CN113784422A - 具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统及其联机方法 - Google Patents

具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统及其联机方法 Download PDF

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Abstract

提供一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统及其联机方法。具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统，包含：低功耗节点及好友节点。好友节点使一部分低功耗节点运行于第一联机模式，以与好友节点间基于联机协议建立一对一联机；使其他低功耗节点运行于第二联机模式，以与好友节点间基于广播协议建立多对一联机；为低功耗节点分别设置模式运行时间阈值并分别统计模式连接时间。当低功耗节点持续运行于第一联机模式及第二联机模式中的一者的模式连接时间达到对应的模式运行时间阈值时，切换以运行于第一联机模式及第二联机模式中的另一者。

Description

具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统及其联机方法
技术领域
本发明是关于网络通信技术，尤其是关于一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统及其联机方法。
背景技术
近几年随着物联网蓬勃发展，智慧家庭、智慧建筑以及智慧工厂等应用需求暴增，而蓝牙这种低功耗的技术，更是众所瞩目的焦点。蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)期许能通过蓝牙网状(mesh)网络技术实现多对多的通信功能，提供更远的传输距离，为物联网市场带来强而有力的加值作用。
在蓝牙网状网络中，低功耗节点由于通常不具备稳定的电源，必须长时间维持低功率的电源消耗。如果没有妥善的功率管理机制，在某些使用情境下可能造成不同的低功耗节点间的功率消耗不平均，使得部分低功耗节点的待机寿命因而缩短。
发明内容
鉴于先前技术的问题，本发明的目的在于提供一种具有功率管理机制的蓝牙网状(mesh)网络系统及其联机方法，以改善先前技术。
本发明的目的在于提供一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统及其联机方法，对低功耗节点的联机模式进行调度，使不同低功耗节点间的平均功率一致。
本发明包含一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统，其实施例包含：多个低功耗节点(low power node；LPN)以及好友节点(friend node)。好友节点被配置为：使一部分低功耗节点运行于第一联机模式，以与好友节点间基于联机协议建立一对一联机；使其他低功耗节点运行于第二联机模式，以与好友节点间基于广播协议建立多对一联机；以及为低功耗节点分别设置模式运行时间阈值并分别统计模式连接时间；其中当低功耗节点持续在运行于第一联机模式及第二联机模式中的一者的模式连接时间达到对应的模式运行时间阈值时，切换以运行于第一联机模式及第二联机模式中的另一者。
本发明还包含一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统联机方法，应用于蓝牙网状网络系统中，其实施例包含下列步骤：由好友节点使多个低功耗节点中的一部分低功耗节点运行于第一联机模式，以与好友节点间基于联机协议建立一对一联机；由好友节点使其他低功耗节点运行于第二联机模式，以与好友节点间基于广播协议建立多对一联机；由好友节点对低功耗节点分别设置模式运行时间阈值并分别统计模式连接时间；以及当低功耗节点持续运行于第一联机模式及第二联机模式中的一者的模式连接时间达到对应的模式运行时间阈值时，切换以运行于第一联机模式及第二联机模式中的另一者。
有关本发明的特征、实作与功效，配合图式作较佳实施例详细说明如下。
附图说明
图1显示在本发明的实施例中，一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统的示意图；
图2显示在本发明的实施例中，蓝牙网状网络系统在不同运行方式下，低功耗节点的平均功耗示意图；以及
图3显示在本发明的实施例中，一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统联机方法的流程图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统及其联机方法，对低功耗节点的联机模式进行调度，使不同低功耗节点间的平均功率一致。
请参照图1。图1为在本发明的实施例中，一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统100的示意图。蓝牙网状网络系统100包含：好友节点110以及低功耗节点120A～120G。其中，好友节点110以及低功耗节点120A～120G可通过蓝牙网状网络规范彼此进行通信。
在实施例中，好友节点110是由稳定的电源供电，因此能够保持唤醒状态。相对的，低功耗节点120A～120G是由相对不稳定的电源，例如但不限于电池进行供电，因此需要长时间维持在休眠状态，并在需要时切换至时间长度相当短的唤醒状态再恢复至休眠状态，以维持低功率的消耗。在实施例中，低功耗节点120A～120G可以按预先排定的时间间隔周期性地自休眠状态切换至唤醒状态。
在实施例中，好友节点110与各低功耗节点120A～120G之间，可经由不同的联机模式进行联机。举例而言，好友节点110与各低功耗节点120A～120G之间，可以选择性地经由第一联机模式进行一对一联机，或是经由第二联机模式进行多对一联机。
以第一联机模式而言，好友节点110与各低功耗节点120A～120C之间可通过例如，但不限于通用属性承载层(generic attribute protocol bearer；GATT bearer)，基于特定的联机协议建立一对一联机(以实线绘示)。在实施例中，此联机协议可为例如，但不限于网络代理(proxy)协议。
好友节点110被配置为在上述的联机协议下运行为联机服务器端(server)，并进行周期性的联机服务器广播(未绘示)。低功耗节点120A～120C被配置为在上述的联机协议下分别运行为联机客户端(client)，被配置为在接收到并识别联机服务器广播时，与好友节点110基于联机协议建立联机。
在实施例中，好友节点110可支持中继(relay)节点功能。因此，好友节点110可滤除与低功耗节点120A～120C无关的无效封包，并储存与低功耗节点120A～120C有关的至少一个有效封包，并在低功耗节点120A～120C自休眠状态切换至唤醒状态时，向低功耗节点120A～120C传送有效封包。
以第二联机模式而言，好友节点110与各低功耗节点120D～120G间可通过例如，但不限于广播承载层(advertising bearer)，基于广播协议以广播和扫描的方式建立多对一联机(以虚线绘示)。
在这样的通信方式下，低功耗节点120D～120G在唤醒状态下会通过扫描而接收到所有与自己相关及无关的封包。亦即，好友节点110不会对低功耗节点120D～120G进行封包过滤，而使低功耗节点120D～120G不仅接收到与自己相关的有效封包，也会接收到与自己无关的无效封包。
在第一联机模式下，由于好友节点110花较多的资源进行封包处理，因此低功耗节点120A～120C可消耗较低的功率。而在第二联机模式下，好友节点110不进行封包处理，因此低功耗节点120D～120G将消耗较高的功率。
在实施例中，低功耗节点120A～120G在初始化阶段中，运行于第一联机模式。然而，好友节点110在正常运行的状态下，由于资源有限，无法提供与所有的低功耗节点120A～120G进行一对一联机，因此具有最大支持一对一联机数。
更详细地说，同一时间被允许运行于第一联机模式的低功耗节点的数目，不超过好友节点110的最大支持一对一联机数。因此，在运行于第一联机模式的低功耗节点的数目超过最大支持一对一联机数时，好友节点110将使超过的低功耗节点运行于第二联机模式。
以上述实施例而言，好友节点110具有的最大支持一对一联机数为3，因此仅允许3个低功耗节点120A～120C运行于第一联机模式，进行一对一联机。而其他4个低功耗节点120D～120G则运行于第二联机模式，进行多对一联机。
好友节点110进一步为低功耗节点120A～120G分别设置模式运行时间阈值，并分别统计模式连接时间。
其中，各低功耗节点120A～120G持续运行于第一及第二联机模式中的一者的模式连接时间达到对应的模式运行时间阈值时，切换以运行于第一及第二联机模式的另一者。
更详细地说，低功耗节点120A～120C在运行于第一联机模式下的模式连接时间达到对应的模式运行时间阈值时，切换以运行于第二联机模式。而低功耗节点120D～120G在运行于第二联机模式下的模式连接时间达到对应的模式运行时间阈值时，切换以运行于第一联机模式。
在实施例中，好友节点110可在判断模式连接时间达到模式运行时间阈值后，再告知低功耗节点120A～120G进行联机模式的切换。在另一实施例中，好友节点110可决定并告知各低功耗节点120A～120G其对应的模式运行时间阈值，再由各低功耗节点120A～120G判断模式连接时间达到模式运行时间阈值后进行切换。
好友节点110可持续为低功耗节点120A～120G设置新的模式运行时间阈值，以使低功耗节点120A～120G在下次模式连接时间达到模式运行时间阈值时，再次切换联机模式。因此，低功耗节点120A～120G将持续交错地运行于第一联机模式以及第二联机模式，进而使低功耗节点120A～120G的平均功耗相同。
在实施例中，低功耗节点的数目超过最大支持一对一联机数，且运行于第一联机模式以及第二联机模式的低功耗节点的数目分别为K以及L。为了达到使低功耗节点的平均功耗相同的目的，好友节点110可经由模式运行时间阈值的设定，使各低功耗节点运行于第一联机模式以及第二联机模式的时间比为K:L。
在实施例中，运行于第一联机模式以及第二联机模式的低功耗节点的数目分别为K以及L。低功耗节点持续运行于第二联机模式的平均功耗为PA，低功耗节点持续运行于第一联机模式的平均功耗为(1/N)×PA。则各低功耗节点以上述的时间比，交错运行于第一及第二联机模式的平均功耗可以由下式表示：
PA×((K×(1/N)+L)/(K+L))
请参照图2。图2显示本发明的实施例中，蓝牙网状网络系统100在不同运行情形下，低功耗节点的平均功耗示意图。其中，横轴为低功耗节点的数目，纵轴为低功耗节点的平均功耗。其中，对纵轴的单位来说，一个单位表示一个低功耗节点连续运行于第二联机模式下的平均功耗。
在图2中，以较细实线绘制的线段L1以及L2，是部分低功耗节点持续运行在第二联机模式以及另一部分低功耗节点持续运行在第一联机模式，完全不进行切换的运行情形。
而以较粗实线绘制的线段L3，则是本发明中低功耗节点在第一及第二联机模式间持续切换的运行情形。其中，在低功耗节点数目不超过3时，将均以第一联机模式运行，直到低功耗节点数目超过3时，才使低功耗节点中超过3个的部分以第二联机模式运行。
因此，如图2所示，对应线段L1以及L2的运行情形，对应第二联机模式的低功耗节点将持续以较高平均功耗(1个单位)运行，而对应第一联机模式的低功耗节点则以相对较低平均功耗(例如0.2个单位)运行。不同低功耗节点间的平均功耗落差相当大，对于各低功耗节点的待机寿命有大幅度的影响。
而对应线段L3的运行情形，各低功耗节点将均以较低的平均功耗运行。以总数目为6个低功耗节点为例，所有的低功耗节点的平均功耗约在0.6个单位。因此，不同低功耗节点间的平均功耗相同，待机寿命也可平均地拉长。
在部分技术中，低功耗节点是自始至终均维持相同的联机模式。然而这样的方式，将使持续运行于第一联机模式的低功耗节点具有较小的功耗，并使持续运行于第二联机模式的低功耗节点具有较大的功耗。因此，持续运行于第二联机模式的低功耗节点耗电较快，其待机寿命将比持续运行于第一联机模式的低功耗节点的待机寿命短。
本发明的具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统100可经由模式运行时间阈值的设定，使低功耗节点在模式连接时间达到模式运行时间阈值时切换联机模式，交错运行于不同功耗的联机模式中。经由这样的调度机制，低功耗节点的平均功耗将可一致，而使待机寿命也趋于一致。
请参照图3。图3为本发明的实施例中，一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统联机方法300的流程图。
除前述装置外，本发明另公开一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统联机方法300，应用于例如，但不限于图1的蓝牙网状网络系统100中。蓝牙网状网络系统联机方法300的实施例如图3所示，包含下列步骤：
S310：由好友节点110使一部分的低功耗节点，例如图1中的低功耗节点120A～120C运行于第一联机模式，而与好友节点110间基于联机协议建立一对一联机。
S320：由好友节点110使其他的低功耗节点，例如图1中的低功耗节点120D～120G运行于第二联机模式，而与好友节点110间基于广播协议建立多对一联机。
S330：由好友节点110对低功耗节点120A～120G分别设置模式运行时间阈值并分别统计模式连接时间。
S340：当低功耗节点120A～120G持续运行于第一及第二联机模式中的一者的模式连接时间达到对应的模式运行时间阈值时，切换以运行于第一及第二联机模式中的另一者。
需注意的是，上述的实施方式仅为范例。在其他实施例中，本领域的通常知识者当可在不违背本发明的精神下进行更动。应了解到，在上述的实施方式中所提及的步骤，除特别说明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行。
综合上述，本发明中的蓝牙网状网络系统及其联机方法可对低功耗节点的联机模式进行调度，使不同低功耗节点间的平均功率一致。
虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的申请专利范围所界定者为准。
附图标记说明：
100：蓝牙网状网络系统
110：好友节点
120A～120G：低功耗节点
300：蓝牙网状网络系统联机方法
S310～S340：步骤
L1～L3：线段

Claims (10)

1.一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统，包含：
多个低功耗节点；以及
好友节点，被配置为：
使一部分所述低功耗节点运行于第一联机模式，以与所述好友节点间基于联机协议建立一对一联机；
使其他所述低功耗节点运行于第二联机模式，以与所述好友节点间基于广播协议建立多对一联机；以及
为所述低功耗节点分别设置模式运行时间阈值并分别统计模式连接时间；
其中当所述低功耗节点持续运行于所述第一联机模式及所述第二联机模式中的一者的所述模式连接时间达到对应的所述模式运行时间阈值时，切换以运行于所述第一联机模式及所述第二联机模式中的另一者。
2.根据权利要求1所述的蓝牙网状网络系统，其中所述第一联机模式是使所述低功耗节点与所述好友节点间基于所述联机协议通过通用属性承载层建立一对一联机，且所述联机协议为网络代理协议；
所述第二联机模式是使所述低功耗节点与所述好友节点间基于所述广播协议通过广播承载层建立多对一联机。
3.根据权利要求1所述的蓝牙网状网络系统，其中同一时间被允许运行于所述第一联机模式的所述低功耗节点的数目不超过所述好友节点的最大支持一对一联机数。
4.根据权利要求3所述的蓝牙网状网络系统，其中所述低功耗节点在初始化阶段运行于所述第一联机模式，并在运行于所述第一联机模式的所述低功耗节点的数目超过所述最大支持一对一联机数时，使超过的所述低功耗节点运行于所述第二联机模式。
5.根据权利要求1所述的蓝牙网状网络系统，其中所述好友节点经由所述模式运行时间阈值的设置，使所述低功耗节点的平均功耗相同。
6.一种具有功率管理机制的蓝牙网状网络系统联机方法，应用于蓝牙网状网络系统中，包含：
由好友节点使多个低功耗节点中的一部分低功耗节点运行于第一联机模式，以与所述好友节点间基于联机协议建立一对一联机；
由所述好友节点使其他所述低功耗节点运行于第二联机模式，以与所述好友节点间基于广播协议建立多对一联机；
由所述好友节点对所述低功耗节点分别设置模式运行时间阈值并分别统计模式连接时间；以及
当所述低功耗节点持续运行于所述第一联机模式及所述第二联机模式中的一者的所述模式连接时间达到对应的所述模式运行时间阈值时，切换以运行于所述第一联机模式及所述第二联机模式中的另一者。
7.根据权利要求6所述的蓝牙网状网络系统联机方法，其中所述第一联机模式是使所述低功耗节点与所述好友节点间基于所述联机协议通过通用属性承载层建立一对一联机，且所述联机协议为网络代理协议；
所述第二联机模式是使所述低功耗节点与所述好友节点间基于所述广播协议通过广播承载层建立多对一联机。
8.根据权利要求6所述的蓝牙网状网络系统联机方法，其中同一时间运行于所述第一联机模式的所述低功耗节点的数目不超过所述好友节点的最大支持一对一联机数。
9.根据权利要求8所述的蓝牙网状网络系统联机方法，还包含：
由所述好友节点使所述低功耗节点在初始化阶段运行于所述第一联机模式；以及
当运行于所述第一联机模式的所述低功耗节点的数目超过所述最大支持一对一联机数时，由所述好友节点使超过的所述低功耗节点运行于所述第二联机模式。
10.根据权利要求6所述的蓝牙网状网络系统联机方法，其中所述好友节点经由所述模式运行时间阈值的设置，使所述低功耗节点的平均功耗相同。
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