基于藍牙技術的無線接入網

2019-11-03 09:35:15

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供稿：網友

吳瑞汪敏陳慧上海大學　　摘要：當前，如何實現移動用戶的無縫因特網接入成為通信領域研究的一大熱點，本文首先介紹了基于藍牙技術的兩種無線接入技術的原理，在此基礎上簡單討論了它的路由技術，提出了針對越區切換問題的一種簡單解決方案，最后給出了藍牙接入網中微微網的幾種實現方案。

1 概述

　　隨著筆記本電腦和個人數字助理（PDA）的逐漸普及，人們對通信技術的期望越來越高，希望隨時都能夠接入因特網，實現移動互聯。

　　無線接入網的概念就是指在該網內存在著多個無線接入點，移動終端通過它附近的無線接入點接入到局域網。此時的移動終端可以訪問該局域網內的其他設備，也可以通過路由器、網關訪問因特網上的資源。無線局域網支持用戶漫游，即用戶從一個位置移動到另外的位置時，實現自動切換，保持通信的連續性。目前，按照無線接入網的實現方式可分為固定無線接入網和移動無線接入網。

　　基于藍牙技術的無線接入簡稱為BLUEPAC（Bluetooth Public access），本文主要介紹藍牙技術基礎上的無線接入。

2 藍牙簡介

　　藍牙是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，它能使包括移動電話、掌上電腦、筆記本電腦、相關外設和家庭電器等眾多設備之間進行信息交換。藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段。藍牙的數據速率為1Mb/s，通信范圍為10米到100米，可以同時支持數據和語音的傳輸。

　　藍牙網絡的基本單元是微微網（Piconet），微微網由主設備（Master）單元（發起鏈接的設備）和從設備（Slave）單元構成。藍牙采用自組式組網方式（Ad-hoc），一個微微網中，有一個主設備單元和最多7個從設備單元。主設備單元負責提供時鐘同步信號和跳頻序列，從設備單元一般是受控同步的設備單元，接受主設備單元的控制。例如，辦公室的PC機可以是一個主設備單元。主設備單元負責提供時鐘同步信號和跳頻序列，從設備單元一般是受控同步的設備單元，接受主設備單元的控制。例如，辦公室的PC機可以是一個主設備單元，而無線鏈盤、無線鼠標和無線打印機可以充當從設備單元的角色。一組相互獨立、以特定的方式連接在一起的微微網構成一個分布式網絡（Scatternet），一個微微網中的主設備單元同時也可以作為另一個微微網中的從設備單元，這種設備單元又稱為復合設備單元。藍牙獨特的組網方式賦予了它無線接入的強大生命力，同時可以有7個移動藍牙用戶通過一個網絡節點與因特網相連。

3 蜂窩ip和移動IP

　　目前將TCP/IP協議用于移動用戶主要有兩種技術：蜂窩IP移動和移動IP。本文將結合藍牙技術分別討論它們的工作原理。

3.1 蜂窩IP(Cellular IP)的概念的工作原理

　　TCP/IP是在假定終端設備固定的情況下設計的，基于TCP/IP的高層協議也不可能滿足終端移動性的要求。當無線LAN接入應用于移動用戶時，移動用戶在不同的基站間快速切換必然會引起嚴重的路由問題，這樣就引入了移動用戶使用一個依賴于子網的IP地址的技術，這就是蜂窩IP。在藍牙技術下應用蜂窩IP的工作原理如下：

　　移動藍牙用戶（以下簡稱BT用戶）需要無線接入時，它將發出查詢命令，當基站能夠接受新用戶時，連接就建立起來了。這時BT用戶將通過基站向藍牙代理發送登記請求，藍牙代理經過驗證返回一個包含分配給BT用戶的臨時IP地址、代理服務器端口地址、以及DNS地址的分組。BT用戶收到這個分組后，就可以采用該IP地址向因特網收發數據，也可以與本局域網內其他的BT用戶通信。

　　當BT用戶移動位置時，如果BT用戶的接收信號強度（rssI）小于某個門限值時，它將發出查詢命令，查找是否有更近的基站存在，如果有，將與新的基站建立連接，這時BT用戶將通過新的基站向藍牙代理發送登記請求，藍牙代理返回一個新的包含臨時IP地址、代理服務器端口地址、以及DNS地址的分組，BT用戶通過該IP地址向因特網收發數據。

3.2 移動IP的概念和工作原理

　　與蜂窩IP的工作機理不同，在移動IP中，移動用戶可以使用一個固定的IP地址在任何地點采用任何方式連接到因特網上，當移動用戶移動到另外一個網絡或者子網時，移動用戶可以在不改變IP地址的情況下仍保持通信，移動IP正是當前移動通信的研究熱點。在藍牙技術下應用移動IP的工作原理如下：

·本地代理（BT用戶所在的本地網上的路由器）和外地代理（BT用戶當前所在網絡上的路由器）不停地向網上發送代理消息，以證明自己的存在。

·BT用戶接收到這些消息后，確定自己是在本地網還是在外地網。

·如果BT用戶發現自己是在本地網，并且收到的是本地代理發來的消息，則不啟動移動功能：如果仍然收到外地代理發來的消息，則向本地代理發送注銷原位置（外地網）的命令，聲明自己已經回到本地網。

·當一個BT用戶檢測到它已移動到外地網，它將獲得一個轉交地址，該地址包含兩方面的信息：一個是外地代理的IP地址，一個是外地代理通過某種機制與BT用戶暫時對應起來的網絡地址。

·然后BT用戶向本地代理注冊，表明自己已經離開本地網，并把所獲得的轉交地址通知本地代理。

·注冊完畢后，所有通向BT用戶的數據包將被本地代理截獲，并由本地代理通過IP隧道（tunnel）發往外地代理。外地代理接收到后，再把數據包轉發給BT用戶。這樣即使BT用戶已經從一個子網移動到另一個子網，BT用戶的數據通信仍然能夠繼續。

·BT用戶發往外地數據包一般按IP尋徑方法送出，不必通過本地代理。值得一提的是移動I賓路由問題，傳統移動IP采用三角路由技術。

　　BT用戶向通信對端發送信息時，直接通過外地代理傳送，但是從通信對端發往BT用戶的數據卻由本地代理截收，再根據轉交地址中的地址信息，采用隧道技術發送給外地代理，外地代理再傳送給BT用戶。這種方案的缺點在于它增加了本地代理的負擔，并且路由的選擇不是最佳的，增加了路由的延時。IETF建議的一種改進方案如下：通信對端在向BT用戶發送數據之前首先向本地代理注冊，從而獲得BT用戶的轉交地址，再根據地址信息，直接傳送給BT用戶。這種方案在BT用戶頻繁越區移動時，若本地代理來不及刷新轉交地址信息，將容易造成數據包的丟失。下面我們給出一種簡單的解決越區切換問題的方法。

3.3 越區切換問題

　　要實現BT用戶的無縫接入，最關鍵的問題就是越區切換。為了提高切換性能，可以采用在外地代理加緩沖區的辦法來減少包的丟失率，這種方案的具體實現如下：當BT用戶移動位置時，如果BT用戶的接收信號強度（RSSI）小于某個門限值時，它將發出查詢命令，查找是否有更近的外地代理存在，同時它也向原先的外地代理發出聲明，告之它將切換到新的外地代理。BT用戶移動到新的外地代理的登記請求沒有被本地代理確認前，原先的外地代理將通信對端發送來的數據包存儲在緩沖區里。在登記請求確認后，本地代理通過新的外地代理給BT用戶發出確認消息，同時刷新通信對端的轉交地址，使通信對端獲得BT用戶的新的轉交地址，將以后的數據包發送到新的外地代理，再轉發給BT用戶。BT用戶收到登記確認消息后，解除其在舊的外地代理的全記，并且通知它新的轉交地址，使它釋放緩沖區的數據包到新的外地代理，再轉發給BT用戶，這樣就避免了切換時的數據丟失。

3.4 移動IP和蜂窩IP在藍牙中的不同應用

　　蜂窩IP主要應用于BT用戶地點相對固定的場合，比如火車站、醫院等，它可以通過藍牙技術與固定網絡節點（公共電話網的節點）技術相結合來實現，這里藍牙技術主要用于BLUEPAC網內數據的無線傳輸。這種技術的應用也可以很方便地實現一個家庭中的幾臺電腦的無線連接，并且能同時通過一個節點上網。移動IP主要應用于BT用戶移動區域較大的場合，比如火車、飛機等，它可以通過藍牙技術與移動網絡節點（帶WAP功能的手機）技術相結合來實現。由此可以看出藍牙的無線接入網方案是與其它技術相結合的產物，因此它可以最大限度地利用現有設備，節省開支，為藍牙技術的普及打下基礎。

4 BLUEPAC中微微網的組網方式

　　BLUEPAC技術的關鍵在于能夠允許BT用戶在基站之間移動，并且確保外界的通信不受到影響。在BLUEPAC中的微微網有以下幾種組網方式。

4.1 基站作為藍牙從設備，BT用戶作為主設備

　　在該網絡中每一個BT用戶都將基站作為它的從設備而建立一個微微網。這種方法的優點是：當BT用戶需要新的基站建立連接時，它只需發送一個查詢（Inquiry）和尋呼（Page）消息來查找新的基站，切換的處理過程很簡單。這種方法的缺點是：這時的基站同時處于幾個微微網中，必須與它們都保持同步，因此基站必須應用時分復用來滿足多個微微網的尋址及通信，這樣在不同時鐘的微微網下的時分復用必將帶來通信性能的惡化。這種方案更適用于移動IP技術。

4.2 基站作為藍牙主設備，BT用戶作為從設備

　　在該網絡中基站作為主設備與多個BT用戶建立一個微微網。在藍牙技術中，從設備只有在被主設備尋址之后才能發送數據，因此在這種方式下，基站控制著該鏈路的介質訪問權，并且BT用戶在某個時間段發送的數據包的數量也由基站控制。這樣BT用戶訪問因特網的效率將大打折扣，并且，在這種結構中，一個藍牙微微網只能由一個主設備和7個從設備構成，因此一個基站最多只能與7個BT用戶相連。這種方案更適用于蜂窩IP技術。

4.3 主從切換方式

　　鑒于上面兩種方法的優缺點，我們給出下面一個折中的方案。

　　初始時，基站作為主設備，BT用戶作為從設備，當某個連接建立后，BT用戶變為主設備，基站變為從設備，也就是說在連接建立后進行一次主從切換。這時對于其他BT用戶來說，基站仍然是主設備。這種方案最大的缺點是切換過程處理起來很復雜。

　　比較這三種方案的性能時，一個不可忽略的參數就是當BT用戶從一個基站轉移到國一個基站的失鎖時間，它包括：鏈路管理計時器檢測到的與當前基站失去連接的時間、查詢區域內新基站的時間、通過發送尋呼消息與新基站建立同步的時間。

5 小結

　　本文詳細介紹了基于藍牙技術的兩種無線接入技術的工作原理，提出了在外地代理中增設緩沖區來解決越區切換問題的方案，并且給出了BLUEPAC網中微微網的幾種組網方式。

　　今天，藍牙被認為“不僅是技術的集成，更是概念的創新”，它取代了電纜，更以其成本低廉，組網靈活而成為下一代個人區域網的理想實現技術。基于藍牙技術的蜂窩IP和移動IP中的基站可以是任一具有藍牙內核的PC機、筆記本電腦、甚至手機，增加的只是上層軟件的復雜度，與目前提得較多的IEEE802.11無線接入技術相比，我們認為藍牙在小區域組網中將更具優勢。

摘自《移動通信（2001年第11期）》

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