TWI783241B - 具有功率管理機制的藍牙網格網路系統及其連線方法 - Google Patents

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Abstract

一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統，包含：低功耗節點及友誼節點。友誼節點使一部分的低功耗節點運作於第一連線模式，而與友誼節點間基於連線協議建立一對一連線；使其他的低功耗節點運作於第二連線模式，而與友誼節點間基於廣播協議建立多對一連線；使低功耗節點分別設置模式運作時間門檻值並分別統計模式連線時間。當低功耗節點持續在運作於第一連線模式及第二連線模式其中之一者的模式連線時間達到對應的模式運作時間門檻值時，切換以運作於第一連線模式及第二連線模式的另一者。

Description

具有功率管理機制的藍牙網格網路系統及其連線方法
本發明是關於網路通訊技術，尤其是關於一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統及其連線方法。
近幾年隨著物聯網蓬勃發展，智慧家庭、智慧建築以及智慧工廠等應用需求暴增，而藍牙這種低功耗的技術，更是眾所矚目的焦點。藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）期許能透過藍牙網格網路技術實現多對多的通訊功能，提供更遠的傳輸距離，為物聯網市場帶來強而有力的加值作用。
在藍牙網格網路中，低功耗節點由於往往不具備穩定的電源，必須長時間維持低功率的電源消耗。如果沒有妥善的功率管理機制，在某些使用情境下可能造成不同的低功耗節點間的功率消耗不平均，使得部分低功耗節點的待機壽命因而縮短。
鑑於先前技術的問題，本發明之一目的在於提供一種具有功率管理機制的藍牙網格（mesh）網路系統及其連線方法，以改善先前技術。
本發明之一目的在於提供一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統及其連線方法，對低功耗節點的連線模式進行排程，使不同低功耗節點間的平均功率一致。
本發明包含一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統，其一實施例包含：複數低功耗節點（low power node；LPN）以及友誼節點（friend node）。友誼節點配置以：使一部分的低功耗節點運作於第一連線模式，而與友誼節點間基於連線協議建立一對一連線；使其他的低功耗節點運作於第二連線模式，而與友誼節點間基於廣播協議建立多對一連線；以及使低功耗節點分別設置模式運作時間門檻值並分別統計模式連線時間；其中當低功耗節點持續在運作於第一連線模式及第二連線模式其中之一者的模式連線時間達到對應的模式運作時間門檻值時，切換以運作於第一連線模式及第二連線模式的另一者。
本發明另包含一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統連線方法，應用於藍牙網格網路系統中，其一實施例包含下列步驟：由友誼節點使一部分的複數低功耗節點運作於第一連線模式，而與友誼節點間基於連線協議建立一對一連線；由友誼節點使其他的低功耗節點運作於第二連線模式，而與友誼節點間基於廣播協議建立多對一連線；由友誼節點對低功耗節點分別設置模式運作時間門檻值並分別統計模式連線時間；以及使低功耗節點持續在運作於第一連線模式及第二連線模式其中之一者的模式連線時間達到對應的模式運作時間門檻值時，切換以運作於第一連線模式及第二連線模式的另一者。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
本發明之一目的在於提供一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統及其連線方法，對低功耗節點的連線模式進行排程，使不同低功耗節點間的平均功率一致。
請參照圖1。圖1為本發明之一實施例中，一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統100的示意圖。藍牙網格網路系統100包含：友誼節點110以及低功耗節點120A~120G。其中，友誼節點110以及低功耗節點120A~120G可透過藍牙網格網路規範彼此進行通訊。
於一實施例中，友誼節點110是由穩定的電源供電，因此能夠保持喚醒狀態。相對的，低功耗節點120A~120G是由相對不穩定的電源，例如但不限於電池進行供電，因此需要長時間維持在休眠狀態，並在需要時切換至時間長度相當短的喚醒狀態再回復至休眠狀態，以維持低功率的消耗。於一實施例中，低功耗節點120A~120G可以預先排定的時間間隔週期性地自休眠狀態切換至喚醒狀態。
於一實施例中，友誼節點110與各低功耗節點120A~120G間，可藉由不同的連線模式進行連線。舉例而言，友誼節點110與各低功耗節點120A~120G間，可選擇性地藉由第一連線模式進行一對一連線，或是藉由第二連線模式進行多對一連線。
以第一連線模式而言，友誼節點110與各低功耗節點120A~120C間可透過例如，但不限於通用屬性乘載層（generic attribute protocol bearer；GATT bearer），基於特定的連線協議建立一對一連線（以實線繪示）。於一實施例中，此連線協議可為例如，但不限於網路代理（proxy）協議。
友誼節點110配置以在上述的連線協議下，運作為連線伺服端（server），並進行週期性的連線伺服廣播（未繪示）。低功耗節點120A~120C配置以在上述的連線協議下，分別運作為連線客戶端（client），配置以在接收到並識別連線伺服廣播時，與友誼節點110基於連線協議建立連線。
於一實施例中，友誼節點110可支援中繼（relay）節點功能。因此，友誼節點110可濾除與低功耗節點120A~120C無關的無效封包，並儲存與低功耗節點120A~120C有關的至少一有效封包，並在低功耗節點120A~120C自休眠狀態切換至喚醒狀態時，傳送有效封包至低功耗節點120A~120C。
以第二連線模式而言，友誼節點110與各低功耗節點120D~120G間可透過例如，但不限於廣播承載層（advertising bearer），基於廣播協議以廣播與掃描的方式建立多對一連線（以虛線繪示）。
在這樣的通訊方式下，低功耗節點120D~120G在喚醒狀態下會透過掃描而接收到所有與自己相關及無關的封包。亦即，友誼節點110不會對低功耗節點120D~120G進行封包過濾的功能，而使低功耗節點120D~120G不僅接收到與自己相關的有效封包，也會接收到與自己無關的無效封包。
在第一連線模式下，由於友誼節點110花較多的資源進行封包處理，因此低功耗節點120A~120C可消耗較低的功率。而在第二連線模式下，友誼節點110不進行封包處理，因此低功耗節點120D~120G將消耗較高的功率。
於一實施例中，在低功耗節點120A~120G在初始化階段中，運作於第一連線模式。然而，友誼節點110在正常運作的狀態下，由於資源有限，無法提供所有的低功耗節點120A~120G進行一對一連線，因此具有最大支援一對一連線數。
更詳細地說，同一時間被允許運作於第一連線模式的低功耗節點的數目，不超過友誼節點110的最大支援一對一連線數。因此，在運作於第一連線模式的低功耗節點的數目超過最大支援一對一連線數時，友誼節點110將使超過的低功耗節點運作於第二連線模式。
以上述實施例而言，友誼節點110具有的最大支援一對一連線數為3，因此僅允許3個的低功耗節點120A~120C運作於第一連線模式，進行一對一連線。而其他4個低功耗節點120D~120G則運作於第二連線模式，進行多對一連線。
友誼節點110進一步使低功耗節點120A~120G分別設置模式運作時間門檻值，並分別統計模式連線時間。
其中，各低功耗節點120A~120G持續在運作於第一及第二連線模式其中之一者的模式連線時間達到對應的模式運作時間門檻值時，切換以運作於第一及第二連線模式的另一者。
更詳細地說，低功耗節點120A~120C在運作於第一連線模式下的模式連線時間達到對應的模式運作時間門檻值時，切換以運作於第二連線模式。而低功耗節點120D~120G在運作於第二連線模式下的模式連線時間達到對應的模式運作時間門檻值時，切換以運作於第一連線模式。
於一實施例中，友誼節點110可在判斷模式連線時間到達模式運作時間門檻值後，再告知低功耗節點120A~120G進行連線模式的切換。於另一實施例中，友誼節點110可決定並告知各低功耗節點120A~120G其對應的模式運作時間門檻值，再由各低功耗節點120A~120G判斷模式連線時間到達模式運作時間門檻值後進行切換。
友誼節點110可持續對低功耗節點120A~120G設置新的模式運作時間門檻值，以使低功耗節點120A~120G在下次模式連線時間達到模式運作時間門檻值時，再次切換連線模式。因此，低功耗節點120A~120G將持續交錯地運作於第一連線模式以及第二連線模式，進而使低功耗節點120A~120G的平均功耗為相同。
於一實施例中，低功耗節點的數目超過最大支援一對一連線數，且運作於第一連線模式以及第二連線模式的低功耗節點的數目分別為K以及L。為達到使低功耗節點的平均功耗為相同的目的，友誼節點110可藉由模式運作時間門檻值的設定，使各低功耗節點運作於第一連線模式以及第二連線模式的時間比為K:L。
於一實施例中，運作於第一連線模式以及第二連線模式的低功耗節點的數目分別為K以及L。低功耗節點持續運作於第二連線模式的平均功耗為PA，低功耗節點持續運作於第一連線模式的平均功耗為(1/N)×PA。則各低功耗節點以上述的時間比，交錯運作於第一及第二連線模式的平均功耗可以下式表示：
PA×((K×(1/N)+L)/(K+L))
請參照圖2。圖2顯示本發明之一實施例中，藍牙網格網路系統100在不同運作情形下，低功耗節點的平均功耗示意圖。其中，橫軸為低功耗節點的數目，縱軸為低功耗節點的平均功耗。其中，對縱軸的單位來說，一單位表示一個低功耗節點連續位於第二連線模式下的平均功耗。
在圖2中，以較細實線繪製的線段L1以及L2，是部分低功耗節點持續運作在第二連線模式以及另一部分低功耗節點持續運作在第一連線模式，完全不進行切換的運作情形。
而以較粗實線繪製的線段L3，則是本發明中低功耗節點在第一及第二連線模式間持續切換的運作情形。其中，在低功耗節點數目不超過3時，將均以第一連線模式運作，直到低功耗節點數目超過3時，才使低功耗節點中超過3個的部分以第二連線模式運作。
因此，如圖2所示，對應線段L1以及L2的運作情形，對應第二連線模式的低功耗節點將持續以較高平均功耗（1單位）運作，而第一連線模式的低功耗節點則以相對較低平均功耗（例如0.2單位）運作。不同低功耗節點間的平均功耗落差相當大，對於各低功耗節點的待機壽命有大幅度的影響。
而對應線段L3的運作情形，各低功耗節點將均以較低的平均功耗運作。以總數目為6個低功耗節點為例，所有的低功耗節點的平均功耗約在0.6單位。因此，不同低功耗節點間的平均功耗相同，待機壽命也可平均地拉長。
於部份技術中，低功耗節點是自始至終均維持相同的連線模式。然而這樣的方式，將使持續位於第一連線模式的低功耗節點具有較小的功耗，並使持續位於第二連線模式的低功耗節點具有較大的功耗。因此，持續位於第二連線模式的低功耗節點耗電較快，其待機壽命將比持續位於第一連線模式的低功耗節點的待機壽命短。
本發明的具有功率管理機制的藍牙網格網路系統100可藉由模式運作時間門檻值的設定，使低功耗節點在模式連線時間到達模式運作時間門檻值時切換連線模式，交錯運作於不同功耗的連線模式中。藉由這樣的排程機制，低功耗節點的平均功耗將可一致，而使待機壽命也趨於一致。
請參照圖3。圖3為本發明一實施例中，一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統連線方法300的流程圖。
除前述裝置外，本發明另揭露一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統連線方法300，應用於例如，但不限於圖1的藍牙網格網路系統100中。藍牙網格網路系統連線方法300之一實施例如圖3所示，包含下列步驟：
S310：由友誼節點110使一部分的低功耗節點，例如圖1中的低功率節點120A~120C運作於第一連線模式，而與友誼節點110間基於連線協議建立一對一連線。
S320：由友誼節點110使其他的低功耗節點，例如圖1中的低功率節點120D~120G運作於第二連線模式，而與友誼節點110間基於廣播協議建立多對一連線。
S330：由友誼節點110對低功耗節點120A~120G分別設置模式運作時間門檻值並分別統計模式連線時間。
S340：使低功耗節點120A~120G持續在運作於第一及第二連線模式其中之一者的模式連線時間達到對應的模式運作時間門檻值時，切換以運作於第一及第二連線模式的另一者。
需注意的是，上述的實施方式僅為一範例。於其他實施例中，本領域的通常知識者當可在不違背本發明的精神下進行更動。應瞭解到，在上述的實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行。
綜合上述，本發明中的藍牙網格網路系統及其連線方法可對低功耗節點的連線模式進行排程，使不同低功耗節點間的平均功率一致。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100:藍牙網格網路系統 110:友誼節點 120A~120G:低功耗節點 300:藍牙網格網路系統連線方法 S310~S340:步驟 L1~L3:線段
［圖1］顯示本發明之一實施例中，一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統的示意圖； ［圖2］顯示本發明之一實施例中，藍牙網格網路系統在不同運作方式下，低功耗節點的平均功耗示意圖；以及 ［圖3］顯示本發明一實施例中，一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統連線方法的流程圖。
100:藍牙網格網路系統
110:友誼節點
120A~120G:低功耗節點

Claims (8)

  1. 一種具有功率管理機制的藍牙網格(mesh)網路系統，並包含：複數低功耗節點(low power node；LPN)；以及一友誼節點(friend node)，配置以：使一部分的該等低功耗節點運作於一第一連線模式，而與該友誼節點間基於一連線協議建立一對一連線；使其他的該等低功耗節點運作於一第二連線模式，而與該友誼節點間基於一廣播協議建立多對一連線；以及使該等低功耗節點分別設置一模式運作時間門檻值並分別統計一模式連線時間；其中當該等低功耗節點持續在運作於該第一連線模式及該第二連線模式其中之一者的該模式連線時間達到對應的該模式運作時間門檻值時，切換以運作於該第一連線模式及該第二連線模式的另一者，且該友誼節點藉由該模式運作時間門檻值的設置，使該等低功耗節點之一平均功耗為相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之藍牙網格網路系統，其中該第一連線模式是使該等低功耗節點與友誼節點間基於該連線協議透過一通用屬性乘載層(generic attribute protocol bearer；GATT bearer)建立一對一連線，且該連線協議為一網路代理(proxy)協議；該第二連線模式是使該等低功耗節點與友誼節點間基於該廣播協議透過一廣播承載層(advertising bearer)建立多對一連線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之藍牙網格網路系統，其中同一時間被允許運作於該第一連線模式的該等低功耗節點的數目不超過該友誼節點的一最大支援一對一連線數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之藍牙網格網路系統，其中該等低功耗節點在一初始化階段運作於該第一連線模式，並在運作於該第一連線模式的該等低功耗節點的數目超過該最大支援一對一連線數時，使超過的該等低功耗節點運作於該第二連線模式。
  5. 一種具有功率管理機制的藍牙網格網路系統連線方法，應用於一藍牙網格網路系統中，並包含：由一友誼節點使一部分的複數低功耗節點運作於一第一連線模式，而與該友誼節點間基於一連線協議建立一對一連線；由該友誼節點使其他的該等低功耗節點運作於一第二連線模式，而與該友誼節點間基於一廣播協議建立多對一連線；由該友誼節點對該等低功耗節點分別設置一模式運作時間門檻值並分別統計一模式連線時間；以及使該等低功耗節點持續在運作於該第一連線模式及該第二連線模式其中之一者的該模式連線時間達到對應的該模式運作時間門檻值時，切換以運作於該第一連線模式及該第二連線模式的另一者，且該友誼節點藉由該模式運作時間門檻值的設置，使該等低功耗節點之一平均功耗為相同。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之藍牙網格網路系統連線方法，其中該第一連線模式是使該等低功耗節點與友誼節點間基於該連線協議透過一通用屬性乘載層建立一對一連線，且該連線協議為一網路代理協議；該第二連線模式是使該等低功耗節點與友誼節點間基於該廣播協議透過一廣播承載層建立多對一連線。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之藍牙網格網路系統連線方法，其中同一時間運作於該第一連線模式的該等低功耗節點的數目不超過該友誼節點的一最大支援一對一連線數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之藍牙網格網路系統連線方法，其中更包含：由該友誼節點使該等低功耗節點在一初始化階段運作於該第一連線模式；以及在運作於該第一連線模式的該等低功耗節點的數目超過該最大支援一對一連線數時，由該友誼節點使超過的該等低功耗節點運作於該第二連線模式。
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