蓝牙网络维护研究

摘 要：蓝牙（Bluetooth）[1]是一个新兴、省电、低成本的短距离无线通讯技术，许多应用都可透过它来实现Ad-Hoc的网路架构。例如大众场合的咖啡厅和机场，或者是公司内部的会议和个人计算机设备，皆能通过内含Bluetooth的装置形成Ad-Hoc网路得以互相沟通信息与传递数据等。

关键词：蓝牙；网络维护

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：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為基础的Ad-Hoc网路带来了一项新的挑战，它有些许的限制，譬如，Bluetooth元件必须组成所谓的piconet才能运作。每个piconet里有一个master和最多七个slaves。该master决定跳频的顺序并且利用轮询的方式（polling-based）主导资讯的传输。当两个Bluetooth设备相互连接后，等于在baseband阶层建立起一条实体通道（physicalchannel），而实体通道内master与slave间讯号存取是以TD（TimeDivisionDuplex）方式为之。而两个以上的piconets可透过bridge成员而连接成为较大网路成为scatternet。根据Bluetooth的规格，它明白清楚地定义了Bluetooth装置间的连接程序。而在许多的文献中也探讨了scatternet形成拓扑的议题（scatternetformationtopology）[2]。在对它们的研究中，对于如何建构成为一个scatternet粗略定义了三个假设：

（1）所有的装置都在彼此传输范围内。（2）每个装置刚开始时都是独立的。（3）每个装置不知有其他装置存在。

首先就是探讨独立且传输范围内的所有Bluetooth装置如何快速建构和连接形成piconet、或者是scatternet网路，然后再提出一套演算法使Bluetooth装置高效率地与其他Bluetooth装置连接形成一个完整的scatternet网络。

1 动态维护机制

scatternet网路在建构后由于动态变动，会面对一些问题，意既网络变大、松散且无法满足原来设计所提出的基本目标。对scatternet网路自我维护的机制——BlueMaint，该机制是一个能够让scatternet网路应对不同状况的演算机制，它能够同时执行于动态与静态环境中；以便达到自动连结未知装置、自我维护与自我修复功能。

scatternet的形成有两种较为可行的方式：它们的算法是利用leader的角色来连接未知的对方，研究中对于leader的角色并没有太多的弹性变化。也就是，该演算法机制leader的角色几乎是固定的，而leader的变动性只局限于两个components连接过程中。它的缺点是：leader角色很少变动，使得网路内其他master无法成为leader，而无法有效得知网路内的连接状态，这将造成连接中的slave离开再连接，或新的装置只能连接到特定的leader而造成该scatternet网路变大或松散。BlueMaint将针对leader的角色依时间或某些条件做轮回变化，使得scatternet网路内的每一master的角色皆能有机会成为leader，而非只限制在特定的master，所以本研究的基本机制就是让leader角色依scatternet网路同一方向，由网路内的masters轮流来担任。另外，当leader角色传递到下一master时，可以额外携带资讯来整合整个网路内所有讯息，那么leader将可以随时监看网路内每一master所传递下来的资讯，以便即时做动态的调整。该想法的做法是：BlueMaint利用两种特性来改变leader的角色，以便收集与监看网路内所连接的讯息：

（1）当NP=k；此k值为Bluetooth技术对每一piconet所设定最大可连接slave的数目。

NP值为该leader所处的piconet目前所连接slave的数目。该特性表示该leader所处的piconet已经连接了Bluetooth所规定的最大上限值k。这表示该piconet不需要再担任leader，而必须将leader的角色尽快地切换到下一个piconet的master，以便将连接新装置的资源让给连接不足slave的piconet。

（2）TIP=T×（K-NP）该值为网路内每一piconet成为leader角色时所执行的最大时间值，它的时间设定值可以依piconet内所连接slave的多寡而有长短：k-NP是能够让较少slave的piconet，在它成为leader时有更多的时间单位来连接较多的新装置。当TIP值时间终止时，leader的角色将会改变，而由该网路内另一master来担任。

2 快速連结机制

如何快速且自动搜寻无线电范围内未知对方的机制是让每一Bluetooth装置（freenode）交替执行Seek和Scan，如图1（a）描述该文献装置执行的状态图（FiniteStateMachine，FSM）。BlueMaint调整交替执行Seek和Scan的方法，可以使曾经连接而未曾关机的free装置能更快速地再连接上网路，如图1（b）描述改良过后的装置执行状态，以下做法可以来实现本想法：

（1）让曾经连接的装置离开后只可进入Scan状态，而非交替的执行Seek和Scan。该做法可以让该装置只可更快速参与网络，而没有机会再与其他装置形成网络；这样可避免：曾经连接的装置离开后，再形成另外的piconet或scatternet，然后再与原有的网络合并连接，而使得整个网络不断地成长与变大。它的另外优点就是减少Seek和Scan切换的时间，而能更快速地再连接进入scatternet网路。

（2）TIS；加入一时间机制，当连接的装置离开网路成为freenode后便启动该时间机制，在这段时间内该freenode只执行Scan的动作，能更快速与scatternet网路内的leader再连接。当时间终了时，该装置便恢复原有的机制，交替执行Seek和Scan。这样可避免：当scatternet网路整个瓦解时，能让所有的Bluetooth装置恢复到原有的连接演算机制。

3 融合机制

当scatternet网络处于松散状态时，在此情况下，该网络是无法符合网路在建构时所提的标准的。关于BlueMaint如何帮助scatternet网路于其形成后，当该网路处在动态与随机变化环境下所面临的松散状况。我们是以一网路松散率的机制加以解决，此网路松散率称为NLR（networklooseratio），它被定义为：整个网路未连接装置数量与整个网路最大可连接装置比率的机制。BlueMaint定义目前scatternet网路已连接装置数量的变数值为β，该值是透过leader角色在网路内传递时所得到的。如果该值低于|（1-NLR）×K×P|（此处我们以ring形式为计算标的，该P为网路内Piconet数量），那么我们称该网路已处于松散状态，所以该网路必须做融合的动作，以便重新调整成为较佳的网络，来符合建构时所提的基本量测标准。

4 结 论

我们以LSF（较佳化ring的形式）、BTCP（ring的形式）和LAW（tree的形式）三个方法做为分析标的，分析三者的演算法则；分析没有加入BlueMaint和有加入BlueMaint的差异。下列为我们的评估比较事项，并且于后面段落做详细的说明与分析：

（1）不同网路松散率（NLR）在piconet数量的分析。

（2）不同网路松散率（NLR）执行网路融合次数的分析。

（3）LSF/BTCP/LAW形式的piconet数量分析。

（4）LSF/BTCP/LAW形式下，任意两装置在网路间距离的分析。

（5）已连接装置离开后并且再参与该网络时的分析。

（6）网络于动态环境中各种情况下的分析。

不同网路松散率在piconet数量的分析下，将BlueMaint加入不同网路松散率为目标来讨论，它的条件就是当scatternet网路连接装置为最多时，在相同piconet数量下将其连接装置降到最少，以便形成松散的网路且还能维持该网路正常运作的相互比较，来求得较佳网路松散率的设定值。因网路松散而执行网路融合后，以NLR设定为1/2时为最差，也就是说；在相同装置连接数目下，网路内piconet数量为最多。而当NLR设定为1/7和1/3时，两者设定能符合scatternet网路在建构时所提的量测标准，也就是说，在相同装置连接数目下，网路内piconet数量为最少。

参考文献：

[1] 麦汉荣，廖劲光，韩波，等.基于蓝牙技术的网络空调程控系统的设计与实现 [J].电子技术应用，2008（1）：85-89.

[2] 刘继顺，宋铁成，叶芝慧，等.基于轮换簇头的多跳对等蓝牙Ad Hoc网络形成协议 [J].南京师范大学学报（工程技术版），2006（3）：18-22.

作者简介：梁武智（1986.02-），男，助理工程师，本科。从事工作为通信、网络安全。