ES2334141T3 - Red de transmision de informacion. - Google Patents
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Abstract
Un método para intercambio de datos de información basada en una red de igual a igual ad hoc multisalto inalámbrica que comprende sensores y nodos de usuario móviles (U1, U2), en el que - dichos sensores se despiertan periódicamente y transmiten datos de información a dichos nodos de usuario móviles, - dichos datos de información se refieren a información sobre la zona (a, b, c,...) en la que están fijados dichos sensores, - ordenándose dichos datos de información en cada nodo de usuario móvil con relevancia decreciente con respecto a un interés de usuario dado mediante el empleo de una función de interés, - dichos nodos de usuario móviles (U1, U2) intercambian datos de información entre al menos un primer y un segundo nodo de usuario, (U1, U2) - transmitiéndose dichos datos de información por dicho primer nodo de usuario (U1) a dicho segundo nodo de usuario (U2) tras haberse clasificado y dividido en paquetes de datos, y - intercambiándose alternativamente dichos datos de información entre dichos primer (U1) y segundo (U2) nodos de usuario de acuerdo con la clasificación de dicha función de interés de cada nodo de usuario hasta que el usuario sale del alcance de comunicación de forma que la información que tenga el más alto interés de cada nodo de usuario se intercambia primero.
Description
Red de transmisión de información.
Esta invención se refiere a la gestión de la
información generada, capturada, transmitida o en otra forma
manipulada por dispositivos de ordenadores globales.
Las redes de sensores inalámbrica (WSN, del
inglés "Wireless Sensor Networks") se han investigado en sus
diversas formas durante una docena de años ya que se considera que
son un paso principal hacia la computación global. El concepto
general común de WSN hoy en día es que los sensores no son solamente
una fuente de datos sino son también participantes en el transporte
de los datos, típicamente en una forma multisalto desde el punto de
origen al punto de utilización que en la mayoría de los casos es un
servidor central que procesa los datos recogidos. Para realizar
esta función, todos los sensores son direccionables desde la red, se
comunican entre sí y forman una red de comunicaciones.
Una arquitectura de red de sensores inalámbrica
es una red homogénea, en donde todos los nodos son idénticos en
términos de complejidad de baterías y equipos, excepto para el
sumidero que actúa como un portal siendo el responsable de dirigir
la información recogida hacia el usuario final. De acuerdo con [1]
para cualquier índice n de pérdida, el coste de energía en la
transmisión de un bit en un modo multisalto puede ser siempre
lineal con la distancia, mientras que la energía de la señal decae
según la 4^{a} potencia de la distancia. Una red de sensores
inalámbrica plana, compuesta de un gran número de nodos (hasta
millones) conduce a un número de retos en términos de gestión y
organización de la red, incluyendo la gestión de los nodos de los
sensores, la recogida de la información, procesamiento, encaminado,
optimización de la energía, etc.
Se ha desarrollado una arquitectura jerárquica
[2] para reducir el costo y complejidad de "la mayor parte de los
nodos de sensores" mediante la introducción de un conjunto de
nodos de "sensores" más caros y potentes, creando de este modo
una infraestructura que descarga muchas de las funciones de la red
de la mayoría de los sensores más simples y de menor costo. La
arquitectura jerárquica consiste en múltiples capas: una capa de
sensores (SN), una capa de envío (FN), y una capa de punto de acceso
(AP). Los nodos de sensores sólo pueden detectar el entorno y
comunicar la información recogida a los nodos de envío. Los nodos de
envío se comunican entre sí y con los puntos de acceso, el escalón
más alto en la red y los puntos de comunicación con la columna
vertebral.
En el campo de la comunicación multisalto de
igual a igual el documento US6470189 describe un método y un
aparato para transferir información entre un transmisor y un
servidor de red, el documento US2003/0146850 describe un método
para la comunicación entre vehículos y otros sistemas que incluyen
la transmisión y recepción de información, en particular
información de emergencia.
El documento DE1026618 describe también una red
ad hoc de igual a igual inalámbrica que comprende sensores
que envían datos de información relativos a la zona particular
(párrafo 22) a nodos móviles.
Para reducir adicionalmente el consumo de
energía, en particular en redes de sensores dispersos, en [3] se ha
propuesto una arquitectura con tres niveles de jerarquía, en la que
los agentes móviles que pasan periódicamente por los sensores,
recogen sus datos y finalmente vuelcan los datos recogidos a puntos
de acceso cableados cuando están en su proximidad. Los resultados
muestran que equilibrando la cantidad de almacenamiento intermedio
tanto en el nivel de los nodos de sensores como en el nivel del MULE
(del inglés "Mobile Ubiquitous LAN Extensions", Extensiones de
LAN Ubicuas Móviles), se pueden obtener tasas aceptables de éxito en
los datos. Un método similar para simplificar los requerimientos de
los nodos de sensores individuales se ha propuesto en [4]. Los
denominados Redes de Sensores con Agentes Móviles (SENMA, del
inglés "Sensor Networks with Mobile Agents"); protocolo ALOHA
se utiliza para la comunicación entre los sensores y los potentes
agentes móviles eliminando la necesidad de comunicación multisalto
de los sensores y reduciendo el consumo de energía.
En resumen, en todos los casos, en la
construcción de una WSN convencional la arquitectura de nodos
resultante se hace similar a los nodos de Internet tradicionales
[5]. Esto significa que se implementa una pila de red multicapa en
cada sensor, lo que permite no sólo un procesamiento (limitado),
sino también el encaminamiento de los datos y eventualmente incluso
protocolos de transporte fiables tales como TCP. La necesidad de una
comunicación sensor a sensor, o conectividad en red, da como
resultado un número enorme de dispositivos para cubrir incluso una
ciudad de tamaño pequeño a medio. Mientras que los sensores en casi
todas las aplicaciones, por ejemplo en la medición de polución y
otros entornos medioambientales, de salud, riesgo o seguridad, sólo
se requiere un sensor por cada varios, potencialmente cientos, de
metros cuadrados. Los nodos de sensores están alimentados por
batería y por lo tanto funcionan con un presupuesto energético
extremadamente frugal. La optimización de la energía se convierte
en crucial en la maximización de la vida útil de la red completa y
ha sido largamente considerada por lo tanto como un objetivo de
diseño clave en la investigación relacionada con las redes de
sensores inalámbricas [6]. Para desplegar de modo efectivo en coste
sensores en un escenario de red convencional, los sensores han de
llegar a un precio ultra bajo, su despliegue debería ser tan fácil
como el polvo inteligente [7], el precio por sensor debería
estar por debajo de 1 \textdollar, y su batería debería ser
pequeña, eficaz y capaz de soportar la transmisión de millones de
mensajes de control y de datos por minuto para soportar la
transmisión de datos, la autoorganización, el descubrimiento de
rutas y el mantenimiento, la agrupación, el encaminado, el TCP y la
conmutación de información, todo ello creciendo con el tamaño de la
red. No es sorprendente que con las WSN convencionales, los precios
de los sensores estén alejados en dos órdenes de magnitud, el alto
grado de integración de los sensores continúe siendo un reto, con la
batería tomando aproximadamente hasta el 50% del volumen de los
nodos de los sensores. Para una aplicación comercial de las redes
de sensores esto significa que el coste de la red de sensores
completa y su despliegue es prohibitivo no sólo debido al alto
coste inicial de colocar miles y millones de sensores en un entorno
de la ciudad, sino también debido a su alto coste de
sustitución.
Para permitir que los sensores o cualquier otro
dispositivo similar de recogida y generación de información a gran
escala se conviertan en parte de nuestro emergente entorno global
inteligente en el que los gastos de capital y de operación son
factores claves en la adopción, se requiere por lo tanto una
solución fundamentalmente diferente. Es un objetivo de la presente
invención resolver los problemas presentes en las técnicas
anteriores proporcionando un método que pueda recoger y entregar
información desde diferentes fuentes de información a nodos de la
red, sin construir una red conectada y sin confiar en el
direccionamiento de paquetes. Este objetivo se alcanza mediante el
método que se reivindica en la reivindicación principal. Las
realizaciones preferidas de este método se definen en las
reivindicaciones secundarias.
El método en la presente invención se basa en la
observación de la necesidad de introducir jerarquía en la red, para
simplificar el papel del sensor y para explotar la movilidad de los
nodos para propagar la información.
Específicamente, se define una arquitectura en 2
niveles para gestionar la información. Los dispositivos que forman
la red se dividen en dos clases basándose en su funcionalidad:
- \bullet
- Fuentes de información que tienen la tarea de proporcionar información sobre el entorno y transmitir la información recogida a los nodos de usuarios.
- \bullet
- Nodos de usuario que están interesados en la información originada en las fuentes de información para proporcionar servicios al usuario. Estos nodos tienen la tarea de recoger la información de las fuentes de información e intercambiar la información recogida con otros nodos de usuario mientras se mueven en el entorno.
\vskip1.000000\baselineskip
La información se entrega desde las fuentes de
información a los nodos de usuario sin la construcción de una red
conectada, aunque con comunicación entre las fuentes de información
y los nodos de usuarios en su proximidad, a través del movimiento
de estos nodos de usuario que llevan la información más allá del
alcance de comunicación de la fuente de información y a través de
una serie de intercambios de información de igual a igual entre los
nodos de usuario.
La comunicación entre un nodo de usuario y una
fuente de información se basa en la proximidad de los dos
dispositivos, que utilizan comunicación directa entre la fuente de
información y el nodo de usuario y no requiere ninguna
funcionalidad de la capa 3 (ISO/OSI). Las fuentes de información no
necesitan una dirección de nodo, pero debieran tener alguna ID para
marcar su lugar geográfico. Esto podría imprimirse en el momento de
la instalación.
Hay formas de llevar a cabo esto en modo capa
MAC y capa PHY. El modo capa MAC significaría para el nodo de
usuario móvil enviar señales de balizamiento a intervalos regulares
y para los sensores despertar periódicamente y realizar algún tipo
de escucha inactiva del canal. Tras la recepción de una señal de
balizamiento, el sensor debería responder inmediatamente y esperar
a un ACK (acuse de recibo) antes de ir a dormir de nuevo. No se
necesitan aquí protocolos complejos MAC para mitigar el efecto de
colisiones o terminales ocultos, simplemente porque habrá un número
muy pequeño de sensores al alcance de un nodo de usuario. En esta
forma, sin embargo, el sensor utilizaría un tiempo considerable en
la escucha del canal, lo que reduce el tiempo de vida del sensor.
El modo capa PHY significa que el sensor es algún tipo de RFID
(etiqueta de radiofrecuencia) con un componente activo para
realizar la detección. El nodo de usuario lee la RFID cuando está
suficientemente cerca. Pueden obtenerse muy largas vidas útiles del
sensor, debido a que casi no se gasta energía en la
comunicación.
En esa arquitectura, la mayor parte de la
complejidad de la red reside en los nodos de usuario. Los nodos de
usuario no sufren de limitados recursos de energía y capacidad de
cálculo y por tanto han de:
- \bullet
- recoger la información de las islas fuentes de información que encuentra con su movimiento en el entorno.
- \bullet
- intercambiar los datos recogidos con otros nodos de usuario con los que entren en contacto.
\vskip1.000000\baselineskip
Los nodos de usuario pueden ser peatones
caminando por la ciudad aunque también coches, autobuses o cualquier
tipo de vehículo.
La información sobre el entorno está altamente
localizada y puede agruparse en zonas de acuerdo con la localización
geográfica de la fuente de información.
- 1.
- El mecanismo de comunicación se basa en nodos que almacenan la siguiente información:
- 2.
- Descripción de su interés: una posible realización de esta descripción es como sigue: El interés del nodo U se representa por la variable I_{u}. Si el usuario esté interesado en la información sobre una zona, I_{u} toma el valor del identificador de zona de esa zona. En otro caso es que no está interesado en ninguna zona especial, lo que se representa por un valor especial de I_{u}. Nótese que estas zonas no están necesariamente definidas geográficamente (como se representa en la Figura 2), sino que expresan tópicos de interés arbitrarios.
- 3.
- Su conocimiento sobre zonas: el nodo puede recoger información sobre zonas bien directamente pasando por la zona y leyendo las fuentes de información allí, o indirectamente mediante la recepción de información desde otros nodos. Una posible representación de este conocimiento es una lista de identificadores de zonas conocidas Z_{u}= [Z_{1}, Z_{2}, ..., Z_{n}] y el conocimiento correspondiente K_{u} = [K(Z_{1}), K(Z_{2}), ... K(Z_{n})]
- 4.
- Una función r(I_{u}) que ordena la información disponible K_{u} en un nodo U con respecto a un interés dado I con relevancia decreciente. Esto significa que a la respuesta más relevante a un cierto interés se le asignaría el valor más alto de r.
\vskip1.000000\baselineskip
La siguiente descripción de una realización
preferida se refiere a los dibujos adjuntos.
- La Figura 1 muestra los formatos de los
paquetes utilizados en el intercambio de información
- la Figura 2 muestra un escenario de dos nodos
de usuarios con diferentes zonas de comienzo y destino que se
juntan e intercambian paquetes
- la Figura 3 muestra el correspondiente
intercambio de información de igual a igual entre los nodos.
La información se distribuye en el sistema como
una serie de intercambios. de igual a igual similares cuando los
nodos U se mueven alrededor y llegan a la proximidad de otros nodos
U. Consideramos dos nodos U_{1} y U_{2}. El intercambio de
información de igual a igual se lleva a cabo en las siguientes
etapas:
- 1.
- U_{1} envía un paquete "HELLO". Ese paquete contiene la descripción de su interés (es decir el identificador de su zona de destino, si hay alguna) y una descripción de alto nivel de su conocimiento (es decir una lista ordenada de los identificadores de aquellas zonas de las que tiene información detallada). La estructura del paquete "hello" puede describirse como [I_{u1}, Z_{u1}] (véase la Figura 1). Este paquete puede dirigirse a un nodo U en la proximidad, multi-difundirse o radiarse dependiendo de la tecnología de transmisión utilizada.
- 2.
- Después de que U_{2} recibe el paquete, decide si desea responder a este mensaje basándose en su función r. r es una función de I_{u1}, Z_{u1}, Z_{u2}.
- 3.
- Si el resultado de r es positivo U_{2} responde con un paquete "hello", que tiene la misma estructura que antes [I_{u2}, Z_{u2}]. La segunda parte del paquete puede estar vacía como se muestra en la Figura 3. Tiene sentido dar la información en esta parte del paquete "HELLO" si otros nodos de usuario distintos del U_{1} están presentes. El papel de r es clasificar K_{u2} en un orden de relevancia para U_{1} de acuerdo con toda la información conocida sobre U_{1}. K_{u2} no sólo es clasificado, sino dividido también en paquetes de tamaño razonable, de ese modo el resultado de r puede entregarse como una secuencia de paquetes de "DATA" de la forma [K(I_{1})], [K(I_{2})], y así sucesivamente.
- 4.
- Después de que U_{1} recibe el paquete "hello" [I_{u2}, Z_{u2}] y el paquete de información [K(I_{1})], ejecuta su propia función r para determinar si está interesado en la comunicación y cómo debería reaccionar. Si la decisión es positiva, se determina la secuencia [K(I_{1})], [K(I_{2})] y se envía de modo alternativo a U_{2}.
\vskip1.000000\baselineskip
En las siguientes etapas U_{1} y U_{2}
intercambian información de acuerdo a su función r hasta que
o bien salen de su alcance de comunicación o no hay más información
relevante disponible.
[1] M. Bhardwaj y A. Chandrakasan,
"Bounding the lifetime of sensor networks via optimal role
assignments", en Proc. of IEEE InfoCom, 2002,
disponible online:
http://citeseer.ist.psu.edu/article/bhardwaj02bounding.html.
[2] S. Zhao, K. Tepe, I.
Seskar y D. Raychaudhuri, "Routing protocols for
self-organizing hierarchical
ad-hoc wireless Networks", en IEEE
Sarnoff 2003 Symposium, marzo de 2003, págs.
65-68.
[3] R.C. Shah, S. Roy, S.
Jian y W. Brunette, "Data MULEs: modeling a
three-tier architecture for sparse sensor
Networks", 3er Proc. del IEEE Workshop on Sensor Network
Protocols and Applications (SNPA), mayo de 2003, págs.
30-41.
[4] Lang Tong y Qing Zhao y
Srihari Adireddy, "Sensor networks with mobile agents",
en Proc. de MILCOM 2003-IEEE Military
Communications Conference, octubre de 2003, págs.
688-693.
[5] Ian F. Akyildiz y Weilian Su y
Yogesh Sankarasubramaniam y Erdal Cayirci, "Wireless
sensor networks: a Surrey", Computer Networks, vol. 38,
págs. 70-84.
[6] I. Chlamtac, C. Petrioli y J.
Redi, "An Energy-Conserving Access Protocol
for Wireless Communications", en Proc. of the 7th annual
International conference on Mobile computing and networking,
junio de 1997, ISBN
1-58113-422-3,
Montreal, Quebec, Canadá.
[7] J. M. Kahn y R. H. Katz y K.
S. J. Pister, "Next Century Challenges": Mobile
Networking for "Smart Dust", en International Conference on
Mobile Computing and Networking (MOBICOM), 1999, págs.
271-278.
Claims (4)
1. Un método para intercambio de datos de
información basada en una red de igual a igual ad hoc
multisalto inalámbrica que comprende sensores y nodos de usuario
móviles (U_{1}, U_{2}), en el que
- -
- dichos sensores se despiertan periódicamente y transmiten datos de información a dichos nodos de usuario móviles,
- -
- dichos datos de información se refieren a información sobre la zona (a, b, c,...) en la que están fijados dichos sensores,
- -
- ordenándose dichos datos de información en cada nodo de usuario móvil con relevancia decreciente con respecto a un interés de usuario dado mediante el empleo de una función de interés,
- -
- dichos nodos de usuario móviles (U_{1}, U_{2}) intercambian datos de información entre al menos un primer y un segundo nodo de usuario, (U_{1}, U_{2})
- -
- transmitiéndose dichos datos de información por dicho primer nodo de usuario (U_{1}) a dicho segundo nodo de usuario (U_{2}) tras haberse clasificado y dividido en paquetes de datos, y
- -
- intercambiándose alternativamente dichos datos de información entre dichos primer (U_{1}) y segundo (U_{2}) nodos de usuario de acuerdo con la clasificación de dicha función de interés de cada nodo de usuario hasta que el usuario sale del alcance de comunicación de forma que la información que tenga el más alto interés de cada nodo de usuario se intercambia primero.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El método de la reivindicación i en el que
dichos paquetes están formados por:
- un primer paquete y paquetes de datos adicionales en el que el primer paquete contiene una descripción del interés del usuario y una lista ordenada de identificadores de zonas conocidas.
\vskip1.000000\baselineskip
3. El método de la reivindicación 2, en el que
dicho segundo nodo de usuario decide responder a los datos de
información que llegan desde el primer nodo de usuario en base a la
función de interés de dicho segundo nodo de usuario, tras haber
analizado dichos datos enviados por dicho primer usuario que
contienen una descripción del interés del usuario y una lista
ordenada de identificadores de zonas conocidas.
4. El método de la reivindicación 3 en el que
dichos sensores se despiertan tras la recepción de una señal de
balizamiento desde el nodo de usuario y van a dormir tras la
recepción del ACK (acuse de recibo).
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