DE102004050091A1

DE102004050091A1 - Verfahren zum Verbindungsaufbau bei einem Piconetz eines Bluetooth-Funkkommunikationssystems

Info

Publication number: DE102004050091A1
Application number: DE102004050091A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kutschenreuter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbindungsaufbau bei einem Piconetz eines Bluetooth-Funkkommunikationssystems. Innerhalb des Piconetzes sendet eine erste Einheit, die zur Steuerung einer Anzahl von mit ihr verbundenen zweiten Einheiten verwendet wird, eine Verbindungsabfrage zeitlich wiederholt aus, um ungesteuerte Einheiten zu identifizieren. Die ungesteuerten Einheiten beantworten für einen Verbindungsaufbau die Verbindungsabfrage. DOLLAR A Die Wiederholung der Verbindungsabfrage erfolgt nach einer Zeitdauer, die in Abhängigkeit von der Anzahl der zweiten Einheiten eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbindungsaufbau bei einem Piconetz eines Bluetooth-Funkkommunikationssystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die "Bluetooth"-Technologie wird dazu verwendet, um eine Anzahl von "Bluetooth"-fähigen Einheiten spontan und ohne großen Steuerungsaufwand miteinander zu verbinden.

Aus dem Bluetooth-Funkkommunikationsstandard ist ein so genanntes "Piconetz" bekannt, bei dem eine als "Master" bezeichnete steuernde erste Einheit eine Anzahl von als "Slave" bezeichneten zweiten Einheiten steuert. Alle Datenübertragungen zwischen den einzelnen Slaves erfolgen dabei stets über den zentralen Master.

Um seitens der steuernden ersten Master-Einheit neu hinzukommende, noch ungesteuerte Einheiten identifizieren zu können, wird seitens der steuernden ersten Einheit eine als Inquiry-Signal bezeichnete Verbindungsabfrage gesendet. Diese wird von den ungesteuerten Einheiten beantwortet und ein Verbindungsaufbau zur ersten Einheit wird veranlasst. Bei der Beantwortung der Verbindungsabfrage übermitteln die neu hinzukommenden Einheiten die für einen Verbindungsaufbau notwendigen Informationen an die steuernde erste Einheit. Die neu hinzukommenden Einheiten werden dann als weitere Slave-Einheiten durch die erste Einheit gesteuert.

Eine steuernde erste Einheit kann bis zu sieben Slave-Einheiten miteinander verbinden. Somit umfasst derzeit ein Piconetz maximal acht aktive Bluetooth-Einheiten.

Um mehr als acht aktive Einheiten miteinander zu verbinden, wird ein so genanntes "Scatternetz" mit einer Anzahl verbundener Piconetzen verwendet. Aufgrund von vorgegebenen Einschränkungen durch den Bluetooth-Standard erfolgt eine Verbindung von zwei Piconetzen über eine gemeinsame Einheit, die beiden Piconetzen zugeordnet ist. Seitens der aktuellen Bluetooth-Spezifikation, Version 1.2, 5. November 2003, Core, ist ein Scatternetz vorgesehen, jedoch nicht näher ausgeführt.

Es sind jedoch nur zwei Piconetz-Verbindungsarten möglich. Bei einer so genannten "Slave-Bridge" wird die gemeinsame Einheit sowohl in einem ersten als auch in einem zweiten Piconetz als Slave verwendet. Bei einer so genannten "Master-Slave-Bridge" wird die gemeinsame Einheit im ersten Piconetz als Slave und im zweiten Piconetz als Master verwendet.

Betrachtet man ein mehrere Piconetze umfassendes Scatternetz so ist festzustellen, dass ein erzielbarer Gesamtdatendurchsatz zwischen den Piconetzen von der jeweiligen Auslastung der einzelnen Piconetz-Mastereinheiten abhängig ist. Die jeweilige Auslastung wiederum wird durch die Anzahl von verbundenen Slave-Einheiten bestimmt.

Ist beispielsweise eine erste Mastereinheit eines ersten Piconetzes hinsichtlich der Datenübertragungskapazität des eigenen Piconetzes stark ausgelastet, so kann diese Mastereinheit Daten, die für ein zweites Piconetz bestimmt sind, nur zeitverzögert weiterleiten. Weist jedoch die erste Mastereinheit Reserven hinsichtlich der Datenübertragungskapazität auf, so ist eine schnellere Weiterleitung möglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbindungsaufbau bei einem Piconetz eines Bluetooth-Funkkommunikationssystems anzugeben, mit dem eine gleichmäßige Zuordnung von zu steuernden Einheiten zu jeweiligen steuernden Einheiten gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren sendet innerhalb eines Piconetzes eine erste Einheit, die zur Steuerung einer Anzahl von mit ihr verbundenen zweiten Einheiten verwendet wird, eine Verbindungsabfrage zeitlich wiederholt aus, um ungesteuerte Einheiten zu identifizieren. Die neu hinzukommenden, ungesteuerten Einheiten beantworten für einen Verbindungsaufbau die Verbindungsabfrage. Erfindungsgemäß erfolgt die Wiederholung der Verbindungsabfrage nach einer Zeitdauer, die in Abhängigkeit von der Anzahl der zweiten Einheiten eingestellt wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine gleichmäßige Zuordnung von neu hinzukommenden Einheiten zu jeweiligen steuernden Einheiten erreicht.

Durch die gleichmäßige Zuordnung bzw. Verteilung wiederum wird innerhalb eines einzurichtenden Scatternetzes der Gesamtdatendurchsatz erhöht. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren die steuernden Einheiten ihre jeweiligen Verbindungsanfragen zeitlich abhängig wiederholt aussenden, werden neu hinzukommende Einheiten bevorzugt derjenigen steuernden Einheit zugeordnet, die die Verbindungsabfrage mit einer höheren Wiederholungsrate sendet. Somit werden ausbalancierte Piconetz-Topologien mit einer größeren Wahrscheinlichkeit gebildet als nicht ausbalancierte Piconetz-Topologien.

Handelt es sich um mobile Einheiten, wird sich das Scatternetz ständig ändern, da durch die Mobilität eine ständig neu erfolgende Zuordnung von Einheiten durchzuführen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hier besonders gut einsetzbar, da durch die Mobilität der Einheiten eine vorteilhafte gleichmäßige Zuordnung leicht zu realisieren ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine höhere Ausfallsicherheit realisiert, da Engstellen vermieden werden bzw. weil deren Auftreten unwahrscheinlicher wird. Als Engstelle wird eine steuernde Einheit betrachtet, die mit vielen gesteuerten Einheiten verbunden ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 ein Bluetooth-Piconetz PN,

2 eine nicht ausbalancierte Piconetz-Topologie,

3 eine unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete ausbalancierte Piconetz-Topologie, und

4 anhand einer Zeitachse einen zeitlichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verbindungsaufbaus
1 zeigt ein Bluetooth-Piconetz PN mit einer steuernden Einheit M und mit gesteuerten zweiten Einheiten S1 bis S5. Gemäß dem Bluetooth-Funkkommunikationsstandard werden sämtliche Verbindungen innerhalb des Piconetzes PN über die als "Master" bezeichnete steuernde Einheit M geführt. Die gesteuerten zweiten Einheiten S1 bis S5 werden als "Slave" bezeichnet werden.
2 zeigt eine nicht ausbalancierte Piconetz-Topologie mit drei Piconetzen PN21, PN22 und PN23, die ein Scatternetz SCN2 bilden.
Ein erstes Piconetz PN21 besteht dabei aus einer steuernden Einheit M11, die eine Einheit S11 und SG11 steuert. Ein zweites Piconetz PN22 besteht aus einer steuernden Einheit M12, die ebenfalls die Einheit SG11 sowie eine Einheit SG12 steuert. Ein drittes Piconetz PN23 besteht aus einer steuernden Einheit M13, die fünf Einheiten S12, S13, S31, S32, S21 sowie die Einheit SG12 steuert.
Eine Verbindung zwischen dem ersten Piconetz PN21 und dem zweiten Piconetz PN22 wird über die gemeinsame Einheit SG11 hergestellt, die eine "Slave-Bridge" darstellt. Eine Verbindung zwischen dem zweiten Piconetz PN22 und dem dritten Piconetz PN23 wird über die gemeinsame Einheit SG12 hergestellt, die eine weitere "Slave-Bridge" darstellt.
Zu sehen ist, dass aufgrund der Auslastung die steuernde Einheit M13 eine Engstelle ("Bottleneck") für eine durchzuführende Datenübertragung zwischen den Piconetzen PN21, PN22 und PN23 darstellt. Soll beispielsweise eine Datenübertragung von der gesteuerten Einheit S21 des dritten Piconetzes PN23 zur gesteuerten Einheit S11 des ersten Piconetzes PN21 erfolgen, ist diese nur mit einer geringeren Qualität, d.h. mit einer geringeren Bandbreite und größeren Zeitverzögerungen, ausführbar. Grund dafür ist, dass die steuernde Einheit M13 neben der oben genannten durchzuführenden Datenübertragung zusätzlich einen gesamten Datenverkehr der gesteuerten Einheiten S12, S13, S31 und S32 transportieren muss.
3 zeigt eine unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildete ausbalancierte Piconetz-Topologie, mit drei Piconetzen PN11, PN12 und PN13, die ein Scatternetz SCN1 bilden.
Ein erstes Piconetz PN11 besteht dabei aus einer steuernden Einheit M11, die vier Einheiten S11, S12, S13 und SG11 steuert. Ein zweites Piconetz PN12 besteht aus einer steuernden Einheit M12, die zwei Einheiten S21, SG12 sowie die Einheit SG11 steuert. Ein drittes Piconetz PN13 besteht aus einer steuernden Einheit M13, die zwei Einheiten S31 und S32 sowie die Einheit SG12 steuert.
Eine Verbindung zwischen dem ersten Piconetz PN11 und dem zweiten Piconetz PN12 wird über die gemeinsame Einheit SG11 hergestellt, die eine "Slave-Bridge" darstellt. Eine Verbindung zwischen dem zweiten Piconetz PN12 und dem dritten Pico netz PN13 wird über die gemeinsame Einheit SG12 hergestellt, die eine weitere "Slave-Bridge" darstellt.
Im Vergleich zu 2 wird durch eine gleichmäßige Zuordnung der zu steuernden Einheiten zu den jeweiligen steuernden Einheiten eine Engstelle innerhalb des Scatternetzes SCN1 vermieden.
Von jeder steuernden Einheit M11, M12 und M13 wird jeweils eine zugeordnete Verbindungsabfrage VA1, VA2 und VA3 zeitlich wiederholt ausgesendet, mit deren Hilfe neu hinzukommende ungesteuerte Einheiten für einen einzurichtenden Verbindungsaufbau identifiziert werden können.
Erfindungsgemäß wird bei jeder steuernden Einheit M11, M12 und M13 die jeweils zugeordnete Verbindungsabfrage VA1, VA2 und VA3 mit einer Wiederholungsrate bzw. Wiederholungsfrequenz gesendet, die durch eine variable Zeitdauer festgelegt wird. Diese Zeitdauer wird bei jeder steuernden Einheit M11, M12 und M13 in Abhängigkeit von der Anzahl an bereits mit der jeweiligen steuernden Einheit verbundenen gesteuerten Einheiten eingestellt.
Da die steuernde Einheit M12 und die steuernde Einheit M13 jeweils drei Einheiten steuern, weisen beide eine identische Wiederholungsrate der Verbindungsabfragen VA2 und VA3 auf. Die steuernde Einheit M11 steuert jedoch vier Einheiten, so dass diese im Vergleich dazu eine geringere Wiederholungsrate der Verbindungsabfrage VA1 aufweist.
Wird das Scatternetz SCN1 um eine weitere ungesteuerte Einheit SX erweitert, so empfängt die ungesteuerte Einheit SX mit einer größeren Wahrscheinlichkeit die Verbindungsabfrage VA2 der steuernden Einheit M12, da diese mit einer höheren Wiederholungsrate gesendet wird. Ein Empfang der Verbindungsabfrage VA1 der steuernden Einheit M11, die mit einer gerin geren Wiederholungsrate gesendet wird, ist im Vergleich dazu unwahrscheinlicher.
Somit wird die neu hinzukommende Einheit SX mit einer größeren Wahrscheinlichkeit eine Verbindung zur steuernden Einheit M12 aufbauen, um nachfolgend als "Slave" dem zweiten Piconetz PN12 zugeordnet zu sein.
Ein zeitlicher Versatz der Verbindungsabfragen bei einer einzelnen steuernden Einheit kann beispielsweise anhand nachfolgender Formel bestimmt werden: INQ_Interval(i + 1) = k(i)*INQ_Interval(i)
Die Bezeichnung INQ_INTERVAL(i) bezeichnet dabei eine Zeitdauer, die bei einer steuernden Master-Einheit mit i gesteuerten Slave-Einheiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verbindungsabfragen vergeht.
Als Zeitspanne bzw. Zeitdauer kann eine fest vorgegebene Zeitdauer verwendet werden oder es wird ein Mittelwert, der aus statistisch schwankenden Zeitintervallen gebildet wird, verwendet. Beim zweiten Fall werden aufeinander folgende Verbindungsabfragen durch Zeitintervalle getrennt gesendet, die statistisch schwankend variiert werden. Aus diesen Zeitintervallen ergibt sich dann ein Mittelwert als repräsentierende Zeitdauer. Die statistische Variation erfolgt anhand einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Die Variable i bewegt sich innerhalb eines Intervalls [1, MAX SLAVES-2], wobei MAX SLAVES die maximale Anzahl an Slave-Einheiten bezeichnet, die eine Master-Einheit steuern kann. Gemäß der eingangs geschilderten Bluetooth-Spezifikation bewegt sich dieser Wert im Intervall [1,7].
Die Variable k(i) bezeichnet ein wählbares Zeitverkürzungsintervall. Dabei gilt allgemein k(i) ≥ 1, wobei für zumindest einen Wert von "i" gelten muss: k(i) > 1.
Beispielhaft wird vorausgesetzt:
MAX_SLAVES = 7
INQ_INTERVAL(0) = 30 s, d.h. wenn keine Einheit gesteuert wird, soll alle 30 Sekunden eine Verbindungsabfrage gesendet werden,
INQ_INTERVAL(1) = 30 s, d.h. bei einer gesteuerten Einheit soll alle 30 Sekunden eine Verbindungsabfrage gesendet werden,
INQ_INTERVAL(7) = unendlich, d.h. bei sieben gesteuerten Einheiten soll keine Verbindungsabfrage gesendet werden,
k(1) = k(2) = 2,
k(3) = k(4) = k(5) = 1,5
Dann ergeben sich folgende zeitliche Versätze:
INQ_INTERVAL(2) = 60 s,
INQ_INTERVAL(3) = 2 min,
INQ_INTERVAL(4) = 3 min,
INQ_INTERVAL(5) = 4 min, 30 s,
INQ_INTERVAL(6) = 6 min, 45 s.
Dies bedeutet, dass bei zwei gesteuerten Einheiten die zugehörige steuernde Einheit alle 60 Sekunden eine Verbindungsabfrage sendet.
Erhöht sich die Anzahl der gesteuerten Einheiten von "2" auf "3", so wird die Verbindungsabfrage nur alle 2 Minuten gesendet.
Bei einer Erhöhung von "3" auf "4" wird die Verbindungsabfrage nur alle 3 Minuten gesendet.
Bei einer Anzahl von "5" gesteuerten Einheiten wird die Verbindungsabfrage alle 4 Minuten, 30 Sekunden gesendet, während bei einer Anzahl von "6" die Verbindungsabfrage alle 6 Minuten, 45 Sekunden gesendet wird.
4 zeigt anhand einer Zeitachse t einen zeitlichen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verbindungsaufbaus. Zum Zeitpunkt t1 sendet eine Einheit A ein als "Inquiry" bezeichnete Verbindungsabfrage aus, das seitens einer nicht gesteuerten Einheit B während eines Detektionsdurchgangs "Inquiry Scan" detektiert wird.
Seitens der Einheit B wird als Antwort darauf ein Signal "Inquiry-Response" vorbereitet und zu einem Zeitpunkt t2 an die Einheit A gesendet. Dieses Signal beinhaltet dabei alle Informationen, die die Einheit A zum "pagen" der Einheit B benötigt – beispielsweise den Wert "Clock-Offset".
Die Einheit A bereitet zur Erwiderung zu einem Zeitpunkt t3 ein Signal "Page" vor, das an die Einheit B übertragen wird.
In einer fehlerfreien Umgebung, bei der angenommen wird, dass keine Paketverluste erfolgen, hat die Einheit A nach spätestens einer Zeitspanne t_{max_inq} alle Signale "Inquiry Response" von Einheiten, die in Reichweite der Einheit A sind, empfangen. Gemäß dem derzeitigen Bluetooth-Standard beträgt dieser Wert 10,24 Sekunden, wobei sich in zukünftigen Standards dieser Wert verringern kann. Durch den Wert der Zeitspanne t_{max_inq} wird die Wiederholungsrate der Verbindungsabfrage festgelegt.
Die Einheit B detektiert das Signal "Page" während eines Durchgangs „Page Scan" und bereitet ein Signal "SLAVE Response" vor, um eine Steuerung der Einheit B durch die Einheit A vorzubereiten. Das Signal "SLAVE-Response" wird an die Einheit A übertragen, das mit einem Signal "Master Response" antwortet. Damit ist eine Verbindung "Connection" zwischen der als Master bezeichneten Einheit A und der als Slave bezeichneten Einheit B hergestellt.

Claims

Verfahren zum Verbindungsaufbau bei einem Piconetz eines Bluetooth-Funkkommunikationssystems, – bei dem innerhalb des Piconetzes eine erste Einheit, die zur Steuerung einer Anzahl von mit ihr verbundenen zweiten Einheiten verwendet wird, eine Verbindungsabfrage zeitlich wiederholt sendet, um ungesteuerte Einheiten zu identifizieren, – bei dem die ungesteuerten Einheiten für einen Verbindungsaufbau die Verbindungsabfrage beantworten, dadurch gekennzeichnet, – dass die Wiederholung der Verbindungsabfrage nach einer Zeitdauer erfolgt, die in Abhängigkeit von der Anzahl der mit der ersten Einheit bereits verbundenen zweiten Einheiten eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass als Zeitdauer eine fest vorgegebene Zeitdauer verwendet wird, oder – dass als Zeitdauer ein Mittelwert aus statistisch schwankenden Zeitintervallen verwendet wird, wobei aufeinander folgende Verbindungsabfragen durch statistisch schwankend variierte Zeitintervalle getrennt gesendet werden und aus den Zeitintervallen der Mittelwert als repräsentierende gemittelte Zeitdauer gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feste oder die gemittelte Zeitdauer – bei einer zunehmenden Anzahl der bereits gesteuerten zweiten Einheiten verlängert wird, oder – bei einer abnehmenden Anzahl der bereits gesteuerten zweiten Einheiten verkürzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die feste oder gemittelte Zeitdauer anhand folgender Formel ermittelt wird: INQ_Interval(i + 1) = k(i)*INQ_Interval(i)mit: INQ_Interval: Zeitdauer, k: Verkürzungsfaktor, mit k(i) ≥ 1 und mit zumindest einem Wert k(i) > 1. i: Laufvariable, 1 ≤ i ≤ MaxSlaves-2 MaxSlaves: maximal mögliche Anzahl gesteuerter Einheiten
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Piconetze über eine gemeinsame Einheit zu einem Scatternetz miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die gemeinsame Einheit in einem ersten Piconetz als gesteuerte Einheit und in einem zweiten Piconetz als steuernde Einheit verwendet wird, oder – dass die gemeinsame Einheit im ersten und im zweiten Piconetz als gesteuerte Einheit verwendet wird.