СООБЩЕНИЕ О СВОБОДНОМ КАНАЛЕ И ПОДДЕРЖКА ПОТЕРЯВШИХ СЕТЬ УЗЛОВ В БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ
FREE CHANNEL MESSAGE AND SUPPORT FOR LOST NETWORK NODES IN WIRELESS NETWORK

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение имеет отношение к определению рабочей информации в сети и, в частности (но не только), к способам и системам для определения такой информации в беспроводной сети с множеством транзитных участков.
Предшествующий уровень техники
Подходящим форматом для осуществления связи в беспроводной сети является Спецификация ZigBee (053474r06) для дешевых, маломощных линий беспроводной радиосвязи, как определено ZigBee Alliance. Он использует функциональные возможности, описанные в Стандарте IEEE 802.15.4-2003. Связь между узлами осуществляется по одному из множества "физических каналов". Коммуникационная полоса частот в 2,4 Гц содержит 16 отдельных 802.15.4 каналов, таким образом, некоторое количество Персональных Сетей (PAN) может работать одновременно, каждая на ее собственном канале, и, таким образом, не создавая друг другу помех.
Больше чем одна PAN может использовать один канал, особенно если они расположены друг от друга на большом расстоянии (на удалении >10-100 м), или если обе имеют довольно низкие показатели используемости (малая загрузка).
Проблема с ZigBee состоит в том, что устройства WiFi также работают в диапазоне 2,4 Гц и трафик WiFi с трафиком ZigBee могут оказывать взаимные помехи. Сообщения WiFi могут быть переданы со значительно более высоким уровнем мощности, и логический канал WiFi так же широк, как несколько логических каналов ZigBee.
Для того чтобы две такие системы сосуществовали, была бы полезной возможность решить, какие каналы являются свободными, и предписывать сети, с которой имеют место взаимные помехи, (например, PAN ZigBee) работать на этих каналах.
Устройства ZigBee имеют способность оценивать, какие каналы являются свободными - они выполняют "Сканирование для обнаружения энергии", результатом которого является список, содержащий фоновый уровень мощности на каждом доступном канале. Вследствие этого было бы возможным для Координатора PAN выполнить сканирование и просто использовать самый свободный канал, но это не очень хорошо для большой сети, поскольку состояние канала изменяется в зависимости от местоположения, и в другой точке сети выбранный канал может быть непригодным.
В идеале, Координатор PAN (или другой пусконаладочный инструмент) мог бы связаться с каждым устройством в сети, и запросить результаты сканирования энергии. К сожалению, это возможно только, если между всеми устройствами задействована надежная связь, и в каковом случае отсутствует какая-либо необходимость изменения. В настоящее время не существует хорошего решения для получения уровней энергии от устройств, для которых уже не существует надежного соединения.
Сеть также должна обрабатывать ситуацию, где устройство является потерявшим сеть (не способным общаться с сетью) из-за локальной проблемы связи. Это могло бы быть, например, из-за маршрутизатора WiFi, установленного поблизости. Устройство, потерявшее сеть, так или иначе, должно вновь установить связь с сетью, чтобы сообщить Координатору PAN о том, что оно не способно надежно осуществлять связь по текущему каналу.
Сущность изобретения
Задачей данного изобретения является усовершенствование решений предшествующего уровня техники.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусмотрено устройство, предназначенное для осуществления беспроводной связи с, по меньшей мере, одним узлом в беспроводной сети, при этом устройство выполнено с возможностью:
обнаруживать проблему со связью;
осуществлять анализ локальных условий, согласно предопределенным критериям, и формировать сообщение о состоянии сетевой среды, полученное по результатам анализа; и
осуществлять широковещательную рассылку этого сообщения о состоянии сетевой среды.
В сети ZigBee устройство регулярно осуществляет связь с, по меньшей мере, с одним узлом в PAN: обычно это его родитель. Если обнаружена проблема со связью, устройство предпочтительно выполнено с возможностью автономно выполнить процедуру, чтобы вновь найти сеть. В варианте осуществления, который будет описан, если устройство не способно осуществлять связь, оно входит во временный режим работы при отказе, пока эта проблема не может быть исправлена. Устройство, соответственно, выполнено с возможностью осуществлять анализ локальных условий для того, чтобы содействовать как самому себе, так и сети найти подходящий альтернативный канал, и, если устройство не способно немедленно повторно соединиться, оно осуществляет широковещательную рассылку результата своего анализа в виде сообщения о состоянии Сетевой Среды (NES) в надежде на то, что другое устройство в сети услышит его. Преимущества этого подхода заключаются в том, что:
посылается минимальное число сообщений, гарантируя, что сеть не переполнится в результате попытки исправить проблему со связью;
энергия батареи питания сохраняется в максимально возможной степени.
Когда устройство потеряло сеть, оно в состоянии работать автономно как в его процедуре воссоединения с сетью, так и при использовании им режима работы при отказе.
В необязательном порядке, чтобы помочь устройствам, желающим воссоединиться с сетью, узлы сети, функционирующие как Маршрутизаторы, могут временно работать на множестве каналов, что позволяет им выступать в роли моста между потерявшими сеть узлами и остальной частью сети. При такой организации, если в сети не существует никакого совокупного управляющего или координирующего узла, Маршрутизатор может осуществлять связь с другими Маршрутизаторами, чтобы обеспечить изменение канала сети.
Аспекты изобретения действительны для всех трех типов устройства ZigBee - Оконечного устройства, Маршрутизатора и Координатора - и нижеследующее описание вариантов осуществления описывает процедуру, которой каждый такой тип устройства может соответственно следовать при его отсоединении от остальной части сети.
Перечень фигур чертежей
Варианты осуществления изобретения будут теперь описаны, только посредством примера, и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 является снабженной комментариями логической блок-схемой, иллюстрирующей процедуры, направленные на решение проблем со связью, в оконечном устройстве в беспроводной сети;
фиг.2 является снабженной комментариями логической блок-схемой, иллюстрирующей процедуры, направленные на решение проблем со связью в маршрутизаторе в беспроводной сети; и
фиг.3 является снабженной комментариями логической блок-схемой, иллюстрирующей процедуры, направленные на решение проблем со связью в узле-координаторе в беспроводной сети.
Варианты осуществления изобретения
Логические блок-схемы по фиг.1-3 (которые связываются в единую логическую блок-схему) показывают вспомогательные этапы общего процесса, сгруппированные вместе и пронумерованные с 1 по 16. Соответствующим образом пронумерованные пояснительные комментарии ниже подробно описывают особенности процесса в каждом из вспомогательных шагов.
Этап 1.
Это состояние по умолчанию для оконечного Устройства, что проиллюстрировано на фиг.1. Если оно не посылает сообщение или не ожидает получения сообщения, оно находится в режиме ожидания. Это позволяет ему сохранять энергию. Режим ожидания остановлен, например, когда оконечное устройство должно отправить Сообщение или Опрос.
Этап 2.
Когда опрос или сообщение отправлено, устройство ждет подтверждение, указывающее, что сообщение было успешно принято.
Этап 3.
Счетчик MsgNotRcvd (сообщение не принято) показывает количество неудавшихся передач сообщения. Это сообщения, которые были посланы и для которых подтверждения не приняты. Счетчик использован для указания того, имеется ли проблема со связью. В данном случае Счетчик MsgNotRcvd устанавливается на 0, когда принято либо поступающее сообщение, либо подтверждение посланного сообщения. Прием сообщения или подтверждения показывает успешную связь.
Этап 4.
Если счетчик MsgNotRvcd меньше, чем заданный предел (например, 5), устройство пробует повторно послать сообщение. Если он имеет значение 5 или выше, это указывает на существенное количество неудавшихся передач, и что устройство, вероятно, отсоединено от сети. Процедура для разрешения этого должна быть запущена.
Этап 5.
Когда узел потерял сеть, он должен вернуться к режиму работы при отказе, используемому по умолчанию, и затем выполнить алгоритм для воссоединения с сетью. Точное поведение устройства будет зависеть от функции, которую это устройство предназначено выполнять. Если, например, модуль освещения потерял сеть и не способен услышать запросы на включение/выключение, он может остаться во включенном состоянии до момента времени, пока он не окажется в состоянии осуществлять связь с остальной частью сети.
Этап 6.
Сканирование на предмет потери сети показывает сети, что устройство потеряло сеть, и что оно желает подсоединиться заново. Это сканирование на предмет потери сети может начаться со сканирования по текущему каналу, например, передачей сигнала маяка или специального сообщения по этому каналу. В таком случае, если не было найдено никакого итогового результата, сканирование выполняется в отношении всех каналов. Если выполнено обращение к остальной части сети, то устройство перейдет на успешный канал (то есть останется на текущем канале или перейдет на другой), и возвратится в режим ожидания по этапу 1.
Этап 7.
ED-Сканирование ("Сканирование для обнаружения энергии") определяет объем местных помех на всех каналах. Из этого мы также в состоянии определить самый оптимальный местный канал для работы. Это позволяет получить отчет об условиях передачи относительно качества каждого канала.
Этап 8.
Если устройство выполняет ED-сканирование и не обнаруживает никаких местных помех, должна быть другая проблема, которая воздействует на связь, например:
а) Родительское устройство заблокировано
б) Большой объект сократил дальность функционирования
в) Родительское устройство перемещено
г) Оконечное устройство перемещено.
Оконечное устройство должно выполнить широковещательную рассылку своего сообщения NES (см. этап 9) и затем перейти в режим ожидания прежде, чем снова осуществить попытку повторного соединения.
Этап 9.
При определенных обстоятельствах помехи затрагивают прием, но не затрагивают передачу. Если дело обстоит так, устройство, которое затронуто помехами, может быть способным "кричать" (выполнять широковещательную рассылку) поверх шума и все еще может быть услышанным другим устройством в сети, которое само по себе не затронуто теми же самыми помехами. Это показано сообщением B на фиг.1. Когда такое сообщение принято, тогда этим Маршрутизатором предпринимается действие, чтобы содействовать устройству в воссоединении с сетью.
Сообщение, которое послано (так же известное, как сообщение о состоянии Сетевой Среды или NES), будет состоять из данных из местного сканирования энергии и будет указывать самый благоприятный канал для связи, обнаруженный в течение "сканирования на предмет потери сети", на этапе 6.
Этап 10.
Если в сети имеется Координатор, Устройство-Маршрутизатор пошлет этому Координатору запрос на изменение канала, включая информацию из сообщения NES, как показано на фиг.2. (Примечание: этот шаг является необязательным - если нет никакого Координатора, то непосредственно Маршрутизатор обеспечит изменение канала, осуществляя связь с другими Маршрутизаторами для определения наилучшего нового канала).
Этап 11.
Если невозможно изменить канал для всей сети, родительское устройство может временно работать на множестве каналов. Это означало бы, что любые потерявшие сеть устройства будут способны воссоединиться с сетью, используя альтернативный канал, пока родительское устройство продолжает осуществлять связь с остальной частью сети, используя первоначальную частоту. Алгоритму временного интервала для того, чтобы позволять родителю обслуживать сообщения на обоих каналах, потребуется стратегия квантования времени.
В дополнение к многоканальной работе, устройство могло бы запросить, чтобы его родитель работал на обоих каналах, таким образом увеличивая сегмент сети, использующий новую частоту. Этот запрос был бы распространен в максимально возможной степени по сети с целью переключения как можно большего количества устройств на новый канал. Это содействовало бы координатору в изменении канала во всей сети.
Этап 12.
Как показано на фиг.3, широковещательная рассылка запроса осуществляется ко всем Маршрутизаторам для выполнения местного ED-сканирования, чтобы определить наилучший канал и сообщить об этом обратно Координатору. Маршрутизатор может самостоятельно выполнить ED-сканирование или запросить информацию от его дочерних устройств и для подачи ее обратно Координатору. Как только Координатор принимает результаты этих сканирований (он может не ждать ответы от всех Маршрутизаторов), он определяет канал, являющийся самым подходящим для всей сети, и осуществляет широковещательную рассылку уведомления об изменении канала.
Этап 13.
Кроме того, Координатор периодически выполняет ED- сканирование, например, в отношении текущего канала, чтобы обнаружить, существует ли какая-нибудь местная помеха. Для этого могут использоваться альтернативные методики.
Этап 14.
Устройства-маршрутизаторы также проверяют то, что посланные сообщения подтверждены, как показано на фиг.2. Снова счетчик MsgNotRcvd указывает количество сообщений, которые не были успешно отправлены. Этот этап может быть подобным Этапу 2.
Этап 15.
Если сообщение не будет успешно отправлено, то Маршрутизатор будет пробовать и отправлять его снова. Это также может потребовать поиска альтернативного маршрута. Это актуально, особенно если количество неудачных отправок не слишком высоко, например ниже 5, иначе это может вызвать переполнение сети этими повторными сообщениями и высокий расход энергии.
Этап 16.
Если Маршрутизатор не способен осуществлять связь, например, если количество неудачных передач выше предопределенного порога, он также осуществляет широковещательную рассылку сообщения NES таким же способом, как на этапах 6-9.
Чтобы осуществить вышеупомянутое, требуются пять новых сообщений Zigbee:
ChannelScanRequest
Широко вещается Координатором PAN на все Маршрутизаторы, запрашивая их выполнить местное сканирование энергии и возвратить результаты.
ChannelChangeRequest
Передается родительским устройством (Маршрутизатора) Координатору PAN, запрашивая, чтобы он изменил канал сети.
DenyChannelChange
Передается Координатором PAN Маршрутизатору, сообщая ему о том, что он не может изменить канал.
ChannelChangeNotification
Широко вещается Координатором PAN, уведомляя все устройства о том, что они должны изменить канал.
NES (Состояние Сетевой Среды)
Широко вещается устройством, потерявшим сеть. Она содержит данные о местном окружении, сгенерированные сканированием для обнаружения энергии, и указывает самый благоприятный канал.
Самым легким способом собирать результаты сканирования является мобильный пусконаладочный инструмент, который подлежит ношению повсюду и устанавливается для прослушивания широковещательных сообщений. Любые такие принятые сообщения, содержащие результаты сканирования, регистрируются и сортируются.
Проблема с этим заключается в том, что это требует, чтобы кто-то повсюду нашел этот инструмент. Можно было бы предложить альтернативный механизм, посредством которого любое устройство, которое слышит широковещательное сообщение, содержащее результаты сканирования для обнаружения энергии (NES), было бы выполнено с возможностью передачи копии данных его собственному Координатору PAN. Очевидно, что это не сработало бы для устройств в областях, где сигнал быстро ухудшился, поскольку они также не будут в состоянии осуществлять связь на нормальном канале. Тем не менее устройства на самом краю области, на которую оказывается воздействие (где бы ни был край), в состоянии осуществлять связь, но также и в состоянии слышать широковещательные сообщения. Таким образом, указание того, что некоторый канал не может использоваться одним или более устройствами в PAN, правильно доставляется назад Координатору PAN, который может предпринять автоматизированные или полуавтоматизированные шаги, чтобы исправить ситуацию.
Из прочтения настоящего раскрытия другие разновидности и модификации будут очевидны для специалистов. Такие разновидности и модификации могут задействовать эквивалентные и другие признаки, которые уже известны в технике, и которые могут использоваться вместо или в дополнение к признакам, которые уже здесь описаны.
Хотя формула изобретения сформулирована в этой заявке с привлечением конкретных совокупностей признаков, должно иметься в виду, что объем, соответствующий раскрытию настоящего изобретения, также включает в себя любой новый признак или любую новую комбинацию признаков, раскрытых здесь либо явно, либо неявно, или любые их обобщения, независимо от того, относятся ли они к тому же самому изобретению, что заявлено в настоящее время в каком-либо пункте Формулы изобретения, и от того, снижают ли они какие-либо или все из тех же самых технических проблем, что и настоящее изобретение.
Признаки, которые описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, можно также предусмотреть в комбинации в отдельном варианте осуществления. Наоборот, различные признаки, которые, для краткости, описаны в контексте отдельного варианта осуществления, можно также предусмотреть по отдельности или в любой подходящей подкомбинации. Заявители, тем самым, уведомляют о том, что на основе таких признаков и/или комбинаций таких признаков могут быть сформулированы новые пункты формулы изобретения в течение рассмотрения настоящей заявки или заявки, выделенной из нее.