基于蓝牙的ＷＰＡＮ无线Ｍｅｓｈ组网构架

朱洁净　吕光宏　吴明　聂炜玮

摘要：文章对蓝牙技术、piconet的建立，对基于蓝牙技术的WPAN mesh组网深入描述。支持WPAN mesh组网自组织的关键技术包括按需自组织技术、路由技术等。关键词：蓝牙；组网；关键技术

21世纪以来，蓝牙无线局域域网WPAN与无线Mesh网络正在迅速发展。以蓝牙作为WPAN主导技术核心思想就是用蓝牙无线技术组建个人化信息网络。在其覆盖范围内各种信息化设备能实现资源共享。无线Mesh网因其高频谱效率、动态自组织和敷设成本低等优点被认为是网络中的一项关键技术。实现BT-WPAN与其它网络互联，提高网络自身的兼容性。

1蓝牙微微网(piconet)的建立

蓝牙通信，是借助蓝牙设备以特定方式组成网络piconet来实现的。如果某台设备的时钟和跳频序列被用来同步其他的设备，则称它为主设备，非主设备的设备为从设备。所有的蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。主设备与从设备之间点对点或点对多点交互通信，从设备被主设备选中时，才可以进行传送。这个主设备通常称为PNC。

在piconet建立之前，所有的设备都处于等待状态，设备一旦被唤醒，就在预先设定的跳频频率上监听信息。连接进程从PNC的初始化开始。在初始寻呼状态，PNC在16个跳频频率上发送一串相同的寻呼信息给从设备；如果没有收到应答，PNC就在其他的16个跳频频率上发送寻呼信息。在piconet中，设备在无数据传输时转入节能工作状态。PNC可将从设备设置为保持方式，从设备也可以自己要求转入保持方式。设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。监听方式和休眠方式是另外两种低功耗工作方式。在监听方式下，从设备监听网络的时间间隔增大；在休眠方式下，设备仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。

2BT－WPAN mesh组网

在标准802.15.3中，WPAN可仅有一个单独的piconet，也可有从picdnets作为该网络的子网；这就是遵守802.15.3标准的父－子(parent-child)层次结构，子PNC能与父PNC和网中的所有设备进行数据交换；在自己网中，子PNC也能和其它设备通信。这一规定局限性是，在子网中的设备不能与父网中PNC及设备进行通信，即使它们都处在彼此的传输范围内。为了多个WPAN能够实现点到多点，及多点到多点的多跳通信，又推出IEEE802.15.5标准，Mesh网络被定义为一个个域网，在mesh结构中，除了有WPAN网内通信，也存在网间通信。对于网内通信，单个PNC为终端设备提供无线接入、无线资源管理等功能；对于网间通信，一个网内节点设备可以与其他网内的MPNC和节点设备通信；MPNCS之间也能互相通信。

3BT－WPAN无线Mesh组网的关键技术

3.1按需自组织技术

某个piconet MPNC启动mesh WPAN，该MPNC称为mesh coordinator(MC)。要启动一个mesh网络，MC信号应该包含一个能唯一标识网络的mesh标志符ID和一个肉络负载信息单元IE，该IE包含一个MPNC是否能够支持新的子网，或为别的MPNCS转发数据包的信息。MC可以建立一个树型拓扑结构，该树型拓扑结构可以在MC信息单元上表示出来。

MC邻居节点通过发送树链接请求命令加入树，此命令包含拥有实际下一代数量的MPNC信息。MC从邻居MPNC接到链接请求命令，它先查阅MC分配给TREEIDs的可利用地址空间来决定是否能够支持MPNC及其下一代。如果MC能够支持MPNC及其下一代，它就给MPNC发送树链接响应命令。除了通知目的MPNC告诉其链接状况外，树链接响应命令还包含可利用的TREEI-Ds、拓扑结构服务器和地址服务器的信息。链接的MPNC在树表内加MC作为其新的父，并发送了一个IE信号，该IE含有增加更多的设备作为其子信息。

如果一个子MPNC从两个或两个以上的树成员(父MPNC)接到信号，它们都愿意接受新的子，这个子MPNC就选择离MC最少路线开销的MPNC作为它的父。一个父MPNC能用树断裂请求命令去断开子，子也可以使用同样的命令从父处断开。父MPNC或子MPNC发送树断裂确认命令帧完成断开过程。

3.2路由技术

无线Mesh路由协议可参照Ad Hoc网络路由协议DSR、DSDV、AODV等，但又有所不同。下面的路由策略适用于MPAN，它较灵活。能适应新的高效路由协议。

本地路由：如果一个源MPNC发现能够直接到达目的节点，它就直接传送数据包。否则，它就检查是否能直接到达一个邻居节点，并将数据包发送给该邻居节点。

远程路由：远程路由可分为树路由，集中路由，基于位置的路由和分布式路由等。考虑MAN运行需求，它们中的每一个都能够设计成路由协议。

树状结构和TREEID分配方法使MP-NCs能根据TREEID块信息和子的TREEID块信息路由数据包。一个MPNC可以检查目的MPNC的TREEID是否属于源MPNC的TREEID块，不属于，就把数据包转送给其父；属于，就把数据包转送给它的子。

在集中路由中，一个或多个MPNCs可充当拓扑结构服务器来存储所有MPNCs的链接状态信息。在mesh网络，所有MPNCs应在拓扑结构服务器上标记它们链接状态。为了防止单点故障，许多拓扑结构服务器可充当备份服务器。通过向备份服务器发送链路状态标记命令帧，主服务器和备份服务器达到同步。如果主服务器实效，主服务器的邻居节点应转发所有的链路状态标记帧和路由发现帧给备份服务器。

如果物理层允许在设备间作出精确距离测量，就可以建立一个坐标系来涵盖整个mesh网络。源MPNC应能设置分组传输路径作为基于位置的路由，在路由辅助区域内确定自己和目的MPNC物理位置；源MPNC计算目的MPNC和该源MPNC的邻居MP-NCS之间的距离。和目的MPNC最近的邻居作为下一个转发设备。如果没有合适的最近节点，源MPNC可以选择分布式路由，向整个网络广播路由发现帧，直到找到一个到目的最佳路由。当某个MPNC接到该帧，它应更新与源MPNC之间的路由值；如果该MP-NC和源MPNC之间已经有一个路由项，路由发现帧的路由值小于它的路由项中的路由值，应对帧更新。如果这个MPNC是目的MPNC，并且路由项被帧更新，它应生成一个路由形成命令帧，向源MPNC发送该帧；帧内的源设备标志符应定为目的MPNC识别码，目的设备标志符应定为源MPNC识别码；帧的中继表应设置为一个空表。如果这个接到路由发现帧的MPNC不是帧的目的地并且它是首次收到帧，该MPNC应该在路由发现表中记录该帧，然后再转播该帧；如果以前该MPNC收到过帧，并且路由项被这个帧更新，那它就只转播该帧。当某个MPNC收到含有空中继表的路由生成帧，它应首先针对其路由表检查源设备标志符。如果该MPNC和目的MPNC之间没有路由项，就应建立一个；否则，通过参照和源MPNC之间路由项，它应更新其路由项和路由生成帧路由值到下一跳进行转发。当源MPNC收到路由形成命令帧，它应为目的MPNC建立一个路由项，开始发送数据包。

4结束语

基于蓝牙Mesh WPAN因其组网的快速灵活性、节点的分布性等优点，可以以少量的基础设施，构建覆盖范围广的高速无线网络。并且具有成本低、升级方便等特点。如何在下一代移动通信网络中发挥这种构架的性能优势和潜力，是需要深入研究和探