CN106792479A - 一种基于邻近服务的d2d节点发现方法 - Google Patents

一种基于邻近服务的d2d节点发现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，节点通过组建群组的方式，轮流发送群列表消息，群组内部成员设备的维护采用蓝牙技术，通过引入加入窗，联系窗和更新窗的概念，详细描述了整个过程。每个群组中的设备成员轮流采用WiFi技术负责向远方节点宣告所有群组成员设备以及进行WiFi扫描，这样，远方节点只需要接收到一个WiFi广播信标就能搜索到整个群组的设备，所以群组成员越多，节能效果就越明显。本发明在保证节点能快速发现的情况下，减少了每个节点的能耗。蓝牙能耗低但搜索范围小，WiFi搜索范围大但能耗高，本发明融合了蓝牙和WiFi两种技术，跟单纯的蓝牙搜索或WiFi搜索相比，既保证了节点的搜索范围，又解决了移动节点的能耗问题。

Description

一种基于邻近服务的D2D节点发现方法
技术领域
本发明属于无线网络通信技术领域，具体涉及一种基于邻近服务的D2D节点发现方法。
背景技术
D2D(device-to-device，设备到设备)技术是新一代通信领域的研究热点之一，而D2D节点搜索是这项技术实现的重点。没有外部架构的辅助，D2D节点就必须“盲目”地搜索其它节点，这种移动终端如果没有能耗的限制，节点发现就简单多了，可以让每台设备周期性地发送信标以便其它设备能及时快速地发现它的存在。然而，某种程度上来说，设备的能源效率和快速发现是一对矛盾的问题。为了实现节点的快速发现，设备需要发送的信标周期较短，这意味着消耗更多的能量。
设备可以按照一定比例的占空比，在大部分时间里让无线接口保持在休眠状态中，并定期将其唤醒以执行搜索任务。当然，两个互相搜索的设备要想发现对方，必须保持唤醒状态，所以应该制定合适的占空比方案来确保两个邻近设备的唤醒时间是重叠的。通过时间的同步可以让设备同时处于唤醒状态，而且这并不难实现。然而，同步需要基础设施的支持(4G/无线基站)，或使用车载GPS组件，但不能一直使用，因为能耗巨大。因此，在无法获得同步时钟且保证低占空比的情况下，为了确保邻近设备的唤醒时间在合理的时间内重叠，客观上需要探讨异步搜索的解决方案。
关于可伸缩性的问题，节点搜索协议应当能在高度密集的环境中正常工作。如果希望许多设备能同时被搜索到，那么所有设备将在同一时间内一同发送信标，这些信标信号的传输有可能导致信号流量拥塞，从而使一些设备不能发现，因此需要有效解决可伸缩性的问题。
另外，WiFi和蓝牙技术在节点搜索中各有优缺点。WiFi覆盖范围大但能耗也大，而蓝牙能耗虽小但覆盖范围也小。为了节省能量，而又能保证节点的快速发现且不减小节点的搜索范围，因此如何实现蓝牙与WiFi搜索的融合，节省发射功率也是亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对上述问题提出一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，节点通过组建蓝牙群组的方式，轮流发送WiFi信标，信标主要包含群列表消息。WiFi覆盖范围大但能耗也大，而蓝牙能耗虽小但覆盖范围也小，这样既能节省移动终端的能量，又能保证节点的快速发现且不减小节点的搜索范围。群组内部成员设备的搜索采用蓝牙4.0广播技术，每个群组中每个节点轮流采用WiFi技术负责向远方节点宣告成员设备以及服务信息。
为达到上述目的，本发明提出的技术方案为一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，包括如下步骤：
步骤1：加入操作和群组操作
步骤1-1:加入操作
一个设备A进入系统，假定在系统中有一个群组，里面至少有一个成员，A会先按照一个周期Tc扫描，发现现有的信标，如果该设备接收到群组成员设备发送的蓝牙广播信标，假设此时刻为0时刻，则该设备可以计算出下一个加入窗的开始时间为t时刻，加入过程遵循三次握手，首先，该设备将发送一个加入请求到群组成员设备，其次，如果群组成员设备接受来自该设备的加入请求，则发送一个加入响应给该设备，最后，如果该设备接收到这个加入响应，就回复一个应答消息确认接收，否则，如果加入窗口结束却没有收到群组成员设备的加入响应，该设备将扫描另一个周期继续寻找信标；
步骤1-2:群组操作
(1)在一个加入窗口中，如果设备A被设备B接受，B就把A添加到群组列表中的上链，并更新自己的群组列表，然后通过蓝牙广播帧将现有的群组列表信息发送给设备A，设备A存储该列表，同样，A视B为它的下链，此时，群组循环周期T由公式T＝N*t得到更新，然后，以加入时间为0时刻，A将更新窗的起始时间安排在(N-1)t时刻，设备A的下一个蓝牙信标发送时间为T时刻，其中N是设备A所在群组列表中的设备成员总数，t为的群组成员间隔；
(2)在一个更新窗，如果设备B从它的上链设备A接收到一个信标，则B更新其群组列表，并且，如果A的群组列表包含B，B给A发送一个应答消息，
如果A的群组列表不包含B，那么B就离开了群组，
如果B没有接收到A的信标，B就从群组列表中移除它的上链A；
步骤2：发送WiFi广播信标
在每个设备的联系窗之后，设备按照一定占空比进行WiFi扫描，在WiFi扫描的过程中会发送信标，这个设备仅在这个群组循环周期T内发送WiFi信标，等到下一个周期T，该设备就停止WiFi扫描和发送WiFi信标，进入休眠状态，该设备的下链设备继续按照相同的占空比发送WiFi信标，进行WiFi扫描。
进一步，上述步骤1-1中，加入操作是利用加入窗与其它设备进行蓝牙信标交互实现的。
上述蓝牙采用蓝牙4.0广播帧，群组设备成员都拥有一张成员列表，通过加入窗，群组成员设备可以更新自己的群组列表。
上述步骤1-2中，群组操作可以通过联系窗和更新窗调节成员列表。
上述步骤2中，每个群组成员设备都有一份成员列表，这些设备可以通过发送WiFi广播信标的方式来通知远方设备。
上述远方设备是指蓝牙搜索不到，但WiFi可以搜索到的设备。
作为优选，上述应答消息可以为ACK消息。
上述WiFi信标的内容包括所有群组成员的列表。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种群组搜索方案，节点通过组建群组的方式，轮流发送群列表消息，在保证节点快速发现的情况下，减少了每个节点的能耗。
2、蓝牙能耗低但搜索范围小，WiFi搜索范围大但能耗高，本发明融合了蓝牙和WiFi两种技术，跟单纯的蓝牙搜索或WiFi搜索相比，既保证了节点的搜索范围，又解决了移动节点的能耗问题。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的群组成员的信标发送模式。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。
现对本发明的方法流程进行说明，包含以下步骤：
步骤1：加入操作和群组操作
加入操作规定设备如何选择群组以及如何被群组接受。群组设备成员都拥有一张成员列表，成员将按照列表上的顺序轮流发送信标，而群组操作可以调节成员列表，比如新成员设备的添加或从列表中删除一个成员。为了实现这两个操作，引入了三个窗：加入窗，联系窗和更新窗。加入窗可以通过蓝牙扫描发现其它设备，发现设备之后，通过联系窗利用蓝牙技术进行联系，以便开始下一步的操作，更新窗可以联系其它设备，获取或通知对方已更新的成员列表。最后，在蓝牙信标内容里添加了一个信息元素：加入状态。加入状态信息元素可以防止两个节点同一时间互相加入的竞争状况的出现。
步骤1-1:加入操作
一个设备A刚刚进入系统。假定在系统中有一个群组(至少有一个成员)。A会先按照周期Tc扫描发现现有的信标。如果A接收到群组成员发送的蓝牙广播信标，假设此时刻为0时刻，设定群组成员发送蓝牙信标间隔为t，则A可以计算出下一个加入窗的开始时间为t时刻，加入过程遵循三次握手。首先，该设备将发送一个加入请求到群组成员设备。其次，如果群组成员设备接受来自该设备的加入请求，则发送一个加入响应给该设备。第三，如果该设备接收到这个加入响应，就回复一个ACK消息确认接收。否则，如果加入窗口结束却没有收到群组成员设备的加入响应，该设备将扫描另一个周期继续寻找信标。
步骤1-2:群组操作
(1)在一个加入窗口中，如果设备A被设备B接受，B就把A添加到群组列表中的上链并更新自己的群组列表，然后通过蓝牙广播帧将现有的群组列表信息发送给设备A，设备A存储该列表。同样，A视B为它的下链，此时，群组循环周期T由公式T＝N*t得到更新。然后，以加入时间为0时刻，A将更新窗的起始时间安排在(N-1)t时刻，设备A的下一个蓝牙信标发送时间为T时刻，其中N是设备A所在群组列表中的设备成员总数，t为的群组成员间隔。
(2)在一个更新窗，如果设备B从它的上链设备A接收到一个信标：
B更新其群组列表，并且，如果A的群组列表包含B，B给A发送一个ACK消息。
如果A的群组列表不包含B，那么B就离开了群组。
如果B没有接收到A的信标，B就从群组列表中移除它的上链A。请注意，当信标被广播，下链设备需要回复的一个ACK消息。该附加特征被包括在内，是因为信标发送是广播传输，这是不可靠的。通过包括额外的ACK机制，如果未接收到ACK消息，信标可以被重传。
步骤2：发送WiFi广播信标
每个群组成员设备都有一份成员列表，这些设备可以通过发送WiFi广播信标的方式来通知远方设备(指蓝牙搜索不到，但WiFi可以搜索到的设备)，所以只要让每个设备轮流发送整个群组的列表信息，远方设备就能通过WiFi扫描搜索到整个群组的设备。这其中主要涉及到两个方面：WiFi信标的发送调度和WiFi信标的内容。
在每个设备的联系窗之后，设备按照一定占空比进行WiFi扫描，在WiFi扫描的过程中会发送信标。这个设备仅在这个群组循环周期T内发送WiFi信标，等到下一个周期T，该设备就停止WiFi扫描和发送WiFi信标，进入休眠状态，该设备的下链设备继续按照相同的占空比发送WiFi信标以及进行WiFi扫描。WiFi信标的内容包括所有群组成员的列表，传统的WiFi搜索，每个WiFi信标中只包含本设备的标识，而本发明中的WiFi信标包含所有成员列表的标识。
如图1所示，左侧圈中的四台设备距离在蓝牙覆盖范围内，并且组成了一个群组，他们相互之间通过蓝牙传递群组消息，而在右侧的三台设备距离左侧四台设备超出蓝牙覆盖范围但在WiFi覆盖范围内，所以左侧四台设备可以轮流通过WiFi向右侧三台设备发送消息。
步骤1：加入操作和群组操作
步骤1-1:加入操作
如图2所示，假设我们有一个设备A，刚刚进入系统。假定在系统中有一个群组(BCD)。设备A会先按照一定周期扫描发现现有的信标。假设设备A接收到设备D发送的蓝牙信标，假设此时刻为0时刻，则设备A可以计算出下一个加入窗的开始时间为t时刻，例如设备B的加入窗，加入过程遵循三次握手。首先，设备A将发送一个加入请求到设备B。其次，如果设备B接受来自设备A的加入请求，则发送一个加入响应到设备A。第三，如果设备A接收到这个加入响应，就回复一个ACK消息确认接收。否则，如果加入窗口结束却没有收到设备A的加入响应，设备A将扫描另一个周期继续寻找信标。
步骤1-2:群组操作
(1)在一个加入窗口中，如果设备A被设备B接受，B就把A添加到群组列表中的上链并更新自己的群组列表，然后通过蓝牙广播帧将现有的群组列表信息发送给设备A，设备A存储该列表。同样，A视B为它的下链，此时，群组循环周期T由公式T＝N*t得到更新。然后，以加入时间为0时刻，A将更新窗的起始时间安排在(N-1)t时刻，设备A的下一个蓝牙信标发送时间为T时刻，其中N是设备A所在群组列表中的设备成员总数，t为如图2所示的群组成员间隔。
(2)在一个更新窗，如果设备B从它的上链设备A接收到一个信标：
B更新其群组列表，并且，如果A的群组列表包含B，B给A发送一个ACK消息。
如果A的群组列表不包含B，那么B就离开了群组。
如果B没有接收到A的信标，B就从群组列表中移除它的上链A。当信标被广播，下链设备需要回复的一个ACK消息，如果未接收到ACK消息，信标将被重新发送。
步骤2：发送WiFi广播信标
如图2所示，在A设备的联系窗之后，设备按照一定占空比进行WiFi扫描，在WiFi扫描的过程中会发送信标。这个设备仅在这个群组循环周期T内发送WiFi信标，等到下一个周期T，该设备就停止WiFi扫描和发送WiFi信标，进入休眠状态，该设备的下链设备B继续按照相同的占空比发送WiFi信标以及进行WiFi扫描。WiFi信标的内容包括所有群组成员的列表。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：加入操作和群组操作
步骤1-1:加入操作
一个设备A进入系统，假定在系统中有一个群组，里面至少有一个成员，A会先按照一个周期Tc扫描，发现现有的信标，如果该设备接收到群组成员设备发送的蓝牙广播信标，假设此时刻为0时刻，则该设备可以计算出下一个加入窗的开始时间为t时刻，加入过程遵循三次握手，首先，该设备将发送一个加入请求到群组成员设备，其次，如果群组成员设备接受来自该设备的加入请求，则发送一个加入响应给该设备，最后，如果该设备接收到这个加入响应，就回复一个应答消息确认接收，否则，如果加入窗口结束却没有收到群组成员设备的加入响应，该设备将扫描另一个周期继续寻找信标；
步骤1-2:群组操作
(1)在一个加入窗口中，如果设备A被设备B接受，B就把A添加到群组列表中的上链，并更新自己的群组列表，然后通过蓝牙广播帧将现有的群组列表信息发送给设备A，设备A存储该列表，同样，A视B为它的下链，此时，群组循环周期T由公式T＝N*t得到更新，然后，以加入时间为0时刻，A将更新窗的起始时间安排在(N-1)t时刻，设备A的下一个蓝牙信标发送时间为T时刻，其中N是设备A所在群组列表中的设备成员总数，t为的群组成员间隔；
(2)在一个更新窗，如果设备B从它的上链设备A接收到一个信标，则B更新其群组列表，并且，如果A的群组列表包含B，B给A发送一个应答消息，
如果A的群组列表不包含B，那么B就离开了群组，
如果B没有接收到A的信标，B就从群组列表中移除它的上链A；
步骤2：发送WiFi广播信标
在每个设备的联系窗之后，设备按照一定占空比进行WiFi扫描，在WiFi扫描的过程中会发送信标，这个设备仅在这个群组循环周期T内发送WiFi信标，等到下一个周期T，该设备就停止WiFi扫描和发送WiFi信标，进入休眠状态，该设备的下链设备继续按照相同的占空比发送WiFi信标，进行WiFi扫描。
2.根据权利要求1所述的一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于所述步骤1-1中，加入操作是利用加入窗与其它设备进行蓝牙信标交互实现的。
3.根据权利要求2所述的一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于所述蓝牙采用蓝牙4.0广播帧，群组设备成员都拥有一张成员列表，通过加入窗，群组成员设备可以更新自己的群组列表。
4.根据权利要求1所述的一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于所述步骤1-2中，群组操作可以通过联系窗和更新窗调节成员列表。
5.根据权利要求1所述的一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于所述步骤2中，每个群组成员设备都有一份成员列表，这些设备可以通过发送WiFi广播信标的方式来通知远方设备。
6.根据权利要求5所述的一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于所述远方设备是指蓝牙搜索不到，但WiFi可以搜索到的设备。
7.根据权利要求1所述的一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于所述应答消息为ACK消息。
8.根据权利要求1所述的一种基于邻近服务的D2D节点发现方法，其特征在于所述WiFi信标的内容包括所有群组成员的列表。
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