藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)維護(hù)研究

摘 要：藍(lán)牙（Bluetooth）[1]是一個新興、省電、低成本的短距離無線通訊技術(shù)，許多應(yīng)用都可透過它來實(shí)現(xiàn)Ad-Hoc的網(wǎng)路架構(gòu)。例如大眾場合的咖啡廳和機(jī)場，或者是公司內(nèi)部的會議和個人計(jì)算機(jī)設(shè)備，皆能通過內(nèi)含Bluetooth的裝置形成Ad-Hoc網(wǎng)路得以互相溝通信息與傳遞數(shù)據(jù)等。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；網(wǎng)絡(luò)維護(hù)

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0056-03

Research on Bluetooth Network Maintenance

LIANG Wuzhi

（Guangxi Baise Electric Power Co.，Ltd.，Baise 533000，China）

Abstract：Bluetooth[1] is an emerging，power-efficient，low-cost，short-range wireless communication technology that can be used by many applications to implement the Ad-Hoc network architecture. For example，the cafes and airports in the public places，or the company's internal conference and personal computer equipment，it is possible to form Ad-Hoc networks through devices containing Bluetooth，and to communicate with each other and transmit data.

Keywords：Bluetooth；network maintenance

0 引 言

以Bluetooth為基礎(chǔ)的Ad-Hoc網(wǎng)路帶來了一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)，它有些許的限制，譬如，Bluetooth元件必須組成所謂的piconet才能運(yùn)作。每個piconet里有一個master和最多七個slaves。該master決定跳頻的順序并且利用輪詢的方式（polling-based）主導(dǎo)資訊的傳輸。當(dāng)兩個Bluetooth設(shè)備相互連接后，等于在baseband階層建立起一條實(shí)體通道（physicalchannel），而實(shí)體通道內(nèi)master與slave間訊號存取是以TD（TimeDivisionDuplex）方式為之。而兩個以上的piconets可透過bridge成員而連接成為較大網(wǎng)路成為scatternet。根據(jù)Bluetooth的規(guī)格，它明白清楚地定義了Bluetooth裝置間的連接程序。而在許多的文獻(xiàn)中也探討了scatternet形成拓?fù)涞淖h題（scatternetformationtopology）[2]。在對它們的研究中，對于如何建構(gòu)成為一個scatternet粗略定義了三個假設(shè)：

（1）所有的裝置都在彼此傳輸范圍內(nèi)。（2）每個裝置剛開始時都是獨(dú)立的。（3）每個裝置不知有其他裝置存在。

首先就是探討?yīng)毩⑶覀鬏敺秶鷥?nèi)的所有Bluetooth裝置如何快速建構(gòu)和連接形成piconet、或者是scatternet網(wǎng)路，然后再提出一套演算法使Bluetooth裝置高效率地與其他Bluetooth裝置連接形成一個完整的scatternet網(wǎng)絡(luò)。

1 動態(tài)維護(hù)機(jī)制

scatternet網(wǎng)路在建構(gòu)后由于動態(tài)變動，會面對一些問題，意既網(wǎng)絡(luò)變大、松散且無法滿足原來設(shè)計(jì)所提出的基本目標(biāo)。對scatternet網(wǎng)路自我維護(hù)的機(jī)制——BlueMaint，該機(jī)制是一個能夠讓scatternet網(wǎng)路應(yīng)對不同狀況的演算機(jī)制，它能夠同時執(zhí)行于動態(tài)與靜態(tài)環(huán)境中；以便達(dá)到自動連結(jié)未知裝置、自我維護(hù)與自我修復(fù)功能。

scatternet的形成有兩種較為可行的方式：它們的算法是利用leader的角色來連接未知的對方，研究中對于leader的角色并沒有太多的彈性變化。也就是，該演算法機(jī)制leader的角色幾乎是固定的，而leader的變動性只局限于兩個components連接過程中。它的缺點(diǎn)是：leader角色很少變動，使得網(wǎng)路內(nèi)其他master無法成為leader，而無法有效得知網(wǎng)路內(nèi)的連接狀態(tài)，這將造成連接中的slave離開再連接，或新的裝置只能連接到特定的leader而造成該scatternet網(wǎng)路變大或松散。BlueMaint將針對leader的角色依時間或某些條件做輪回變化，使得scatternet網(wǎng)路內(nèi)的每一master的角色皆能有機(jī)會成為leader，而非只限制在特定的master，所以本研究的基本機(jī)制就是讓leader角色依scatternet網(wǎng)路同一方向，由網(wǎng)路內(nèi)的masters輪流來擔(dān)任。另外，當(dāng)leader角色傳遞到下一master時，可以額外攜帶資訊來整合整個網(wǎng)路內(nèi)所有訊息，那么leader將可以隨時監(jiān)看網(wǎng)路內(nèi)每一master所傳遞下來的資訊，以便即時做動態(tài)的調(diào)整。該想法的做法是：BlueMaint利用兩種特性來改變leader的角色，以便收集與監(jiān)看網(wǎng)路內(nèi)所連接的訊息：

（1）當(dāng)NP=k；此k值為Bluetooth技術(shù)對每一piconet所設(shè)定最大可連接slave的數(shù)目。

NP值為該leader所處的piconet目前所連接slave的數(shù)目。該特性表示該leader所處的piconet已經(jīng)連接了Bluetooth所規(guī)定的最大上限值k。這表示該piconet不需要再擔(dān)任leader，而必須將leader的角色盡快地切換到下一個piconet的master，以便將連接新裝置的資源讓給連接不足slave的piconet。

（2）TIP=T×（K-NP）該值為網(wǎng)路內(nèi)每一piconet成為leader角色時所執(zhí)行的最大時間值，它的時間設(shè)定值可以依piconet內(nèi)所連接slave的多寡而有長短：k-NP是能夠讓較少slave的piconet，在它成為leader時有更多的時間單位來連接較多的新裝置。當(dāng)TIP值時間終止時，leader的角色將會改變，而由該網(wǎng)路內(nèi)另一master來擔(dān)任。

2 快速連結(jié)機(jī)制

如何快速且自動搜尋無線電范圍內(nèi)未知對方的機(jī)制是讓每一Bluetooth裝置（freenode）交替執(zhí)行Seek和Scan，如圖1（a）描述該文獻(xiàn)裝置執(zhí)行的狀態(tài)圖（FiniteStateMachine，F(xiàn)SM）。BlueMaint調(diào)整交替執(zhí)行Seek和Scan的方法，可以使曾經(jīng)連接而未曾關(guān)機(jī)的free裝置能更快速地再連接上網(wǎng)路，如圖1（b）描述改良過后的裝置執(zhí)行狀態(tài)，以下做法可以來實(shí)現(xiàn)本想法：

（1）讓曾經(jīng)連接的裝置離開后只可進(jìn)入Scan狀態(tài)，而非交替的執(zhí)行Seek和Scan。該做法可以讓該裝置只可更快速參與網(wǎng)絡(luò)，而沒有機(jī)會再與其他裝置形成網(wǎng)絡(luò)；這樣可避免：曾經(jīng)連接的裝置離開后，再形成另外的piconet或scatternet，然后再與原有的網(wǎng)絡(luò)合并連接，而使得整個網(wǎng)絡(luò)不斷地成長與變大。它的另外優(yōu)點(diǎn)就是減少Seek和Scan切換的時間，而能更快速地再連接進(jìn)入scatternet網(wǎng)路。

（2）TIS；加入一時間機(jī)制，當(dāng)連接的裝置離開網(wǎng)路成為freenode后便啟動該時間機(jī)制，在這段時間內(nèi)該freenode只執(zhí)行Scan的動作，能更快速與scatternet網(wǎng)路內(nèi)的leader再連接。當(dāng)時間終了時，該裝置便恢復(fù)原有的機(jī)制，交替執(zhí)行Seek和Scan。這樣可避免：當(dāng)scatternet網(wǎng)路整個瓦解時，能讓所有的Bluetooth裝置恢復(fù)到原有的連接演算機(jī)制。

3 融合機(jī)制

當(dāng)scatternet網(wǎng)絡(luò)處于松散狀態(tài)時，在此情況下，該網(wǎng)絡(luò)是無法符合網(wǎng)路在建構(gòu)時所提的標(biāo)準(zhǔn)的。關(guān)于BlueMaint如何幫助scatternet網(wǎng)路于其形成后，當(dāng)該網(wǎng)路處在動態(tài)與隨機(jī)變化環(huán)境下所面臨的松散狀況。我們是以一網(wǎng)路松散率的機(jī)制加以解決，此網(wǎng)路松散率稱為NLR（networklooseratio），它被定義為：整個網(wǎng)路未連接裝置數(shù)量與整個網(wǎng)路最大可連接裝置比率的機(jī)制。BlueMaint定義目前scatternet網(wǎng)路已連接裝置數(shù)量的變數(shù)值為β，該值是透過leader角色在網(wǎng)路內(nèi)傳遞時所得到的。如果該值低于|（1-NLR）×K×P|（此處我們以ring形式為計(jì)算標(biāo)的，該P(yáng)為網(wǎng)路內(nèi)Piconet數(shù)量），那么我們稱該網(wǎng)路已處于松散狀態(tài)，所以該網(wǎng)路必須做融合的動作，以便重新調(diào)整成為較佳的網(wǎng)絡(luò)，來符合建構(gòu)時所提的基本量測標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

我們以LSF（較佳化ring的形式）、BTCP（ring的形式）和LAW（tree的形式）三個方法做為分析標(biāo)的，分析三者的演算法則；分析沒有加入BlueMaint和有加入BlueMaint的差異。下列為我們的評估比較事項(xiàng)，并且于后面段落做詳細(xì)的說明與分析：

（1）不同網(wǎng)路松散率（NLR）在piconet數(shù)量的分析。

（2）不同網(wǎng)路松散率（NLR）執(zhí)行網(wǎng)路融合次數(shù)的分析。

（3）LSF/BTCP/LAW形式的piconet數(shù)量分析。

（4）LSF/BTCP/LAW形式下，任意兩裝置在網(wǎng)路間距離的分析。

（5）已連接裝置離開后并且再參與該網(wǎng)絡(luò)時的分析。

（6）網(wǎng)絡(luò)于動態(tài)環(huán)境中各種情況下的分析。

不同網(wǎng)路松散率在piconet數(shù)量的分析下，將BlueMaint加入不同網(wǎng)路松散率為目標(biāo)來討論，它的條件就是當(dāng)scatternet網(wǎng)路連接裝置為最多時，在相同piconet數(shù)量下將其連接裝置降到最少，以便形成松散的網(wǎng)路且還能維持該網(wǎng)路正常運(yùn)作的相互比較，來求得較佳網(wǎng)路松散率的設(shè)定值。因網(wǎng)路松散而執(zhí)行網(wǎng)路融合后，以NLR設(shè)定為1/2時為最差，也就是說；在相同裝置連接數(shù)目下，網(wǎng)路內(nèi)piconet數(shù)量為最多。而當(dāng)NLR設(shè)定為1/7和1/3時，兩者設(shè)定能符合scatternet網(wǎng)路在建構(gòu)時所提的量測標(biāo)準(zhǔn)，也就是說，在相同裝置連接數(shù)目下，網(wǎng)路內(nèi)piconet數(shù)量為最少。

參考文獻(xiàn)：

[1] 麥漢榮，廖勁光，韓波，等.基于藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（1）：85-89.

[2] 劉繼順，宋鐵成，葉芝慧，等.基于輪換簇頭的多跳對等藍(lán)牙Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)形成協(xié)議 [J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2006（3）：18-22.

作者簡介：梁武智（1986.02-），男，助理工程師，本科。從事工作為通信、網(wǎng)絡(luò)安全。