot"), niin jatkuva vastaanotto yhden beacon-jakson ajan varmistaa, että kaikkien naapuriklusterien ajoitus ja taa-5 juus saadaan selville. Pääsolmu voi mieluummin suorittaa verkkoskannausta koko beacon-jakson ajan, kun taas alisolmu (tai pääsolmu, jonka energiavarastot ovat vähissä) tarvitsee jatkuvaa vastaanottoa vain siihen saakka, kunnes se vastaanottaa seuraavan beacon-lähetyksen, olipa se varsinainen beacon-lähetys tai idle-beacon. Joka tapauksessa käyttökelpoinen maksimiaikaraja verkkoskannaukselle 10 on yksi beacon-jakso.

Toimiakseen pääsolmuna solmulaitteella on oltava laajemmat suorituskykyominai-suudet kuin mitä tarvitaan alisolmuna toimimiseen. Siksi tuntuisi järkevältä, että solmulaitteita olisi kahdenlaisia, joista jotkin liittyisivät langattomaan anturiverk-koon alisolmuina ja toiset ottaisivat hoitaakseen pääsolmujen tehtävät. Toisaalta, 15 koska pääsolmuna toimiminen kuluttaa enemmän energiaa kuin alisolmuna toimiminen ja koska käytettävissä olevat energiaresurssit voivat olla kutakuinkin yhtä suuret kaikille solmulaitteille (erityisesti jos solmut ottavat energiansa ympäristöstään), on edullista, jos solmut voivat kierrättää pääsolmuvelvollisuutta keskuudessaan. Tämä on mahdollista vain, mikäli on "ylimääräisiä" solmuja, jotka pystyvät 20 toimimaan pääsolmuna. Keksinnön mukainen langaton anturiverkko voi koostua kahdenlaisista solmuista tai vaihtoehtoisesti vain yhdenlaisista solmuista, jotka •']·* kaikki pystyvät toimimaan pääsolmuna tarvittaessa.

• · « « «

• · I

t‘‘V Keksinnölle tunnusomaisina pidetyt uudet ominaisuudet on esitetty yksityiskohtai- **\ sesti oheisissa patenttivaatimuksissa. Keksintöä itseään, sen rakennetta ja toimin- 25 taperiaatetta sekä sen lisätavoitteita ja -etuja on kuitenkin selostettu seuraavassa •••ϊ eräiden erityisten suoritusmuotojen avulla ja viitaten oheisiin piirustuksiin.

• · ··« Tässä patenttihakemuksessa esimerkkeinä esitettyjen keksinnön suoritusmuotojen :·. ei tule tulkita asettavan rajoituksia oheisten patenttivaatimusten sovellettavuudelle.

• M

Verbiä "käsittää" on käytetty tässä patenttihakemuksessa avoimena rajoitteena, 30 joka ei sulje pois myöskään tässä mainitsemattomia ominaisuuksia. Epäitsenäisis- * · :.· · sä patenttivaatimuksissa mainittuja ominaisuuksia voidaan vapaasti yhdistellä, el- lei nimenomaan toisin ole sanottu.

··· Λ

PIIRUSTUSTEN LYHYT KUVAUS

··*·· • · 9 1 1 8291

Kuva 1 esittää esimerkinomaisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen langattoman anturiverkon topologiaa, kuva 2 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen langattoman anturi-verkon protokollaominaisuuksia, 5 kuva 3 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaista saantisykliä ja ylike-hysrakennetta, kuva 4 esittää kaavamaisesti eri tarkoituksiin kulutetun energian jakautumista, kuva 5 esittää tiettyjä beacon-lähetteen optimointiin liittyviä seikkoja, kuva 6 esittää beacon-lähetteen optimointiin liittyviä tiettyjä toisia seikkoja, 10 kuva 7 esittää beacon-lähetteen optimointiin liittyviä tiettyjä kolmansia seikkoja, kuva 8 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen langattoman anturi- verkon kehysrakenteita, kuva 9a esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisia verkkoskannauksen aspekteja, 15 kuva 9b esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen solmujen assosioinnin aspekteja, kuva 10 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen langattoman anturi-verkon tiedonsiirtoa, kuva 11 esittää esimerkinomaisesti keksinnön erään suoritusmuodon mukaista 20 solmulaitetta, kuva 12 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen solmulaitteen oh-„ . jeimistoarkkitehtuuria, i * « | kuva 13 esittää tiettyjä datalatenssin minimoimiseen osallistuvia pääsolmuja, ja · kuva 14 esittää kuvan 13 mukaisten solmujen lähetysaikatauluja.

• · ···

25 KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELITYS

* · • · • · · •••j Seuraavassa käsitellään yksityiskohtaisemmin tämän keksinnön eri aspekteja.

« · • ·

VERKKOTOPOLOGIA

t» • i

Kuvassa 1 on esimerkinomainen graafinen kuvaus keksinnön erään suoritusmuo-don mukaisen langattoman anturiverkon 100 topologiasta. Joukko solmuja toimii : 30 pääsolmuina, jotka on esitetty mustina ympyröinä, kuten pääsolmut 101 ja 111.

• · « « .··*. Kullakin pääsolmulla on yksi tai useampia suoraan pääsolmun kanssa kommuni- koivia alisolmuja 102 tai 112, jotka on esitetty pieninä valkoisina ympyröinä. Pää- • « « *·*·* solmu ja suoraan sen kanssa kommunikoivat alisolmut muodostavat yhdessä klus- terin 103 tai 113. Klusterien välinen tietoliikenne tapahtuu pääsolmujen välisten 10 1 1 8291 vertaisyhteyksien kautta. Monihyppely on tuettua ja mahdollistaa periaatteessa tietoliikenteen verkon minkä tahansa mielivaltaisesti valitun solmuparin välillä.

Jotkin solmuista voivat toimia nielusolmuina, jolloin ne ovat tiedon käyttäjiä (kun taas toiset solmut ovat ensisijaisesti tiedon tuottajia) ja voivat tarjota yhdyskäytä-5 väyhteyksiä muihin järjestelmiin ja/tai muihin verkkoihin. Nielusolmut on esitetty isoina valkoisina ympyröinä, kuten nielusolmu 104. On edullista - joskaan ei välttämätöntä - että nielusolmu toimii pääsolmuna verkkotopologiassa. Nielusolmu voi olla esimerkiksi toimilaite tai datakeskitin, joka kerää anturityyppisten alisolmujen tuottamaa tietoa ja välittää sen keskusyksikölle. On mahdollista, että nielusolmu 10 tekee pyyntöjä verkolle ja kerää vain tietoa, josta toimilaite, käyttäjä tai muu taho on sillä hetkellä kiinnostunut. Jotta vältettäisiin ruuhkat nielusolmuille johtavilla tiedonsiirtoteillä, on edullista rakentaa verkkoon sisään pyrkimys tiedon aggregoin-tiin. Nielusolmua ei ole poissuljettu tiedon tuottamisesta; toisin sanoen jaon tiedon-tuottajasolmuihin ja tiedonkäyttäjäsolmuihin ei tarvitse olla ehdoton. Lisäksi on 15 huomattava, että nielusolmut eivät ole välttämättömiä langattoman anturiverkon toiminnalle; on myös mahdollista, että nielusolmu muodostetaan verkkoon silloin tällöin, sinne kerääntyneen tiedon kokoamiseksi.

Toisin kuin solukkoradiojärjestelmien soluilla, klustereilla ei ole tarkoitus olla tarkkaa peittoaluetta; tavoitteena ei myöskään ole muodostaa laajaa tai jatkuvaa 20 maantieteellistä peittoa. Tietoliikenneominaisuuksia tarvitaan vain alueilla, joilla on solmuja, ja toisaalta solmut on järjestetty tuomaan tarvittavat tietoliikenneominai-: .·, suudet muassaan, ilman ulkopuolista konfigurointia. Alisolmujen määrä klusterissa "V voi vaihdella dynaamisesti, uusia klustereita voidaan muodostaa, vanhoja kluste- • · · reita voidaan purkaa tai jakaa osiin, ja pääsolmujen välisten yhteyksien muodos-25 tämän "runkoverkon" topologiaa voidaan muuttaa riippuen siitä, mitkä solmulait- • · · teista valitaan toimimaan pääsolmuina. Keksinnön suoritusmuodon mukainen lan-gaton anturiverkko on näin ollen itsekonfiguroiva ja sopeutuu dynaamisesti muutoksiin, kuten pääsolmujen ja alisolmujen ilmaantumiseen ja poistumiseen, solmu- • *.· jen fyysisen sijainnin muutoksiin, signaalin etenemisolosuhteiden muutoksiin sol- 30 mujen välillä ja niin edelleen. Lisää eroavuuksia solukkoradiojärjestelmiin verrattu-. \,t na nähdään keksinnön erään suoritusmuodon mukaisessa MAC-protokollassa, jota selostetaan tarkemmin tuonnempana.

· * ·

III

Mitä tulee solmulaitteiden ominaisuuksiin ja toimintaan, voidaan olettaa niissä ole- • « · van nk. RFD-laitteita (Reduced Functionality Devices), jotka pystyvät toiminaan 35 vain alisolmuina, sekä FFD-laitteita (Full Functionality Devices), jotka voivat toimia joko alisolmuina tai pääsolmuina. Nimitykset "RFD" ja "FFD" ovat LR-WPAN- H 118291 standardin IEEE 802.15.4 mukaisia, joten niiden käyttöä tässä tulee pitää vain esimerkinomaisena rinnastuksena, edellyttämättä mitenkään, että keksinnön mukaisen verkon RFD- ja FFD-laitteiden pitäisi olla täsmälleen samanlaisia kuin mainitussa standardissa. Ominaisuuksia, jotka FFD-laitteella on oltava RFD-laitteen 5 ominaisuuksien lisäksi, ovat mm. reititykseen ja datan aggregointiin pääasiassa liittyvät ominaisuudet, joita selostetaan tarkemmin tuonnempana. Jokaisessa klusterissa on oltava vähintään yksi FFD-laite. Jos niitä on useampia, FFD-laitteet voivat vuorotella klusterin pääsolmuna toimimisessa. Äärimmäisenä vaihtoehtona on, että kaikki verkon solmulaitteet voivat olla FFD-laitteita.

10 MAC PROTOKOLLAPINOSSA

Eräs edullinen protokollapino, jota ehdotetaan käytettäväksi keksinnön erään suoritusmuodon mukaisessa langattomassa anturiverkossa, koostuu kuvassa 2 esitetyistä viidestä kerroksesta. Pinon pohjimmaisena on fyysinen kerros 201, joka toteuttaa menetelmät bittien siirtämiseksi langattomassa välineessä. Sen yläpuolella 15 on MAC-kerros 202, jota selostetaan yksityiskohtaisemmin tuonnempana. MAC-kerroksen 202 yläpuolella on reitityskerros 203, joka hoitaa pääsolmujen välistä monihyppytiedonsiirtoa. Kerrosta 203 ei käytetä alisolmussa. Kuljetuskerros 204 suorittaa datan pilkkomisen lähetyksessä ja uudelleen kokoamisen vastaanotossa, ja tavallisesti sen tehtävänä on tukea datalähteen ja määränpään välistä päästä-20 päähän-tietoliikennettä. Sovelluskerros 205, joka anturiverkoissa liittyy tiiviisti antu-risovellukseen, on riippuvainen solmun loogisesta tehtävästä. Alisolmussa sovel- • .·, luskerros käsittää näytteenhankkimis- ja esikäsittelytoiminnot. Pääsolmussa siihen « · « "V sisältyvät tietojen yhdistämis-ja resurssien jakotoiminnot.

• · · • · « *·**'ί MAC-kerros 202 on esitetty yksityiskohtaisemmin kuvan 2 oikeassa laidassa.

25 SAP-pisteet (Service Access Points) esittävät toiminnallisia rajapintoja MAC-proto-kollapalveluihin ja fyysiseen kerrokseen päin. Tarpeen mukaan suoritetaan hallin- • · · tamenettelyjä 211 verkkotopologian muodostamiseksi ja ylläpitämiseksi sekä tie-;·. donsiirron hallitsemiseksi. MSAP 212 (Management SAP) ja PMSAP 213 (Physi- cal Management SAP) vastaavat vertikaalisesta ohjausmerkinannosta reititys- 203 • ♦ "* 30 ja fyysisen 201 kerroksen kanssa. Käyttäjädatan käsittelyyn liittyvät tehtävät on • · ·.: · ryhmitelty kehyshallintaan 214, jononhallintaan 215, virheenhallintaan 216 ja kana- vapääsyyn 217. Korkeampaan kerrokseen (reititys 203) päästään DSAP-pisteen ,·.**, 218 (Data SAP) kautta, ja fyysisen kerroksen 201 lähetinvastaanottimeen PDSAP- • * · \ pisteen 219 (Physical Data SAP) kautta. Eräs esimerkki virheenhallintatehtävän 35 216 toteutuksesta on hylkäävä 16-bittinen CRC (Cyclic Redundancy Check) vain 12 1 1 8291 positiivisilla kuittauksilla ja uudelleenlähetyksellä, jos kuittausta on pyydetty mutta ei saatu ennen ennalta määrätyn aikarajan umpeutumista.

MAC-kehykset kootaan (lähetyksessä) ja puretaan (vastaanotossa) käyttäen ke-hyskoontitoimintoa, joka huolehtii myös osoittamisesta. Käyttäjädatahyötykuormat 5 järjestetään jonoihin niiden prioriteettien mukaisesti. Virheenhallintatoiminto 216 vastaa virheenilmaisusta, kuittauksista ja uudelleenlähetyksistä. Kanavapääsytoi-minto 217 ohjaa kehyslähetyksiä ja -vastaanottoja radiotaajuuskanavilla saantisyk-liajoitus- ja taajuudenosoitustoimintojen avulla. Tehonsäätötoiminto valitsee joko suuren tai pienen lähetystehotason siirtoetäisyyden perusteella. Saantiprioriteetti-10 toiminto ohjaa kehysprioriteetteja.

Vaikka perinteisessä OSI-mallissa (Open Systems Interconnection) oletetaankin protokollakerrosten olevan suhteellisen riippumattomia toisistaan niin, että ne kommunikoivat keskenään vain tarkkaan määriteltyjen kerrosten välisten rajapintojen kautta, tehonkulutuksen minimoimiseksi on edullisempaa tarkastella protokollapi-15 noa kokonaisuutena. Tärkeimmät energian säästöön suoraan vaikuttavat päätökset tehdään MAC-kerrokseen liittyen, joten muut kerrokset pitäisi suunnitella siten, että ne mahdollisimman hyvin sopeutuvat MAC-kerroksen ominaispiirteisiin ja hyödyntävät niitä. Muiden protokollakerrosten tulisi esimerkiksi muodostaa mahdollisimman vähän ohjausliikennettä, ja kyseisen ohjausliikenteen tulisi sopeutua 20 MAC-kerroksen edellyttämään datanopeuteen, viiveeseen, kehyskokoon ja muihin vaatimuksiin. Rajoitukset vaikuttavat erityisesti reititysprotokollaan. Pitkien reititys- • ,·, taulukoiden jatkuva muuttaminen ja päivittäminen ei ole mahdollista. Kaikkien pää- • · · "V solmujen muistissa ei voida jatkuvasti pitää optimi reittejä kaikkiin mahdollisiin määränpäihin. Edullisimmin käytetään reaktiivista reititysprotokollaa, joka tallettaa 25 muistiin seuraavan hypyn osoitteen kullekin tarvittavalle määränpäälle.

• · ·

: SAANTISYKLI JA AIKAVÄLI RAKENNE

• · ·

Klusterin lähetysaikataulussa perusaikayksikkönä on saantisykli. Kuvan 3 mukai- ** '* sesti saantisykli 301 käsittää ylikehyksen 302 ja joutojakson 303. Kuvassa on sei- ··· vyyden vuoksi liioiteltu ylikehyksen 302 suhteellista ajallista pituutta; vaikka saanti- : 30 syklin 301 pituus on järjestelmäparametri, joka voi vaihdella halutusta suoritusky- • ♦ · · ,···, vystä ja viivearvoista riippuen, ylikehys 302 tyypillisesti vie pienemmän suhteelli- *·" sen osuuden ylikehyksestä kuin kuvassa 3. Saantisyklin 301 pituus voi esimerkiksi v.: olla jotakin 1 ja 10 sekunnin väliltä ylikehykselle 302 ehdotetun pituuden ollessa *“** 260 ms.

13 1 1 8291

Ylikehys 302 koostuu joukosta aikavälejä. Keksintö ei rajoita aikavälien määrää ylikehyksessä, mutta edulliseksi arvoksi on havaittu 13 aikaväliä, joista kukin on pituudeltaan 20 ms esimerkinomaisessa 260 ms pitkässä ylikehyksessä. Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti ylikehyksen ensimmäinen aikaväli 311 on 5 klusteri-beacon-aikaväli, jossa klusterin pääsolmu lähettää klusteri-beacon-signaalin. Lopuista aikaväleistä on ollut edullista osoittaa joitakin aikavälejä ha-jasaanti- tai kilpailuaikaväleiksi, mitä kuvastaa yksinkertainen vinoviivoitus kuvassa 3, esimerkkinä aikaväli 312. Koska ALOHA-protokolla on eräs hyvin tunnettu esimerkki yksinkertaisesta kilpailuperusteisesta lähetyksestä, mainittuja aikavälejä 10 voidaan myös nimittää ALOHA-aikaväleiksi. ALOHA-aikavälejä voi olla esimerkiksi neljä kappaletta. Loput aikavälit, joista esimerkkinä on aikaväli 313, ovat varattavissa olevia aikavälejä. Vaikka edullisimpana pidetyssä keksinnön suoritusmuodossa ylikehyksessä on sekä ALOHA- että varattavia aikavälejä, keksintö ei periaatteessa sulje pois sellaisiakaan ylikehyksiä, joissa on näistä vain toisentyyppisiä 15 aikavälejä klusteri-beacon-aikavälin lisäksi. Varattavat aikavälit ovat energiatehokkuuden kannalta parempia kuin ALOHA-aikavälit, koska vain allokoituja varattavia aikavälejä tarvitsee vastaanottaa, mikä puoltaa sitä, että ylikehyksessä on enemmän varattavia aikavälejä kuin ALOHA-aikavälejä. Lähetysten esiintymistä ALOHA-aikaväleissä on mahdotonta ennustaa luotettavasti, mikä tarkoittaa, että 20 ne on vastaanotettava kokonaisuudessaan.

ALOHA- ja varattavien aikavälien suunnitellussa käytössä osoitetaan suuren priori- • 1,·1 teetin liikenne varattaville aikaväleille MAC-protokollassa, mikä mahdollistaa luo- jj': tettavuuden ja vakiokaistanleveyden. Normaalin prioriteetin liikenteelle käytetään • ALOHA-aikavälejä. ALOHA-aikavälit eivät tarvitse varaamista, ja kilpailu muiden ·· 25 solmujen kanssa voi aiheuttaa kehystörmäyksiä. Molemmissa liikenneluokissa voidaan käyttää kuittauksia ja nopeita MAC-uudelleenlähetyksiä, jolloin voidaan tehdä kompromissi luotettavuuden ja energiankulutuksen välillä. Seuraavassa tau- • · lukossa on esitetty liikenneprioriteetti ja luotettavuusluokka ja niiden sijoittuminen .. aikaväleihin.

# 1 ♦ « « · 1 I ........... — ι·ι···ι -

Liikenneprioriteetti ja Aikavälit Kuittaukset • ^ ^ — - luotett.luokka varattava ALOHA sallittu kielletty *·· · ’ '

.···. Suuri prioriteetti, X X

III

suuri luotettavuus * · « m;'' ' ^ ~~

*·1·] Suuri prioriteetti, X X

: normaali luotettav._____

Normaali prioriteetti,__X__X__ ' 14 118291 suuri luotett._____

Normaali prioriteetti, X X

norm, luotettav. I _______

Datakehykset jäljestetään kahteen jonoon suuren prioriteetin ja normaalin prioriteetin liikennettä varten. Jonoissa olevat kehykset järjestetään luotettavuusluokki-ensa mukaisesti siten, että suuren luotettavuuden luokka ohittaa normaalin luotet-5 tavuuden luokan. Lisäksi ALOHA-aikavälejä voidaan käyttää suuren prioriteetin liikenteelle, kun suuren prioriteetin liikenteen jono kasvaa liian suureksi. Varattavat aikavälit osoitetaan solmuille solmuprioriteettien mukaisesti. Oletus on, että pää-solmut siirtävät tärkeämpää dataa kuin alisolmut, ja pääsolmuilla on siten suurempi soi mu prioriteetti. Alisolmuille annetaan tyypillisesti normaali solmuprioriteetti.

10 Periaatteessa olisi mahdollista päättää, että klusteri-beacon-signaalia lähetetään jossakin muussa kohtaa ylikehystä kuin aivan sen alussa. Sillä, että ylikehys alkaa klusteri-beacon-signaalilla, on kuitenkin tiettyjä etuja. Muiden solmujen on helppo tahdistaa itsensä ylikehyksen aikavälirakenteeseen, kun se alkaa klusteri-beacon-signaalilla. Lisäksi, koska klusteri-beacon-signaali edullisesti sisältää tuoreimmat 15 tiedot varattavien aikavälien allokoinneista, muiden solmujen on hyvä vastaanottaa nämä tiedot ennen datasiirtoon käytettävien aikavälien esiintymistä.

Lisäksi on havaittu edulliseksi ajatella kunkin aikavälin koostuvan ensimmäisestä "·*· puoliskosta ja toisesta puoliskosta. Jos tarkastellaan klusteri-beacon-aikaväliä • · I.·. 311, ensimmäisessä puoliskossa 321 lähetetään klusteri-beacon-kehys ensimmäi- 20 sellä tehotasolla (tässä suurella tehotasolla) ja toisessa puoliskossa 322 lähete- • * * tään oleellisesti identtinen kopio samasta klusteri-beacon-kehyksestä toisella teho-tasolla (tässä pienellä tehotasolla). Eri tehotasojen käyttö liittyy solmujen välisen • · · •;;j etäisyyden ja muiden lähetysten vaatiman lähetystehon määrittämiseen, mitä se- *···* lostetaan tarkemmin tuonnempana. ALOHA-aikavälien ja varattavien aikavälien 25 puolikkaat osoitetaan ylössuunnan ja alassuunnan lähetykseen. Tässä esimerkki- • · • ’·· tapauksessa varattavan aikavälin 313 ensimmäinen puolisko 323 on ylössuunnan ϊ”"ϊ puolisko ja toinen puolisko 324 on vastaavasti alassuunnan puolisko.

• · : Kun ylössuunnan ja alassuunnan puoliskot (tai yleisemmin: ylössuunnan ja alas- · · suunnan lähetyshetket) seuraavat toisiaan hyvin nopeasti ja tässä järjestyksessä, 30 voidaan lähetysteho alassuunnan lähetykselle valita ylössuunnan lähetykseen .[.[· käytetyn lähetystehon perusteella. Ylössuunnan lähetystä suorittava solmu välit- • · see ylössuunnan lähetystehonsa sen perusteella, miten hyvin se pystyy vastaanot- 15 118291 tamaan beacon-signaaleja solmulta, johon se on lähettämässä, kuten selostetaan tarkemmin tuonnempana. Valittu ylössuunnan teho edullisimmin ilmoitetaan yleissuunnan lähetykseen sisältyvässä otsikkokentässä. Ylössuunnan lähetystä vastaanottava solmu lukee mainitun otsikkokentän arvon ja valitsee vastaavan alas-5 suunnan lähetystehon. Ylössuunnan ja alassuunnan lähetysparin ajallinen läheisyys varmistaa, että signaalin etenemisolot ovat todennäköisesti pysyneet oleellisesti muuttumattomina.

Lisäksi ylössuunnan ja alassuunnan aikavälien ajallinen läheisyys, samoin kuin se, että ehdotettu aikavälin pituus on pidempi kuin todellinen kehyksen lähettämiseen 10 kuluva aika, yhdessä mahdollistavat nopean uudelleenlähetyksen, jossa ylössuunnan lähetyksen negatiivinen kuittaus (tai positiivisen kuittauksen puuttuminen, vaikka sitä pyydettiin) Hipaisee ylössuunnan lähetyksen välittömän toistamisen jäljellä olevan, alun perin alassuunnan lähetykselle osoitetun, ajan kuluessa. Mikäli lähetystehon nostaminen on mahdollista, on yleensä edullista käyttää välittömässä 15 toistossa suurempaa lähetystehoa kuin mitä käytettiin alkuperäisessä ylössuunnan lähetyksessä.

Alassuunnan aikavälien käyttö ei ole aina välttämätöntä; ainakaan jos verkon ensisijaisena tehtävänä on välittää dataa yksisuuntaisesti alisolmuilta nieluille päin. Reititystietojen ylläpito kuitenkin vaatii useimmissa tapauksissa, että alassuunnan ; 20 lähetys on ainakin mahdollista, vaikka alassuunnan kapasiteetin ei tarvitse olla symmetrisesti yhtä suuri kuin ylössuunnan kapasiteetin. Lisäksi luotettavan tie- • · .* donsiirron kannalta tarvitaan kuittauksia datakehysten jälkeen. Tällaisissa tapauk- • · · sissa on edullista yhdistää kuittaus ja mahdollinen alassuunnan data yhteiseen * * * *·:·[ kehykseen. Näin alassuunnan osuuden ei tarvitse merkittävästi vähentää kanavien 25 käyttöastetta ja energiatehokkuutta. Alassuunnan datalinkkien muodostaminen tarvekohtaisesti vähentäisi todennäköisesti energiatehokkuutta paljon enemmän. Lisäksi tehokas kanavakäyttö ei ole ensisijainen huolenaihe langattomissa anturi-verkoissa, koska tiedonsiirtonopeudet ovat hyvin alhaisia.

• » • ·

Solmun, jonka pitäisi vastaanottaa dataa varattavassa aikavälissä tai jonka täytyy • · **;·’ 30 tarkistaa ALOHA-aikaväli nähdäkseen sisältääkö se lähetystä, ei tarvitse välttä- mättä pitää vastaanotintaan päällä aikavälin koko keston ajan. Jos lähetys löytyy, vastaanotin voidaan kytkeä pois päältä heti kun kehys on kokonaan vastaanotettu • · · .*. (olettaen että aikavälin pituus on suurempi kuin kehyksen pituus). Koska kukin ***\ solmu on edullisimmin järjestetty suorittamaan lähetyksensä aivan aikavälin alus- 35 sa, niin tyhjän aikavälin tapauksessa riittää, että vastaanottava solmu kuuntelee tietyn aikaikkunan ajan ennen kuin se voi päätellä, että lähetyksiä ei ole tulossa.

16 118291

Mainitun aikaikkunan pituus voidaan esittää t + p, jossa p on kehyksen lähettämiseen kuluva aika ja t on lisäaika, jota käytetään kompensoimaan tahdistusvirheitä ja värähtelykidetoleransseja. Voidaan esimerkiksi käyttää arvoja t = 100 mikrose-kuntia ja p = 256 mikrosekuntia. Voidaan laskea kompromissi kustannusten ja 5 energiansäästön välille: käyttämällä tarkempaa (ja kalliimpaa) kideoskillaattoria voidaan valita pienempi f:n arvo, mikä vähentää energian kulutusta.

Sen lisäksi, että pääsolmu lähettää klusteri-beacon-signaaleja ja alassuunnan lähetyksiä ylikehyksen 302 asianmukaisissa aikaväleissä, se lähettää myös verkko-beacon-signaaleja verkkokanavalla. Jotta pääsolmulla tarvittaisiin vain yksi radio-10 lähetin, on edullista ajoittaa verkko-beacon-signaalien lähetys tapahtumaan jouto-jakson 303 aikana. Kuvan 3 esimerkkisuoritusmuodossa pääsolmu lähettää nk. aktiivisen verkko-beacon-signaalin 331 kerran kussakin saantisyklissä 301. Tässä aktiivisen verkko-beacon-signaalin 331 lähetys on ajoitettu tapahtumaan aivan kunkin saantisyklin lopussa niin, että aktiivista verkko-beacon-signaalia 331 seu-15 raa välittömästi klusteri-beacon-signaalin lähetys ylikehyksen alussa. Lisäksi pääsolmu lähettää joukon nk. jouto-verkko-beacon-signaaleja 332 (idle network beacon signal) joutojakson 303 jäljellä olevassa osassa. Tässä jouto-verkko-beacon-signaalien lukumäärä saantisyklissä on yksi, mutta se voisi myös olla nolla tai enemmän kuin yksi. Beacon-jakso 333 tarkoittaa verkko-beacon-signaalin alun 20 ja seuraavan verkko-beacon-signaalin alun välistä aikaa. Jos pääsolmu lähettää verkko-beacon-signaaleja täsmälleen vakiovälein, beacon-jakso 333 on tarkkaan määrätty vakio, jolloin sen käänteisarvoa voidaan kutsua beacon-tiheydeksi. Jos • verkko-beacon-signaaleja lähetetään vaihtelevin välein, voidaan laskea keskimää- • * · « . räinen beacon-jakso ja vastaava keskimääräinen beacon-tiheys.

* * ·

25 "JOUTO-BEACON"-LÄHETYSTEN KÄYTTÖ TEHON SÄÄSTÄMISEKSI

* • · · • * « · .*··. Voidaan tutkia tarkemmin nk. jouto-beacon -lähetysten (joista yllä esimerkkinä jou- * · « to-verkko-beacon-signaalit) tarkoitusta. Langattomia verkkoja koskeva tavallinen oletus on, että lähetysten määrän pitäminen aikajaksoa kohti mahdollisimman pie- • · * nenä johtaa suurimpiin energian säästöihin. Tämä ei kuitenkaan pidä täysin paik- **:*’ 30 kaansa. Tietty määrä "tarpeettomia" beacon-lähetyksiä auttaa pitämään verkko- skannauksen vaatiman ajan lyhyenä, mikä saattaa säästää paljon enemmän ener-giaa kuin mitä mainittuihin lähetyksiin kuluu. Vastoin yleistä uskomusta radiolähe-tinvastaanotin kuluttaa helposti enemmän tehoa vastaanotossa kuin lähetyksessä.

* \ Keksinnön suoritusmuodon mukainen esimerkinomainen solmulaite kuluttaa tehoa 35 20,07 mW lähettäessään -20 dBm:n tehotasolla, 30,68 mW lähettäessään 0 dBm:n tehotasolla ja 44,98 mW vastaanottaessaan, kun solmulaitteen mikro- 17 1 1 8291 ohjain on aktiivitilassa. Lisäksi täytyy pitää mielessä, että beacon-lähetykset ovat lyhyitä ja tapahtuvat tarkasti määritellyn aikataulun mukaisesti, kun taas verkko-skannaus on oleellisesti jatkuvaa ja kestää ennalta määräämättömän ajan, kunnes se joko tuottaa tuloksen tai tapahtuu aikakatkaisu, ja että muita alisolmuja, joiden 5 täytyy suorittaa verkkoskannaus, on mahdollisesti paljon enemmän kuin beacon-lähetyksiä tuottavia pääsolmuja.

Kuvassa 4 on kaavamaisesti esitetty, miten langattomassa tietoliikenteessä solmun kuluttama energia jakautuu käynnistymisenergiaan 401, tiedonsiirtoenergiaan 402 ja verkon ylläpitoenergiaan 403. Näistä käynnistymisenergia 401 koostuu 10 verkkoskannauksesta ja beacon-signaalien vastaanotosta lähistöllä olevien solmujen havaitsemiseksi sekä verkkosidosten tekemisestä, mikä tarkoittaa lähetyksiä solmun liittämiseksi verkkoon. Aikajaksoa 411, jossa käynnistymisenergiaa 401 kulutetaan, voidaan nimittää solmun käynnistymisjaksoksi. Tiedonsiirtoenergia 402 koostuu lähetyksistä ja vastaanotoista, joita tarvitaan ylemmän kerroksen hyöty-15 kuormadatan ja kuittausten välittämiseen. Verkon ylläpitoenergiaa 403 kulutetaan beacon-signaalien lähetykseen ja vastaanottoon sekä jaksottaiseen verkkoskan-naukseen verkon topologiatietojen päivittämiseksi. Aikajakso 412, jossa solmu kuluttaa tiedonsiirtoenergiaa 402 ja verkon ylläpitoenergiaa 403, on solmun elinikä, jonka aikana solmu voi aktiivisesti osallistua verkon toimintaan.

20 Lohkojen 401, 402 ja 403 pystymitat ovat esimerkinomaisia eivätkä välitä mitään kvantitatiivista merkitystä tai tietoa todellisesta energiasta tai tehosta. Kokonaiste- ; honkulutus on helposti suurinta solmun käynnistymisjaksossa 411, koska saatu- • * * aan tarpeeksi tietoa tietoliikenteen aikatauluista ja tarvittavista tehotasoista solmu *·:·'* pystyy tehokkaasti soveltamaan erilaisia tehonsäästöstrategioita solmun eliniän 25 412 aikana.

*1« !···. Verkon luonteesta riippuu, mitkä ovat käynnistymisenergian 401, tiedonsiirtoener- gian 402 ja verkon ylläpitoenergian 403 suhteelliset osuudet koko verkon energia-.. budjetissa. Erittäin dynaamisessa verkossa, jossa solmujen eliniät ovat hyvin lyhyi- tä, hallitsevana voi olla jopa käynnistymisenergia 401. Tyypillisissä tapauksissa • « *·”* 30 solmujen eliniät voivat kuitenkin olla kuukausia tai jopa vuosia, jolloin käynnisty- : misenergian 401 osuus jää vaatimattomaksi.

* · · • · **:·’ Verkon energiankulutuksen matemaattista mallinnusta varten tarvitaan muutamia määritelmiä. Datakehyksen siirtoon tarvittava energia E** on: « • · ' 118291 18 &t* ~LfEt + (Ts, + ^Vo, . 0)

V K J

jossa Lf = kehyksen pituus bitteinä

Ei = energia, joka tarvitaan yhden databitin siirtämiseksi solmuoh-jaimen ja lähetinvastaanottimen välillä 5 Tst = lähetinvastaanottimen käynnistymiseen liittyvän siirtymäjak- son ajallinen pituus R = radiodatanopeus bitteinä sekunnissa ja Ptx = tehonkulutus lähetystilassa, kun myös solmuohjain on aktiivisessa tilassa.

10 Oletetaan, että lähetinvastaanottimen käynnistymisjakson aikainen keskimääräinen tehonkulutus on yhtä suuri kuin Ptx. Mikäli lähetystehotasolle on useita mahdollisia arvoja, ne vaikuttavat suoraan arvoon P^, mikä puolestaan nähdään useina Etx:n arvoina. Oletetaan esimerkin vuoksi suuri lähetystehotaso ja pieni lähetys-tehotaso, jolloin saadaan eri arvot Etx(high) ja EtX(iow)· Kehyksen vastaanottoenergia 15 £«on: ε„=ίη,+τ; +^ν„+ι,ε, , (2)

\ k J

jossa h - kuuntelujoutojakson ajallinen pituus ja

Prx - tehonkulutus vastaanottotilassa, kun myös solmuohjain on * · ' • ·* aktiivisessa tilassa.

• · · • · · 4 **·'· 20 Jos verkkoskannauksen tuloksena saadaan aina onnistuneesti vastaanotettua *“*: seuraava käytettävissä oleva beacon-signaali, niin pahimmassa tapauksessa ver- "·:· kon skannausaika on oleellisesti yhtä kuin beacon-tiheyden ft, käänteisluku (voi- daan myös olettaa, että pääsolmu suorittaa aina verkon skannauksen koko bea- # · · con-jaksolle, kun taas alisolmu voi lopettaa skannauksen heti löydettyään sopivan :·. 25 klusterin, missä "sopiva" tarkoittaa, että klusterin pääsolmu on riittävän lähellä, ei- kä klusteri vaikuta olevan liian raskaasti kuormitettu). Tällöin voidaan ilmaista ver- ’*:** kon skannausenergia Ens seuraavasti: • · • · * O Ens= Ti+lp# . (3) • \'bj • ♦ *·*· • « « • · ·:··· Edellä oleva on todellisuudessa approksimaatio, koska siinä ei oteta huomioon 30 energiaa, joka kuluu vastaanotetun datan siirrossa radiolähetinvastaanottimelta 19 1 1 8291 solmun prosessointiyksikköön. Ero on kuitenkin mitättömän pieni, koska lähetin-vastaanottimen täytyy olla stand-by-tilassa (eikä vastaanottotilassa), kun dataa siirretään prosessointiyksikköön. Aika, joka kuluu kun siirretään yhden kehyksen verran vastaanotettua dataa, on noin yksi millisekunti.

5 Oletetaan seuraavia laskelmia varten, että datasiirto-operaatioilla on korkeampi prioriteetti kuin beacon-lähetyksillä, jolloin beacon-tiheydellä ei ole vaikutusta da-tasiirtoenergiaan. Solmun käynnistymisjakso koostuu verkkoskannauksesta (jonka tuloksena voidaan vastaanottaa useita verkon beacon-signaaleja, kunnes sopiva klusteri löytyy, mutta jonka oletetaan rajoittuvan yhteen beacon-jaksoon), verkko-10 beacon-vastaanotosta, klusteri-beacon-vastaanotosta, assosiointikehyksen lähetyksestä ja kuittauksen vastaanotosta. Oletetaan, että assosiointikehys lähetetään edellä mainitulla pienellä tehotasolla. Näin saadaan solmun käynnistymisenergialle Es kaava: E* = Ens + 3Erx + Etx(fbw) · (4) 15 Tästä havaitaan, että solmun käynnistymisenergia on kääntäen verrannollinen beacon-tiheyteen ft,. Käyttäen esimerkkiarvoja Lf= 256 bittiä, E/= 2,3 nJ/bit, Ts< = 250 μ5, R = 1 Mbps, PtX(high) = 30,68 mW, Ptx(iow) = 20,07 mW, 7) = 300 ps ja = 44.98 mW, saadaan solmun käynnistymisenergiaksi 4,6 mJ beacon-tiheydellä 10 Hz ja 45 mJ beacon-tiheydellä 1 Hz.

:*·*: 20 Verkon ylläpito-operaatioita suoritetaan jatkuvasti verkon koko eliniän ajan. Näin • ·*; ollen on helpointa tarkastella energian kulutusta 1 sekunnin toimintajaksoissa, mi- • ·· · . kä vastaa keskimääräistä energian kulutusta. Keskimääräinen verkon ylläpitoteho

Pm määritellään verkkoskannaustehon Pns ja beacon-siirtotehon Pt, summana.

• ·

Verkkoskannausenergian lisäksi Pns riippuu verkkoskannausoperaatioiden tarvitta-25 vasta tiheydestä, joka mahdollistaa riittävän datan reitityksen verkossa. Tämä riip-***** puu verkkodynamiikasta ja määritellään verkkoskannausvälinä Ts. Koska pääsol- mut käyttävät pidempiä tiedonsiirtoetäisyyksiä ja monimutkaisempaa datareititystä, • · * *·· niiden oletetaan suorittavan verkkoskannausta useammin kuin alisolmujen. Näin ollen verkkoskannausväli määritellään erikseen pääsolmuille (TS(h)) ja alisolmuille : )·. 30 (TS(s)) Pns'·He lasketaan keskiarvo solmua kohti, missä otetaan huomioon alisolmu- • « · jen määrä ns kutakin pääsolmua kohti. Näin saadaan verkkoskannausteholle kaa- * · ”* va: · • · · • · · E f 1 n ^ ·:*·: L + 3_ . (5) ^ + ns\TS(h) y 20 118291 Käytännön tulosten saamiseksi voidaan asettaa TS(h):Ile, Ts^:lle ja r?s:lle jotkin esimerkkiarvot, kuten 100 s ja 500 s verkkoskannausväleiksi ja ns - neljä alisolmua kutakin pääsolmua kohti. Lisäksi oletetaan, että saantisyklin pituus Tac on 4 s. Kuvassa 5 käyrä 501 esittää verkkoskannaustehoa Pn$, joka pienenee nopeasti bea-5 con-tiheyden fb kasvaessa. Teho laskee arvosta 160//W arvoon 16//W, kun bea-con-tiheys kasvaa arvosta 1 Hz arvoon 10 Hz.

Beacon-siirtotehoa kuluu beacon-lähetyksissä ja -vastaanotoissa. Tiheydellä ft, lähetettyjen verkon beacon-signaalien lisäksi lähetetään klusteri-beacon-signaaleja kerran saantisyklissä, jonka pituus on Tac. Selvyyden vuoksi oletetaan, 10 että klusteri-beacon-signaaleja vastaanotetaan vain yhdeltä pääsolmulta. Kuten aiemmin mainittiin, tehonsäätösyistä on suositeltavaa aina lähettää beacon-kehykset kahdesti, ensin suuremmalla tehotasolla ja sen jälkeen pienemmällä. Näin beacon-siirron kuluttama teho Pb voidaan mallintaa seuraavasti: O _ ^t>t(hlgh)+^tx(low) f f , 1 1 , 2E^ /e\ * l* iTj Γ. · ; , (6) 15 Pb.n vaihtelu arvolla fb on myös esitetty kuvassa 5 käyränä 502. Toisin kuin verkon skannausteho, beacon-siirtoteho Pb voidaan minimoida minimoimalla fb. Beacon-siirtoteho Pb pienenee arvosta 71 //W arvoon 23 yc/W, kun fb pienenee arvosta 10 Hz arvoon 1 Hz. Kuten kuvasta nähdään, verkon ylläpitoteholla Pm, joka on esitetty käyränä 503, on minimi (77 μ\Λ/) 5,6 Hz:n beacon-tiheydellä. Alhaisilla alle • · · | ·* 20 1 Hz:n beacon-tiheyksillä Pm tyypillisesti kaksinkertaistuu beacon-tiheyden puolit- i.: : tuessa. Vaikutus muuttuu päinvastaiseksi korkeilla yli 10 Hz:n beacon-tiheyksillä.

» • · * « · · ♦ » ·

Tarkastellaan seuraavaksi miten verkkoskannausväli ja alisolmujen lukumäärä pääsolmua kohti vaikuttavat ylläpitotehon kulutukseen. On selvää, että suurempi y.V.' verkkoskannausväli vähentää verkkoskannaustehoa ja siirtää Pm:n minimiä alem- "*' 25 piin beacon-tiheyksiin. Esimerkiksi, kun fb on 1 Hz, Pm kasvaa arvosta 55 yc/W ar voon 833 //W arvon Ts(h) pienentyessä arvosta 500 s arvoon 20 s. Toisaalta ns:n : ** kasvattaminen vähentää beacon-lähetyksiin solmukohtaisesti käytettyä keskimää- ··· räistä tehoa. Koska alisolmuilla on tyypillisesti pidempi verkkoskannausväli kuin : pääsolmuilla, myös verkkoskannaustehon kulutus pienenee. Kun fb on 1 Hz, ns:n .···. 30 kasvu 0:sta 8:aan pienentää Pm:r\ arvoa 500 jr/W:sta 150 //W:iin.

• · · :Y: Keskimääräinen solmun tehonkulutus langattomassa anturiverkossa ilman verk- koskannausta voi olla esimerkiksi luokkaa 100 μ\Ν. Verkon ylläpitotehonkulutuk-sella on siten hyvin merkittävä vaikutus koko verkon elinikään. Seuraavassa käyte 21 1 1 8291 tään oletusta pitkästä solmun eliniästä (so. käynnistymisenergian osuus on marginaalisen pieni verrattuna solmun kokonaisenergiankulutukseen). Optimaalinen beacon-tiheys fb* määritetään minimoimalla verkon ylläpitoteho suhteessa beacon-tiheyteen. Optimointifunktio voidaan kirjoittaa seuraavasti: ( O f 1 Ϊ

Prx Tst+± , x Eb\fb+-- 5 pm=—\-*1 Λ-+Λ- +—~ac , (7) 1 + "s [Lm Ts(s)J l + ns Tac jossa Eb = Etx(high) + Etx(ioW). Voidaan osoittaa, että on olemassa uniikki minimi arvolla fb*, joka saadaan sijoittamalla dP„Jdfb = 0 kaavaan (7). Näin saadaan = + . (8) \ Cb V ' s(h) 's(s) j Näin optimaalinen beacon-tiheys määritetään verkon parametrien Ts(b), TsfS) ja ns, 10 sekä radioparametrien Et, ja Ρ,χ avulla.

Kuvassa 6 on esitetty fb*:n vaihtelu T5(h):n suhteen ns:n arvoilla 0 (käyrä 601), 1 (käyrä 602), 4 (käyrä 603) ja 8 (käyrä 604). Suhde TS(S) / Ts(h) on kiinteästi 5. Annetuilla parametreillä optimaalinen beacon-tiheys fb* vaihtelee välillä 2-21 Hz. Mitä enemmän alisolmuja pääsolmua kohti, sitä suurempi on optimaalinen beacon-15 tiheys. Vaikka tämä lisää pääsolmun tehonkulutusta, verkon kokonaistehonkulutus pienenee lyhyempien verkkoskannausoperaatioiden ansiosta.

· • · · • · · • * » · . .·. Kuvassa 7 on esitetty fb Ts(h):n funktiona, kun suhde TS(S) / Τφ) on 2 (käyrä 703), 5 ."!· (käyrä 702) ja 10 (käyrä 703). Voidaan selvästi nähdä, että suhteen Ts(s) / Ts(h) pie- • · #i> neneminen kasvattaa optimaalista beacon-tiheyttä, koska verkkoskannausoperaa- *”*. 20 tioita suoritetaan taajempaan. Kun Τφ) on 100 s ja Ts(s) I Τφ) pienenee 10:stä • · ***** 2:een, optimaalinen beacon-tiheys kasvaa arvosta 5,5 Hz arvoon 9,2 Hz.

***.. Yllä esitetystä voidaan vetää se johtopäätös, että langattoman anturiverkon bea- .*·*. con-tiheydellä on hyvin merkittävä vaikutus ylläpitotehonkulutukseen, joka määri- , *, teilaan beacon-siirtotehon ja verkkoskannaustehon summaksi. Beacon-tiheys opti- • · * : 25 moidaan suhteessa tarvittavaan verkkoskannausväliin, jonka määräävät verkon dynamiikka ja tiedonreititysalgoritmi. Arvioinneissa verkon ylläpitoteho vaihtelee :*;*« alle 100//W:sta useisiin milliwatteihin, mihin eniten vaikuttaa beacon-tiheys. Yllä « · kuvattua esimerkkitapausta ajatellen optimaalinen beacon-tiheys tyypillisissä sovelluksissa ja kohtalaisen stabiilissa verkossa on noin 5 Hz. Tiheää verkkoskan- 22 1 1 8291 nausta vaativalle dynaamiselle verkolle optimaalinen beacon-tiheys on 20 Hz:n luokkaa. Käytetty optimointifunktio ei ota huomioon törmäyksiä verkkokanavalla, jotka muuttuvat merkittäviksi suuremmilla beacon-tiheyksillä ja tiheissä verkoissa. Näin ollen on järkevää suosia alle 10 Hz:n beacon-tiheyksiä. Mikä tärkeintä, bea-5 con-tiheyden optimointia koskevat havainnot ovat yleispäteviä, ja niitä voidaan soveltaa aiemmin tunnettuihin langattomiin anturiverkkoratkaisuihin, kuten LR-VVPAN-standardiin, samoin kuin S-MAC- ja T-MAC-protokolliin. Nyrkkisääntönä voidaan todeta, että LR-WPANin kaltaisissa ratkaisuissa koordinaattorin joutojak-son aikana lähetettävät lisäbeaconit pienentäisivät tehokkaasti verkkoskannausai-10 kaa, jos beacon-väli muuten olisi pitkä, yli 1 s. Tiheissä ja suurissa verkoissa optimaalinen beacon-tiheys olisi suuremman törmäystodennäköisyyden vuoksi jonkin verran pienempi kuin edellä kuvattu.

AIKATAHDISTUS

Vaikka klusterit ovatkin epäsynkronissa toistensa suhteen, mahdollisuus jakaa 15 verkonlaajuista aikareferenssiä solmujen välillä on edullinen, erityisesti jos mittaus-arvot tai muut tiedot pitäisi varustaa aikaleimalla, mikä auttaa välttämään sekaannuksia, kun yhdistetään mittaustietoja, jotka ovat peräisin eri lähteistä tai ovat matkanneet eri reittejä pitkin. Aikaleimaus esimerkiksi antaa mahdollisuuden päätellä nopeuden ja suunnan sellaiselle liikkuvalle kohteelle, josta saadaan mittaustulok-20 siä eri anturisolmuilta eri ajanhetkillä. Lisäksi voidaan tarvita tietoja ainakin joiden-kin solmujen sijainnista; sijaintitietoisuus saavutetaan helposti esimerkiksi ohjel- • · moimalla tietyt kiinteät solmut tietämään omat koordinaattinsa ja ilmoittamaan ne nielusolmu(i)lle lähettämissään dataviesteissä.

• · · • · « • · · *:**: Luonnollinen vaatimus aikatahdistukselle on, että se on saavutettava käyttäen ··· 25 mahdollisimman vähän lähetettyjä ja vastaanotettuja ohjaussanomia, so. kuluttaen • · · · mahdollisimman vähän energiaa aikareferenssin jakeluun.

• · *

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti verkko-beacon-signaaleja ja klusteri-: *·* beacon-signaaleja käytetään aikareferenssin kuljettamiseen langattomassa anturi-

«M

verkossa halutulla, esim. yhden mikrosekunnin, tarkkuudella. Oletetaan, että ver- : .·. 30 kossa on yksi solmu, jolla on poikkeuksellisen hyvä pääsy tarkkaan ulkoiseen refe- [**·,* renssiaikaan. Tyypillisesti kyseinen solmu on nielusolmu, tai se voi olla tarkalla • · *" kellolla, GPS-vastaanottimella tai vastaavalla aikalähteellä varustettu dedikoitu • · aikareferenssisolmu.

* · » · · • · 23 1 1 8291

Verkko-beacon-signaaleilla ja klusteri-beacon-signaaleilla voi olla eri tehtävät aika-referenssin kuljettajina. Erään ehdotuksen mukaisesti verkko-beacon-kehys sisältää absoluuttisen, täydellisen, esimerkiksi 48 bitillä ilmaistun ajan, joka yhden mik-rosekunnin esimerkkiresoluutiolla tarkoittaisi noin yhdeksän vuoden ilmaistavissa 5 olevaa kokonaisaikakaarta. Klusteri-beacon-kehys voisi sisältää nk. lyhyen ajan, joka sisältäisi vain tietyn määrän (kuten 16 bittiä, eli 65 millisekunnin aikakaaren yhden mikrosekunnin resoluutiolla) täydellisen ajan vähiten merkitsevistä biteistä. Beacon-kehyksen sisältämän aikaleiman tulisi ilmaista ajanhetki, jolloin ko. bea-con-kehys lähetettiin.

10 Varsinaisen aikaleiman lisäksi on edullista sisällyttää beacon-lähetykseen jokin indikaattori siitä, kuinka tarkkana aikareferenssiä pidetään. Eräs yksinkertainen indikaattori on aikahyppykenttä, jonka arvo on nolla solmussa, joka toimii refe-renssiajan lähteenä, ja joka kasvaa yhdellä kussakin solmussa, joka välittää aikareferenssiä eteenpäin. Kehittyneempi indikaattori voisi myös sisältää indikaation 15 siitä, kuinka pitkä aika on kulunut siitä, kun lähettävä solmu vastaanotti aikarefe-renssin jostakin lähempää referenssiajan lähdettä, koska kaikissa paikallisina kelloina solmuissa toimivissa kiteissä esiintyy ryömintää. Jos solmu voi valita useista vastaanotetuista aikareferenssilähetyksistä, sen tulisi aina valita se, jonka indikaattori ilmaisee aikareferenssin parasta mahdollista tarkkuutta.

20 Käytettävissä on ainakin kaksi perusvaihtoehtoa vastaanotetun aikareferenssin hyödyntämisstrategiaksi. Erään yksinkertaisen vaihtoehdon mukaan solmu vain * · I l' vastaanottaa beacon-lähetyksen, lukee aikaleiman ja - ainakin jos tarkkuusindi- kaattori täyttää jonkin hyväksymiskriteerin - ottaa aikareferenssin käyttöön indi- • * · *"·] kaattoriksi siitä tarkasta hetkestä, jolla beacon-signaali vastaanotettiin. Vaikka ai- * : 25 kareferenssin käyttöönottoon liittyisi jokin oletusviive, tämä yksinkertainen vaihto- ..II' ehto synnyttää väistämättä jonkin verran ajoituksen epätarkkuutta, koska aikaa, ·„/· joka lähetykseltä kuluu ilmarajapinnassa ja lähettävissä ja vastaanottavissa lait teissa, mukaan lukien MAC-prosessointi, ei tiedetä tarkasti. Saavutettu tarkkuus on kuitenkin monissa tapauksissa riittävä, mikäli verkossa ei ole sovelluksia, jotka .··*. 30 olisivat riippuvaisia täsmällisestä tahdistuksesta.

« · · *

Erään monimutkaisemman ja tarkemman vaihtoehdon mukaan ensimmäinen sol-mu lähettää aikareferenssin klusteri-beacon-signaalissa hetkellä t0. Toinen solmu m.\m vastaanottaa kyseisen klusteri-beacon-signaalin ja leimaa vastaanottohetkeksi ti *·**! oman kellonsa mukaisesti. Toinen solmu tallentaa hetket to ja U, mutta ei vielä päi- 35 vitä omaa kelloaan aikareferenssin mukaisesti. Ylössuunnan lähetysaikavälissä toinen solmu lähettää datakehyksen ensimmäiselle solmulle hetkellä t2, jonka toi- 24 1 1 8291 neh solmu taas tallentaa. Ensimmäinen solmu leimaa mainitun datakehyksen vas- 4 taanottohetkeksi te ja lähettää tietyn määrän aikaleiman /3 vähiten merkitseviä bittejä toiselle solmulle kuittauskehyksessä. Nyt toinen solmu tuntee kaikki ajanhet-ket ίο, fi, f2 ja ?3 ja voi laskea kulkuajan fpropagafcn seuraavasti: 5 t _ (^1 ~ O + (h ~ O /g\ “ 1propagation 2 "

Nyt toinen solmu voi päivittää oman aikansa f seuraavasti: ^ — ^ (/o — ^1)tpropagation · 0®)

Voidaan huomauttaa, että siirtoviiveet ovat tyypillisesti lyhyempiä kuin 1 millisekunti. Näin ollen ajan t3 siirtämiseen kuittauskehyksessä pitäisi riittää noin 12-16 10 bitin varaaminen; 12 bittiä merkitsisi ±2 ms:n mahdollista kestoa, kun taas 16 bittiä riittää +32 ms:iin. Enimmillään 16 bittiä varattuna tähän tarkoitukseen ei ole liian suuri varaus kehyksestä. Kuitenkin, mikäli tämä aikareferenssin jakeluperiaate valitaan, kyseinen varaus tulisi tehdä alassuunnan kehyksille. Sekaannusten välttämiseksi on edullista panna kaikki langattoman anturiverkon solmut aina noudatta-15 maan samaa valittua aikareferenssin jakeluperiaatetta.

Mikäli referenssiajan alkuperäinen lähde oli nielusolmu, aikareferenssi tyypillisesti etenee alaspäin puumaisessa verkkohierarkiassa päinvastaiseen suuntaan kuin data, joka kulkee ylöspäin nielusolmun kautta. Jos optimireitti (joka on johdettu j .* sellaisista tekijöistä kuin kokonaisenergia, pääsolmun kuormitus, yhteyden laatu) :*V 20 solmun X ja nielusolmun välillä on pitkä, ja mainittu solmu X tarvitsee tarkemman • · * *·;·[ aikareferenssin, se voi saada sen GPS-varustetulta (tai muutoin erityisominai- suuksia omaavalta) lähisolmulta kuuntelemalla säännöllisesti kyseisen solmun (verkko- tai klusteri-)beacon-lähetyksiä. Solmun X on näin ollen tunnettava sekä :]*[: GPS-varustetun solmun että naapuripääsolmun, jonka kautta se lähettää dataa 25 nielusolmua kohti, ajoitus ja taajuus. Kokonaisenergiankulutuksen pitämiseksi mi- ·*·,. nimissä ei ole suositeltavaa lisätä verkkoskannausta.

***

KEHYSRAKENTEET

• · • · * · ·

Kuvassa 8 on esitetty eräs edullinen kehysrakenne 800, jota voidaan käyttää lähe- *.** tyksiin keksinnön erään suoritusmuodon mukaisessa langattomassa anturiverkos- • * v.: 30 sa. Käytettäessä kehysmuotoa, jossa kehyksen pituus on kiinteä, lähetinvas- "**: taanottimen energiatehokkuus on hieman huonompi kuin vaihtoehdossa, jossa kehyksen pituus saa vaihdella riippuen todellisesta siirrettävien bittien määrästä.

25 1 1 8291 s

Vakiopituisten kehysten käyttö kuitenkin helpottaa muistinhallintaa ja otsikoiden dekoodausta, sekä parantaa TDMA-järjestelyn luotettavuutta.

Eräässä esimerkinomaisessa kehystyyppien valikoimassa määritellään 13 kehys-tyyppiä, jotka muunnetaan kolmeksi MAC-kehysmuodoksi. Verkko-beacon-kehys-5 tyyppi käyttää verkko-beacon-kehysmuotoa. Vastaavasti klusteri-beacon-kehys-tyyppi käyttää klusteri-beacon-kehysmuotoa. Kaikki muut kehystyypit (so. data, assosiointi, aikavälin varaus, kuittaus, yhdistetty assosiointi & aikavälin varaus, yhdistetty kuittaus & aikavälin varaus, yhdistetty data & assosiointi, yhdistetty data & aikavälin varaus, yhdistetty data & kuittaus, yhdistetty data & assosiointi & aika-10 välin varaus, sekä yhdistetty data & kuittaus & aikavälin varaus) käyttävät datake-hysmuotoa. Datan, assosioinnin, kuittausten ja varausten yhdistämistä yhteisiin kehyksiin tulisi käyttää aina kun mahdollista, jo siitä syystä, että lähetinvastaanot-timen käynnistämisen kuluttama transienttienergia on samaa suuruusluokkaa kuin itse lähetyksen vaatima energia. Mainittu yhdistäminen auttaa myös minimoimaan 15 verkon topologiamuutosten aiheuttamia viiveitä, koska data voidaan lähettää välittömästi asianomaisen ohjaussanoman (kuten assosiointi- tai aikavälin varaussa-noman) kanssa. Edullisimmin myös pääsolmut, jotka välittävät yksinkertaisia data-viestejä (kuten mittaustuloksia) useilta alisolmuilta nielusolmun suuntaan, käyttävät yhdistämistä niin, että hyötykuormat ja sopivat solmun tunnistetiedot yhdiste-20 tään mahdollisuuksien mukaan yhteisiin kehyksiin.

Kaikki kehykset ovat 32 tavua pitkiä ja käsittävät fyysisen otsikon 801, MAC- j .·. otsikon 802, tyyppikohtaisen otsikon 803, hyötykuorman 804, täytteen 805 (jos « « · "V tarpeen) ja hännän 806. Mainittujen kenttien esimerkinomaiset pituudet ovat 40 ***] bittiä fyysiselle otsikolle 801, 64 bittiä MAC-otsikolle 802, 136 bittiä yhteensä tyyp- 25 pikohtaiselle otsikolle 803, hyötykuormalle 804 ja täytteelle 805, sekä 16 bittiä ···: hännälle 806.

• ♦ · « · * · ·*·

Fyysinen otsikko 801 käsittää johdantosekvenssin 811 (esim. 8 bittiä) lähetinvas- :·. taanottimen bittitahdistusta varten ja verkko-osoitteen 812 (esim. 32 bittiä) varsi- • »· )··., naisten kehysten erottamiseksi taustakohinasta ja langattoman anturiverkon yksi- *!* 30 löimiseksi. MAC-otsikko 802 alkaa kehystyyppikoodilla 821 (esim. 4 bittiä). Lähe- • * : tystehokenttä 822 (esim. 4 bittiä) määrittelee nykyiselle kehykselle käytettävän lä- i]”: hetystehon. Osoitekentät sisältävät kohdeklusteriosoitteen 823 (esim. 16 bittiä), ,v, kohdesolmuosoitteen 824 (esim. 8 bittiä), lähdeklusteriosoitteen 825 (esim. 16 bit- • · « tiä) ja lähdesolmuosoitteen 826 (esim. 8 bittiä). Hyötykuorman pituus -kenttä 827 35 (esim. 8 bittiä) päättää MAC-otsikon 802.

26 1 1 8 2 91

Tyyppikohtaisen otsikon 803 ja hyötykuorman 804 muodot riippuvat kehystyypistä. Käyttämätön hyötykuorma täytetään täytteellä 805 kehyksen pituuden pitämiseksi vakiona. Täytteen 805 pituus voidaan päätellä MAC-otsikon 802 hyötykuorman pituus -kentästä 827. Kunkin kehyksen lopussa käytetään häntää 806 virheenil-5 maisuun.

Datakehyksen tyyppikohtainen otsikko alkaa prioriteettikentällä 831 (esim. 1 bitti), joka ilmoittaa hyötykuormadatan prioriteettitason. Solmun tyyppikenttä 832 (esim. 1 bitti) määrittelee, onko lähettävä solmu ali- vai pääsolmu. Kuittausta nykyiselle datakehykselle pyydetään kuittauspyyntökentässä 833 (esim. 1 bitti). Kuittaustila-10 kenttä 834 (esim. 1 bitti) on edellisen datakehyksen kuittausta varten. Jos käytetään pidempää kuittaustilakenttää tai jos kuittaustilabitti kentässä 834 vain kehottaa vastaanottavaa laitetta etsimään kuittaussanomaa kehyksen hyötykuorma-osasta tai jos kuittaus tehdään lähettämällä erityisiä kuittauskehyksiä, kuittaus voi myös sisältää kuitattavan datakehyksen järjestysnumeron tai muun tunnisteen. 15 Datakehyksen hyötykuorma sisältää ylempien protokollakerrosten välillä siirrettävää käyttäjädataa 841.

Verkko-ja klusteri-beacon-lähetteiden tyyppikohtainen otsikko alkaa taajuuskentäl-lä 835 (esim. 8 bittiä), joka määrittelee klusterin radiotaajuuskanavan. Energiakenttä 836 (esim. 8 bittiä) määrittelee pääsolmun energiavarastot. Klusterin kuor-20 mitus, johon vaikuttaa siihen liitettyjen alisolmujen määrä, d ata re it itysa kti v iteetti ja datan aggregointi, määritellään kuormituskentässä 837 (esim. 8 bittiä). Energia-ja : .·. kuormitustiedon perusteella uudet alisolmut voivat valita sopivimman pääsolmun.

[*V Hyötykuorma beacon-kehyksissä on tyyppikohtainen. Verkko-beacon-hyötykuor- I t · ]]*. ma sisältää kentän 842 (esim. 32 bittiä) seuraavan klusteri-beacon-lähetteen ajan- 25 kohdan ilmoittamiseksi esimerkiksi 100//s:n resoluutiolla. Näin muut solmut voivat

• M

palata joutotilaan seuraavan ylikehyksen alkuun saakka. Lisäksi verkko-beacon-hyötykuorma sisältää kentän 843 (esim. 48 bittiä) täydellisen aikareferenssin jakelemiseksi, sekä kentän 844 (esim. 8 bittiä) aikatarkkuusindikaattorin lähettämisek- * *·. si. Klusteri-beacon-hyötykuorma sisältää saantisyklin pituuden 845 (esim. 32 bittiä) 30 100//s:n resoluutiolla klusterin tahdistuksen ylläpitämiseksi, mahdollisia lepojakso- . ja 846 (esim. 8 bittiä) tiedonsiirron keskeyttämiseksi tilapäisesti klusterissa, lyhyen "!.· aikareferenssin 847 (esim. 16 bittiä), aikatarkkuusindikaattorin 848 (esim. 8 bittiä) * t *·;·' ja varattavien aikavälien allokointitaulukon 849 (esim. 64 bittiä), jossa ilmoitetaan ‘ V: senhetkiset aikavälivaraukset.

• · « * · · * ·

35 HALLI NTAMENETTELYT

27 1 1 8291

Langattoman anturiverkon hallintamenettelyissä määritellään mekanismit verkon itsekonfiguroinnin ja energian säästämisen tukemiseksi. Mekanismeihin sisältyvät klusteriskannaus, etäisyyden arviointi, verkonmuodostus, klusteriassosiointi, aikavälien varaus ja lepojaksot. Näistä neljä ensin mainittua on kaavamaisesti esitetty 5 kuvien 9a ja 9b osina.

Klusteriskannausmenettelyä käytetään, kun solmun on löydettävä naapuriklusteri assosiointia tai datan välitystä varten. Kuvassa 9a klusteriskannausmenettelyä on kuvattu vaiheina 901-906. Aloitettuaan skannauksen vaiheessa 901 solmu kuun-telee verkkokanavaa silmukassa, joka käsittää vaiheet 902 ja 903, yrittäen vas-10 taanottaa verkko-beacon-lähetteitä naapuriklustereilta. Energian kulutus skanna-uksessa on merkittävää, koska lähetinvastaanotin on passiivisessa kuuntelu- ja vastaanottotilassa pitkän ajan. Konfiguroinnista riippuen skannaus voidaan lopettaa yhden verkko-beacon-jakson jälkeen ("ajastettu tila"), jonka aikana vastaanotetaan suurella todennäköisyydellä verkko-beacon-lähetteitä kaikilta naapurikluste-15 reiltä. Näin solmu on käynyt läpi vaiheet 902, 905 ja 903 ainakin kerran ennen lopetusta vaiheessa 904. Toinen vaihtoehto on lopettaa skannaus välittömästi sen jälkeen, kun sopiva klusteri on löytynyt (so. passiivinen tai aktiivinen verkko-beacon on vastaanotettu), mikä kuvassa 9a vastaa siirtymää vaiheesta 905 vaiheeseen 906.

20 Kuvassa 9b on esitetty pääsolmuun assosioitumista. Luotettavuuden vuoksi ali-solmun tulisi assosioitua lähimpään pääsolmuun. Aloitusvaiheen 911 jälkeen sol- • mu, joka haluaa assosioitua, kuuntelee klusteritaajuutta, jonka se on lukenut ai- • « · ]*V emmin vastaanotetusta verkko-beaconista. Myös klusterin assosiointiprosessin alkamisaika on määritetty lukemalla asianomainen arvo aiemmin vastaanotetusta 25 verkko-beaconista. Vain mikäli klusteri-beaconin vastaanotto ei onnistu, tapahtuu ··*:* siirtymä vaiheiden 912 ja 913 kautta uuteen klusteriskannaukseen vaiheessa 914.

··♦

Muuten solmu lopettaa vastaanoton vaiheessa 915 heti vastaanotettuaan onnistuneesti klusteri-beaconin.

• · • ·* RSSI-mittaus tyypillisesti ei sisälly oletusarvoisesti pienitehoisiin lähetinvastaanot- * · *" 30 timiin; se ei myöskään ole suositeltavaa, koska se lisäisi vastaanottimen monimut- • « · kaisuutta ja tehonkulutusta. Kuten aiemmin mainittiin, keksinnön erään suoritus- muodon mukaan kaikki beaconit ehdotetussa protokollassa lähetetään kahdesti, .V, eri lähetystehotasoilla (esimerkiksi 0 dBm ja -20 dBm), vastaten eri lähetysetäi- • « · ' syyksiä. Mikäli molemmat beaconit katsotaan onnistuneesti vastaanotetuksi vai- 35 heessa 916, solmu arvioi olevansa lähellä pääsolmua ja valitsee omaa lähetystään varten pienemmän lähetystehon vaiheen 917 mukaisesti. Muussa tapauksessa 28 1 1 8291 solmu on etäällä pääsolmusta ja tietoliikenne tapahtuu suuremmalla lähetysteholla vaiheen 918 mukaisesti. Jälkimmäisessä tapauksessa alisolmu alkaa myös vaiheen 919 mukaisesti tutkia, onko lähempää pääsolmua käytettävissä. Mikäli toinen pääsolmu löytyy, tapahtuu periaatteessa hyppy takaisin vaiheeseen 916. On kui-5 tenkin hyvin mahdollista, että käytettävissä on vain "kaukaisia" pääsolmuja, jolloin solmun on tyydyttävä kommunikoimaan sellaisen kanssa suuremmalla tehotasolla. Siinä tapauksessa on suositeltavaa suorittaa verkkoskannausta silloin tällöin, ehkä tiheämmin kuin tapauksissa, joissa on käytettävissä lähellä sijaitseva pääsolmu, sen selvittämiseksi, löytyykö jokin toinen pääsolmu, jonka kanssa solmu voisi 10 kommunikoida pienemmällä tehotasolla.

On mahdollista käyttää useampaa kuin kahta lähetystehotasoa, joko lähettämällä kussakin beacon-signaalin lähetyksessä enemmän kuin kaksi beacon-kehystä -kaikki eri tehotasoilla - tai valitsemalla beacon-lähetystasoja syklisesti siten, että ensimmäinen beacon-signaalilähetys koostuisi kahdesta beacon-kehyksestä teho-15 tasoilla 1 ja 2, seuraava beacon-signaalilähetys koostuisi kahdesta beacon-kehyksestä tehotasoilla 3 ja 4 (tai 1 ja 3), seuraava tehotasoilla 5 ja 6 (tai 1 ja 4) ja niin edelleen, kunnes kaikki tehotasot olisi käyty läpi. Vastaanottavat solmut arvioisivat etäisyytensä ja tarvittavan lähetystehotason sen perusteella, mikä olisi alimman tason beacon-lähetys, jonka ne pystyisivät vastaanottamaan onnistuneesti.

20 Kun solmu aktivoituu ensimmäistä kertaa, se suorittaa klusteriskannausmenette-lyn. FFD voi muodostaa oman klusterin ja ryhtyä pääsolmuksi, tai assosioitua ole- • · j massa olevaan klusteriin ja tulla alisolmuksi. Päätös riippuu löytyneiden klusterien • · · **V kuormituksesta ja energiatilasta, sekä arvioidusta etäisyydestä niihin. Päätöstä **:*| kuvataan kaavamaisesti kuvassa 9b vaiheina 920, 921 ja 922. RFD voi tietenkin 25 assosioitua vain olemassa olevaan klusteriin, koska se ei pysty toimimaan pää- ...T solmuna. Klusterin muodostukseen vaiheessa 921 kuuluu klusteriosoitteen ja klus- ··* terin radiotaajuuskanavan valinta naapuriklustereilta saatujen tietojen perusteella. Heti kun klusteri on muodostettu, muut solmut ja olemassa olevat klusterit voivat :**,. assosioitua siihen ja muodostaa koko verkon kattavia yhteyksiä.

• M • ! *;* 30 Tiedonsiirtoon klusterin pääsolmun kanssa tarvitaan klusteriassosioitumista.

« · :.· · Alisolmu voi assosioitua vain yhteen klusteriin, kun taas pääsolmun täytyy assosioi*: oitua useisiin naapuriklustereihin muodostaakseen tehokkaasti monihyppy-yhteyk- .·!·, siä. Vastaanotettuaan klusteri-beacon-signaaleja solmu assosioituu lähettämällä • « · klusteri-assosiointipyynnön ALOHA-aikavälissä vaiheen 923 mukaisesti. Jos pää-35 solmu vastaanottaa ja hyväksyy pyynnön, se lähettää kuittauksen ja solmuosoit-teen aikavälin alassuuntaisessa osassa. Kuittauksen vastaanotto assosioituvassa 29 1 1 8 2 91 solmussa on esitetty vaiheena 924 kuvassa 9b. Koska verkko on valmistautunut suureen dynamiikkaan, erillisiä verkkoassosiointipyyntöjä ei käytetä. Solmun assosiointi klusterista purkautuu automaattisesti, kun tietty määrä saantisyklejä on kulunut eikä pääsolmu ole pystynyt vastaanottamaan dataa solmulta. Mainittu 5 määrä on verkkosuunnittelijan valittavissa oleva parametri, ja se voi olla esimerkiksi kymmenen.

Solmu voi varata varattavissa olevan aikavälin lähettämällä aikavälin varauspyyn-nön ALOHA-aikavälissä. Jos pääsolmu vastaanottaa pyynnön, se tavallisesti lähettää kuittauksen aikavälin alassuuntaisessa osassa (tosin pyytävä solmu voi 10 määrätä, ettei kuittausta lähetetä, samalla tavalla kuin muissakin tapauksissa, joissa solmu energiansäästösyistä ei halua edes pitää vastaanotinta päällä kuittausten vastaanottamiseksi). Varsinainen aikavälin allokointi, jos sellainen tehdään, saapuu kyseisen pääsolmun seuraavassa klusteri-beaconissa. Varattavat aikavälit allokoidaan pyydettyjen prioriteettitasojen mukaisesti pääsolmuja suosien. Allo-15 kointi määritellään klusteri-beaconeissa ja päivitetään kussakin saantisyklissä. Ellei pääsolmu pysty vastaanottamaan dataa asianomaisessa varattavassa aikavälissä neljän saantisyklin aikana, tai jos aikaväli osoitetaan suuremman prioriteetin solmulle, aiempi aikavälivaraus poistetaan automaattisesti. Pääsolmu voi asettaa koko klusterin lepotilaan yhden tai useamman saantisyklin ajaksi käyttäen klusteri-20 beaconin leposyklikenttää. Leposyklien aikana kaikki tiedonsiirto klusterissa keskeytyy tilapäisesti. Leposyklit mahdollistavat suuremman energiansäästön lisään- i*\: tyneen siirtoviiveen kustannuksella.

* · • · · • * · "V Verkkokanava on tyypillisesti ennalta määrätty. Erittäin häiriöisissä olosuhteissa on mahdollista määrätä ennalta useita verkkokanavia, joista yksi valitaan käytettä- 25 väksi niin kauan kuin se on mahdollista. Valintapäätöksen siitä, mikä verkkokana- .·*:* va näistä useista valitaan, samoin kuin päätöksen siitä, milloin on aika vaihtaa * * · verkkokanavaa, tekee tyypillisesti yksittäinen tärkeä solmu, joka yleensä on myös nielusolmu. Kun uusi solmu liittyy verkkoon, jonka verkkokanava voi olla mikä ta-hansa useista mahdollisista, se käy läpi mahdolliset verkkokanavat, kunnes se 30 löytää sellaisen, jossa verkon beacon-lähetteet ovat vastaanotettavissa, ja jatkaa • * * . *. kyseisen verkkokanavan käyttöä (ja skannaamista) niin kauan kuin se vaikuttaa • · · ·* olevan toiminnassa.

• * · * · i • · * · ·

Valittava verkkoskannausperiaate on hyvin tärkeä energiankulutuksen kannalta.

* * I

' Keksinnön mukaisessa langattomassa anturiverkossa käytetään lyhyitä aktiviteetti- 35 jaksoja ja pitkiä joutoaikoja. Klusterit ovat toistensa suhteen epäsynkronissa ja toimivat eri taajuuksilla, jolloin on välttämätöntä ottaa selville naapurisolmujen lähe- 30 118291 tysaikataulut ja taajuudet. Niiden verkko-beacon-signaalien kuunteleminen verkko-kanavalla yllä esitetyn selostuksen mukaisesti on paljon energiatehokkaampaa kuin jotkin tekniikan tason mukaiset käytännöt, joissa solmun täytyy kuunnella kaikkia mahdollisia taajuuksia riittävän kauan kuullakseen liikennettä tai beacone-5 ja.

Periaatteessa on mahdollista korvata klusterien välinen taajuusjako koodijaolla, jossa kaikki klusterit käyttäisivät yhteistä lähetystaajuutta, mutta eri klusterikohtai-sia (ja/tai solmukohtaisia) hajotuskoodeja klusterien välisten törmäysten välttämiseksi. Koska CDMA kuitenkin edellyttää kattavaa tahdistusta ja jonkin verran mo-10 nimutkaisempaa lähetinvastaanotinarkkitehtuuria, sen odotetaan olevan käyttökelpoinen vaihtoehto vain joillekin erityissovelluksille.

DATASIIRTO

Klustereista koostuvan langattoman anturiverkon tietoliikenneprotokollassa on määriteltävä mekanismit käyttäjädatan siirtämiseksi klusterien sisäisessä (so. sa-15 maan solmuun kuuluvien klusterien välisessä) ja klusterien välisessä (eri klustereihin kuuluvien solmujen välisessä) tietoliikenteessä. Alisolmu tai lähdepääsolmu on assosioitu nielu- tai kohdesolmuun, joka tyypillisimmin on pääsolmu. Datasiirto suoritetaan kohdeklusterin ylikehyksen ja lähdeklusterin joutojakson aikana käyttäen ALOHA- tai varattavia aikavälejä. Verkkoresurssien jakamiseksi tasaisemmin 20 solmujen välille alisolmut voivat edullisimmin käyttää vain yhtä aikaväliä saantisyk-Iissä, jolloin voidaan siirtää 132 bittiä saantisykliä kohti. Tehokkaan klusterien väli- • · · sen tietoliikenteen mahdollistamiseksi pääsolmujen aikavälikäyttöä ei ole rajoitettu.

:,·,·* Näin ollen suurin tiedonsiirtokapasiteetti kahdeksalla varattavalla aikavälillä on *:·*: 1056 bittiä saantisykliä kohti.

* • · · 25 Kuvassa 10 on esitetty klusterien välistä tietoliikennettä alisolmulta pääsolmun 1 • · ***** kautta pääsolmulle 2 esimerkinomaisella aikavälinvarausmenettelyllä. Viivoitettu lohko esittää lähetystä ja valkoinen lohko vastaanottoa. Alin lohkorivi esittää pää- • · ; *** solmun 1 radioaktiviteettia, ylin lohkorivi esittää pääsolmun 2 radioaktiviteettia, ja • « · ϊ.,.Σ keskimmäinen lohkorivi esittää alisolmun radioaktiviteettia. Aika kulkee piirrokses- : .*·. 30 sa vasemmalta oikealle. Pääsolmu 1 ja pääsolmu 2 toimivat klusterikanavalla 9 ja • · · klusterikanavalla 5. Verkkosignalointi suoritetaan kanavalla 1. Viitenumerot 1001, • · ‘1* 1002 ja 1003 tarkoittavat pääsolmun 1 klusterin saantisykliä, ylikehysjaksoa ja jou- • · tojaksoa. Vastaavasti viitenumerot 1011, 1012 ja 1013 tarkoittavat pääsolmun 2 *:·*: klusterin saantisykliä, ylikehysjaksoa ja joutojaksoa. Kummatkin pääsolmut lähet- 31 118291 tävät jouto-verkko-beacon-signaaleja kahdesti saantisyklissä. Kuvassa ei aikajaksojen suhteellisia pituuksia ole esitetty mittakaavassa.

Alisolmu 1, joka on assosioitu aikaisemmin pääsolmuun 1, vastaanottaa klusteri-beacon-lähetyksiä 1021 pääsolmulta 1 ja lähettää dataa käyttäen ALOHA-aika-5 väliä 1022 ja puhdasta datakehystyyppiä. Pääsolmu 1 vastaa lähettämällä kuittauksen saman ALOHA-aikavälin alassuuntaisessa osassa 1023. Olettaen että pääsolmu 1 ei tunne sopivan, seuraavan hypyn päässä olevan solmun tai klusterin ajoitusta, klusterien välinen tietoliikenne alkaa klusteriskannauksella 1031. Skan-naus on valmis, kun pääsolmulta 2, joka on valittu (seuraavan hypyn) määränpää, 10 vastaanotetaan jouto-verkko-beacon-signaaleja 1032. Seuraavaksi, kun pääsolmu 1 on lukenut vastaanotetuista jouto-verkko-beacon-signaaleista 1032 asianmukaisen ajoituksen, se vastaanottaa klusteri-beaconeja 1041 kanavalla 5 ja lähettää yhdistetyn data & assosiointi & aikavälivaraus -tyyppisen kehyksen käyttäen yhtä ALOHA-aikaväliä 1042. Pääsolmu 2 vastaa kuittauskehyksellä 1043, joka sisältää 15 solmuosoitteen, jonka se antaa pääsolmulle 1. Datan lähettäminen välittömästi mainitussa yhdistetyssä kehyksessä parantaa kokonaisenergiatehokkuutta ja minimoi viiveitä verrattuna tapaukseen, jossa assosioituvan solmun pitäisi suorittaa assosiointi ensin ja aloittaa datan lähetys vasta sitten.

Pääsolmun 1 klusterin seuraavassa ylikehyksessä vastaanotetaan alisolmulta 1 20 datakehys 1051, joka kuitataan 1052. Oletetaan, että alisolmu ei pyytänyt varatta-vaa aikaväliä, joten datakehys 1051 tulee jälleen ALOHA-aikavälissä. Nyt pääsol- • · j l' mu 1 on jo pääsolmun 2 klusterin assosioitu solmu, joten sen tarvitsee vain vas- taanottaa klusteri-beaconeja pääsolmulta 2 vaiheessa 1061 ja lähettää datakehys * · * varattavassa aikavälissä 1062. Pääsolmu 2 vastaa kuittauksella 1063.

* ··· 25 Kuten kuvasta nähdään, klusterien välinen tietoliikenne ei merkittävästi kasvata « * · · ;·**. kohdepääsolmun käyttöjaksoa, mikä helpottaa energianhallintaa. Kaiken kaikkiaan • · « pääsolmun lähetinvastaanottimen aktiivinen aika on luokkaa muutama prosentti saantisyklin pituudesta, kun taas alisolmulle se on muutaman promillen luokkaa.

• M

Lähdepääsolmua kuormittaa klusterin skannaus. Jouto-verkko-beacon-signaalit ’*"* 30 kuitenkin vähentävät energian kulutusta. Klusteriassosioinnin jälkeen klusterien ;.·*· välinen tietoliikenne on energiatehokasta. Klusterin sisäinen tietoliikenne ei häiriin- ny, koska klusterien välinen tietoliikenne hoidetaan klusterien joutoajalla. Lisäksi alisolmun käyttöjakso on lyhyt ja vaatii vain kolme vastaanottoa ja yhden lähetyk- * \ sen saantisyklissä.

• · · * · * ·

35 REITITYS

32 1 1 8 2 91

Valittava reititysprotokolla riippuu hieman siitä, mitä tietoa on etukäteen käytettävissä langattoman anturiverkon odotettavissa olevasta topologisesta luonteesta. Seuraava esimerkki perustuu oletuksiin, että verkko sisältää vain suhteellisen vähän nieluja suhteessa solmujen kokonaismäärään, ja viestit nieluilta kohti muita 5 solmuja eivät yleensä ole solmukohtaisia, vaan koskevat tavallisesti koko verkkoa tai jotakin sen osaa. On edullista käyttää reaktiivista reititysperiaatetta, jonka mukaan reititysprotokolla tukee vain sellaisten tiettyjä määränpäitä koskevien reititystietojen tallentamista, joita tiedetään tarvittavan. Kunkin solmun tarvitsee ylläpitää vain seuraavaa hyppyä koskevaa reititystaulukkoa sen sijaan, että sen tulisi muis-10 taa täydellisiä reittejä määränpäihin. Alisolmun tapauksessa seuraavaa hyppyä koskeva reititystaulukko on erityisen yksinkertainen, koska seuraava hyppy minne tahansa tarkoittaa yhteyttä klusterin pääsolmuun. On edullista käyttää kehysnume-rointia ja monitiereitityksen tukea, jolloin voidaan parantaa tärkeän datan reitityksen luotettavuutta siirtämällä se vaihtoehtoisia teitä pitkin.

15 Erään yksinkertaisen esimerkinomaisen vaihtoehdon mukaan nielusolmu, joka on kiinnostunut verkon peittoalueen lämpötilalukemista, lähettää lämpötilatiedustelun datakehyksessä, joka sisältää myös lähettävän nielusolmun tunnisteen. Tiedustelu etenee verkossa tulvitusperiaatteen mukaisesti. Silmukoiden ja duplikaattien välttämiseksi kehys sisältää järjestysnumeron. Kukin pääsolmu välittää tiedustelun 20 kaikille muille kuulemilleen solmuille paitsi sille, josta tiedustelu saapui. Tiedustelun sisältävän kehyksen hyppylaskuri päivitetään: kun pääsolmu alkaa lähettää eteenpäin vastaanottamaansa tiedustelua, se kasvattaa hyppylaskurin arvoa yh- : della.

«*« « • * · **:\ Kukin solmu, joka vastaanottaa mainitun tiedustelun, tallentaa vastaanotossa hyp- 25 pylaskurin arvon, alkuperäisen lähde(nielu)solmun tunnisteen ja sen solmun tun-nisteen, jolta tiedustelu vastaanotettiin. Näin ollen reititystaulukon tietue sisältää • · · määränpään tunnisteen, seuraavan hypyn tunnisteen ja hyppylaskuriarvon. Jos pääsolmu myöhemmin vastaanottaa kopion samasta tiedustelusta suuremmalla hyppylaskurin arvolla, se hylkää myöhemmän tiedustelun välittämättä sitä eteen- ;***. 30 päin. Vastaavasti jos pääsolmu vastaanottaa kopion samasta tiedustelusta alem- ··· . ·. maila hyppylaskurin arvolla, se poistaa aiemman tietueen reititystaulukosta ja kor- • · t vaa sen tietueella, jossa on hyppylaskurin arvo ja lähettävän solmun tunniste *···* myöhemmin vastaanotetusta tiedustelukopiosta. Reititysprotokollan suunnittelu- vaiheessa voidaan myös määritellä, että (ainakin jos kahden vastaanotetun kopion • · 35 hyppylaskuriarvot ovat jotakin ennalta määrättyä rajaa lähempänä toisiaan) vastaanottava pääsolmu muodostaa tietueen molempien vastaanotettujen tiedustelu- 33 1 1 8 291 kopioiden perusteella, joita tietueita voidaan sitten myöhemmin käyttää monitierei-titykseen.

Verkon tulvittaminen tiedustelulla päättyy itsekseen, kun kaikki pääsolmut ovat vastaanottaneet tiedustelun ja välittäneet sen eteenpäin. Kun solmu, joka tietää 5 sisältävänsä lämpötila-anturin, vastaanottaa tiedustelun, se hakee lämpötilaluke-man ja lähettää - reititystaulukkonsa tietojen perusteella - kehyksen, joka sisältää sen lähdetunnisteen, lämpötilalukeman, mahdollisesti sijainnin (suhteessa muihin solmuihin) ja mahdollisesti aikaleiman, kohti tiedustelun tehnyttä nielusolmua. Tutkimalla näiden paluusuuntaisten lähetysten sisältöä pääsolmut, jotka sijaitsevat 10 ao. nielusolmuun johtavan reitityspolun varrella, voivat taas muodostaa tietueet reititystaulukkoihinsa, jotka tietueet sisältävät seuraavan hypyn tiedot koskien reititystä solmulle, josta lämpötilalukema oli peräisin. Aika ajoin nielusolmu voi lähettää uusia tiedusteluja saadakseen kaikki reititystiedot päivitettyä.

SOLMULAITTEEN PROTOTYYPPI

15 Kuvassa 11 on esitetty keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen esimerkinomaisen solmulaitteen 1101 arkkitehtuuria. Laskenta-alijärjestelmä 1104 on järjestetty suorittamaan MAC-protokollaa, ja ylemmät protokollat ja sovellusalgo-ritmit riippuvat käytettävissä olevasta suoritustehosta ja muistista. Esimerkinomaiseen laskenta-alijärjestelmän fyysiseen toteutukseen kuuluu Xemics XE88LC02 „ . 20 mikro-ohjainyksikkö (MCU) 1141, joka sisältää CooIRisc 816 -prosessoriytimen, * · * ; ·' 16-bittisen analogia-digitaalimuuntimen (ADC) 1132, 22 kB sisäistä ohjelmamuistia : ja 1 kB datamuistia. Haihtumaton datamuisti on järjestetty käyttäen ulkoista muis- tia 1142, esimerkiksi 8 kB:n EEPROM-muistia. Mainitun esimerkinomaisen MCU:n "**: suurin käskyjen suoritusnopeus on 2 MHz.

I »· 25 Tietoliikennealijärjestelmä 1105 sisältää radiotaajuus- eli RF-lähetinvastaanotti- **··* men 1151, antennin 1152 ja tietoliikenneprotokollia suorittavan osan MCU:sta 1141. Tietoliikennealijärjestelmän 1105 eräs esimerkinomainen fyysinen toteutus ** käsittää 2,4 GHz:n NordicVLSI nRF2401 -lähetinvastaanottimen. Lähetysdatano- peus on esimerkiksi 1 Mbit/s. Lähetinvastaanottimessa 1151 on integroidut kuvion- : 30 tunnistus-ja 16-bittiset CRC-toiminnot, sekä datapuskuri lähetystä ja vastaanottoa .···. varten. Kuviontunnistusta käytetään edullisimmin verkko-osoitteen ilmaisuun. Ra- • · diolähetinvastaanottimen CRC helpottaa huomattavasti MCU:n virheenhallinnan v.: työtaakkaa, koska ohjelmallisesti täytyy toteuttaa vain kuittaus- ja uudelleenlähe- tysmekanismit.

34 118291

Anturialijärjestelmä 1103 edullisimmin hyödyntää sisäistä analogia-digitaali-muunninta 1132 ja MCU:ta 1141. Mainitussa AD-muuntimessa on esivahvistus- ja offset-korvausasteet, jotka lisäävät näytteitystarkkuutta. Tyypillinen maksiminäyte-taajuus 16 bitin resoluutiolla on noin 2 kHz. MCU:ta 1141 voidaan käyttää AD-5 muuntimen ajurin ja näytteenlähetystehtävien toteuttamiseksi sovelluskerrosta varten. Anturina 1131 voidaan käyttää lähes minkä tahansa tyyppistä anturia sovelluksesta riippuen.

Tehonsyöttöalijärjestelmä 1102 voidaan suunnitella monin eri tavoin. Kuvan 11 mukaiseen esimerkkijärjestelmään kuuluu energialähde 1121, joka voi olla esi-10 merkiksi pietsosähköisiin ilmiöihin perustuva ympäristöstä energiaa ottava piiri tai fotosähköpari. Regulaattoria 1122 käytetään vakavoimaan muulle solmulaitteelle syötettävää käyttöjännitettä. Vaikka hakkuriregulaattori olisi hyötysuhteeltaan parempi, voi kuitenkin olla edullisempaa käyttää lineaarista regulaattoria, kuten TPS71525, sen pienemmän tyhjäkäyntivirran, pienemmän kohinan, vähempien 15 sähkömagneettisten häiriöiden ja pienemmän koon vuoksi. Energian tilapäis- ja huippukäyttövarastona voidaan käyttää ladattavaa akkua tai superkondensaattoria 1123. Prototyyppilaitteessa on käytetty 0,22 F:n kondensaattoria.

Mainitun prototyypin mitat ovat 31 mm x 23 mm x 5 mm. Prototyypin piirilevyn yläpinnalla ovat lähetinvastaanotin, antenni, EEPROM, anturi ja liittimet. MCU ja re-20 gulaattori on sijoitettu alapinnalle. Prototyypin tehonkulutusmittauksia on esitetty seuraavassa taulukossa.

* * • * • · « . r - ------- — ------ — "V MCU:ntila ADC:n tila Anturin tila Radiotila_Teho (mW) .!!!: Datan vast.otto 46,06 ··· Datan Bhetys "** (Teho: 0 dBm)__ • * *·*·’ ... Aktiivinen Datan lähetys

Aktiivinen „ , n 21,15

Aktiivinen (Teho:-20 dBm) ·· — 1 — : **· Datan lataus__3,74 ··* — _ 2,43 : 2,41 : - Lepo - nrr 0ff 1’1

Lepo ___ 0,019 • · · ♦ · # • #

Pienin tehonkulutus on 19 järjestelmän ollessa lepotilassa, kun taas suurin on 46,06 mW kaikkien osien ollessa aktiivisia ja lähetinvastaanottimen ollessa vas 35 1 1 8 2 91 taanottotilassa. MCU:n tehonkulutus on 1,33 mW kellotaajuudella 1,8 MHz. Radio-lähetinvastaanotin kuluttaa 33-kertaisesti tehoa MCU:hun verrattuna. Datan vastaanotto vaatii lähes kaksi kertaa enemmän tehoa kuin lähetys. Langattomissa an-turiverkoissa lepotilan ja vastaanottotilan tehonkulutukset ovat tärkeimmät.

5 Kuvassa 12 on esitetty eräs esimerkinomainen ohjelmistoarkkitehtuuri edellä kuvassa 11 kuvatulle solmulle. Käyttöjärjestelmän peruspalveluihin 1201 kuuluvat mm. yleistä solmunhallintaa suorittava tilakone 1202, jonka toimintaa ajoittaa ajastin 1203. Solmunhallinnan tilakone 1202 suorittaa MAC-funktiokutsuja, joita on kuvattu nuolilla. Kehyskoonti 1204, jono 1205 ja radio-ohjain 1206 (sisältäen kehys-10 lähetys- 1207 ja kehysvastaanottotoiminnot 1208) liittyvät data- ja ohjausliikentee-seen. Kuvassa oikealla puolella esitettyjä hallintatoimintoja suoritetaan tarvittaessa, ja niihin sisältyvät etäisyyden arviointi 1209, klusteriskannaus 1210, klusterias-sosiointi ja assosioinnin purku 1211, aikavälin osoitus 1212 ja solmun tehonhallin-ta 1213. AD-muuntimen ohjain 1214 ohjaa anturin näyttelystä ja muodostaa osan 15 anturisovellus- ja reititystehtävistä 1215, jotka protokollapinossa kuuluvat sovellus-kerrokseen. Ohjelmisto voidaan kehittää millä tahansa käytettävissä olevalla kehi-tystyökalulla, esimerkiksi RIDE:llä (Raisonance Integrated Development Environment). Mainitulla työkalulla ja A c816-gcc (ver. 2.8.0) -kääntäjällä optimointitasolla 1 kehitetyllä esimerkkiohjelmalla toteutettiin 14 kB:n kokoinen pääsolmun MAC-20 toteutus, joka vaatii 137 tavua datamuistia. Ohjelman alisolmuversio vaatii 13 kB ohjelmamuistia ja 109 tavua datamuistia. Datamuistivaatimukset eivät sisällä ke- • V hysjonoja.

• » • « ♦

:‘V TEHONKULUTUS JA SUORITUSKYKY

• · · • · · • · *

Keksintöön johtaneessa tutkimustyössä estimoitiin tehonkulutus viiden solmun /l· 25 verkossa, jossa kaksi alisolmua (alisolmu 1, alisolmu 2) on assosioitu pääsolmuun ·*'*: 1. Pääsolmu 1 vastaanottaa datakehyksiä molemmilta alisolmuilta. Vastaanotetut datakehykset liitetään yhteen yhdeksi datakehykseksi, joka reititetään pääsolmulle 3 pääsolmun 2 kautta. Datakehykset lähetetään varattavissa aikaväleissä. Esti- • »» moinnissa ovat mukana alisolmu 1, pääsolmu 1 ja pääsolmu 2. Mukana eivät ole • · '!* 30 klusteriassosiointi-ja aikavälinvarausproseduurit.

• ♦ • * « • · · • *· » .··*. Koska klusterien välinen tietoliikenne tapahtuu klusterin joutoaikana, alle 1 sekun- • · *" nin mittaiset saantisyklipituudet eivät tule kyseeseen. Suurimmaksi saantisyklin pituudeksi on asetettu 10 s. Verkko-beacon-jakso on kiinteästi 250 ms. Saantisyk- «

Iin aikana alisolmu 1 vastaanottaa kaksi klusteri-beaconia ja lähettää datakehyk- 1 sen ja valinnaisesti vastaanottaa kuittauksen pääsolmulta 1. Pääsolmut lähettävät i 36 1 1 8 2 91 verkko- ja klusteri-beaconeja, vastaanottavat ALOHA-aikavälejä ja allokoituja varattavia aikavälejä, sekä välittävät dataa naapuripääsolmulle. Kullekin datakehyk-selle käytetään kuittauksia.

Estimoidussa tehonkulutuksessa alisolmulla 1 oli pienin tehonkulutus. Pisintä 10 5 sekunnin saantisykliä käyttäen alisolmu 1 kuluttaa 31 μ\Λ/ kuittauksin ja 27 μ\Ν ilman kuittauksia, kun taas pääsolmu 1 ja pääsolmu 2 kuluttavat 171 /vW ja 166 μ\Ν.

Lyhintä 1 sekunnin saantisykliä käyttäen alisolmun 1 tehonkulutus kasvaa 140 jt/W:iin kuittausten kanssa ja 103 /yW:iin ilman kuittauksia. Samalla pääsolmun 1 ja pääsolmun 2 tehonkulutukset ovat 574 μ\Ν ja 526 //W.

10 Vertailuksi mainittakoon, että alisolmun 1 prototyypistä mitattu todellinen tehonkulutus on 36 μ\Ν - 134 μ\Ν kuittauksilla ja 22 μ\Ν - 97 μ\Λ/ ilman kuittauksia. Pääsolmun 1 tehonkulutus on 312/yW - 850 μ\Ν, ja pääsolmun 2 tehonkulutus 283 //W - 855 μ\Ν. Pääsolmujen tehonkulutukset ovat estimoituja suurempia. Syynä tähän on mallia suurempi MCU:n ja vastaanottimen aktiviteetti, joka johtuu mel-15 ko monimutkaisesta ajoituksen hallinnasta ja tahdistuksen epätarkkuudesta. Näitä ei voida tarkkaan mallintaa estimoinneissa. Alisolmun 1 tehonkulutuksen estimaa-tio on kuitenkin tarkka. Saantisyklin pituuden kasvaessa alisolmu 1 lähestyy nopeasti lepotilan tehonkulutusta.

Kahden solmun välistä suoritustehoa on analysoitu saantisyklipituuden funktiona, ... 20 kun käytettyjen varattavissa olevien aikavälien määrää kasvatetaan 1:stä 8:aan.

♦ * · ; Paras suoritusteho saavutetaan käyttämällä lyhintä 1 sekunnin saantisyklipituutta.

i- i Kun kukin datakehys kuljettaa 132 bittiä käyttäjädataa, maksimisuoritusteho 8 va- rattavalla aikavälillä on 1056 bit/s. Alassuunnan aikavälien vuoksi suoritusteho on symmetrinen molempiin suuntiin, jolloin suurin kokonaissuoritusteho on 2112 bit/s.

t ml· 25 Suoritusteho alisolmulta pääsolmulle vaihtelee välillä 13,2 bit/s - 132 bit/s saanti- :***: syklin pituuden pienentyessä 10 sekunnista 1 sekuntiin ja kun sallitaan vain yksi * * * varattava aikaväli. On huomattava, että vastoin eräitä aiempia oletuksia ei ole vii- :·. sasta lähettää dataa pienellä bittinopeudella, mikäli tarkoituksena on säästää • ·· ]···, energiaa. Päinvastoin lähetykset - erityisesti beacon-lähetykset, jotka on tarkoitet- • · 1 2 3 4 5 6 tu vastaanotettavaksi suurelle määrälle vastaanottajasolmuja - tulisi tehdä suh- 2 • * 3 · teellisen suurella siirtonopeudella (kuten 1 Mbit/s), jotta aika, jonka vastaanottavi- 4 en solmujen vastaanottimien on oltava päällä, voidaan pitää mahdollisimman lyhy-·’· enä.

* t · w','-4· • · · 5

Keskimääräinen protokollaviive datakehyksen siirtämiseksi kahden solmun välillä 6 on noin puolet saantisyklin pituudesta, kun tarjottu suoritusteho on vähemmän kuin 37 1 1 8291 estimoitu MAC-protokollan suoritusteho. Tässä tapauksessa MAC-protokollajonot tyhjennetään kussakin ylikehyksessä.

Estimointi voidaan laajentaa suurempaan neliklusteriseen verkkoon, jossa kullakin klusterilla on seitsemän assosioitua alisolmua. Dataa siirretään klusterien välillä 5 nielulle käyttäen kolmea varattavaa data-aikaväliä klusteria kohti. Viisi alisolmua kussakin klusterissa käyttää varattavia aikavälejä, kun taas loput kaksi alisolmua klusterissa siirtävät kehyksiä ALOHA-aikaväleissä. Kullekin datakehykselle käytetään kuittauksia. Verkko-beacon-jakso on 250 ms. Yksinkertaisuuden vuoksi estimoinnissa ei ole otettu huomioon törmäyksiä ja kehysvirheitä. Alisolmujen ja pää-10 solmujen tehonkulutus on estimoitu saavutettujen suoritustehojen funktiona.

Yksisuuntaiset suoritustehot on määritetty alisolmulta pääsolmulle ja pääsolmujen välillä. Maksimisuoritustehot alisolmulle ja pääsolmulle ovat 132 bit/s ja 396 bit/s tehonkulutuksen ollessa vastaavasti 140 //W ja 977 μ\Ν.

Jos oletetaan, että alisolmu saa 16-bittisiä näytteitä 1 Hz näytetaajuudella, tarvi-15 taan alisolmulta pääsolmulle 16 bit/s suoritusteho. Prototyypeiltä mitattujen tulosten perusteella tämä johtaa 8,2 sekunnin saantisyklipituuteen ja alisolmun 34 μ\Λ/:η tehonkulutukseen vaadittavaa suoritustehoa varten. Pääsolmun tehonkulutus samaa saantisyklin pituutta käyttäen on 230 ji/W saavutettaessa 48 bit/s suoritusteho datasiirtoon. Näin ollen keskimääräinen tehonkulutus solmua kohti on 59 //W.

. 20 Alisolmujen suuren määrän vuoksi pääsolmuissa tulisi soveltaa datan aggregoin- « « · j ;* tia. Jos vaadittava viive hyppyä kohti on 2 s, saantisyklin pituus lyhenee 4 sekun- ··: ' tiin. Tämä johtaa 33 bit/s maksimisuoritustehoon ja 50 μ\Λ/:η tehonkulutukseen alisolmuilla. Pääsolmun suoritusteho ja tehonkulutus ovat 99 bit/s ja 340 //W. Kes-kimääräinen tehonkulutus solmua kohti kasvaa 86μ\Λ/:ϋη. Tämä energia voidaan 25 saada 1 cm3:n kokoisesta litium-akusta, joka kestää hieman yli vuoden.

• · * • * • ·

Energia voidaan myös hankkia esimerkiksi 5,5-celsiusasteeen suuruisesta lämpö- „ tilaerosta 1 cm2:n kokoisella termosähköisellä generaattorilla tai pienkoneiden, esim. mikroaaltouunin kotelon, tärinästä käyttäen 1 cm.n kokoista pietsosähköistä generaattoria. Alisolmun todettu tehonkulutus on kaiken kaikkiaan niinkin vähäinen • 30 kuin 27 μ\Λ/ käytettäessä 10 s saantisyklipituutta ilman kuittauksia. Tämä antaa ··« « .·**. noin 5 s siirtoviiveen ja 13,2 bit/s suoritustehon alisolmulta pääsolmulle, mikä täyt- /* tää useimpien langattomien anturiverkkosovellusten vaatimukset. Suurin koko- *·'·: naissuoritusteho kahteen suuntaan käyttäen varattavia aikavälejä on 264 bit/s alisolmun ja pääsolmun välillä ja 792 bit/s pääsolmujen välillä.

38 1 1 8 2 91

PÄÄSOLMUVASTUUN KIERRÄTYS

Pääsolmuna toimiminen kuluttaa huomattavasti enemmän energiaa kuin alisolmu-na toimiminen. Toisaalta sillä, kuinka paljon alisolmuja on keskimäärin pääsolmua kohti, on vaikutusta beacon-lähetysten optimaaliseen lähetystiheyteen: mitä enem-5 män alisolmuja keskimäärin, sitä tiheämmin tulisi beacon-lähetykset tehdä (vrt. ns kaavassa 8). Näin ollen, vaikka ensi katsannolta olisi järkevää pitää pääsolmujen määrä keksinnön suoritusmuodon mukaisessa langattomassa anturiverkossa ehdottomassa minimissään, pääsolmua kohti olevan alisolmujen keskimääräisen luvun kasvattaminen voi johtaa tilanteeseen, jossa ennalta määrätty beacon-10 lähetysten tiheys ei enää olekaan optimaalinen. Lisäksi, jos jokin pääsolmuista vikaantuu sellaisessa verkossa, varareittien puuttuminen klusterien välisessä tietoliikenteessä aiheuttaa suhteellisen paljon verkkoskannausta useilla solmuilla ennen kuin täydellinen yleistettävyys on taas saavutettu.

Alaraja pääsolmujen määrälle saavutetaan joko silloin, kun etäisyys naapuripää-15 solmujen välillä kasvaa liian suureksi johtaen epäluotettavaan klusterien väliseen tietoliikenteeseen; edellä mainittujen 2,4 GHz NordicVLSI nRF2401 -lähetinvas-taanottimien tapauksessa tämä tarkoittaa noin kymmentä metriä sisätiloissa; tai silloin kun pääsolmut eivät enää kykene odotettuun suoritustehoon alisolmuilta nieluille, vaikka ne harjoittaisivat datan aggregointia lähetyksessä.

.. , 20 On olemassa kaksi perusperiaatetta. Ensiksi, beacon-lähetystiheys voidaan tehdä I · * j ;* klusterikohtaiseksi niin, että kukin pääsolmu itse päättää dynaamisesti omasta i beacon-lähetystiheydestään sen perusteella, kuinka monta alisolmua on kulloinkin :.i.: assosioituna siihen. Mikäli tehdään näin, niin - ajatellen pelkästään energian kulu- *“’· tusta - on viisasta jopa ohjelmoida kukin FFD siten, että se ei toimi pääsolmuna, /l· 25 jos se vain voi välttää sitä. Ei kuitenkaan ole suositeltavaa antaa minkään pääsol- :***: mun vähentää beacon-lähetystiheyttään alle nimellisarvon, joka määrittää nimelli- ··♦ sen beacon-jakson, jonka pituuden tulisi olla riittävä vähintään yhden verkko- :*. beacon-signaalin vastaanottamiseksi miltä tahansa pääsolmulta, joka on riittävän • · · lähellä, jotta sen verkko-beaconit ovat vastaanotettavissa. Verkon tiheät osat (> 1 • · _ *Γ 30 solmu / mz) voivat hyötyä suuresti siitä, että beacon-tiheys on taajempi kuin mainit-• · : tu nimellisarvo, koska saavutetut kokonaissäästöt tarvittavassa verkkoskan- '·]”'· nausenergiassa ovat paljon suuremmat kuin beacon-lähetyksiin käytetty lisäener- .·!·, gia. Yläraja beacon-tiheydelle saavutetaan, kun eri pääsolmuilta lähtevien verkko- • a a beacon-signaalien törmäykset tulevat liian yleisiksi.

• a 39 1 1 8 2 91

Toinen vaihtoehto on päättää etukäteen jokin alisolmujen nimellismäärä, joka kullakin pääsolmulla pitäisi olla klusterissaan, ja asettaa beacon-lähetysten tiheys mainitun alisolmujen nimellismäärän mukaisesti. Jos tässä toisessa vaihtoehdossa uusi FFD lukee naapuripääsolmujen beacon-lähetysten ilmaisemat kuormitustiedot 5 ja huomaa, että niillä kaikilla on ilmeisesti jo täysi nimellismäärä alisolmuja, se aikaa toimia uutena pääsolmuna sen sijaan, että tunkisi itsensä uudeksi alisolmuksi johonkin olemassa olevista klustereista. Vaikka pääsolmuilla ei olisikaan lupaa vaihtaa beacon-tiheyttä omasta aloitteestaan, on mahdollista määritellä beacon-tiheys verkkoparametriksi, jota komentava pääsolmu voi vaihtaa yleislähettämällä 10 vastaavan vaihtokomennon koko verkkoon.

Pääsolmun ei ole pakko pysyä tehtävässään, jos pääsolmutoiminnan vaatima energiankulutus uhkaa tyhjentää sen energiavarastot alle jonkin ennalta määrätyn rajan tai jos energiankulutustahti ylittää vastaavan energiantäydennystahdin jonkin ennalta määrätyn ajan. Sellainen solmulaite voi yksinkertaisesti kieltäytyä toimi-15 masta enää pääsolmuna, ja ilmoittaa lopettamisensa siten, ettei enää lähetä bea-con-signaaleja. Muut solmut sen lähellä huomaavat, että aiempi klusteri ei enää ole toiminnassa, ja alkavat etsiä korvaavia yhteyksiä. Lopulta jokin FFD, joka aiemmin toimi alisolmuna, huomaa että se voi vastaanottaa beacon-lähetyksiä vain suurimmalla tehotasolla, mikä merkitsee, että se on suhteellisen etäällä kaikista 20 olemassa olevista pääsolmuista, ja päättää ryhtyä pääsolmuksi (edullisimmin se on ohjelmoitu olemaan tekemättä niin tai ainakin viivyttämään sen tekemistä mah-j\*: dollisimman kauan, mikäli sen omat energiavarat näyttävät olevan alhaisella tasol- : la). Se ilmoittaa päätöksestään lähettämällä klusteri-beaconeja, minkä jälkeen se ; odottaa muiden lähistöllä olevien solmujen lähettävän assosiointikehyksensä. Ai- • · · 25 empi alisolmu voi myös päättää ryhtyä pääsolmuksi, jos se huomaa klusteri-beacon-lähetyksistä, että sen aiemman klusterin kuormitus on kasvanut liian suu- «»•I i ... reksi.

· * · • · ·

Jos käy niin, että kaksi FFD:tä päättävät täsmälleen samanaikaisesti ryhtyä uusiksi pääsolmuiksi, niiden beacon-lähetteet törmäävät. Verkkokanavan sisältäessä vain 30 verkko-beacon-signaaleja, jotka ovat hyvin lyhyitä (2 x 256 mikrosekuntia) ehdote-

«•I

. \ tussa beacon-lähetysjärjestelyssä, törmäyksen todennäköisyys on pieni. Jos kui- tenkin halutaan pienentää sitä entisestään, voidaan hyödyntää solmujen deter- • · *·;·* minististä käyttäytymistä: päätös pääsolmuksi ryhtymisestä tehdään tiettyjen kri- :V: teerien täytyttyä, mikä - koskien ulkoisten tekijöiden vaikutusta - tapahtuu tietyllä 35 yhteisellä ajanhetkellä. Voidaan määritellä, että mainittujen kriteerien täyttymishet-ken jälkeen kukin aiempi alisolmu odottaa viiveen ajan, jonka viiveen pituus joko 40 1 1 8 2 91 valitaan satunnaisesti tai lasketaan algoritmilla, joka ottaa huomioon solmun energian (mitä enemmän energiaa, sitä lyhyempi viive), solmun tuntemat jäljellä olevat pääsolmut (mitä vähemmän tunnettuja pääsolmuja jäljellä, sitä lyhyempi viive; kuitenkin edellyttäen, että vähintään yksi jäljellä oleva pääsolmu kuullaan, jotta yh-5 teydet voidaan säilyttää) ja/tai solmun liikkuvuuden (jos solmu tietää olevansa erittäin liikkuva, se käyttää pitempää viivettä). Tällä tavoin on erittäin todennäköistä, että uusi pääsolmu on optimaalinen valinta mitä tulee energiavaatimuksiin samoin kuin verkon skaalaukseen ja topologiaan.

RUUHKAUTUMINEN JA SKAALATTAVAUUS

10 Vaikka eri taajuuskanavia olisi valittavana useita, voi suurissa verkoissa käydä niin, että uusi klusteri ei vain pysty löytämään enää vapaata taajuutta. Silloin se voi ottaa taajuuskanavan, jolla se arvioi olevan vähiten olemassa olevaa liikennettä. Saantisyklien pitkä joutojakso yhdessä sen seikan kanssa, että verkko-beacon-sig-naalit lähetetään erillisellä taajuudella, merkitsee että yhdelle taajuudelle voi hyvin 15 mahtua useampi kuin yksi klusteri, kunhan uudempi pääsolmu valitsee ylikehys-jakson siten, että se ei osu päällekkäin aiempien pääsolmujen ylikehysjaksojen kanssa.

Vastoin yleistä uskomusta TDMA:n käyttö tietoliikennekapasiteetin jakamiseksi ei estä verkkoratkaisun skaalattavuutta. Verkolla on klusteritopologia, jossa TDMA:ta 20 käytetään klusterien sisällä (klusterin sisäinen tietoliikenne). Skaalattavuus kluste- • · · j ·* rien sisällä ei ole ongelma, koska kaikki klusterin jäsenet (alisolmut) ovat klusterin : johtajan (pääsolmun) kuuluvuusalueella. Pääsolmu myös kontrolloi siihen assosi- oitujen alisolmujen määrää. Lisäksi ALOHA-aikavälit mahdollistavat sen, että suuri *“*: määrä matalan aktiviteetin alisolmuja voi kommunikoida pääsolmun kanssa tarvit- *:· 25 taessa.

* * * * • · · • · *"*' Klusterien välisen tietoliikenteen osalta skaalattavuusongelma ratkaistaan hajaut tamalla TDMA-ohjaus verkossa. Verkonlaajuisia TDMA-aikatauluja vältetään.

i Pääsolmu, joka haluaa kommunikoida toisen pääsolmun kanssa, assosioituu naa- • · · puriklusteriin samalla tavoin kuin siellä toimivat alisolmut.

• «

*·ϊ i 30 DATALATENSSIN MINIMOINTI YHDESSÄ SUUNNASSA

• · · * 9 • · * · ·

Jos kukin pääsolmu aloittaa saantisyklin klusterissaan mielivaltaisella ajanhetkellä, ’ saantisyklien aloitushetket (ja siten mm. klusteri-beaconien lähetyshetket) jakautu vat ajallisesti tasaisesti. Tällä on etunsa: esimerkiksi lähetysajan käytön hajottaminen auttaa välttämään törmäyksiä ja vähentämään lähellä sijaitsevien muiden 41 1 1 8291 elektronisten laitteiden kokemia häiriöitä. Siitä on kuitenkin myös se seuraus, että klusterien välisten hyppyjen välinen keskimääräinen viive on oleellisesti puolet saantisyklin pituudesta. Jos langaton anturiverkko on laaja ja saantisykli pitkä (esim. 10 sekuntia), aiheutuva kokonaisviive datan muodostuksesta alisolmulla 5 siihen, kun mainittu data on käytettävissä nielusolmulla, voi muodostua epäkäytännöllisen pitkäksi. Tämä viive, joka on seurausta siitä, että jokaisen dataa välittävän solmun täytyy vain odottaa seuraavaa sopivaa lähetyshetkeä, tunnetaan yleisesti latenssina.

Datalatenssin minimointiin on käytettävissä yksinkertainen mutta tehokas keino, 10 jota on esitetty kuvissa 13 ja 14. Kuva 13 on yksinkertaistettu kaavio verkkotopologiasta ilman alisolmuja. Oletetaan että ensimmäisen pääsolmun 1301 klusterissa oleva alisolmu muodostaa dataa, joka pitäisi reitittää toisen ja kolmannen pääsolmun 1302 ja 1303 kautta nielusolmulle 1304. Oletetaan lisäksi, että on suoritettu reititysprotokolla, jonka tuloksena ensimmäinen, toinen ja kolmas pääsolmu 1301, 15 1302 ja 1303 ovat tallentaneet asianomaisen seuraavan hypyn tietueen datan rei tittämiseksi kohti nielusolmua 1304. Nielusolmujen suhteellisen pieni määrä tyypillisessä langattomassa anturiverkossa varmistaa, että suurimmassa osassa pää-solmuja reititystaulukossa on vain yksi tieto seuraavalle hypylle kohti nielusolmua.

Kuvan 14 mukaisesti kukin pääsolmu on ajoittanut saantisyklinsä siten, että sen 20 oma ylikehys, esitetty kuvassa valkoisena lohkona, esiintyy välittömästi ennen sen toisen pääsolmun ylikehystä, joka reititystaulukossa edustaa seuraavaa hyppyä * · | kohti nielusolmua 1304. Lähetinvastaanottimen aktiviteetti ei kuulu pääsolmun • ♦ · "Y omaan ylikehykseen vaan liittyy kommunikointiin naapurisolmun kanssa, mitä on * · · kuvattu ohuiden viivoitettujen lohkojen avulla. Mikäli ensimmäinen pääsolmu 1301 25 on saanut jotain dataa alisolmulta kuvassa ensimmäisenä esiintyvän ylikehyksen aikavälissä, se voi vastaanottaa klusteri-beaconin 1401 toiselta pääsolmulta 1302 t · välittömästi sen jälkeen, samoin kuin lähettää datan eteenpäin ja vastaanottaa kuittauksen vaiheessa 1402 yhä saman, toisen pääsolmun 1302 ylikehyksen aika- na. Sama klusteri-beaconin vastaanoton ja datan edelleenlähetyksen ja kuittauk- ·’**; 30 sen nopea toisiaan seuraaminen toistuu vaiheissa 1411 ja 1412, sekä 1421 ja • · · . *. 1422. Samanlainen datan edelleenlähetysketju toistetaan vaiheissa 1403, 1404, *·* = 1413, 1414, 1423 ja 1424.

• * • * • » ·

Hyppyviive th on vakio ja on yhtä suuri kuin ylikehyksen pituus. Kokonaisdatala- * t » tenssi alisolmulta nielusolmulle on yhtä kuin ylikehyksen pituus kertaa tarvittavien 35 klusterienvälisten hyppyjen määrä vähennettynä yhdellä plus se yksi vajaa ylikehyksen pituus, jonka kesti ennen kuin ensimmäinen pääsolmu pystyi aloittamaan 42 1 1 8291 datan edelleenlähettämisen. Aiemmin mainittiin esimerkinomaisesti ylikehyksen pituus 260 millisekuntia, joka on paljon hyväksyttävämpi klusterien välisen datala-tenssin arvo kuin keskimäärin puolet 10 sekunnin saantisyklistä. Nopeilla lähetin-vastaanottimilla, jotka kykenevät 1 Mbit/s siirtonopeuteeen, on aivan mahdollista 5 lyhentää aikavälin pituutta esimerkiksi yhteen millisekuntiin, mikä edelleen vähentäisi datalatenssia dekadilla.

Rajoituksena on mainittava, että edellä kuvattu latenssin pienentäminen onnistuu hyvin vain yhteen siirtosuuntaan. Päinvastaisessa suunnassa se pikemminkin maksimoi datalatenssin klusterienvälisen vakioviiveen ollessa lähes yksi kokonai-10 nen saantisyklin pituus. Jos monitiereititystä tuetaan, kunkin dataa välittävän solmun on joko valittava reititystaulukosta ensisijainen seuraava hyppy, johon viittaamalla se optimoi saantisykliajoituksensa, tai valittava joukko ensisijaisia seuraavia hyppyjä ja ajoitettava saantisyklinsä siten, että datan välittäminen mille tahansa vastaavista naapuripääsolmuista tapahtuu mahdollisimman lyhyen viiveen jälkeen 15 ottaen huomioon niiden erilaiset saantisyklien aikataulut.

Saantisyklien ajoituksen säätö tehdään tyylikkäimmin siten, että kun pääsolmu haluaa muuttaa saantisyklinsä aloitushetkeä, se ilmoittaa yhdessä klusteri-beaconis-sa normaalia lyhyemmän tai pitemmän saantisyklipituuden, joka pätee vain yhden (tai muutaman) saantisyklin ajan, minkä jälkeen ajoitus on oikea ja voidaan palata 20 normaaliin saantisyklin pituuteen. Välittömästi seuraavan saantisyklin poikkeuksel-lisen varhainen tai myöhäinen aloitus täytyy luonnollisesti myös ottaa huomioon : asetettaessa arvoja mahdollisten väliin tulevien verkko-beacon-signaalien "aika • · · seuraavaan klusteri-beaconiin" -kenttiin.

• · 1 tl • · · • 1 · · · • · • · ·

• IM

··1 • · • · *··.

• · ♦ · • ·· ♦ ·1 • · • · • 1 · .

• 1 • 1 · : ‘ • · · « » · • · • · • · • · · ♦ · · • · · · · φ • ·

Claims (49)

1. Langaton anturiverkko (100), johon kuuluu - ensimmäinen pääsolmu (101) -ensimmäinen alisolmu (102), joka on järjestetty kommunikoimaan ensimmäisen 5 pääsolmun (101) kanssa, jolloin ensimmäisestä pääsolmusta (101) ja ensimmäisestä alisolmusta (102) tulee ensimmäisen klusterin (103) jäseniä - toinen pääsolmu (111) ja -toinen alisolmu (112), joka on järjestetty kommunikoimaan toisen pääsolmun (111) kanssa, jolloin toisesta pääsolmusta (111) ja toisesta alisolmusta (112) tulee 10 toisen klusterin jäseniä; tunnettu siitä, että -ensimmäinen pääsolmu (101) on järjestetty valitsemaan ensimmäinen taajuus käytettäväksi langattomassa tietoliikenteessä ensimmäisen klusterin (103) sisällä -ensimmäinen alisolmu (102) on järjestetty kommunikoimaan ensimmäisen pää-15 solmun (101) kanssa mainitulla ensimmäisellä taajuudella käyttäen aikaväleihin perustuvaa kanavapääsyjärjestelyä sen mahdollistamiseksi, että myös muut solmut voivat kommunikoida ensimmäisen pääsolmun (101) kanssa mainitulla ensimmäisellä taajuudella -toinen pääsolmu (111) on järjestetty saamaan selville ensimmäisen pääsolmun 20 (101) valitsema ensimmäinen taajuus ja valitsemaan toinen, mainitusta ensimmäi sestä taajuudesta poikkeava taajuus käytettäväksi langattomassa tietoliikenteessä :*·*: toisen klusterin sisällä • · • -toinen alisolmu (112) on järjestetty kommunikoimaan toisen pääsolmun (111) « « · · . .·, kanssa mainitulla toisella taajuudella käyttäen aikaväleihin perustuvaa kanava- 25 pääsyjärjestelyä sen mahdollistamiseksi, että myös muut solmut voivat kommuni- ... koida toisen pääsolmun (111) kanssa mainitulla toisella taajuudella * "" -tiedon siirtämiseksi ensimmäisestä klusterista (103) toiseen klusteriin ensimmäi- ***·' nen pääsolmu (101) on järjestetty saamaan selville toisen pääsolmun (111) valit sema toinen taajuus ja kommunikoimaan toisen pääsolmun (111) kanssa mainitul- : ’·* 30 la toisella taajuudella käyttäen samaa aikaväleihin perustuvaa kanavapääsyjärjes- »«« telyä kuin mainittu toinen alisolmu (112), ja j -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on lisäksi järjestetty tois- tuvasti lähettämään verkko-beacon-signaaleja (331, 332) kolmannella taajuudella, * · *" joka on eri suuri kuin mainittu ensimmäinen taajuus ja mainittu toinen taajuus. • · · • · · • · ··«· • * 44 1 1 8291

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että: - mainituissa ensimmäisessä ja toisessa klusterissa käytettäviin aikaväleihin perustuviin kanavapääsyjärjestelyihin kuuluu kussakin klusterissa toistuvasti esiintyviä saantisyklejä (301), jotka koostuvat ylikehyksestä (302) tiedonsiirtoa varten ja 5 lepojaksosta (303) -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettämään active network beacon -signaaleja (331) - joita kutakin seuraa välittömästi ylikehys (302) - sekä idle network beacon -signaaleja (332), jotka jälkimmäiset lähetetään mainitun lepojakson (303) aikana ja jotka ilmoittavat jäljellä olevan le-10 poajan ennen seuraavaa ylikehystä (302).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettämään klusteri-beacon-signaalia (321, 322) kussakin ylikehyksessä (302), joka klusteri-beacon-signaali (321, 322) lähetetään taajuudella, jonka pääsolmu on valinnut 15 käytettäväksi pääsolmun klusterin sisäisessä langattomassa tietoliikenteessä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että ensimmäinen alisolmu (102) ja toinen alisolmu (112) on järjestetty tekemään kilpailuun perustuvia lähetyksiä klusterinsa pääsolmulle ylikehyksen (302) kilpaillussa aikavälissä (312). ... 20

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että: • · · j -ensimmäinen alisolmu (102) ja toinen alisolmu (112) on järjestetty pyytämään *·: ί ylikehysten (302) varattavaa aikaväliä klusterinsa pääsolmulta ylikehyksen (302) kilpaillussa aikavälissä (312), ja - ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty pyytämään >#\:* 25 muilta pääsolmuilta ylikehysten (302) varattavaa aikaväliä tällaisen muun pääsol- mun klusterissa käytettävän aikaväleihin perustuvan kanavapääsyjärjestelyn ylike- »·· hyksen kilpaillussa aikavälissä (312).

• · • · : ” 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että: -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty myöntä- ; 30 mään varattava aikaväli (313) varattavaa aikaväliä pyytäneelle solmulle ja * * * .*··. -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettä- mään ylikehyksen klusteri-beacon-signaalissa (321, 322) varattavien aikavälien *·*.5 allokointitaulukko (845), jossa ilmoitetaan myönnetyt varattavat aikavälit siinä yli- » kehyksessä (302). 45 1 1 8291

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että: - ensimmäinen alisolmu (102) ja toinen alisolmu (112) on järjestetty suorittamaan ylössuunnan lähetyksiä ensimmäiselle pääsolmulle (101) ja toiselle pääsolmulle (111) asianomaisen pääsolmun ylikehysten (302) aikavälien (313) ylössuuntaisis-5 sa puoliskoissa (323) ja -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty suorittamaan alassuunnan lähetyksiä pääsolmun oman klusterin alisolmuille pääsolmun omien ylikehysten (302) aikavälien (313) alassuuntaisissa puoliskoissa (324) ja käyttämään mainittuja alassuunnan lähetyksiä kuittaamaan sellaisia edeltäviä 10 ylössuunnan lähetyksiä mainituilta alisolmuilta, jotka ovat sisältäneet kuittauspyyn-nön, ja -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty suorittamaan lähetyksiä muulle pääsolmulle mainitun muun pääsolmun ylikehysten (302) aikavälien (313) ylössuuntaisissa puoliskoissa (323).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty valitsemaan alassuunnan lähetyksen lähetysteho sen mukaisesti, mitä on indikoitu ylössuunnan lähetyksessä käytetystä lähetystehosta siinä ylössuunnan lähetyksessä, jonka alassuunnan lähetystä tekevä pääsolmu on viimeksi vastaanottanut solmulta, jolle 20 pääsolmu on osoittamassa alassuunnan lähetystä, kun mainittuun ylössuunnan lähetykseen sisältyi indikaatio käytetystä lähetystehosta.

• · · » · · • » • .·. 9. Patenttivaatimuksen 3 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että: • · · "V -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettä- **·, mään mainittuna klusteri-beacon-signaalina (321, 322) joukon peräkkäisiä klusteri- 25 beacon-kehyksiä (321,322) eri tehotasoilla ja * · · “·· -kukin klusteri-beacon-signaaleja (321, 322) vastaanottava solmu on järjestetty päättelemään tarvittava lähetystehotaso lähetyksille siihen solmuun, joka lähetti mainitut klusteri-beacon-signaalit (321, 322), sillä perusteella, mikä oli alin tehota-so, jolla beacon-kehys voitiin vastaanottaa onnistuneesti. • · · • · * ♦ *;* 30

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että • « : ensimmäinen alisolmu (102) ja toinen alisolmu (112) on järjestetty reagoimaan ti- lanteeseen, jossa se pystyi onnistuneesti vastaanottamaan pääsolmulta klusteri-.V, beacon-kehyksen vain suurimmalla tehotasolla, suorittamalla verkkoskannauksen • m · muiden pääsolmujen löytämiseksi. # · 46 1 18291

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että: -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettämään mainittuna verkko-beacon-signaalina (331, 332) joukon peräkkäisiä verkko-beacon-kehyksiä (341,342) eri tehotasoilla ja 5. kukin verkko-beacon-signaaleja vastaanottava solmu on järjestetty päättelemään tarvittava lähetystehotaso lähetyksille siihen solmuun, joka lähetti mainitut verkko-beacon-signaalit, sillä perusteella, mikä oli alin tehotaso, jolla beacon-kehys voitiin vastaanottaa onnistuneesti.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että 10 ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettämään verkko-beacon-signaaleja (331, 332) toistotiheydellä, joka on määritetty minimoimalla beacon-lähetysten keskimääräisen energiankulutuksen ja beacon-lähetysten vastaanottoa varten suoritetun verkkoskannauksen keskimääräisen energiankulutuksen summa.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettämään verkko-beacon-signaaleja toistotiheydellä P f 1 n λ ' f * - Lll __ , "s b AI E T T ’ V t V s(s) y • · · * · · [ \ missä Pnc = vastaanottotilassa olevan solmun tehonkulutus, • * · :*y 20 Eb = lähetyskehyksen lähettämiseen ensimmäisellä lähetysteho- tasolla käytettävän energian ja datakehyksen lähettämiseen toisella lähetystehotasolla, joka on alempi kuin mainittu en-.,*·* simmäinen lähetystehotaso, käytettävän energian summa Ts(h) - verkkoskannausväli pääsolmuille 25 TS(S) = verkkoskannausväli alisolmuille ja ns = alisolmujen määrä kutakin pääsolmua kohti.

• · · • · ··* 14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että: • -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettä- • * * * mään absoluuttista aikaa ilmaiseva täydellinen aikaleima (843) kussakin verkko- * · · .·. 30 beacon-signaalissa ja joukkoa absoluuttisen ajan vähiten merkitseviä bittejä ilmai- « · · *·*·* seva lyhyt aikaleima (847) klusteri-beacon-signaaleissa, joita lähetetään pääsol- : mun klusteritaajuudella, 47 1 1 8291 - kukin langattoman anturiverkon solmu on järjestetty lukemaan aikaleimoja vastaanotetuista beacon-signaaleista ja korjaamaan solmun sisäistä kelloa vastaamaan mainituissa aikaleimoissa ilmaistua aikareferenssiä.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että 5 ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty lähettämään aikatarkkuusindikaattori (844, 848) yhdessä aikaleiman kanssa, joka aikaleiman tarkkuus ilmaisee vähintään joko solmujen välisten hyppyjen määrän referenssiai-kalähteestä tai ajan, joka on kulunut siitä, kun mainitun aikaleiman lähettänyt solmu vastaanotti aikareferenssin.

16. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että -ensimmäinen pääsolmu (101) ja toinen pääsolmu (111) on järjestetty ilmoittamaan lähetetyssä beacon-signaalissa klustereidensa senhetkinen kuormitustilanne (837), ja - mainitun langattoman anturiverkon solmulaite on järjestetty assosioitumaan en-15 simmäisen (101) tai toisen (111) pääsolmun jonkin klusterin alisolmuksi tai tekemään itsestään uuden klusterin pääsolmun riippuen siitä, miten kuormitettuja ensimmäinen (101) ja toinen (111) pääsolmu ilmoittivat klusteriensa olevan.

17. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että vähintään joko ensimmäinen (101) tai toinen (111) pääsolmu on nielusolmu (104), .. . 20 joka on järjestetty keräämään tietoja muilta langattoman anturiverkon solmuilta ja • · · ; ·' toimimaan yhdyskäytävänä vähintään joko toiseen järjestelmään tai toiseen verk- i koon. • · · • * · ··«

18. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että .·, siinä on solmulaitteina (101, 102, 104, 111, 112) laitteita, jotka on järjestetty selek- 25 tiivisesti toimimaan joko pääsolmuina tai alisolmuina, ja laitteita, jotka on järjestetty '** toimimaan vain alisolmuina, jotka mainitut pelkästään alisolmuina toimimaan jär- .. jestetyt laitteet eivät kykene suorittamaan reitittämistä tai datan aggregointia. • * • ··

19. Patenttivaatimuksen 1 mukainen langaton anturiverkko, tunnettu siitä, että ♦ · · . siinä on solmulaitteina (101, 102, 104, 111, 112) yksinomaan laitteita, jotka on jär- 30 jestetty selektiivisesti toimimaan joko pääsolmuina tai alisolmuina. • · • · · .v.

20. Solmulaite (101, 102, 104, 111, 112, 1101) patenttivaatimuksen 1 mukaista • · · j \ langatonta anturiverkkoa varten, johon kuuluu: • · 48 11 8291 - langaton lähetinvastaanotin (1151), joka on järjestetty vaihtamaan tietoja muiden solmulaitteiden kanssa jollakin tietoliikennetaajuudella aikaväleihin perustuvan ka-navapääsyjärjestelyn mukaisesti, ja - ohjainyksikkö (1141), joka on järjestetty ohjaamaan langatonta lähetinvas-5 taanotinta (1151), tunnettu siitä, että ohjainyksikkö (1141) on järjestetty selektiivisesti virittämään langaton lähetinvastaanotin (1151) ensimmäiselle taajuudelle klusteri-beacon-signaalien (321, 322) vastaanottamiseksi klusterin pääsolmulta ja toiselle taajuudelle verkko-beacon-signaalien (331, 332) vastaanottamiseksi, ja ohjainyksikkö 10 (1141) on lisäksi järjestetty ilmaisemaan, mitkä osat moniosaisesta beacon-sig- naalista (321, 322, 331, 332) vastaanotettiin onnistuneesti, sekä johtamaan mainitun ilmaisun avulla estimaatti solmulaitteen ja mainitun beacon-signaalin lähettäneen laitteen välisestä etäisyydestä.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että ohjainyksik-15 kö (1141) on lisäksi järjestetty valitsemaan lähetystehotaso käytettäväksi solmu- laitteen lähetyksissä sen perusteella, mitkä osat moniosaisesta beacon-signaalista vastaanotettiin onnistuneesti.

22. Patenttivaatimuksen 20 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että siihen kuuluu: 20. tietoliikennealijärjestelmä (1105) - laskenta-alijärjestelmä (1104) • ,·, - anturialijärjestelmä (1103) ja "V - tehoalijärjestelmä (1102); ***. joista mainittuun anturialijärjestelmään (1103) kuuluu anturi (1131) ja analogia- tiu* 25 digitaalimuunnin (1132), mainittuun laskenta-alijärjestelmään (1104) kuuluu mikro- ···.* ohjainyksikkö (1141) ja haihtumaton muisti (1142), mainittuun tietoliikennealijärjes- « · · telmään (1105) kuuluu langaton lähetinvastaanotin (1151) ja antenni (1152), ja mainittuun tehoalijärjestelmään (1102) kuuluu energialähde (1121), regulaattori (1122) ja uudelleenladattava energiavarasto (1123). • * * • · • · “* 30

23. Patenttivaatimuksen 22 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että mainittu • a : energialähde (1121) on energiaa ympäristöstään hankkiva yksikkö ja mainittu :[**: energiavarasto (1123) on superkondensaattori. » • a

24. Patenttivaatimuksen 22 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että mainittu analogia-digitaalimuunnin (1132) kuuluu sisäisesti mainittuun mikro-ohjainyksik- 49 1 1 8291 köön (1141), joka lisäksi käsittää osia, jotka on järjestetty suorittamaan tietoliikenneprotokollia ja jotka kuuluvat mainittuun tietoliikennealijärjestelmään (1105).

25. Patenttivaatimuksen 20 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että suorittaakseen vähintään joko klusteriassosioinnin tai datan edelleenlähetyksen solmulaite 5 on järjestetty suorittamaan klusteriskannausta, johon kuuluu langattoman lähetin-vastaanottimen virittäminen kolmannelle taajuudelle, jota käytetään verkkosigna-lointitaajuutena, ja vähintään yhden, langattoman anturiverkon klusterin (103, 113) pääsolmun (101, 111) lähettämän verkko-beacon-signaalin (331, 332) vastaanottaminen.

26. Patenttivaatimuksen 25 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että toimiessaan pääsolmuna solmulaite on järjestetty pitämään langaton lähetinvastaanotin viritettynä mainitulle verkkosignalointitaajuudelle enintään verkko-beacon-välin (333) ajan vastaanottaakseen joukon verkko-beacon-signaaleja (331, 332) joukolta naa-puripääsolmuja.

27. Patenttivaatimuksen 25 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite on järjestetty reagoimaan tilanteeseen, jossa se voi onnistuneesti vastaanottaa vain ensimmäisen beacon-kehyksen, joka on lähetetty ensimmäisellä lähetysteho-tasolla, eikä toista beacon-kehystä, joka on lähetetty toisella, alemmalla lähetyste-hotasolla, alkamalla etsimään muita pääsolmuja kuin sen, jolta mainittua toista „ t 20 beacon-kehystä ei voitu onnistuneesti vastaanottaa. * t

« • « * · : :*: 28. Patenttivaatimuksen 27 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite • · · i • ·*· on järjestetty jatkamaan mainittua muiden pääsolmujen etsintää verkko-beacon- *·· välin (333) ajan ja, mikäli solmulaite ei kyennyt onnistuneesti vastaanottamaan beacon-kehyksiä mainituilta muilta pääsolmuilta mainitun verkko-beacon-välin ai- "V.t 25 kana, siirtymään lepotilaan tietyksi ajaksi ja sen jälkeen aloittamaan uusi muiden • · ** pääsolmujen etsintä.

29. Patenttivaatimuksen 25 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite :***· on järjestetty reagoimaan tilanteeseen, jossa se voi onnistuneesti vastaanottaa * · · . *, vain ensimmäisen beacon-kehyksen, joka on lähetetty ensimmäisellä lähetysteho- 30 tasolla, eikä toista beacon-kehystä, joka on lähetetty toisella, alemmalla lähetyste- • · *·;·* hotasolla, valitsemalla omiin langattomiin lähetyksiinsä korkeamman tehotason kuin tilanteessa, jossa se voi onnistuneesti vastaanottaa sekä mainitun ensimmäi- * · sen beacon-kehyksen, joka on lähetetty mainitulla ensimmäisellä lähetystehotasol- so 118291 la, että mainitun toisen beacon-kehyksen, joka on lähetetty mainitulla toisella, alemmalla lähetystehotasolla.

30, Patenttivaatimuksen 25 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite on järjestetty vaihtoehtoisesti assosioitumaan alisolmuksi olemassa olevaan klus- 5 teriin tai tekemään itsestään uuden klusterin pääsolmun riippuen siitä, miten kuormitettuja olemassa olevat klusterit näyttivät olevan sen perusteella, millaisia kuormitusilmoituksia solmulaite on vastaanottanut mainittujen olemassa olevien klusterien pääsolmulta.

31. Patenttivaatimuksen 20 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite 10 on järjestetty yrittämään vaihtoa alisolmusta pääsolmuksi langattomassa anturi- verkossa ennalta määrättyjen kriteerien täyttyessä ja, osana mainittua yritystä, odottamaan tietyn viiveen ajan ennen verkko-beacon-signaalin lähetystä, jonka viiveen pituus on kääntäen verrannollinen siihen energian määrään, joka on käytettävissä solmulaitteen toimintaan.

32. Patenttivaatimuksen 20 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite on järjestetty yrittämään vaihtoa alisolmusta pääsolmuksi langattomassa anturi- verkossa ennalta määrättyjen kriteerien täyttyessä ja, osana mainittua yritystä, odottamaan tietyn viiveen ajan ennen verkko-beacon-signaalin lähetystä, jonka viiveen pituus on suoraan verrannollinen vähintään yhteen seuraavista: olemassa ... 20 olevien pääsolmujen lukumäärä, verkko-beacon-lähetykset, joita solmulaite pystyy • · · | ;* vastaanottamaan, ja solmulaitteen tunnettu liikkuvuusaste.

• · · • · · ··· * : 33. Patenttivaatimuksen 20 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite ··· on järjestetty ylläpitämään reititystaulukossa tietoa, joka ilmaisee seuraavan hypyn solmun reitillä kohti nielusolmua. « «·«· • · « *...: 25

34. Patenttivaatimuksen 33 mukainen solmulaite, tunnettu siitä, että solmulaite on järjestetty toimimaan pääsolmuna langattomassa anturiverkossa, johon pää-j *·. solmuna toimimiseen kuuluu tietoliikenneylikehyksestä ja lepojaksosta koostuvan saantisyklin ajoituksen asettaminen, ja mainitulla nielusolmuun johtavalla reitillä . \m esiintyvän datalatenssin minimoimiseksi solmulaite on lisäksi järjestetty asetta ni.* 30 maan mainitun saantisyklin ajoitus siten, että mainittu tietoliikenneylikehys päättyy ‘‘I** välittömästi ennen mainitun seuraavan hypyn solmun saantisykliin kuuluvaa tieto- :V: liikenneylikehystä. ····· • · si 1 1 8291

35. Menetelmä tietoliikenteen järjestämiseksi langattomassa anturiverkossa, tunnettu siitä, että siinä: - valitaan ensimmäinen taajuus käytettäväksi langattomassa tietoliikenteessä ensimmäisen klusterin (103) pääsolmun ja alisolmujen välillä 5. siirretään tietoa mainitun ensimmäisen klusterin (103) solmujen välillä mainitulla ensimmäisellä taajuudella käyttäen aikaväleihin perustuvaa kanavapääsyjärjeste-lyä - ilmoitetaan toisen klusterin (113) pääsolmulle ensimmäiselle klusterille (103) valitusta ensimmäisestä taajuudesta ja valitaan mainitusta ensimmäisestä taajuudesta 10 poikkeava toinen taajuus käytettäväksi langattomassa tietoliikenteessä mainitun toisen klusterin (113) sisällä - siirretään tietoa mainitun toisen klusterin (113) solmujen välillä mainitulla toisella taajuudella käyttäen aikaväleihin perustuvaa kanavapääsyjärjestelyä - ilmoitetaan ensimmäisen klusterin (103) pääsolmulle toiselle klusterille (113) vali-15 tusta toisesta taajuudesta ja siirretään tietoa mainitun ensimmäisen klusterin (103) pääsolmulta mainitun toisen klusterin (113) pääsolmulle mainitulla toisella taajuudella käyttäen samaa aikaväleihin perustuvaa kanavapääsyjärjestelyä kuin muut solmut mainitussa toisessa klusterissa (113), ja - mainittujen ensimmäisen ja toisen klusterin pääsolmut toistuvasti lähettävät verk-20 ko-beacon-signaaleja (331, 332) kolmannella taajuudella, joka on eri kuin mainitut ensimmäinen taajuus ja toinen taajuus. j*\:

36. Patenttivaatimuksen 35 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä: : -järjestetään mainituissa ensimmäisessä ja toisessa klusterissa langattomia lähe- • · · · • tyksiä toistuvasti esiintyviin saantisykleihin (301), joihin kuuluu ylikehys (302) tieto- * · · 25 liikennettä varten ja lepojakso (303) - lähetetään ensimmäisen ja toisen klusterin pääsolmujen toimesta active network 'V.'.' beacon -signaaleja (331), joita kutakin seuraa välittömästi ylikehys (302, sekä idle **** network beacon -signaaleja (332), jotka jälkimmäiset lähetetään mainitun lepojak son (303) aikana ja ilmoittavat jäljellä olevan lepoajan ennen seuraavaa ylikehystä : *” 30 (302).

··* • · • · • · · . *. 37. Patenttivaatimuksen 36 mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että siinä en- * » · simmäisen ja toisen klusterin pääsolmut lähettävät jokaisessa ylikehyksessä (302) *···’ klusteri-beacon-signaalin (321, 322) taajuudella, jonka pääsolmu on valinnut käy- : V: tettäväksi langattomassa tietoliikenteessä pääsolmun klusterin sisällä. • · · · 4 • · 52 1 1 8291

38. Patenttivaatimuksen 36 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä tehdään kilpailuun perustuvia lähetyksiä klusterien pääsolmuille ylikehysten (302) kilpailluissa aikaväleissä (312).

39. Patenttivaatimuksen 38 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä: 5. alisolmut tekevät pyyntöjä klusteriensa pääsolmuille ylikehysten (302) varattavia aikavälejä varten ylikehysten kilpailluissa aikaväleissä (312) ja - pääsolmut tekevät pyyntöjä muille pääsolmuille ylikehysten (302) varattavia aikavälejä varten tällaisten muiden pääsolmujen klustereissa käytettävän aikaväleihin perustuvan kanavapääsyjärjestelyn ylikehyksen kilpailluissa aikaväleissä (312).

40. Patenttivaatimuksen 39 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä: - pääsolmut myöntävät varattavia aikavälejä (313) solmuille, jotka ovat pyytäneet varattavaa aikaväliä ja -pääsolmut lähettävät ylikehysten (302) klusteri-beacon-signaaleissa (321, 322) varattavien aikavälien allokointitaulukon (845), jossa ilmaistaan myönnetyt varatta-15 vat aikavälit kyseisessä ylikehyksessä (302).

41. Patenttivaatimuksen 40 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitussa varattavien aikavälien myöntämisessä annetaan etusija muille pääsolmuille ennen alisolmuja.

42. Patenttivaatimuksen 36 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä: • V 20 - lähetetään klusteri-beacon-signaaleina (321, 322) joukko peräkkäisiä klusteriin’: beacon-kehyksiä (321,322) eri tehotasoilla ja : - kussakin klusteri-beacon-signaaleja (321, 322) vastaanottavassa solmussa pää- • 1« tetään, sen perusteella, mikä oli alin tehotaso, jolla beacon-kehys vastaanotettiin onnistuneesti, tarvittava lähetystehotaso lähetyksille solmuun, joka lähetti mainitut 25 klusteri-beacon-signaalit. • · *· ·

43. Patenttivaatimuksen 42 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä suori- tetaan verkkoskannausta muiden pääsolmujen löytämiseksi tilanteessa, jossa ali- :***; solmu pystyi onnistuneesti vastaanottamaan vain korkeimman tehotason klusteri- • « · . beacon-kehyksen (321) pääsolmulta. • · · *·· ·

43 . 1 1 8291

44. Patenttivaatimuksen 35 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä: .·!·. -lähetetään verkko-beacon-signaaleina (331, 332) joukko peräkkäisiä verkko- • · · beacon-kehyksiä (341, 342) eri tehotasoilla ja - kussakin verkko-beacon-signaaleja vastaanottavassa solmussa päätetään, sen perusteella, mikä oli alin tehotaso, jolla beacon-kehys vastaanotettiin onnistunees 53 1 1 8 2 91 ti, tarvittava lähetystehotaso lähetyksille solmuun, joka lähetti mainitut verkko-beacon-signaalit.

45. Patenttivaatimuksen 35 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä lähetetään verkko-beacon-signaaleja (331, 332) toistotiheydellä, joka on määritetty mi- 5 nimoimalla beacon-lähetysten keskimääräisen energiankulutuksen ja beacon-lähe-tysten vastaanottoa varten suoritetun verkkoskannauksen keskimääräisen energiankulutuksen summa.

46. Patenttivaatimuksen 45 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä lähetetään verkko-beacon-signaaleja (331, 332) toistotiheydellä P f 1 n > 10 ν = λ — - + -^- , } ^ Τ’,,,,) S(S) , missä Prx = vastaanottotilassa olevan solmun tehonkulutus, Et = lähetyskehyksen lähettämiseen ensimmäisellä lähetysteho- tasolla käytettävän energian ja datakehyksen lähettämiseen toisella lähetystehotasolla, joka on alempi kuin mainittu en-15 simmäinen lähetystehotaso, käytettävän energian summa Ts(h) - verkkoskannausväli pääsolmuille TS(S) = verkkoskannausväli alisolmuille ja . v# ns = alisolmujen määrä kutakin pääsolmua kohti. • ♦ • » • · ·,· f

47. Patenttivaatimuksen 35 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä: 20. ilmoitetaan lähetetyssä beacon-signaalissa senhetkinen kuormitustilanne (837) ····· beacon-signaalin lähettäneen pääsolmun klusterissa ja - päätetään assosioida solmulaite alisolmuna johonkin olemassa olevista kluste- .···. reistä tai tekemään mainitusta solmulaitteesta uuden klusterin pääsolmu riippuen • # siitä, kuinka kuormitettuja olemassa olevien klusterien ilmoitettiin olevan. : ’·· 25

48. Patenttivaatimuksen 35 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä muo- dostetaan aktiivisen ajan suhde saantisyklin pituuteen suuremmaksi pääsolmuissa : )·, kuin alisolmuissa langattoman anturiverkon kokonaisenergiankulutuksen vähen- • · · tämiseksi. • · • · ··* ...

49. Patenttivaatimuksen 35 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä jae- ·...: 30 taan aikareferenssiä referenssiaikalähteestä langattoman anturiverkon solmujen • · kautta. 54 1 1 8291