一种大规模低功耗蓝牙设备无碰撞连接方法及系统与流程

本发明涉及大规模低功耗蓝牙设备连接控制，尤其涉及一种大规模低功耗蓝牙设备无碰撞连接方法及系统。

背景技术：

1、随着物联网和智能设备的快速发展，低功耗蓝牙技术因其节能特性而广泛应用于各种场景，如智能家居、健康监测、环境传感等。低功耗蓝牙设备通常作为从机设备，需要与一个中心节点即蓝牙网关进行连接，以便数据的上传和命令的下发。然而，当大量低功耗蓝牙设备在同一时间尝试与蓝牙网关建立连接时，因为蓝牙仅有3个广播信道，所以会引发严重的通信碰撞问题。当前技术中，大规模的低功耗蓝牙设备采用广播方式发送连接请求，通过简单随机广播算法进行防碰撞，简单随机广播算法中，广播者根据使用的广播信道的个数预先准备广播信道序列表，广播者在一次广播事件前，根据随机产生数和信道序列表确定该次广播信道的工作顺序，以广播者使用三个信道的情况为例，第一个广播事件的广播信道顺序由随机数决定，后续的其他广播事件的广播信道顺序由随机数和参数k共同决定：

2、seqid[0]＝rand{0,1,2,3,4,5}

3、seqid[i]＝(ki1+rand{0,1,2,3})mod6

4、rand{}表示产生随机数的运算，mod表示模数运算，seqid[i]表示广播事件序号为i时的seqid，每个seqid对应一个参数k，范围为0到5，用于计算下一个广播事件的seqid；对于第一个广播事件，随机产生一个范围在0到5的随机数作为seqid，获得对应的参数k。利用参数k和随机数来计算下一个广播事件中的广播信道顺序。不同低功耗蓝牙设备中的参数可以预设为不同的k，从而产生不同类型的随机数。因为简单随机广播算法的随机性有限，对于场景内存在海量大规模设备时，其降低广播冲突的能力有限。设备将随机争夺有限的频道资源，导致数据包碰撞。这种碰撞不仅会造成连接失败，还会导致整个网络的延迟增加，并迫使设备重复尝试连接，从而消耗更多的功耗。这对于本应具有长期续航要求的低功耗设备来说，是一个显著的缺点。特别是在一些密集部署的场景下，如大型工业传感器网络或智能城市中的设施监控，此问题尤为突出。

5、因此，急需一种能够有效管理大规模低功耗蓝牙设备无碰撞连接方法，以减少碰撞、提高连接效率，同时保持设备的低功耗特性。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供一种大规模低功耗蓝牙设备无碰撞连接方法及系统。

2、第一方面，本发明提供一种大规模低功耗蓝牙设备无碰撞连接方法，包括：

3、a.等待阶段：蓝牙网关持续扫描，等待低功耗蓝牙从机设备的连接请求；

4、b.广播准备阶段：对于所有低功耗蓝牙从机设备，在预定的固定广播时间间隔到达时，随机延迟时间生成算法利用离线动态参数生成库生成的参数为自身计算出目标随机延迟时间；

5、c.广播连接阶段：每个低功耗蓝牙从机设备在经过目标随机延迟时间后，开始广播尝试与蓝牙网关建立连接，并在成功交互数据后断开连接，进入低功耗模式；

6、d.循环阶段：蓝牙低功耗从机设备根据预设的时间周期，重复步骤b和c，进行下一轮的广播和数据传输。

7、更进一步的，随机延迟时间生成算法实现方式如下：

8、构建位宽为w的上位掩码构建位宽为w的下位掩码构建位宽为w的掩码mask3和mask4，初始化移动量l1,l2,l3,l4，生成向量a＝aw-1aw-2…a0，基于a创建矩阵a；

9、初始化位宽为w的行向量dn-1,dn-2…d0；

10、根据初始化的dn-1,dn-2…d0计算

11、位宽为w的行向量在参与迭代的过程中被分为两部分，带上标u的表示上w-r位，带下标l的表示下r位，|表示连接，n为迭代长度；

12、通过迭代公式计算dn+k：

13、m为周期参数大于1小于迭代度的整数，k＝0,1,....，⊕表示异或

14、

15、对dk+n进行变换得到随机数：

16、dk+n＝dk+n⊕dk+n>>l1，

17、dk+n＝dk+n⊕((dk+n<<l2)andmask3)，

18、dk+n＝dk+n⊕((dk+n<<l3)andmask4)，

19、dk+n＝dk+n⊕(dk+n>>l4)；其中，<<表示左移设定的位数；

20、利用随机数生成目标随机延迟时间：

21、t表示时段tmin<t<tmax，tmax为最迟广播延迟时间上限，tmin为最迟广播延迟时间下限。

22、更进一步的，的计算方式如下：

23、

24、其中，表示的最后一位，>>表示右移。

25、更进一步的，初始化位宽为w的行向量dn-1,dn-2…d0时，离线动态参数生成库利用低功耗蓝牙从机设备前一步连接时的时间戳和低功耗蓝牙从机设备的唯一编码初始化位宽为w的行向量dn-1,dn-2…d0。

26、更进一步的，离线动态参数生成库利用低功耗蓝牙从机设备前一步连接时的时间戳和低功耗蓝牙从机设备的唯一编码初始化位宽为w的行向量dn-1,dn-2…d0的公式如下：di＝fdi-1⊕di-1>>l5+i,i＝1,2,...n-1，当i＝1,di-1＝d0＝timestamp，timestamp表示前一步连接时的时间戳，f表示低功耗蓝牙从机设备唯一编码，l5表示偏移量。

27、更进一步的，针对全部的低功耗蓝牙从机设备，预定固定广播时间间隔，对于多通道的蓝牙网关，将全部的低功耗蓝牙从机设备按通道数量分组，为每组低功耗蓝牙从机设备预定固定广播时间间隔。

28、第二方面，本发明提供一种大规模低功耗蓝牙设备无碰撞连接系统，包括：蓝牙网关和多个低功耗蓝牙从机设备，蓝牙网关持续扫描，用于检测并响应低功耗蓝牙从机设备的连接请求；每个蓝牙低功耗蓝牙从机设备包含一个随机延迟时间生成模块，用于计算一个随机的目标随机延迟时间，以便在预定的固定广播时间间隔内随机化设备的开始广播时间；每个蓝牙低功耗蓝牙从机设备包含一个广播时间间隔配置模块，用于配置固定的广播时间间隔。

29、更进一步的，随机延迟时间生成模块包括：

30、离线动态参数生成库单元，所述离线动态参数生成库单元用于生成计算目标随机延迟时间的参数；

31、第一计算单元，所述第一计算单元用于计算根据初始化的dn-1,dn-2…d0计算位宽为w的行向量在参与迭代的过程中被分为两部分，带上标u的表示上w-r位，带下标l的表示下r位，|表示连接，n为迭代长度；

32、第二计算单元，所述第二计算单元用于计算

33、第三计算单元，所述第三计算单元用于对dk+n进行变换得到随机数：

34、dk+n＝dk+n⊕dk+n>>l1，

35、dk+n＝dk+n⊕((dk+n<<l2)andmask3)，

36、dk+n＝dk+n⊕((dk+n<<l3)andmask4)，

37、dk+n＝dk+n⊕(dk+n>>l4)；

38、随机延迟时间生成单元，所述随机延迟时间生成单元根据随机数生成目标随机延迟时间：

39、t表示时段tmin<t<tmax，tmax为最迟广播延迟时间上限，tmin为最迟广播延迟时间下限。

40、更进一步的，第二计算单元计算的方式如下：

41、

42、其中，表示的最后一位，>>表示右移。

43、更进一步的，初始化位宽为w的行向量dn-1,dn-2…d0时，离线动态参数生成库单元利用低功耗蓝牙从机设备前一步连接时的时间戳和低功耗蓝牙从机设备的唯一编码初始化位宽为w的行向量dn-1,dn-2…d0：di＝fdi-1⊕di-1>>l5+i,i＝1,2,...n-1，当i＝1,di-1＝d0＝timestamp，f表示低功耗蓝牙从机设备唯一编码，l5表示偏移量。

44、本发明实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

45、1)利用随机延迟时间生成算法在低功耗蓝牙从机设备中引入随机化的广播开始时间，极大地降低了当多个低功耗蓝牙从机设备同时尝试连接蓝牙网关时产生的通信碰撞风险，确保了即使在高密度设备网络环境下，也可以维持高效的连接过程。

46、2)本技术通过减少不必要的等待和重试，有效地缩减了低功耗蓝牙从机设备在连接过程中的空闲时段，从而显著减少了能量消耗。这一点对于依赖电池运行的低功耗蓝牙设备来说尤为重要，有助于延长设备的独立运行时间。

47、3)减少了因信号碰撞而引起的重复连接尝试，这不仅提高了设备的使用寿命，也减轻了网络的拥塞情况，从而提升了整个系统的运转效率和稳定性。

48、4)本发明的技术方案具备良好的可扩展性和适应性，能够适应不同规模及动态变化的设备网络环境。这对于快速发展的物联网领域和智能设备网络的未来扩张至关重要，确保了长远的应用前景。

49、综上所述，本发明克服了大规模低功耗蓝牙设备连接过程中的主要难题，还实现了资源的高效利用，并大幅提升了整体的通信效率和设备的能源效率。