CN109951834A - 基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法 - Google Patents

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周晓明
季晓莉
王薇
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Abstract

本发明公开了一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，包括：通过网络中的数据包获取邻居节点的相关信息，根据所述相关信息确定转发阈值，限制转发节点的个数；根据两节点之间距离以及节点剩余能量确定转发数据包节点的转发概率，根据转发概率确定转发等待时间，进行分时转发；在任何节点发送一个数据包后再次接收到重复的数据包，则认为数据包传输成功，否则认为数据包丢失，此时节点重新发送数据包，直至传输成功。在保证传输可靠性的前提下，有效降低和均衡了网络能耗，从而适用更为广的应用场景，使得蓝牙mesh的价值进一步得到提升。

Description

基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法
技术领域
本发明涉及蓝牙mesh的泛洪算法技术领域，具体地涉及一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法。
背景技术
蓝牙是一种短距离无线通信技术，是物联网的基础技术之一。蓝牙技术主要包含经典蓝牙和低功耗蓝牙技术，低功耗蓝牙技术被广泛应用在医疗保健、运动健身、安保系统、传感器物联网等众多领域。
为解决低功耗蓝牙技术存在的传输距离短、组网能力差等问题，2017年7月，蓝牙技术联盟颁布了第一版的蓝牙mesh标准规范，以实现mesh协议的全球互操作性。mesh是低功耗蓝牙的一种全新网络拓扑结构选择，相较于之前的点对点、点对多点蓝牙通信，mesh功能支持蓝牙设备进行多对多通信，非常适合楼宇自动化、传感器网络、资产追踪等应用领域。
蓝牙mesh标准中采用基于泛洪(flooding)算法的mesh网络技术实现信息的传输，泛洪算法是相对比较初级的mesh网络技术，该协议节点无需维护网络的拓扑结构和相关路由状态信息，控制开销小，模式简单，易于实现。其中，网络层的数据包都是以广播的形式发送并转发，但是，泛洪式的广播会导致网络中充斥着大量重复发送的数据，占用网络资源，同时，大量的广播包转发使得设备节点严重地消耗能量，因此，整个设备网络的生命周期也会受到影响。这对电池供电、规模庞大、网络数据量较大等无线mesh网络而言是不适用的，例如传感器网络，所以目前蓝牙mesh的应用范围还是比较受限。这给蓝牙mesh在未来物联网领域的发展带来了很大的挑战。
基于上述考虑，面对使用电池供电的传感器节点对环境等进行监测的场景，基于低功耗蓝牙(BLE)，对现有的蓝牙mesh泛洪算法进行研究和相应的优化改进有很重要的意义，一点点的改进将会满足更广泛的应用场景需求，为物联网注入新的活力。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的是提出一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，该发明针对泛洪算法能耗大的问题，通过限制一次数据包传输过程中参与转发的节点个数来减少不必要的节点转发，从而降低整个网络的能量消耗；根据每个节点的剩余能量确定该节点的转发概率，剩余能量越低转发概率越小，从而均衡了整个网络节点的能量消耗；通过节点重传机制，增加了改进后路由协议的数据传输可靠性。
本发明的技术方案是：
一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，包括以下步骤：
S01：通过网络中的数据包获取邻居节点的相关信息，根据所述相关信息确定转发阈值，限制转发节点的个数；
S02：根据两节点之间距离以及节点剩余能量确定转发数据包节点的转发概率，根据转发概率确定转发等待时间，进行分时转发；
S03：在任何节点发送一个数据包后再次接收到重复的数据包，则认为数据包传输成功，否则认为数据包丢失，此时节点重新发送数据包，直至传输成功。
优选的技术方案中，所述步骤S01中根据RSSI值计算出邻居节点的距离值，确定转发区间[Dmin,Dmax]，其中，Dmin为距离最小值，根据邻居节点总数N确定，Dmax为邻居节点中距离最大值。
优选的技术方案中，与节点的距离大于Dmin的邻居节点的个数不少于N/2。
优选的技术方案中，所述步骤S02中，转发概率
其中，R为节点最大传输半径，Dth为两节点之间的距离，Ei为节点剩余能量，Eimax为电池初始电量，α的取值根据实际需求确定。
优选的技术方案中，所述转发等待时间
其中，Tmax为设置的最长等待延时，n为0.4，Pi为转发概率。
本发明还公开了一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由装置，包括：
一转发候选集合确定模块，通过网络中的数据包获取邻居节点的相关信息，根据所述相关信息确定转发阈值，限制转发节点的个数；
一转发模块，根据两节点之间距离以及节点剩余能量确定转发数据包节点的转发概率，根据转发概率确定转发等待时间，进行分时转发；
丢包重传模块，在任何节点发送一个数据包后再次接收到重复的数据包，则认为数据包传输成功，否则认为数据包丢失，此时节点重新发送数据包，直至传输成功。
优选的技术方案中，所述转发候选集合确定模块根据RSSI值计算出邻居节点的距离值，确定转发区间[Dmin,Dmax]，其中，Dmin为距离最小值，根据邻居节点总数N确定，Dmax为邻居节点中距离最大值。
优选的技术方案中，与节点的距离大于Dmin的邻居节点的个数不少于N/2。
优选的技术方案中，所述转发模块中，转发概率
其中，R为节点最大传输半径，Dth为两节点之间的距离，Ei为节点剩余能量，Eimax为电池初始电量，α的取值根据实际需求确定。
优选的技术方案中，所述转发等待时间
其中，Tmax为设置的最长等待延时，n为0.4，Pi为转发概率。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明对现有的蓝牙mesh泛洪算法进行改进，通过限制一次数据包传输过程中参与转发的节点个数来减少不必要的节点转发，从而降低整个网络的能量消耗；根据每个节点的剩余能量确定该节点的转发概率，剩余能量越低转发概率越小，从而均衡了整个网络节点的能量消耗；通过节点重传机制，增加了改进后路由协议的数据传输可靠性，能够有效降低网络能量消耗同时均衡网络能量。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法的流程图；
图2为本发明邻居节点信息收集流程图；
图3为本发明数据包发送流程图；
图4为本发明数据包接受与转发流程图；
图5为本发明重传机制实现流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
本发明提出了一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)能量优化及均衡机制：节点发送数据包，其邻居节点均可以接收到该数据包，通过限定一定距离内的邻居节点才有机会转发数据包可以有效减少参与转发的邻居节点个数，从而间接降低了能耗，在该距离内的邻居节点属于转发候选集合，处于该候选集合的节点进一步通过各自节点的剩余能量确定自身的转发概率，概率越大，最后越有可能转发该数据包，转发概率由转发延时实现，时延越大，转发概率越低。该机制可以有效地实现能量优化的目的。
(2)丢包重传机制：在上述机制下，路由协议的可靠性会受到一定的影响，为了提高数据传输可靠性，引入丢包重传机制，该机制下，节点发送数据包后再次接收到重复的数据包，则认为传输成功，否则认为数据包丢失，此时节点重新发送数据包，直至传输成功。
邻居节点信息收集是后续算法实现的基础，如图2所示，当节点A收到来自邻居节点B的一个数据包后，首先判断邻居信息中是否存在节点B的信息，如果不存在则将节点B的设备地址以及相应的数据包接收信号强度指示(RSSI)值存入邻居信息空间；如果已经存在，则仅将新的RSSI值替换之前的旧值。后续算法通过RSSI值计算出距离值，确定转发区域，减少转发节点数目。
该算法中，数据包发送如图3所示。当节点A想要发送数据包p时，需要在p中包含转发区间[Dmin,Dmax]，处于该转发区间的邻居节点即为转发候选节点。首先根据邻居节点总数N确定Dmin。Dmin满足：与节点A的距离大于Dmin的邻居节点个数不少于N/2。Dmax即为邻居节点中与节点A距离最远的值。节点A发送数据包p后，利用重传机制提高数据包传输可靠性，重传机制将在下面进行介绍。
根据图4所示，下面给出节点接收到数据包之后的具体处理流程：
1)节点I收到节点A传来的数据包p后，判断该数据包p是否是新的数据包，如果是，则转入步骤3)；否则转入步骤2)；
2)节点I直接丢弃该数据包，继续监听，若监听到数据包则转入步骤3)；
3)将该新数据包存入缓冲区，然后判断自身是否属于转发区间，若是，则转入步骤4)；否则转入步骤2)；
4)通过两节点之间距离以及节点剩余能量两个信息确定节点I的转发概率Pi以及相应的转发延迟时间Ti：
其中，R为节点最大传输半径，Dth为两节点之间的距离，Ei为节点剩余能量，Eimax为电池初始电量，α的取值根据实际需求确定，Tmax为设置的最长等待延时，n取0.4；然后转入步骤5)；
5)节点I等待Ti时间结束，若在该时间段内没有接收到重复的数据包，则转入步骤6)；否则转入步骤2)；
6)节点I转发数据包，并根据丢包重传机制判断数据包是否转发成功
下面介绍丢包重传机制的具体过程，如图5所示，在节点发送一个数据包的同时，设置一个等待时间段T，如果在这个时间段T内节点没有再次接收到相同的数据包，则认为此次传输失败，此时节点重新发送数据包，直至传输成功。具体过程如下：
1)节点发送一个数据包的同时，设置等待时间段T，转入步骤2)；
2)监听信道，若接收到一个数据包，则转入步骤3)；若时间段T结束，则转入步骤6)；
3)判断数据包是否为重复数据包，若不是，则转入步骤4)，否则转入步骤5)；
4)重复值d＝1，转入步骤2)；
5)d加1，转入步骤2)；
6)若d＝1，则表明传输失败，节点重新传送数据包，即转入步骤1)；否则，传输成功。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：通过网络中的数据包获取邻居节点的相关信息，根据所述相关信息确定转发阈值，限制转发节点的个数；
S02：根据两节点之间距离以及节点剩余能量确定转发数据包节点的转发概率，根据转发概率确定转发等待时间，进行分时转发；
S03：在任何节点发送一个数据包后再次接收到重复的数据包，则认为数据包传输成功，否则认为数据包丢失，此时节点重新发送数据包，直至传输成功。
2.根据权利要求1所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，其特征在于，所述步骤S01中根据RSSI值计算出邻居节点的距离值，确定转发区间[Dmin，Dmax]，其中，Dmin为距离最小值，根据邻居节点总数N确定，Dmax为邻居节点中距离最大值。
3.根据权利要求2所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，其特征在于，与节点的距离大于Dmin的邻居节点的个数不少于N/2。
4.根据权利要求1所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，其特征在于，所述步骤S02中，转发概率
其中，R为节点最大传输半径，Dth为两节点之间的距离，Ei为节点剩余能量，Eimax为电池初始电量，α的取值根据实际需求确定。
5.根据权利要求1所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由方法，其特征在于，所述转发等待时间
其中，Tmax为设置的最长等待延时，n为0.4，Pi为转发概率。
6.一种基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由装置，其特征在于，包括：
一转发候选集合确定模块，通过网络中的数据包获取邻居节点的相关信息，根据所述相关信息确定转发阈值，限制转发节点的个数；
一转发模块，根据两节点之间距离以及节点剩余能量确定转发数据包节点的转发概率，根据转发概率确定转发等待时间，进行分时转发；
丢包重传模块，在任何节点发送一个数据包后再次接收到重复的数据包，则认为数据包传输成功，否则认为数据包丢失，此时节点重新发送数据包，直至传输成功。
7.根据权利要求6所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由装置，其特征在于，所述转发候选集合确定模块根据RSSI值计算出邻居节点的距离值，确定转发区间[Dmin，Dmax]，其中，Dmin为距离最小值，根据邻居节点总数N确定，Dmax为邻居节点中距离最大值。
8.根据权利要求7所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由装置，其特征在于，与节点的距离大于Dmin的邻居节点的个数不少于N/2。
9.根据权利要求6所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由装置，其特征在于，所述转发模块中，转发概率
其中，R为节点最大传输半径，Dth为两节点之间的距离，Ei为节点剩余能量，Eimax为电池初始电量，α的取值根据实际需求确定。
10.根据权利要求6所述的基于改进的泛洪算法的蓝牙mesh路由装置，其特征在于，所述转发等待时间
其中，Tmax为设置的最长等待延时，n为0.4，Pi为转发概率。
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