FI119712B - Energiatehokas naapureiden havaitseminen liikkuvissa langattomissa sensoriverkoissa - Google Patents

Description

Energiatehokas naapureiden havaitseminen liikkuvissa langattomissa sen-soriverkoissa - Energieffektiv upptäckning av grannar i mobila trädlösa sen-sornät

5 TEKNINEN ALA

Keksintö kohdistuu yleisesti langattomiin sensoriverkkoihin. Erityisesti keksintö kohdistuu solmujen liikkuvuuden parantamiseen langattomissa sensoriverkoissa ilman merkittävästi lisääntynyttä tehonkulutusta.

KEKSINNÖN TAUSTAA

10 Langattoman sensoriverkon (WSN) käsite viittaa tiedonsiirtoverkkoon, joka koostuu (mahdollisesti suuresta) joukosta itsenäisiä solmuja, jotka pystyvät muodostamaan ja ylläpitämään langattomia monihyppytiedonsiirtoyhteyksiä (multihop) mielivaltaisessa solmujärjestelyssä. Toisin kuin yleiskäyttöiset adhoc-tyyppiset langattomat verkot, kuten esimerkiksi WLAN (Wireless Local Area Network), langaton 15 sensoriverkko ei pyri maksimoimaan langattoman siirtotien käyttöä tai varmistamaan suurimpia mahdollisia tiedonsiirtonopeuksia. Langattomissa sensoriverkoissa tärkeää on solmujen pitkän ajan tehonkulutus, mikä merkitsee, että jopa verrattain vaatimattomat tiedonsiirtonopeudet ja suhteellisen pitkät latenssit ovat hyväk- • · · v : syttävissä, mikäli ne auttavat minimoimaan sähkövirran keskimääräistä kulutusta.

• · : *·· 20 Sana "sensori" langattomissa sensoriverkoissa tulee siitä, että perinteisesti langat- :T: tornien sensoriverkkojen merkittävänä sovellusalueena pidettiin suhteellisen staat- :***: tisia mittausverkkoja, joissa suuri määrä sensorein varustettuja solmuja toimii mit- • · · • tausdataa tuottavina lähdesolmuina, ja mittausdata kerätään suhteellisen vähäi- i * * 1 * • · · .···. seen määrään nielusolmuja. Nielusolmut voivat myös toimia yhdyskäytävinä, jotka • · 25 muodostavat ja ylläpitävät tiedonsiirtoyhteyksiä langattoman sensoriverkon ja mui- . . den tiedonsiirtoverkkojen välillä.

• · · • · · • ·

Tekniikan tason mukaisia langattomia sensoriverkkoja ja niihin liittyviä ominai-suuksia tunnetaan ainakin julkaisuista W02006/067271, US 2004/0100917 A1, us 2003/0152041 ai, us 2002/0044533ai, CA2311245A1, wooi/69279, ’*:·* 30 WO01/26329 ja US 6 208 247 B1. Tunnettuja langattomien sensoriverkkojen pro- • · :.· · tokollia ovat mm. Sensor-MAC (tunnetaan myös lyhenteellä S-MAC), Self-organi- :\i zing Medium Access Control for Sensor networks (SMACS), Traffic Adaptive Me dium Access (TRAMA) ja IEEE 802.15.4 Low Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Näistä S-MACia on selostettu tieteellisessä julkaisussa W. Ye, 2 J. Heidemann and D. Estrin: “Medium access control with coordinated, adaptive sleeping for wireless sensor networks,” ACM/IEEE Trans. Networking, vol. 12, no. 3, s. 493-506, Jun. 2004. SMACS-prokollaa on selostettu julkaisussa K. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi and G.J. Pottie: “Protocols for self-organization of a wireless 5 sensor network,” IEEE Personal Communications, vol. 7, no. 5, s. 16 -27, Oct. 2000. TRAMA-protokollaa on selostettu julkaisussa V. Rajendran, K. Obraczka ahd J.J. Garcia-Luna-Aceves: “Energy-efficient, collision-free medium access control for wireless sensor networks,” Wireless Networks, vol. 12, no. 1, Feb 2006, s. 63-78. LR-WPAN:sta edelleen kehitetty muoto tunnetaan nimellä ZigBee, jota 10 verkossa on selostettu ZigBee-yhteenliittymän virallisilla verkkosivuilla (http://www.zigbee.org).

Solmun toiminnassa tarvittavan energian äärimmäiset säästämispyrkimykset merkitsevät tyypillisesti sitä, että langaton tiedonsiirto WSN-verkossa koostuu lyhyistä aktiviteettijaksoista ja pitkistä idle-jaksoista, joiden aikana useimmat solmun säh-15 köiset piirit ovat lepotilassa. Aktiviteettijakson lyhyenä pitäminen on helppoa, kun ajoitus on synkronoitua läpi koko verkon ja kukin solmu tuntee lähimmät naapuri-solmunsa. Nämä oletukset pätevät kohtalaisen hyvin, jos solmujen liikkuvuus on vähäistä. Ongelmia syntyy, jos verkon pitäisi tukea erittäin liikkuvia solmuja, mikä voi olla mahdollista esimerkiksi pääsynvalvonnan, omaisuuden seurannan ja inter-20 aktiivisten pelien tapaisissa sovelluksissa.

• · · v : Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti lähdesolmun ja kohdesolmun välistä tiedon- • · : '·· siirtoa synkronista MAC-protokollaa (Medium Access Control) käyttävässä langat- :T: tomassa sensoriverkossa. Tässä "kohde" ei välttämättä tarkoita datan lopullista määränpäätä; tämä esimerkki esittää vain tiedonsiirtoa kahden sellaisen solmun ; :*; 25 välillä, jotka ovat radiokuuluvuuden päässä toisistaan. Valkoiset laatikot ilmaisevat • · · .···. majakkasignaalien (beacon) lähetystä ja vastaanottoa. Yksinkertainen vinoviivoitus ilmaisee jaksoa, jolloin datan vastaanotto on mahdollista (vastaanotin on päällä), ja ristiviivoitus ilmaisee datan lähetystä. Kohdesolmun majakkalähetys 101 vas-taanotetaan lähdesolmussa 102. Esimerkiksi julkaisusta W02006/067271 tunnet- • · ’·;·* 30 tujen periaatteiden mukaisesti majakkalähetys sisältää kaikki tiedot, jotka lähde- ·:· solmun tarvitsee tietää kohdesolmusta voidakseen lähettää sille dataa onnistu- • · · · neesti. Majakkalähetystä 101 seuraa datan vastaanottojakso 103 kohdesolmussa.

• · · . *. Lähdesolmu käyttää sitä suorittaakseen datalähetyksensä 104. Sama kaava tois- • * · | tuu vaiheissa 111, 112, 113 ja 114. Sillä välin lähdesolmu voi tehdä oman majak- • · · '· 35 kalähetyksensä 105 ja käynnistää oman vastaanottajaksensa 106. Nämä eivät ole välttämättömiä, jos lähdesolmu on kohdesolmun nk. alisolmu.

3

Kuviossa 1 nähdään myös heräämisjakso Twakaup, joka koostuu aktiivisesta jaksosta Tgctive ja lepojaksosta Tsieep· Graafisen selkeyden vuoksi kuviossa 1 esitetyt aikajaksojen suhteelliset pituudet eivät ole todellisia. Tyypillisesti aktiivijakson Tactive pituus on huomattavasti vähemmän kuin yksi sekunti, kun taas lepojakso Tsieep voi 5 olla useita sekunteja tai jopa minuutteja.

Koska MAC-protokolla on synkroninen, lähdesolmu tietää milloin se voi odottaa majakkalähetystä 101 saapuvaksi, jolloin lähdesolmun tarvitsee pitää vastaanotti-mensa päällä majakkasignaalien vastaanottamiseksi vain juuri kyseisellä hetkellä. Lähdesolmu on saanut tarvittavat tiedot aikaisemmin suorittamalla nk. verkkoskan-10 nauksen. Periaatteessa lähdesolmun ei edes tarvitsisi vastaanottaa majakkalähetystä kohdassa 102 tai ainakaan kohdassa 112, jos se voi päätellä oikean datan-lähetyshetken kohdesolmulle jostakin majakkasignaalista, jonka se on aiemmin vastaanottanut kohdesolmulta. On kuitenkin yleensä suositeltavaa vastaanottaa kaikki majakkasignaalit, koska ne voivat sisältää myös ajantasaista tietoa muiden 15 solmujen tekemistä aikavälien varauksista vastaanottojakson 103 tai 113 aikana tai muuta ajankohtaista tietoa. Majakkalähetysten säännöllinen vastaanotto auttaa myös kompensoimaan satunnaisia virheitä solmujen välisessä kellotaajuudessa.

Kuvitellaan että lähdesolmu liikkuu ja lopulta siirtyy kohdesolmun radiokantaman ulkopuolelle. Siinä tapauksessa lähdesolmun pitäisi löytää tiedonsiirtoa varten jo-20 kin toinen solmu, joka on riittävän lähellä sen uutta sijaintia. Toisin sanoen läh- • · * : desolmun täytyy suorittaa verkkoskannaus. Vaikka olisikin jokin yhteinen verkko- • · • *·· majakkataajuus, jolla kaikki majakkalähetykset tehdään, pahimmassa tapauksessa :T: lähdesolmun täytyy pitää majakkavastaanottimensa päällä koko heräämisjakson ajan vastaanottaakseen edes yhden majakkalähetyksen. Verkkoskannauksen suo- • · · . .·. 25 rittamiseen tarvittava vastaanottimen päälläoloaika on vieläkin pidempi, mikäli sol- .··*. mun täytyy kuunnella useita taajuuksia peräkkäin. Mitä enemmän solmujen kes- • · kuudessa on liikkuvuutta, sitä useammin esiintyy verkkoskannauksen tarvetta, mikä saattaa jyrkästi kasvattaa langattoman sensoriverkon kokonaisenergiankulutus- • · · , • * ta.

• · » • · • · ··· 30 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on esittää menetelmä, järjestely ja tietokone- ohjelmatuote liikkuvuuden tuen parantamiseksi langattomassa sensoriverkossa **:*’ kasvattamatta merkittävästi verkon kokonaisenergiankulutusta. Keksinnön eräänä • · ·.: · toisena tavoitteena on, että parempi liikkuvuuden tuki voidaan toteuttaa olemassa olevien WSN-protokollien puitteissa ilman suurempia muutoksia. Keksinnön tavoit-35 teenä on lisäksi pitää solmujen laitteistolta vaadittava monimutkaisuus kohtuullisena parantuneesta liikkuvuuden tuesta huolimatta.

4

Keksinnön tavoitteet saavutetaan sisällyttämällä majakkalähetyksiin tietoja toisen hypyn päässä olevista naapurisolmuista ja hyödyntämällä aikaisemmin vastaanotettuja tietoja toisen hypyn päässä olevista naapureista uusia yhteyksiä muodostettaessa.

5 Keksinnön erään ensimmäisen aspektin mukaisesti langattoman sensoriverkon solmulaitteeseen kuuluu: - vastaanotin lähetysten vastaanottamiseksi mainitun langattoman sensoriverkon muilta solmuilta, - ohjain, joka on konfiguroitu selektiivisesti kytkemään päälle mainittu vastaanotin 10 mainitun ohjaimen tunteman aikataulun mukaisesti, ja - muisti, joka on konfiguroitu tallentamaan tietoja mainitun langattoman sensori-verkon muista solmuista; joka mainittu solmulaite on konfiguroitu ylläpitämään tahdistusta mainitun langattoman sensoriverkon jonkin toisen solmun kanssa ja vastaanottamaan siltä majak-15 kalähetyksiä.

Keksinnölle on tällöin tunnusomaista se, mitä on esitetty ensimmäisen solmulaitteeseen kohdistuvan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön erään toisen aspektin mukaisesti langattoman sensoriverkon solmulaitteeseen kuuluu: 20 - vastaanotin lähetysten vastaanottamiseksi mainitun langattoman sensoriverkon muilta solmuilta, - lähetin lähetysten tekemiseksi mainitun langattoman sensoriverkon muille sol- .···. muille, - ohjain, joka on konfiguroitu selektiivisesti kytkemään päälle mainittu vastaanotin 25 ja mainittu lähetin mainitun ohjaimen tunteman aikataulun mukaisesti; ’···* joka mainittu solmulaite on konfiguroitu ylläpitämään tahdistusta mainitun langat toman sensoriverkon jonkin toisen solmun kanssa ja vastaanottamaan siltä majak- • · kalähetyksiä.

··· • · • ♦ ···

Keksinnölle on tällöin tunnusomaista se, mitä on esitetty toisen solmulaitteeseen • · · ·.·· 30 kohdistuvan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

• · • · • · · . Keksinnön erään ensimmäisen aspektin mukaiselle menetelmälle on tunnusomais- ::: I ta, että se sisältää keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisen solmulaitteen suo- • · · '· rittamat vaiheet.

5

Keksinnön erään toisen aspektin mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että se sisältää keksinnön toisen aspektin mukaisen solmulaitteen suorittamat vaiheet.

Keksinnön erään ensimmäisen aspektin mukaiselle tietokoneohjelmatuotteelle on tunnusomaista, että se sisältää suoritettavissa olevia käskyjä, joiden perusteella 5 tietokone suorittaa keksinnön ensimmäisen aspektin mukaisen menetelmän.

Keksinnön erään toisen aspektin mukaiselle tietokoneohjelmatuotteelle on tunnusomaista, että se sisältää suoritettavissa olevia käskyjä, joiden perusteella tietokone suorittaa keksinnön toisen aspektin mukaisen menetelmän.

Vaikka langattoman sensoriverkon topologia ei aseta mitään vaatimuksia sille, että 10 minkään solmujen pitäisi olla paikallaanpysyviä, on silti olemassa suuri todennäköisyys, että uusi solmu, jonka kanssa liikkuva solmu haluaa kommunikoida menetettyään yhteyden aiempaan naapurisolmuun, sijaitsi jo valmiiksi jossakin suhteellisen lähellä liikkuvan solmun edellistä sijaintia. Edellisessä sijainnissaan liikkuva solmu vastaanotti majakkalähetyksiä lähimmiltä naapurisolmuilta ja tunsi siksi ne. 15 Liikkuvan solmun "naapuritietoisuutta" voidaan merkittävästi laajentaa ulospäin määräämällä mainitut lähimmät naapurisolmut ilmoittamaan, edullisesti samoissa majakkalähetyksissä, jotka lähisolmut vastaanottavat muutenkin, tärkeitä tietoja sellaisista solmuista, joita tietty liikkuva solmu ei vielä kuule, mutta jotka ovat vain yhden lisäaskelen päässä verkkotopologiassa.

• · · • · · • · · 20 Mikäli käytetään yhteistä verkkomajakkataajuutta kaikille verkkomajakkalähetyksil- :..i1 le, tärkein ilmoitettava asia mahdollisista lisäaskelen päässä olevista naapurisol- • · · ’•j/ muista on niiden majakkalähetysten suhteellinen ajoitus verrattuna ilmoituksen te- *···1 kevän solmun vastaaviin. Näin liikkuva solmu tietää heti, millä hetkellä sen tulee odottaa majakkalähetystä lisäaskelen päässä olevalta naapurisolmulta. Mikäli ma- • · · 25 jakkalähetykset tulevat eri kanavilla, myös kanavatiedot kuuluvat niihin lähetettäviin tietoihin, jotka solmu edullisesti vastaanottaa majakkalähetyksissä. Tällä ta-voin liikkuva solmu voi selvitä pitkäänkin ilman tarvetta suorittaa täydellistä verkko- • · :1·1; skannausta. Verkkoskannausten keskimääräisen esiintymistiheyden merkittävä • · · • · · ···· • · · • · • · • · • · · • · · ·»· · · • ♦ · • ·· • · 6 harventaminen merkitsee suuria säästöjä keskimääräisessä tehonkulutuksessa sellaisessa langattomassa sensoriverkossa, jossa solmujen usein tapahtuva liikkuminen on sallittua.

Tässä patenttihakemuksessa esimerkkinä esitettyjen suoritusmuotojen ei pidä tul-5 kita asettavan rajoituksia oheisten patenttivaatimusten sovellettavuudelle. Verbiä "käsittää" on käytetty tässä patenttihakemuksessa avoimena rajoitteena, joka ei sulje pois myös tässä mainitsemattomia ominaisuuksia. Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa mainittuja ominaisuuksia voidaan vapaasti yhdistellä keskenään, ellei nimenomaan toisin ole mainittu.

10 Keksinnölle tunnusomaisina pidetyt uudet ominaisuudet on esitetty yksityiskohtaisesti oheisissa patenttivaatimuksissa. Keksintöä itseään, sen rakennetta ja toimintaperiaatetta, sekä sen lisätavoitteita ja -etuja on kuitenkin selostettu seuraavassa eräiden suoritusmuotojen avulla ja viitaten oheisiin piirustuksiin.

PIIRUSTUSTEN LYHYT KUVAUS

15 Kuvio 1 esittää lähetystä ja vastaanottoa tekniikan tason mukaisen langattoman sensoriverkon solmuparin välillä, kuvio 2a esittää erään esimerkinomaisen langattoman sensoriverkon topologiaa, kuvio 2b esittää moniklusteripuutopologiaa, kuvio 3 esittää erästä esimerkinomaista majakkalähetysaikataulua, • · · 20 kuvio 4 esittää naapurinhavaitsemisprotokollan käyttöä langattomassa sensori-verkossa, • · · *;[/ kuvio 5 esittää erästä menetelmää yhteyden katkeamiseen reagoimiseksi, *···' kuvio 6 esittää erään esimerkinomaisen solmun eräitä toimintalohkoja, kuvio 7 esittää erään esimerkinomaisen solmunhallintaohjelman rakennetta, • · · 25 kuvio 8 esittää energioiden jakoa tiettyihin erikseen analysoituihin osiin, kuvio 9 esittää tiettyjä energia-analyysissä käytettyjä topologisia käsitteitä, :Y: kuvio 10 esittää laskettua tarvittavaa verkkoskannausaikaa verkkomajakkalähe- • · .·**. tystiheyden funktiona, ·. kuvio 11 esittää laskettua verkon ylläpitotehoa hitaasti liikkuville solmuille,

• M

·;» 30 kuvio 12 esittää laskettua verkon ylläpitotehoa kohtalaisella nopeudella liikkuville solmuille, • kuvio 13 esittää laskettua verkon ylläpitotehoa suurella nopeudella liikkuville (M · .·. : solmuille, • · · kuvio 14 esittää optimaalista majakkataajuutta solmuliikkuvuuden funktiona ja 35 kuvio 15 esittää optimaalista majakkataajuutta solmutiheyden funktiona.

7

MAJAKKALÄHETYKSET

Naapurisolmuja koskevien tietojen ylläpito keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti liittyy läheisesti majakkalähetyksiin. Seuraavassa tarkastellaan ensin joitakin vaihtoehtoisia tapoja järjestää majakkalähetykset langattomassa sensoriver-5 kossa. Käsite 'majakkalähetys' tunnetaan hyvin langattomien sensoriverkkojen yhteydessä. Se tarkoittaa tiedottavaa yleislähetystyyppistä lähetystä, jonka ainakin jotkin solmut tekevät toistuvasti ennalta määritellyn aikataulun mukaisesti tarkoituksenaan ilmoittaa olemassaolostaan ympärillä oleville muille solmuille, sekä myös antaakseen mainituille muille solmuille tahdistustietoja, joita nämä voivat 10 käyttää muodostaakseen aktiivisen tiedonsiirtoyhteyden majakkalähetyksen tehneen solmun kanssa. Yleisesti voidaan sanoa, että majakkalähetykset välittävät tietoja, jotka liittyvät verkkoyhteyksien hallintaan ja solmujen väliseen tiedonsiirtoon. Joissakin lähteissä käytetään ilmaisua "tahdistuspaketti" kuvaamaan oleellisesti samaa asiaa, mitä tässä nimitetään majakkalähetykseksi.

15 Edellä kuvion 1 yhteydessä selostettiin IEEE 802.15.4 LR-WPAN -standardin mukaista lähestymistapaa majakkalähetyksiin. Tarkastellaan eräänä esimerkinomaisena vaihtoehtona jakoa verkkomajakkasignaaleihin ja klusterimajakkasignaalei-hin, samoin kuin julkaisusta W02006/067271 tunnettua jakoa aktiivisiin majak-kasignaaleihin ja idle-majakkasignaaleihin.

:*·*: 20 Kuviossa 2a on esimerkinomainen graafinen kuvaus langattoman sensoriverkon :\t 200 topologiasta. Tämän verkon tiedonsiirtoprotokollassa solmut jaetaan pääsol- muihin ja alisolmuihin; esillä olevan keksinnön kannalta tällainen jako ei ole oleelli- • · · .···. nen, mutta se auttaa selventämään tiettyjä käsitteitä. Joukko solmuja toimii pää- • · "I' solmuina, jotka on esitetty mustina ympyröinä, kuten pääsolmut 201 ja 211. Kulla- *;!** 25 kin pääsolmulla on yksi tai useampia suoraan pääsolmun kanssa kommunikoivia • · *···’ alisolmuja 202 tai 212, jotka on esitetty pieninä valkoisina ympyröinä. Pääsolmu ja suoraan sen kanssa kommunikoivat alisolmut muodostavat yhdessä klusterin 203 • · tai 213. Klusterien välinen tiedonsiirto tapahtuu pääsolmujen välisten vertaisyhte- • · · yksien kautta. Monihyppyisyys on tuettua ja mahdollistaa periaatteessa kommuni-30 kaation verkon minkä tahansa mielivaltaisesti valitun solmuparin välillä.

• · · · • · t

Jotkin solmuista voivat toimia nielusolmuina, jolloin ne ovat tiedon käyttäjiä (kun : .·. taas toiset solmut ovat ensisijaisesti tiedon tuottajia) ja voivat tarjota yhdyskäytä- .·. · väyhteyksiä muihin järjestelmiin ja/tai muihin verkkoihin. Nielusolmut on esitetty isoina valkoisina ympyröinä, kuten nielusolmu 204. Nielusolmu voisi olla esimer-35 kiksi toimielin tai datakeskitin. Nielusolmua ei ole kielletty tuottamasta tietoa; toisin 8 sanoen jaon tiedontuottajasolmuihin ja tiedonkäyttäjäsolmuihin ei tarvitse olla ehdoton.

Toisin kuin solukkoradiojärjestelmien soluilla, klustereilla ei ole tarkoitus olla tarkasti määritettyä peittoaluetta; niillä ei ole myöskään mitään erityistä tarkoitusta to-5 teuttaa laajaa tai yhtenäistä maantieteellistä peittoa. Tiedonsiirto-ominaisuuksia tarvitaan vain alueilla, joilla on solmuja, ja toisaalta solmut on järjestetty tuomaan tarvittavat tiedonsiirto-ominaisuudet muassaan, ilman ulkopuolista konfigurointia. Alisolmujen määrä klusterissa voi vaihdella dynaamisesti, uusia klustereita voidaan muodostaa, vanhoja klustereita voidaan purkaa tai jakaa osiin, ja pääsolmu-10 jen välisten yhteyksien muodostaman "runkoverkon" topologiaa voidaan muuttaa riippuen siitä, mitkä solmulaitteista valitaan toimimaan pääsolmuina. Langaton sensoriverkko on tyypillisesti itsekonfiguroiva ja sopeutuu dynaamisesti muutoksiin, kuten pääsolmujen ja alisolmujen ilmaantumiseen ja poistumiseen, solmujen fyysisen sijainnin muutoksiin, signaalin etenemisolosuhteiden muutoksiin solmujen 15 välillä ja niin edelleen.

Tietyistä lähteistä tunnetaan jako rajoitetun toiminnallisuuden RFD-laitteisiin (Reduced Functionality Devices), jotka pystyvät toiminaan vain alisolmuina, sekä täyden toiminnallisuuden FFD-laitteisiin (Full Functionality Devices), jotka voivat toimia joko alisolmuina tai pääsolmuina. Nimityksiä "RFD" ja "FFD" käytetään nimen-20 omaan IEEE 802.15.4 LR-WPAN -standardissa. Ominaisuuksia, jotka FFD-lait- • · · : teella on oltava RFD-laitteen ominaisuuksien lisäksi, ovat pääasiassa reititykseen ja datan aggregointiin liittyvät ominaisuudet. Esillä olevan keksinnön kannalta on :T: epäoleellista, noudatetaanko tällaista solmujen luokittelua vai ei.

• · · • · ’••f Kuvio 2b esittää nk. moniklusteripuutopologiaa. Klusterit 250 koostuvat alisolmuis- • · · 'lii 25 ta (pienet valkeat ympyrät), jotka kommunikoivat pääsolmun (musta ympyrä) :···: kanssa. Useita (tässä: kaksi) klusteripuurakenteita sijaitsee päällekkäin. Kussakin niistä pääsolmut ylläpitävät tahdistusta muiden pääsolmujen kanssa, mutta ko.

• · v.: kahdessa eri rakenteessa nuo muut pääsolmut on valittu hieman eri tavalla. Επί”]: simmäinen klusteripuurakenne on kuvattu pääsolmujen välisillä paksuilla yhtenäi- 30 sillä viivoilla, ja se johtaa ensimmäiseen nieluun 251. Toinen klusteripuurakenne « 'III on kuvattu pääsolmujen välisillä paksuilla pisteviivoilla, ja se johtaa toiseen nieluun **:** 252. Eri klusteripuurakenteilla voisi myös olla yhteinen nielu.

• · • · · • · · ]” · Moniklusteripuutopologia, jossa useita klusteripuurakenteita sijaitsee päällekkäin, • · · mahdollistaa erittäin vakaan verkon ja tehokkaan monitiereitityksen. Kukin pää-35 solmu liittyy useisiin "emoihin", joilla voi olla reittejä eri nieluille ja erilaiset reitityk- g sen suorituskykymetriikat. Moniklusteripuutopologia voi näin ollen yhdistää hyvin organisoidun ja energiatehokkaan klusteripuutopologian edut ja silmukkatopologi-an joustavuuden.

Kuvio 3 käsittelee lähetysten ajoitusta klusterin sisällä. Kuvion 3 mukaisesti saan-5 tisykli 301 käsittää ylikehyksen 302 ja lepojakson 303. Kuviossa 3 on graafisen selkeyden vuoksi liioiteltu ylikehyksen 302 suhteellista ajallista pituutta; vaikka saantisyklin 301 pituus on järjestelmäparametri, joka voi vaihdella halutusta suorituskyvystä ja viivearvoista riippuen, ylikehys 302 tyypillisesti vie pienemmän suhteellisen osuuden ylikehyksestä kuin kuviossa 3. Saantisyklin 301 pituus voi esi-10 merkiksi olla jotakin 1 ja 10 sekunnin väliltä ylikehykselle 302 ehdotetun pituuden ollessa 260 ms.

Ylikehys 302 koostuu joukosta aikavälejä. Monissa käytännön toteutuksissa ylikehyksen ensimmäisessä aikavälissä 311 klusterin pääsolmu lähettää klusterimajak-kasignaalin. Muita solmuja käytetään datan siirtoon; esimerkiksi joitakin aikavälejä 15 312 yksinkertaisen kilpailun perusteella ja muita aikavälejä 313 varattavina aikavä leinä. Tällainen aikavälien jako on esitetty tässä vain ei-rajoittavana esimerkkinä.

Periaatteessa olisi mahdollista päättää, että klusterimajakkasignaalia lähetetään jossakin muussa kohtaa ylikehystä kuin aivan sen alussa. Sillä, että ylikehys alkaa klusterimajakkasignaalilla, on kuitenkin tiettyjä etuja. Muiden solmujen on helppo 20 tahdistaa itsensä ylikehyksen aikavälirakenteeseen, kun se alkaa klusterimajak- r." kasignaalilla. Lisäksi, koska klusterimajakkasignaali edullisesti sisältää tuoreimmat ]·:·. tiedot varattavien aikavälien allokoinneista, muiden solmujen on hyvä vastaanottaa • · · .I.., nämä tiedot ennen tietojen vaihtoon käytettävien aikavälien esiintymistä.

• · ·« · «

Joissakin käytännön toteutuksissa kukin aikaväli koostuu ensimmäisestä puolis-:[[[: 25 kosta ja toisesta puoliskosta. Jos tarkastellaan klusterimajakka-aikaväliä 311, en simmäisessä puoliskossa 321 voidaan lähettää klusterimajakkakehys ensimmäi-sellä tehotasolla (tässä suurella tehotasolla) ja toisessa puoliskossa 322 lähettää .···. oleellisesti identtinen kopio samasta klusterimajakkakehyksestä toisella tehotasol- • · la (tässä pienellä tehotasolla). Eri tehotasojen käyttö liittyy solmujen välisen etäi-30 syyden ja muiden lähetysten vaatiman lähetystehon määrittämiseen. Käytettäessä • ·· kahta eri tehotasoa ja tarkistettaessa, voidaanko virheettömästi vastaanottaa vain : suurempaa tehotasoa vai molempia, on mahdollista käyttää hyvin yksinkertaista *\ · elektroniikkaa vastaanottimessa, jolloin toteutus on todennäköisesti halvimmillaan, • ♦♦ koska signaalinvoimakkuuden mittauspiiriä, esimerkiksi RSShtä (Received Signal 35 Strength Indicator), ei tarvita. Mikäli tarvitaan suurempaa resoluutiota yhteyden 10 laadun mittauksissa, eräs helppo vaihtoehto on lisätä niiden eri tehotasojen määrää, joilla majakkasignaaleja lähetetään, ja tutkia, mikä on pienin tehotaso, jolla majakkasignaali tulee läpi riittävän voimakkaana onnistunutta vastaanottoa varten. Tiedonsiirtoaikavälien puolikkaat osoitetaan ylössuunnan ja alassuunnan lähetyk-5 seen. Tässä esimerkkitapauksessa varattavan aikavälin 313 ensimmäinen puolisko 323 on ylössuunnan puolisko ja toinen puolisko 324 on vastaavasti alassuunnan puolisko.

Kun ylössuunnan ja alassuunnan puoliskot (tai yleisemmin: ylössuunnan ja alassuunnan lähetyshetket) seuraavat toisiaan hyvin nopeasti ja tässä järjestyksessä, 10 voidaan lähetysteho alassuunnan lähetykselle valita ylössuunnan lähetykseen käytetyn lähetystehon perusteella. Ylössuunnan lähetystä suorittava solmu valitsee ylössuunnan lähetystehonsa sen perusteella, miten hyvin se pystyy vastaanottamaan majakkasignaaleja solmulta, johon se on lähettämässä. Valittu ylössuunnan teho edullisimmin ilmoitetaan ylössuunnan lähetykseen sisältyvässä otsikko-15 kentässä. Ylössuunnan lähetystä vastaanottava solmu lukee mainitun otsikkokentän arvon ja valitsee vastaavan alassuunnan lähetystehon. Ylössuunnan ja alassuunnan lähetysparin ajallinen läheisyys varmistaa, että signaalin etenemisolot ovat todennäköisesti pysyneet oleellisesti muuttumattomina.

Alassuunnan aikavälien käyttö ei ole aina välttämätöntä; ainakaan jos verkon en-20 sisijaisena tehtävänä on välittää dataa yksisuuntaisesti alisolmuilta nieluille päin.

• · · : Reititystietojen ylläpito kuitenkin vaatii useimmissa tapauksissa, että alassuunnan ·· • ’·· lähetys on ainakin mahdollista, vaikka alassuunnan kapasiteetin ei tarvitse vastata :T: symmetrisesti ylössuunnan kapasiteettia. Tehokas kanavien hyödyntäminen ei ole ensisijainen huolenaihe langattomissa sensoriverkoissa, koska tiedonsiirtonopeu- • · · ; 25 det ovat hyvin alhaisia.

• · · • · · • · *···* Sen lisäksi, että pääsolmu lähettää klusterimajakkasignaaleja ja alassuunnan lä hetyksiä ylikehyksen 302 asianmukaisissa aikaväleissä, se lähettää myös verkko- • · v.: majakkasignaaleja verkkokanavalla. Jotta pääsolmulla tarvittaisiin vain yksi radio- lähetin, on edullista ajoittaa verkko-majakkasignaalien lähetys tapahtumaan lepo- I:. 30 jakson 303 aikana. Kuvion 3 esimerkkisuoritusmuodossa pääsolmu lähettää nk.

aktiiviverkkomajakkasignaalin 331 kerran kussakin saantisyklissä 301. Tässä aktii- *:*’ viverkkomajakkasignaalin 331 lähetys on ajoitettu tapahtumaan aivan kunkin • · :.· I saantisyklin lopussa niin, että aktiiviverkkomajakkasignaalia 331 seuraa välittö- mästi klusterimajakkasignaalin lähetys ylikehyksen alussa. Lisäksi pääsolmu lähet-35 tää joukon nk. idle-verkkomajakkasignaaleja 332 lepojakson 303 jäljellä olevassa osassa. Tässä idle-verkkomajakkasignaalien lukumäärä saantisyklissä on yksi, 11 mutta se voisi myös olla nolla tai enemmän kuin yksi. Majakkajakso 333 tarkoittaa verkkomajakkasignaalin alun ja seuraavan verkkomajakkasignaalin alun välistä aikaa. Jos pääsolmu lähettää verkkomajakkasignaalit täsmällisin vakiovälein, majakkajakso 333 on tarkoin määritelty vakio, ja sen käänteislukua voidaan kutsua 5 majakkataajuudeksi. Jos verkkomajakkasignaalit lähetetään vaihtelevin välein, voidaan laskea keskimääräinen majakkajakso ja vastaava keskimääräinen majak-kataajuus.

NAAPURITIETOJEN JAKO

Esillä olevan keksinnön kannalta ei ole merkitystä jaetaanko solmut pääsolmuihin 10 ja alisolmuihin tai joihinkin muihin luokkiin. Tässä selityksessä käytetään kuitenkin nimitystä "emosolmu" tarkoittamaan lähistöllä sijaitsevaa solmua, jolta solmu vastaanottaa majakkalähetyksiä. Kuvio 4 esittää joukkoa solmuja keksinnön erään suoritusmuodon mukaisessa langattomassa sensoriverkossa. Solmu M voi vastaanottaa majakkalähetyksiä solmuilta I ja L; näin ollen solmut I ja L ovat solmun M 15 emosolmuja. Samalla tavoin solmu M on solmun K emosolmu, koska K voi vastaanottaa majakkalähetyksiä solmulta M. Oletetaan, että vaikka solmulle M olisikin fyysisesti mahdollista vastaanottaa majakkalähetyksiä solmulta J, järjestelmäs-pesifikaatiot määräävät, että solmun tulee ylläpitää tahdistusta vain enintään kahden emosolmun kanssa. Tämä luku, joka määrittää, kuinka monta solmua tulisi pi-20 tää "preferenssilistalla", on tärkeä verkkoparametri, jota käsitellään tarkemmin : tuonnempana. Toinen mahdollisuus on, että solmu J on solmun M alisolmu (mikäli • · : *·· tässä verkossa käytetään alisolmun käsitettä), eikä tee lainkaan omia majakkalä- ·.· · hetyksiä.

·»· • · • · m“l% Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti majakkalähetys sisältää myös tietoja

Hl 25 naapurisolmuista. Näin ollen solmun M vastaanottama majakkalähetys 401 soi-• · *···* multa I voi välittää seuraavan tietosisällön solmulle M: :Y: “Solmu I, kanava 55, naapurit(kanava 12, +100 ms; kanava 35, +150 ms)”.

• · • · · • · ’•y’ Samalla tavoin solmun M vastaanottama majakkalähetys 402 solmulta L voi välit- *:* tää seuraavan tietosisällön solmulle M: • · · · »·· • · *;· 30 “Solmu L, kanava 21, naapurit(kanava 56, +450 ms; kanava 16, +390 ms)”.

• · • · · • · · • · · ·

On huomattava, että koska majakkalähetys on yleislähetystyyppinen eikä suunnattu erityisesti millekään tietylle solmulle, solmujen I ja L majakkalähetykset sisältävät myös tietoa solmusta M (koska seuraavassa oletetaan, että myös solmu M te 12 kee majakkalähetyksiä). Koska solmu kuitenkaan tuskin tarvitsee ulkopuolelta tulevaa informaatiota tietääkseen, mitä se itse tekee, puhutaan vain siitä varsinaisesta informaatiosta, jonka solmu aidosti saa vastaanottamalla majakkalähetyksiä.

Offset-arvot ilmaisevat, kuinka paljon aikaa kuluu offset-arvon ilmoittavasta majak-5 kalähetyksestä offset-arvon tarkoittamaan toisen solmun majakkalähetykseen. Toisin sanoen, esimerkiksi solmu B tekee majakkalähetyksensä 150 ms myöhemmin kuin solmu I.

Tässä esimerkissä huomattakoon myös, että kaikki majakkalähetyksiä tekevät solmut eivät tee niitä jollakin yhteisellä verkkomajakkakanavalla. Jos näin olisi, ei 10 olisi tarpeen ilmoittaa naapurisolmujen eri kanavatunnisteita majakkalähetyksissä, vaan riittäisi pelkästään, että ilmoitetaan offset-arvot.

Majakkalähetysten 401 ja 402 vastaanottamisen ansiosta solmu M on kerännyt tietoja solmuista A, B, H ja G. Tarkastellaan seuraavaksi majakkalähetystä, jonka solmu K vastaanottaa solmulta M. Olisi luonnollisesti mahdollista määrätä solmu M 15 kertomaan kaikki tietonsa solmulle K, so. myös solmuja A, B, H ja G koskevat tiedot. Olettaen kuitenkin, että solmu K liikkuu siten, että lopulta sen tiedonsiirtoyhteys solmun M kanssa huononee, kuvion 4 topologiassa on epätodennäköistä, että se siirtyisi paikkaan, jossa se voisi kuulla parasta solmuista A, B, H tai G kulkematta ensin sellaisen paikan kautta, missä paras mahdollinen yhteyskumppani olisi jo-:T: 20 ko solmu I tai solmu L. Näin ollen, intuitiivisesti ajatellen riittää, että solmu M ker- too solmulle K solmuista I ja L. Lisäksi, koska solmujen lukumäärä, joilta tietoa ke- • rääntyy, nousee muuten eksponentiaalisesti kullakin askelella kohti ulompia sol- .·*·. muja, tulisi pian fyysisesti mahdottomaksi kuvata muita kuin muutamaa aivan lä- ♦ · hintä solmua majakkalähetyksessä. Näin ollen solmun K vastaanottama majakka- *;!:* 25 lähetys 403 solmulta M edullisimmin välittää seuraavan tietosisällön solmulle K: • · • ♦ ··· “Solmu M, kanava 07, naapurit(kanava 55, +220 ms; kanava 21, +120 ms)”.

• · • · · l.l Esitellään "tahdistusdatayksikön" (SDU) käsite. SDU on digitaalinen tieto, joka ker- • · *·;·’ too solmulle, kuinka sen pitää toimia vastaanottaakseen majakkalähetyksen suo- "*i* raan ja hyvintähdätysti solmulta, jolta se ei vielä aktiivisesti vastaanota majakkalä- 30 hetyksiä. Jotta vastaanotto olisi suora ja hyvintähdätty, SDU:n on annettava täs- • · · ; *. mälliset ohjeet, jotka suoraan johtavat uuden majakkalähetyksen löytymiseen; :y j pelkkä käsky verkkoskannauksen suorittamiseksi ei ole SDU. Langattomissa sen- • · · *· soriverkoissa, joissa majakkalähetyksiä määrittävät kanava (esimerkiksi: taajuus) ja lähetysaika, SDU sisältää kanavatiedon ja aikatiedon. Aikatieto voi (mutta sen ei 13 välttämättä tarvitse) erikseen määritellä majakkavälin sekä ilmoitetun solmun ja SDU:n lähettäneen solmun saantisyklien välisen aikaeron. Aikaeron käytön avulla vältetään globaalin ajan tarve ja pienennetään tarvittavaa arvoaluetta, jolloin aika-arvo mahtuu vähempiin bitteihin. Kanava- ja ajoitustietojen avulla solmu voi havai-5 ta duplikaatit ja SDU:t, jotka viittaavat sellaiseen naapuriin, johon on jo tahdistuttu.

Majakkavälitietoa voidaan käyttää määrittelemään täsmällisesti SDU:ssa, mikä on ilmoitetusta solmusta tapahtuvan seuraavan majakkalähetyksen aika. Majakkaväli voi muuttua verkossa, esimerkiksi verkon eri osien erilaisten tiedonsiirtotarpeiden takia. Eräs toinen mahdollinen syy muuttumiseen on (tilapäinen) tarve muuttaa yli-10 kehyksien keskinäistä ajoitusta, jotta tietojen reititys tapahtuu tehokkaasti, reititys-viiveet minimoidaan, sekä vältetään ylikehysjaksojen päällekkäisyyttä.

Yllä olevassa esimerkinomaisten majakkalähetysten selityksessä oletettiin implisiittisesti, että ne viittaavat klusterimajakkalähetyksiin, joita naapurisolmut tekevät klustereita sisältävässä langattomassa sensoriverkossa. Koska jokaisella klusteril-15 la on oma klusterikanavansa, mainittujen majakkalähetysten piti ilmoittaa naapu-risolmujen (klusteri)kanava suhteellisten aikaviiveiden lisäksi. Periaatteessa olisi mahdollista sen sijaan viitata naapurisolmujen tuleviin verkkomajakkalähetyksiin. Koska verkkomajakkakanava on sama kaikille solmuille tällaisessa langattomassa sensoriverkossa, riittäisi silloin pelkkä aikaviiveiden ilmoittaminen. Käytännön to-20 teutuksissa on usein energiatehokkaampaa viitata klusterimajakoihin, koska ne ta-

• M

v : vallisesti sisältävät tiedonsiirtoon liittyvää tärkeää tietoa, jota ei löydy verkkoma- • · • *·· jakkalähetyksistä, koska energian säästämiseksi viimemainitut halutaan pitää :T: mahdollisimman lyhyinä.

··· • · • · “l Naapurinhavaitsemisprotokolla, so. naapurisolmuja koskevien tahdistukseen liitty- 25 vien tietojen lähettäminen majakkalähetyksissä, luonnollisesti edellyttää majakka- • · *···’ kehysten muotoilua siten, että tarvittavat databitit mahtuvat niihin. Naapurinhavait semisprotokolla voitaisiin toteuttaa lisätoimintona monissa olemassa olevissa • · WSN-järjestelyissä; esimerkiksi IEEE 802.15.4 LR-WPAN -standardi sallii majak-kakehykselle hyötykuormaosan, jota majakkalähetyksiä tekevä solmu voi hyödyn-30 tää naapurisolmutietojen lähetyksessä. Keksintö voidaan myös toteuttaa lisätoi-mintona olemassa oleviin S-MAC ja SMACS -protokolliin.

• · • · · : On huomattava, että keksintö ei sulje pois myöskään lapsisolmuja koskevien tah- .·. : distusdatayksiköiden muodostamista ja lähettämistä. Monissa WSN-toteutuksissa • ** solmut, joilla ei ole alisolmun statusta, eivät tee majakkalähetyksiä; niillä voi kui-35 tenkin olla muita ominaisuuksia, jotka voisivat olla hyödyllisiä kuvattaessa niitä 14 muille solmuille, jotka voivat olla liikkumassa tällaista alisolmua kohti. Tässä mielessä SDU:n käsitettä voitaisiin laajentaa siten, että se käsittää minkä tahansa sellaisen solmutiedon, joka voisi olla hyödyksi myöhemmässä yrityksessä muodostaa yhteys sellaiseen solmuun.

5 Käytännössä naapurinhavaitsemisprotokolla, joka aihettaa tahdistuksen ylläpitämisen useampaan kuin yhteen naapurisolmuun, johtaa moniklusteripuutopologian muodostukseen, jota on selitetty edellä kuvion 2b yhteydessä.

MENETTELY YHTEYDEN KATKETESSA TAI HEIKENTYESSÄ

Oletetaan että järjestelmäspesifikaatioiden mukaan solmu vastaanottaa aktiivisesti 10 majakkalähetyksiä enintään k muulta solmulta (so. solmulla on enintään k emoa), missä k on positiivinen kokonaisluku, vähintään 1 ja tyypillisesti 2, 3 tai 4. Yhdessä sen oletuksen kanssa, että majakkalähetys sisältää SDU:ita, jotka kuvaavat vain kaikkein lähimpiä naapurisolmuja, tämä tarkoittaa, että solmu kerää ja ylläpitää tietokantaa, joka koskee enintään Λ2 SDU:ta. Kuvio 5 esittää menetelmää, jonka 15 avulla solmu käyttää näitä tallennettuja SDU:ita silloin, kun yhteyden aiempaan emosolmuun huomataan vikaantuneen (vaihe 501).

Se, että aiemmin käytetty yhteys vikaantui, tarkoittaa että solmu on aiemmin vastaanottanut ainakin joitakin SDU:ita. Vaiheessa 502 se aktivoi vastaanottimensa sille kanavalle ja sillä ajanhetkellä, joka on ilmaistu tallennetussa SDU:ssa. Vai- .1 * 20 heessa 503 tarkistetaan yhteyden laatu. Mikäli majakan vastaanotto onnistui vä- • · hintään tyydyttävällä yhteyden laadulla, menetelmä päättyy välittömästi onnistumi- • · · *·[ * seen vaiheen 507 mukaisesti. Mikäli yhteyden laatu oli riittämätön, solmu tarkistaa vaiheessa 504, onko sillä lisää SDU:ita varastossa. Solmu kiertää vaiheiden 502, 503 ja 504 muodostamaa silmukkaa niin kauan kuin varastossa on vielä kokeile-25 mattomia SDU:ita.

··· .. Kielteinen tulos vaiheessa 504 merkitsee, että solmu ei löytänyt uutta emoa tallen- *;]·* nettujen SDUriden avulla. Se saattoi kuitenkin vastaanottaa joitakin majakkasig- • · *···* naaleja, jotka jäivät vain hieman yhteydenlaatutavoitteesta. On aina mahdollista, ·:· että jokin näistä saavuttaa paremman laadun myöhemmin. Lisäksi verkkoskanna- ··**: 30 uksen suorittaminen kuluttaa niin paljon energiaa, että sitä pitäisi välttää, jos vain . *. tarjolla on parempia vaihtoehtoja. Näin ollen, positiivinen löydös vaiheessa 505 • * · Σ·: j johtaa parhaan käytettävissä olevan yhteyden laadun omaavan vastaanotetun ma- *· *Σ jakan valintaan vaiheessa 506 ja menetelmän onnistuneeseen päätökseen vai heessa 507.

15

Mikäli majakoita ei vastaanotettu lainkaan, tarvitaan verkkoskannaus. Solmu asettaa majakkajaksoa vastaavan aikakatkaisurajan vaiheessa 508 ja aloittaa vastaanoton vaiheessa 509. Vastaanotto päättyy joko aikakatkaisuun (vaihe 510) tai riittävällä yhteyden laadulla varustetun majakan vastaanottoon (vaihe 511). Mikäli ma-5 jakkalähetyksille on yhteinen verkkokanava, vastaanotto vaiheessa 509 tapahtuu kyseisellä verkkokanavalla. Järjestelmissä, joissa majakkalähetykset voivat tulla eri kanavilla, solmun täytyy käydä läpi vaiheet 508-511 kaikille ko. kanaville, kunnes se löytää majakan. Vaikka ennen aikakatkaisua ei olisi löytynyt riittävällä yhteyden laadulla varustettuja majakoita, on taaskin suositeltavaa valita paras saata-10 villa oleva, siirtyen vaiheesta 512 vaiheeseen 506. Vain mikäli majakoita ei vastaanotettu lainkaan, menetelmä päättyy epäonnistumiseen vaiheessa 513.

Seuraavassa esitetään pseudokoodin avulla hieman erilainen lähestymistapa solmun toimintaan. Tämä naapurinhavaitsemisalgoritmi perustuu kolmeen pääperiaatteeseen: ylimääräisten tiedonsiirtoyhteyksien ylläpitoon, yhteyden laadussa ta-15 pahtuviin muutoksiin perustuvaan liikkeen ennakointiin sekä hajautetun naapuri-tiedon käyttöön energiatehokasta naapurinhavaitsemista varten. Keksinnön muissa suoritusmuodoissa ei myöskään ole tarpeen odottaa konkreettista yhteyden katkeamista; havaittu yhteyden laadun heikkeneminen voi hipaista prosessin, jossa etsitään ja muodostetaan uusi yhteys heikkenevän tilalle. Tällainen ennakoiva 20 lähestymistapa auttaa minimoimaan tiedonsiirron viiveitä.

• · · : Tiedonsiirtoyhteyksien riittävä redundanssi on erittäin edullista jatkuvan datareiti- tyksen varmistamiseksi dynaamisessa verkossa. Oletetaan, että ylläpidetään tie- :T: donsiirtoyhteyksiä k naapurin kanssa. /r:n arvo riippuu yhteysmuutosten tiheydestä :***: ja siten verkkodynamiikan asteesta. Jonkin tiedonsiirtoyhteyden katketessa muut • · · . .·. 25 yhteydet varmistavat jatkuvan datareitityksen. Lisäksi useiden rinnakkaisten tie- .···. donsiirtoyhteyksien käyttö on ihanteellista moniklusteripuuverkkotopologiassa, ku ten julkaisun W02006/067271 mukaisessa.

• · V,· Yhteyslaadun muutosten tarkkailu ja heikkolaatuisten yhteyksien korvaaminen eh- käisee odottamattomia yhteyskatkoja ja mahdollistaa jatkuvan reitityksen. Koska 30 dynaamiset verkot eivät mahdollista yhteyslaadun tarkkailua pitkällä aikavälillä, 'II! käytetään seuraavassa RSSI.tä (vastaanotetun signaalinlaadun ilmaisua) nopeaan yhteyslaadun arviointiin. Voitaisiin myös käyttää muita tunnettuja menetelmiä.

• · · • · · | Pseudokoodialgoritmissa on kaksi funktiota, NEIGHBOR_DISCOVERY, joka yllä- • · · pitää yleistettävyyttä naapureihin, ja SYNCHRONIZE, joka suorittaa majakkasig-35 naalien vastaanottoa SDU:iden mukaisesti. Käytetään seuraavia symboleja: 16 rssi(n) yhteyden laatu solmuun n Λ/* tahdistuneiden naapurisolmujen luettelo N+ luettelo solmuista n, joilla kasvanut rssi(n), Λ/+ c Λ/» N- luettelo solmuista n, joilla pienentynyt rssi{n), N- c N* 5 S: vastaanotettujen SDUiiden luettelo source(s) solmujoukko, joka on lähettänyt SDU:n s, s € S k niiden solmujen lukumäärä, joihin ylläpidetään tahdistusta qo vastaanottoon vaadittavan yhteyden laadun alaraja q+ suositeltavan yhteyslaadun raja 10 ts verkkoskannausajastin.

NEIGHBOR_DISCOVERY() 1 while Λ/· = 0 2 if timer ts has expired 3 perform network scan 4 /V* <— Ac nodes found in scan 5 reset timer ts 6 if |A/-| < k 7 N<- SYNCHRONIZER q0, q+, k - |/V*|) 8 if N Φ 0 9 Λ/* <—/V* u {select k - |Λ/·| nodes from N} 10 if |A/.| = #r 11 for each ne/V* • · · 12 N <-0 • · · 13 ifneA/_ 14 Arrange Λ/+ in descending order by RSSI change • · · *”·* 15 N <- SYNCHRONIZER, q0, q0, 1) *···* 16 if N = 0 and η ί N+ and rssi{n) < q+ 17 N<- SYNCHRONIZER, q+, q+, 1) 18 ifw#0 19 W.«-N*-{n) 20 Λ/·<- N*u {select a node from N) m ···« • · · *...· Kuuntelee No:n sisältämien naapurien lähettämien SDU:iden määrittämiä solmuja. Lopettaa : vastaanoton löydettyään c naapuria, joilla yhteyslaatu qen<j Palauttaa luettelon majakoista, ··· · ; joilla vähimmäisyhteyslaatu qm,„ e *· e · 17 SYNCHRONIZER, qmin, qend, c) 21 U - {s\s g S a (3 n: n e N0 λ n e source{s))} 22 Order s, s e U by source(s) index in N0 23 N=0 24 while U*0 25 select SDU s from U that sends next beacon 26 U<^U-{s} 27 wait until beacon tx time; receive beacon 28 if reception successful 29 initialize node n from s and the received beacon 30 if rssi(n) > qmin 31 A/<-A/u{n} 32 if rssi(n) > qend 33 c <- c - 1 34 if c = 0

35 return N

36 return N

Verkkoskannauksia käytetään vain, kun ei tiedetä yhtään tahdistettua naapuria (rivit 1-5). Solmu, jolla on hyvä yhteyden laatu, erittäin todennäköisesti mainostaa tiedonsiirtokantaman päässä olevia naapureita, kun taas heikkotasoinen yhteys on 5 epäluotettava ja saattaa katketa. Sen vuoksi, jotta varmistettaisiin ettei tarvita uutta verkkoskannausta, skannausta jatketaan niin kauan, kunnes löydetään joko naa-puri, jolla on suuri RSSI, tai k naapuria. Ajastinta käytetään pysyvän skannauksen .*··. estämiseksi, mikäli tiedonsiirtoetäisyydellä ei ole naapuria. Skannauksen jälkeen solmu tahdistuu naapureihin, joilla on paras yhteyden laatu.

• · · • · · 10 SDU-informaatiota käytetään yhteyksien saamiseksi k naapuriin (rivit 6-9). Solmu kuuntelee vastaanotettujen SDU:iden määrittämiä majakoita, kun se etsii naapuria, jolla on hyvä yhteyden laatu (q+). Jos SDU:iden kuuntelu ei kuitenkaan tuota riittä- • · .··*. västi naapureita, joilla on hyvä yhteyden laatu, hyväksytään myös yhteyksiä, jolla *·* on heikompi yhteyden laatu (qo). Algoritmin jälkipuolisko tarkkailee naapuri-infor- ···· 15 maatiota ja yrittää korvata nämä heikomman laadun yhteydet paremmilla (rivit 10- 20).

• · • · · j Algoritmi valitsee mieluummin naapureita, joilla on hyvä yhteyden laatu (rivit 9 ja • · · 20), koska näillä on pieni kehysvirhesuhde ja ne mahdollistavat energian säästämisen lähetystehon säädöllä. Lisäksi, kun on useita vaihtoehtoja, joilla on sama tai 18 lähes sama yhteyden laatu, valitaan naapureita, jotka mainostavat eri SDU:ita. Valinta mahdollistaa kattavan naapurustoinformaation saamisen, joka antaa enemmän vaihtoehtoja naapurinvalintaan ja lisää siten verkon vahvuutta.

Algoritmi sopeutuu liikkeeseen suosimalla naapureita, jotka ovat lähestymässä 5 (Λ/+) ja välttämällä solmuja, jotka ovat liikkumassa poispäin (Λ/_). Λ/+ ja AL -luettelot päivitetään majakkasignaalin vastaanoton yhteydessä. Jotta mitatun signaalinlaa-dun normaali vaihtelu ja hidas liike eivät aiheuttaisi turhia yhteysvaihtoja, pienet muutokset yhteyden laadussa suodatetaan pois.

Mikäli naapuri liikkuu poispäin, etsitään korvaajaa lähemmäksi tulevien naapurien 10 mainostamista SDU:ista (rivit 13-15). Etsintä päättyy, kun havaitaan uusi naapuri, jolla on mikä tahansa yhteyden laatu (qo). Jopa heikkolaatuinen yhteys hyväksytään, koska solmu on liikkumassa kohti mainostajaa. Näin ollen on todennäköistä, että hyväksyttyjen naapurien yhteyden laatu paranee. Nopeimmin liikkuvien solmujen SDU:t käsitellään ensin (rivit 14, 21-22), koska liike on kohti on ko. solmun 15 naapurustoa. Rivit 16-17 käsittelevät tilannetta, jossa solmu pysyy paikallaan, liikkuu hitaasti tai naapurin yhteyden laatu on huono eikä korvaajaa löytynyt Λ/+ -luettelosta. Taas sallitaan heikko yhteyden laatu solmuille, jotka ovat liikkumassa lähemmäksi.

On huomattava, että koska ajoitukset tunnetaan täsmälleen, solmu ei kuuntele ra- :*·*: 20 diota jatkuvasti. Näin ollen hajautettuun tietoon perustuvalla naapurinhavaitsemi- sella on lisäetu perinteiseen verkkoskannaukseen nähden, koska solmu voi olla [·:·. lepotilassa tai kommunikoida naapuriensa kanssa odottaessaan majakkasignaalin • · · 'I... vastaanottoa algoritmin tahdistusosassa.

• · ·

TAHDISTUSDATAYKSIKÖIDEN JA YHTEYKSIEN VALINTA

• · · 25 Solmulla voi olla ylitarjontaa naapurisolmuista, joiden kanssa se voisi ylläpitää tie- . . donsiirtoyhteyksiä. Jotta tehokkaimmin voitaisiin valmistautua mahdollisiin muu- • · · toksiin yhteyksissä, olisi edullista, jos solmu voisi valita solmut, joilta se vastaanot- • · ’·;·* taa SDlkita, siten että ne sijaitsevat mahdollisimman monissa eri suunnissa. Tämä ·:· voidaan saavuttaa helposti niin, että solmu yrittää tahdistua ensisijaisesti niihin ···· .***. 30 muihin solmuihin, joilta se voi vastaanottaa mahdollisimman paljon eri SDU:ita.

• · · . *. Toisin sanoen solmu yrittää välttää samanlaisten SDlhiden vastaanottoa. Vas- • · · | taanotettujen ja tallennettujen uniikkien SDU:iden määrän maksimointi maksimoi :.’*i myös mahdollisuuden löytää käyttökelpoinen uusi yhteys tallennettujen SDU:iden 19 perusteella. Tällä on suurin merkitys harvoissa verkoissa, joissa on vain pieni määrä muita solmuja radiokantaman päässä.

Edellä selitetyssä pseudokoodiin perustuvassa suoritusmuodossa mainittiin jo yhteyden laadun muutosten tarkkailu. Jos yhteyden laatu näyttää parantuvan, solmu 5 voi hyvin päättää pitää sen, vaikka yhteyden laatu olisi alun perin ollut heikko, koska havaittu paraneminen viittaa siihen, että nämä solmut ovat suhteellisessa liikkeessä toisiaan kohti, joten yhteys voi olla paljon parempi tulevaisuudessa. Toisaalta heikkenevä yhteys on todennäköisimmin muuttumassa käyttökelvottomaksi, ja se on hyvä ehdokas korvattavaksi, vaikka sillä vielä olisikin hyväksyttävä yhtey-10 den laatu.

ESIMERKKI SOLMUSTA

Kuviossa 6 on esitetty keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen esimerkinomaisen solmulaitteen 601 arkkitehtuuria. Laskenta-alijärjestelmä 604 on järjestetty suorittamaan MAC-protokollaa, ja ylemmät protokollat ja sovellusalgoritmit riippu-15 vat käytettävissä olevasta suoritustehosta ja muistista. Esimerkinomaiseen laskenta-alijärjestelmän fyysiseen toteutukseen kuuluu Microchip PIC18LF4620 mikro-ohjainyksikkö (MCU) 641, jossa on integroituna 8-bittinen prosessoriydin, 64 kB FLASH-ohjelmamuistia, 4 kB RAM-datamuistia ja 1 kB EEPROM-muistia. Haihtu-maton datamuisti voidaan toteuttaa käyttäen ulkoista muistia 642, esimerkiksi 8 :*·*: 20 kB:n EEPROM-muistia. Ohjaimella on hyvä energiatehokkuus ja monipuoliset te- honsäästömoodit, jotka mahdollistavat tarkan ja pienienergisen heräämisen ajoi- !·:·. tuksen ulkoisella 32,768 kHz kellokiteellä (ei esitetty). Aktiivisen moodin toimintaa • « · .I.*. kellotetaan sisäisellä säädettävällä kellolähteellä. Esimerkkinä käytetty kellotaa- “I juus on 4 MHz, joka tuottaa 1 MlPSin suorituskyvyn. Akun energiatilan tarkkailuun • · · 'lii 25 käytetään sisäistä 10-bittistä analogia-digitaalimuunninta (ADC) 632. AD-muunti-*···* meen voidaan kytkeä myös ulkoinen anturi 631 analogisella lähdöllä.

Tiedonsiirtoalijärjestelmä 605 sisältää radiotaajuus- eli RF-lähetinvastaanottimen .···. 651, antennin 652 ja tietoliikenneprotokollia suorittavan osan MCU:sta 641. Erääs- • · ’·[ sä esimerkinomaisessa tiedonsiirtoalijärjestelmän 605 fyysisessä toteutuksessa 30 käytetään Nordic Semiconductor nRF2401 2,4 GHz lähetinvastaanotinta, jolla on • · · valittavissa oleva 250 kbps tai 1 Mbps tiedonsiirtonopeus ja 83 käytettävissä ole- : .·. vaa taajuuskanavaa. Lähetyksen tehotaso on valittavissa väliltä -20 dBm ...

: 0 dBm. Radiolla on rajapinta pieninopeuksista MCU:ta varten, joka käsittää 32- • · · tavuisia datapuskureita (ei esitetty) lähetykseen ja vastaanottoon sekä osoitteen 35 tunnistuksen ja CRC-virheenilmaisulogiikan. Nämä yksinkertaistavat datan käsitte- 20 lyä MCU:ssa ja mahdollistavat pieninopeuksisen tiedonvaihdon MCU:n ja radion välillä. Silmukkatyyppinen antenni 652 voidaan toteuttaa esimerkiksi piirilevykuvio-na, jolla on dipolityyppinen säteilykuvio. Yksinkertainen käyttöliittymä 653 on toteutettu painonapin ja LEDin avulla.

5 Anturialijärjestelmä 603 edullisimmin hyödyntää sisäistä analogia-digitaalimuun-ninta 632 ja MCU:ta 641. ADC-ohjain ja näytteiden lähetystehtävät sovelluskerrokselle voidaan toteuttaa MCU:n 641 avulla. Anturina 631 voidaan käyttää lähes minkä tahansa tyyppistä anturia sovelluksesta riippuen. Analogisella lähdöllä varustettujen ja AD-muuntimeen kytkettyjen anturien lisäksi voidaan myös käyttää 10 digitaalisella lähdöllä varustettuja antureita kytkemällä ne suoraan MCU:n digitaalisiin tulo/lähtönastoihin; esimerkkinä digitaaliseen l2C-väylään liitetty Dallas Semiconductor DS620 -anturi.

Tehonsyöttöalijärjestelmä 602 voidaan suunnitella monin eri tavoin. Kuvion 6 mukaiseen esimerkkijärjestelmään kuuluu energialähde 621, joka voi olla esimerkiksi 15 pietsosähköisiin ilmiöihin perustuva ympäristöstä energiaa varastava piiri, fotosäh-köpari tai esimerkiksi 1600 mAh CR123A litiumparisto. Regulaattoria 622 käytetään vakavoimaan muulle solmulaitteelle syötettävää käyttöjännitettä. Vaikka hak-kuriregulaattori olisi hyötysuhteeltaan parempi, voi kuitenkin olla edullisempaa käyttää lineaarista regulaattoria, kuten MAXI725, sen pienemmän lepovirran, pie-20 nemmän kohinan, vähempien sähkömagneettisten häiriöiden ja pienemmän koon • · · : vuoksi. Energian tilapäis- ja huippukäyttövarastona voidaan käyttää ladattavaa ak- ·”1·· kua tai superkondensaattoria 623.

··· • · · • · ·

Mainitun prototyypin mitat ovat 124 mm pituus ja 21 mm halkaisija. Prototyyppi **I koostuu kahdesta eri piirilevystä: yksi MCU:ta, radiota, jännitevakavointia ja läm- 25 pötila-anturia varten sekä toinen, laajennuspiirilevy, paristoa, painonappia, LEDiä *···1 ja l/O-liitintä varten.

Prototyypin tehonkulutusmittauksia on esitetty seuraavassa taulukossa.

• · * · · • · • · · • · · • ·· · • · · • · • · • · · » • · · • · · • · · · • ·

• · I

• · · • · 21

Taulukko 1: prototyyppisolmun tehonkulutusarvot

Symboli MCU__Lähetinvastaanotin Teho (mW)

Prx_1 MIPS RX__60,17 _1 MIPS TX (0 dBm)__42,17

Ptx_1 MIPS TX (-6 dBm)__34,67 _1 MIPS TX (-12 dBm)__31,37 _1 MIPS TX (-20 dBm)__29,57 __1 MIPS Stand-by__3,29 _1 MIPS Sleep__3,17 _Sleep Sleep__0,037

Kuviossa 7 on esitetty eräs esimerkinomainen ohjelmistoarkkitehtuuri edellä kuviossa 6 kuvatulle solmulle. Käyttöjärjestelmän peruspalveluihin 701 kuuluvat mm. 5 yleistä solmunhallintaa suorittava tilakone 702, jonka toimintaa ajoittaa ajastin 703. Solmunhallinnan tilakone 702 suorittaa MAC-funktiokutsuja, joita on kuvattu nuolilla. Kehyskoonti 704, jono 705 ja radio-ohjain 706 (sisältäen kehyslähetys- 707 ja kehysvastaanottotoiminnot 708) liittyvät data- ja ohjausliikenteeseen. Kuviossa 7 oikealla puolella esitettyjä hallintatoimintoja suoritetaan tarvittaessa, ja niihin sisäl-10 tyvät etäisyyden arviointi 709, klusteriskannaus 710, klusteriassosiointi ja assosioinnin purku 711, aikavälien osoitus 712 ja solmun tehonhallinta 713. AD-muuntimen ohjain 714 ohjaa anturinäytteitystä ja muodostaa osan anturisovellus-:·. ja reititystehtävistä 715, jotka protokollapinossa kuuluvat sovelluskerrokseen. Oh- ]·:·. jelmisto voidaan kehittää millä tahansa käytettävissä olevalla kehitystyökalulla, 15 esimerkiksi Microchip MPLAB C30 (v2.00).

• · e

ENERGIA- JA SUORITUSKYKYANALYYSI

• · ·

Kehyksen lähetyksen ja vastaanoton ja verkkoskannauksen energian kulutuksen määrittämiseksi ne mallinnetaan käyttäen edellä kuvattujen esimerkkisolmujen • · « ’·[·* käyttäytymistä vastaavia radioenergiamalleja. Verkkoproseduurien kehysformaatit *···* 20 voivat vaihdella, mutta seuraavassa tarkastellaan esimerkinomaista radiokehystä, ·:· jolla on kiinteä 256 bitin pituus. Se on radion suurin mahdollinen datapuskurikoko • ·· · ;·*·. esimerkkisolmutoteutuksissa. Malleissa keskitytään radioenergian kulutukseen, . \ koska MCU:n energiankulutus on joka tapauksessa hyvin pientä verrattuna radio- • · · : lähetinvastaanottimen lukuihin. Seuraavissa malleissa MCU:n tehonkulutus on si- • · *: 25 säilytetty radiotehonkulutuksiin. Käytetään seuraavia symboleja, ja vastaavilla suu reilla voi olla esimerkiksi seuraavat esimerkkiarvot: 22

Taulukko 2: symbolien selitykset ja esimerkkiarvot

Symboli Selitys___Määritetty arvo £__kidetoleranssi__20 ppm_ fc_klusterimajakan lähetystaajuus__0,5 Hz_ fn_verkkomaiakan lähetystaajuus__0,01 Hz - 100 Hz k niiden solmujen lukumäärä, joihin 1-4 _ylläpidetään tahdistusta____

Lf_kehyksen pituus__256 bittiä_ _r_radiokantama___10 m_ p riittävän signaalinvoimakkuuden alue 0,5 _verrattuna maksimiradiokantamaan__ jR_radiodatanopeus__1 Mbps_ ti_tahdistusepätarkkuus_50 us_ tst lähettimen ja vastaanottimen 200 ps _käynnistymisaika__

Kehyslähetys koostuu radion käynnistymistransienttiajasta (tst) ja varsinaisesta tiedonsiirrosta kehyspituuden (Lf) ja radiodatanopeuden (R) suhteeksi määriteltynä. 5 Käynnistymistransientin aikana radiotehonkulutuksen arvioidaan vastaavan lähe-tyksenaikaista tehonkulutusta (Ptx). Koska lähetystehotasoa voidaan dynaamisesti säätää tiedonsiirtoyhteyden laadun mukaan, arvioidaan käytetyksi lähetystehoksi * keskimäärin -6 dBm. Näin ollen kehyslähetysenergia E* mallinnetaan seuraavasti: • ·· EK=f(<+tjpfc. (1) • · · • · · ··· .···. 10 Taulukon 1 ja taulukon 2 numeerisilla arvoilla lähetyksen energiankulutus on E* = 15,8 //J, joka vastaa 62 nJ lähetettyä fyysisen kerroksen bittiä kohti.

• ·

Kehysvastaanotto alkaa radion käynnistymistransientilla. Radio kuluttaa vastaan- • · « ottotehoa (P«) siihen saakka, kunnes kehys on vastaanotettu, mukaan lukien tah- distusepätarkkuuden (ti) ja kidetoleranssin (s) aiheuttama joutilas kuunteluaika.

[·**. 15 Kehysvastaanottoenergia mallinnetaan: • · ··· M: E„=if-+f#+^+^V. (2)

: V h k J

m · 23

Vastaanottoenergiankulutus vastaanotettua pakettia kohti on En = 35,3 μϋ taulukon 1 ja taulukon 2 numeerisilla arvoilla, mikä vastaa 138 nJ fyysisen kerroksen databittiä kohti.

Verkkoskannaus alkaa radion käynnistymistransientilla. Sen jälkeen radio on vas-5 taanottotilassa (RX) keskimäärin ajan tns verran. Näin ollen verkkoskannausnener-gia Ens voidaan mallintaa seuraavasti: E„,=(f„ + L)P„ · (3)

Yksittäisten majakkavastaanottojen käsittelyyn tarvittava lisäenergia skannauksen aikana on mitättömän pieni verrattuna verkkoskannausenergiaan ja voidaan siksi 10 jättää huomiotta mallissa.

Naapurinhavaitsemisprotokollan analysoimiseksi tiedonsiirroista riippumattomasti jaetaan langattomassa sensorisolmussa kulutettu energia kolmeen luokkaan: solmun käynnistymis-, verkon ylläpito- ja tiedonsiirtoenergia, kuten kuviossa 8 on esitetty. Solmun käynnistymisenergia 801 koostuu naapurinhavaitsemis- ja verkkoas-15 sosiointioperaatioista. Verkon ylläpito- ja tiedonsiirto-operaatiot suoritetaan käyn-nistymisjakson jälkeen solmun eliniän aikana. Verkon ylläpitoenergia 803 koostuu majakkalähetyksistä ja -vastaanotoista (majakkavaihto), verkkoskannauksista ja mahdollisista uudelleenassosioinneista. Tiedonsiirtoenergiaa 802 kuluttavat hyöty-kuormadatan lähetykset ja vastaanotot ja datalähetyksiin liittyvät MAC-merkinanto- • · · .1 20 kehykset, kuten kuittaukset.

• · • · · :T: Koska solmujen eliniän odotetaan olevan kuukausista vuosiin, käynnistymisjakson 811 aikana kulutettu käynnistymisenergia on merkityksettömän pieni verrattuna : solmun kokonaisenergiankulutukseen solmun eliniän aikana 812. Lisäksi olete- • · · .···. taan, että verkon ylläpito-operaatiot eivät vaikuta tiedonsiirto-operaatioihin. Näin 25 ollen keskitytään tästä lähtien puhtaasti verkon ylläpito-operaatioihin.

• ·

Koska kaikki solmut tyypillisesti käyttävät samanlaista naapurinhavaitsemisproto- kollaa ja verkkomajakkalähetyksiä, voidaan olettaa, että verkko tukee mielivaltaista liikkuvuutta kaikille solmuille. Suurinta mahdollista liikkuvuuden astetta rajoittaa ”**. eniten reititysprotokolla, joka on tämän keksinnön ulkopuolella. Seuraavassa ana- • · T 30 lyysissä mallinnetaan paikallaan pysyvässä sensorikentässä olevan yksittäisen • · : liikkuvan solmun energiankulutus.

• · • · · • · ·

Ensin mallinnetaan naapurinhavaitsemisprotokollan suorituskyky ja sitten energia-optimoidaan verkkomajakan lähetystaajuus. Tarkastellaan energian kulutusta 1 24 sekunnin toimintajaksoissa, mikä vastaa keskimääräistä energian kulutusta. Aika-riippumattomuuden vuoksi on edullisempi arvioida keskimääräistä tehoa kuin energiaa.

Olettaen tasainen solmujen jakauma, olkoon solmutiheys d solmua/m2. Tällöin 5 n = dni2 solmua sijaitsee radioetäisyydellä (r). Tarkastellaan solmua, joka ylläpitää tahdistusta k naapurisolmun kanssa ja vastaanottaa niiltä SDU:ita. Kun solmu liikkuu paikallaan pysyvässä langattomassa sensoriverkossa nopeudella v, tiedonsiirtoyhteys katkeaa, kun jokin k yhteydestä katkeaa. Näin saatu tiedonsiirtoyhteyden vikaantumistaajuus (ff) on 10 ff= — . (4)

Seuraavaksi mallinnetaan onnistuneen naapurinhavaitsemisen todennäköisyys käyttäen vastaanotettuja SDU:ita. Tarkastellaan kuvion 9 esittämää tilannetta, missä solmu A ylläpitää tahdistusta solmujen B ja D kanssa, joilta se vastaanottaa SDU:ita. Solmujen A ja B välinen etäisyys on b, ja niiden radiopeittoalueet muo-15 dostavat ympyrät, joiden säde on r. Lisäksi solmu B ylläpitää tahdistusta radiopeit-toalueellaan sijaitsevien solmujen C ja E kanssa, joilta se vastaanottaa SDU:ita. Koska solmu E sijaitsee solmujen A ja B peltoalueiden leikkauksessa (Sahb), solmu A voi vastaanottaa sen (majakka)lähetyksiä ja solmun B solmulle A signaloima SDU on käyttökelpoinen. Solmu C on alueen Saob ulkopuolella, joten solmu A ei :·. 20 voi havaita sen lähetyksiä, jolloin SDU on hyödytön. Leikkausalueen Sahb koko

• M

määritellään säteen r ja etäisyyden b avulla seuraavasti: • · · • INTC(b) = 4 Ur2-x2dx . (5) ’ i · b/2 «*· “* Näin ollen todennäköisyys p, sille, että solmu, joka sijaitsee alueella Sb, sijaitsee . . myös leikkausalueella Sahb, on ΙΝΤΟφ^πι2. Lisäksi, olkoon solmut A ja B mielival- • · · *·|·* 25 taisesti sijaitsevia naapureita siten, että b saa arvoja väliltä [0, i] ja solmu A vas- taanottaa SDU:ita solmulta B. Todennäköisyys sille, että vastaanotettu SDU on ··· hyödyllinen, saadaan integroimalla todennäköisyys INTCfty/ni2 säteen b määrit- *«·« .·*·. tämän ympyrän, jonka keskipiste on A:ssa, yli, b:n ollessa välillä [0, rj. Näin saa- *·* daan • · • · · 30 fl = j2 *JNTC(b)/(*r%b^9% (6) 0 rt 25

Koska kukin solmu ylläpitää tahdistusta muiden k solmun kanssa, jotka kaikki muodostavat k SDU.ta, todennäköisyys q sille, että mikään vastaanotetuista k2 SDUrsta ei ole hyödyllinen ja verkkoskannausta tarvitaan, mallinnetaan seuraavasti: s -0('-^ϋί ·

Tarvittava verkkoskannausväli (/„s) on (8)

Yhteyden katkeamisen tapauksessa solmu yrittää vastaanottaa majakkasignaaleja SDUiiden mukaisesti, kunnes se havaitsee uuden naapurin, jolla on riittävä sig-10 naalivoimakkuus. Määritellään, että riittävän signaalinvoimakkuuden kantama suhteessa maksimiradiokantamaan (r) on p. Odotettavissa oleva määrä (u) majakka-vastaanottoja, ennen kuin onnistuneesti vastaanotetaan yksi majakka etäisyyden pr sisällä, mallinnetaan painotettuna keskiarvona seuraavasti: νί f TT Λ nPiP2 λ nPiP2 1 1,2 f ΓΤ <1 nPip2 λ tr\\

έΐ|_ [bi n-(b-i))n-(a-i)\ {LJ n-(a-i)J

• · · • · · ’ 15 Tämä malli on hienoinen yksinkertaistus, koska siinä ei oteta huomioon samaan • · : ** solmuun tai nykyiseen naapuriin viittaavia useita SDU:ita. Tällainen useiden ··· : SDU:iden vastaanotto on kuitenkin epätodennäköistä tiheissä langattomissa sen- ··· soriverkoissa, joissa solmujen määrä kantama-alueella on suuri.

• · · • · · IV.' Jos SDU:iden avulla ei havaita uusia naapureita, suoritetaan verkkoskannaus.

*** 20 Verkkoskannaus kestää kunnes havaitaan solmu etäisyyden pr sisällä. Majakka- vastaanottojen määrä nb ennen kuin vastaanotetaan sellainen, jolla on riittävä sig- *·*·* naalinvoimakkuus, mallinnetaan seuraavasti: • · · • · • · *. (γ\Λ ηρ2 λ np2 1 (np2 λ ....

ηϋ=Σ9 Π1--7Z—7\ -f—+n Π1--r~^\ · 00

ti|_ lii n — (ö — 1)J n - (a - 1)J lii /7 - (a - 1)J

• · • · · • Tarvittava verkkoskannauksen kesto tns sellaisen uuden solmun havaitsemiseksi, ··· · 25 jolla on riittävä signaalinvoimakkuus, saadaan seuraavasti: • · 26 (”-=Ä· <11) fnn

Kuvio 10 esittää tarvittavaa verkkoskannauksen kestoa tns verkkomajakkasignaa-lien lähetysvälin funktiona käytettäessä esimerkinomaisia numeerisia arvoja r= 10 m ja d- 0,1 solmua/m2. Jos n on suuri, tns on jopa kertaluokkaa pienempi 5 verrattuna koko verkon majakkaväliin.

Verkon ylläpidon tehonkulutus Pm määritellään verkkoskannaustehon Pns ja ma-jakkavaihtotehon Pb summana. Verkkoskannausteho Pns riippuu yksittäisen skan-nausproseduurin energiasta Ens ja keskimääräisestä verkkoskannausvälistä lns. Pitkän aikavälin keskimääräinen skannaustehonkulutus saadaan kaavasta 10 P„=f,</f,+£k (12)

Jos langattomassa sensoriverkossa lähetetään erikseen verkkomajakkasignaaleja ja klusterimajakkasignaaleja, majakkasignaalit lähetetään jaksottain klusterikana-valla kunkin ylikehyksen alussa taajuudella fc ja verkkokanavalla taajuudella f„. Lisäksi sekä verkkomajakat että klusterimajakat voidaan vastaanottaa ylikehyksien 15 alussa taajuudella fc niiltä k naapurilta, joiden kanssa ylläpidetään tahdistusta. Verkkomajakoita tarvitaan SDU:iden saamiseksi ja klusterimajakoita tietojenvaih-don suorittamiseksi ylikehyksissä. Tarkastellaan seuraavaksi suurimman energian :·. tapausta, missä molemmat majakkatyypit vastaanotetaan aina kunkin ylikehyksen ]·;·. alussa. Keskimääräinen tehonkulutus majakkasignaalien vaihdossa on • · · O 20 P„ = (f„ + f„)eK + (2f'k + f,u)E„ . (13) • · · • · « .···. Verkon ylläpidon tehonkulutus on kuvattu verkkomajakkasignaalien lähetystaajuu den funktiona käyttäen arvoja 0,1 m/s, 1 m/s ja 10 m/s solmun liikkuvuudelle ku- . . vioissa 11, 12 ja 13 (muut oletetut numeeriset arvot ovat r= 10 m, £/ = 0,1 soi- • · · *·];' mua/m2 ja p~ 0,5). Kuten kuvista nähdään, solmun liikkuvuus kasvattaa merkittä- • · 25 västi verkon ylläpidon tehonkulutusta, kun ei käytetä naapurinhavaitsemisprotokol- ·:· laa. Tehonkulutusta voidaan jossain määrin pienentää säätämällä verkkomajakan ♦*“: lähetystaajuutta liikkuvuuden mukaan, mutta merkittävästi pienin tehonkulutus • · · . *. saavutetaan käyttämällä naapurinhavaitsemisprotokollaa. Tyypillisesti paras ener- • · · :·/ j giatehokkuus saavutetaan valitsemalla k = 3.

• · · • · · • · 30 Energiaoptimaalinen verkkomajakkasignaalin lähetystaajuus fn* määritetään minimoimalla verkon ylläpitoteho suhteessa majakan lähetystaajuuteen. Voidaan osoit- 27 taa, että on olemassa uniikki minimi arvolle fn*, joka saadaan kirjoittamalla Pm = Pns + Pb (ks. kaavat 11 ja 12 yllä) ja asettamalla dPJdfn = 0. Näin saadaan

Pn fer ffr-i "np2 Ϊ ~np2 1 S τι λ ~ΰρ2 V

" n - (b - 1)J /? - (a - 1)J + [S n-(a- 1)J/ (14) 5 Verkkomajakkasignaalin optimaalisen lähetystaajuuden määräävät verkkoskan-nausväli (lns), majakkakehyksen lähetysenergia (EfX), radiotehonkulutus vastaanottotilassa (Prx), solmujen määrä kantama-alueella (n) ja riittävän signaalinvoimak-kuuden kantama (/?). Lisäksi verkkoskannausväli lns on solmun nopeuden (v), ra-diokantaman (r) ja tahdistuneiden solmujen määrän (k) funktio. Kuviossa 14 on 10 piirretty energiaoptimaalinen majakkasignaalin lähetystaajuus solmun nopeuden funktiona. Optimaalinen majakkalähetystaajuus kasvaa solmun nopeuteen verrannollisesti. Ilman naapurinhavaitsemisprotokollaa optimaalinen majakkataajuus on yli 10 Hz jo solmun nopeudella 1 m/s. Käyttäen naapurinhavaitsemisprotokollaa optimaaliset majakkalähetystaajuudet ovat jopa kolme kertaluokkaa pienempiä. 15 Tämä tarkoittaa, että verkkoskannauksia tarvitaan hyvin harvakseltaan naapurinhavaitsemisprotokollaa käytettäessä.

Kuviossa 15 on esitetty energiaoptimaalinen majakkasignaalin lähetystaajuus kantama-alueella olevien solmujen määrän funktiona. Tulokset osoittavat, että naapu- • · · *·' * rinhavaitsemisprotokolla voi ylläpitää suurta energiatehokkuutta sekä harvoissa et- : ’*· 20 tä tiheissä verkoissa. Harvoissa verkoissa optimaalinen majakkataajuus pienenee, ··« : erityisesti kun k on 3 tai 4, mikä tarkoittaa suurempaa energiatehokkuutta. Tämä johtuu siitä, että tarvitaan vähemmän majakkavastaanottoja (u) riittävän signaalin- :voimakkuuden omaavan majakan löytämiseksi. Suuremmilla solmutiheyksillä tar-··· .***; vittava verkkoskannausaika (tns) lyhenee ja pienentää optimaalista majakkalähe- ··♦ 25 tystaajuutta.

• ·

MUUTA HUOMATTAVAA

··· • · • · ··« *. Yllä olevassa selityksessä oletettiin, että solmu ylläpitää tahdistusta k muun soi- ··« mun kanssa ja vastaanottaa niiltä SDU:ita. Esimerkiksi kuvion 9 esittämässä tilan- :···* teessä, missä k on 2, solmu A ei vastaanota SDUiita solmulta E, vaikka se olisi : 30 fyysisesti mahdollista; solmu E on reilusti kantaman sisäpuolella. Solmu A on jopa ··· ♦

.·. : tietoinen solmun E olemassaolosta, koska se on vastaanottanut solmulta B

• · t • · SDU:n, joka sisältää tarvittavat tiedot majakkalähetysten vastaanottamiseksi solmulta E. Olisi mahdollista asettaa solmu A lisäksi vastaanottamaan majakkalähe- 28 tyksiä aina silloin tällöin myös solmulta E siinä toivossa, että tällä tavoin solmu A vastaanottaisi SDU:ita, jotka koskevat useampia naapurisolmuja kuin mitä se saa kuuntelemalla pelkästään solmuja B ja D. Tämä ennestään kasvattaisi todennäköisyyttä, että yhteyden katketessa solmuun B tai D, solmu A voi löytää uuden 5 tahdistettavan solmun vain käymällä läpi muistissaan olevat SDU:t. SDUiiden lisä-vastaanotto kasvattaa kuitenkin merkittävästi solmun energiankulutusta, joten tällaisten lisävastaanottojen hyötyä on tarkasti punnittava langattoman sensoriverkon kokonaisenergiankulutusta vasten.

Mikäli langaton sensoriverkko sisältää RFD-laitteita, jotka pystyvät toimimaan vain 10 alisolmuina, sekä täyden toiminnallisuuden FFD-laitteita, on huomattava, että keksinnöllä voi olla hieman erilainen vaikutus niihin. Koska RFD ei koskaan toimi pää-solmuna, se ei koskaan lähetä majakkasignaaleja. Näin ollen ei ole tarpeen antaa RFD-laitteelle kykyä muodostaa naapurisolmuja kuvaavia SDUrita; riittää että RFD pystyy vastaanottamaan SDU:ita pääsolmuilta, tallentamaan vastaanotetut SDU:t 15 ja hyödyntämään tallennettuja SDU:ita siinä tapauksessa, että yhteys aiempaan pääsolmuun katkeaa. FFD:t toisaalta pitäisi myös konfiguroida muodostamaan SDU:ita naapuripääsolmujen majakkalähetyksistä tehtyjen havaintojen perusteella ja sisällyttämään tällaiset SDU:t omiin majakkalähetyksiinsä.

Mielenkiintoinen kysymys on, pitäisikö liikkuvuuden liittyä jotenkin solmun statuk-20 seen pääsolmuna tai alisolmuna. Koska pääsolmujen oletetaan ylläpitävän suh- • · · v : teellisen suurta määrää yhteyksiä muihin solmuihin, mutta alisolmujen tarvitsee yl- läpitää yhteyttä vain yhteen tai muutamaan pääsolmuun, olisi monissa tapauksissa :T: edullista reitityksen kannalta, että langattoman sensoriverkon pääsolmut eivät olisi :***: liikkuvia vaikka alisolmut olisivatkin. Jos pääsolmut ovat FFD-laitteita ja alisolmut • · · . .·. 25 RFD-laitteita, voisi jopa olla mahdollista, että FFD-laitteiden ei tarvitsisi pystyä .···. hyödyntämään tallennettuja SDU:ita uusien yhteyksien muodostamiseksi, jos voi daan olettaa, että asennuksen ja käynnistyksen jälkeen olisi erittäin harvinaista, et- . . tä pääsolmut menettäisivät aiemmin muihin pääsolmuihin muodostettuja yhteyksi- • · · ään. Langattomissa sensoriverkoissa, joissa solmut voivat muuttaa statustaan, on *···* 30 todennäköisesti edullista määritellä, että pääsolmu, joka huomaa laajoja muutok- ··· siä ympäristössään, päättelee muuttuneensa liikkuvaksi ja muuttaa statuksensa • · · · .··*: alisolmuksi. On myös huomattava, että fyysinen liike ei ole ainoa syy loogisen • · · . *. verkkotopologian muutoksiin. Koska lähetysteho on minimoitu (usein jopa yhteys- • · · j kohtaisesti), jopa pienetkin ihmisten tai ympäröivien esineiden liikkeet tai sääolo- 35 suhteet ulkoilmasovelluksissa voivat aiheuttaa muutoksia signaalin etenemiseen, mikä aiheuttaa muutoksia solmujen välisiin yhteyksiin.

Claims (16)

1. Solmulaite (601) langatonta sensoriverkkoa varten, johon solmulaitteeseen kuuluu: - vastaanotin (651) lähetysten vastaanottamiseksi mainitun langattoman sensori-5 verkon muilta solmuilta, - ohjain (641), joka on konfiguroitu selektiivisesti kytkemään päälle mainittu vastaanotin (651) mainitun ohjaimen (641) tunteman aikataulun mukaisesti, ja - muisti (642), joka on konfiguroitu tallentamaan mainitun langattoman sensoriver-kon muita solmuja koskevia tietoja: 10 joka mainittu solmulaite (601) on konfiguroitu ylläpitämään tahdistusta mainitun langattoman sensoriverkon jonkin toisen solmun kanssa ja vastaanottamaan siltä majakkalähetyksiä, joissa välitetään verkkoyhteyksien hallintaan ja solmujen väliseen tiedonsiirtoon liittyviä tietoja, tunnettu siitä, että mainittu ohjain (641) on konfiguroitu lukemaan vastaanotetuis- 15 ta majakkalähetyksistä tietoja naapurisolmuista, joiden kanssa mainittu solmulaite (601) ei ylläpidä tahdistusta, joihin tietoihin kuuluva aikatieto kertoo naapurisol- muilta tulevien majakkalähetysten ajoituksesta suhteessa siltä solmulta tulevien majakkalähetysten ajoitukseen, jolta solmulaite (601) vastaanotti mainitun majak- kalähetyksen, ja tallentamaan nämä tiedot mainittuun muistiin (642), ja mainittu 20 ohjain (641) on konfiguroitu hyödyntämään tällaisia tallennettuja tietoja kytkeäk- ... seen selektiivisesti päälle mainitun vastaanottimen (651) tarkoituksenaan vas- • · · ’ taanottaa majakkalähetys tällaiselta naapurisolmulta vasteena aiemmin ylläpidetyn : *” tahdistuksen havaittuun katkeamiseen.

• · · • · · • · · .···. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että mainit- .”·. 25 tu ohjain (641) on konfiguroitu lukemaan vastaanotetuista majakkalähetyksistä ka- • · · navatietoa, joka kuvaa kanavia, joilla naapurisolmut tekevät majakkalähetyksiä. • · ·

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että mainit-:V: tu ohjain (641) on konfiguroitu reagoimaan aiemmin ylläpidetyn tahdistuksen ha- vaittuun katkeamiseen • · · *. 30 - kytkemällä selektiivisesti päälle mainittu vastaanotin (651) tarkoituksena vas- • · · •**| taanottaa majakkalähetys naapurisolmulta, ja • · *···* - muodostamalla ja ylläpitämällä tahdistus mainittuun naapurisolmuun, jos majak- : kalähetyksen vastaanotto mainitulta naapurisolmulta onnistuu riittävällä yhteyden ·*· : laadulla. • ·· • ·

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että: - mainittu solmulaite (601) on konfiguroitu yhtäaikaisesti ylläpitämään tahdistusta mainitun langattoman sensoriverkon useamman kuin yhden muun solmun kanssa ja vastaanottamaan niiltä majakkalähetyksiä ja - mainittu ohjain (641) on konfiguroitu reagoimaan havaintoon, että jokin yhtäaikai-5 sesti ylläpidetyistä tahdistuksista katkeaa, suorittamalla patenttivaatimuksen 4 toimenpiteet.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että jos ma-jakkalähetyksen vastaanotto mainitulta naapurisolmulta ei onnistu riittävällä yhteyden laadulla, mainittu ohjain (641) on konfiguroitu toistamaan mainitun vastaanot- 10 timen (651) selektiivinen päällekytkentä tarkoituksena vastaanottaa majakkalähe-tys sellaisilta muilta naapurisolmuilta, joista solmulaite (601) on aikaisemmin vastaanottanut tietoa, kunnes joko majakkalähetyksen vastaanotto sellaiselta naapurisolmulta onnistuu riittävällä yhteyden laadulla tai jäljellä ei ole enää sellaisia naa-purisolmuja, joilta solmulaite (601) ei vielä ollut yrittänyt vastaanottaa majakkalä-15 hetystä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että jos jäljellä ei ole enää sellaisia naapurisolmuja, joilta solmulaite (651) ei vielä ollut yrittänyt vastaanottaa majakkalähetystä, mutta solmulaite (601) on vastaanottanut majakkalähetyksen vähintään yhdeltä naapurisolmulta riittämättömällä yhteyden laa- 20 dulla, mainittu ohjain (641) on konfiguroitu selektiivisesti kytkemään päälle mainittu • · · : vastaanotin (651) tarkoituksenaan vastaanottaa majakkalähetys siltä naapurisol- multa, jolta vastaanotettiin majakkalähetys parhaalla yhteyden laadulla. • · · • · · • · · l..'

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että jos jäl- **·;* jellä ei ole enää sellaisia naapurisolmuja, joilta solmulaite (601) ei vielä ollut yrittä- • · · *·|·* 25 nyt vastaanottaa majakkalähetystä, eikä solmulaite (601) vielä ole vastaanottanut naapurisolmuilta yhtään majakkalähetystä edes riittämättömällä yhteyden laadulla, ohjain (641) on konfiguroitu verkkoskannauksen suorittamiseksi kytkemään päälle • · ·.·.· mainittu vastaanotin (651) ajaksi, joka ei ole pidempi kuin mainitun langattoman sensoriverkon majakkaväli.

8. Solmulaite (601) langatonta sensoriverkkoa varten, johon solmulaitteeseen • · · kuuluu: : .·. - vastaanotin (651) lähetysten vastaanottamiseksi mainitun langattoman sensori- ’’’ * verkon muilta solmuilta, • · · ' • ·· - lähetin (651) lähetysten tekemiseksi mainitun langattoman sensoriverkon muille 35 solmuille ja - ohjain (641), joka on konfiguroitu selektiivisesti kytkemään päälle mainittu vastaanotin (651) ja mainittu lähetin (651) mainitun ohjaimen (641) tunteman aikataulun mukaisesti; joka mainittu solmulaite (601) on konfiguroitu ylläpitämään tahdistusta mainitun 5 langattoman sensoriverkon jonkin toisen solmun kanssa ja vastaanottamaan siltä majakkalähetyksiä, tunnettu siitä, että mainittu ohjain (641) on konfiguroitu muodostamaan tahdistus-datayksikkö, joka sisältää tietoja sellaisesta solmusta, jonka kanssa mainittu solmulaite (601) ylläpitää tahdistusta, joihin tietoihin kuuluva aikatieto kertoo naapu-10 risolmuilta tulevien majakkalähetysten ajoituksesta suhteessa siltä solmulta tulevien majakkalähetysten ajoitukseen, jossa tahdistusdatayksikkö muodostetaan, ja mainittu ohjain (641) on konfiguroitu ohjaamaan mainittu lähetin (651) lähettämään mainittu tahdistusdatayksikkö osana majakkalähetystä.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että: 15. mainittu solmulaite (601) on konfiguroitu yhtäaikaisesti ylläpitämään tahdistusta mainitun langattoman sensoriverkon useamman kuin yhden muun solmun kanssa ja vastaanottamaan niiltä majakkalähetyksiä, - mainittu ohjain (641) on konfiguroitu muodostamaan tahdistusdatayksikköjä, jotka sisältävät tietoja kaikista solmuista, joiden kanssa mainittu solmulaite (601) yl- 20 läpitää tahdistusta, ja ... - mainittu ohjain (641) on konfiguroitu ohjaamaan mainittu lähetin (651) lähettä- ’ mään mainitut tahdistusdatayksiköt osana majakkalähetyksiä. • · • · · :T:

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen solmulaite (601), tunnettu siitä, että: :***: - solmulaite (601) sisältää muistin, joka on konfiguroitu tallentamaan mainitun lan- • · · : 25 gattoman sensoriverkon muita solmuja koskevia tietoja, .···. - mainittu ohjain (641) on konfiguroitu lukemaan vastaanotetuista lähetyksistä tie toja naapurisolmuista, joiden kanssa mainittu solmulaite (601) ei ylläpidä tahdis- . . tusta, ja tallentamaan sellaiset tiedot mainittuun muistiin, ja • · · ’•[f - mainittu ohjain (641) on konfiguroitu hyödyntämään tällaisia tallennettuja tietoja • · ·...* 30 kytkeäkseen selektiivisesti päälle mainitun vastaanottimen (651) tarkoituksenaan ··· vastaanottaa majakkalähetys tällaiselta naapurisolmulta vasteena aiemmin ylläpi- • ·· · ;··*; detyn tahdistuksen havaittuun katkeamiseen. • · · j.:*·

11. Menetelmä langattoman sensoriverkon solmulaitteen (601) toiminnan ohjaa- miseksi, jossa menetelmässä: • · * 35. vastaanotetaan majakkalähetyksiä mainitun langattoman sensoriverkon joltakin toiselta solmulta ja ylläpidetään tahdistusta sen solmun kanssa, jolta vastaanote- taan majakkalähetyksiä, joissa välitetään verkkoyhteyksien hallintaan ja solmujen väliseen tiedonsiirtoon liittyviä tietoja, ja - tallennetaan mainitun langattoman sensoriverkon muita solmuja koskevia tietoja; tunnettu siitä, että menetelmässä: 5. luetaan vastaanotetuista majakkalähetyksistä tietoja naapurisolmuista, joiden kanssa mainittu solmulaite (601) ei ylläpidä tahdistusta, joihin tietoihin kuuluva ai-katieto kertoo naapurisolmuilta tulevien majakkalähetysten ajoituksesta suhteessa siltä solmulta tulevien majakkalähetysten ajoitukseen, jolta mainitut majakkalähe-tykset vastaanotettiin, ja tallennetaan sellaiset tiedot mainittuun muistiin, ja 10 - tällaisten tallennettujen tietojen perusteella kytketään selektiivisesti päälle (502) vastaanotin (651) solmulaitteessa (601) tarkoituksena vastaanottaa majakkalähe-tys tällaiselta naapurisolmulta vasteena aiemmin ylläpidetyn tahdistuksen havaittuun katkeamiseen (501).

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vasteena 15 aiemmin ylläpidetyn tahdistuksen havaittuun katkeamiseen (501) menetelmässä: - selektiivisesti kytketään päälle (502) mainittu vastaanotin (651) tarkoituksena vastaanottaa majakkalähetys naapurisolmulta, ja muodostetaan ja ylläpidetään (507) tahdistus mainittuun naapurisolmuun, jos majakkalähetyksen vastaanotto mainitulta naapurisolmulta onnistuu riittävällä yhteyden laadulla, 20. jos majakkalähetyksen vastaanotto mainitulta naapurisolmulta ei onnistu riittäväl- lä yhteyden laadulla, toistuvasti selektiivisesti kytketään päälle (502, 503, 504) • · « .! mainittu vastaanotin (651) tarkoituksena vastaanottaa majakkalähetys sellaisilta \.!* muilta naapurisolmuilta, joista solmulaite (601) on aikaisemmin vastaanottanut tie- • · · toa, kunnes joko majakkalähetyksen vastaanotto sellaiselta naapurisolmulta onnis- • · 25 tuu riittävällä yhteyden laadulla tai jäljellä ei ole enää sellaisia naapurisolmuja, joil-ta solmulaite (601) ei vielä ollut yrittänyt vastaanottaa majakkalähetystä, • · · - jos jäljellä ei ole enää sellaisia naapurisolmuja, joilta solmulaite (601) ei vielä ollut yrittänyt vastaanottaa majakkalähetystä, mutta solmulaite (601) on vastaanottanut :Y: majakkalähetyksen vähintään yhdeltä naapurisolmulta riittämättömällä yhteyden 30 laadulla, selektiivisesti kytketään päälle (506) mainittu vastaanotin (651) tarkoituk- • · · * . sena vastaanottaa majakkalähetys siltä naapurisolmulta, jolta vastaanotettiin ma- [ jakkalähetys parhaalla yhteyden laadulla, ja ’ * - jos jäljellä ei ole enää sellaisia naapurisolmuja, joilta solmulaite (601) ei vielä ollut yrittänyt vastaanottaa majakkalähetystä, eikä solmulaite (601) ole vastaanottanut ♦ ♦ 35 yhtään majakkalähetystä naapurisolmuilta edes riittämättömällä yhteyden laadulla, kytketään päälle (509) verkkoskannauksen suorittamiseksi mainittu vastaanotin (651) ajaksi, joka ei ole pidempi kuin mainitun langattoman sensoriverkon majak-kaväli.

13. Menetelmä langattoman sensoriverkon solmulaitteen (601) toiminnan ohjaamiseksi, jossa menetelmässä: 5. vastaanotetaan majakkalähetyksiä mainitun langattoman sensoriverkon joltakin toiselta solmulta ja ylläpidetään tahdistusta sen solmun kanssa, jolta vastaanotetaan majakkalähetyksiä, joissa välitetään verkkoyhteyksien hallintaan ja solmujen väliseen tiedonsiirtoon liittyviä tietoja, tunnettu siitä, että menetelmässä: 10. muodostetaan tahdistusdatayksikkö, joka sisältää tietoja sellaisesta solmusta, jonka kanssa mainittu solmulaite (601) ylläpitää tahdistusta, joihin tietoihin kuuluva aikatieto kertoo naapurisolmuilta tulevien majakkalähetysten ajoituksesta suhteessa siltä solmulta tulevien majakkalähetysten ajoitukseen, jossa tahdistusdatayksikkö muodostetaan, ja 15. lähetetään (401, 402, 403) mainittu tahdistusdatayksikkö osana majakkalähetys- tä.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä: - luetaan vastaanotetuista majakkalähetyksistä tietoja naapurisolmuista, joiden kanssa mainittu solmulaite (601) ei ylläpidä tahdistusta, ja tallennetaan sellaiset 20 tiedot mainittuun muistiin, ja • · · : - tällaisten tallennettujen tietojen perusteella kytketään selektiivisesti päälle (502) vastaanotin (651) solmulaitteessa (601) tarkoituksena vastaanottaa majakkalähe-:T: tys tällaiselta naapurisolmulta vasteena aiemmin ylläpidetyn tahdistuksen havait- tuun katkeamiseen (501). • · · • · ·

15. Tietokoneohjelmatuote, johon kuuluu tietokoneohjelmakoodivälineet tietoko- *···’ neen saamiseksi, kun mainittu ohjelma ladataan, suorittamaan proseduuri, jolla ohjataan • · - langattoman sensoriverkon solmulaite (601) vastaanottamaan majakkalähetyksiä mainitun langattoman sensoriverkon joltakin toiselta solmulta ja ylläpitämään tah- j:. 30 distusta sen solmun kanssa, jolta majakkalähetyksiä vastaanotetaan, joissa ma- "II jakkalähetyksissä välitetään verkkoyhteyksien hallintaan ja solmujen väliseen tie- **;·* donsiirtoon liittyviä tietoja, ja ·.·*· - mainittu solmulaite (601) tallentamaan mainitun langattoman sensoriverkon muita solmuja koskevia tietoja; tunnettu siitä, että tietokoneohjelmatuotteeseen kuuluu tietokoneohjelmakoodivä-lineet tietokoneen saamiseksi, kun mainittu ohjelma ladataan, suorittamaan proseduuri, jolla ohjataan - lukemaan mainitun solmulaitteen (601) vastaanottamista majakkalähetyksistä tie-5 toja naapurisolmuista, joiden kanssa mainittu solmulaite (601) ei ylläpidä tahdistusta, joihin tietoihin kuuluva aikatieto kertoo naapurisolmuilta tulevien majakkalä-hetysten ajoituksesta suhteessa siltä solmulta tulevien majakkalähetysten ajoitukseen, jolta mainitut majakkalähetykset vastaanotettiin, - tallentamaan tällaiset tiedot mainittuun muistiin, ja 10. tällaisten tallennettujen tietojen perusteella kytkemään selektiivisesti päälle vas taanotin (651) solmulaitteessa (601) tarkoituksena vastaanottaa majakkalähetys tällaiselta naapurisolmulta vasteena aiemmin ylläpidetyn tahdistuksen havaittuun katkeamiseen.

16. Tietokoneohjelmatuote, johon kuuluu tietokoneohjelmakoodivälineet tietoko-15 neen saamiseksi, kun mainittu ohjelma ladataan, suorittamaan proseduuri, jolla ohjataan - langattoman sensoriverkon solmulaite (601) vastaanottamaan majakkalähetyksiä mainitun langattoman sensoriverkon joltakin toiselta solmulta ja ylläpitämään tahdistusta sen solmun kanssa, jolta majakkalähetyksiä vastaanotetaan, joissa ma- 20 jakkalähetyksissä välitetään verkkoyhteyksien hallintaan ja solmujen väliseen tie-donsiirtoon liittyviä tietoja, * tunnettu siitä, että tietokoneohjelmatuotteeseen kuuluu tietokoneohjelmakoodivä- • · ;t >" lineet tietokoneen saamiseksi, kun mainittu ohjelma ladataan, suorittamaan prose- ’·1 : duuri, jolla se ohjataan ··· 25. muodostamaan tahdistusdatayksikkö, joka sisältää tietoja sellaisesta solmusta, jonka kanssa mainittu solmulaite (601) ylläpitää tahdistusta, joihin tietoihin kuuluva aikatieto kertoo naapurisolmuilta tulevien majakkalähetysten ajoituksesta suhteessa siltä solmulta tulevien majakkalähetysten ajoitukseen, jossa tahdistusdatayksik-kö muodostetaan, ja .···. 30 - määräämään solmulaite (601) lähettämään mainittu tahdistusdatayksikkö osana **] majakkalähetystä. ··· ···· ··· • · • · ··· ♦ • · • · · • · · <·· ♦ ♦ • · · • ·♦ • ·