ВРЕМЕННАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ МНОЖЕСТВА РАЗЛИЧНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ
TIME SYNCHRONISATION OF MULTIPLE DIFFERENT WIRELESS NETWORKS

Область техники изобретения
Изобретение относится к области беспроводных сетей, а в частности к области временной синхронизации беспроводных сетей нательных датчиков.
Уровень техники изобретения
Почти все применения беспроводной сети нательных датчиков требуют синхронизации данных, исходящих от различных узлов-датчиков. Протоколы временной синхронизации, такие как протокол временной синхронизации лавинной адресации (FTSP), предоставляют решение для синхронизации всех узлов, принадлежащих одной и той же сети. FTSP полагается на времязадающий блок, который периодически транслирует сообщения временной синхронизации, которые помечены по времени на MAC-уровне. Принимающие узлы сверяют свое локальное время поступления сообщения временной синхронизации с временной меткой, содержащейся в сообщении временной синхронизации, и используют ее для оценки фазового сдвига тактовых сигналов относительно времязадающего блока, чтобы синхронизировать свои часы.
Маломощные низкоскоростные технологии радиосвязи, такие как IEEE 802.15.4/ZigBee предназначены для объединения датчиков в беспроводную сеть, а также в качестве первоначального выбора для применений сети нательных датчиков. Однако совокупная физическая скорость необработанных данных IEEE 802.15.4 / ZigBee ограничена 250 кбит/с на канал, которая переводится в используемую полосу пропускания для применений приблизительно в 100 кбит/с или 13 кбайт/с. Таким образом, применения, требующие большей пропускной способности (такие как системы захвата движений тела, EEG, EMG), как правило, разделяют систему на множество отдельных сетей, работающих на различных радиоканалах.
Это поднимает проблему временной синхронизации между сетями, работающими на различных каналах. Применение протокола FTSP без изменений потребует наличия одного времязадающего блока для каждой сети и синхронизации всех времязадающих блоков друг с другом, что ведет к сложному и запутанному решению.
Сущность изобретения
Целью изобретения является предоставление возможности временной синхронизации множества различных беспроводных сетей легким, эффективным и надежным образом.
Эта цель удовлетворяется способом временной синхронизации множества различных беспроводных сетей, каждая сеть содержит, по меньшей мере, один датчик данных для измерения данных и шлюз, которому измеренные данные отправляются, в котором используется общий времязадающий блок, который транслирует сообщения временной синхронизации во все задействованные сети.
Соответственно, основной идеей изобретения является использование общего времязадающего блока, который отвечает за временную синхронизацию всех сетей. Таким образом, согласно изобретению только один времязадающий блок используется для всех сетей вместо отдельного времязадающего блока для каждой сети. Это обеспечивает очень простую конструкцию системы, поскольку требуется только один времязадающий блок, и, таким образом, синхронизация между различными времязадающими блоками различных сетей не нужна. Кроме того, нет необходимости изменять реализацию протокола какого-либо узла-датчика, т.е. датчиков данных. Что касается узла-датчика, один и только один времязадающий блок выступает в качестве его локального времязадающего блока - он не увидит какой-либо разницы. В результате без изменения узлы-датчики могут использоваться для применений, затрагивающих только одну сеть или множество сетей.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, для одной беспроводной сети используется множество датчиков данных. Наиболее предпочтительно, все беспроводные сети содержат множество датчиков данных, которые требуют синхронизации.
Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения различные беспроводные сети работают на различных радиоканалах. Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения сообщения временной синхронизации отправляются по различным радиоканалам, предпочтительно по радиоканалам, которые относятся к соответствующим беспроводным сетям. В этом отношении дополнительно предпочтительно, чтобы использовались только такие радиоканалы, на которых работают задействованные беспроводные сети. Таким образом, неиспользуемые радиоканалы пропускаются.
Как правило, сообщения временной синхронизации могут отправляться различными способами в соответствующие беспроводные сети. Однако согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения сообщения временной синхронизации последовательно отправляются в различные беспроводные сети. Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления сообщения временной синхронизации отправляются периодическим образом. В этом отношении также предпочтительно, чтобы временные интервалы, в которых сообщения синхронизации отправляются, были конкретными для каждой отдельной беспроводной сети. Соответственно, таким образом, синхронизация может быть индивидуально приспособлена под требования соответствующих беспроводных сетей.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, одна из беспроводных сетей является маломощной сетью, предпочтительно все беспроводные сети являются маломощными сетями, например сетями ZigBee.
Изобретение особенно полезно для беспроводных сетей нательных датчиков. Это означает, что согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения беспроводные сети, каждая, содержат множество носимых на теле датчиков данных. Эти датчики данных могут носиться одним человеком. Однако, также предпочтительно, чтобы использовались две или более сети нательных датчиков, которые принадлежат разным людям.
Более того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения общий времязадающий блок может использоваться для дополнительных функций. Это означает, что дополнительно к трансляции сообщений временной синхронизации во все сети, согласно этому предпочтительному варианту осуществления изобретения, времязадающий блок используется для трансляции дополнительной информации, по меньшей мере, в одну, предпочтительно во все, задействованные беспроводные сети. В частности, времязадающий блок может передавать сетевую управляющую информацию, уместную для всех сетей, например список свободных каналов без помех и т.д.
Вышеупомянутая цель дополнительно удовлетворяется совокупностью множества различных беспроводных сетей, каждая сеть содержит, по меньшей мере, один датчик данных для измерения данных и шлюз для приема измеренных данных от датчика данных, в которой предусмотрен общий времязадающий блок, который приспособлен для транслирования сообщений временной синхронизации во все задействованные сети.
Предпочтительные варианты осуществления этой совокупности беспроводных сетей относятся к предпочтительным вариантам осуществления способа согласно изобретению, который изложен выше.
В частности, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения различные беспроводные сети приспособлены для работы на различных радиоканалах. Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, одна из беспроводных сетей является маломощной сетью. Предпочтительно все задействованные сети являются маломощными беспроводными сетями. В частности, предпочтительно, чтобы беспроводные сети были сетями нательных датчиков с множеством носимых на теле датчиков данных. Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено устройство для сбора данных, которое принимает данные от датчиков данных, предпочтительно через соответствующий шлюз каждой сети.
Предпочтительно, изобретение используется для следующих применений:
- все применения сети нательных датчиков, превышающие пропускную способность, доступную в одном канале (приблизительно 12 кбайт/с), например:
- системы EMG (электромиографии) для фиксации мышечной активности: 16 датчиков × 1000 замеров/с × 2 байта/на замер = 32 кбайт/с,
- системы EEG (электроэнцефалографии) для записи активности мозга: 24 канала × 512 замеров/с × 2 байта/на замер = 24 кбайт/с;
- полный захват движений человеческого тела для научных исследований движений (спортивные научные исследования, реабилитация, эргономика, исследования по биомеханике), анимации персонажа (кинофильмы, реклама, игры), виртуальной реальности (тренировка и имитация, реалистичное развлечение): 16 инерционных датчиков × 500 замеров/с × (2+2+2) байтов/на замер = 48 кбайт/с;
- все применения сети нательных датчиков, требующие синхронизации между множеством людей, например:
- системы захвата движений тела с инерционными датчиками для измерения синхронности групп (танцевальные ансамбли, синхронные прыжки, синхронные прыжки с парашютом и т.д., всадник/лошадь и т.д.);
- синхронизация множества беспроводных сетей датчиков, например:
- создание атмосферного освещения, освещение сцен.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты изобретения будут поняты и разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные далее в данном документе.
На чертежах:
Фиг.1 схематически показывает совокупность беспроводных сетей согласно первому варианту осуществления изобретения,
Фиг.2 схематически показывает совокупность беспроводных сетей согласно второму варианту осуществления изобретения, и
Фиг.3 показывает схему того, как времязадающий блок "блуждает" по каналам сетей для того, чтобы транслировать сообщения с временной меткой.
Подробное описание вариантов осуществления
Согласно изобретению предлагается использовать только один времязадающий блок для всех сетей, работающих на различных радиоканалах, вместо использования индивидуального времязадающего блока для каждой сети. Дополнительно, предпочтительным критерием является то, что один и только один времязадающий блок последовательно транслирует свои сообщения временной синхронизации по всем радиоканалам.
A
B
A
B
A
B
Фиг.1 схематически показывает совокупность беспроводных сетей согласно варианту осуществления изобретения. Здесь показан случай, в котором две отдельные сети A, B нательных датчиков, работающие по FTSP и на различных радиоканалах c и c, нуждаются в синхронизации. Сеть A работает по каналу c и состоит из четырех носимых на теле датчиков A.1, A.2, A.3, A.4, отправляющих свои показания шлюзу A.0. Дополнительно, сеть B работает по каналу c и состоит из четырех носимых на теле датчиков B.1, B.2, B.3, B.4, отправляющих свои показания шлюзу B.0. Предусмотрено устройство сбора данных DC, которое принимает от обоих шлюзов A.0 и B.0 данные от всех датчиков A.1, A.2, A.3, A.4, B.1, B.2, B.3, B.4. Времязадающий блок TM периодически транслирует сообщения с временной меткой поочередно в сеть A и сеть B. Для этого времязадающий блок TM переключается туда и обратно между двумя радиоканалами c и c.
Это предоставляет следующие преимущества: достигается простая конструкция системы, поскольку существует только один времязадающий блок TM, и, таким образом, синхронизация между времязадающими блоками различных сетей не нужна. Кроме того, нет необходимости изменять реализацию FTSP какого-либо датчика A.1, A.2, A.3, A.4, B.1, B.2, B.3, B.4. Что касается датчика A.1, A.2, A.3, A.4, B.1, B.2, B.3, B.4, один и только один времязадающий блок TM выступает в качестве его локального времязадающего блока - датчик не может видеть какой-либо разницы. В результате без изменения датчики A.1, A.2, A.3, A.4, B.1, B.2, B.3, B4 могут использоваться для применений, затрагивающих только одну сеть A или B или множество сетей A и B.
Тем же образом синхронизация между сетями нательных датчиков, принадлежащих разным людям P.1, P.2, может быть достигнута, как иллюстрировано на фиг.2 для применения, затрагивающего двух пользователей. В целом, конструкция и способ являются теми же, что и описанные выше, сети нательных датчиков только разделяются на двух разных людей P.1, P.2, человеку P.1 предоставляется одна сеть A, а человеку P.2 предоставляется другая сеть B.
Для сетей IEEE 802.15.4/ZigBee фиг.3 показывает возможную схему того, как времязадающий блок "блуждает" по всем 16 каналам 10-26 IEEE 802.15.4/ZigBee, чтобы транслировать сообщения с временной меткой, как описано в протоколе FTSP. Узлы-датчики различных сетей принимают сообщения с временной меткой со сдвигом по времени. Поскольку времязадающий блок всегда помечает по времени сообщение временной синхронизации при транслировании, сдвинутый по времени прием в различных сетях не влияет на точность FTSP-алгоритма. Узлы-датчики ("синхронизируемые по времени") реализуют протокол FTSP тем же образом, что и ранее. Для них это выглядит аналогично тому, что сообщения временной синхронизации выдаются из локального времязадающего блока, все время принадлежащего их собственной сети. Следовательно, решение согласно этому варианту осуществления изобретения работает без какого-либо изменения во всех FTSP-реализациях синхронизируемых по времени устройств.
Вместо "блуждания" по всем каналам и транслирования сообщений временной синхронизации времязадающий блок может хранить список идентификаторов сетей и соответствующих каналов. В этом случае времязадающий блок ограничивает трансляцию сообщений временной синхронизации сетями, которые находятся в его списке. Кроме того, список может содержать характерные для сети настройки интервала, в котором сообщения временной синхронизации отправляются. Таким образом, могут быть удовлетворены различные требования сетей с точки зрения точности. Кроме того, времязадающий блок может играть более общую роль в качестве менеджера всей сети. Вместо только транслирования сообщений временной синхронизации, в этом случае, времязадающий блок транслирует сетевую управляющую информацию, уместную для всех сетей, например список свободных каналов без помех.
В то время как изобретение было иллюстрировано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления.
Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники, применяющими на практике заявленное изобретение, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержит" не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. Простой факт того, что определенные средства упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, чтобы комбинация этих средств не может быть использована с преимуществом. Любые ссылочные символы в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем.