ES2341966T3 - Arquitectura de red para la comunicacion de datos. - Google Patents
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Abstract
Arquitectura de red para la comunicación de datos entre fuentes de datos y destinos de datos a través de uno nodos de red y por lo menos un concentrador de datos, en la que dichos nodos (2, 4) se comunican con el concentrador de datos (1) en ambas direcciones bien a través de una red permanentemente operativa (8) en el modo multisalto o a través de una red operativa ocasionalmente (5) en el modo nómada, en una conexión inalámbrica con unos nodos de usuario móvil (6) caracterizada por que: - dicho concentrador de datos puede comunicarse con todos los dispositivos que forman dicha arquitectura de red, - dichos nodos comprenden unos medios de conmutación para conmutar al modo multisalto y unos medios para implicar, en dicha arquitectura de red, a posibles nodos nómadas adyacentes - dicha arquitectura de red comprende unos medios para detectar nodos multisalto defectuosos y - dichos nodos comprenden unos medios para conmutar a nodos nómadas en caso de que el concentrador de datos no pueda alcanzarse - dichos nodos en el modo nómada comprenden unos medios para transmitir los datos recogidos a un usuario en respuesta a un mensaje de sondeo periódico desde un nodo de usuario móvil - dicho concentrador de datos comprende unos medios para enviar un mensaje de solicitud de volcado de datos para señalar a dicho usuario la presencia de dicho concentrador de datos en respuesta a la recepción de un mensaje de sondeo emitido por el usuario.
Description
Arquitectura de red para la comunicación de
datos.
La presente invención se refiere a unas redes de
comunicación de datos adaptadas para interconectar unos receptores
de datos y unas fuentes de datos múltiples.
La explotación oportunista de los usuarios
móviles que se mueven en una zona determinada y que están equipados
con dispositivos digitales inalámbricos de alto rendimiento en
términos de computación y memoria, y capaces de recoger, procesar y
compartir datos ambientales recogidos a través de una gran cantidad
de sensores de bajo coste situados en entornos de exterior resulta
actualmente de gran interés en el campo de investigación de las
Comunicaciones Autónomas Localizadas. Se ha reconocido que tal
método nómada tiene la potencialidad de preparar el terreno para la
introducción de la utilización a gran escala de servicios y
aplicaciones que tienen en cuenta la ubicación/el contexto para el
beneficio tanto de los usuarios públicos como de los privados.
Además tal paradigma de comunicación resuelve el conocido problema
de escalabilidad y coste intrínseco a las arquitecturas basadas en
el enrutamiento multisalto.
Las solicitudes de patente europeas EP 1686735 y
EP 1715651 del presente solicitante tienen como meta un método
novedoso capaz de abordar estos retos. La naturaleza y la sociedad
muestran muchos ejemplos de sistemas en los que grandes poblaciones
pueden alcanzar unos equilibrios eficaces y desarrollar unas
estrategias de supervivencia y colaboración eficaces, capaces de
trabajar en ausencia de un control central y explotar las
interacciones locales. La presente invención pretende proporcionar
un entorno de servicios y de red completamente integrados que se
escala a grandes cantidades de dispositivos heterogéneos, y que
puede adaptarse y evolucionar de una manera autónoma.
Los temas de las patentes europeas citadas
anteriormente superan la heterogeneidad de los dispositivos y
logran la escalabilidad a través de un paradigma de comunicación
autónomo y localizado punto a punto. Evolucionan para adaptarse al
entorno circundante, al igual que los organismos vivos evolucionan
mediante la selección natural. Las operaciones de red son dirigidas
por los servicios, que proporcionan un soporte ad hoc cuando
y donde se necesite para satisfacer las solicitudes del usuario. Los
asuntos de seguridad se consideran una parte fundamental de los
propios servicios, que representan un ingrediente clave para lograr
un sistema autónomo determinado. La red se convierte sólo en un
apéndice de los servicios que, a su vez, se convierten en una
imagen especular de las redes sociales de los usuarios a los que
sirven. Este paradigma centrado en las personas rompe la barrera
entre los proveedores de servicios y los usuarios, y crea la
oportunidad para el "crecimiento vertiginoso" de servicios
espontáneos, preparando por tanto el terreno
hacia una revolución de la Tecnología Comunitaria y de la Información centrada en el usuario y en el servicio.
hacia una revolución de la Tecnología Comunitaria y de la Información centrada en el usuario y en el servicio.
La presente invención pretende resolver los
problemas debidos a la tendencia emergente hacia unos entornos
informáticos y de comunicación ubicuos, es decir, el gran número de
dispositivos embebidos interconectados. Tal dispositivo tiene unas
capacidades de sentir/identificar, haciendo posible que los
servicios situados en el usuario se conecten directamente con el
entorno circundante, lo que conlleva la posibilidad de introducir
un servicio radicalmente novedoso, capaz de mejorar los cinco
sentidos, y las capacidades de manipulación de herramientas y
comunicación de los seres humanos.
Los dispositivos embebidos deben tener unas
capacidades informáticas y de comunicación (básicas), con el
potencial de formar un sistema interconectado muchísimo mayor, de
órdenes de magnitud mayores que el Internet actual.
La complejidad de tales entornos no quedará
lejos de la de los organismos biológicos, ecosistemas y comunidades
socioeconómicas.
Los métodos de comunicación tradicionales
resultan ineficaces en el contexto, puesto que no abordan varias
características nuevas: una gran heterogeneidad de los requisitos de
servicio y capacidades de nodo, un enorme número de nodos con las
consiguientes cuestiones de escalabilidad, la posiblemente gran
movilidad de nodo y la complejidad de gestión.
Con respecto al intercambio de datos en una red
inalámbrica, WO 2004/073257 describe una solución para coordinar y
gestionar "sobre la marcha" las comunicaciones entre nodos de
redes inalámbricas.
El artículo "Data Mules: modelling a
three-tier architecture for sparse sensor
networks" modela unas redes de sensores que utilizan entidades
Mule para entregar datos a puntos de acceso por cable.
La arquitectura de red de acuerdo con la
presente invención resuelve los problemas citados anteriormente y
proporciona una estructura basada en un compromiso entre el estado
de la técnica conocido concerniente al enrutamiento multisalto y el
contenido de las solicitudes de patentes europeas EP anteriores
citadas anteriormente del presente solicitante, denominadas a
continuación método nómada.
De acuerdo con la invención se proporciona una
arquitectura de red para la comunicación de datos entre unas
fuentes de datos y unos destinos de datos a través de unos nodos de
red y por lo menos un concentrador de datos de acuerdo con la
reivindicación 1.
Además, se proporciona un método de comunicación
de acuerdo con la reivindicación 7.
Para los detalles y variantes de las redes de
acuerdo con la invención se hace referencia a las reivindicaciones
dependientes.
A continuación se describirá la invención en
referencia a los dibujos adjuntos.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente una red de
acuerdo con la invención.
La Fig. 2 muestra esquemáticamente la
intercomunicación entre un concentrador de datos 1 y dos nodos 4
inicialmente en el modo nómada.
La Fig. 3 muestra esquemáticamente la
intercomunicación entre un concentrador de datos 1 y unos nodos en
el modo nómada o multisalto para servir a un usuario móvil 6.
La Fig. 4 muestra esquemáticamente la
intercomunicación entre un concentrador de datos 1 y unos nodos
multisalto en el caso de un nodo defectuoso.
\vskip1.000000\baselineskip
Refiriendo ahora a la fig. 1, la red se organiza
alrededor de un concentrador de datos 1 como un clúster inalámbrico
de dispositivos transceptores y nodos 2 permanentemente conectado en
el modo multisalto, asociado con una fuente de datos 3 (o una
multiplicidad de las mismas), en el que la información se mueve
entre dichos nodos hacia el concentrador de datos 1 siguiendo el
método multisalto. Además de tales clústeres, se dispone de un
determinado número de nodos 4, que no se conectan a dichos
clústeres. Tales nodos operan independientemente unos de otros y
facilitan su información a través de unas extensiones de red 5
conectadas ocasionalmente a los usuarios móviles 6 que pasan en
base a un sondeo. Los dispositivos de los usuarios móviles 6 llevan
dichos datos, tras haberlos recogido, hasta que los usuarios se
acercan a un concentrador de datos 1. Resulta posible además que
los usuarios pudieran compartir los ratos recogidos entre ellos
(cada vez que encuentren usuarios móviles a lo largo del
desplazamiento) a través de unas comunicaciones punto a punto.
Todos los datos recogidos por cualquier
concentrador de datos (sólo se muestra un concentrador 1) se
reenviarán, sin tratar tal como se recogieron o modificados, tras
algunas elaboraciones preliminares, a un centro operacional 7 donde
se analizan los datos recogidos.
Dependiendo del tipo de situación ésta se
percibirá en el centro operacional y finalmente se activarán los
procedimientos adecuados específicos para cada caso.
La red de acuerdo con la invención se basa en
dos redes diferentes fusionadas en una arquitectura integrada: en
el modo multisalto, los nodos 2 encuentran una ruta inalámbrica
través de otros nodos (no mostrados en la fig. 1) a través de una
red permanentemente operacional 8 hacia un concentrador de datos 1.
Podrían utilizarse técnicas como la agregación de datos o
arquitecturas particulares para optimizar el número de mensajes
enviados (reduciendo así el consumo de energía de los nodos). La
actividad de la red 8 es gestionada por el concentrador de datos,
que planifica las tareas de los nodos (básicamente recoger datos del
entorno).
En el modo nómada los datos son recogidos por un
nodo 4 independientemente sin comunicarse con otros nodos. Cuando
un usuario móvil 6 se encuentra suficientemente cerca del nodo, el
último envía a través de una extensión de red 5 conectada
ocasionalmente al usuario 6 todos los datos recogidos. A
continuación el usuario móvil 6 se mueve en una zona donde podría
haber otros usuarios móviles: si se cruza con uno de ellos,
comparte "sobre la marcha" todos los datos recogidos. Cada vez
que un usuario móvil 6 alcanza un concentrador de datos, le reenvía
todos los datos que ha recogido durante su desplazamiento.
La arquitectura de red de acuerdo con la
invención se compone de cuatro tipos diferentes de dispositivos
como se muestra en la fig. 1. Sus enlaces respectivos se representan
de acuerdo con los estándares UML como sigue:
- -
- Las líneas que terminan con un triángulo tipo flecha (véase el nodo de red estático 11) significan una relación de herencia o dependencia jerárquica entre nodos.
- -
- Las líneas que terminan con un rombo blanco significan una relación de agregación. Los dos objetos unidos por este rombo se agrupan lógicamente.
- -
- Las líneas que terminan con un rombo negro significan una relación de composición: cada instancia del objeto cercano a este rombo se compone de un determinado número de instancias de un objeto puntero.
- -
- El símbolo que comprende un rectángulo cuadrado (como entre los nodos 4 y 6) significa una interfaz física (llevando una de ellas el número de referencia 9). Los objetos unidos de esta manera pueden comunicarse unidireccionalmente, estando definida la dirección de comunicación por la flecha en el extremo de la línea.
- -
- Las notaciones "1", "...N" y "0...1" a lo largo de determinadas líneas de unión definen el número de instancias con los que un objeto coopera, es decir con exactamente una, por lo menos una o como máximo una instancia.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se describirán los elementos
esenciales de la red de acuerdo con la invención:
- Cada uno de los nodos 2 y 4 comprende por lo menos un transceptor, una capacidad de computación adecuada, una memoria y por lo menos un componente que actúa como fuente de datos. Operan bien en el modo multisalto o en el nómada. Ambos se derivan del nodo de red estático conceptual, destinado a cooperar con por lo menos una fuente de datos 3 y uno o más transceptores de corto alcance.
\vskip1.000000\baselineskip
Los nodos de usuario móvil 6 van montados en
unas unidades móviles que se mueven por toda la zona donde se
utiliza la arquitectura. Puede recoger datos de nodos, compartirlos
con otros usuarios móviles y a continuación reenviarlos al primer
concentrador de datos encontrado durante su movimiento.
Un concentrador de datos 1 puede comunicarse a
través de unas interfaces (flechas dobles negras en la fig. 1) con
todos los demás tipos de dispositivos que forman la red. Organiza la
comunicación con ellos y participa con los mismos como un elemento
activo.
Un centro operacional 7 es el destino final de
todas las informaciones recogidas por los usuarios móviles. Envía
sus consultas al concentrador de datos 1 y puede manejar la gran
cantidad de datos que recibe como respuesta de ellos.
Finalmente se prevén unos transceptores de corto
y largo alcance 10 y 12 para transmitir los datos dentro de la
red.
La sustitución parcial de la infraestructura de
red clásica con la movilidad de los usuarios móviles que recogen y
comparten datos, ofrece la solución al reto tecnológico de asegurar
la conectividad.
El modo nómada es el modo por defecto para cada
nodo, pero si un mensaje enviado originalmente desde un
concentrador de datos 1 llega a un nodo en el modo nómada
(directamente o indirectamente), el nodo conmuta al modo
multisalto, auto organizándose para unirse al clúster de ese
concentrador de datos e implicando a otros nodos finales adyacentes
al mismo y no conmutados todavía.
Si un fallo en la red hace que el concentrador
de datos 1 ya no pueda ser alcanzado por un determinado nodo en el
modo multisalto, este nodo conmuta al modo nómada. De manera que si
un número adecuado de usuarios móviles 6 garantiza la cobertura de
todos los nodos, la recogida de datos sigue adelante posiblemente
más despacio pero con éxito en cada nodo activo, y la pérdida de
datos se limita a los nodos defectuosos o que están fuera de
servicio.
La Fig. 2 muestra el flujo de datos entre un
concentrador de datos 1 y dos nodos 2 y 4. Tras una fase de
inicialización (no mostrada) ambos nodos se encuentran en el modo
nómada. Periódicamente el concentrador de datos 1 envía un mensaje
de consulta. Un nodo que recibe un mensaje de este tipo que se
encuentra en el modo nómada, conmuta al modo multisalto y a
continuación reenvía el mensaje recibido.
Si un nodo no recibe ningún acuse de recibo
dentro de un retardo dado ("tiempo de espera" T.O.) para la
consulta reenviada (véase el nodo 4), envía un mensaje de respuesta
al nodo del que venía el mensaje de consulta. Si un nodo recibe un
mensaje de respuesta, integra este mensaje en sus datos recogidos y
lo envía al nodo (o al concentrador de datos según sea el caso) que
había enviado el mensaje de consulta.
La Fig. 3 muestra el flujo de datos entre el
concentrador de datos 1, un nodo 2 en el modo multisalto, dos nodos
4, y 4' en el modo nómada y un usuario móvil 6. Periódicamente cada
usuario envía un mensaje de sondeo. Si un nodo en el modo nómada lo
recibe, este nodo transmite al usuario los datos que había recogido.
En este ejemplo sucede en el instante T_{x} entre el usuario y el
nodo 4' y en el instante T_{y} entre el usuario y el nodo 4.
Si un mensaje de sondeo enviado por el usuario
es recibido por un nodo 2 en el modo multisalto, será ignorado por
este nodo. Esto sucede aquí en el instante T_{z}.
Finalmente si el mensaje de sondeo emitido por
un usuario es recibido por un concentrador de datos, el último
responde con un mensaje de solicitud de volcado de datos señalando
así al usuario la presencia del concentrador de datos. Por
consiguiente el usuario envía al concentrador de datos toda la
información recogida que había reunido desde que se encontró con el
concentrador de datos anterior.
La Fig. 4 se aplica a la transferencia de datos
en caso de un nodo defectuoso 2' en el modo multisalto: debido al
nodo defectuoso 2' se rompe la comunicación entre el nodo 2'' (en el
modo multisalto) y su concentrador de datos relacionado. Por
consiguiente, puesto que el nodo 2'' no ha recibido ningún mensaje
de consulta dentro de un espacio de tiempo dado (T.O.), el propio
nodo 2'' conmuta al modo nómada y espera a un usuario 6 para que el
último recoja su información en el instante T_{x} y la envíe en el
instante T_{y} a un concentrador de datos (no necesariamente al
que se asocia el nodo, sino al que el usuario se acerque
primero).
Un nodo que haya sido conmutado al modo nómada
tras haber perdido la conexión a un concentrador de datos puede
conmutar nuevamente al modo multisalto cuando llegue allí un mensaje
de consulta como se ha descrito en base a la fig. 3.
Un usuario móvil 6 recoge datos de unos sensores
de bajo coste, transporta esos datos durante su movimiento y los
intercambia/comparte con la comunidad de usuarios móviles que
pueblan esa zona. Los usuarios móviles pueden recoger datos del
concentrador 1, integrando su conocimiento del entorno circundante
con el recogido por las subredes multisalto. Como compensación por
su ayuda en la recogida, transporte y compartición de la
información un usuario móvil recibe continuamente informaciones
actualizadas relacionadas con una cobertura de servicio geográfica
más amplias que la que puede obtener actuando sólo. Al mismo tiempo,
las administraciones locales o terceras partes pueden aprovechar la
existencia de este servicio, para mejorar los servicios
públicos/privados existentes o para ofrecer a los ciudadanos un
nuevo tipo de servicios.
Una ventaja adicional de la red de acuerdo con
la invención sobre el estado de la técnica reside en el hecho de
que ayuda a obviar el problema de las particiones de la red
permanentemente conectada (consecuencia de los nodos defectuosos),
aprovechando la capacidad de los usuarios móviles de difundir
datos.
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet EP 1686735 A
- \bullet WO 2004073257 A
\bullet EP 1715651 A
Claims (7)
1. Arquitectura de red para la comunicación de
datos entre fuentes de datos y destinos de datos a través de uno
nodos de red y por lo menos un concentrador de datos, en la que
dichos nodos (2, 4) se comunican con el concentrador de datos (1)
en ambas direcciones bien a través de una red permanentemente
operativa (8) en el modo multisalto o a través de una red operativa
ocasionalmente (5) en el modo nómada, en una conexión inalámbrica
con unos nodos de usuario móvil (6) caracterizada por
que:
- \bullet
- dicho concentrador de datos puede comunicarse con todos los dispositivos que forman dicha arquitectura de red,
- \bullet
- dichos nodos comprenden unos medios de conmutación para conmutar al modo multisalto y unos medios para implicar, en dicha arquitectura de red, a posibles nodos nómadas adyacentes
- \bullet
- dicha arquitectura de red comprende unos medios para detectar nodos multisalto defectuosos y
- \bullet
- dichos nodos comprenden unos medios para conmutar a nodos nómadas en caso de que el concentrador de datos no pueda alcanzarse
- \bullet
- dichos nodos en el modo nómada comprenden unos medios para transmitir los datos recogidos a un usuario en respuesta a un mensaje de sondeo periódico desde un nodo de usuario móvil
- \bullet
- dicho concentrador de datos comprende unos medios para enviar un mensaje de solicitud de volcado de datos para señalar a dicho usuario la presencia de dicho concentrador de datos en respuesta a la recepción de un mensaje de sondeo emitido por el usuario.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Arquitectura de red según la reivindicación
1, en la que dichos medios para implicar posibles nodos nómadas
adyacentes comprenden unos medios para enviar periódicamente señales
de consulta a través de una red conectada permanentemente.
3. Arquitectura de red según la reivindicación
2, en la que dichos nodos comprenden unos medios para organizarse a
sí mismos en una red inalámbrica conectada permanentemente
jerárquica.
4. Arquitectura de red según la reivindicación
3, en la que la conmutación del modo multisalto al modo nómada se
efectúa tan pronto como dejan de detectarse las señales de consulta
periódicas.
5. Arquitectura de red según la reivindicación
4, en la que dichos nodos de usuario móvil comprenden unos medios
para almacenar los datos recibidos desde un nodo en el modo nómada y
para reenviar estos datos al siguiente concentrador de datos en el
intervalo de comunicación.
6. Arquitectura de red según la reivindicación
5, en la que dichos nodos de usuario móvil comprenden unos medios
para compartir los datos recogidos con otros nodos de usuario en el
intervalo de comunicación, formado así una red punto a punto.
7. Método de comunicación entre fuentes de datos
y destinos de datos a través de unos nodos de red y por lo menos un
concentrador de datos, en el que dichos nodos (2, 4) se comunican
con el concentrador de datos (1) en ambas direcciones bien a través
de una red permanentemente operativa (8) en el modo multisalto o a
través de una red operativa ocasionalmente (5) en el modo nómada, en
una conexión inalámbrica con unos nodos de usuario móvil (6),
estando dicho método caracterizado porque comprende:
- \bullet
- una fase de inicialización donde los nodos se encuentran en el modo nómada
- \bullet
- un concentrador de datos que envía periódicamente unos mensajes de consulta
- \bullet
- un nodo que se conmuta a un modo multisalto y que reenvía el mensaje recibido a un nodo vecino, al recibir dicho mensaje de consulta enviado por dicho concentrador de datos
- \bullet
- cuando un nodo no recibe un acuse de recibo dentro de un tiempo predeterminado para dicho mensaje de consulta reenviado, dicho nodo envía un mensaje de respuesta al nodo del que venía dicho mensaje de consulta
- \bullet
- cuando dicho nodo del que venía dicho mensaje de consulta, recibe dicho mensaje de respuesta, integra dicho mensaje de respuesta en los datos recogidos disponibles en dicho nodo del que venía dicho mensaje de consulta y lo envía al nodo que originalmente envió el mensaje de consulta
- \bullet
- dicho nodo en el modo multisalto que conmuta al modo nómada cuando el concentrador de datos ya no puede alcanzarse
- \bullet
- dicho nodo en el modo nómada que transmite los datos recogidos a un usuario en respuesta a un mensaje de sondeo periódico transmitido por el usuario
- \bullet
- dicho concentrador de datos que envía un mensaje de solicitud de volcado de datos para señalar a dicho usuario la presencia de dicho concentrador de datos en respuesta a la recepción de un mensaje de sondeo emitido por el usuario.
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| ES2341966T3 true ES2341966T3 (es) | 2010-06-30 |
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| ES05028181T Expired - Lifetime ES2341966T3 (es) | 2005-12-22 | 2005-12-22 | Arquitectura de red para la comunicacion de datos. |
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