CN115884150B - 一种提高密集性ble主动扫描公平性的方法 - Google Patents

一种提高密集性ble主动扫描公平性的方法 Download PDF

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本发明属于蓝牙通信领域，具体涉及一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法；该方法将upperLimit值添加到扫描请求中一起发送，广播设备接收到扫描请求后就提取upperLimit值添加到响应数据包中，通过广播设备的广播让其余扫描设备能够共享upperLimit值；同时改进了upperLimit值的调整机制，解决了传统退避方案的不公平性。

Description

一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法
技术领域
本发明属于蓝牙通信领域，具体涉及一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法。
背景技术
在蓝牙通信领域中，设备可以分为广播设备和扫描设备两类。在拥挤的BLE(Bluetooth low energy)网络环境中，若存在大量的扫描设备，广播设备发送可扫描广播包时,扫描设备们将会在同一时间立即发送用于扫描请求的SCAN_REQ。由于BLE网络是一个纯ALOHA网络，和CSMA/CD不同，BLE网络没有通过监听信道是否空闲再来决定是否发送请求的防冲突手段，因而大量的扫描请求同时在同一广播信道上发送必然会产生冲突。
在蓝牙标准中提出了一种退避方案(设备不需要强制采用该方式)，发送了SCAN_REQ但未接收到广播设备响应的SCAN_RSP的扫描设备处于退避状态，延迟一段时间后再发送SCAN_REQ，来降低冲突所带来的影响。该算法的主要思路是：使用backoff和uppreLimit两个参数来限制扫描设备发生冲突时发送扫描请求PDU(SCAN_REQ)的数量；扫描设备第一次进入扫描状态时，backoff和uppreLimit设置为1。扫描设备发送SCAN_REQ后，如果该扫描设备没有从广播设备处收到SCAN_RSP,则本次扫描被视为失败，否则视为成功。每两次连续失败，该扫描设备的upperLimit就会翻倍，直到达到256；而每连续两次成功，该扫描设备的upperLimit就会减半，直到达到1。不管扫描设备是否成功接收广播设备响应的SCAN_RSP，扫描设备都需要在链路层将backoff设置为介于1和upperLimit之间的新伪随机整数，同时，当扫描设备处于退避状态时，每接收到一个可扫描事件，其自身的backoff将递减1，直到达到零值，才会再次发送SCAN_REQ。
但是该方案存在不公平的问题：成功接收到SCAN_RSP的扫描设备倾向于将upperLimit的值保持在较低的值内，这使得成功接收到SCAN_RSP的设备能更多地发送SCAN_REQ，而没有成功接收的设备将继续增加其upperLimit,从而进一步减少其发送SCAN_REQ的机会。这将导致成功接收到SCAN_RSP的设备对信道的垄断，影响该区域内其它设备的发现。
发明内容
为解决扫描设备之间的upperLimit值互不共享，从而导致成功接收到SCAN_RSP的扫描设备垄断信道资源的问题。本发明提供了一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法，旨在改进upperLimit值的调整规则，共享扫描设备的upperLimit值，从而提高扫描设备之间发送扫描请求的公平性。
所述方法包括：
S1.构建包括一个广播设备和多个扫描设备的蓝牙网络，每个扫描设备均周期性地扫描每个广播信道；
S2.任一个扫描设备接收到广播设备发送的可扫描事件时，该扫描设备计算自身的backoff值减1的结果；
S3.该扫描设备判断自身的backoff值减1的结果是否为0，若是，则执行步骤S4；若不是，则该扫描设备将backoff减1后的值作为最新的backoff值；然后接收下一个可扫描事件并返回步骤S3；
S4.该扫描设备向广播设备发送扫描请求并执行步骤S5；所述扫描请求中携带有该扫描设备在上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值；
S5.判断该扫描设备是否收到广播设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S6；若不是，则执行步骤S7；
S6.判断该扫描设备在上一次发送扫描请求后是否收到广播设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S8；若不是，则该扫描设备的upperLimit值不变并执行步骤S9；
S7.判断该扫描设备在上一次发送扫描请求后是否没有收到广播设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S8；若不是，则该扫描设备的upperLimit值不变并执行步骤S9；
S8.判断该扫描设备是否监听到广播设备对其他扫描设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则采用改进的upperLimit调整规则更新自身的upperLimit值，并执行步骤S9；若不是，则采用原始的upperLimit调整规则更新自身的upperLimit值，并执行步骤S9；
S9.该扫描设备将自身的backoff设置为介于1和upperLimit之间的新伪随机整数，并返回步骤S2。进一步的，每个扫描设备发送扫描请求的SCAN_REQ数据包时，都应用蓝牙4.2协议在SCAN_REQ PDU Header中添加自身在上一次执行退避算法后更新的upperLimit值。
进一步的，广播设备接收到扫描设备发送的扫描请求的SCAN_REQ数据包后，广播设备提取该SCAN_REQ数据包中携带的upperLimit值，并将该upperLimit值添加到响应的SCAN_RSP数据包中。
进一步的，处于退避状态的扫描设备机会性地监听广播设备响应另一个扫描设备的扫描请求后发送的SCAN_RSP数据包，从而获取到被广播设备响应的扫描设备所使用的upperLimit值。
进一步的，改进的upperLimit调整规则包括：
若扫描设备连续两次的扫描请求都成功接收到广播设备的扫描响应，则采用max(2,min(0.5*upperLimit(n-1),OLupperLimit))更新自身的upperLimit值；
若扫描设备连续两次的扫描请求都没有成功接收到广播设备的扫描响应，则max(2,OLupperLimit)更新自身的upperLimit值；
其中，upperLimit(n-1)是扫描设备上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值，OLupperLimit是从广播设备响应其他扫描设备的SCAN_RSP数据包监听到的其他扫描设备的upperLimit值。
进一步的，若扫描设备没有监听到广播设备对其他扫描设备响应的SCAN_RSP数据包，则其upperLimit值的调整规则和标准协议里的规则一致，包括：
若扫描设备连续两次的扫描请求都成功接收到广播设备的扫描响应，则采用min(1,0.5*upperLimit(n-1))更新自身的upperLimit值；
若扫描设备连续两次的扫描请求都没有成功接收到广播设备的扫描响应，则min(2*upperLimit(n-1),256)更新自身的upperLimit值；
其中，upperLimit(n-1)是是扫描设备上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种共享区域内BLE设备upperLimit值的方法，通过广播设备的扫描响应向周围所有扫描设备共享成功的扫描请求所采用的upperLimit值，可以解决传统的退避方案下存在的不公平的问题。
本发明共享upperLimit的方法是使用蓝牙核心协议4.2中所规定的SCAN_REQ和SCAN_RSP PDU Header中的保留将来使用的bit位来实现的，采用该方案时，不需要对蓝牙设备的底层逻辑进行修改，只需在广播和扫描参数配置时稍作修改即可，推广应用难度小。
本发明根据扫描设备是否在退避状态中机会性地收到含有OLupperLimit值的SCAN_RSP，来决定使用新的upperLimit调整规则还是使用标准协议中的upperLimit调整规则，因此本发明是可兼容传统的退避方案的。
附图说明
图1为本发明的扫描设备主动扫描过程图；
图2为本发明的广播设备接收扫描请求的过程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在蓝牙通信领域中，设备可以分为以下几类：
广播设备:广播设备按顺序在三个广播信道(idx＝37,38,39)上周期性的发送ADV_IND，一旦成功发送，它就会侦听扫描设备的SCAN_REQ数据包，如果监听到来自扫描设备的SCAN_REQ数据包，它将通过SCAN_RSP数据包对其进行响应，SCAN_RSP是无定向发送的，它可以被一定区域内所有扫描设备所扫描到，无论扫描设备有没有向广播设备发送过SCAN_REQ；
扫描设备:扫描设备周期性地扫描每个广播信道(idx＝37,38,39)，如果扫描设备在某一信道上接收到广播设备发送的一个可扫描事件(ADV_IND或者ADV_SCAN_IND)，该扫描设备会立即在同一信道上向发送该可扫描事件的广播设备发送SCAN_REQ数据包，从而请求该广播设备发送对应的SCAN_RSP数据包。
为了避免大量扫描设备在发送扫描请求(SCAN_REQ)时存在冲突，在蓝牙标准中提出了一种退避算法，但是该退避算法存在不公平的问题，不公平的主要原因是扫描设备之间的upperLimit值互不共享，成功接收到SCAN_RSP的扫描设备进一步降低其upperLimit，没有成功接收到SCAN_RSP的设备继续增加其upperLimit，从而导致成功接收到SCAN_RSP的扫描设备进一步的垄断信道资源。一旦扫描设备处于密集的BLE网络中，该退避方案所存在的问题就会更加严重，从而导致其中一些受到不公平对待的BLE设备一直保持着较大的发现延迟。
因此本发明为提高扫描设备之间发送扫描请求的公平性，针对退避算法中的upperLimit值的调整规则进行改进。通过广播设备发送的SCAN_RSP来向区域内所有扫描设备共享区域内upperLimit的值，来达到提高公平性的目的。
在一实施例中，本发明提出了一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法，如图1所示，扫描设备的主动扫描过程包括以下步骤：
S11.初始化，每个扫描设备都将自身的upperLimit和backoff的值设置为1，并将自身的upperLimit值添加到SCAN_REQ的Header中，每个扫描设备均周期性地扫描每个广播信道；
S12.任一个扫描设备接收到广播设备发送的可扫描事件时，该扫描设备将自身的backoff值减1后判断其结果是否为0，若是，则执行步骤S13；若不是，则该扫描设备将backoff减1后的值作为最新的backoff值；然后接收下一个可扫描事件并再次执行步骤S12；
具体地，每一个扫描设备的backoff值是在主动扫描前就被确定为是介于1和upperLimit之间的一个随机整数，此时backoff值大于0，扫描设备则处于退避状态，扫描设备在退避状态仍可以接受广播设备发送的可扫描事件，但在退避状态期间，该扫描设备不能发送扫描请求，其upperLimit值不会更新，且backoff值不会被重新介于1和upperLimit之间，而是每接受一次可扫描事件其backoff值就减1，直到减为0，结束退避状态。
S13.该扫描设备向广播设备发送扫描请求并执行步骤S14；
具体地，每一次发送扫描请求时，该扫描请求中携带有该扫描设备在上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值；当应用蓝牙4.2协议时，不需要新的开销。通过在SCAN_REQ PDU Header包含的4个为将来使用而保留的b4-b5和b14-b15的bit位来映射upperLimit值(0-256)的指数位；如表1所示：
表1 SCAN_REQ PDU的Header帧格式
Figure 2.3：Advertising channel PDU Header
PDU Type代表该广播PDU的类型例如可扫描类型还是不可扫描类型。TxAdd代表发送设备的地址，RxAdd代表接收设备的地址，Length代表整个PDU后面payload数据部分的长度。本发明使用RFU(Reserved For Future Use)，一共4个bit位，来映射upperLimit值(0-256)的指数位。因为upperLimit的最大值256为2的8次方，最小值1为2的0次方，且upperLimit的值只能为2的指数次方，因此只需映射指数位就可以代表upperLimit的值。最大次方8可以用4位二进制数1000来表示，刚好对应这保留的4bit；
S14.判断该扫描设备是否收到广播设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S15；若不是，则执行步骤S16；
S15.判断该扫描设备在上一次发送扫描请求后是否收到广播设备响应的对应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S17；若不是，则该扫描设备的upperLimit值不变并执行步骤S18；
S16.判断该扫描设备在上一次发送扫描请求后是否没有收到广播设备响应的对应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S17；若不是，则该扫描设备的upperLimit值不变并执行步骤S18；
S17.该扫描设备更新自身的upperLimit值，并执行步骤S18；
S18.该扫描设备将自身的backoff设置为介于1和upperLimit之间的新伪随机整数。
具体地，当扫描设备处于退避状态时，同时需要进行下列操作：
监听广播设备发送的可扫描事件，每接受一个可扫描事件，该扫描设备的backoff值就减1，知道其backoff值减到0时，该扫描设备结束退避状态，向广播设备发送扫描请求；
机会性地监听广播设备为响应另一个扫描设备的扫描请求而发送的SCAN_RSP数据包，该SCAN_RSP数据包的Header中携带有另外一个扫描设备所使用的upperLimit的值(该值是广播设备从另外一个扫描设备的扫描请求中提取得到的)。处于退避状态下的该扫描设备监听到这个SCAN_RSP数据包后，就将里面携带的upperLimit值提取出来作为OLupperLimit，以用于该扫描设备后续更新upperLimit值；这个OLupperLimit值可能监听不到，所以分别采用原始的调整规则和改进的调整规则调整upperLimit值。
所述退避状态就是扫描设备的backoff值处于大于0的状态，当其backoff值等于0时，该扫描设备才能结束退避状态并向广播设备发送扫描请求。
具体地，改进的upperLimit调整规则包括：
若扫描设备连续两次的扫描请求都成功接收到广播设备的扫描响应，则采用max(2,min(0.5*upperLimit(n-1),OLupperLimit))更新自身的upperLimit值；
若扫描设备连续两次的扫描请求都没有成功接收到广播设备的扫描响应，则max(2,OLupperLimit)更新自身的upperLimit值；
其中，upperLimit(n-1)是扫描设备上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值，OLupperLimit是从广播设备响应其他扫描设备的SCAN_RSP数据包监听到的其他扫描设备的upperLimit值。
具体地，若扫描设备没有监听到广播设备对其他扫描设备响应的SCAN_RSP数据包，则其upperLimit值的调整规则和标准协议里的规则一致，包括：
若扫描设备连续两次的扫描请求都成功接收到广播设备的扫描响应，则采用min(1,0.5*upperLimit(n-1))更新自身的upperLimit值；
若扫描设备连续两次的扫描请求都没有成功接收到广播设备的扫描响应，则min(2*upperLimit(n-1),256)更新自身的upperLimit值；
其中，upperLimit(n-1)是是扫描设备上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值。
具体地，处于退避状态的扫描设备机会性地监听广播设备响应另一个扫描设备的扫描请求后发送的SCAN_RSP数据包，从而获取到被广播设备响应的扫描设备所使用的upperLimit值，从而达到共享区域内的upperLimit值的目的。
在一实施例中，广播设备发送广播和接收扫描请求的过程，如图2所示，包括以下步骤：
S21.初始化，设置广播设备的相关参数；
S22.广播设备向广播信道周期性的发送可扫描事件(ADV_IND、ADV_SCAN_IND)，并监听信道；
S23.广播设备接收到某一扫描设备发送的扫描请求数据包(SCAN_REQ数据包)后，从该扫描请求数据包中提取该扫描设备的upperLimit值；
S24.广播设备将提取出的upperlimit值添加到响应数据包(SCAN_RSP数据包)中，然后将该响应数据包发送给该扫描设置设备。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.构建包括一个广播设备和多个扫描设备的蓝牙网络，每个扫描设备均周期性地扫描每个广播信道；
S2.任一个扫描设备接收到广播设备发送的可扫描事件时，该扫描设备计算自身的backoff值减1的结果；
S3.该扫描设备判断自身的backoff值减1的结果是否为0，若是，则执行步骤S4；若不是，则该扫描设备将backoff减1后的值作为最新的backoff值；然后接收下一个可扫描事件并返回步骤S3；
S4.该扫描设备向广播设备发送扫描请求并执行步骤S5；所述扫描请求中携带有该扫描设备在上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值；
S5.判断该扫描设备是否收到广播设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S6；若不是，则执行步骤S7；
S6.判断该扫描设备在上一次发送扫描请求后是否收到广播设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S8；若不是，则该扫描设备的upperLimit值不变并执行步骤S9；
S7.判断该扫描设备在上一次发送扫描请求后是否没有收到广播设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则执行步骤S8；若不是，则该扫描设备的upperLimit值不变并执行步骤S9；
S8.判断该扫描设备是否监听到广播设备对其他扫描设备响应的SCAN_RSP数据包，若是，则采用改进的upperLimit调整规则更新自身的upperLimit值，并执行步骤S9；若不是，则采用原始的upperLimit调整规则更新自身的upperLimit值，并执行步骤S9；
改进的upperLimit调整规则包括：
若扫描设备连续两次的扫描请求都成功接收到广播设备的扫描响应，则采用max(2,min(0.5*upperLimit(n-1),OLupperLimit))更新自身的upperLimit值；
若扫描设备连续两次的扫描请求都没有成功接收到广播设备的扫描响应，则max(2,OLupperLimit)更新自身的upperLimit值；
其中，upperLimit(n-1)是扫描设备上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值，OLupperLimit是从广播设备响应其他扫描设备的SCAN_RSP数据包监听到的其他扫描设备的upperLimit值；
原始的upperLimit调整规则包括：
若扫描设备连续两次的扫描请求都成功接收到广播设备的扫描响应，则采用min(1,0.5*upperLimit(n-1))更新自身的upperLimit值；
若扫描设备连续两次的扫描请求都没有成功接收到广播设备的扫描响应，则min(2*upperLimit(n-1),256)更新自身的upperLimit值；
其中，upperLimit(n-1)是是扫描设备上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值；
S9.该扫描设备将自身的backoff设置为介于1和upperLimit之间的新伪随机整数，并返回步骤S2。
2.根据权利要求1所述的一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法，其特征在于，每个扫描设备发送扫描请求的SCAN_REQ数据包时，都应用蓝牙4.2协议在SCAN_REQ PDUHeader中添加自身在上一次发送扫描请求后更新的upperLimit值。
3.根据权利要求1所述的一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法，其特征在于，广播设备接收到扫描设备发送的扫描请求的SCAN_REQ数据包后，广播设备提取该SCAN_REQ数据包中携带的upperLimit值，并将该upperLimit值添加到响应的SCAN_RSP数据包中。
4.根据权利要求1所述的一种提高密集性BLE主动扫描公平性的方法，其特征在于，处于退避状态的扫描设备机会性地监听广播设备响应另一个扫描设备的扫描请求后发送的SCAN_RSP数据包，从而获取到被广播设备响应的扫描设备所使用的upperLimit值。
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