藍牙分布式網絡的構建及路由協議

2019-11-03 09:27:19

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曹常義　單方驥　　摘要　由藍牙微微網組成的分布式網絡與一種新型的無線局域網----自組網相類似，文章在對自組網進行改造和拓展的基礎上，探討藍牙分布式網絡的構建，同時對其路由協議進行研究。

　　關鍵詞　藍牙　分布式網絡　自組網　無線局域網　路由算法

　　1　藍牙分布式網絡

　　藍牙技術的提出為短距離低功耗無線通信尋找到一條全新的途徑。把一個9mm×9mm芯片嵌入到手機、PDA和數字相機等移動終端中，就可以完成設備之間的無電纜連接，實現無線局域網（WLAN）和信息家電等構想。　　Bluetooth采用2.4GHz ISM頻段，使用小范圍射頻鏈路，鏈路建立在跳頻頻譜上，可在同一通信帶寬內干擾地傳輸多個信道信息，實現終端之間的信息交換。共存于同一信道的若干設備單元構成一個微微網（piconet）。在微微網中，若某臺設備的時鐘和跳頻序列用于其它設備，則稱為主設備（master），否則就稱為從設備（slave），一個微微網中只有一個主設備和多個從設備（不多于8個）。在同一微微網中，所有用戶均用一跳頻序列同步。若干相互獨立的微微網連接在一起，構成藍牙分布式網絡（scatternet）。各微微網由不同的跳頻序列區分，在一個互連的分布式網絡中，一個節點設備可同時存在于多個微微網中，但不能在兩個微微網中處于激活狀態（active）。

　　不難看出藍牙分布式網絡是自組網（ad hoc networks）的一種特例。自組網是一種新型無線局域網，它起源于美國軍事領域，是一種多跳的臨時性自治系統，無線終端兼有路由器和主機的功能，網絡的拓撲結構是動態和分布式的。自組網是移動計算機通信網絡的一種，主要用于移動數據傳輸，由于無基站支持，使網絡中數據轉發的選路問題成為研究重點。

　　藍牙特殊利益集團（Bluetooth SIG）制定的協議中，尚未對藍牙微微網網間通信和藍牙分布式網絡的構建等內容作出描述，本文在類比的基礎上，對自組網進行改造和擴展，以使其能符合藍牙分布式網絡的特征。　　2　自組網的技術特點

　　20世紀70年代，美國國防部開始研究一種新的分組無線網絡，以便能在戰爭中保持通信網絡的可靠性。自組網的概念起源于此，后來該技術涉足民用，并已有相關產品面市。

　　2.1　自組網的技術特點

　　移動無線通信網絡通常以蜂窩移動通信網絡或傳統無線局域網的形式出現，這兩種網絡具有一個共同點，即移動終端的接入均需通過基站等轉接設備來完成。蜂窩移動通信網絡中的移動終端不具備路由功能，它是由移動交換機負責路由和交換，并同時充當網關，通過有線方式接入固定網。在傳統無線局域網中，配備無線局域網網卡的移動節點，通過無線接入訪問點，連接到固定網絡，兩個距離較遠且布線不便的局域網通過無線網橋進行連接，局域網中主機的移動性是通過移動ip協議實現的。

　　與移動無線通信網絡相比，自組網定義了一種全新的思想。在自組網的局域環境中，每個用戶終端不光有簡單的主機功能，而且兼有路由器功能，兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其它終端的分組轉發進行數據通信。自組網是一種無中心的分布式結構，可以近似地把它看作藍牙分布式網絡中的一種微微網。

　　自組網最大的特點是可以無基站支持，每個移動終端的地位是平等的，并可獨立進行分組轉發的決策，其建網靈活性，多跳性、拓撲結構動態變化和分布式控制等特點是構建藍牙分布式網絡時參考的基礎。同時，自組網存在傳輸帶寬有限、可擴展性不強和安全性差的局限。

　　2.2　自組網路由選擇

　　單跳網絡的分組傳送無須通過網絡層，因此無線局域網和紅外網絡的研究內容主要集中在網絡的物理層和數據鏈路層上（包括信號編碼、糾錯、頻率復用和信道共享等等）。對于多跳的自組網而言，研究重點則在于以路由選擇為核心網絡層的設計。自組網從被提出之日起，網絡中的路由算法便成為研究的主要方向，目前已提出多種路由算法，其中以DSDV、WRP、DSR、ABR、ZRP、AODV、TORA和LS_QoS等協議為代表。

　　2.3自組網的應用

　　自組網可通過藍牙、無線局域網網卡或IrDA等設備自主組建，完成無線移動終端之間點對點、點對多點和多點對多點連接。目前，國外已有自組網相關產品面市，可為軍事領域和應急民用領域提供較為可靠的通信網絡。

　　3　藍牙分布式網絡的構建

　　3.1　微微網的網絡特征

　　在藍牙微微網中，任兩單元之間可通過無線信道建立點對點、點對多點連接，多個相互獨立的微微網可組成一個具有自組網特征的多跳分布式網絡。

　　在每個微微網中，用一組偽隨機跳頻序列來確定79個跳頻信道，這個跳頻序列對于每個微微網來說是唯一的，由主設備地址和時鐘決定。藍牙無線信道使用跳頻/時分復用（FH/TDD）方案，信道以625ps時間長度劃分時隙，根據微微網主設備的時鐘對時孫進行編號，號碼從0-（2²⁷-1）以2²⁷為一個循環長度，每個時隙對應一個跳頻頻率，通常跳頻速率為1600跳/s。主設備只在偶數時隙開始傳送信息，從設備只在奇數時隙開始傳送，信息包的開始與時隙的開始相對應。

　　微微網中信道的特性完全由主設備決定，主設備的藍牙地址（BD_ADDR）決定跳頻序列和信道接入碼，主設備的系統時鐘決定跳頻序列的相位和時間。根據藍牙設備的平等性，任何一個設備都可以成為網絡中的主設備，而且主、從設備可轉換角色。

　　3.2　分布式網絡的網絡特征

　　雖然藍牙的分布式網絡與自組網存在極大的相似性，但在構建分布式網絡時，必須對自組（特別是對移動自組網MANET）進行優化，這是藍牙本身具有獨特征所決定的。

　　這是由于：（1）藍牙基帶層分組大小的限制，MANET解決方案必須在每個中繼節點對藍牙分組進行分段重組，導致每個節點緩沖空間需求增加，每次跳頻時的豐儲轉發時延增大；（2）在互連過程中，分布式網絡具有的拓撲結構與自組網存在差別。分布式網絡中的移動設備根據連接發起者分為主設備和從設備，從設備之間的通信必須經過主設備才能建立。此外，在流量特征、移動性模型和網絡覆蓋范圍等應用方面，分布式網絡與典型的自組網也存在區別。

　　由于分布式網絡是準靜態的，生存周期短，范圍小，MANET構建方案中的范圍性和可適性考慮就顯得沒有必要了。多個微微網互連組成分布式網絡時，可以通過兩種方式，一種是通過同時存在于兩個微微網中的從設備進行轉接，另一種是兩個主設備直接建立連接。

　　3.3　分布式網絡中微微網的網間切換

　　各移動終端之間的對等性使微微網切換成為可能。微微網切換是指主從設備角色的轉換，藍牙系統中采用多路復用技術實現微微網切換。若當前系統只有ACL鏈接，一個單元可在當前微微網中進入保持或休眠模式，在此期間，它可通過改變信道參數，加入其它微微網；若SCO鏈接已建立，則只能在兩者之間的非保留時隙上，訪問其它微微網；若只有一條使用HV分組的SCO鏈接，則只能保持原樣。

　　由于多個微微網不能保持同步，所以必須采用保護時間來解決多個微微網未對準的狀況。加入兩個微微網的一個從單元必須兼顧兩個加入到它自身的本地時鐘補償，并創建一個或另一個主單元時鐘。由于兩個主時鐘獨立，會發生時間漂移，為了保證從單元與兩個主單元同步，必須定期修改補償值。主從單元切換分為兩步：（1）指定主單元與從單元的TDD切換；（2）所有微微網單元的微微網切換。當所有的從單元都接收到FHS分組時，每個單元將使用由新主單元定義的新微微網參數。至此，微微網切換完成。

　　4　藍牙分布式網絡的路由算法

　　4.1　網絡模型元素

　　藍牙系統中的一個移動終端就是一個定義的藍牙單元，每個單元由唯一的48bit藍牙地址標識。一個微微網中定義一個主設備和多個從設備。一個從設備由3bit的MAC地址簡單標識，用MacAddr表示。這里對MacAddr作如下定義：MacAddr＝000時，表示在一個微微網中進行消息廣播。本文僅討論在ACL信道上進行分組傳輸。

　　藍牙系統把信道分為625ps間隔的時隙。分組數據由72bit的接入碼、54bit的頭以及凈荷組成。

　　在分布式網絡中進行路由選擇時，本文采用路由矢量方法，用第3層（layer III）的控制信息進行協作，本文采用的路由協議中所設計的相關域。本文采用路由矢量選路方式完成藍牙分組在分布式網絡中的傳送。該路由選擇方式是基于中繼表的，這一點與IP或ATM相同，基于源路由，即分組中攜帶路由信息。對無線網絡而言，路由協議表是路由選擇的基礎。路由矢量方法會導致較大的開銷，但它卻能體現分布式網絡系統的優點，我們必須構造表格實體，刪除已完成的連接和連接失敗的連接主體。對此，可參考藍牙系統本身的特點和路由矢量方法，得到針對藍牙分布式網絡中單播和多播傳輸的有效方法，由LocID標識微微網，可降低分組中的開銷?！　?.2　微微網內節點之間的通信

　　在微微網內部，兩個從設備之間進行單播通信時，必須經過主設備才能完成。在第2層（Layer III）的分組頭中沒有目的從設備的地址信息。這樣，若由連接不同微微網的從設備完成分組傳送，則必須存在第3層。DA包含目的從設備的MacAddr；當主設備接收到分組后，主設備去掉第2層的頭，并把凈荷封裝成第3層分組格式。當FF=1，第3層處理器就把凈荷數據放到一個新的分組中，并把這個分組傳送到目的從設備。這個分組傳送過程就是微微網內部分組單播傳送的過程。如果FF=1，DA=000，則表示分組是在微微網內部進行廣播。這種廣播方式并不能保證有效性，只是在微微網中多廣播幾次，高層協議必須重復檢測接收到的廣播分組是否重復。

　　4.2.1微微網內部的單播通信

　　為了減小開銷，這里用LocID代替48bit的藍牙地址，由于一個微微網中所允許的從設備不能超過8個，所以LocID取3bit。這3bit的LocID可直接分配給微微網內部相連的節點。分組由源節點生成發出后，傳送過程中的分組就會在RVF域的隊列中寫入相應的ID號，以便記錄經過的路由和節點。源節點通過路由發現協議獲得分組的路由。當一個中繼收到一個分組后，就會把這個分組發向第一個LocID所對應的微微網主設備，在此過程中，由RVF域中的第一個macAddr給出獲得的MAC地址。節點在發送分組之前，會去掉第一組標號。

　　4.2.2微微網內部的廣播通信

　　分組的廣播與單播通信相似，如果一個單元已經收到該分組，那么以后收到的相同分組就被刪除掉，否則該節點就會把這個分組發送給　所有的相鄰節點。

　　廣播分組的數據所中，當BF=1，則RVF域在第3層層面上包含該分組所經過的中繼和主設備的48bit藍牙地址序列。當一個中繼節點收到一個微微網內部的廣播分組時，該節點就會查看其RVF域，如果RVF域中有該節點的藍牙地址，節點就會刪去該分組，否則這個中繼就會把自己的地址加入到RVF域中，并把該分組的凈荷部分傳給其它相連的主設備。這里，分組中FF＝1，DA＝000。

　　如果分組是一個從設備發出的，它就會把分組發送給主設備，由主設備在整個微微網內部廣播。不難想象，若要使分布式網絡內部所有節點都接收到一個節點的廣播分組，就必須廣播多次，導致網內業務量較大，效率降低，為了解決該問題，必須在每個節點中增加相應的緩存，以便存儲，減小冗余。

　　4.3路由發現

　　上述路由選路是基于現有路由矢量表，因此在作路由選路之前，必須運行路由發現協議，建立路由矢量表，而且該表應是動態變化的。

　　為了建立路由矢量表，源節點會發送一個搜尋分組（search packet），該數據報是基于第3層的控制分組。該分組在整個分布式網絡中廣播，搜尋到的數據報中凈荷部分就是累積成的源節點到目的節點路由列表。源節點使用自身的MacAddr對路由列表進行初始化，每一個中繼節點收到該分組后，就會在該發組數據中加入相關的LocID或MacAddr地址。當目的節點收到搜尋數據分后，會以多播方式返回一個應答分組（reply packet），應答分組按照搜尋分組中的路由返回到源節點，至此，源節點與目的節點之間的路由矢量表就建立起來了?！　≡谖磥韨€人通信，無線局域網、藍牙系統等技術前景看好，但目前藍牙標準還沒有真正完善，尤其是上層協議尚未建立。在構建藍牙系統時，必須考慮系統的上層功能，本文僅以自組網中的相似性，對藍牙分布式網絡的構建和上層路由協議進行探討，自組網的路由協議已成為目前研究的熱點，在許多相關協議中，哪些協議更適合藍牙分布式網絡的路由選路和路由發現，仍是今后應關注的問題。

摘自《電信快報》2002.5

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