CN110431877B

CN110431877B - 供在包括蓝牙le链路的网络中使用的主节点和包括该主节点的网络

Info

Publication number: CN110431877B
Application number: CN201880018531.XA
Authority: CN
Inventors: S·马里克; P·克龙贝
Original assignee: Televic Healthcare NV
Current assignee: Televic Healthcare NV
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: CN110431877A; WO2018167144A1; EP3596967B1; EP3376793A1; EP3596967A1

Abstract

本发明涉及一种供在包括蓝牙LE链路的网络中使用的主节点，所述主节点被适配成经由所述蓝牙LE链路接收包括最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度的带宽预留请求消息；以及根据在所述相应带宽预留请求消息中通告的所述最小期望传输窗口长度和所述最大期望传输窗口长度来为所述蓝牙LE链路上的相应发射机调度传输窗口，所述调度被执行以便最小化所述传输窗口的所指派值之间的交叠。本发明还涉及一种网络和一种电子设备。

Description

供在包括蓝牙LE链路的网络中使用的主节点和包括该主节点的网络

发明领域

本发明涉及无线通信领域，并且尤其涉及由诸如无线传感器之类的简单低能量发射机使用的蓝牙LE链路中的话务区分问题。

背景技术

以德州仪器公司的名义的公开号为2013/0034005 A1的标题为“Enhanced QoSSupport Using Bluetooth Low Energy(使用蓝牙低能量的增强型QoS支持)”的美国专利申请公开了使用对现有蓝牙低能量(BLE)协议的适应来支持严格的服务质量(QoS)要求的一些实施例。在使用增强型BLE协议的系统中，主设备以选定的连接间隔或轮询间隔发送轮询帧。可以基于所需QoS参数(诸如延迟、目标分组错误率(PER)、帧错误率(FER)和/或抖动)来计算连接间隔和/或轮询间隔的历时。如果在传送预定数目(m)的连贯轮询帧之后没有接收到来自从设备的帧，则主设备可以认为连接间隔丢失。值m可以被设置得相对较高，以在系统中提供更多的稳健性。然而，轮询间隔也可能需要被调整以满足QoS要求。从设备可能被要求响应于每第m个接收到的轮询来传送可能携带或可能不携带数据的分组。所引用的专利申请公开没有在冲突的带宽诉求下优化介质的利用。

蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)的蓝牙核心规范5.0版，卷3，部分A(2016年12月6日)在第5节“配置参数选项”(第1778-1798页)中描述了可用于配置链路的参数选项。“重传和流控制”选项(第5.4节)规定是否使用重传和流控制。模式参数控制传入和传出数据流两者，并且是可协商的。其他参数，包括TxWindow size(用于流控制模式、重传模式和增强型重传模式)和Max Transmit(用于重传模式和增强型重传模式)，控制传入数据流并且是不可协商的。该规范指示应使得TxWindow size参数尽可能得大，以最大化信道利用率。该规范的缺点在于，其不提供可被用来允许主节点在存在并发带宽预留请求的情况下优化信道利用率的任何参数。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种主节点，其被适配成：

-建立与设备的蓝牙LE链路；

-经由蓝牙LE链路接收带宽预留请求消息，该消息包括最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度；以及

-根据在相应带宽预留请求消息中通告的最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度来调度针对相应发射机的传输窗口，尤其是针对与设备的链路的传输窗口，其中该调度被适配成根据所指派的值来最小化传输窗口的交叠。

本发明的一个优点在于，其允许包括一个或多个蓝牙LE链路的混合网络被用于QoS敏感的应用。本发明尤其基于发明人的以下见解：通过允许节点通告所需的最小和最大窗口长度两者，可以以最大限度地遵从端节点的带宽请求的方式执行对蓝牙LE链路的调度，同时通过执行该调度以便最小化所述传输窗口的所指派值之间的交叠来优化介质的利用率。

在根据本发明的主节点的一实施例中，如果不可能在不交叠针对不同发射机的已经调度了的最小传输窗口的情况下指派对应的最小期望传输窗口长度的传输窗口，则调度包括丢弃发射机。

该实施例的优点在于，如果后者的最小要求与其他窗口分配不兼容，则主节点通过拒绝调度附加发射机(或丢弃经调度的发射机)来确保以非交叠方式严格遵守所请求的最小窗口长度。

在一特定实施例中，主节点被进一步适配成将所述丢弃应用于基于带宽预留请求消息中包括的优先级参数而选择的发射机。

该实施例的优点在于，所请求的链路不会以先来先服务为(first-come-first-served)基础而被不加区分地丢弃，而是基于由如带宽预留请求消息中所包括的优先级参数所表示的所关心的服务的重要性。以这种方式，可以确保为任务关键型服务充分分配带宽，而剩余的可用带宽则可以被不太关键的服务用完。

在一实施例中，根据本发明的主节点被进一步适配成基于带宽预留请求消息中或要被传送的数据分组中所包括的QoS参数来对具有交叠的传输窗口的发射机进行优先级排序。

该实施例的优点在于，用于传输的数据分组不会被无差别地丢弃，而是基于如包含带宽预留请求消息中或要传送的数据分组中所包括的QoS参数所表示的所关心的服务的重要性。以这种方式，可以确保任务关键型服务的正常操作，而剩余的可用带宽则可以被不太关键的服务用完。

在一特定实施例中，主节点被进一步适配成周期性地强制对用于在一组具有交叠的传输窗口的发射机中具有最低优先级的发射机的传输的调度。

该实施例的优点在于，其避免了特定QoS等级的匮乏，这可能导致依赖于数据或控制分组的定期交换的协议中的不期望的连接丢失。

在一实施例中，根据本发明的主节点被进一步适配成充当用于在至少一个无线LAN链路与蓝牙LE链路之间桥接数据的网关节点，该网关节点被配置成：

-检测如在蓝牙LE链路上接收到的第一数据分组中所包括的第一优先级值；

-根据第一转换表将第一优先级值转换为第二优先级值；以及

-在根据第二优先级值且包含第二优先级值的情况下，在至少一个无线LAN链路上传送数据分组。

该实施例的优点在于，其允许在蓝牙LE链路与无线LAN链路之间的QoS感知桥接，从而当相关话务被桥接到无线LAN链路时，在蓝牙LE链路上操作的服务的所需QoS等级被遵守。为此，有必要将如在蓝牙LE链路上使用的优先级值转换为可在无线LAN链路上使用的优先级值(诸如，如在根据IEEE标准802.11的WLAN中使用的IEEE标准802.1p的经标准化的优先级位)。

在一实施例中，第一优先级值被包括在所述分组中作为接入地址字段的特定值，作为LLID字段的特定值，或者作为有效载荷字段的预定部分的特定值。

该实施例的优点在于，优先级值可由主节点以简单且可靠的方式来检测，这可以在不失去与现有蓝牙LE基础设施的后向兼容性的情况下实现。

在一实施例中，根据本发明的主节点被进一步适配成充当用于在所述蓝牙LE链路与至少一个无线LAN链路之间桥接数据的网关节点，所述网关节点被配置成：

-检测如在所述无线LAN链路上接收到的第二数据分组中所包括的第三优先级值；

-根据第二转换表将所述第三优先级值转换为第四优先级值；以及

-在根据所述第四优先级值且包含所述第四优先级值的情况下，在所述蓝牙LE链路上传送所述第二数据分组。

该实施例的优点在于，其允许在无线LAN链路与蓝牙LE链路之间的QoS感知桥接，从而当相关话务被桥接到蓝牙LE链路时，在无线LAN链路上操作的服务的所需QoS等级被遵守。为此，有必要将如在无线LAN链路上使用的优先级值(诸如，如在根据IEEE标准802.11的WLAN中使用的IEEE标准802.1p的经标准化的优先级位)转换为可在蓝牙LE链路上使用的优先级值。被用于此目的的“第二”转换表可以对应于上面介绍的如在反方向上使用的“第一”转换表。

在特定实施例中，第四优先级值被包括在所述第二数据分组中，作为有效载荷字段的预定部分的特定值。

根据本发明的一方面，提供了一种网络，其包括如上面描述的主节点、至少一个蓝牙LE发射机，以及至少一个无线LAN收发机，所述主节点被布置成充当在所述至少一个蓝牙LE发射机与所述至少一个无线LAN收发机之间的网关节点。

根据本发明的一方面，提供了一种电子设备，其包括供在如上面描述的网络中使用的蓝牙LE发射机，所述蓝牙LE发射机被适配成传送包括所述最小期望传输窗口长度和所述最大期望传输窗口长度的带宽预留请求消息。

根据本发明的网络和电子设备的实施例的技术效果和优点对应于根据本发明的主节点的对应实施例的那些技术效果和优点(仅需加以必要的修改)。

附图简述

现在将参考附图描述本发明的各实施例的这个以及其他技术特征和优点，其中：

–图1解说了根据本发明的网络的一实施例；

–图2示意性地解说了重置如在根据本发明的主节点的实施例中使用的supervisionTimeout(监督超时)参数的概念，以及

–图3示意性地解说了在蓝牙LE分组中包括优先级排序信息的方式。

实施例的详细描述

在可穿戴设备、环境传感器和关键网络基础设施内的其他设备之间的端到端连通性可以由多个互连的网络组成。这意味着去往或来自这些设备的数据和命令可以通过具有不同拓扑的网络(例如，星形和网状拓扑)以及使用具有在等待时间、可靠性和可用带宽方面的差异的不同技术(例如，有线LAN(例如，根据IEEE标准802.3，也被称为以太网)、无线LAN(例如根据IEEE标准802.11，也被称为Wi-Fi)、无线PAN(例如根据蓝牙低能量标准)等)进行传输。

在许多应用的上下文中，某些类型的话务是任务关键型的，并且具有严格的等待时间要求。例如，在医疗保健设置中，诸如护士呼叫系统上的警报和语音传输之类的消息具有严格的等待时间要求，并且与如报告和设备状态之类的其他话务相比应当以更高的优先级来对待。类似地，其他使用情形(如流送传感器测量)需要专用带宽，该专用带宽应受到其他应用的保护，尤其是在如蓝牙低能量等低带宽技术上。将医疗保健话务划分成不同类别并通过这些网络和技术实现差异化服务以满足所规定的QoS要求的方案可以允许更高效地管理整个网络。

尽管下文将主要参考它们在医疗保健基础设施中的使用来描述本发明的实施例，但是本发明不限于此，而是可以被有利地部署在任何QoS敏感或任务关键型应用的上下文中。

图1示出了用于医疗保健和患者监测的网络的端到端架构。在该附图中，信标(BN)配备有蓝牙低能量，并且接入点(AP)配备有蓝牙低能量和Wi-Fi无线电。数据和命令话务通过异构网络来被路由。

在针对蓝牙LE的现有链路层协议中，不存在用于允许较低优先级话务让渡于较高优先级话务的机制。本发明的实施例基于发明人的以下见解：为了添加这样的机制，必须做出规定以避免在较高优先级话务的长流(例如，语音通信)的情形中的不期望的副作用，亦即转发较低优先级话务的设备将失去连接。

根据本发明，提供了一种供在包括蓝牙LE链路的网络中使用的主节点，该主节点被适配成：

-经由蓝牙LE链路接收带宽预留请求消息，该带宽预留请求消息包括最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度；以及

-根据在相应带宽预留请求消息中通告的最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度来为蓝牙LE链路上的相应发射机调度传输窗口，该调度被执行以便最小化传输窗口的所指派值之间的交叠。

相应地，中央设备或“主节点”调度连接事件(CE)来同与其连接的外围设备(如传感器等)交换数据和命令。这些CE以被称为连接间隔(CI)的定期间隔来被调度。由主节点调度的连接事件的历时以Min CE和Max CE为边界，其中Max CE≥Min CE。由于主节点可能必须同时调度许个连接，因此CE通常是被紧密地调度的，这在正常操作下不是问题。然而，一些连接可能在某个历时内需要更高的带宽，例如蓝牙LE上的语音通信，从而导致CE与具有较低优先级连接的CE交叠。

尽管发射机必须被适配成传送带宽预留请求消息，该带宽预留请求消息尤其包括最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度，但是带宽的实际供应和服务质量策略的实施是在主节点处被执行的，该主节点调度网络的蓝牙LE链路上的传输窗口。在所指派的传输窗口的交叠部分内，使某些服务类型优先于其他服务类型可被用来避免冲突以及所导致的分组丢弃。通过将最小期望传输窗口长度(该最小期望传输窗口长度优选地是无争用的且因而非交叠的(例如对应于应用正常运行所需的最小带宽))以及可能被交叠的最大期望传输窗口长度纳入考虑，主节点可以以更优化的方式来分派可用的传输时间。

当然，不存在由主节点可以在可用飞行时间(airtime)中容适蓝牙LE链路上的发射机的所有最小请求的先验保证。因此，可能存在其中一些发射机不能被分配其最小期望传输窗口的境况，在这种情形中，主节点将不为这些发射机调度传输窗口；在下文中，将可以说这些发射机被主节点“丢弃”或“放弃”。

如果不可能在不交叠用于不同发射机的已经调度了的最小传输窗口的情况下指派对应的最小期望传输窗口长度的传输窗口，则由主节点执行的调度可以包括丢弃发射机。丢弃可以被应用于基于带宽预留请求消息中所包括的优先级参数而选择的发射机，如下面将更详细描述的。

主节点可以被适配成基于带宽预留请求消息中或要被传送的数据分组中所包括的QoS参数来对具有交叠的传输窗口的发射机进行优先级排序。在该情形中，主节点可以被进一步适配成周期性地强制对用于在一组具有交叠的传输窗口的发射机中具有最低优先级的发射机的传输的调度。例如，可以使用这种机制以使得即使是低优先级发射机也被指派足够量的传输机会以发送相关链路层协议或应用协议中可能需要的消息，以便不失去与对等方的“连通”状态。

现在将描述处置较低优先级传输的特别有利的方式。根据蓝牙规范，如果在SupervisionTimeout内主节点和的外围设备之间不存在有效通信，则连接被丢失。这意味着从最后一次有效通信开始，主节点应以等于supervisionTimeout的超时间隔来启动定时器，并且当可能具有有效通信时，应在可能的

个间隔中调度至少一个连接间隔(需要注意，如果slavelatency≥1，则外围设备在其可以响应之前跳过此数目的连接间隔)。主节点可以使用密度函数来随机地决定这些事件中的哪一些，当外围设备可以响应时，其应该调度较低优先级连接的连接间隔。在给定来自1...x的间隔未被调度或通信是无效的情况下，调度连接间隔x的密度函数是：

其中x＝1，...，N且

一旦有效通信发生，具有历时SupervisionTimeout的计时器就被重置。这个概念也如图2中所示。

在蓝牙LE规范中，在连接被建立之后，本发明的实施例定义了专用机制以允许外围设备将其期望的Min CE和Max CE间隔传输到主节点。这可以通过定义专用LL_ControlPDU来达成。主节点以可以使用约束编程来实现的算法来使用来自所有其外围设备的这些专有消息中所包含的信息。这是为了导出CI的调度，其最小化被并发地调度的连接事件的窗口的交叠。

在蓝牙LE规范中，分组被一次又一次地传送，直到它们被成功地传送。这在如语音通信等实时应用的情形中是无用的。在本发明的各实施例中，动态重试次数被引入以将所讨论的应用的可靠性要求纳入考虑。

本发明的各实施例进一步基于发明人的以下见解：在关键设置(诸如医疗保健)中，基于包括蓝牙LE在内的不同技术的网络的各部分之间的无缝QoS体验需要话务类别的映射。然而，蓝牙LE本身并不提供信令话务类的方式。本发明的各实施例定义蓝牙LE接入类别并且将WLAN网络中所使用的用户优先级等级(诸如IEEE802.1p优先级位)映射到这些接入类别，且反之亦然。本发明的各实施例进一步提供蓝牙LE数据分组中的扩展报头，以携带这些接入类别。

使用个人互联健康联盟(Personal Connected Health Alliance)的康体佳设计指南(Continua Design Guidelines)(可从http://www.pchalliance.org/continua-design-guidelines获得)，可以在医疗保健网络中定义以下示例性话务类别：

对于网络层处的QoS和话务区分，可以使用RFC 2474和RFC 2475中定义的IP差异化服务(DiffServ)架构，其定义IP报头中的区分服务代码点(DSCP)字段。DiffServ允许话务由中间系统(例如IP路由器)以基于服务类型的相对优先级来处理。在本发明的各实施例中，IP DSCP等级可以与蓝牙LE链路上所提供的话务类别相链接，以便重用已经就位并由IP路由器实现的IP级差异化架构。

对于逻辑链路控制层的QoS和话务区分，尤其是Wi-Fi MAC和蓝牙低能量链路层，问题在于如何跨不同的PHY传递优先级参数。根据本发明的各实施例，IEEE标准802.1D用户优先级等级与定义层2处的优先级排序的接入类别相链接。

相应地，根据本发明的主节点可以被适配成充当用于在至少一个无线LAN链路和蓝牙LE链路之间桥接数据的网关节点，该网关节点被配置成：

-根据第一转换表将第一优先级值转换为第二优先级值；以及

-在根据第二优先级值且包含第二优先级值的情况下，在至少一个无线LAN链路上传送第一数据分组。

下面示出了用于各种网络技术的服务质量等级的转换表，包括本发明所提供的蓝牙LE接入类别。根据本发明的一实施例的主节点的“第一转换表”可以包括所解说的表的相关行和列。

主节点可以被进一步适配成充当用于在蓝牙LE链路和至少一个无线LAN链路之间桥接数据的网关节点，该网关节点被配置成：

-检测如在无线LAN链路上接收到的第二数据分组中所包括的第三优先级值；

-根据第二转换表将第三优先级值转换为第四优先级值；以及

-在根据第四优先级值且包含第四优先级值的情况下，在蓝牙LE链路上传送第二数据分组。

第二转换表可以对应于第一转换表(仅需加以必要的修改)。

图3解说了我们通过蓝牙LE实现用户优先级和接入类别(即上面提到的“第一优先级值”和“第四优先级值”)的传输所需要的专用更改。优先级值可以被包括在蓝牙LE链路上的数据分组中作为接入地址字段的特定值、作为LLID字段的特定值，或者作为有效载荷字段的预定部分的特定值。

接入地址字段和LLID字段可被用来将分组指定为“网络管理”话务，其被以最高优先级来对待。利用不同的LLID来传送数据分组，该不同的LLID由蓝牙LE规范来指定。为了在此类数据分组中提供QoS区分，可以在分组的被现有蓝牙LE基础设施视为有效载荷的一部分中引入另外的QoS字段，并且主节点可以被配置成当从能够包括数据分组的节点接收到它们时读取该字段的值。可以通过使用专用LLID值在分组报头中用信号通知该附加字段的存在。

如上文所描述的与主节点有关的功能可以在专用硬件(例如，ASIC)、可配置硬件(例如，FPGA)、可编程组件(例如，带适当软件的DSP或通用处理器)或其任何组合中实现。相同组件还可包括其他功能。本发明还涉及任选地存储在计算机可读介质上的计算机程序，其包括被适配成致使具有适当网络接口的系统中的处理器执行如上面描述的主节点的功能的代码装置。

本发明还涉及一种网络，其包括如上面描述的主节点、至少一个蓝牙LE发射机，以及至少一个无线LAN收发机，主节点被布置成充当在至少一个蓝牙LE发射机和至少一个无线LAN收发机之间的网关节点。

本发明还涉及一种包括供在网络中使用的蓝牙LE发射机的电子设备，该蓝牙LE发射机被适配成传送包括最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度的带宽预留请求消息。

虽然已经参考特定实施例在上文中描述了本发明，但这么做是为了说明而非限制本发明，本发明的范围将通过参考所附权利要求来确定。

Claims

1.一种供在包括蓝牙LE链路的网络中使用的主节点，所述主节点被适配成：

-建立与设备的蓝牙LE链路；

-经由所述蓝牙LE链路接收带宽预留请求消息，所述带宽预留请求消息包括最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度；以及

-根据在相应的带宽预留请求消息中通告的所述最小期望传输窗口长度和所述最大期望传输窗口长度来调度针对相应发射机的传输窗口，其中所述调度被适配成根据所指派值来最小化所述传输窗口的交叠。

2.根据权利要求1所述的主节点，其特征在于，如果不可能在不交叠针对不同发射机的早已经调度了的最小传输窗口的情况下指派对应的最小期望传输窗口长度的传输窗口，则所述调度包括丢弃发射机。

3.根据权利要求2所述的主节点，其特征在于，所述主节点被进一步适配成将所述丢弃应用于基于所述带宽预留请求消息中包括的优先级参数而被选择的发射机。

4.根据前述权利要求中任一项所述的主节点，其特征在于，所述主节点被进一步适配成基于所述带宽预留请求消息中或要传送的数据分组中所包括的QoS参数来对具有交叠的传输窗口的发射机进行优先级排序。

5.根据权利要求4所述的主节点，其特征在于，所述主节点被进一步适配成周期性地强制对针对在一组具有交叠的传输窗口的发射机中具有最低优先级的发射机的传输的调度。

6.根据权利要求1所述的主节点，其特征在于，所述主节点被进一步适配成充当用于在至少一个无线LAN链路与所述蓝牙LE链路之间桥接数据的网关节点，所述网关节点被配置成：

-检测如在所述蓝牙LE链路上接收到的第一数据分组中所包括的第一优先级值；

-根据第一转换表将所述第一优先级值转换为第二优先级值；以及

-在根据所述第二优先级值且包含所述第二优先级值的情况下，在所述至少一个无线LAN链路上传送所述第一数据分组。

7.根据权利要求6所述的主节点，其特征在于，所述第一优先级值被包括在所述分组中作为接入地址字段的特定值，作为LLID字段的特定值，或者作为有效载荷字段的预定部分的特定值。

8.根据权利要求1所述的主节点，其特征在于，所述主节点被进一步适配成充当用于在所述蓝牙LE链路与至少一个无线LAN链路之间桥接数据的网关节点，所述网关节点被配置成：

9.根据权利要求8所述的主节点，其特征在于，所述第四优先级值被包括在所述第二数据分组中作为有效载荷字段的预定部分的特定值。

10.一种包括如权利要求6-9中任一项所述的主节点、至少一个蓝牙LE发射机，以及至少一个无线LAN收发机的网络系统，所述主节点被布置成充当在所述至少一个蓝牙LE发射机与所述至少一个无线LAN收发机之间的网关节点。

11.一种蓝牙LE发射机，所述蓝牙LE发射机被适配成传送包括最小期望传输窗口长度和最大期望传输窗口长度的带宽预留请求消息，以及根据所述请求的最小期望传输窗口长度和所述最大期望传输窗口长度来接收调度传输窗口，其中所述调度被适配成根据所指派值来最小化所述传输窗口的交叠。