藍(lán)牙接入的兼容問(wèn)題及解決方案

沙　巖

[摘要]為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)在主從節(jié)點(diǎn)間建立兩種通信鏈路類(lèi)型來(lái)支持同步通信量或者面向數(shù)據(jù)的異步通信量，提出藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的媒介接入控制（MAC），在此基礎(chǔ)上，再提出一種優(yōu)化的支持QoS的差分調(diào)度算法。

[關(guān)鍵詞]藍(lán)牙 QoS 差分調(diào)度算法 媒介接入控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0220030－02

一、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)通信面臨的要求

目前，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的接入兼容性高低引起了業(yè)內(nèi)人士的注意，由于早期藍(lán)牙技術(shù)是針對(duì)單跳無(wú)線通信開(kāi)發(fā)的，在一些移動(dòng)設(shè)備上經(jīng)常會(huì)遇到延遲和阻塞等問(wèn)題，為了使其適合在多跳移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中使用，服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，可對(duì)藍(lán)牙協(xié)議本身進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)考慮將現(xiàn)有協(xié)議中的一些理想化的限制條件弱化，提高協(xié)議的適用性。藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的現(xiàn)有協(xié)議規(guī)范大部分都限于靜態(tài)環(huán)境，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，如何在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、加入、撤出等情況下，保證散射網(wǎng)的有效性，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度比較大時(shí)，解決節(jié)點(diǎn)在不同接入點(diǎn)、基站之間的切換，保證業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量也就成為一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。本文針對(duì)藍(lán)牙媒介接入控制過(guò)程和輪詢方式的調(diào)度機(jī)制，改進(jìn)了Diff-KFP算法，通過(guò)優(yōu)化其參數(shù)來(lái)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量以及QoS。

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中支持QoS保證所面臨的主要問(wèn)題有以下四個(gè)方面。

1. 鏈路質(zhì)量預(yù)測(cè)困難：無(wú)線信號(hào)傳輸面臨著路徑損耗、多徑衰落和干擾等問(wèn)題，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)等因素的影響，周?chē)h(huán)境不斷變化導(dǎo)致預(yù)測(cè)鏈路質(zhì)量很困難。

2. 鏈路帶寬預(yù)測(cè)的困難：無(wú)限媒介的信道帶寬被周?chē)墓?jié)點(diǎn)共享，周?chē)?jié)點(diǎn)的移動(dòng)和這些節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的變化是鏈路帶寬很難預(yù)測(cè)。

3. 分布式控制：由于信道使用權(quán)需要采用分布式獲得，這導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)的保證和資源的預(yù)留都帶有一定的隨機(jī)性。

4. 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性：分別是移動(dòng)設(shè)備通常使用電池作為電源、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的動(dòng)態(tài)與不可預(yù)測(cè)。

隨著藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展，QoS已經(jīng)成為通信系統(tǒng)必須支持的一項(xiàng)重要功能，已經(jīng)是藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展瓶頸了。

二、現(xiàn)有的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)通訊方案分析

截止目前，國(guó)際上提出的移動(dòng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)和解決方案為數(shù)不多，如美國(guó)MeshNetworks公司的解決方案，以及以色列Commil公司提出的藍(lán)牙Fixed to Mobile Convergence(FMC)方案。

MeshNetworks公司方案主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）支持網(wǎng)絡(luò)和客戶端組網(wǎng)（Meshing）：其Ad-hoc對(duì)等技術(shù)同時(shí)支持基礎(chǔ)設(shè)施的組網(wǎng)以及客戶端組網(wǎng)。使用Multi-Hopping TM路由技術(shù)可以將任何一個(gè)客戶設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)路由器或重復(fù)器，從而改善了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

（2）支持端到端的IP：由于所有的路由都是在IP層之下，各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無(wú)需更改。

（3）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的頻譜復(fù)用和網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化：無(wú)論采用何種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都能彼此識(shí)別并間接或直接通信。避免了集中式結(jié)構(gòu)中的瓶頸問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)彼此合作來(lái)充分利用頻譜資源，避免過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)。

在FMC方案中，做了兩個(gè)重要的應(yīng)用擴(kuò)展：

（1）網(wǎng)絡(luò)用戶終端類(lèi)型的擴(kuò)展。將藍(lán)牙“三合一”手機(jī)應(yīng)用的終端設(shè)備擴(kuò)展為所有采用其CellarionTM技術(shù)所生產(chǎn)的移動(dòng)設(shè)備，使得原來(lái)所局限于語(yǔ)音通信的應(yīng)用面擴(kuò)展到包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信在內(nèi)的應(yīng)用面。

（2）網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式和范圍的擴(kuò)展。將一般的藍(lán)牙Piconet網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為無(wú)縫覆蓋的藍(lán)牙蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍從一套房間、一層樓擴(kuò)展到一個(gè)智能化樓宇范圍的區(qū)域網(wǎng)，覆蓋范圍更廣，覆蓋方式更靈活，對(duì)于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)切換方式參考了現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換方式。

在上述藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的傳輸是由主節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的時(shí)分復(fù)用機(jī)制調(diào)度機(jī)制進(jìn)行的，并且時(shí)間片被分別分配給在一個(gè)皮克網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)從節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)能在偶數(shù)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包，而從節(jié)點(diǎn)只有在收到主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包后才能在奇數(shù)時(shí)間片內(nèi)給主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。由于藍(lán)牙主要采用基于主節(jié)點(diǎn)時(shí)分復(fù)用的輪叫調(diào)度策略（RR），然而當(dāng)在輪詢序列中沒(méi)有等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，許多時(shí)間片被輪詢（Poll）或者空（Null）的數(shù)據(jù)包所占用而被浪費(fèi)。

為了克服這種鏈接浪費(fèi)問(wèn)題，已經(jīng)提出了很多調(diào)度算法，如Low power mode-based policy,這個(gè)算法能相對(duì)地達(dá)到低能消耗和有效的時(shí)間片利用效果。但它并不適合動(dòng)態(tài)通信量，而且還需要大量信號(hào)開(kāi)銷(xiāo)。因此比較偏向應(yīng)用基于隊(duì)列狀態(tài)的優(yōu)先級(jí)策略，而K-Fainess Policy（KFP）則由于它的相對(duì)合理的性能顯得很突出。雖然它根據(jù)數(shù)據(jù)通信量的特點(diǎn)可以展示不同的性能，但它并沒(méi)考慮藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的QoS。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Differentialted KFP（Diff-KFP算法）被提了出來(lái)。它能通過(guò)基于每對(duì)主從節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列狀態(tài)，有區(qū)別地調(diào)度稀缺無(wú)線電資源，從而提高吞吐量。而且還能為單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)對(duì)保證公平性，通過(guò)使用合適的參數(shù)把QoS要求反應(yīng)給調(diào)度機(jī)制。盡管Diff-KFP算法能提高吞吐量，但由于選擇了不合理的參數(shù)，現(xiàn)行通信還是可能被一個(gè)輪訓(xùn)間隔而打斷。這樣就引起吞吐量的下降。這里我們提供Diff-KFP算法的詳細(xì)內(nèi)容，并且優(yōu)化它的參數(shù)來(lái)提高整體性能，另外這個(gè)改進(jìn)了的Diff-KFP算法算法也能將QoS應(yīng)用到調(diào)度之中。

三、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的媒介接入控制（MAC）

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)在主從節(jié)點(diǎn)間可建立兩種通信鏈路類(lèi)型來(lái)支持同步通信量或者面向數(shù)據(jù)的異步通信量：同步面向連接鏈路（SCO）和異步無(wú)連接鏈路(ACL)。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)在規(guī)則的間隔中保留時(shí)間片來(lái)維護(hù)SCO鏈路。由于每6個(gè)時(shí)間片就有兩個(gè)為SCO鏈路保留，剩下的時(shí)間片為ACL鏈路保留。

如圖1顯示了一個(gè)主節(jié)點(diǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)主節(jié)點(diǎn)在奇數(shù)時(shí)間片輪詢一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，被輪詢的從節(jié)點(diǎn)在一個(gè)連續(xù)的奇數(shù)時(shí)間片內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包。然而藍(lán)牙技術(shù)通常采用輪叫調(diào)度策略（RR），許多時(shí)間片可能由于輪詢數(shù)據(jù)包或者空數(shù)據(jù)包的交換而被浪費(fèi)了。

盡管RR是最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法，并且在皮克網(wǎng)內(nèi)均勻地將數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會(huì)分配給每對(duì)主從節(jié)點(diǎn)，但是鏈路浪費(fèi)可能會(huì)引起吞吐量的下降，而且輪叫調(diào)度策略(RR)也沒(méi)有考慮這些節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)。為了更有效的利用稀缺無(wú)線電資源，排隊(duì)狀態(tài)依靠數(shù)據(jù)包的調(diào)度策略?；诿繉?duì)節(jié)點(diǎn)排隊(duì)狀態(tài)的KFP算法執(zhí)行對(duì)優(yōu)先級(jí)的輪詢。首先根據(jù)鏈路的利用來(lái)決定每對(duì)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型，然后從所確定的類(lèi)中分配合適的優(yōu)先級(jí)。具有較多流通量的這對(duì)節(jié)點(diǎn)具有較高的優(yōu)先級(jí)。在KFP中，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)將傳輸機(jī)會(huì)讓個(gè)優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)。這樣KFP就能減少時(shí)間片的浪費(fèi)。而且，為了保障公平，KFP有個(gè)臨界參數(shù)K.每對(duì)節(jié)點(diǎn)在得到服務(wù)機(jī)會(huì)時(shí)它的計(jì)數(shù)器值加一，否則就減一。

計(jì)數(shù)器的值代表每對(duì)節(jié)點(diǎn)得到和退讓的服務(wù)機(jī)會(huì)的數(shù)量。計(jì)數(shù)器的值可以為負(fù)，通過(guò)與計(jì)數(shù)器最大最小值間的比較的K值能夠平衡服務(wù)機(jī)會(huì)的分配。這樣KFP可以控制吞吐量和公平性，然而如果數(shù)據(jù)流通量特點(diǎn)是靜態(tài)的，并且集中在特定節(jié)點(diǎn)對(duì)上，計(jì)數(shù)器最大值和最小值間的差異能很快達(dá)到臨界值K,服務(wù)機(jī)會(huì)就有可能被這對(duì)節(jié)點(diǎn)所壟斷，那么KFP與RR就很類(lèi)似了。由于計(jì)數(shù)器值的最大和最小值間的差距在K的范圍內(nèi)并不減少，所以其他具有較低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)對(duì)就不再讓出服務(wù)機(jī)會(huì)。因此只要提供服務(wù)的時(shí)間片數(shù)量增加，當(dāng)差距超過(guò)臨界值K時(shí)，KFP的性能就與RR類(lèi)似。因此有最大計(jì)數(shù)器值的節(jié)點(diǎn)對(duì)與具有最小值的其他節(jié)點(diǎn)對(duì)影響了系統(tǒng)的整體性能。而且這個(gè)算法并沒(méi)有考慮到藍(lán)牙技術(shù)的QoS需求。

因此，需要有新的有效的調(diào)度方法來(lái)保留藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，諸如低成本，低電量，低復(fù)雜度。并且用合理的公平性、對(duì)吞吐量提高的有效調(diào)度來(lái)滿足QoS要求。

四、支持QoS的差分調(diào)度算法

早先的KFP算法依靠數(shù)據(jù)包的調(diào)度策略而采用一個(gè)排隊(duì)狀態(tài)。在這個(gè)方案中，由主從節(jié)點(diǎn)對(duì)的排隊(duì)狀態(tài)信息決定優(yōu)先級(jí)。例如當(dāng)一個(gè)SCO鏈路形成時(shí)，這個(gè)鏈路只允許四個(gè)連續(xù)的時(shí)間片給ACL鏈路，可以應(yīng)用一個(gè)或者三個(gè)時(shí)間片長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包。如果主節(jié)點(diǎn)隊(duì)列線頭（HOL）數(shù)據(jù)包是一個(gè)三個(gè)時(shí)間片的包，而從節(jié)點(diǎn)隊(duì)列線頭數(shù)據(jù)包是一個(gè)時(shí)間片的包，那么這個(gè)鏈路利用率就是100%。因此調(diào)度分給這對(duì)最高等級(jí)并且優(yōu)先為其提供服務(wù)機(jī)會(huì)。如果一個(gè)主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)隊(duì)列線頭數(shù)據(jù)包是一個(gè)三個(gè)時(shí)間片的數(shù)據(jù)包，而另一個(gè)則是空，那么鏈路利用率是75%。這種情況下，這對(duì)就得到第二等級(jí)。同樣地，如果一個(gè)主節(jié)點(diǎn)或者一個(gè)從節(jié)點(diǎn)隊(duì)列線頭數(shù)據(jù)包是一個(gè)時(shí)間片數(shù)據(jù)包而另外一個(gè)是空，那么這個(gè)鏈路利用率是50%。只要兩個(gè)時(shí)間片有一個(gè)被使用，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)就成為第三等級(jí)。通過(guò)這個(gè)確定過(guò)程，每對(duì)的優(yōu)先級(jí)就能確定下來(lái)。

KEP的操作在圖2中顯示出來(lái)，這里countermaster，countermin，counteri和counterhighest分別代表在所有節(jié)點(diǎn)對(duì)中的最大計(jì)數(shù)值，最小計(jì)數(shù)值，第i節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)數(shù)值和具有最高等級(jí)的節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)數(shù)值。每對(duì)節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器跟蹤記錄這對(duì)節(jié)點(diǎn)所接受過(guò)的過(guò)度或偏少的服務(wù)機(jī)會(huì)，這個(gè)值用來(lái)服務(wù)的控制。當(dāng)每對(duì)主從節(jié)點(diǎn)在RR內(nèi)被連續(xù)的訪問(wèn)時(shí)，不管它是否在KFP中為最高等級(jí)，所被輪詢的節(jié)點(diǎn)對(duì)要么得到服務(wù)或者就放棄服務(wù)的機(jī)會(huì)。每對(duì)節(jié)點(diǎn)值在這對(duì)節(jié)點(diǎn)放棄服務(wù)機(jī)會(huì)或者搶占其他節(jié)點(diǎn)機(jī)會(huì)時(shí)，就會(huì)相應(yīng)的加一或者減一。只有在最大計(jì)數(shù)值和最小計(jì)數(shù)值間的差異不超過(guò)臨界值K時(shí)才允許服務(wù)機(jī)會(huì)的更替，例如在最大值時(shí)就會(huì)發(fā)生不公平性。如果沒(méi)有允許一對(duì)主從節(jié)點(diǎn)放棄服務(wù)機(jī)會(huì)，那么它就在預(yù)定時(shí)間片內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)包。

我們所提出的支持QoS的差分調(diào)度算法，Diff-KFP算法在圖3中顯示出來(lái)。每對(duì)優(yōu)先級(jí)和計(jì)數(shù)值的決定過(guò)程跟KFP相類(lèi)似。新算法在保證公平性的技術(shù)方面有三點(diǎn)與KFP不同。首先，如果不是在最大值與最小值之間而是在最大值與當(dāng)前對(duì)計(jì)數(shù)值間的差值小于K值，那么主節(jié)點(diǎn)就檢查。如果是這樣的話，主節(jié)點(diǎn)就根據(jù)節(jié)點(diǎn)對(duì)服務(wù)等級(jí)來(lái)決定這對(duì)節(jié)點(diǎn)是否放棄調(diào)度轉(zhuǎn)變。因此，這樣就能夠阻止具有最大計(jì)數(shù)值的節(jié)點(diǎn)對(duì)和具有最小的節(jié)點(diǎn)對(duì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能的限制。第二，每個(gè)計(jì)數(shù)器減少的值，stepi對(duì)于每對(duì)節(jié)點(diǎn)反應(yīng)他的QoS要求是不同的，而在KFP中都是相同的。這樣，通過(guò)合適地選擇步長(zhǎng)和更新Diff-KFP算法參數(shù)，我們能較好的控制性能。圖3中，stepi和stepmax分別代表第i對(duì)節(jié)點(diǎn)的步長(zhǎng)和所有節(jié)點(diǎn)對(duì)中的步長(zhǎng)最大值。最后，在圖4的流程圖中的右分支那里顯示出來(lái)了，通過(guò)（stepmax-stepi）增加計(jì)數(shù)值來(lái)克服超過(guò)K值的問(wèn)題。

五、小結(jié)

中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通已在1月8日取得了國(guó)內(nèi)3G牌照，意味著移動(dòng)通信終端將發(fā)生大的變革，在現(xiàn)有的PDA、筆記本、手機(jī)等移動(dòng)終端所支持的藍(lán)牙協(xié)議上，還是面臨著網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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