CN102946261B - 一种基于无线通讯技术的低时延、多对多控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线通讯技术的低时延、多对多的控制方法，包括下述步骤：S1、控制端发起控制作用；S2、控制端通过无线通讯协议栈，对被控制端发出连接请求；S3、被控制端通过无线通讯协议栈收到步骤S2中的连接请求，并将此连接请求当作控制控制命令，作出相应的响应动作；S4、控制端通过无线通信协议栈收到连接完成事件后，再通过协议栈发出断开连接请求，完成此次控制操作。本发明可以把连接请求同时当作控制命令，减小了时延，同时，因为不占用连接资源，任意个控制端可以对任意个被控制端发送控制命令，不会存在连接设备数量的限制。

Description

一种基于无线通讯技术的低时延、多对多控制方法

技术领域

本发明涉及无线电传输系统的技术领域，特别涉及一种基于无线通讯技术的低时延、多对多控制方法。

背景技术

目前，在近距离无线传输技术规范中，规定用户要通过具体协议栈进行无线数据交互时，需要按照规范标准建立物理和逻辑连接后，才能在该连接上进行数据传输，而建立连接等标准流程所需的时间会影响实际控制数据收发的时延。在定义连接资源有限的协议规范中，建立的无线控制系统只能允许有限个连接存在并传输数据，已建立的连接占用了连接资源，限制了系统的设备连接数量。利用无线通讯规范中的标准数据交互流程，无法解决控制逻辑相对简单而对设备数量要求较高、时延要求较低的控制逻辑要求。

现有技术中一对一的控制方式，如果保持连接，所需的时延较低，连接在建立后一直占用连接资源，从控制端基于此连接发送一次控制命令，到被控制端动作完成时延较小，如图1所示，t_低为毫秒级。这种方式虽然单次控制时延小，但所能控制的设备数量，由于规范和实际硬件资源的限制，非常有限。

以蓝牙技术为例，在传统蓝牙规范中，规定一个设备可以同时连接的设备数量最多为七个，而低功耗蓝牙规范，并没有对设备连接的上限有要求，但由于硬件资源的限制，各大厂商实际生产的低功耗蓝牙模块实际同时可连接的设备数量不多于三个。

传统蓝牙如果想达到低时延的控制效果，采用保持连接的方式，则一个控制端只能与七个被控制端连接，而且被控制端不能同时被两个或以上的控制端连接控制，如图2所示。

低功耗蓝牙如果想达到低时延的控制效果，采用保持连接的方式，一个控制端与被控制端连接的数量，在规范中并没有具体限制其数量，但由于硬件资源有限，在市场上的低功耗蓝牙模块最多同时连接三个设备，而且被控制端不能同时被两个或以上的控制端连接控制，如图3所示。

上述控制方式虽然可以达到低时延，但是被控制端的数量局限于各自所限制的范围内，无法实现真正的多对多控制。

而现有技术中另外一种控制方式，可以实现多对多控，但所需要的时延较高。在这种方式的一对一控制过程中，按照通信规范标准进行数据交互，完成控制动作后立即释放连接资源，并不占用。

这种方式的一对一控制过程中，完成一次标准数据发送流程(建立数据连接，发送数据)来说，传统蓝牙设备所花费的时间为1到2分钟，低功耗蓝牙设备所花费的时间一概为6到12秒。如图4所示，t_高取值即为1~2分钟(传统蓝牙)或者6~12秒(低功耗蓝牙)。基于此一对一控制方式的多对多控制方式实际是多个一对一控制过程的简单累加，由于不同时占用连接资源，所以控制端与被控制端的数量没有限制。控制端与被控制端在各自的射频通信距离内，任意多个控制端可以对任意多个被控制端进行控制，没有数量的限制，如图5所示。整个多对多的控制过程，其实是由一对多和多对一两个子集过程组成。使用这种方式，n个控制过程所消耗的时延等于各自消耗时延的累加，当为一对多控制的时候，总时延消耗如图6所示，一对多属于多对多的一个子集，当一个控制端对n个被控制端进行控制时，所需要的总时间为:

T_高=t_{高_1}，+t_{高_2}+…+t_{高_k}+t_{高_n}

其中控制端发起控制的时间点相互之间并没有冲突，可以同时对不同设备发起控制。

多对一也属于多对多的一个子集，在多对一控制的时候，总时延消耗如图7所示，当n个控制端对一个被控制端进行控制时，所需要的总时间为：

T_高=t_{高_1}+t_{高_2}+…+t_{高_k}+…+t_{高_n}  。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种控制逻辑相对简单而对设备数量要求较高、时延要求较低的控制系统，这种系统使用的无线传输技术包括但不限于目前已发布的标准或者非标准无线传输规范，解决控制逻辑简单的无线控制系统中设备数量有限而时延较高的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提出的一种基于无线通讯技术的低时延、多对多控制方法，包括下述步骤：

S1、控制端发起控制动作；

S2、控制端通过无线通讯协议栈，对被控制端发出连接请求；

S3、被控制端通过无线通讯协议栈收到步骤S2中的连接请求，并将此连接请求当作控制命令，作出相应的响应动作，并将连接响应发送回控制端；

S4、控制端通过无线通信协议栈收到连接响应后，再通过协议栈发出断开连接请求，完成此次控制操作。

优选的，步骤S2中，所述通讯协议栈的规范标准为蓝牙、Zigbee、Wifi、IrDA、UWB、NFC中的一种或多种，所述通讯协议栈规范中包含数据链路的建立过程。

优选的，控制端发出的连接请求和被控制端接收到的连接请求，在不同的无线通讯协议栈对于连接请求数据包的格式规定不同，具体为：

当连接请求不包含可使用的或者预留的数据域，连接请求数据包仅传送协议规定的数据，此时，被控制端将判断并做跳变控制的动作；

当连接请求包含可使用的或者预留的数据域，则控制端期望完成的控制数据将被封装入连接请求的此数据域，在被控制端接收到连接请求后，取出此数据域的内容，并按控制数据完成相应的控制动作。

优选的，被控制端发出连接响应和控制端接收到的连接响应，是将当前状态信息以数据的形式发送回控制端。连接响应数据包对于数据携带的规定，具体如下：

如果规范中连接响应的数据包包含可使用的或者预留的数据域，则被控制端完成控制后的状态信息数据将可以被封装入连接响应的此数据域，在控制端接收到连接响应后，取出此数据域的内容，并按状态信息数据完成相应的状态更新动作；

如果规范中连接响应的数据包没有可使用或者预留的数据域，无法携带自定义的数据，则可以通过被控制端的广播流程，将状态信息封装入广播的数据域，发送到控制端接收并完成相应的状态更新动作；

如果规范中连接响应的数据包没有可使用或者预留的数据域而且没有广播流程，则可以由控制端自己保存状态，在收到连接响应后，将状态信息的值按自定义规则跳变，与被控制端同步。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明具有低时延的特性，对于多对多控制中的任意一个控制端K和任意一个被控制端K，控制过程的时间消耗非常的小，如图8所示，t_低为毫秒级。

2、本发明具有多对多的控制特性，在射频通信距离内，实现多对多控制，如图5所示，无论是控制端还是被控制端，都可以控制多个或者被控制多个，即多对多包含的一对多和多对一的子集。

3、本发明一个控制端对多个被控制端进行控制的时候，控制端发起控制的时间点相互之间是不冲突的，即可以同时发起对N个被控制端的控制，整个控制过程的时间消耗少，如图9所示，对一个控制端对N个被控制端的控制过程，所消耗时间为：

T_低=t_{低_1}+t_{低_2}+…+t_{低_k}…+t_{低_n}

其中t为毫秒级。

4、本发明在多个控制端对一个被控制端进行控制的时候，整个控制过程的时间消耗少，如图10所示，多个控制端对一个被控制端的控制过程，所消耗时间为：

T_低=t_{低_1}+t_{低_2}+…+t_{低_k}…+t_{低_n}

其中t为毫秒级。

附图说明

图1是现有技术中一对一低时延占用连接的控制方式图；

图2是现有技术中传统蓝牙同时控制多设备的结构示意图；

图3是现有技术中低功耗蓝牙同时控制多设备的结构示意图；

图4是现有技术中一对一高时延不占用连接的控制方式图；

图5是多对多控制的结构示意图；

图6是现有技术中一对多高时延不占用连接的控制方式示意图；

图7是现有技术中多对一高时延不占用连接的控制方式示意图；

图8是本发明一对一低时延不占用连接控制示意图；

图9是本发明一对多低时延不占用连接控制示意图；

图10是本发明多对一低时延不占用连接控制示意图；

图11是低功耗蓝牙L2CAP层建立连接的流程示意图；

图12是低功耗蓝牙LL层数据包格式示意图；

图13是低功耗蓝牙LL层协议数据单元的格式示意图；

图14是低功耗蓝牙LL层协议数据单元的报头数据域格式示意图；

图15是低功耗蓝牙LL层协议数据单元的报头包含的协议数据单元类型取值示意图；

图16是低功耗蓝牙广播包的厂商指定数据域的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图8、图9、图10所示，本实施例基于无线通讯技术的低时延、多对多的控制方法，包括下述步骤：

S1、控制端发起控制作用；

S2、控制端通过无线通讯协议栈，对被控制端发出连接请求；

S3、被控制端通过无线通讯协议栈收到步骤S2中的连接请求，并将此连接请求当作控制控制命令，作出相应的响应动作；

S4、控制端通过无线通信协议栈收到连接完成事件后，再通过协议栈发出断开连接请求，完成此次控制操作。

本实施例中，连接请求即是控制命令，时延小，连接资源被及时释放，完成一次控制过程所花费的时间很少，

通过上述步骤可以看出，本专利控制技术目的，在于提供一种控制逻辑相对简单而对设备数量要求较高、时延要求较低的控制系统，这种系统使用的无线传输技术包括但不限于目前已发布的标准或者非标准无线传输规范，解决控制逻辑简单的无线控制系统中设备数量有限而时延较高的技术问题。

所包括的通讯协议栈范围规范中应包含数据链路的建立过程。此类无线通讯协议栈包括但不局限于下述规范标准：蓝牙,Zigbee,Wifi,IrDA,UWB,NFC等，如蓝牙4.0中的低功耗蓝牙技术，规范中包含数据链路的建立过程，如图11所示，蓝牙L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)协议层连接建立的过程。

对于控制端发出的连接请求和被控制端接收到的连接请求，不同的无线通讯协议栈对于连接请求数据包格式的规定不同。具体区分如下：

S21、连接请求不包含可使用的或者预留的数据域，连接请求数据包仅传送协议规定的数据。此种情况下，被控制端将判断并做跳变控制的动作。比如，当前为关闭(0)状态,则在控制端发出不包含控制数据的固定连接请求包接收到后，被控制端会在判断自己保存的状态后做出跳变的控制，即判断当前为关闭(0)，则完成打开(1)的动作；如果判断当前为打开(1)，则完成关闭(0)的动作；

S22、连接请求包含可使用的或者预留的数据域，则控制端期望完成的控制数据将可以被封装入连接请求的此数据域，在被控制端接收到连接请求后，取出此数据域的内容，并按控制数据完成相应的控制动作。

以低功耗蓝牙为例，无论对于广播信道包(Advertising Channel Packets)还是数据信道(Data Channel Packets),LL(Link Layer)层只有一种数据包格式如图12所示。其中Preamble、Access Address、CRC都是规范中已经被定义的数据域，PDU是上层协议包的有效数据域，按不同的内容(广播信道包和数据信道包)将PDU分成了两种类型，其中连接请求(CONNECT_REQ)属于广播信道PDU的类型，广播信道PDU如图13所示。

其中Header域格式如图14所示，这个域当中的协议数据单元类型（PDU Type）数据段的值，表明此PDU的类型，其值和表示如图15所示，连接请求(CONNECT_REQ)的值是二进制0101。接收地址类型（RxAdd）、发送地址类型（TxAdd）、长度（Length）数据段都被定义且使用，而两段长度分别为2个位（2 bits）的预留使用（RFU，Reserved for Future Use)数据段用作预留使用，总长度4 bits，则可以携带的信息量为2⁴=16种:

0000,0001,0010,0100,1000,0011,0110,1100,0101,1010,1001,0111,1110,1101,1011,1111；

为了满足于较复杂的控制过程，如定义0000为关闭，1111为打开，0101为闪烁，1010为高亮，0001为低亮等，在控制端将0101放入两个RFU数据域中，向控制端发送连接请求，则在被控制端接收到连接请求后，取出RFU数据域识别0101为闪烁控制，则被控制端进行闪烁动作。

所述的被控制端发出连接响应，控制端接收连接响应，其作用是将当前状态以数据的形式发送回控制端，而对于连接响应数据包对于数据携带的规定，具体区分如下：

S31、如果规范中连接响应的数据包和S21的连接请求一样，有可使用或者预留的数据域，则处理方式同S22的处理方式；

S32、如果规范中连接响应的数据包没有可使用或者预留的数据域，无法携带自定义的数据，若存在广播的流程，则可以将状态信息封装入广播的数据域，发送到控制端接收并显示，如低功耗蓝牙的广播流程，如图16所示，厂商指定数据域可用于在广播包携带自定义的数据，如果被控制端接收到连接请求完成了控制行为，则将当前状态的值按自定义的格式封装入广播包，发送广播，所有控制端(包括发送控制命令的控制端在内)都会收到状态信息，做出相应的显示或者动作，将结果反馈给用户；

S33、如果规范中不满足S31也不满足S32，则可以由控制端自己保存状态，在收到连接响应后，将状态信息的值按自定义规则跳变，与被控制端同步。

本发明专利控制技术要解决的上述问题是这样实现的：在控制逻辑简单(如开和关，即逻辑0和1)的无线系统中，如果完成建立连接再传输内容，即会产生上述的时延高而且占用连接资源限制设备数量等问题。实现这种控制逻辑，在被控制设备上只需要进行0和1的连续跳变即可实现，而触发这一跳变的条件，只需要在由控制设备发出、被控制设备接收的众多无线操作流程中的任意一个(如连接请求或者断开连接请求)即可完成，并不需要按照标准的数据传输流程，将逻辑0和1作为数据内容用数据包在已建立的连接上传输完成数据传递。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于无线通讯技术的低时延、多对多控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、控制端发起控制动作；

S2、控制端通过无线通讯协议栈，对被控制端发出连接请求；

S3、被控制端通过无线通讯协议栈收到步骤S2中的连接请求，并将此连接请求当作控制命令，作出相应的响应动作，并将连接响应发送回控制端；被控制端发出连接响应、控制端接收连接响应，是将当前状态以数据的形式发送回控制端，对于连接响应数据包对于数据携带的规定，具体如下：

如果规范中连接响应的数据包包含可使用的或者预留的数据域，则控制端期望完成的控制数据将可以被封装入连接请求的此数据域，在控制端接收到连接请求后，取出此数据域的内容，并按控制数据完成相应的控制动作；

如果规范中连接响应的数据包没有可使用或者预留的数据域，无法携带自定义的数据，若存在广播的流程，则可以将状态信息封装入广播的数据域，发送到控制端接收并显示；

如果规范中不满足上述两种情况，则可以由控制端自己保存状态，在收到连接响应后，将状态信息的值按自定义规则跳变，与被控制端同步；

S4、控制端通过无线通信协议栈收到连接响应后，再通过协议栈发出断开连接请求，完成此次控制操作。

2.根据权利要求1所述的基于无线通讯技术的低时延、多对多控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述通讯协议栈的规范标准为蓝牙、Zigbee、Wifi、IrDA、UWB、NFC中的一种或多种，所述通讯协议栈规范中包含数据链路的建立过程。

3.根据权利要求1所述的基于无线通讯技术的低时延、多对多控制方法，其特征在于，控制端发出的连接请求和被控制端接收到的连接请求，在不同的无线通讯协议栈对于连接请求数据包的格式规定不同，具体为：

当连接请求不包含可使用的或者预留的数据域，连接请求数据包仅传送协议规定的数据，此时，被控制端将判断并做跳变控制的动作；

当连接请求包含可使用的或者预留的数据域，则控制端期望完成的控制数据将被封装入连接请求的此数据域，在被控制端接收到连接请求后，取出此数据域的内容，并按控制数据完成相应的控制动作。