|
- UID
- 1023166
- 性别
- 男
- 来自
- 燕山大学
|
[导读] 蓝牙技术作为一种小范围无线连接技术，能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通信，是目前实现无线个人局域网的主流技术之一。
关键词：个人局域网蓝牙技术
蓝牙技术作为一种小范围无线连接技术，能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通信，是目前实现无线个人局域网的主流技术之一。同时，蓝牙系统以Ad Hoc的方式工作，每个蓝牙设备都可以再网络中实现路由选择的功能，可以形成移动自组网络。蓝牙的特性在许多方面正好符合Ad Hoc和WPAN的概念，显示了其真正的潜力所在。而且，将蓝牙与其他网络相连接可带来更广泛的应用，例如接入互联网、PSTN或公众移动通信网，可以使用户应用更方便或给用户带来更大的实惠。作为医院有线局域网的补充，蓝牙无线个域网克服了有线网络的弊端，可利用电脑等随时随地进行生命体征数据等的查询录入，在无线监护方面发挥着重要作用。
1蓝牙组网机制
1.1蓝牙个域网的网络特性
作为蓝牙SIG的一个工作组，蓝牙个人区域网工作组的主要目标是定义基于IP的蓝牙个域网应用协议，解决以太网数据包的封装、单个微微网中基于IP的个人区域网络、主设备的转发以及局域网接入点的问题。蓝牙个人区域网协议描述了2个及多个的蓝牙设备如何组成一个Ad Hoc网络以及如何使用同样的机制通过网络接入点接入远程网络。网络接入点可以是传统的LAN数据接入点，而分组Ad Hoc网络表示的仅是一组相互连接的设备。
分组Ad Hoc网络是一组移动主机的集合，它们可以再无需其他网络硬件或网络设施的支持下组成一个Ad Hoc无线网络。PAN协议更侧重的是由一个蓝牙微微网构成的简单个人Ad Hoc网络。网络中有最多可容纳8个设备，其中一个是主节点，其余是从节点。
蓝牙PAN网络具有以下Ad Hoc网络的共同特点：
（1）独立组网能力
各节点在一定网络构成算法的支持下，可以在很短的时间内自动组成一个独立的网络而无需任何网络设施支持。
（2）多跳路由
节点的发射功率较低，因此覆盖范围有限。相互通信范围之外的节点通信需要经过中间节点的转发，经过多跳实现。
（3）拓扑动态变化
在蓝牙PAN中，某些节点具有移动性，可能随时离开或再次加入网络，也有些节点会随时关闭电源，引起节点和链路数量分布的变化，因此蓝牙PAN的拓扑结构可能随时发生变化。
（特殊的信道特征
收无线信道的冲突、信号衰减、噪声以及信道之间的干扰等影响，蓝牙链路的实际带宽远小于理论带宽，而且动态变化。
（5）节点的局限性
大部分蓝牙节点依靠电池供电，能量受限，而且节点存在移动性、内存小以及处理器处理能力有限等特点，因此有效的减少节点能耗非常重要。
（6）安全性
虽然蓝牙采取了严密的安全机制，但由于Ad Hoc网络特点，蓝牙节点易受到窃听、主动入侵与拒绝服务等网络攻击。
蓝牙PAN还有不同于其他Ad Hoc网络的一些特性：
（1）节点通信范围有限
蓝牙节点有效发射距离一般为几米到几十米，儿IEEE802.11等自组织网络可达到几百米。
（2）移动性相对较小
相比其他Ad Hoc网络设备，蓝牙节点的移动速度和频率较小。
（3）带宽窄
蓝牙通常用做数据、语音与低速率的视频传输等应用，因此带宽较窄，目前蓝牙2.0规范定义的最高带宽也只有3Mbit/s，因此，蓝牙网络带宽的优化是个很重要的发展方向。
1.2蓝牙网络的拓扑结构
蓝牙系统采用一种灵活的无基站的组网方式，使得一个蓝牙设备可与7个其他的蓝牙设备相连接。蓝牙系统的网络结构的拓扑结构有2种形式：微微网（Piconet）和散射网（Scatternet）。
（1） 微微网
微微网是通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是2台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。在一个微微网中，所有设备的级别是相同的，具有相同的权限。蓝牙采用自组式组网方式（Ad Hoc），微微网主设备（Master）单元（发起链接的设备）和从设备（Slave）单元构成，有一个主设备单元和最多7个从设备单元，如图1所示。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，受主设备单元控制。
图1 一个主设备和多达7个从设备组成的微微网
在每个微微网中，用一组伪随机跳频序列来确定79个跳频信道，这个跳频序列对于每个微微网来说是唯一的，由主节点的地址和时钟决定。蓝牙无线信道使用跳频/时分复用（FH/TDD）方案，信道以625μs时间长度划分时隙，根据微微网主节点的时钟对时隙进行编号，号码从0-（227-1）以227为一个循环长度，每个时隙对应一个跳频频率，通常跳频速率为1600跳/s。主节点只在偶数时隙开始传送信息，从节点只在奇数时隙开始传送，信息包的开始与时隙的开始相对应。微微网中信道的特性完全由主节点决定，主节点的蓝牙地址（BD_ADDR）决定跳频序列和信道接入码，主节点的系统时钟决定跳频序列的相位和时间。根据蓝牙节点的平等性，任何一个设备都可以成为网络中的主节点，而且主、从节点可转换角色。
主节点通过轮询从节点实现两者之间的通信。从节点只有收到主节点的的信息包方可发送数据。如图2，从节点2在t时刻收到来自主节点的数据包，此时频率为f（k），之后它可以在下一个时隙通过f（k+1）频率向主节点发送数据包。同理，从节点1在t2时刻收到主节点的数据包，此时频率为f（k+2），并且在时间t3通过频率f（k+3）发送数据包给主节点。
图2微微网内通信轮询机制
（2）散射网
一个微微网最多只能有7个从节点同时处于通信状态。为了能容纳更多的
装置，并且扩大网络通讯范围，多个微微网互连在一起，就构成了蓝牙自组织网，
即散射网，图3。在散射网中，不同微微网间使用不同的跳频序列，因此，只要彼此没有同时跳跃到同一频道上，即便有多组资料流同时传送也不会造成干扰。连接微微网之间的串连装置角色称为桥（Bridge）。桥节点可以是所有所属微微网中的Slave角色，这样的Bridge的类别为Slave/Slave（S/S）；也可以是在其中某一所属的微微网中当Master，在其他微微网中当Slave，这样的Bridge类别为Master/Slave（M/S）。桥节点通过不同时隙在不同的微微网之间的转换而实现在跨微微网之间的资料传输。蓝牙独特的组网方式赋予了桥节点强大的生命力，同时可以有7个移动蓝牙用户通过一个网络节点与因特网相连。它靠跳频顺序识别每个微微网，同一微微网所有用户都与这个跳频顺序同步。
蓝牙散射网是自组网的一种特例。其最大特点是可以无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可以独立进行分组转发的决策，其建网灵活性、多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙散射网的基础。
图3蓝牙散射网实例
1.3蓝牙散射网拓扑构建的规则
在一个蓝牙WPAN拓扑结构中，主设备或从设备只是节点的一个逻辑状态。一个单元只能是一个微微网的主设备，但可以参与多个相互重叠的微微网。一个主设备或一个参与多个微微网的活动从设备称为桥；允许微微网构成一个被称为散射网的较大网络。由于使用了跳频技术，一个桥在同一时间不能作为多个微微网的活动设备；桥必须在一个时分基上的2个微微网间进行转换，转换时必须与当前的微微网再同步，这会带来一个严重影响系统性能的重要开销。
蓝牙WPAN最主要的问题在于构造散射网时遇到由系统规范和通信量需求造成的约束。节点如何组成微微网以及哪个节点作为主设备或桥，对系统的容量、吞吐量和电池的使用时间具有重要影响。
因此，在散列网的构建过程中必须要减少设备间不必要的通信链接以提高网络的吞吐量。每个微微网内设备间的链接是必须的，各微微网内的设备必须要建立通信链接，以交互信息。因此，冗余通信链接主要在微微网互连阶段。在该阶段中，各微微网之间需要通过桥互连形成蓝牙自组织网。如果两个微微网之间存在过多的桥，或者一个桥链接多个微微网均会增加冗余通信链接，造成蓝牙自组织网通信性能的下降。通过合理的选桥算法，可以有效降低微微网之间的冗余通信链接。
基于上述分析，我们总结出能够提高散射网性能的组网规则如下：
（1）在蓝牙组网的形成过程中应合理控制微微网的数目，使其限定在一个固定值，以减少微微网之间的通信干扰，保持网络复杂性最小。
（2）减少自组织网内桥节点的负载，防止其成为网络通信的瓶颈。这样不仅能简化桥节点的调度算法，还能缩短因桥节点在不同微微网间切换的而造成的通信传输时延，从而提高网络的性能。
（3）限制设备间的冗余通信链接，尤其是微微网之间的通信链接。通过限制设备间的冗余链接量，可减少设备间的电力消耗，延长网络的使用寿命，还能因减少桥的负载而提高网络的吞吐量。
（在组建蓝牙自组织网的过程中，应优先使用Slave/Slave（S/S）桥，尽量避免使用Master/Slave（M/S）桥，以减少数据包在桥节点上的转发时延，增加蓝牙自组织网的通信量。
（5）网络拓扑形状优良，可以使网络具有自路由功能，从而提高网络的通信能。
1.4蓝牙散射网拓扑构建的关键问题
蓝牙散射网拓扑构建就是将一组彼此分离的蓝牙节点连接起来，因此蓝牙节点的互相发现过程和节点的角色分配等问题对蓝牙网络的构建以及网络负载均衡影响很大。
（1）蓝牙节点的互相发现
蓝牙节点的互相发现过程是蓝牙散射网拓扑构建过程中的关键部分，在这一过程中，每个蓝牙节点都应该知道它自己通信范围内的节点信息，这个信息应该是对称的，但蓝牙网络中节点数目的不确定性和蓝牙基带规范中节
点连接机制的不对称性给蓝牙节点发现过程的成功实现带来了挑战。
蓝牙规范中规定蓝牙的链接形成由查询（Inquiry）和寻呼（page）两个过程组成，查询过程并没有保证查询节点与被查询节点互相知道对方。欲发现相邻节点的查询者在发送查询包时，并没有发送它自己的唯一蓝牙识别码，被查询者收到查询包时不知道查询者的信息；另外蓝牙发现机制要求处于相对模式（查询Inquiry和查询扫描Inquiry scan模式）的两个节点才能互相交换数据，但如何保证两个相邻节点处于相对模式的方法却没有明确规定。这是蓝牙散射网拓扑构建算法应该解决的关键问题。
目前大多数算法采用以下做法：在预定义的节点发现时间长度内，允许每个节点在Inquiry查询模式和Inquiry scan查询扫描模式之间交替变化，每个模式的持续时间在给定的时间范围内是随机的，当两个处于相对模式的节点握手时，他们建立一个临时的微微网。查询者进入寻呼模式（Page）成为主节点，被查询者进入寻呼扫描（Page scan）模式，成为从节点。两个节点交换他们的ID和下阶段协议需要的信息。信息交换完毕后，微微网就断开。
这样在充足时间内两个相邻节点处于相对模式，从而互相发现的概率值很大。
（2）首领节点的选举过程和方法
因为节点开始时是异步的，还没有其他参与网络构成的节点的相关信息。所以通过选举方式选取首领节点将控制整个网络的构成，获得所有参与构成网络的节点的相关信息，并保证最终形成的散射网是连通的。另外，首领节点的资源应该是丰富的，保证整个网络的健壮性。
（3）各微微网中的主节点的选举
主节点负责维护各个微微网内的节点通信，主节点性能的好坏直接影响该网络的性能。主节点消耗的能量大，因此应该选择能量充分，健壮的节点作为主节点。
（4）桥节点的选择
桥节点对保证蓝牙散射网的连通起着关键性的作用，在网络中，桥节点在同一时刻只能在一个微微网中处于活动状态，它采取时分复用方式在这些微微网间切换，每切换到一个微微网，就与该微微网同步。桥节点一般分为两类：主桥节点和从桥节点，主桥节点是桥节点在一个微微网中为主节点而在另一个微微网中为从节点，称为M/S桥。从桥节点是桥节点在两个微微网中都为从节点，称为S/S桥。
蓝牙微微网通过M/S桥连接而形成的蓝牙散射网的拓扑为分级结构，
如图4示：
图4 牙散射网的分级拓扑结构
分级结构中，网络拓扑表现为树形，假设树的根节点所在的微微网为根微微网，其他的微微网为叶微微网，则叶微微网的主节点为根微微网的从节点。各微微网的内部通信可独立进行，但微微网之间的通信要通过根微微网。因为叶微微网的主节点为桥节点，当它参与根微微网的通信时，所有叶微微网的通信将被挂起，严重降低了系统的吞吐量。
蓝牙微微网通过S/S桥连接而形成的蓝牙散射网的拓扑为平面结构，如
图5所示：
图5 蓝牙散射网的平面拓扑结构
平面结构中，相邻微微网之间通过共享从节点进行通信，共享的从节点在休眠模式与活动模式之间切换，可以在这些微微网中交替地处于活动状态，实现微微网之间的通信，这种结构是分布式的，利于负载平衡，网络也更健壮。
综上所述，桥节点的选择在保证网络连通性的前提下，还要考虑所连通网络的健壮性，桥节点本身的健壮性也就很关键，因此应选择能量充足的节点作为桥节点；另外桥节点参与的微微网数量应尽量少，保证网络负载平衡，以及避免桥节点在不同微微网间切换带来的时间延迟和能量消耗。通过以上分析，我们知道只有对以上几个关键问题有所突破的拓扑构建算法才能构建出连通的，分布式的，时间延迟小的，健壮的蓝牙散射网。
|
|
