Передавання звітів про чистоту каналів і допомога вузлам, які загубилися, у бездротовій мережі

Реферат: У бездротовій мережі пристрій періодично здійснює зв'язок з щонайменше одним іншим вузлом або пристроєм; як правило - це його "батьківський" вузол. Якщо виявлено проблему зі зв'язком, бажано, щоб пристрій був здатний самостійно виконати процедуру відновлення з'єднання з мережею. У одному з варіантів здійснення, якщо пристрій не здатний здійснювати зв'язок, він тимчасово переходить до режиму усунення проблеми, доки проблему не буде вирішено. Пристрій здатен аналізувати місцеві умови, щоб допомогти як власне собі, так і мережі знайти придатний альтернативний канал. Якщо пристрій не в змозі негайно відновити зв'язок, він здійснює широкомовне передавання результатів свого аналізування, повідомлення про стан середовища навколо мережі (NES), сподіваючись, що інший пристрій в мережі почує його. В подальшому це повідомлення може бути використане мережею для вибору альтернативного каналу. UA 98933 C2 (12) UA 98933 C2 UA 98933 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей винахід стосується визначення інформації стосовно функціонування пристроїв у мережі, зокрема (але не виключно) способів і систем для визначення такої інформації в багатовузловій бездротовій мережі. Придатним форматом для здійснення зв'язку в бездротовій мережі є визначена групою ZigBee Alliance специфікація ZigBee (053474r06), яка призначена для недорогих бездротових ліній радіозв'язку малої потужності. її функціональні можливості описані в стандарті IEEE 802.15.4-2003. Зв'язок між вузлами здійснюється одним з декількох "фізичних каналів". Смуга частот для зв'язку в діапазоні 2,4 ГГц містить 16 окремих каналів 802.15.4, тому декілька персональних мереж (відомих фахівцям як "Personal Area Network", або PAN) можуть працювати одночасно, кожна в своєму власному каналі, не створюючи перешкод одна одній. Один канал зв'язку може використовуватися і більш ніж однією мережею PAN, особливо якщо вони розташовані на великій відстані одна від одної (більше за 10-100 метрів), або якщо вони обидві мають доволі низькі коефіцієнти використання (низькі коефіцієнти заповнення). Проблема при використанні специфікації ZigBee виникає через те, що пристрої бездротового зв'язку стандарту WiFi також працюють в смузі частот 2,4 ГГц, і трафік WiFi може створювати перешкоди трафіку ZigBee. Пакети WiFi можуть передаватися з набагато більшим рівнем потужності, при цьому ширина логічного каналу WiFi дорівнює ширині декількох логічних каналів ZigBee. Для уможливлення співіснування двох таких систем було б корисно мати можливість визначати, які канали є "чистими", і переводити мережу, що зазнає впливу перешкод (наприклад, мережу ZigBee), на ці канали. Пристрої ZigBee мають здатність з'ясовувати, які канали є "чистими" - вони виконують "сканування для виявлення енергії" (відоме фахівцям як "Energy detection scan"), за результатами якого формується перелік, який містить інформацію про рівень потужності фонового сигналу в кожному доступному каналі. Отже, координатор мережі PAN має можливість виконати сканування і просто використати максимально чистий канал, але це не дуже добре для великої мережі, оскільки характеристики каналу можуть бути різними в різних ("географічно") місцях, так що в іншому місці мережі вибраний канал може бути непридатним для використання. Ідеальним був би варіант, при якому координатор мережі PAN (або інший налагоджувальний прилад) вступав би в контакт із кожним пристроєм в мережі і запитував результати сканування для виявлення енергії. На жаль, це можливе лише у випадку наявності надійного зв'язку між всіма пристроями, але в цьому випадку немає й необхідності в змінюванні каналу. На сьогодні не існує ефективного рішення проблеми отримання інформації про рівні енергії від пристроїв, з якими нема надійного зв'язку. Мережа також мала б справлятися з ситуацією, коли пристрій загубився (тобто він не в змозі зв'язатися з мережею) внаслідок місцевої проблеми із зв'язком. Це може трапитися, наприклад, через розташування поблизу маршрутизатора мережі WiFi. Пристрій, який загубився, має якось відновити зв'язок із мережею для інформування координатора мережі PAN про те, що він не може надійно здійснювати зв'язок на поточному каналі. Метою цього винаходу є вдосконалення відомої технології. Відповідно до першого аспекту цього винаходу пропонується пристрій, здатний здійснювати бездротовий зв'язок з щонайменше одним вузлом в бездротовій мережі, виконаний з можливістю: - виявлення проблеми зі зв'язком; - аналізування місцевих умов відповідно до заздалегідь визначених критеріїв і генерування за результатами аналізування повідомлення про стан середовища навколо мережі; і - широкомовного передавання (тобто передавання невизначеній множині адресатів) згаданого повідомлення про стан середовища навколо мережі. У мережі ZigBee пристрій регулярно зв'язується із щонайменше одним вузлом мережі PAN; як правило, це його "батьківський" вузол. Бажано, щоб у разі виявлення проблеми зі зв'язком пристрій був здатний самостійно виконати процедуру відновлення приєднання до мережі. У варіанті здійснення, що розглядатиметься нижче, якщо пристрій не в змозі здійснювати зв'язок, він тимчасово переходить до так званого "режиму усунення проблеми" (також відомого фахівцям як "failsafe mode"), доки проблему не буде вирішено. Пристрій здатний аналізувати місцеві умови, щоб допомогти самому собі та мережі знайти придатний альтернативний канал, і, якщо пристрій не в змозі негайно відновити зв'язок, він здійснює широкомовне передавання результатів такого аналізування - повідомлень про стан середовища навколо мережі (відомі фахівцям як "Network Environment Status message", або повідомлення NES) - в надії, що інший пристрій в мережі почує його. 1 UA 98933 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Переваги цього підходу такі: - передається мінімальна кількість повідомлень, так що мережа не "переповнюється" внаслідок спроб виправити проблему із зв'язком; - енергія батареї зберігається з максимальною ефективністю; - якщо пристрій загубився, він здатен функціонувати автономно, як відповідно до процедури відновлення приєднання до мережі, так і в режимі усунення проблеми. В одному з можливих варіантів (але необов'язковому) для надання допомоги пристроям, які прагнуть відновити приєднання до мережі, вузли мережі, які працюють як маршрутизатори, можуть бути здатними тимчасово працювати на декількох каналах, так що вони працюватимуть як мости між вузлами, які загубилися, і рештою мережі. В такому варіанті реалізації, якщо в мережі немає єдиного вузла управління або координації, маршрутизатор може зв'язуватися з іншими маршрутизаторами для сприяння змінюванню каналу в мережі. Аспекти винаходу можуть бути використані для всіх трьох типів Zigbee-пристроїв - кінцевого пристрою (що відомий фахівцям як "End Device"), маршрутизатора (що відомий фахівцям як "Router") та координатора (що відомий фахівцям як "Coordinator") - і в подальшому описі варіантів здійснення описується процедура, якої може належним чином дотримуватися пристрій кожного з таких типів, якщо він виявиться від'єднаним від решти мережі. Нижче, виключно з ілюстративною метою, будуть описані приклади здійснення винаходу з посиланнями на прикладені креслення, де: Фіг. 1 - блок-схема, яка ілюструє процедури подолання проблем зі зв'язком, які виникають у кінцевого пристрою в бездротовій мережі; Фіг. 2 - блок-схема, яка ілюструє процедури подолання проблем зі зв'язком, які виникають у маршрутизатора в бездротовій мережі; і Фіг. 3 - блок-схема, яка ілюструє процедури подолання проблем зі зв'язком, які виникають у вузла-координатора в бездротовій мережі. Блок-схеми на фіг. 1-3 (які утворюють одну блок-схему) показують етапи загального процесу, згруповані разом і позначені номерами від 1 до 16. Відповідно пронумеровані наведені нижче пояснювальні коментарі докладно описують особливості процесу на кожному з етапів. Етап 1. Це стан кінцевого пристрою, в якому він знаходиться "за замовчуванням" (на Фіг. 1 ілюструється кінцевий пристрій). Якщо пристрій не передає або не очікує одержання повідомлення, то він знаходиться в "режимі сну" (відомий фахівцям як "sleep mode", режим енергозбереження). Це дозволяє йому зберігати енергію. Режим сну припиняється, наприклад, коли кінцевий пристрій має передати повідомлення або опитувальне повідомлення. Етап 2. Після того, як повідомлення або опитувальне повідомлення передано, пристрій чекає на підтвердження того, що відповідне повідомлення було успішно прийнято. Етап 3. Лічильник неприйнятих повідомлень MsgNotRcvd відображає кількість невдалих спроб передавання повідомлення - які були передані, але не були отримані підтвердження про їх прийом. Лічильник використовується як індикатор наявності проблеми зі зв'язком. У цьому прикладі лічильник MsgNotRcvd встановлюється рівним 0, якщо прийнято або вхідне повідомлення, або підтвердження прийому переданого повідомлення. Прийом повідомлення або підтвердження вказує на те, що зв'язок здійснюється успішно. Етап 4. Якщо значення лічильника MsgNotRcvd менше певного заданого порогового значення (наприклад, менше 5), то пристрій ще раз намагається передати повідомлення. Якщо це значення дорівнює 5 або більше, це вказує на значну кількість невдалих передавань, і на те, що пристрій, ймовірно, від'єднався від мережі. Повинна початися процедура вирішення цієї проблеми. Етап 5. Якщо вузол загубився, він повинен перейти до режиму усунення проблеми і діяти відповідно до стратегії відновлення приєднання до мережі. Конкретна поведінка пристрою буде залежати від функції, для реалізації якої він призначений. Якщо, наприклад, вузлом, що загубився, є освітлювальний модуль, який не в змозі почути команди вмикання і вимикання, він може залишатися у ввімкненому стані доти, доки не зможе здійснювати зв'язок з рештою мережі. Етап 6. Сканування, яке здійснюється пристроєм, який загубився (т.зв. "Orphan Scan"), дозволяє мережі дізнатися про те, що пристрій загубився і прагне відновити приєднання до мережі. Таке сканування може починатися зі сканування в поточному каналі, наприклад, із передаванням цим каналом пакета-маячка або спеціального повідомлення. Якщо це не дає якогось конкретного результату, то тоді таке сканування виконується в усіх каналах. Якщо вдається встановити контакт з рештою мережі, то пристрій переходить на канал, де сканування виявилося успішним (тобто залишається на поточному каналі або змінює його на іншій), і повертається на етап 1, в режим сну. 2 UA 98933 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Етап 7. ED-сканування, або "сканування для виявлення енергії" визначає величину місцевих перешкод на всіх каналах. За його результатами стає можливим визначити найоптимальніший для роботи місцевий канал. Стає можливим отримати звіт про умови передавання, який би характеризував якість кожного каналу. Етап 8. Якщо пристрій виконує ED-сканування і не виявляє ніяких місцевих перешкод, це свідчить про наявність якоїсь іншої проблеми, яка впливає на здатність здійснювати зв'язок, наприклад: a) "батьківський" пристрій заблоковано; b) якійсь великий об'єкт зменшив дальність зв'язку; c) змінено розташування "батьківського" пристрою; d) змінено розташування кінцевого пристрою. Кінцевий пристрій повинен здійснити широкомовне передавання повідомлення NES (див. етап 9), після чого побути у режимі сну, перш ніж намагатися знов приєднатися до мережі. Етап 9. За певних обставин перешкоди заважають прийманню, але не впливають на здатність здійснювати передавання. У цьому випадку пристрій, який зазнає впливу перешкод, може "перекричати" (із застосуванням широкомовного передавання) шум і, можливо, буде почутий іншим пристроєм даної мережі, який сам не зазнає впливу цих перешкод. Це проілюстроване повідомленням В на Фіг. 1. Коли приймається таке повідомлення, відповідний маршрутизатор виконує дії, які допомагають пристрою відновити приєднання до мережі. Згадане повідомлення, яке передається пристроєм (відоме як повідомлення про стан середовища навколо мережі, або повідомлення NES), складається з даних, отриманих за результатами локального сканування для виявлення енергії, і вказує канал, який є найпридатнішим для здійснення зв'язку, виявлений під час сканування, яке здійснюється загубленим пристроєм, на етапі 6. Етап 10. Якщо в мережі є координатор, маршрутизатор передає цьому координатору запит про зміну каналу, який містить інформацію з повідомлення NES, як показано на Фіг. 2. (примітка: цей етап є необов'язковим - якщо в мережі немає координатора, то маршрутизатор сам бере участь в змінюванні каналу, зв'язуючись з іншими маршрутизаторами для визначення найкращого нового каналу). Етап 11. Якщо неможливо змінити канал для всієї мережі, "батьківський" пристрій може бути здатним тимчасово працювати на декількох каналах. Тоді будь-який пристрій, що загубився, зможе знов приєднатися до мережі із використанням альтернативного каналу, в той час як "батьківський" пристрій продовжує здійснювати зв'язок з рештою мережі з використанням тієї ж частоти, що використовувалася раніше. Щоб уможливити роботу "батьківського" пристрою з повідомленнями на обох каналах, може використовуватися стратегія, що передбачає квантування часу. При переході на багатоканальний режим роботи пристрій може ініціювати (за допомогою запиту) роботу свого "батьківського" пристрою на обох каналах, тим самим розширюючи сегмент мережі, який використовує нову частоту. Цей запит поширюється мережею максимально широко, задля переведення на новий канал максимальної кількості пристроїв. Це допоможе координатору повністю змінити канал по всій мережі. Етап 12. Як показано на Фіг. 3, здійснюється широкомовне передавання в усі маршрутизатори запиту на виконання місцевого ED-сканування, визначення найкращого каналу і надання відповідного звіту координатору. Маршрутизатор може виконувати ED-сканування самостійно або запитувати інформацію від своїх "дочірніх" пристроїв, після чого надає звіт координатору. Після приймання координатором результатів таких сканувань (він може не чекати на відповіді від всіх маршрутизаторів) він визначає канал, який є найбільш придатним для всієї мережі, і здійснює широкомовне передавання повідомлення про зміну каналу. Етап 13. Крім того, координатор періодично виконує ED-сканування, наприклад, в поточному каналі, для перевірки на наявність якихось локальних перешкод. Для цього можуть бути використані різні методики. Етап 14. Маршрутизатори також перевіряють наявність підтверджень про прийом переданих повідомлень, як це показано на Фіг. 2. Знову ж таки, лічильник MsgNotRcvd вказує кількість передавань повідомлень, які не були успішними. Цей етап може бути подібним до етапу 2. Етап 15. Якщо передавання повідомлення не було успішним, маршрутизатор пробує передати його знов. Це може також потребувати пошуку альтернативного маршруту. Це стосується лише випадку, коли кількість спроб передавань, які не були успішними, не дуже велика, наприклад, менше за 5, інакше це могло б спричинити "переповнення" мережі цими повторюваними повідомленнями і збільшення споживання енергії. 3 UA 98933 C2 5 Етап 16. Якщо маршрутизатор нездатний здійснювати зв'язок, наприклад, в тому випадку, коли кількість передавань, які не були успішними, перевищує заздалегідь визначене порогове значення, він також здійснює широкомовне передавання повідомлення NES, аналогічно тому, як це робиться на етапах 6-9. Для здійснення описаного вище потрібні п'ять нових повідомлень ZigBee: ChannelScanRequest (запит про сканування каналів) Передається координатором мережі PAN в усі маршрутизатори шляхом широкомовного передавання, як запит до них про здійснення місцевого сканування для виявлення енергії та повернення отриманих результатів Передається "батьківським" пристроєм (маршрутизатором) ChannelChangeRequest (запит координатору мережі PAN, як запит до нього про зміну каналу в про зміну каналу) мережі DenyChannelChange Передається координатором мережі PAN у маршрутизатор, (повідомлення про відмову інформує про неможливість зміни каналу змінити канал) ChannelChangeNotification Передається координатором мережі PAN шляхом (повідомлення про зміну широкомовного передавання, повідомляє всі пристрої про те, каналу) що вони повинні змінити канал NES (повідомлення про стан середовища навколо мережі) 10 15 20 25 30 35 Передається шляхом мовлення пристроєм, який загубився. Містить дані про місцеве середовище, отримані шляхом сканування для виявлення енергії, і вказує найбільш придатний канал Найпростіший спосіб збирання результатів сканування - це переносити "по місцю" налагоджувальний переносний прилад, налаштований на прослуховування повідомлень, що передаються шляхом широкомовного передавання. Всі прийняті повідомлення з результатами сканування можуть збиратися і аналізуватися. Проблема цього підходу полягає в тому, що потрібен хтось, хто буде носити цей пристрій навколо. Можна запропонувати альтернативний механізм, відповідно до якого будь-який пристрій, який приймає передані шляхом широкомовного передавання повідомлення з результатами сканування для виявлення енергії (повідомлення NES), виконаний з можливістю передавання копії цих даних своєму координатору мережі PAN. Зрозуміло, що такий механізм не працюватиме з пристроями в тих зонах, де сигнал різко погіршився, оскільки вони також не зможуть здійснювати зв'язок звичайним каналом. Проте пристрої, які знаходяться на самому краю зони поганого зв'язку (де б цей край ні знаходився) здатні здійснювати зв'язок, а також здатні приймати передані шляхом широкомовного передавання повідомлення. Отже, вказівка на те, що певний канал є непридатним для одного або більше пристроїв в мережі PAN, належно доставляється координатору мережі PAN, який може, автоматично або напівавтоматично, вжити заходів для виправлення ситуації. Після ознайомлення з цим описом фахівцям буде очевидно, що можливі додаткові зміни або модифікації запропонованого рішення. Такі зміни і модифікації можуть передбачати використання еквівалентних ознак, або інших ознак, вже відомих в цій галузі, які можуть використовуватися замість або додатково до ознак, розкритих в даному описі. Хоч формула винаходу сформульована у вигляді конкретних сукупностей ознак, слід мати на увазі, що обсяг цього винаходу також охоплює будь-яку нову ознаку або будь-яку нову комбінацію ознак, розкриті або явно, або неявно, або у формі узагальнення, незалежно від того, чи стосуються вони тих конкретних винаходів, що охарактеризовані в формулі винаходу, і чи вирішують вони якусь (або всі) з технічних проблем, на вирішення яких спрямований даний винахід. Ознаки, описані в контексті різних прикладів реалізації, можуть також поєднуватися в одному варіанті реалізації. І навпаки, різні ознаки, які, з міркувань стислості викладення, описані в контексті одного прикладу реалізації, можуть застосовуватися окремо або в будь-якій придатній комбінації. Заявник повідомляє, що нові пункти формули винаходу з такими ознаками та/або комбінаціями таких ознак можуть бути додані під час розгляду цієї заявки або будь-якої виділеної з неї заявки. 4 UA 98933 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 1. Спосіб здійснення бездротового зв'язку пристрою з щонайменше одним вузлом в бездротовій мережі Zigbee, який включає (у зазначеному пристрої): виявлення проблеми зі зв'язком, аналізування місцевих умов із використанням сканування для виявлення енергії, за допомогою якого визначають величину місцевих перешкод на всіх каналах, генерування за результатами цього аналізування повідомлення про стан середовища навколо мережі, яке вказує канал, який є найпридатнішим для здійснення зв'язку, і широкомовне передавання згаданого повідомлення про стан середовища навколо мережі. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що етап виявлення проблеми зі зв'язком включає встановлення факту перевищення заздалегідь визначеного порогового значення кількістю повідомлень, які не були прийняті. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який додатково включає (у зазначеному пристрої) етап спроби встановлення контакту із невизначеним заздалегідь пристроєм шляхом широкомовного передавання повідомлення на каналі, який раніше використовувався для зв'язку. 4. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що згаданий етап спроби встановлення контакту із невизначеним заздалегідь пристроєм здійснюється перед згаданим етапом аналізування. 5. Спосіб за п. 3, який додатково включає (у зазначеному пристрої) етап спроби встановлення контакту із невизначеним заздалегідь пристроєм шляхом широкомовного передавання повідомлення на щонайменше одному каналі, відмінному від того каналу, який раніше використовувався для зв'язку. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що згаданий етап аналізування додатково включає виявлення місцевих перешкод на кожному наявному каналі. 7. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що у випадку, якщо перешкод не було виявлено, пристрій вказує в своєму звіті, що в місці його розташування існує проблема, не пов'язана з перешкодами, і здійснює широкомовне передавання цього звіту. 8. Спосіб за п. 1, який додатково включає (в іншому пристрої даної мережі) етап передавання запиту про зміну каналу, для переходу на інший канал для здійснення зв'язку. 9. Спосіб за п. 8, який додатково включає етап здійснення зв'язку на двох різних каналах. 10. Пристрій, здатний здійснювати бездротовий зв'язок з щонайменше одним вузлом в бездротовій мережі Zigbee, виконаний з можливістю: виявлення проблеми зі зв'язком, аналізування місцевих умов із використанням сканування для виявлення енергії, за допомогою якого визначають величину місцевих перешкод на всіх каналах, генерування за результатами аналізування повідомлення про стан середовища навколо мережі, яке вказує канал, який є найпридатнішим для здійснення зв'язку, і широкомовного передавання згаданого повідомлення про стан середовища навколо мережі. 5 UA 98933 C2 6 UA 98933 C2 7 UA 98933 C2 8 UA 98933 C2 9 UA 98933 C2 10 UA 98933 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11