CN109479182B - Ble-mesh设备的事件聚类 - Google Patents

Ble-mesh设备的事件聚类 Download PDF

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Abstract

在所描述的示例中，BLE‑Mesh通信的方法包括提供双模式BLE‑Mesh设备(400’)，其包括双模式RF驱动器(424a)、双模式管理器(445)、在具有BLE中继设备和功能端BLE设备的BLE‑Mesh网络中用于BLE操作的BLE堆栈(460)以及用于网格操作的网格堆栈(452、454)。BLE‑Mesh设备(400’)具有在整个BLE‑Mesh网络中共同的周期性时间索引数据时隙集，其为BLE连接事件提供BLE事件时间线。双模式BLE设备(400’)实施事件聚类算法(424b)，该算法相对于BLE连接事件的定时来延迟或提前网格事件，用于将它们各自的出现聚类在一起成为连续的BLE/Mesh事件，以通过减少从活动模式到休眠模式以及从休眠模式到活动模式的转换数量来减小占空比。BLE‑Mesh设备(400’)在BLE‑Mesh网络中使用连续的BLE/Mesh事件与至少一个网格设备进行通信。

Description

BLE-MESH设备的事件聚类
技术领域
本文通常涉及无线通信，并且更具体地涉及蓝牙低功耗(BLE)自动化网格网络(BLE-Mesh)通信。
背景技术
BLE-Mesh是一种无线个人局域网(WPAN)技术，它使用基于泛洪的协议，所述协议使用重新传输，通过包括向设备组和设备组之间发送消息的能力来扩展BLE设备的范围。BLE-Mesh网络中的设备可以支持BLE和BLE-mesh两者，但不是必须都有。重新广播网格网络通过经由广播将所有消息泛洪到网络中的所有节点来工作。
网格网络中的节点都共享一组索引数据时隙。每当设备从网格中的另一设备接收广播消息时，设备重复该消息(重新广播它)，使其相邻设备“听到”新消息。相邻设备将该消息重新广播给它们的邻居，并且重复该过程直到网格中的所有设备都接收到相同的消息。因此，泛洪使得无线设备能够彼此通话而不需要在直接无线电范围内，因为它们之间的设备通过中继消息来提供帮助。
典型的WPAN具有由电池供电的(一个或更多个)边缘设备，中继设备，由于它们总是处于监听模式，所以始终是开启的，以及诸如灯之类的(一个或更多个)功能端设备。大多数BLE设备都是电池供电的，因此功率效率通常是一个重要的考虑因素。
智能手机和其他一些“传统设备”(例如平板电脑和笔记本电脑)支持BLE，但目前不支持网格格式的消息传递。为了使这些传统/旧有设备能够与网格设备通信，需要为网格设备启用BLE连接，创建对双模式BLE设备的需求，这些设备既提供网格操作，也提供BLE操作。但是，将此BLE连接添加到网格设备将显著提高其功耗，这是电池供电设备的一个特殊问题。
发明内容
在所描述的示例中，BLE-Mesh通信的方法包括提供双模式BLE-Mesh设备，其包括双模式RF驱动器、双模式管理器、在具有BLE中继设备和功能端BLE设备的BLE-mesh网络中的BLE堆栈和用于网格操作的网格堆栈。双模式BLE-mesh设备具有在整个BLE-mesh网络中共同(common)的周期性时间索引数据时隙集，其为BLE连接事件提供BLE事件时间线。双模式BLE设备实施事件聚类算法，该算法相对于BLE连接事件的定时(timing)来延迟或提前网格事件，用于将它们各自的出现聚类在一起成为连续的BLE/Mesh事件，以通过减少从活动模式到休眠模式以及从休眠模式到活动模式的转换数量来减小占空比。双模式BLE-Mesh设备在BLE-mesh网络中使用连续的BLE/Mesh事件与至少一个网格设备进行通信。
附图说明
图1是根据一个示例实施例的BLE-Mesh通信的示例方法的流程图。
图2示出了示例时间线，其示出BLE事件时间线、朋友(FR)低功率网格边缘节点(LPN)事件时间线，并且描述了具有BLE连接事件的网格事件的聚类以减少唤醒和休眠的数量。
图3示出了低功率中继节点的示例时间线，其包括BLE事件时间线、中继事件时间线以及所描述的被示出具有BLE连接事件的网格中继事件的聚类，以减少唤醒和休眠的数量。
图4A是根据一个示例实施例的可以实施用于BLE-Mesh通信的所描述的事件聚类的示例性描述的双模式BLE-Mesh设备的框图示意图。
图4B是图4A中所示的包括双模式管理器的双模式BLE-Mesh设备的功能层描绘。
具体实施方式
附图不一定按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示相似或等效的元件。一些说明的动作或事件可以以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，一些说明的动作或事件对于实施根据本说明书的方法是可选的。
此外，如本文所使用的没有进一步限定的术语“耦合到”或“与......耦合”(等等)，描述间接或直接电连接。因此，如果第一设备“耦合”到第二设备，则该连接可以通过直接电连接，其中仅在路径中有寄生现象，或者通过经由包括其他设备和连接的中介项(item)的间接电连接。对于间接耦合，中介项通常不修改信号的信息，但可以调整其电流电平、电压电平和/或功率电平。
示例实施例认识到提供网格操作和BLE操作两者的双模式BLE设备，尤其是那些由电池供电的设备，可以从其功耗的降低中受益。示例实施例包括针对双模式BLE设备使BLE事件与网格事件及时(in time)聚类的技术，其减少了唤醒的数量并且同样减少了从活动到休眠和休眠到活动的转换的数量，从而降低了设备的功耗。
图1是根据一个示例实施例的用于BLE-Mesh通信的事件聚类的示例方法100的流程图。BLE用作网格网络的物理传输，在此称为BLE-mesh网络，例如使用蓝牙Bluetooth 4.1规范。BLE-mesh网络环境包括多个间隔开的双模式BLE-Mesh设备。可彼此识别的双模式BLE使能设备的聚类可以参与路由节点，以为任何两个参与的BLE-mesh设备提供范围扩展，否则这两个设备将在彼此的BLE传输范围之外。BLE-mesh网络可以是安全网络。
步骤101包括提供双模式BLE-Mesh设备，其包括在具有至少一个BLE中继设备和功能端BLE设备的BLE-mesh网络中用于BLE操作的BLE堆栈和用于网格操作的网格堆栈。双模式BLE-Mesh设备包括双模式RF驱动器和双模式管理器。双模式BLE-Mesh设备具有在整个BLE-mesh网络中共同的周期性时间索引数据时隙集，其为多个BLE连接事件提供BLE事件时间线。BLE连接事件经常涉及在每个连接间隔时间段发生的一对双模式BLE-Mesh设备之间的周期性接收(Rx)和发射(Tx)。其他连接事件也可以在BLE特别兴趣群(SIG)规范中定义。
步骤102包括实施事件聚类算法的双模式BLE设备，该算法相对于BLE连接事件的实例的定时来延迟或提前网格事件的定时，以将它们各自的出现聚类在一起成为连续的BLE/Mesh事件。(参见下文用于事件聚类示例描述的图2和图3)。连续的BLE/Mesh事件通过减少从活动模式到休眠模式以及从休眠模式到活动模式的转换数量来减小设备的占空比。占空比是信号有效的时间比(百分比)。公式是(占空比＝(信号有效的时间/信号总周期)×100％)。例如，如果BLE设备发送数据1ms然后休眠999ms，则(占空比＝(1/1000)*100)＝0.1％。
网格事件包括FR LPN ping(发射)和FR LPN接收，每个事件涉及网格数据包(packet)。步骤103包括双模式BLE-Mesh设备，其在BLE-mesh网络中使用连续的BLE/Mesh事件与至少一个网格设备进行通信。
图2示出了用于包括BLE事件时间线205的低功率FR边缘节点的一个示例时间线200，时间线205包括周期性BLE事件205a1、205a2和205a3，FR LPN事件时间线210包括FRLPN接收的210a1、210a2和210a3，以及FR LPN ping210a1、210b2和210b3，以及所描述的在聚类之后各自ping和接收的位置，示为“具有聚类”215，以提供减少唤醒和休眠数量的连续的BLE/Mesh事件。根据该规范，在FR中继设备和LPN之间建立了“朋友关系”。边缘设备发送具有FRND位组的ping、TTL＝0，该边缘设备在FR接收延迟(FRD)之后唤醒，并且在FR接收窗口(FRW)持续时间内处于扫描状态。对于此ping的RF访问和用于FRW的扫描将是专用的。
如最左边的聚类示例中所示，ping 210a1被时移，现在被示为210b1’，以与BLE事件205a1聚类，在中间的聚类示例中，接收210a2和ping 210b2两者都被及时修改，现在被示为210a2’和210b2’，以在BLE事件205a2之前和之后分别聚类，并且在最右边的聚类中，接收210a3和ping 210b3两者都被及时修改，现在被示为210a3’和210b3’，以在BLE事件205a3之后聚类。
图3示出了用于低功率中继节点的一个示例时间线300，其包括：包括周期性BLE事件305a1、305a2和305a3的BLE事件时间线305，包括网格接收310a1、310a2以及Mesh发射310b1、310b2和310b3的FR低功率网格边缘节点(LPN)事件时间线310，以及所描述的被示为‘具有聚类’315的聚类。描述的聚类315具有Mesh发射时移，现在示出为310b1’、310b2’和310b3’，其与BLE事件305a1、305a2和305a3聚类以减少唤醒和休眠的数量。由于此示例仅示出被延迟的Tx事件，因此它也适用于当前网格路由节点。Mesh Tx事件通常应仅在阈值持续时间(BLE连接事件之间的时间)内被延迟，以保持定时改变的影响较低。
图4A示出通常符合BLE通信标准的示例双模式BLE-Mesh设备400的系统框图表示。双模式BLE-Mesh设备400可以是能够参与BLE通信的任何设备。这样的设备可以是，可以包括或可以是移动电话的一部分，诸如智能手机、平板电脑、计算机、个人数字助理以及具有通信能力的家用物品，例如门把手、百叶窗和运动传感器。双模式BLE-Mesh设备400在BLE-Mesh网络中与多个其他BLE设备一起通信至耦合到通常存储在服务器上的中央权限数据库的网络(例如，因特网)。
双模式BLE-Mesh设备400包括控制器420、存储器422以及收发器424：控制器420包括处理器425；存储器422包括用于所描述的用于BLE-Mesh通信算法的事件聚类的软件422a；收发器424包括耦合到天线428的双模式RF驱动器424a。控制器420实施用于BLE操作的BLE堆栈和用于网格操作的网格堆栈。收发器424还被示出为包括硬件，该硬件包括数字逻辑424b，数字逻辑424b可以用作软件422a的替代，用于实施所描述的用于BLE-Mesh通信算法的事件聚类。收发器424包括发射器和接收器。发射器通常包括媒体访问控制(MAC)模块、编码器、调制器、快速傅里叶逆变换(IFFT)单元、数模转换(DAC)/滤波器模块和RF/天线模块。接收器通常包括RF/天线单元、模数转换(ADC)/滤波器单元、FFT单元、解调器、解码器和MAC模块。
存储器422更一般地被配置为存储包括数据、指令或两者的信息。存储器422可以是控制器420可访问的任何存储介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓冲存储器或磁介质设备，诸如内部硬盘和可移动磁盘。还提供锁相环(PLL)432用于包括混合和频率合成的目的。
还示出了双模式BLE-Mesh设备400，其包括硬件，该硬件包括数字逻辑434，数字逻辑434还可以用于实施所描述的用于BLE-Mesh通信算法的事件聚类。然而，如上所述，用于BLE-Mesh通信算法的事件聚类也可以由软件实施。
控制器420耦合到存储器422以及耦合到收发器424。在一些实施方式中，收发器424包括基带单元(未示出)和模拟单元(未示出)以发射和接收RF信号。基带单元可以包括用于执行基带信号处理的硬件，基带信号处理包括数字信号处理、编码和解码、调制和解调。模拟单元可以包括用于执行ADC、DAC、滤波、增益调整、上变频和下变频的硬件。模拟单元可以从接入点接收RF信号并将接收的RF信号下变频为基带信号以由基带单元处理，或者从基带单元接收基带信号并将接收的基带信号上变频到RF无线信号用于上行传输。模拟单元包括混频器，其利用在BLE-Mesh网络的无线电频率下振荡的载波信号对基带信号进行上变频并且对RF信号进行下变频。对于BLE通信，无线电频率可以是2.4GHz到2.483GHz频带，并且按照BLE标准，无线电频率可以是诸如大约1.0到1.5GHz的较低频率(对于网格通信通常不是低于1GHz)，或者取决于未来无线电接入技术的其他规范。
图4B是图4A中所示的双模式BLE-Mesh设备400的功能层描绘，现在示为400’，其包括应用层，该应用层包括BLE应用、网格应用、模型440和双模式管理器445。双模式RF驱动器424a上方的所有块通常是在存储器422中(通常存储在闪存RAM或ROM中)的图4A所示的处理器425上运行的软件(SW)。双模式BLE-Mesh设备400’使用双模式RF驱动器424a实施BLE和网格软件(SW)堆栈的同时操作。存在用于网格操作的RF实例1 445a，并且存在用于BLE操作的RF实例2 445b。
双模式管理器445基于堆栈状态处理RF访问优先级，通常三个优先级是专用的、高的和正常的。网格适配层450相应地格式化用于BLE或网格以及适合于特定应用的信号。双模式RF驱动器424a包括驱动器应用程序编程接口(API)软件和无线电本身硬件。因此，存在用于网格通信的泛洪模块452、网格承载层454和网格安全456。
双模式BLE-Mesh设备400’还包括BLE堆栈460、控制蓝牙中的连接和广播的通用接入配置文件(GAP)464，以及使用ATT描述如何交换来自BLE的两个连接设备的数据的通用属性配置文件(GATT)466。双模式BLE-Mesh设备400’还包括BLE路由块465。BLE路由块465不同于基于泛洪的网格。如果存在路由，则每个节点维护经由确定性路径发送的邻居表和消息到达特定目的地。在基于泛洪的网格中，消息通过网络通过多个跳跃(hop)被传播到所有设备。
双模式BLE-Mesh设备400’还被示出具有实时操作系统(RTOS)470。RTOS470从低占用空间、实时抢占式多任务内核扩展到具有附加中间件组件的完整RTOS，附加中间件组件包括电源管理器、TCP/IP和USB堆栈、嵌入式文件系统和设备驱动。
所描述的事件聚类的益处包括降低节点的总功耗和维持互操作性。可以使用数据包嗅探器来检测所描述的事件聚类，以检测关于BLE和网格事件的传输时间点。还可以使用功率分析器来确定所描述的双模式BLE-Mesh设备的节点活动。
在至少一个示例中，对于所描述的具有1秒连接间隔的双模式BLE-Mesh设备，使用所描述的网格事件和BLE连接事件的聚类，导致30％的功率节省。此结果仅适用于FR LPN设备。对于具有电源线或非常长扫描的中继设备，功率节省将显著减小。对于网格设备操作的100ms扫描间隔，中继设备的功率节省将为约0.7％。
在所描述的实施例中，修改是可能的，并且在权利要求的范围内，其他实施例也是可能的。

Claims (18)

1.一种方法，其包括：
由双模式蓝牙低功耗-Mesh设备即BLE-Mesh设备获得用于BLE操作的周期性时间索引数据时隙集；
基于所述周期性时间索引数据时隙集的定时，通过延迟或者提前BLE-Mesh时隙由所述双模式BLE-Mesh设备调整所述BLE-Mesh时隙的定时以和BLE时隙及时聚类，以产生调整的BLE-Mesh时隙，其中所述调整的BLE-Mesh时隙以及所述BLE时隙不重叠；
在所述调整的BLE-Mesh时隙期间，利用收发器由所述双模式BLE-Mesh设备通过BLE-Mesh网络进行通信；以及
在所述BLE时隙期间，利用所述收发器由所述双模式BLE-Mesh设备通过BLE进行通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述BLE时隙期间进行通信包括：
由所述双模式BLE-Mesh设备从第二设备接收第一消息；以及
由所述双模式BLE-Mesh设备将所述第一消息发射到所述第二设备。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述调整的BLE-Mesh时隙期间进行通信包括由所述双模式BLE-Mesh设备发射朋友低功率节点ping，即FR LPN ping。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述调整的BLE-Mesh时隙期间进行通信包括由所述双模式BLE-Mesh设备接收BLE Mesh数据包。
5.根据权利要求1所述方法，其中调整所述BLE-Mesh时隙的所述定时包括延迟所述BLE-Mesh时隙。
6.根据权利要求5所述的方法，其中延迟所述BLE-Mesh时隙包括将所述BLE-Mesh时隙延迟小于阈值持续时间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述阈值持续时间等于BLE连接事件之间的时间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述BLE-Mesh时隙的所述定时包括将所述BLE-Mesh时隙提前。
9.一种双模式蓝牙低功耗-Mesh设备即双模式BLE-Mesh设备，其包括：
至少一个处理器；以及
非暂时性计算机可读存储介质，其存储用于由所述至少一个处理器执行的程序，所述程序包括的指令用于：
获得用于BLE操作的周期性时间索引数据时隙集；
基于所述周期性时间索引数据时隙集的定时，通过延迟或者提前BLE-Mesh时隙来调整所述BLE-Mesh时隙的定时以和BLE时隙及时聚类，以产生调整的BLE-Mesh时隙，其中所述调整的BLE-Mesh时隙以及所述BLE时隙不重叠；
在所述调整的BLE-Mesh时隙期间，利用收发器通过BLE-Mesh网络进行通信；以及
在所述BLE时隙期间，利用所述收发器通过BLE进行通信。
10.根据权利要求9所述的双模式BLE-Mesh设备，其中用于在所述BLE时隙期间进行通信的所述指令包括的指令用于：
从第二设备接收第一消息；以及
将所述第一消息发射到所述第二设备。
11.根据权利要求9所述的双模式BLE-Mesh设备，其中用于在所述调整的BLE-Mesh时隙期间进行通信的所述指令包括用于发射朋友低功率节点ping即FR LPN ping的指令。
12.根据权利要求9所述的双模式BLE-Mesh设备，其中用于在所述调整的BLE-Mesh时隙期间进行通信的所述指令包括用于接收BLE-Mesh数据包的指令。
13.根据权利要求9所述的双模式BLE-Mesh设备，其中用于调整所述BLE-Mesh时隙的所述定时的所述指令包括用于延迟所述BLE-Mesh时隙的指令。
14.根据权利要求13所述的双模式BLE-Mesh设备，其中用于延迟所述BLE-Mesh时隙的所述指令包括用于对所述BLE-Mesh时隙延迟小于阈值持续时间的指令。
15.根据权利要求9所述的双模式BLE-Mesh设备，其中用于调整所述BLE-Mesh时隙的所述定时的所述指令包括用于将所述BLE-Mesh时隙提前的指令。
16.根据权利要求9所述的双模式BLE-Mesh设备，其中所述双模式BLE-Mesh设备是低功率节点即LPN。
17.根据权利要求9所述的双模式BLE-Mesh设备，其中所述双模式BLE-Mesh设备是朋友延迟设备即FR延迟设备。
18.一种非暂时性计算机可读存储介质，其存储用于由至少一个处理器执行的程序，所述程序包括的指令用于：
获得用于蓝牙低功耗操作即BLE操作的周期性时间索引数据时隙集；
基于所述周期性时间索引数据时隙集的定时，调整BLE-Mesh时隙的定时以和BLE时隙及时聚类，以产生调整的BLE-Mesh时隙，其中所述调整的BLE-Mesh时隙以及所述BLE时隙不重叠；
在所述调整的BLE-Mesh时隙期间，利用收发器通过BLE-Mesh网络进行通信；以及
在所述BLE时隙期间，利用所述收发器通过BLE进行通信。
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