姜太平，郭建亮

（安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 馬鞍山243002）

0 引 言

對(duì)于藍(lán)牙［1］設(shè)備間的通信技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做了大量的研究。文獻(xiàn) ［2］引進(jìn)了設(shè)備分類的概念，按照一定的分類標(biāo)準(zhǔn)把屬于同一類的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)；文獻(xiàn) ［3］研究了基于多播協(xié)議相對(duì)坐標(biāo)RCMP （relative coordinatesbased multicasting protocol）在藍(lán)牙位置網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用；文獻(xiàn) ［4］提出了實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的藍(lán)牙分散網(wǎng)的多播機(jī)制GCBT （general core－based tree）。

以上文獻(xiàn)都是從不同的角度對(duì)藍(lán)牙設(shè)備間的通信進(jìn)行研究，但是還存在以下問題：①?zèng)]有一個(gè)掌控全局的主設(shè)備，對(duì)網(wǎng)中的子設(shè)備依賴性太強(qiáng)，如果某個(gè)子設(shè)備離開，整個(gè)網(wǎng)就會(huì)重新組織，另外如果某個(gè)子設(shè)備的性能較差，同時(shí)扮演著主設(shè)備的角色，就會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)的通信質(zhì)量，同時(shí)也加速了子設(shè)備的耗電量，使得組建起來(lái)的網(wǎng)穩(wěn)定性較差；②對(duì)于一個(gè)主設(shè)備如何支持多于7個(gè)活躍的從設(shè)備尚未提出有效解決方案。

基于以上問題，本文提出了一個(gè)基于中央服務(wù)器的通信模型，通過對(duì)中央服務(wù)器的藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行更改，使其可以支持多于7個(gè)活躍的藍(lán)牙從設(shè)備；另外，為了縮短活躍度高設(shè)備間通信時(shí)間的延遲，提出了基于活躍度的平等調(diào)度算法EASA。

1 藍(lán)牙協(xié)議分析

藍(lán)牙是一種工作在全球統(tǒng)一開放的2.4GHz ISM （industrial scientific medical）頻段的短距離無(wú)線通信技術(shù)［5］。為了防止受到工作在ISM 頻段的其它信號(hào)的干擾，藍(lán)牙采用跳頻技術(shù) （79跳或23跳）確保鏈路的穩(wěn)定。藍(lán)牙信道［6］被分為許多時(shí)隙 （slot），每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為625μs。幾個(gè)藍(lán)牙設(shè)備共享一個(gè)信道形成微微網(wǎng) （piconet），多個(gè)微微網(wǎng)間通過橋節(jié)點(diǎn)形成散射網(wǎng) （scatternet）；微微網(wǎng)［7］中主動(dòng)發(fā)起請(qǐng)求的設(shè)備為主設(shè)備 （master），接受請(qǐng)求的設(shè)備為從設(shè)備（slave），主從設(shè)備采用時(shí)分雙工 （TDD）策略交替發(fā)送分組，主設(shè)備在偶時(shí)隙發(fā)送分組，從設(shè)備在奇時(shí)隙發(fā)送分組。每個(gè)微微網(wǎng)中的一個(gè)主設(shè)備最多只能和7個(gè)活躍的設(shè)備進(jìn)行通信，主設(shè)備采用輪詢算法對(duì)所有的活躍設(shè)備進(jìn)行調(diào)度。

1.1 藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙協(xié)議是一種技術(shù)規(guī)范，是為了更好地使用藍(lán)牙技術(shù)而形成的共同約定；各種協(xié)議按照一定的規(guī)則進(jìn)行排列形成了藍(lán)牙協(xié)議棧，如圖1所示。藍(lán)牙協(xié)議棧中最重要的就是藍(lán)牙核心協(xié)議了，這也是本文研究的核心。

圖1 藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙核心協(xié)議包括服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議、邏輯鏈路控制與適配協(xié)議、鏈路管理協(xié)議、基帶協(xié)議［8］。其中服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議定義了藍(lán)牙客戶端查詢到可用的藍(lán)牙服務(wù)器提供的服務(wù)類型以及服務(wù)的具體屬性信息，利用搜尋到的服務(wù)可以使藍(lán)牙設(shè)備之間建立相應(yīng)的鏈接，所以它是所有用戶模式的基礎(chǔ)；邏輯鏈路控制與適配協(xié)議支持協(xié)議的復(fù)用以及數(shù)據(jù)包的分段和重組技術(shù)，并匯報(bào)服務(wù)的質(zhì)量等信息，其通過流量控制和重傳模式，可以對(duì)每個(gè)信道進(jìn)行流量控制和重傳，但是，此協(xié)議只支持可靠性好的面向無(wú)連接的數(shù)據(jù)分組傳輸；鏈路管理協(xié)議負(fù)責(zé)各個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間建立連接，規(guī)定了鏈路管理器主要包括5個(gè)部分：設(shè)備功率管理，鏈路質(zhì)量管理，鏈路控制管理，數(shù)據(jù)分組管理，鏈路安全管理；基帶協(xié)議是藍(lán)牙協(xié)議中最重要的協(xié)議，是核心協(xié)議中最底層的協(xié)議，其規(guī)范定義了兩種物理連接方式：面向連接SCO（synclironous conneetion oriented）和 無(wú) 連 接ACL （asynehxonous conneetionles）［9］，前 者 主 要 用 于 像 語(yǔ) 音 通 話 之 類對(duì)時(shí)間要求較為嚴(yán)格的數(shù)據(jù)傳送，后者適用于數(shù)據(jù)分組。經(jīng)過以上分析可知藍(lán)牙基帶協(xié)議在藍(lán)牙協(xié)議棧中扮演著重要的角色，所以本文從底層協(xié)議出發(fā)，對(duì)藍(lán)牙基帶協(xié)議進(jìn)行了深入的研究。

1.2 藍(lán)牙基帶分組

微微網(wǎng)中參與通信的設(shè)備必須有個(gè)活動(dòng)成員地址，類似于TCP/IP體系中的IP地址，必須在全網(wǎng)內(nèi)保持唯一性。此地址在藍(lán)牙基帶協(xié)議的基帶分組中有詳細(xì)的定義，基帶分組［10］是藍(lán)牙主從設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)數(shù)據(jù)在空中發(fā)送的基本格式，也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚卧?，如圖2所示。

圖2 基帶分組格式

圖2中各個(gè)域的描述如下：

（1）接入碼：接入碼又叫識(shí)別碼，其長(zhǎng)度為72位，用于同步、識(shí)別及標(biāo)識(shí)微微網(wǎng)信道上交換的所有分組。其可分為3種類型：信道識(shí)別碼、設(shè)備識(shí)別碼、查詢識(shí)別碼。

（2）分組頭：是一個(gè)重復(fù)的18bit模式，各個(gè)模式具有如下的子域：

AM＿ADDR：活動(dòng)成員地址，用于區(qū)分微微網(wǎng)中不同的活動(dòng)成員，主從設(shè)備在進(jìn)行交換時(shí)每個(gè)單元都會(huì)攜帶自身的AM＿ADDR 的地址信息。當(dāng)一個(gè)從設(shè)備斷開與主設(shè)備的連接或進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，就會(huì)釋放AM＿ADDR。由于改字段被分配了3比特，所以就決定了一個(gè)主設(shè)備最多可有7個(gè)從設(shè)備 （1到7）。0地址用于保留。

Type：類型，定義了來(lái)自上層的數(shù)據(jù)類型。4 位類型碼表示分組可以有16種不同的類型，對(duì)于16種類型詳情可參閱文獻(xiàn) ［11］。類型碼的首要任務(wù)是要確認(rèn)分組是來(lái)源于SCO 鏈路還是ACL 鏈路，同時(shí)類型碼也展現(xiàn)了當(dāng)前分組將有多少個(gè)時(shí)隙出現(xiàn)。

F：流控制，主要用于ACL 鏈接分組的流量控制，當(dāng)設(shè)置為1，表示該設(shè)備不能再接收數(shù)據(jù) （buffer已經(jīng)滿）。

A：確認(rèn)指示，用于無(wú)編號(hào)自動(dòng)請(qǐng)求重傳。如果值為1表示接收是成功的，如果為0表示接收失敗，需要重傳失敗的分組。

S：序列編號(hào)，用于對(duì)分組流排序。當(dāng)發(fā)生分組重傳時(shí)，通過對(duì)相鄰分組的S編號(hào)的比較，就可以不必重傳已經(jīng)正確接收的分組，避免了一些不必要的浪費(fèi)。

HEC：頭錯(cuò)誤校驗(yàn)碼，用來(lái)檢測(cè)18bit分組頭的完整性檢驗(yàn)。

（3）有效載荷：有效載荷包括語(yǔ)音和數(shù)據(jù)兩部分：SCO 分組僅包含語(yǔ)音有效載荷，ACL 分組僅包含數(shù)據(jù)有效載荷。語(yǔ)音字段的長(zhǎng)度固定位240比特，數(shù)據(jù)字段由3 部分組成：載荷頭、負(fù)載體和校驗(yàn)碼。載荷頭的長(zhǎng)度為1或2個(gè)字節(jié)，其規(guī)定了邏輯信道、邏輯信道上的流量控制及有效載荷的長(zhǎng)度指示。

通過以上分析可知，決定藍(lán)牙設(shè)備數(shù)目的是AM＿ADDR 字段，現(xiàn)有的藍(lán)牙協(xié)議把活躍設(shè)備限制在7個(gè)，由此可見，若想支持多余7個(gè)活躍設(shè)備間通信，我們需要對(duì)藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行更改。本文重點(diǎn)研究藍(lán)牙的ACL 分組，所以本文將對(duì)藍(lán)牙的ACL基帶分組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上我們提出自己的一套通信方案。

2 中央服務(wù)器模型多播方案的設(shè)計(jì)

如圖3所示，該模型采用的是主從模式，中間有一個(gè)全局掌控者 （主設(shè)備）充當(dāng)著中央服務(wù)器的角色，在其周圍有S1，S2，S3…，Sn等n個(gè)從設(shè)備；從設(shè)備之間的通信，必須經(jīng)過中央服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)。這樣在組網(wǎng)過程中就擺脫了對(duì)從設(shè)備的依賴性，比如Sn離開 （現(xiàn)實(shí)生活中，這種情況時(shí)常發(fā)生，因?yàn)橛脩舻囊苿?dòng)性很大），并不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)間的通信。

圖3 通信模型

本文中，我們假設(shè)S1，S2，S3…，Sn之間的通信是短消息通信且無(wú)信道錯(cuò)誤，即通信發(fā)送的消息分別在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成；另外我們還設(shè)定通信之間最大的延遲時(shí)間為1 s。在此基礎(chǔ)上，本文從協(xié)議層對(duì)中央服務(wù)器提出了改進(jìn)策略，使得其可以支持多于7個(gè)活躍的設(shè)備，從設(shè)備 （可能是手機(jī)等藍(lán)牙設(shè)備）的藍(lán)牙協(xié)議不做改動(dòng)，使用的是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以此方案具有可行性；另外，為了縮短了活躍度高設(shè)備間通信時(shí)間的延遲，我們提出了EASA 調(diào)度算法。

2.1 設(shè)備間通信時(shí)間的分析

藍(lán)牙微微網(wǎng)中主設(shè)備在偶時(shí)隙發(fā)送分組，從設(shè)備在奇時(shí)隙發(fā)送分組，所以主設(shè)備與從設(shè)備完成一次信息交互需要兩個(gè)時(shí)隙的時(shí)間。設(shè)Ti表示主設(shè)備與第i個(gè)設(shè)備Si通信時(shí)間，顯然Ti＝625μs＊2＝1.25ms。如圖4所示，其中T1＝T2＝T3… ＝T2n－1＝T2n＝625μs。

圖4 主從設(shè)備間通信

微微網(wǎng)中，主設(shè)備對(duì)多個(gè)活動(dòng)的從設(shè)備進(jìn)行調(diào)度采用的是平均順序輪詢法RR［12］，即主設(shè)備基于公平公正的原則針對(duì)多個(gè)設(shè)備按照時(shí)隙進(jìn)行輪詢。我們不妨假設(shè)輪詢的方式為：S1，S2，S3，…，Sn。

從S1發(fā)送一個(gè)分組到S2，S3，…，Sn分別響應(yīng)形成的消息隊(duì)列，如圖5所示。

圖5 消息隊(duì)列

t0時(shí)刻，p1分組準(zhǔn)備進(jìn)入消息隊(duì)列，t1時(shí)刻p1進(jìn)入隊(duì)列，到tn時(shí)刻，所有的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)接收過分組p1，所以從消息隊(duì)列中移除。從圖中可以看出，從p1進(jìn)入到p1出來(lái)，共經(jīng)過了一個(gè)傳遞周期記為Tp＝Ti＊n ＝1.25ms＊n。則n個(gè)分組都發(fā)送完成所經(jīng)歷的時(shí)間，我們表示為一個(gè)輪詢的周期Rc＝Tp＊n＝1.25ms＊n2。

由于我們能接受的最大延遲時(shí)間為1s，故有如下計(jì)算公式

可知nmax＝28。即在延遲為1s的情況下，最多可支持28個(gè)活躍設(shè)備間的同時(shí)通信。由于藍(lán)牙協(xié)議最多只能支持7個(gè)活躍設(shè)備，所以，我們需要對(duì)藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 改進(jìn)后的分組格式

在標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙協(xié)議中AM＿ADDR 字段只分配了3bit，所以最多只能支持7個(gè)設(shè)備。為了增加主設(shè)備所能支持的從設(shè)備的數(shù)目，需要對(duì)此字段進(jìn)行擴(kuò)展。

如圖6所示，具體修改步驟如下：

（1）AM＿ADDR 擴(kuò)展為5位，這樣就保證了一個(gè)主設(shè)備最多可支持32個(gè)設(shè)備。由上文分析可知，備間進(jìn)行通信時(shí)，時(shí)間的延遲也小。所以，此字段的擴(kuò)展，一方面保證了設(shè)備的數(shù)量，另一方面也保證了設(shè)備間通信時(shí)間延遲短。

（2）新增一個(gè)短消息類型ShortType，占1bit。此字段的增加是為了保證與傳統(tǒng)藍(lán)牙的協(xié)議相兼容。對(duì)此字段，我們定義以下約定：如果此字段值為0表示當(dāng)前通信模式為短消息通信模式，如果值為1表示為藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)通信模式，同時(shí)AM＿ADDR 字段的高三位設(shè)為0；默認(rèn)情況下，此字段為0，即通信方式采用的是藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。經(jīng)過這樣約定，不僅擴(kuò)展了藍(lán)牙設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了n≥7 設(shè)備間的通信，而且也保證了我們修改后的協(xié)議與藍(lán)牙現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相兼容。

（3）分組頭由54bits擴(kuò)展到了63bits。由于AM＿ADDR字段多增加了2位和新增的ShortType 字段，使得的分組頭多增出9bits。所以，分組頭自然而然也就變成了63bits。

（4）其它字段與標(biāo)準(zhǔn)保持統(tǒng)一，保持不變。此處的保持不變是指字段的位數(shù)和字段的描述皆為藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的定義，本文并未給這些字段做出新的定義。

圖6 改進(jìn)后的分組格式

2.3 基于活躍度的平等調(diào)度算法EASA

由上文部分分析得知。如果按照RR 調(diào)度算法，在通信的實(shí)時(shí)性上會(huì)有很大的延遲性。比如在某一段時(shí)間內(nèi)，S1與Sn的通信比較頻繁，從S1發(fā)送一個(gè)分組到Sn響應(yīng)，最大延遲時(shí)間為一個(gè)傳遞周期Tp，延遲性相對(duì)較長(zhǎng)，為了保證設(shè)備間的通信質(zhì)量，我們需要對(duì)此調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上提出了基于活躍度的平等調(diào)度算法EASA?；钴S度的定義為：每個(gè)節(jié)點(diǎn)活躍的頻繁度，具體體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組時(shí)次數(shù)的大小。

設(shè)S為調(diào)度序列的集合，初始值為：S ＝｛S1，S2，…，Sn｝；表示為序列的長(zhǎng)度；定義d（Si）為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前活躍度，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始值為－∞；如果節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一次消息，則此節(jié)點(diǎn)的活躍度的值就加1。在下一個(gè)調(diào)度周期開始前，按照d（Si）對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行降序排列，更新調(diào)度序列S。算法如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文用java編程進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，圖7研究了節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化與消息延遲時(shí)間之間的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)之間的通信延遲呈現(xiàn)曲線式的增長(zhǎng)；在節(jié)點(diǎn)數(shù)目為16以后，變化幅度越來(lái)越大。

圖7 延遲時(shí)間

圖8比較了RR 算法和EASA 算法的性能。RR 算法采用的調(diào)度序列為S1，S2，S3，…，Sn，n 取值為16。為了和RR 算法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)中，令d（S1）＝＋∞，即S1節(jié)點(diǎn)的活躍度取最大值，保證其在調(diào)度序列的首部。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得知，RR 調(diào)度算法不管Sn節(jié)點(diǎn)的活躍度多高，其收到S1發(fā)送的消息所需的時(shí)間為一個(gè)常數(shù) （20ms），而EASA 調(diào)度算法隨著節(jié)點(diǎn)活躍的變化而呈現(xiàn)曲線的走向，當(dāng)其活躍度越高時(shí)，收到S1發(fā)送的消息所需的時(shí)間越短。

圖8 RR 算法與EASA 算法比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先討論了當(dāng)前藍(lán)牙多設(shè)備間通信存在的問題，對(duì)藍(lán)牙基帶進(jìn)行了分析并介紹了其分組格式，然后本文提出了一個(gè)適合于多設(shè)備間短消息通信的方案，并把藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)只能支持7個(gè)活躍的從設(shè)備擴(kuò)展到了32個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)了更多個(gè)設(shè)備間的通信；同時(shí)，對(duì)RR調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)，并在此基礎(chǔ)上提出了基于活躍度的平等調(diào)度算法EASA，縮短了活躍度較為大的從設(shè)備間的通信延遲時(shí)間。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方案，不僅實(shí)現(xiàn)了多個(gè)設(shè)備，而且縮短了設(shè)備之間信息交互的時(shí)間延遲，保證了通信的及時(shí)性。

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