SEPARACIÓN DE RED DE MAL A, LÓGICA Y FÍSICA
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere en general, a redes inalámbricas de malla, y más particularmente, a un método para separar una red de malla en sub-redes de malla lógicas y/o físicas más pequeñas.
ANTECEDENTES Debido al creciente uso y al amplio despliegue de
Redes Inalámbricas de Área Local ( LANs), el soporte adicional de redes inalámbricas de malla ha ganado recientemente impulso en el grupo de comunidad de estándares. Una red de malla es un tercer método complementario para conectar nodos inalámbricos, complementado los modos Ad-Hoc y de Infraestructura. Las fuerzas impulsoras y posibles campos de aplicación con redes de malla incluyen una extensión de cobertura de bajo esfuerzo para WLANs, redes auto-desplegables de baja complejidad y bajo esfuerzo, y redes tolerantes a fallas y altamente confiables. En el modo de infraestructura, una estación (STA) se comunica exclusivamente con una estación base o un punto de acceso (AP) . En el modo Ad-Hoc (entre iguales) , las STAs pueden comunicarse directamente sin involucrar a ningún otro nodo en la red. Las redes de malla proporcionan una mezcla de modos Ad-Hoc y de infraestructura. Por ejemplo, los nodos en la red (STAs, APs, etc.) pueden actuar como ruteadores inalámbricos para otros nodos que no se encuentran en el rango de una estación base. Muchos aspectos operativos de sistema (tal como, operaciones y mantenimiento (O&M) , conectividad principal, conectividad a nodos sobre tiempo, gestión de recursos de radio
(RRM) , comportamiento del usuario, etc.) difieren significativamente cuando se comparan redes inalámbricas de malla y redes inalámbricas tradicionales que operan principalmente en modo de infraestructura o modo Ad-Hoc. Por ejemplo, en lugar de desplegar una única red de malla de 100 nodos, podría estar presente un software distribuido en cada uno de los nodos, que auto-organizaría el sistema en dos o más sub-redes de malla separadas. Estas sub-redes de malla podrían superponerse o no presentar superposición alguna, pero siendo aún vecinas. Existe la necesidad de habilitar una operación y un uso eficientes de redes de malla a través de una separación de red lógica simple.
LA INVENCIÓN La presente invención incluye diversos métodos para habilitar una operación y un uso eficientes de redes de malla a través de una separación de red lógica simple. La presente invención incluye métodos para producir una o más sub-redes de malla en lugar de una red amplia. Las sub-redes pueden ser ya sea lógicas, o bien físicas. Dado un conjunto de nodos, la invención permite un mayor grado de organización y una mayor flexibilidad para operar la red de malla introduciendo la noción de sub-redes físicas y lógicas. Además, se describen diversas características adicionales, tal como señalización y entidades funcionales, para habilitar este modo de operación. Un método para crear sub-redes en una red inalámbrica de malla comienza determinando si existe una condición de disparo para crear una sub-red. Se seleccionan nodos en la red de malla para crear la sub-red si existe la condición de disparo. La sub-red es creada entonces con los nodos seleccionados . Un nodo para uso en una red inalámbrica de malla incluye un dispositivo de estado; una lista de uniones que se comunica con el dispositivo de estado para conservar un estado del nodo, donde el estado del nodo se relaciona con la actividad que se presenta en el nodo; un dispositivo de disparo se comunica con el dispositivo de estado; y un dispositivo de unión se comunica con la lista de uniones y el dispositivo de disparo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Puede obtenerse ün entendimiento más detallado de la invención a partir de la siguiente descripción de una modalidad preferida, dada a modo de ejemplo y para ser comprendida junto con los dibujos que acompañan, donde: la Figura 1 es un diagrama de una red de malla física completa; la Figura 2 es un diagrama de una red de malla lógica primaria; la Figura 3 es un diagrama de una red de malla lógica secundaria; la Figura 4 es un diagrama de estado de los tres estados de un nodo en la red; la Figura 5 es un diagrama de flujo de un método para separar una red de malla en múltiples sub-redes; y la Figura 6 es un diagrama de bloque de un nodo configurado para implementar el método que se muestra en la Figura 5.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS A continuación, el termino "estación" (STA) incluye, pero sin limitarse a ello, una unidad inalámbrica de transmisión/recepción (WTRU) , un equipo de usuario, una unidad de abonado fija o móvil, un buscapersonas, o cualquier otro tipo de dispositivo capaz de operar en un entorno inalámbrico. Cuando se hace referencia a continuación, la expresión "punto de acceso" (AP) incluye, pero sin limitarse a ello, una estación base, una STA con funcionalidad adicional que le permite comportarse como punto central en una topología en estrella, en forma similar a una estación base, un Nodo B, un controlador de sitio, o cualquier otro tipo de dispositivo de interfase en un entorno inalámbrico. De igual modo, cuando se hace referencia a continuación, la expresión "punto de malla" (MP) o "nodo de malla" incluye, pero sin limitarse a ello, una STA con funcionalidades adicionales que le permiten comportarse como un nodo de reenvío en una topología de malla y que es capaz de generar, enviar, recibir y/o retransmitir tráfico desde otros nodos en la red. Ya que estas expresiones se refieren a funcionalidades lógicas, es posible tener solamente una funcionalidad lógica por dispositivo físico o combinar dos o más funcionalidades lógicas en un dispositivo físico. Por lo tanto, cuando se hace referencia a continuación, la expresión "punto de acceso de malla" (MAP) incluye, pero sin limitarse a ello, una STA con funcionalidades AP y MP. La presente invención incluye diversos métodos para habilitar una operación y un uso eficientes de redes de malla a través de una separación de red lógica simple. En forma corriente, cuando se despliega una red de malla en un área específica, el procedimiento común consiste en formar una única red (y posiblemente muy amplia) . En ciertos escenarios, hay beneficios a considerar en la producción de una o más sub-redes de malla, en lugar de operar con una red amplia. La sub-red puede ser definida ya sea desde un punto de vista lógico, o bien físico. La Figura 1 muestra un ejemplo de una red con 16 nodos de malla y tres nodos de pasarela, donde la red está dividida en tres niveles diferentes: un nivel físico, un primer nivel lógico (A o primario) , y un segundo nivel lógico (B o secundario) . Por lo tanto, la misma red física puede ser considerada como tres redes diferentes. La Figura 1 muestra, además, todos los nodos existentes y las posibles interconexiones . Los nodos de red pueden ser clasificados ya sea como nodos de malla, o bien nodos de pasarela. Los nodos de malla son nodos comunes (por ejemplo, MPs o MAPs 802.11) que pueden estar interconectados en forma de malla. Los nodos de pasarela son nodos que proporcionan conectividad fuera del dominio de malla. Los nodos son identificados como Activos, Pasivos, o de
Reserva, por ejemplo, de acuerdo con su intervención en la red. Hay una gran cantidad de trayectorias que pueden tomarse si, por ejemplo, fue necesario reenviar el tráfico generado en el Nodo 2 a una pasarela. Las trayectorias potenciales incluyen 2-3-A, 2-4-3-A, 2-8-B, 2-9-8-B, etc. No obstante, si se consideran solamente los nodos identificados como Activos, se reduce significativamente el número de posibles trayectorias. En este ejemplo, las trayectorias 2-4-3-A y 2-9-8-B ya no son válidas. La Figura 2 muestra la misma red, tal como cuando se consideran solamente nodos Activos. Desde el punto de vista del tráfico de datos, este cambio en la topología de red podría utilizarse para diferentes propósitos, tal como la separación de tráfico. Considerando solamente nodos Activos, el tráfico es reenviado en trayectorias más determinísticas, lo que puede contribuir a conservar los requerimientos de calidad de servicio (QoS) . Los criterios para decidir qué nodos están Activos podrían basarse en mejores características RRM tal como enlaces más confiables, nivel de batería, características de generación de tráfico, contexto de autenticación y seguridad de nodos, o nivel de utilización de recursos. Los criterios utilizados y su forma de evaluación son de implementación específica, y la implementación particular elegida para determinar qué nodos están Activos no modifica la construcción u operación de la presente invención. Podría definirse otra red lógica si se consideran nodos Pasivos además de nodos Activos. Esto implica que puede aumentarse la cantidad de trayectorias válidas. Observando la Figura 3, que muestra la misma red, tal como observando cuando se consideran los nodos Activos y Pasivos, la trayectoria 2-9-8-B vuelve a ser válida. Ya que el número de trayectorias aumenta, el reenvío de datos se vuelve menos determinístico. Se considera menos conveniente (desde el punto de vista de la QoS) que el reenvió de datos se vuelva menos determinístico; no obstante, podría resultar beneficioso por otras razones, tal como, redundancia de trayectoria. Por ejemplo, una señalización de alta prioridad podría ser reenviada a través de esta red secundaria, utilizando una trayectoria más corta, permitiendo una latencia más baja. La diferencia principal entre los nodos Activos y Pasivos consiste en que la cantidad y naturaleza del tráfico que los atraviesa es bastante diferente. Esto crea una diferencia considerable cuando se llevan a cabo funciones RRM. Se espera que los nodos Activos requieran más recursos que los nodos Pasivos y de Reserva. Las funciones RRM podrían aplicarse teniendo en cuenta solamente nodos Activos. Esto reduciría la complejidad de las funciones RRM y las haría más eficientes, ya que los nodos Activos deberían ser manejados más cuidadosamente que el resto de la red. Los nodos de Reserva son nodos que podrían estar en un modo de ahorro de energía. Estos nodos podrían estar en el modo de Reserva por diversas razones posibles: los nodos no están generando tráfico, los nodos están llevando a cabo ahorros de batería, o como consecuencia de una combinación de éstas y otras razones. Asimismo, los nodos podrían estar oscilando entre modos Pasivos y de Reserva. A pesar de que este ejemplo muestra solamente tres estados de nodo (es decir, Activo, Pasivo y de Reserva) , estados de nodo adicionales podrían ser contemplados fácilmente por los expertos en la técnica. Una forma sencilla de efectuar un seguimiento de las diferentes redes lógicas consiste en implementar una máquina de estado en cada nodo. Por lo tanto, las diferentes redes lógicas pueden ser definidas fácilmente, conociendo el estado de los nodos vecinos. La Figura 4 muestra una máquina de estado para los tres estados propuestos. El estado corriente de cada nodo puede ser comunicado por medio de intercambios de señalización (interfases inalámbricas o por cable) entre nodos en la red de malla. Este- intercambio de señalización puede ser implementado en diversas capas de protocolo posibles y puede ser ya sea de tipo radiodifundido, multi-difundido (punto a multi-punto) , o bien, dedicado (punto a punto) . En forma alternativa, puede implementarse un conjunto predeterminado de normas en cada nodo, permitiendo que la red deduzca el estado corriente de la red, en lugar de señalizar explícitamente el estado corriente de la red a partir de la observación de ciertas características, tal como flujo de tráfico, calidad, retardo, etc. Podría haber una gran cantidad de niveles para dividir la red en diferentes clases y no es necesario que las clases sean sub-grupos de otras clases. Por ejemplo, podría haber diferentes conjuntos de nodos definidos como Activos, pero que manejen diferentes clases de servicios para tráfico de datos . La división de una red en múltiples sub-redes de malla puede ser efectuada en la puesta en marcha o en cualquier momento durante la operación de la red. La división de la red puede ser llevada a cabo como resultado de un cambio en las condiciones de red (por ejemplo, carga de tráfico) , para confiabilidad y/u optimización de rendimiento. Cuando disminuye la carga de tráfico, las sub-redes podrían combinarse para formar una gran red de malla. Una forma de separar la red en múltiples sub-redes consiste en tener una métrica simple (por ejemplo, número de saltos, retardo, etc.) que es utilizada para determinar si tiene sentido contar con una gran red de malla o múltiples redes de malla más pequeñas. En general, hay dos procedimientos para manejar redes de malla: centralizado o distribuido. La separación de red puede ser llevada a cabo desde un punto controlante central en la red, o individualmente por cada uno de los nodos. También puede utilizarse un procedimiento híbrido, donde un sub-conjunto de nodos (por ejemplo, nodos Activos) es el que toma la decisión. En el procedimiento híbrido, los nodos tienen la opción de informar a nodos secundarios (o Pasivos) respecto de la nueva configuración, o los nodos pueden simplemente actuar como nodos proxy y ocultar la configuración a los nodos secundarios. Una vez más, las dos redes de malla pueden o no estar intercaladas unas con otras o simplemente limitar unas con otras. También es posible contar con un nodo de pasarela entre las dos redes de malla, además de la malla de la pasarela de línea terrestre que cada nodo de malla pudiera tener. La organización de ciertos nodos en la red de malla en sub-redes lógicas es un medio para facilitar el manejo de la red de malla en su totalidad. Cualquier nodo dado en la red de malla puede pertenecer simultáneamente a una o más sub-redes lógicas en la malla. Las diferentes sub-redes lógicas podrían ser creadas para cumplir (pero sin limitarse a ello) con los siguientes propósitos: (1) Un conjunto de nodos dedicado al mantenimiento de la red de malla (tal como RRM, O&M, monitoreo, etc.). (2) Un conjunto primario de nodos que esta dedicado al enrutamiento. (3) Un conjunto secundario de nodos que este dedicado al enrutamiento como una alternativa en caso de problemas. (4) Un conjunto de nodos que está dedicado al enrutamiento de clases de tráfico especificas. (5) Un conjunto de nodos en el borde de la red de malla general que está dedicado a radiodifundir y comunicar respecto de la malla. (6) Separación de tráfico de diferentes servidores o con diferentes requerimientos de QoS que comparten la misma red física.
Pertenecer a una cierta sub-red física o lógica de malla no es permanente, aunque esto puede resultar práctico para algunos propósitos. En base a varios criterios de decisión, cualquier nodo dado en la malla puede ser liberado y volverse a unir a otra sub-red física o lógica, en cualquier momento durante el curso normal de la operación. Posibles disparos para volver a unir el nodo pueden incluir cambios en: condiciones RRM, condiciones de tráfico o contexto de autenticación o seguridad. Con el fin de manejar sub-redes físicas o lógicas en la malla, puede utilizarse uno o más de los siguientes elementos: (1) Una o más bases de datos/máquinas de estado en un nodo para efectuar un seguimiento de la unión corriente del nodo. En una modalidad preferida, cada nodo administra su propia máquina de estado y uniones, informando a otros nodos a través de señalización cada vez que cambia el estado. En el procedimiento centralizado, solamente el nodo central o maestro necesita ser informado respecto de un cambio de estado. En el procedimiento distribuido, un cambio de estado es radiodifundido a toda la red. En el procedimiento híbrido, la agrupación maestra es informada respecto de un cambio de estado, el cual informa a los nodos unidos. Si bien se prefiere el procedimiento híbrido, existen ventajas asociadas con los procedimientos centralizados y distribuidos, dependiendo del tamaño específico de la red, las características de despliegue, etc. Siempre que cada nodo administre sus uniones, el mecanismo de enrutamiento puede ser llevado a cabo de una forma fuente-base, salto-base o central-base (donde la última es llevada a cabo en un nodo maestro) . (2) Mecanismos de señalización entre nodos (interfases inalámbricas o por cable, todas las capas de protocolo posibles) para informar a otros nodos respecto de pedidos desde otros nodos o forzar un cambio de estado de otros nodos en la malla. (3) Un conjunto de normas implementadas en los nodos para determinar o deducir una unión. El concepto de operación de sub-red puede ser aplicado a diferentes escenarios. Por ejemplo, podría haber un caso donde una red de malla física cambie de topología debido al entorno de sistema dinámico, movimiento de los nodos, etc. Esto podría causar que la malla original se desconecte completamente en cierto punto, que puede dar como resultado una división de la malla en dos mallas diferentes. Siempre que aún haya comunicación entre las dos mallas (por ejemplo, a través de vía indirecta larga, red central, sistema de distribución por cable o de otro tipo, etc.), las dos mallas separadas pueden ser consideradas aún como una malla lógica única (o un múltiplo de las mismas), lo que permite que todas las configuraciones de red originales permanezcan en su lugar. Por lo tanto, dos o más redes de malla físicas podrían ser consideradas como red o redes lógicas, únicas o múltiples, independientemente de los cambios dinámicos de topología. Este concepto también puede ser implementado para conservar el conjunto de normas aplicadas a los diferentes nodos de red, independientes de la topología de red física, considerando las conexiones y/o configuración lógicas en lugar de las físicas. La Figura 5 es un diagrama de flujo de un método 500 para separar una red de malla en múltiples sub-redes. El método 500 comienza determinando el estado de todos los nodos en la red (paso 502). Se efectúa una determinación respecto de si se cumple una condición de disparo para separar la red en sub-redes (paso 504). Si no se cumple la condición de disparo, la red continúa operando como una red única hasta que se cumpla la condición de disparo. Si se cumple la condición de disparo, se' seleccionan nodos para crear una sub-red (paso 506) . Cabe destacar que pueden utilizarse múltiples criterios para seleccionar los nodos que formarán parte de la sub-red, tal como se describe anteriormente. Se crean las múltiples sub-redes (paso 508) y las mismas continuarán operando como sub-redes hasta que se cumpla una condición de restablecimiento (paso 510) . Si se cumple la condición de restablecimiento, las múltiples sub-redes serán recombinadas en una red (paso 512) y el método finaliza (paso 514). Tal como se describe anteriormente, pueden utilizarse múltiples criterios para determinar cuándo recombinar las sub-redes. Los métodos que se describen anteriormente pueden ser utilizados junto con cualquier tipo de red de malla, incluyendo, pero sin limitarse a ello, WLAN 802.11 (tal como
802. lis), red inalámbrica de área personal 802.15 (WPAN, tal como 802.15.5) y redes 802.21. La Figura 6 es un diagrama de bloque de un nodo 600 configurado para implementar el método 500. El nodo 600 incluye un dispositivo de estado 602, una lista de uniones 604, un dispositivo de disparo 606, un dispositivo de unión 608, un transmisor/receptor 610, y una antena 612. El dispositivo de estado 602 conserva el estado corriente del nodo 600 (por ejemplo, Activo, Pasivo o de Reserva) y comunica el estado del nodo 600 a la lista de uniones 604 el dispositivo de disparo 606. La lista de uniones 604 contiene una lista de todos los otros nodos a los que se encuentra corrientemente unido el nodo 600 y el estado corriente de esos nodos. El dispositivo de disparo 606 es utilizado para determinar cuándo el nodo 600 debería abandonar la red a la que se encuentra corrientemente unido; esta determinación puede estar basada, en parte, en el estado corriente del nodo 600. Cabe destacar que el dispositivo de disparo 606 puede no ser operable en todas las configuraciones de red, particularmente en una red donde la decisión de formar sub-redes es tomada por una entidad central.
El dispositivo de unión 608 comunica los cambios de estado del nodo 600 y si el nodo 600 cambiara redes para todos los nodos en la lista de uniones 604. El transmisor/ receptor 610 envía los cambios desde el dispositivo de unión 608, a través de la antena 612. El transmisor/receptor 610 recibe, además, información respecto del estado de los nodos en la lista de uniones 604 que es constantemente actualizada. A pesar de que las características y elementos de la presente invención son descritos en las modalidades preferidas, en combinaciones particulares, cada característica o elemento puede ser utilizado solo (sin las otras características y elementos de las modalidades preferidas) o en diversas combinaciones, con o sin otras características y elementos de la presente invención.