藍牙路由機制

2019-11-05 00:39:55

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供稿：網友

　　藍牙技術提供低成本、短距離的無線通信，構成固定和移動設備通信環境中的個人網絡，使得近距離內各種信息設備的資源共享得以實現。
　　
　　　　但是，藍牙技術仍不完善。如藍牙的傳輸距離短，要突破目前藍牙10米距離的限制，使通話范圍在整個大樓、整個廠區、甚至整個系統還比較困難，且2個移動電話之間的交換/傳輸問題，藍牙協議未作規范。
　　
　　　　為加快藍牙技術的商用化進程，對藍牙技術及其協議的研究與完善十分重要。本文就是針對藍牙最新規范1.1，在些基礎上提出一種全新的藍牙路由機制。該機制中信息交換中心MSC與固定藍牙主設備FM之間通過有線電纜連接，二者之間的通信不通過藍牙跳頻技術，移動終端MT與FM之間進行正常的藍牙通信。這樣可使不同MSC的移動終端MT之間進行路由、切換，可使藍牙網絡突破10米的限制，從而覆蓋整個樓層，甚至整個大樓。
　　藍牙技術概述
　　藍牙技術是便攜式電子設備和固定式電子設備之間代替電纜聯接的短距離無線通信的標準，它的主要特點是工作穩定、設備簡單、功率低、價格便宜。藍牙的速率為1mbit/s，每個時隙寬度為325μs，采用時分雙工TDD方式，高斯頻移鍵控（GFSK）調制方式。藍牙支持一個異步數據信道。每一個話音信道支持64kbit/s的同步語音；異步信道支持的最大速率為721kbit/s，反向應答信道是速率為57.6kbit/s的非對稱連接，或者是432kbit/s的對稱連接。系統采用跳頻技術抗信號衰落，使用快跳頻的短分組技術減少同頻干擾來保證傳輸的可靠性，采用前向糾錯FEC技術來減少遠距離傳輸時的隨機噪聲影響。藍牙網絡的基本單元是微微網，它可以同最最多支持8個電子設備，其中發起通信的那個設備稱為主設備，其它設備稱為從設備。一組相互獨立、以特定的方式連接在一起的微微網構成分布式網絡，各微微網通過使用不同的跳頻序列來區分。藍牙技術支持多種類型的業務，包括聲音和數據，為將來的電器設備提供聯網和數據傳輸的功能，它將使來自各個設備制造商的設備能以同樣的“語言”進行交流，這種“語言”可以認為是一種虛擬的電纜。
　　微微網是由采用藍牙技術的設備以特定的方式組成的網絡，是藍牙網絡的基本單元。在同一區域中可以有多個微微網，它們連接相互交叉在一起，就構成了分布式網絡。因為每個微微網的主設備是不同的，所以跳頻序列和相位是獨立的，但增加更多的網絡，就會增加碰撞的機會。假如同一區域中有多個微微網共存，一個Bluetooth設備可以利用時分復用工作在多個網絡中，它可以在多個網絡中做從設備，甚至可以在一個網絡中作為主設備，同時在多個網絡中作為從設備。假如兩個網絡有同一個主設備，就會使用同樣的跳頻序列和相位，就變成了同一個網絡。
　　藍牙路由機制　　本文介紹的藍牙路由機制（BRS）是在目前藍牙最新協議規范1.1版本基礎上提出的，并考慮了以后版本的升級性。該路由機制包括3個主要的功能模塊：
　　*信息交換（MSC）
　　負責跟蹤系統內各藍牙設備的漫游，并在數據包路由過程中充當中繼器作用，它通過光纜或雙絞線直接與固定藍牙主設備（FM）連接。
　　*固定藍牙主設備（FM）
　　位置是間隔固定的，在信息交換中心MSR與其它藍牙設備如移動終端（MT）之間提供接口。
　　*移動終端MT
　　是普通的藍牙設備，與其它普通的藍牙設備或更大的藍牙系統之間進行通信。
　　移動終端MT是固定藍牙主設備FM的從設備，固定藍牙主設備FM是信息交換中心MSC的從設備。在移動終端MT與固定藍牙主設備FM進行連接建立過程中，FM是設備，當連接建立完成后，MT與FM之間要進行主從轉換。
　　在該藍牙路由機制中，鏈路治理協議（LMP）被用來傳輸路由協議數據單元（PDU）；此外，在固定藍牙主設備FM與信息交換中心MSC鏈路之間使用了一種修改的藍牙基帶連接，且不使用藍牙跳頻技術。
　　1.信息交換中心（MSC）
　　信息交換中心是整個藍牙路由機制的核心部分。沒有信息交換中心，一個區域的藍牙設備就不能夠與10米外的其它藍牙設備進行通信。MSC應放置在相對于各固定藍牙主設備FM的中心位置，如建筑物的中心位置或Internet的接口處。MSC通過光纜或雙絞線直接與固定藍牙主設備FM進行連接，所以理論上MSC與FM之間沒有距離的約束。但MSC不直接與藍牙移動終端MT進行連接通信，而是通過FM來與MT進行連接通信。
　　信息交換中心MSC有3個主要的功能：通過路由表，跟蹤和定位本系統內所有藍牙設備；在2個屬于不同微微網的藍牙設備之間建立路由連接，并在設備之間交流路由信息；在需要的情況下幫助完成系統的切換功能。此外，假如MSC連接到一個Internet端口外，則對BRS系統外，MSC起到一個網關的作用。這就使得藍牙信息流可以出入該BRS系統或進入到其它藍牙系統。
　　（1）路由表
　　MSC路由表包含了所有的固定藍牙主設備FM及其從設備（移動終端MT）的地址。路由表分2層，每當有MT進入/離開一個FM微微網或每當一個FM被激活/使不活動時，路由表就更新一次。一個MT可以有多個入口（即可以屬于多個FM的從設備），但在一個FM微微網中只有代表一個入口。
　　（2）路由的建立
　　通常情況下，藍牙設備會向MSC發出路由連接請求，該請求信息包含被請求連接藍牙設備的地址BD_ADDR（設備號）。發出連接請求的藍牙設備可能是固定藍牙主設備FM或藍牙移動終端MT。在路由連接中，發出連接請求的藍牙設備是源端，被請求連接的藍牙設備是目的端。當MSC收到該路由連接請求時，它將會通知目的端。假如目的端是固定藍牙主設備FM，MSC將直接把路由連接請求信息發給FM，假如目的端是MT，MSC將通過路由表找到該MT所屬的FM微微網，進而通過此FM轉發路由連接請示信息至目的端MT。
　　當目的端收到路由請求信息時，將通過MSC，然后MSC通知源端可以進行通信。源端的基帶數據包通過MSC、FM時要進行包頭和接入碼的檢測，然后修改懈頭或接入碼路由到下一代鏈路。當路由鏈路出錯或鏈路中有一藍牙設備發出非凡鏈路治理信息來終止鏈路時，路由鏈路會被終止。
　　（3）切換
　　信息交換中心MSC可以幫助并加速完成藍牙移動終端MT從一個FM微微網切換到另一個FM微微網。當一個藍牙移動終端MT需要信息交換中心MSC來幫助完成切換時，它會通過當前的主設備FM向MSC發送切換請求信息（1）。切換請求信息包含發出請求的MT藍牙地址，新的主設備FM的地址，及MT與新的主設備FM之間的時鐘偏移量。信息交換中心MSC收到MT的切換請求后，會把MT的藍牙地址及MT與新的主設備FM之間的時鐘偏移量發送給新的主設備FM（2），并通知該新的主設備FM對MT進行尋呼（3）。這樣會減少新的主設備FM進行尋呼的時間，并在新的主設備FM與MT之間不再進行主從轉換，從而使整個切換時間快7倍（相對于信息交換中心MSC沒有參與切換和情況下）。
　　2.固定藍牙主設備FM
　　FM在位置上是固定的，通常是在房間里或走廊里以覆蓋最大范圍。FM是移動終端MT到信息交換中心MSC的接口，并負責MT與MSC之間信息的轉換。此外，FM也實現正常的藍牙功能。固定藍牙主設備FM通過光纜或雙絞線與信息交換中心MSC進行連接，二者之間使用了一種修改的藍牙基帶連接，且不使用藍牙跳頻技術。FM與移動終端MT之間進行正常的藍牙通信。2個FM之間不能夠直接通信，需要信息交換中心MSC作中介。
　　固定藍牙主設備FM除了具有正常的藍牙功能外，還有許多其它功能。如接收新的藍牙從設備進入整個BRS系統；通知MSC本FM微微網的變化；到其它FM微微網路由信息；在本FM微微網和MSC之間充當中繼器的角色。
　　3.藍牙移動終端MT
　　藍牙移動終端MT是普通的藍牙設備，此外還附加一些非凡的功能。MT直接與固定藍牙主設備FM進行通信，或通過FM、MSC與BRS系統內的其它藍牙設備進行通信。當與信息交換中心MSC進行通信的時候，FM起到中繼器的作用。當與超出本FM微微網范圍的其它FM或MT進行通信時，必須通過信息交換中心MSC，即MT-FM-MSC-FM(-MT)。相對于FM、SMC、MT的附加功能要少些，但共享FM的一些非凡功能。MT的主要特點是：進出一個FM微微網；當從一個FM微微網漫游到另一個FM微微網時，可以發出切換幫助信息；可以與本FM微微網外的其它藍牙設備建立連接進行通信。
　　BRS系統與外部的路由連接
　　當BRS系統與外部進行路由連接時，信息交換中心MSC起到網關的作用。路由的源端/目的端可能是牙設備，也可能不是藍牙設備。
　　在BRS系統之間，各BRS系統的信息交換中心MSC通過以太網連接構成一個非面向連接的系統。各信息交換中心MSC對從其它MSC傳送過來的藍牙數據包，進行接入碼中藍牙地址的檢測，只有與路由表相匹配的包才被轉發，否則拒絕該包。
　　BRS與LAN/WAN之間的路由：源端的MSC在發送藍牙數據包時，加上TCP/ip包頭，然后通過LAN/WAN路由到目的端，目的端的MSC收到包后再去掉的TCP/IP包頭。
　　藍牙路由機制BRS基于現行最新藍牙協議規范，并做了適量的修改，具有一定的靈活性和可升級性。此外，本文介紹的藍牙路由機制BRS也考慮到網絡的擴展，如BRS系統之間的路由、BRS與局域網LAN/廣域網WAN之間的路由等。相信隨著藍牙技術及其協議的不斷完善，路由機制將成為藍牙技術的一個重要方面。

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