蓝牙设备自动分类组网的方法

专利名称：蓝牙设备自动分类组网的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体地说，涉及的是一种蓝 牙设备自动分类组网的方法。
背景技术：
蓝牙技术是一种全球通用的短距离无线通信技术，广泛应用于短距离的实时 无线通信的各个领域中。根据传输距离的远近(目前主要是1米、10米和100 米的传输距离)，蓝牙相应地分为类别1、类别2和类别3。随着支持距离的增加， 蓝牙设备所消耗的能量也在不断上升。所以通常使用的蓝牙设备多是类别2。蓝 牙是免费使用的，因为蓝牙工作在2.4GHz波段，而该波段是一种无需要申请许 可证的工业、科技和医学(ISM)的无线电波段。同时，蓝牙在设计过程中采用了 前向纠错、编码优化等技术，有效地保证了蓝牙通信稳定，抗干扰性能好。经过 精心设计的蓝牙协议，使得两个蓝牙设备直接连接非常容易，特别是构造个人局 域网。因此，蓝牙组网逐渐成为国内外蓝牙研究的重点之一。
两个蓝牙设备进行连接的时候，其中一个设备必须作为主设备，另外一个设 备则为从设备。由于采用了跳频技术， 一个主设备可以连接最多七个从设备。这 样组成的网络叫做微微网。由于单一的微微网支持的设备有限，为了连接更多的 蓝牙设备，可以以一个蓝牙设备为桥接点，将两个微微网连接直接。充当桥接点 的蓝牙设备同时出现在两个微微网中，负责两个微微网中信息的直接传递。多个 微微网组成的网络叫做散射网。 一般蓝牙的组网都是指散射网的构造，研究重点 主要包含两类单跳网和多跳网。所谓单跳网，就是指任意两个设备之间都在通 信范围内能够直接进行通信。这类组网技术对应着一个优化的拓扑结构。关于多 跳网，则有可能有两个设备之间的距离大于通信范围，所以它们之间的通信必须 通过其它设备。相比于单跳网，多跳网的组网技术难度更难，但使用范围也更大。 现有技术中多侧重于蓝牙拓扑结构的优化，很少有关于设备差异性的研究。少数 考虑到蓝牙设备不同的组网技术，但也要是针对特殊节点。经对现有技术文献的检索发现，Gergely V. Zdruba, Stefano Basagni和 Imrich Chlamtac等人在《IEEE International Conference on Communications》 (国际通讯会议)(2001, pp. 273-277 )上发表的"Bluetrees-scatternet Formation to Enable Bluetooth-based Ad Hoc Networks"(蓝牙树基于蓝牙
散射网的自组织网络)。该文中提出两种基于蓝牙树的自组织网络的构造方法。 这两种方法都假设每个蓝牙节点可以判定自己是不是根节点；知道一跳邻居的 网络标识符和是不是已经是某个微微网的部分。具体方法为方法一指定节点 为根节点，该结点通过寻呼的方式通知其各邻居结点它已经成为主结点。如果 某邻居结点接收到通知信息后，且尚未处于任一微微网时，将会接收寻呼并自动 成为发出寻呼信息的主结点所在网络的一个从结点。否则，该邻居结点将不回应 相关的跳频信息，或者直接通知主结点它已经是其它微微网的成员。整个步骤重 复执行，直到所有的邻居结点都被分配到某个微微网之中。 一旦某个结点成为主 结点或者从结点之后，它将寻呼所有它的邻居一个接一个。方法二是指定不止 一个结点为根节点，依照方法一的方式分别构造蓝牙树，最后合并这些蓝牙树， 使之成为只拥有一个根节点的自组织网络。这种方式大大加快了网络的构造。其 不足在于且根节点容易成为瓶颈，使得整个系统的容错性和稳定性不高。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种蓝牙设备自动分类组网 的方法。相比于已有的相关方案和系统，本发明不仅能保证连通性的情况下，散 射网数量最少，即使用的跟选定结点不同类别的其它设备节点数目最少；也能够 提高平均传输速度，减少整个散射网的能量消耗等。因此，本发明可以作为蓝牙 自动组网的可行方案。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤 第一步，依据蓝牙设备的分类标准对蓝牙设备进行分类；
第二步，修改蓝牙设备间的连接方式，将现有技术中所有蓝牙设备只要在通 信范围内就可以连接，改为只有在通信范围内(即距离小于10米)的同类蓝牙 设备才可以连接。实现方法是蓝牙设备在通信范围内连接，然后获取对方的属 性信息进行验证，如果是同类蓝牙设备，继续连接，否则断开连接。这样就达到 了只有同类蓝牙设备才连接的目的。按照这种方法，将同类蓝牙设备组成若干个孤立的散射网，即它们之间无法再通过同类蓝牙设备连接起来，但有可能通过不 同类蓝牙设备连接起来。确定每个孤立散射网中的超级结点，用来标识该散射网。
第三步，每个孤立的散射网向外发送探测消息，选择与要组网的蓝牙设备不 同类的蓝牙设备作为桥接点，将区域的散射网连接起来，形成全局的散射网。
所述的蓝牙设备的分类标准，包括从物理属性对蓝牙设备区分，或着从逻辑 属性对蓝牙设备进行区分，每次组网的时候，选择的分类标准可改变，同一个设 备允许在两次组网中被划分为不同的种类中。
所述在通信范围内的同类蓝牙设备连接，采用以下两种方法中的一种
第一种方法是哈希函数来建立PIN码，这样，只有同类的蓝牙设备哈希后得 到的四位数字才是相同的，两个蓝牙设备之间首先进行连接，然后在进行验证的 时候，如果它们是同类蓝牙设备，那么PIN码就相同，验证成功，于是蓝牙设备 就连接起来，否则PIN码不同，验证失败，蓝牙设备之间的临时连接就断开；
第二种方法是将属性写入设备名称中，蓝牙协议中有专门获取对方设备名称 的功能，这样在得到对方设备名称后，就能进行验证是否是同类设备，如果是， 则确立连接，否则拒绝连接。
所述的第三步中，通过以下六步来保证所使用的其它设备连接的最少
① 散射网发送探测消息
超级结点会通知散射网内的所有节点准备向外发送探测消息。散射网内的节 点是这样发送消息的首先构造一个消息，这个消息含有散射网的唯一 ID，同 时还有一个跳数，这个跳数是用来确定连接两个散射网的路径上的异类节点的个 数。此外为了确定路径上的具体设备，这个消息还含有一个设备队列。消息构造 完成后，就向周围的节点广播此消息。这些周围的节点必须在发消息节点的通信 范围内。
② 不同类蓝牙设备接受消息
当一个不同类的蓝牙设备接收到消息的时候，检查消息中所含的散射网ID， 如果它已经存储有该ID，并且该散射网对应的跳数比消息中所含的跳数更少或 者相等，说明已经有另外一个消息从同样的散射网出来，并且它通过更优的路径 到达当前异类节点。这时，这个新到的消息就没有一点价值，就可以抛弃掉。否 则，如果这是第一个从新的散射网到来的消息，就存储该散射网ID和跳数。如果这是从一个旧的散射网到来的消息，但是它所走的路径更优，那么更新旧的散 射网对应的跳数。对后两种情况，把当前的不同类蓝牙设备加入到消息中的设备 队列中，对消息中的跳数加l，然后把消息存储在缓冲消息队列中等待发送。
③ 不同类蓝牙设备发送消息
从缓冲消息队列取出队首的消息，发送到周围的节点。
④ 同类蓝牙设备接收消息
当同类蓝牙设备接到一个消息时，先检查散射网ID,如果是同一散射网的， 就抛弃。否则，表明是一个从别的散射网到来的，这时就将消息转发给超级结点 进行分析。
⑤ 同类设备发送消息
这个只有一开始，在超级结点通知才进行的，而且只进行一次。
⑥ 超级结点分析
如果超级结点接收到消息，无论是直接得到的，或者是通过同一散射网的其 它节点提交的，它都开始对该消息进行分析。首先看这个消息是不是从新的散射 网来的，如果是的话，就记录散射网ID，跳数即路径长度，以及消息中的路径 队歹!j。否则，就要比较跳数，如果新的消息所含的跳数跟少，那么就更新对应散 射网ID中的跳数。如果相等，则把这个新的路径记下。如果大于的话，则把这 个消息扔掉。 一段时间后，超级结点就不会再收到消息，这时就可以对同一散射 网的多路径进行分析。最后得出一个好的路径。由于不能明确确定这段时间到底 有多久，可以先设定一个时间，到了时间就进行分析，等有新的消息到来时，再 进行重分析。
本发明中，蓝牙分类组网主要包含两个阶段，第一个阶段主要将同类的蓝牙 设备组成尽可能少的散射网，这一阶段可以利用通常的组网技术。第二个阶段则 是在第一阶段的基础上，以其它类别的蓝牙设备为桥梁，进一步融合分离的散射 网，同时保证所用的桥节点最少。相比于已有的蓝牙组网技术，本发明不仅降低 了消息传递的问题，为蓝牙设备节约了能量，也大大地縮短了蓝牙组网的时间。 最后，本发明使得蓝牙设备之间直接通信，减少了寻呼和匹配的过程，从而提高 了传输速率。在相同条件下，本发明需要发送和接收消息的总数比原始的 Bluetree算法可以减少87%以上，比优化的Bluetree算法减少86%以上。另一方面，本发明传输速率比原始Bluetree算法以及优化的Bluetree算法的传输速 率提高40%以上。


图l为散射网直接通信图； 图2为散射网间接通信图； 图3为散射网无法通信图； 图4为构造散射网通信连接图； 图5为散射网通信路径选择图6为散射网加入新结点图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案
为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
本实施例首先根据蓝牙设备的分类标准对蓝牙设备进行分类，然后修改蓝牙
设备间的连接方式，保证在通信范围内(即距离小于io米)的同类蓝牙设备才
能连接，将蓝牙设备组成各个孤立的散射网，并确定每个孤立散射网中的超级结 点，最后选择与要组网的蓝牙设备不同类的蓝牙设备作为桥接点，将区域的散射 网连接起来，形成全局的散射网。
所述的蓝牙设备的分类标准，就是对蓝牙设备进行分类的依据，可以是蓝牙
设备自身物理属性如CPU速度，网络带宽等，蓝牙设备有无屏幕等，也可以是逻
辑属性，如蓝牙设备的类型，根据蓝牙设备持有者的身份，所属团体等，甚至可 以人为的对蓝牙设备进行临时标号，从而进行分类。每次组网的时候，选择的分 类标准可以改变，同一个设备也可以在两次不同的组网中被划分为不同的种类 中。
所述的蓝牙设备间的连接方式，就是指要确定同类蓝牙设备间的连接方式，
即如何保证只有两个同类的蓝牙设备才能连接。 一种方法是哈希函数来建立PIN
码。这样，只有同类的蓝牙设备哈希后得到的四位数字才是相同的。两个蓝牙设 备之间首先进行连接，然后在进行验证的时候，如果它们是同类蓝牙设备，那么
PIN码就相同，验证成功，于是蓝牙设备就连接起来。否则PIN码不同，验证失败，蓝牙设备之间的临时连接就断开。另外一种方法是将属性写入设备名称中， 由于蓝牙协议中有专门获取对方设备名称的功能，这样在得到对方设备名称后， 就可以进行验证是否是同类设备，如果是，则确立连接，否则拒绝连接。
所述的确定每个孤立散射网中的超级结点，就是从每个散射网中选择一个蓝 牙设备，用此设备的标识来标识整个散射网。通常，这类蓝牙设备具有较强的性 能，如存储能力，CPU能力等。因为各个蓝牙设备都具有唯一的标识，所以各个 散射网也具有了独一无二的标识。
本实施例具体实施过程包括以下步骤
1. 蓝牙设备分类选择某个标准来区分蓝牙设备，这里以CPU能力为标准。 用这个标准将蓝牙设备分成多类，用A， B， C等标识。
2. 蓝牙设备连接蓝牙设备在通信范围内连接，然后获取对方的属性信息 进行验证，如果是同类蓝牙设备，继续连接，否则断开连接。这样将同类蓝牙设
备组成若干个孤立的散射网。针对每一类蓝牙设备，本实施例采用Bluetree组 网技术来组成散射网，注意根节点最多含有七个是同类的子结点。每个节点按随 机时间进行自我推荐，得票最多的作为超级结点，这个超级结点具有较强的性能， 同时也要求至多只能含有七个同类节点。
3. 每个孤立的散射网向外发送探测消息，选择与要组网的蓝牙设备不同类 的蓝牙设备作为桥接点，将区域的散射网连接起来，形成全局的散射网。白黑两 种颜色来标识两种类别的蓝牙节点。
如图1所示，为散射网直接通信图，即散射网借助内部已有的结点通信。这 种通信方式不需要类B内的结点辅助。
如图2所示，为散射网间接通信图，即散射网的结点超过距离蓝牙通信许可 的范围后(本实施例中是10米)，就需要借助类B中的结点来完成通信。
如图3所示，为散射网无法通信图，即散射网的结点距离超过蓝牙通信许可 的范围(本实施例中是10米)，同时类A和类B之间的距离也超过这个范围时， 散射网之间无法通信。
如图4所示，为构造散射网通信连接图，即当无法直接连接特定的两个散射 网时，其中一散射网的超级结点和普通节点都会发出消息，去探测周围其它的散 射网。每个节点构建消息，去建立和类B之间的联系。当一个异类设备接收到消息的时候，检查消息中所含的散射网ID，如果它已经存储有该ID，并且该散 射网对应的条数比消息中所含的跳数更少或者相等，说明已经有另外一个消息从 同样的散射网出来，并且它同过更优的路径到达当前异类节点。这时，这个新到 的消息就没有一点价值，就可以抛弃掉。否则，如果这是第一个从新的散射网到 来的消息，就存储该散射网ID和跳数。如果这是从一个旧的散射网到来的消息， 但是它所走的路径更优，那么更新旧的散射网对应的跳数。对后两种情况，把当 前的异类设备加入到消息中的设备队列中，对消息中的跳数加l，然后把消息存 储在缓冲消息队列中等待发送。
如图5所示，为散射网通信路径选择图，即散射网I与散射网II之间有两条 路径[A， B， C]和[D]，将会选取路径较短的那条线路。
如图6所示，为散射网加入新结点图。类B在接收到消息以后，首先判断 时候存有这个ID，如果没有则加入这个ID，如果有则要看比较跳数与当前存在 的条数，如果大于当前值则丢掉当前消息，如果小于则更新以前值。
对于部署在50 x 50m范围内的60个结点(29个类A结点和31个类B结点)， 在同类别中传递2M的数据，Bluetree算法需要发送和接收的消息总数是191797 个，优化的Bluetree算法则需要185610个，而本发明仅仅需要发送和接收消息 的总数是24748个，比原始的Bluetree算法减少了 87. 1°/。的消息数，比优化的 Bluetree算法减少了 86. 67%的消息数。另一方面，Bluetree算法能达到的传输 速率在58.67k/s，优化的Bluetree可以达到59. 32k/s，本发明却能达到 84.86k/s,比原始Bluetree算法的传输速率提高了 44.64%,比优化的Bluetree 算法的传输速率提高了 43. 05%。
权利要求
1、一种蓝牙设备自动分类组网的方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，依据蓝牙设备的分类标准对蓝牙设备进行分类；第二步，蓝牙设备在通信范围内连接，然后获取对方的属性信息进行验证，如果是同类蓝牙设备，继续连接，否则断开连接，这样在通信范围内的同类蓝牙设备连接起来，将同类蓝牙设备组成若干个孤立的散射网，确定每个孤立散射网中的超级结点，用来标识该散射网；第三步，每个孤立的散射网向外发送探测消息，选择与要组网的蓝牙设备不同类的蓝牙设备作为桥接点，将区域的散射网连接起来，形成全局的散射网。
2、 根据权利要求l所述的蓝牙设备自动分类组网的方法，其特征是，所述 的蓝牙设备的分类标准，包括从物理属性对蓝牙设备区分，或着从逻辑属性对蓝 牙设备进行区分，每次组网的时候，选择的分类标准可改变，同一个设备允许在 两次组网中被划分为不同的种类中。
3、 根据权利要求1所述的蓝牙设备自动分类组网的方法，其特征是，所述 在通信范围内的同类蓝牙设备连接，采用以下两种方法中的一种实现第一种方法是哈希函数来建立PIN码，这样，只有同类的蓝牙设备哈希后得 到的四位数字才是相同的，两个蓝牙设备之间首先进行连接，然后在进行验证的 时候，如果它们是同类蓝牙设备，那么PIN码就相同，验证成功，于是蓝牙设备 就连接起来，否则PIN码不同，验证失败，蓝牙设备之间的临时连接就断开；第二种方法是将属性写入设备名称中，蓝牙协议中有专门获取对方设备名称 的功能，这样在得到对方设备名称后，就能进行验证是否是同类设备，如果是， 则确立连接，否则拒绝连接。
4、 根据权利要求1所述的蓝牙设备自动分类组网的方法，其特征是，所述 的确定每个孤立散射网中的超级结点，就是从每个散射网中选择一个蓝牙设备， 用此设备的标识来标识整个散射网，各个蓝牙设备都具有唯一的标识，所以各个 散射网也具有了独一无二的标识。
5、 根据权利要求l所述的蓝牙设备自动分类组网的方法，其特征是，所述 的第三步中，通过以下六步来保证所使用的其它设备连接的最少① 散射网发送探测消息超级结点会通知散射网内的所有节点准备向外发送 探测消息，散射网内的节点是这样发送消息的首先构造一个消息，这个消息含 有散射网的唯一 ID，同时还有一个跳数，这个跳数是用来确定连接两个散射网 的路径上的异类节点的个数，此外，为了确定路径上的具体设备，这个消息还含 有一个设备队列，消息构造完成后，就向周围的节点广播此消息，这些周围的节 点必须在发消息节点的通信范围内；② 不同类蓝牙设备接受消息当一个不同类的蓝牙设备接收到消息的时候， 检査消息中所含的散射网ID，如果它已经存储有该ID，并且该散射网对应的跳 数比消息中所含的跳数更少或者相等，说明已经有另外一个消息从同样的散射网 出来，并且它通过更优的路径到达当前异类节点，这时，抛弃掉这个新到的消息； 否则，如果这是第一个从新的散射网到来的消息，就存储该散射网ID和跳数； 如果这是从一个旧的散射网到来的消息，但是它所走的路径更优，那么更新旧的 散射网对应的跳数；对后两种情况，把当前的不同类蓝牙设备加入到消息中的设 备队列中，对消息中的跳数加l，然后把消息存储在缓冲消息队列中等待发送；③ 不同类蓝牙设备发送消息从缓冲消息队列取出队首的消息，发送到周围 的节点；④ 同类蓝牙设备接收消息当同类蓝牙设备接到一个消息时，先检査散射网 ID，如果是同一散射网的，就抛弃；否则，表明是一个从别的散射网到来的，这 时就将消息转发给超级结点进行分析；⑤ 同类设备发送消息这个只有一开始，在超级结点通知才进行的，而且只 进行一次；⑥ 超级结点分析超级结点接收到消息，首先看这个消息是不是从新的散射 网来的，如果是的话，就记录散射网ID，跳数即路径长度，以及消息中的路径 队列；否则，就要比较跳数，如果新的消息所含的跳数跟少，那么就更新对应散 射网ID中的跳数；如果相等，则把这个新的路径记下，如果大于的话，则把这 个消息扔掉， 一段时间后，超级结点就不会再收到消息，这时对同一散射网的多 路径进行分析，最后得出一个好的路径。
6、根据权利要求5所述的蓝牙设备自动分类组网的方法，其特征是，所述 超级结点分析，其中超级结点接收到消息，无论是直接得到的，或者是通过同一 散射网的其它节点提交的，它都开始对该消息进行分析。
7、根据权利要求5所述的蓝牙设备自动分类组网的方法，其特征是，所述 超级结点分析中，先设定一个时间，到了时间就进行分析，等有新的消息到来时， 再进行重分析。
全文摘要
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的蓝牙设备自动分类组网的方法。步骤为依据蓝牙设备的分类标准对蓝牙设备进行分类；蓝牙设备在通信范围内连接，然后获取对方的属性信息进行验证，如果是同类蓝牙设备，继续连接，否则断开连接，这样在通信范围内的同类蓝牙设备连接起来，将同类蓝牙设备组成若干个孤立的散射网，确定每个孤立散射网中的超级结点，用来标识该散射网；每个孤立的散射网向外发送探测消息，选择与要组网的蓝牙设备不同类的蓝牙设备作为桥接点，将区域的散射网连接起来，形成全局的散射网。本发明不仅能保证连通性的情况下，散射网数量最少，还能够提高平均传输速度，减少整个散射网的能量消耗等。
文档编号H04B5/00GK101415255SQ20081020343
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者皓 周, 周憬宇, 张功伟, 张大强, 耀 沈, 过敏意 申请人:上海交通大学