СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТИ СВЯЗИ
METHOD OF TRANSMITTING DATA IN COMMUNICATION NETWORK

Изобретение относится к способу для передачи данных в сети связи из множества узлов, а также к соответствующей сети связи.
В сетях связи из множества узлов, например в беспроводных сенсорных сетях, часто существует необходимость надежно передавать данные, собранные отдельными узлами, к соседним узлам в пределах дальности действия связи соответствующего узла. Поскольку каждому узлу известна только часть узлов сети, это может привести к конфликтам из-за того, что два узла, которые не находятся на дальности связи друг с другом, передают данные в один и тот же момент времени к тому же самому узлу, что приводит к столкновениям и потере этих данных.
В сетях связи часто применяется центральный узел в форме шлюза или центрального управления, в котором собирают данные от всех узлов. При этом, однако, является невыгодным, что передача данных при отказе центрального узла нарушается, и, кроме того, увеличивается нагрузка связи отдельных узлов в направлении центрального узла, так что узлы в пространственной или топологической близости к центральному узлу негативно влияют на срок службы и производительность сети.
Поэтому задачей изобретения является создание способа, с помощью которого можно просто и надежно передавать данные в сети связи между узлами.
Эта задача решается с помощью способа по п. 1 формулы изобретения или сети связи по п. 14 формулы изобретения. Дальнейшие варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В способе согласно изобретению определены или определяются на основе времени, синхронизированного для всех узлов сети связи, один или несколько последовательных интервалов, которые соответственно включают в себя группу первых временных сегментов и группу вторых временных сегментов, причем первые временные сегменты могут использоваться каждым узлом для передачи данных, а вторые временные сегменты могут быть зарезервированы соответствующим узлом, чтобы использоваться упомянутым соответствующим узлом для передачи данных. В предпочтительной форме выполнения первые временные сегменты представляют собой сами по себе известные CSMA-временные сегменты (CSMA = множественный доступ с контролем несущей), которые могут использоваться любым узлом, при условии, что временной сегмент не занят другим узлом. В отличие от этого вторые временные сегменты предпочтительно представляют собой известные TDMA-временные сегменты (TDMA = множественный доступ с временным разделением), которые подходящим образом зарезервированы исключительно для определенных узлов или передач данных.
В рамках способа согласно изобретению соответствующий узел в сети связи определяет, зарезервировали ли и/или какие соседние узлы на его дальности действия связи зарезервировали вторые временные сегменты. Из этой информации соответствующий узел генерирует координационные данные (например, координационные пакеты), согласно которым второй временной сегмент резервируется соответствующим узлом, который не зарезервирован соседними узлами. Кроме того, координационные данные включают в себя информацию относительно того, являются ли и/или какие вторые временные сегменты являются многократно зарезервированными соседними узлами. Это многократное резервирование может произойти в том случае, когда два соседних узла хотя и находятся на дальности действия связи относительно непосредственно рассматриваемого узла, однако не находятся на дальности действия связи друг с другом.
В соответствии с изобретением соответствующий узел посылает сгенерированные им координационные данные в пределах первого временного сегмента к своим соседним узлам, причем соответствующие соседние узлы, которые зарезервировали тот же второй временной сегмент согласно координационным данным, резервируют новый второй временной сегмент, о котором им не известно о резервировании другим узлом. Затем в течение вторых временных сегментов посредством соответствующих узлов, которые зарезервировали соответствующие вторые сегменты, выполняется передача данных.
Соответствующий изобретению способ обеспечивает возможность простого децентрализованного распределения временных сегментов посредством самоорганизации узлов без столкновений, так что данные могут надежно передаваться между узлом и его соседними узлами. При этом способ может быть использован в любых сетях связи, в частности, в беспроводных сетях связи. Предпочтительным образом способ применяется в беспроводных сенсорных сетях, в которых по меньшей мере часть узлов включает в себя сенсоры, которые беспроводным способом осуществляют связь друг с другом, чтобы таким образом обмениваться, например, воспринятыми измеренными значениями. Способ, соответствующий изобретению, может быть использован в любых технических областях применения. В качестве примера способ может использоваться в сети связи для автоматизированной установки, например, для автоматизации процесса изготовления или автоматизации технологического процесса и/или для сети электропитания и/или для транспортной сети. В таких областях применения часто бывает необходимо обмениваться данными между узлами посредством децентрализованной организации сети.
В особенно предпочтительной форме выполнения способа согласно изобретению узлы выполняют децентрализованную временную синхронизацию для определения синхронизированного времени, на основе которых устанавливаются временные сегменты. При этом могут применяться известные сами по себе способы для децентрализованной временной синхронизации, как, например, способ, описанный в патентной заявке Германии 1020100422568. Полное содержание раскрытия этой заявки включено посредством ссылки в содержание настоящей заявки.
В еще одной особенно предпочтительной форме выполнения, согласно сгенерированным соответствующим узлом координационным данным, второй временной сегмент резервируется для широковещательной передачи соответствующим узлом.
В определенных случаях применения, особенно при передаче данных в соответствии с протоколом консенсуса, передача данных между узлом и соседним узлом должна быть симметричной, то есть если узел посылает данные к соседнему узлу, эти соседние узлы также должны возвращать данные к упомянутому узлу. Если это не имеет места, то данные не должны подвергаться дальнейшей обработке. Чтобы достичь этого, в предпочтительной форме выполнения, согласно сгенерированным соответствующим узлом координационным данным, резервируется второй временной сегмент для предопределенного канала связи между соответствующим узлом и предопределенным соседним узлом, причем внутри этого второго временного сегмента передаются как первые данные от соответствующего узла к предопределенному соседнему узлу, так и вторые данные от предопределенного соседнего узла к соответствующему узлу, причем в случае, когда передача первых и/или вторых данных безуспешна, первые и вторые данные отбрасываются. Согласно этой форме выполнения, в значительной степени обеспечивается, что в соответствующих каналах всегда симметрично передаются данные между узлами и соседними узлами. Определение того, были ли успешными передачи данных, например, может быть реализовано с помощью соответствующего подтверждения, которое посылается в ответ на прием первых или вторых данных соответствующим узлом.
В другой предпочтительной форме выполнения изобретения в соответствующем узле определяется по меньшей мере одно значение параметра, которое является специфичным для соответствующего узла. Такое значение параметра может быть, например, измеренным значением или может основываться на измеренном значении, которое регистрируется узлом или сенсором в узле. В рамках передачи данных между узлами могут передаваться эти значения параметров или данные, основанные на этих значениях параметров. При этом, в частности, при каждом новом интервале определяются или передаются актуализированные значения параметров.
В особенно предпочтительной форме выполнения данные, передаваемые во вторых временных сегментах на основе протокола, определяются и обрабатываются таким образом, что в каждом узле оценивается среднее значение для значений параметров всех узлов. Такие протоколы хорошо известны из уровня техники и обеспечивают возможность оценки среднего значения в каждом узле, не требуя знания в соответствующих узлах значений параметров всех других узлов. Напротив, достаточно, что соответствующий узел может непосредственно обмениваться данными только с частью узлов сети. В одном варианте изобретения в качестве протокола для образования среднего значения для значений параметров применяется известный протокол консенсуса или, возможно, также протокол древовидного агрегирования, который также хорошо известен.
В другом варианте соответствующий изобретению способ передачи данных используется для того, чтобы децентрализованным образом, на основе значений состояния, которые соответственно присутствуют локально в узле и предпочтительно регистрируются в соответствующих узлах, распознать шаблон, представленный посредством всех значений состояния узлов, из множества шаблонов в каждом узле на основе среднего значения для значений параметров, которое становится известным с помощью подходящего протокола. Это децентрализованное распознавание шаблона предпочтительно реализуется таким образом, что в каждом узле хранится множество шаблонов с соответствующей вероятностью, которая указывает, насколько вероятен локально присутствующий в соответствующем узле параметр состояния в зависимости от соответствующего шаблона. В частности, в качестве значений параметра в соответствующих узлах определяются логарифмы вероятностей для параметров состояния, присутствующих в соответствующем узле, при наличии соответствующих шаблонов. Через среднее значение логарифмов для соответствующего шаблона при этом в каждом узле определяется вероятность, с которой каждый шаблон представляется локально присутствующими во всех узлах параметрами состояния. Шаблон с наибольшей вероятностью представляет тогда распознанный шаблон.
Наряду с описанным выше способом изобретение также относится к сети связи с множеством узлов, которые выполнены так, что при работе сети связи может выполняться соответствующий изобретению способ или один или более вариантов соответствующего изобретению способа.
Примеры выполнения изобретения детально описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - схематичное представление сети связи в виде беспроводной сенсорной сети, в которой осуществляется форма выполнения способа в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - представление интервала из первого и второго временных сегментов, в которых передаются данные на основе варианта способа согласно изобретению; и
фиг. 3 - диаграмма, показывающая точность оценки среднего значения на основе формы выполнения изобретения.
Далее изобретение описывается на основе связи в беспроводной сенсорной сети, причем на фиг. 1 в качестве примера показана такая сенсорная сеть. Сенсорная сеть включает в себя семь сенсорных узлов S1, S2, …, S7, которые могут обмениваться данными между собой с помощью подходящего беспроводного протокола. При этом соответствующий сенсорный узел знает только определенное количество соседних узлов в своем окружении ввиду ограниченной дальности действия связи при беспроводной передаче. В сценарии по фиг. 1 узел S1 распознает, например, только узлы S2 и S3, но не остальные узлы. Также определенные другие узлы, хотя и распознают определенные узлы с ними по соседству, но не узел S1. Беспроводная сенсорная сеть работает полностью децентрализованным образом, то есть не существует никакого центрального узла, на который могут быть направлены соответствующие данные, зарегистрированные отдельными сенсорными узлами. Целью описываемой здесь формы выполнения является теперь в каждом узле распознавать шаблон системного состояния всей сети, хотя соответствующий узел знает только часть своих соседних узлов. Чтобы добиться этого, используется протокол консенсуса, который описан ниже. При этом, однако, нужно гарантировать, что каждый отдельный сенсорный узел надежным образом передает свои данные своим соседним узлам.
В сценарии, показанном на фиг. 1, каждый сенсорный узел регистрирует с регулярными временными интервалами измеренное значение, например, значение температуры или значение освещенности, причем эти измеренные значения для отдельных сенсорных узлов обозначены как z1, z2, …, z6. В описанной здесь форме выполнения измеренное значение представляет собой значение освещенности, которое может быть разделено на класс "светло" или на класс "темно". Посредством всех измеренных значений сенсоров, таким образом, представляется шаблон в форме соответствующих состояний "светло" или "темно" отдельных сенсоров. Этот шаблон представляет вышеупомянутое системное состояние, которое на фиг. 1 для наглядности обозначено как m. При этом существует множество шаблонов для каждой возможной комбинации из значений светлого или темного отдельных сенсоров. При этом для каждого шаблона в соответствующих узлах сохраняется значение р1, р2, …, р7, которое в зависимости от соответствующего шаблона m указывает вероятность, с которой соответствующее значение освещенности z1, z2, …, z6 измеряется в соответствующем сенсорном узле S1, S2, …, S6. Как описывается ниже, посредством протокола консенсуса вычисляются оценки для вероятности шаблона m в зависимости от измеренных значений освещенности всех узлов. Шаблон, имеющий наибольшее значение вероятности, представляет тогда децентрализованно распознанный шаблон.
Для того чтобы обеспечить надежную передачу данных между соседними сенсорными узлами, в описанной здесь форме выполнения применяется временная диаграмма, показанная на фиг. 2. При этом фиг. 2 показывает временной интервал I, который в рамках способа согласно изобретению проходится последовательно один за другим, причем в каждом временном интервале передаются актуализированные данные соответствующего узла. Временной интервал включает в себя первые временные сегменты t1, которые представляют собой первые пять сегментов от 0 до 4 на фиг. 2. Кроме того, интервал I включает в себя вторые временные сегменты t2, которые на фиг. 2 включают в себя сегменты от 5 до 24. В одной реализации способа согласно изобретению временные сегменты имеют длину, соответственно, 20 мс. При этом временные сегменты t1 являются так называемыми CSMA-временными сегментами (CSMA = множественный доступ с контролем несущей), в соответствии с которыми каждый узел может прослушивать радиоканалы и может передавать данные по свободному радиоканалу. В противоположность этому временные сегменты t2 являются TDMA-временными сегментами (TDMA = множественный доступ с временным разделением), которые соответствующим образом резервируются соответствующими узлами для передачи данных. В предпочтительном варианте передача данных осуществляется на физическом уровне на основе известного стандарта IEEE 802.15.4.
Чтобы реализовать передачу данных в соответствии с интервалами I, времена отдельных сенсорных узлов синхронизированы, причем для синхронизации может применяться способ, известный из уровня техники, например, способ, описанный в патентной заявке Германии 1020100422568. В рамках этого способа применяется протокол, с помощью которого оцененное глобальное сетевое время обменивается в заголовках пакетов. Протокол снижает скорость адаптации сенсорных узлов, которые уже синхронизированы со своими соседями, за счет чего эффекты ошибок вновь добавляемых сенсорных узлов снижаются. Кроме того, дрейфы в часах сенсоров компенсируются. Погрешность синхронизации для используемого протокола при применении таймера с тактовой частотой 32 кГц лежит в диапазоне около 30 мкс и существенно меньше, чем длина временного сегмента в интервалах I. На основе синхронизированного времени устанавливаются начальные моменты времени и номера последовательности для временных сегментов.
Чтобы выделить временные сегменты для протокола консенсуса, описанного ниже, отдельные сенсорные узлы в течение первых пяти временных сегментов t1 интервала I передают специальные координационные данные в форме координационных пакетов. Этими пакетами узлы претендуют на не зарезервированный другими узлами второй временной сегмент и при этом передают одновременно список тех вторых временных сегментов, которые заняты (зарезервированы) более чем одним соседним узлом в их окружении. Такие многократные резервирования могут возникнуть в том случае, если к сенсорной сети добавляется сенсорный узел, который в своем окружении наблюдает два соседних узла, которые не находятся на дальности действия друг от друга. Основываясь на координационных пакетах, передаваемых в течение первых временных сегментов, соответствующие соседние узлы при многократных резервированиях могут выбрать временные сегменты, которые не зарезервированы их прямыми соседями и для которых не известно никакого конфликта распределения. Для экономии электроэнергии отдельные сенсорные узлы переключаются в энергосберегающий режим во всех временных сегментах кроме первых пяти временных сегментов интервала I и тех временных сегментов, в которых они посылают данные посредством широковещательной передачи или принимают данные от своих соседей.
Для достижения надежной оценки состояния системы на основе протокола консенсуса, описанного ниже, должно быть обеспечено, что каждый сенсорный узел, который передает данные соседнему узлу, также принимает данные от этого соседнего узла. То есть, каналы между сенсорными узлами должны быть симметричными. Поэтому в дальнейшем развитии соответствующего изобретению способа данные между сенсорными узлами передаются не через широковещательную передачу, а применяется одноадресная передача с 3-сторонней связью. При этом сенсорный узел посылает в соответствующем втором временном сегменте запрос к предопределенному соседнему узлу, в котором он, наряду со спецификацией интервала I, сообщает свое значение оценки, определенное в рамках протокола консенсуса. Если соседний узел получает этот запрос, он отвечает аналогичным образом значением оценки, определенной им. Если этот ответ от исходного узла принимается, последний отвечает подтверждением. Если такое подтверждение затем принимается соседними узлами, то канал является симметричным. Если соседний узел не принимает запрос, он также не посылает ответ, так что канал остается симметричным. Если соседний узел принимает запрос, но его ответ теряется, то соседний узел также не получает никакого подтверждения от исходного узла, в результате чего он отвергает запрос исходного узла. Только если в рамках 3-сторонней связи подтверждение не принимается от соседних узлов, канал может быть асимметричным, так как в этом случае только соседний узел отбрасывает данные, присланные ему. Соответствующий узел повторяет описанную выше процедуру в текущем временном сегменте со всеми своими соседними узлами за исключением тех, которые уже перед этим успешно завершили 3-стороннюю связь в текущем интервале I.
1
2
Далее описывается вышеупомянутый протокол консенсуса. С помощью этого протокола посредством локального обмена данными узла с его соседним узлом выполняется оценка среднего значения и тем самым децентрализованно распознается шаблон m. Исходят из того, что каждый сенсорный узел n, который на фиг. 1 соответствует одному из узлов S1-S7, измеряет значение , которое соответствует соответствующим параметрам z1, z2 и т.д. на фиг. 1. В рамках классификации каждому измеренному значению присваивается двоичное значение 1 с вероятностью  и двоичное значение 0 с комплементарной вероятностью 1-. При этом в упомянутом выше сценарии со значениями освещенности двоичное значение 1 соответствует, например, состоянию "светло", а двоичное значением 0, например, состоянию "темно". Посредством вектора параметров w=(w,w) устанавливается соответствующая функция вероятности, которая сохранена в каждом из узлов и на фиг. 1 обозначена как р1, р2 и т.д. Например, эта функция вероятности для сенсорного узла n может задаваться логистической функцией
Посредством распознавания шаблона должна теперь определяться вероятность для определенной битовой комбинации m (например, 1101 при четырех сенсорах) в предположении значений  сенсоров. Эта вероятность задается посредством следующего уравнения (см. также публикацию (1)):
m
При этом неявно предполагается, что измерения различных сенсоров статистически независимы для данного шаблона. N обозначает общее число всех сенсоров в сети, pсоответствует имеющемуся при обстоятельствах априорному распределению вероятности для шаблона m'. Без априорного знания эта вероятность устанавливается, как правило, на 1/М, причем М представляет общее число возможных шаблонов.
Произведение в приведенном выше уравнении (1) может быть модифицировано путем образования логарифма вероятности следующим образом:
Это среднее значение в экспоненте может теперь определяться на основании протокола консенсуса, который требует только локального обмена информацией с соседними сенсорными узлами. Если предположить, что каждый сенсорный узел знает некоторое число соседних узлов К в сети, и, кроме того, известны возможные шаблоны в каждом узле, то каждый сенсорный узел может определить вероятность для каждого шаблона, не требуя, чтобы воспринятые измеренные значения  распределялись во всей сети, или чтобы выполнялось централизованное вычисление. В результате, наконец, в каждом узле распознается тот шаблон, который имеет наибольшую вероятность.
В описываемом здесь варианте способа согласно изобретению применяется типичный, известный из предшествующего уровня техники протокол консенсуса для передачи данных и локальной оценки среднего значения логарифма. В соответствии с этим протоколом локальная оценка среднего значения в каждом узле инициализируется локальным вычислением на основании измеренного значения сенсора, то есть логарифмом вероятности  соответствующего шаблона. Локальными оценками итеративно обмениваются с соседними узлами, пока не будет достигнут критерий сходимости. Применяемая для этого алгоритмическая реализация основана на следующем уравнении
<maths num="8"><img file="00000011.TIF" he="13" wi="82" img-content="undefined" img-format="TIF" /></maths>
(3)
i
При этом х(t) обозначает оценку среднего значения сенсорного узла i. Cвязи  могут быть зависимыми от времени весами для каждого существующего канала к одному из соседей. Подходящее определение связей описано в публикации (2). В случае необходимости другие протоколы консенсуса также могут быть использованы для формирования среднего значения, например, протокол, описанный в публикации (3).
Вместо протокола консенсуса может при обстоятельствах быть использован также протокол древовидного агрегирования для децентрализованного определения средних значений. При этом узел в сети действует в качестве корневого узла, в котором данные из всех других узлов, которые поступают в агрегированной форме, в конечном счете суммируются, и затем формируется среднее значение. При этом известным способом устанавливается древовидная структура с корневым узлом в качестве корня и соответствующими родительскими и дочерними узлами. Все остальные узлы, кроме корневого узла, собирают в рамках протокола древовидного агрегирования агрегированных сумм измеренных значений и множества измеренных значений от своих дочерних узлов, суммируют эти суммы измеренных значений и свое измеренное значение или множества измеренных значений и один и посылают новые значения к своим соответствующим родительским узлам. Таким образом, в корневом узле получается тогда среднее значение измеренных значений, которое затем может быть распределено в обратном направлении снова к узлам в дереве. При этом передача данных осуществляется так же, как в указанном выше способе консенсуса на основе TDMA-временных сегментов t2, которые соответствующим образом распределяются посредством узлов в пределах CSMA-временных сегментов.
При инициализации соответствующего изобретению способа сначала конфигурационные данные, особенно множество описанных выше шаблонов m, должны распределяться всем узлам в сети. Это достигается в предпочтительной форме выполнения изобретения с помощью известного протокола распределения.
-6
-3
Соответствующий изобретению способ был протестирован на основе сети из четырех сенсорных узлов. Для этого рассматривались данные из 129 распознаваний шаблонов. На основе этих данных были определены корректные вероятности для трех предопределенных шаблонов на основе приведенного выше уравнения (1). Эти вероятности сравнивались с вероятностями, которые были оценены с использованием реализации соответствующего изобретению способа для четырех сенсорных узлов. На фиг. 3 показана статистика ошибок для этих вероятностей. Здесь вдоль оси абсцисс воспроизведено соответствующее количество NT уже пройденных интервалов I. Вдоль оси ординат представлена разница Δр между оцененной согласно изобретению вероятностью и фактической вероятностью с соответствующим стандартным отклонением. Видно, что применяемый протокол очень быстро после прохождения нескольких интервалов I сходится к очень малой средней ошибке (около -7,3×10). Стандартное отклонение сходится к 7,3×10.
Описанная форма выполнения изобретения имеет ряд преимуществ. Децентрализованное распределение временных сегментов обеспечивает возможность того, что соответствующая сеть связи может сама организовывать доступ к среде передачи без применения центрального узла. Посредством применения протокола консенсуса или древовидного агрегирования достигается децентрализованное определение средних значений, причем для этого узел должен знать только узлы в своем окружении. При этом на основе децентрализованного формирования среднего значения может выполняться распознавание шаблона. Затраты на связь распределяются по всем узлам сети относительно равномерно. При применении сенсорных узлов с батарейным питанием, следовательно, снижаются требования к накоплению энергии в отдельных узлах.
Литература
1. R. Olfati-Saber, E. Franco, E. Frazzoli und J.S. Shamma: Belief Consensus and Distributed Hypothesis Testing in Sensor Networks, In: Networked Embedded Sensing And Control: Workshop NESC'05, University of Notre Dame, USA, October 2005 Proceedings, Springer-Verlag New York Inc, 2006.
2. Lin Xiao: Decomposition and fast distributed iterations for optimization of networked systems, Stanford University, Dissertation, 2004.
http://dx.doi.org/10.1109/TSP.2007.893921
3. S. Barbarossa, G. Scutari: Decentralized Maximum Likelihood Estimation for Sensor Networks Composed of Nonline- arly Coupled Dynamical Systems, In: IEEE Transactions on Signal Processing 55 (2007), July, Nr. 7, Part 1, 3456-3470, . - DOI 10.1109/TSP.2007.893921.