CN110267320A - 基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蓝牙网络技术领域，公开基于蓝牙网络的多网状‑环形拓扑控制方法及存储介质，多网状‑环形散射网包括两个以上的网状‑环形子网，网状‑环形子网包括多个主装置和内部网桥；拓扑控制方法包括以下步骤：从主装置中选择协调器；通过协调器计算微微网的数量；建立多网状‑环形散射网；执行混合路由策略，其中，主动路由用于各所述网状‑环形子网内部数据传输，自我路由用于不同网状‑环形子网之间的数据传输。通过本发明可创造多网状‑环形散射网，通过开启混合路由策略以执行网状‑环形子网内的最短路径路由和通过不同网状‑环形层的自我路由算法，从而实现网络内负载平衡，从而保证网络数据传输性能。

Description

基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法及存储介质
技术领域
本发明涉及蓝牙网络技术领域，特别是涉及一种基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法及存储介质。
背景技术
蓝牙是一种无线技术标准，使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波，可实现不同设备之间的短距离数据交换。蓝牙网络是由多个蓝牙设备通过蓝牙连接形成的网络，而蓝牙网络拓扑是从“家庭网络”情况发展而来。假设便携式装置、智能仪表、家用电器和插入式电子设备需要通过其蓝牙模块创建随意(ad hoc)网络。在引导过程之后，每个用户在设备上操作并期望获得“网络连接”消息，并且每个设备可以交换其收集的信息。通过有效的构造协议，可以实现家庭网络连接应用的高端描述。
蓝牙网络中蓝牙设备可以以分布式方式执行拓扑结构。在引导过程中，每个蓝牙设备可采用异步通信连接网络，而没有任何先前的身份或邻居数量的共享信息。拓扑控制是调度连接和改善网络性能的重要技术之一，在没有任何拓扑标准的情况下，蓝牙网络的形成效率低，并且蓝牙网络中蓝牙负载分配不合理，从而导致网络传输效率低。
发明内容
为此，需要提供一种基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，用于解决现有的蓝牙网络形成效率低，并且蓝牙网络中蓝牙负载不均衡的技术问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，所述多网状-环形散射网包括两个以上的网状-环形子网，所述网状-环形子网包括多个主装置和内部网桥，所述多个主装置通过所述内部网桥连接成环状链路，不同所述网状-环形子网通过桥间装置相互连接；
拓扑控制方法包括以下步骤：
从所述主装置中选择协调器；
通过所述协调器计算微微网的数量；
建立多网状-环形散射网；
执行混合路由策略，所述混合路由策略包括主动路由和自我路由，其中，所述主动路由用于各所述网状-环形子网内部数据传输，所述自我路由用于不同网状-环形子网之间的数据传输。
进一步的，所述网状-环形子网包括四个主装置、四个内部网桥，其中，四个所述主装置通过所述四个内部网桥连接成环状链路，并且每个主装置分别通过桥间装置与另一网状-环形子网的主装置连接。
进一步的，所述步骤从所述主装置中选择协调器包括：收集邻居集合和协调器选举；所述收集邻居集合中各主装置扫描其他装置的广播信息，并通过扫描到的广播信息收集邻居集合；所述协调器选举中，不同主装置比较其所收集的邻居集合中其他装置的数量，并将数量最大的主装置定为协调器；
所述通过所述协调器计算微微网的数量包括步骤：
根据节点数N确定网状-环形子网环数Nr，以及根据网状-环形子网环数Nr计算负载平稳微微网的数量M，其中，M＝4*Nr，并且将各节点划分为主装置、从属装置、内部网桥或桥间装置；
所述建立多网状-环形散射网包括步骤：网状-环形子网主装置与相对的从属装置以及内部网桥连接，不同网状-环形子网之间的主装置通过桥间装置连接，形成具有M个微微网的散射网。
进一步的，在通过所述协调器计算微微网的数量中，若节点被主装置通知为网桥，该节点等待其他主装置的连接，并且被通知为网桥的节点向所关联的主装置发送连接的响应消息。
进一步的，在通过所述协调器计算微微网的数量中，判断总的主数量K是否小于所需主装置M，若是，则协调器由从属装置中选择附加主装置。
进一步的，所述混合路由策略包括二进制寻址方案，所述二进制寻址方案包括散射网寻址和微微网寻址，其中散射网寻址包括不同网格环层地址和网状-环形子网中不同主装置寻址。
为解决上述技术问题，本发明还提供了另一技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如以上任一项技术方案所述的步骤。
区别于现有技术，上述技术方案在该方法中执行包括协调器选择，微微网数量计算(即由角色决策步骤计算)和散射网形成的三个阶段以生成多网状-环状(MMR)拓扑，并且还启动了混合路由策略，以执行网状-环形子网内的最短路径路由和通过不同网状-环形层的自我路由算法，从而实现网络内负载平衡，从而保证网络数据传输性能。
附图说明
图1为具体实施方式所述蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法流程图；
图2为具体实施方式所述多网状-环形拓扑图；
图3为具体实施方式所述二进制寻址中封包字段示意图；
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施例提供了一种基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，拓扑控制方法包括以下步骤：
S101、从所述主装置中选择协调器；
S102、通过所述协调器计算微微网的数量；
S103、建立多网状-环形散射网；
S104、执行混合路由策略，所述混合路由策略包括主动路由和自我路由，其中，所述主动路由用于各所述网状-环形子网内部数据传输，所述自我路由用于不同网状-环形子网之间的数据传输。
如图2所示，所述多网状-环形散射网包括两个以上的网状-环形子网，所述网状-环形子网包括多个主装置和内部网桥，所述多个主装置通过所述内部网桥连接成环状链路，不同所述网状-环形子网通过桥间装置相互连接。其中，M1-M4之间通过内部网桥B1连接形成一网状-环形子网，M5-M8之间通过内部网桥B1形成另一网状-环形子网，以此类推形成多个网状-环形子网，不同子网之间通过桥间装置B2连接形成散射网。在图2所示实施例中，所述网状-环形子网包括四个主装置、四个内部网桥。其中，四个所述主装置通过所述四个内部网桥连接成环状链路，并且每个主装置分别通过桥间装置与另一网状-环形子网的主装置连接。
本技术方案通过协调器选择、角色决策(即计算微微网数量)和散射网形成的三个阶段以生成多网状-环形(MMR)拓扑。首先，每个主装置(master)发现其相邻的从装置(slave)以确定领导者作为协调器。其次，协调器计算具有均匀链路连接性的所需数量的微微网(piconet)，并为每个主装置分配分散网连接信息，其中，每个微微网可由一个master和2-7个slaves所组成，微微网(Piconet)是指用蓝牙(Blue tooth)技术把小范围(10-100m)内装有蓝牙单元(即在支持蓝牙技术的各种电器设备中嵌入的蓝牙模块)的各种电器组成的微型网络，俗称微微网。最后，每个指定的主装置连接其相关节点，包括从装置、桥内装置和桥间装置，以创建最终的多网状-环形(MMR)散射网。并且本技术方案还启动了混合路由策略，以执行网状-环形子网内的最短路径路由和通过不同网状-环形层的自我路由算法，使多网状-环形(MMR)配置实现蓝牙负载平衡网络的高效拓扑结构和混合路由。
通过本技术方案实现的蓝牙网络可满足以下要求：
一：每个微微网可以通过网桥装置互连到所有其他微微网：早期阶段的完全连接的散射网产生与拓扑变化相反的高鲁棒性，利用网桥属性，路由策略很简单，因为每个微微网可以通过网桥装置接触其他微微网。
二：每个网桥装置限制最多可连接三个微微网：在时隙分割方案中，每个网桥节点可以通过连接不同的微微网，让微微网之间交替切换来发送信息封包。便携式设备具有有限的处理能力，并且最大程度的三个可以减轻网桥成为多微通信过载设备。同时，可以限制多个微微网的所需切换时间。
三：网状-环形子网结构由几个微微网组成，每个微微网将具有均衡个链路和节点，可以定义基本子网组件，便能在微微网、甚至散射网中建立均衡节点与均衡链路。通过均匀连接功能，可以在这种拓扑中实现负载平衡优势。
四：考虑到所有先前的规则，拓扑将实现优选微微网数量：该标准的动机旨在使每个微微网和网状-环形子网中的连通链路均匀。基于负载平衡设计，可以获得期望数量的微微网，转化为更容易控制的散射网拓扑。
在无线传感器网络(WSN)中，假设蓝牙装置(即节点)在给定区域中随机分布，由于蓝牙能量(BLE)的一些全功能设备(FFD)具有更好的处理能力，因此，在一实施例中，步骤S101中，可将低能量全功能设备(BLE FFD)默认角色是主装置，其他装置(即节点)为从装置。在协调器(即领导者)选择步骤中，包括邻居集合和协调员选举程序，通过这两个程序可有效地发现邻居并确定为领导者。在邻居收集过程中，每个主装置保持扫描模式，所有其他从装置进入广告模式。在此期间，每个主装置作为扫描运行，以在扫描来自相邻节点的广告消息时收集其相邻信息。在与主装置交换信息后，从装置进入连接模式并等待进一步的指令。在每种情况下，主装置在从每个从装置获得广告消息时更新其邻居列表。重复该过程，直到达到邻居收集时间并且所有主装置收集邻居的基本信息。
在下一阶段(即协调员选举程序)，利用概率值p来交替地切换到每个主装置的扫描或广告状态。在每轮操作中，如果p大于0.5，则主装置进入扫描状态，否则主装置切换到广告状态。最初，每个主装置在选举定时器启动后切换为扫描模式或广告模式。任何两位主装置发现彼此并连接一对一的竞争对手，通过比较他们收集的邻居数量，结果，拥有较大邻居的主装置赢得了比赛。如果邻居的数量相等，则获胜者是具有蓝牙ID较小的主装置。失败主装置将向获胜者提供具有所有收集的跳频序列(FHS)封包的邻居列表。跳频序列(FHS)封包包含所收集节点的标识和时钟消息，投票协调器可以使用跳频序列(FHS)与它们连接。以这种方式，失败主装置进入连接模式并等待具有其跳频序列(FHS)信息的最终协调器的进一步连接指令。然后，操作从领导者选举过程中删除失败者主装置，并为拓扑构建协议的下一阶段做好准备。在接收到跳频序列(FHS)封包时，获胜者主装置通过失败者主装置的邻居计数值增加其邻居计数，重复此领导者选举过程，直到最终确定一位协调员并且在此处终止该过程。
在协调器选择阶段之后，协调器已经学习了所有收集的相邻装置(即节点)的身份和时钟。给定网络的整体场景，协调器决定每个装置(即节点)将对结果散射网中的角色和连接执行。在步骤S102、通过所述协调器计算微微网的数量中，可以将每个节点的跳频序列(FHS)和特定形成标准传达给协调器。除了每个微微网和网状-环形子网中的连通性之外，这些标准还可用于推导满足特定目标的拓扑。
此时考虑具体的形成满足一到四的网状-环形连接。在一实施例中，设计原则是以网状-环形为单位，给定任意N个节点数，找出最大的网状-环形层的层数(即图2中具有多少个环形)，此整数数量代表的是最多可形成的网状-环形层Nr。如果N小于8，则形成一般传统微微网，如果N大于或等于8，就可形成期望的网状-环形层个数，这样的设计是允许未来有更多节点可以加入现有网络，形成大型的感测网络。负载平衡微微网的数量由M＝4×Nr给出，其中M是微微网的数量，Nr是环的数量，取最小的整数值，N是等式(1)中的总节点数。
如果一开始总主装置数量K小于所需要工作的主装置M，则协调器可以由从属装置中选择附加主装置。当K大于M时，可以将其他K-M主装置分配到桥内或桥间装置。结果，协调器将其自身和M-1个节点确定为指定的主装置(即主节点)，将M个节点确定为桥内，将M-4个节点确定为桥间装置，其他N-3M+4个节点确定为从属节点，并且均匀地分布在不同的微微网中，以使微微网和网状-环形子网具有近似的从属连接数目，它们在协调器和其他主装置之间平均分配。在以后拓扑维护阶段中，微微网和网状-环形子网的均匀链路连接的标准可以在节点加入或离开多网状-环状(MMR)分散网时执行。
在角色决策步骤(即计算微微网数量)之后，协调器为自己和所有其他主装置构建连接列表集[intra_bridge_table(i)，inter_bridge_table(i)，slave_table(i)]。在角色决策步骤期间，每个主装置接收连接列表集信息，包括用于微微网链路的slave_table(i)，用于微微网内链路的intra_bridge_table(i)，用于微微网间链路的inter_bridge_table(i)。
在步骤S103、建立多网状-环形散射网中，每个主装置连接到连接列表集信息中提供的相应从装置和网桥。一旦节点被其主装置通知它是网桥，它就等待由第二或第三主装置连接。发生这种情况时，网桥装置(即网桥节点)会向其关联的主装置发送连接的响应消息。当从装置从其主装置接收到连接通知时，它还向其关联的主装置发送链路连接的响应消息。当每个主装置从其所有指定的桥和从装置接收链路连接的响应消息时，保证建立M个微微网的完全连接的散射网，并终止多网状-环状(MMR)拓扑结构。
在步骤S104、执行混合路由策略中，为了在配置良好的多网状-环状(MMR)分散网络中有效地传递封包，联合提出了混合路由协议，其包含每个网状-环形子网的主动路由方案和全局分散网络的自我路由方案。与其他传统路由协议相比，混合路由算法可以实现每个网状-环形子网中最短路径的优点和散射网络由发现的最小开销。在设计混合路由协议之前，分析多网状-环状(MMR)架构如何在这种类型的网络中有效地传递路由封包。
多网状-环状(MMR)拓扑的主要组件包括多个网状-环形架构。对于本地网状-环形子网，每个装置(即节点)都可以沿环网子网传输数据包，也可以从网状网链路传递数据包，因为每个主装置都有网状-环形子网中的路由信息。从全局路由的角度来看，每个数据包都可以通过指定的网桥轻松转发到内部网状-环形或外部网状-环形子网。
基于多网状-环状(MMR)拓扑的特征，在一实施例中，开发了基于微微网的二进制寻址方案以实现混合路由协议。二进制寻址方案包括散射网和微微网寻址中的设计点。散射网寻址可以分为两部分。第一部分称为Ring-ID被定义为不同网格环层的地址，并且使用了四个比特。第二部分定义为Master-ID的网状-环形子网中不同主装置的寻址，并使用两个比特。称为Slave-ID的微微网地址使用三个比特来定义每个微微网中的桥和从装置。为了结合散射网和微微网寻址方案，可以通过混合路由方案发现网络中的任何装置(即节点)，本地主动路由和全局自我路由。二进制寻址方案启动Ring-ID从0000到1111，Master-ID从00到11，Slave-ID从000到111，图3显示了二进制寻址方案的封包字段。
通常，多网状-环状(MMR)分散网的封包路由可以分为两大类：网内环路由和网环间路由。在第一类网内环路由中，封包字段头中的Ring-ID的地址是相同的，源节点和目标节点位于同一网状-环形子网中。根据目的地的Master-ID，每个主装置通过所连接的桥内的环形或网状链路将数据包传送到目的主装置，并根据Slave-ID转发到目的地。由于每个主装置只需要维护每个网状-环形子网的本地路由表，因此可以简单地实现主动路由方案。
在第二类网环间路由协议，首先将封包转发到源节点的主装置。然后，源主装置检查Ring-ID并将数据包传送到目标主装置的相应网状-环形层。在将封包传送到目的地的环形层之后，如果接收主机具有与目的地不同的Master-ID，则跟第一类网内环路由中做法相同，将封包将经由相应的桥内转发到目的地主装置。最后，目标主装置将数据包发送到本地目标从装置。因此，可以通过所提出的二进制寻址技术来实现多网状-环形的混合路由协议。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，其特征在于，所述多网状-环形散射网包括两个以上的网状-环形子网，所述网状-环形子网包括多个主装置和内部网桥，所述多个主装置通过所述内部网桥连接成环状链路，不同所述网状-环形子网通过桥间装置相互连接；
所述基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法包括以下步骤：
从所述主装置中选择协调器；
通过所述协调器计算微微网的数量；
建立多网状-环形散射网；
执行混合路由策略，所述混合路由策略包括主动路由和自我路由，其中，所述主动路由用于各所述网状-环形子网内部数据传输，所述自我路由用于不同网状-环形子网之间的数据传输。
2.根据权利要求1所述的基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，其特征在于，所述网状-环形子网包括四个主装置、四个内部网桥，其中，四个所述主装置通过所述四个内部网桥连接成环状链路，并且每个主装置分别通过桥间装置与另一网状-环形子网的主装置连接。
3.根据权利要求1所述的基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，其特征在于，所述步骤从所述主装置中选择协调器包括：收集邻居集合和协调器选举；所述收集邻居集合中各主装置扫描其他装置的广播信息，并通过扫描到的广播信息收集邻居集合；所述协调器选举中，不同主装置比较其所收集的邻居集合中其他装置的数量，并将数量最大的主装置定为协调器；
所述通过所述协调器计算微微网的数量包括步骤：
根据节点数N确定网状-环形子网环数Nr，以及根据网状-环形子网环数Nr计算负载平稳微微网的数量M，其中，M＝4*Nr，并且将各节点划分为主装置、从属装置、内部网桥或桥间装置；
所述建立多网状-环形散射网包括步骤：网状-环形子网主装置与相对的从属装置以及内部网桥连接，不同网状-环形子网之间的主装置通过桥间装置连接，形成具有M个微微网的散射网。
4.根据权利要求3所述的基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，其特征在于，在通过所述协调器计算微微网的数量中，若节点被主装置通知为网桥，该节点等待其他主装置的连接，并且被通知为网桥的节点向所关联的主装置发送连接的响应消息。
5.根据权利要求3所述的基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，其特征在于，在通过所述协调器计算微微网的数量中，判断总的主数量K是否小于所需主装置M，若是，则协调器由从属装置中选择附加主装置。
6.根据权利要求1所述的基于蓝牙网络的多网状-环形拓扑控制方法，其特征在于，所述混合路由策略包括二进制寻址方案，所述二进制寻址方案包括散射网寻址和微微网寻址，其中散射网寻址包括不同网格环层地址和网状-环形子网中不同主装置寻址。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的步骤。
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