朱潔凈　呂光宏　吳明　聶煒瑋

摘要：文章對(duì)藍(lán)牙技術(shù)、piconet的建立，對(duì)基于藍(lán)牙技術(shù)的WPAN mesh組網(wǎng)深入描述。支持WPAN mesh組網(wǎng)自組織的關(guān)鍵技術(shù)包括按需自組織技術(shù)、路由技術(shù)等。關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；組網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)

21世紀(jì)以來(lái)，藍(lán)牙無(wú)線局域域網(wǎng)WPAN與無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)正在迅速發(fā)展。以藍(lán)牙作為WPAN主導(dǎo)技術(shù)核心思想就是用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)組建個(gè)人化信息網(wǎng)絡(luò)。在其覆蓋范圍內(nèi)各種信息化設(shè)備能實(shí)現(xiàn)資源共享。無(wú)線Mesh網(wǎng)因其高頻譜效率、動(dòng)態(tài)自組織和敷設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)BT-WPAN與其它網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，提高網(wǎng)絡(luò)自身的兼容性。

1藍(lán)牙微微網(wǎng)(piconet)的建立

藍(lán)牙通信，是借助藍(lán)牙設(shè)備以特定方式組成網(wǎng)絡(luò)piconet來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果某臺(tái)設(shè)備的時(shí)鐘和跳頻序列被用來(lái)同步其他的設(shè)備，則稱(chēng)它為主設(shè)備，非主設(shè)備的設(shè)備為從設(shè)備。所有的藍(lán)牙設(shè)備都是對(duì)等的，以同樣的方式工作。主設(shè)備與從設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)交互通信，從設(shè)備被主設(shè)備選中時(shí)，才可以進(jìn)行傳送。這個(gè)主設(shè)備通常稱(chēng)為PNC。

在piconet建立之前，所有的設(shè)備都處于等待狀態(tài)，設(shè)備一旦被喚醒，就在預(yù)先設(shè)定的跳頻頻率上監(jiān)聽(tīng)信息。連接進(jìn)程從PNC的初始化開(kāi)始。在初始尋呼狀態(tài)，PNC在16個(gè)跳頻頻率上發(fā)送一串相同的尋呼信息給從設(shè)備；如果沒(méi)有收到應(yīng)答，PNC就在其他的16個(gè)跳頻頻率上發(fā)送尋呼信息。在piconet中，設(shè)備在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)轉(zhuǎn)入節(jié)能工作狀態(tài)。PNC可將從設(shè)備設(shè)置為保持方式，從設(shè)備也可以自己要求轉(zhuǎn)入保持方式。設(shè)備由保持方式轉(zhuǎn)出后，可以立即恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)聽(tīng)方式和休眠方式是另外兩種低功耗工作方式。在監(jiān)聽(tīng)方式下，從設(shè)備監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間間隔增大；在休眠方式下，設(shè)備僅偶爾監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)同步信息和檢查廣播信息。

2BT－WPAN mesh組網(wǎng)

在標(biāo)準(zhǔn)802.15.3中，WPAN可僅有一個(gè)單獨(dú)的piconet，也可有從picdnets作為該網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)；這就是遵守802.15.3標(biāo)準(zhǔn)的父－子(parent-child)層次結(jié)構(gòu)，子PNC能與父PNC和網(wǎng)中的所有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；在自己網(wǎng)中，子PNC也能和其它設(shè)備通信。這一規(guī)定局限性是，在子網(wǎng)中的設(shè)備不能與父網(wǎng)中PNC及設(shè)備進(jìn)行通信，即使它們都處在彼此的傳輸范圍內(nèi)。為了多個(gè)WPAN能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)，及多點(diǎn)到多點(diǎn)的多跳通信，又推出IEEE802.15.5標(biāo)準(zhǔn)，Mesh網(wǎng)絡(luò)被定義為一個(gè)個(gè)域網(wǎng)，在mesh結(jié)構(gòu)中，除了有WPAN網(wǎng)內(nèi)通信，也存在網(wǎng)間通信。對(duì)于網(wǎng)內(nèi)通信，單個(gè)PNC為終端設(shè)備提供無(wú)線接入、無(wú)線資源管理等功能；對(duì)于網(wǎng)間通信，一個(gè)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以與其他網(wǎng)內(nèi)的MPNC和節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信；MPNCS之間也能互相通信。

3BT－WPAN無(wú)線Mesh組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1按需自組織技術(shù)

某個(gè)piconet MPNC啟動(dòng)mesh WPAN，該MPNC稱(chēng)為mesh coordinator(MC)。要啟動(dòng)一個(gè)mesh網(wǎng)絡(luò)，MC信號(hào)應(yīng)該包含一個(gè)能唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的mesh標(biāo)志符ID和一個(gè)肉絡(luò)負(fù)載信息單元IE，該IE包含一個(gè)MPNC是否能夠支持新的子網(wǎng)，或?yàn)閯e的MPNCS轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的信息。MC可以建立一個(gè)樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在MC信息單元上表示出來(lái)。

MC鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送樹(shù)鏈接請(qǐng)求命令加入樹(shù)，此命令包含擁有實(shí)際下一代數(shù)量的MPNC信息。MC從鄰居MPNC接到鏈接請(qǐng)求命令，它先查閱MC分配給TREEIDs的可利用地址空間來(lái)決定是否能夠支持MPNC及其下一代。如果MC能夠支持MPNC及其下一代，它就給MPNC發(fā)送樹(shù)鏈接響應(yīng)命令。除了通知目的MPNC告訴其鏈接狀況外，樹(shù)鏈接響應(yīng)命令還包含可利用的TREEI-Ds、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)服務(wù)器和地址服務(wù)器的信息。鏈接的MPNC在樹(shù)表內(nèi)加MC作為其新的父，并發(fā)送了一個(gè)IE信號(hào)，該IE含有增加更多的設(shè)備作為其子信息。

如果一個(gè)子MPNC從兩個(gè)或兩個(gè)以上的樹(shù)成員(父MPNC)接到信號(hào)，它們都愿意接受新的子，這個(gè)子MPNC就選擇離MC最少路線開(kāi)銷(xiāo)的MPNC作為它的父。一個(gè)父MPNC能用樹(shù)斷裂請(qǐng)求命令去斷開(kāi)子，子也可以使用同樣的命令從父處斷開(kāi)。父MPNC或子MPNC發(fā)送樹(shù)斷裂確認(rèn)命令幀完成斷開(kāi)過(guò)程。

3.2路由技術(shù)

無(wú)線Mesh路由協(xié)議可參照Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議DSR、DSDV、AODV等，但又有所不同。下面的路由策略適用于MPAN，它較靈活。能適應(yīng)新的高效路由協(xié)議。

本地路由：如果一個(gè)源MPNC發(fā)現(xiàn)能夠直接到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，它就直接傳送數(shù)據(jù)包。否則，它就檢查是否能直接到達(dá)一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送給該鄰居節(jié)點(diǎn)。

遠(yuǎn)程路由：遠(yuǎn)程路由可分為樹(shù)路由，集中路由，基于位置的路由和分布式路由等?？紤]MAN運(yùn)行需求，它們中的每一個(gè)都能夠設(shè)計(jì)成路由協(xié)議。

樹(shù)狀結(jié)構(gòu)和TREEID分配方法使MP-NCs能根據(jù)TREEID塊信息和子的TREEID塊信息路由數(shù)據(jù)包。一個(gè)MPNC可以檢查目的MPNC的TREEID是否屬于源MPNC的TREEID塊，不屬于，就把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送給其父；屬于，就把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送給它的子。

在集中路由中，一個(gè)或多個(gè)MPNCs可充當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)所有MPNCs的鏈接狀態(tài)信息。在mesh網(wǎng)絡(luò)，所有MPNCs應(yīng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)服務(wù)器上標(biāo)記它們鏈接狀態(tài)。為了防止單點(diǎn)故障，許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)服務(wù)器可充當(dāng)備份服務(wù)器。通過(guò)向備份服務(wù)器發(fā)送鏈路狀態(tài)標(biāo)記命令幀，主服務(wù)器和備份服務(wù)器達(dá)到同步。如果主服務(wù)器實(shí)效，主服務(wù)器的鄰居節(jié)點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)所有的鏈路狀態(tài)標(biāo)記幀和路由發(fā)現(xiàn)幀給備份服務(wù)器。

如果物理層允許在設(shè)備間作出精確距離測(cè)量，就可以建立一個(gè)坐標(biāo)系來(lái)涵蓋整個(gè)mesh網(wǎng)絡(luò)。源MPNC應(yīng)能設(shè)置分組傳輸路徑作為基于位置的路由，在路由輔助區(qū)域內(nèi)確定自己和目的MPNC物理位置；源MPNC計(jì)算目的MPNC和該源MPNC的鄰居MP-NCS之間的距離。和目的MPNC最近的鄰居作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。如果沒(méi)有合適的最近節(jié)點(diǎn)，源MPNC可以選擇分布式路由，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播路由發(fā)現(xiàn)幀，直到找到一個(gè)到目的最佳路由。當(dāng)某個(gè)MPNC接到該幀，它應(yīng)更新與源MPNC之間的路由值；如果該MP-NC和源MPNC之間已經(jīng)有一個(gè)路由項(xiàng)，路由發(fā)現(xiàn)幀的路由值小于它的路由項(xiàng)中的路由值，應(yīng)對(duì)幀更新。如果這個(gè)MPNC是目的MPNC，并且路由項(xiàng)被幀更新，它應(yīng)生成一個(gè)路由形成命令幀，向源MPNC發(fā)送該幀；幀內(nèi)的源設(shè)備標(biāo)志符應(yīng)定為目的MPNC識(shí)別碼，目的設(shè)備標(biāo)志符應(yīng)定為源MPNC識(shí)別碼；幀的中繼表應(yīng)設(shè)置為一個(gè)空表。如果這個(gè)接到路由發(fā)現(xiàn)幀的MPNC不是幀的目的地并且它是首次收到幀，該MPNC應(yīng)該在路由發(fā)現(xiàn)表中記錄該幀，然后再轉(zhuǎn)播該幀；如果以前該MPNC收到過(guò)幀，并且路由項(xiàng)被這個(gè)幀更新，那它就只轉(zhuǎn)播該幀。當(dāng)某個(gè)MPNC收到含有空中繼表的路由生成幀，它應(yīng)首先針對(duì)其路由表檢查源設(shè)備標(biāo)志符。如果該MPNC和目的MPNC之間沒(méi)有路由項(xiàng)，就應(yīng)建立一個(gè)；否則，通過(guò)參照和源MPNC之間路由項(xiàng)，它應(yīng)更新其路由項(xiàng)和路由生成幀路由值到下一跳進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)源MPNC收到路由形成命令幀，它應(yīng)為目的MPNC建立一個(gè)路由項(xiàng)，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包。

4結(jié)束語(yǔ)

基于藍(lán)牙Mesh WPAN因其組網(wǎng)的快速靈活性、節(jié)點(diǎn)的分布性等優(yōu)點(diǎn)，可以以少量的基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建覆蓋范圍廣的高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。并且具有成本低、升級(jí)方便等特點(diǎn)。如何在下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮這種構(gòu)架的性能優(yōu)勢(shì)和潛力，是需要深入研究和探