Компьютерно-реализуемый комбинированный способ множественного доступа в сети LPWAN между абонентскими станциями и базовой станцией
COMPUTER-IMPLEMENTED COMBINED METHOD OF MULTIPLE ACCESS IN LPWAN NETWORK BETWEEN SUBSCRIBER STATIONS AND A BASE STATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к средствам приема/передачи данных в системах беспроводной связи и, более конкретно, к комбинированным методам множественного доступа в сети LPWAN.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Сеть LPWAN (англ. Low-power Wide-area Network — «энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия») — беспроводная технология передачи небольших по объёму данных на дальние расстояния, разработанная для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей. LPWAN является одной из беспроводных технологий, обеспечивающих среду сбора данных с различного оборудования: датчиков, счётчиков и сенсоров.
Технология LPWAN ориентирована на приложения, требующие гарантированной передачи небольшого объёма данных, возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания, большого территориального охвата беспроводной сетью. Основными областями применения технологии LPWAN являются беспроводные сенсорные сети, автоматизация сбора показаний приборов учета, системы промышленного мониторинга и управления.
Примеры использования LPWAN
Сейчас LPWAN-технологии широко используются в отслеживании активов, управлении зданиями, реализации концепции «умный город», умном учете ресурсов и т.д. Аналитики Berg Insight отмечают, что LPWAN будут активно использоваться в сельском хозяйстве, особенно в местностях, не охваченной мобильной связью.
Например, сеть IoT с использованием наземных каналов – базовых станций LPWAN от Actility и спутникового канала (для передачи информации от базовой станции в интернет) в феврале 2017 года запустил глобальный провайдер спутниковой связи компания Inmarsat.
Реализация такого проекта позволит более эффективно выращивать масленичную пальму в Малайзии. Плантации, как правило, находятся вдали от цивилизации. Датчики соберут информацию о влажности почвы на угодьях, у корней растений, проанализируют количество пресной воды в резервуарах, позволят экономно расходовать ресурсы и увеличить урожайность этой агрокультуры.
Фермерам на удаленных фермах в Австралии отныне не придется тратить много времени на определение местонахождения, параметров здоровья и других важных показателей крупного рогатого скота. Как правило, добраться до некоторых ранчо можно только авиацией, поэтому услуги ветеринара не всегда доступны. Использование LPWAN и спутниковой связи решит эту проблему.
Пригодится такое решение и на нефтяных платформах в море. С помощью датчиков и предиктивной аналитики можно будет оперативно определить потенциальные точки сбоя и вовремя провести профилактику. Это убережет компании от простоев, ежедневные убытки от которых исчисляются миллионами долларов.
Из уровня техники известна система для обеспечения помощи геолокации узловых устройств асинхронной радиочастотной сети (EP 3273271 A1 (BOUDAUD Stephane), опубл. 24.01.2018) в которой осуществляется передача данных по беспроводной связи через сеть LPWAN.
Недостатком данного решения является отсутствие возможности комбинированного доступа в сети LPWAN, что может приводить к возникновениям коллизий в сети, (когда два или более устройств выбирают пересекающиеся частотно-временные каналы).
Известны также решения, обеспечивающие передачу данных в сетях LPWAN. Такие решения, например, раскрыты в следующих документах: US 9652955 B1, US 20130080817 A1, US 20120195253 A1.
Указанные выше решения, известные из уровня техники, также не имеют возможность комбинированного метода множественного доступа в сети LPWAN, что может приводить к возникновениям коллизий в сети, (когда два или более устройств выбирают пересекающиеся частотно-временные каналы).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение эффективности передачи в маломощной сети с широкой территорией охвата LPWAN (low-power wide-area network) с использованием узкополосных сигналов, т.е. уменьшение вероятности возникновения коллизии и увеличение числа успешно-принятых сообщений как при незначительной загрузке сети, так и при большой загрузке сети, благодаря комбинированному использованию случайного и детерминированного методов доступа к среде передачи данных в сети LPWAN.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения комбинированного метода множественного доступа абонентским станциям в сети LPWAN.
В предпочтительном варианте реализации заявлен компьютерно-реализуемый комбинированный способ множественного доступа абонентских станций (АС) к базовой станции (БС) в сети LPWAN, заключающийся в выполнении этапов, на которых: АС отправляет запрос на БС, для каждой попытки передачи запроса выбирается случайная частота из диапазона случайного доступа. БС принимает запрос в данном диапазоне случайного доступа, затем каждой АС, обратившейся к БС, в диапазоне детерминированного доступа назначается определенный поддиапазон канальных ресурсов в частотно-временной области, что образует ресурсный блок, выделяемый АС планировщиком БС, для предотвращения интерференции между сигналами различных абонентских каналов планировщик располагает ресурсные блоки обслуживания АС на максимально возможном расстоянии друг от друга, увеличивая при этом разность между частотно-временными ресурсами для различных абонентских станций, БС отправляет информацию о распределении ресурсов в каждом слоте в виде расписания на АС, и согласно этому расписанию обеспечивается доступ АС к БС.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
Реализация изобретения описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения.
К заявке прилагаются следующие чертежи:
Фиг. 1 иллюстрирует частотно-временную характеристику комбинированного механизма планирования передачи данных в сети LPWAN.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.
Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.
Настоящее изобретение направлено на обеспечение комбинированного метода множественного доступа в сети LPWAN.
Для экономии энергии в абонентских станциях предусматриваются два режима энергосбережения – спящий режима и режим ожидания. Спящий режим означает, что АС остается зарегистрированной в сети (в списке абонентов какой-либо БС), но недоступна для приема/передачи. Этот режим не только снижает энергопотребление АС, но и экономит канальные ресурсы базовой станции – "спящую" АС не надо обслуживать. Переход в режим ожидания и работа в нем включает несколько шагов: инициацию ждущего режима, синхронизацию с БС занятости канала, установление интервалов для прослушивания (для АС) и передачи (для БС) сообщений, собственно передачу сообщений от АС или БС (к БС или АС соответственно) и прекращение режима ожидания. Инициация режима возможна после того, как АС передаст специальное сообщение БС о переходе в ждущий режим; после чего БС извещает абонентские станции о занятости среды с помощью посылки пакета, в котором определяется статус канала. Если канал занят, то станции ждут случайный промежуток времени для последующей передачи. В беспроводных сетях связи запросы на сетевые обмены у устройств появляются асинхронно, а среда передачи данных общая, в результате чего возникает проблема разделения общей среды между многими устройствами, другими словами, проблема обеспечения доступа к сети.
Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями.
Управление доступом к среде – это установление последовательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.
Различают случайные и детерминированные методы доступа к среде передачи данных. Подробно - И.П. Норенков, В.А. Трудоношин  «Телекоммуникационные технологии и сети», Москва, 1999г, глава 4, п.1.
Алгоритм детерминированного доступа более эффективен алгоритма случайного доступа при большой загрузке сети, когда коэффициент использования приближается к единице. В то же время при небольшой загрузке сети более эффективным являются алгоритм случайного доступа, так как незначительна вероятность возникновения коллизии.
В сети LPWAN при передаче данных от небольшого числа абонентских станций до базовой станции вероятность коллизии (когда два или более устройств выбирают пересекающиеся частотно-временные каналы) незначительная. При этом, как правило, отсутствует механизм согласования сеансов связи, и радиочастота выбирается конечным узлом из доступного диапазона случайным образом (используются протоколы MAC уровня ALOHA с произвольным доступом, в котором конечные устройства передают информацию без протокола канального уровня).
Когда абонентской станции нужно передать сообщение, оно выбирает случайный частотный канал и случайную отсрочку по времени из определенного интервала. C ростом числа устройств в сети увеличивается вероятность возникновения коллизии, что приводит к уменьшению вероятности успешного приема, а значит к уменьшению числа успешно принятых сообщений.
Комбинированный метод множественного доступа в сети LPWAN позволяет согласовать передачу сообщений от множества абонентских станций базовой станции в сети LPWAN, благодаря использованию модуля управления радиоресурсами, называемого планировщиком (англ. Scheduler).
min
max
min
max
n
n+1
k
k+1
На фиг. 1 рассмотрено подробное описание работы: в случае необходимости обслуживания базовой станцией абонентская станция (АС2_1 или АС1_2) отправляет запрос на БС (при этом для каждой попытки передачи запроса выбирается случайная частота из диапазона [RACH, RACH]), БС принимает запрос в данном диапазоне случайного доступа, затем каждой абонентской станции (АС) в диапазоне детерминированного доступа [DACH, DACH]  назначает определенный поддиапазон канальных ресурсов в частотно - временной области (ресурсная сетка). Ячейка ресурсной сетки соответствует одной поднесущей в частотной области [f, f] и одному делению –во временной [t, t]. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок – минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок - это минимальный ресурсный элемент, выделяемый абонентской станции планировщиком базовой станции. Для предотвращения интерференции между сигналами различных абонентских каналов планировщик располагает ресурсные блоки обслуживания АС на максимально возможном расстоянии, т.е. увеличивает разность между частотно-временными ресурсами для различных абонентских станций (АС2_1, АС1_2).  О распределении ресурсов в каждом слоте базовая станция сообщает в виде расписания, отправляемого абонентской станции. Согласно этому расписанию происходит обслуживание АС (АС2_1, АС1_2) базовой станцией.
В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.