摘 要：藍(lán)牙（Bluetooth）[1]是一個(gè)新興、省電、低成本的短距離無(wú)線通訊技術(shù)，許多應(yīng)用都可透過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)Ad-Hoc的網(wǎng)路架構(gòu)。例如大眾場(chǎng)合的咖啡廳和機(jī)場(chǎng)，或者是公司內(nèi)部的會(huì)議和個(gè)人計(jì)算機(jī)設(shè)備，皆能通過(guò)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(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)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(gè)piconet里有一個(gè)master和最多七個(gè)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(gè)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(hào)存取是以TD（TimeDivisionDuplex）方式為之。而兩個(gè)以上的piconets可透過(guò)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(duì)它們的研究中，對(duì)于如何建構(gòu)成為一個(gè)scatternet粗略定義了三個(gè)假設(shè)：

（1）所有的裝置都在彼此傳輸范圍內(nèi)。（2）每個(gè)裝置剛開(kāi)始時(shí)都是獨(dú)立的。（3）每個(gè)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(gè)完整的scatternet網(wǎng)絡(luò)。

1 動(dòng)態(tài)維護(hù)機(jī)制

scatternet網(wǎng)路在建構(gòu)后由于動(dòng)態(tài)變動(dòng)，會(huì)面對(duì)一些問(wèn)題，意既網(wǎng)絡(luò)變大、松散且無(wú)法滿足原來(lái)設(shè)計(jì)所提出的基本目標(biāo)。對(duì)scatternet網(wǎng)路自我維護(hù)的機(jī)制——BlueMaint，該機(jī)制是一個(gè)能夠讓scatternet網(wǎng)路應(yīng)對(duì)不同狀況的演算機(jī)制，它能夠同時(shí)執(zhí)行于動(dòng)態(tài)與靜態(tài)環(huán)境中；以便達(dá)到自動(dòng)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(lái)連接未知的對(duì)方，研究中對(duì)于leader的角色并沒(méi)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(dòng)性只局限于兩個(gè)components連接過(guò)程中。它的缺點(diǎn)是：leader角色很少變動(dòng)，使得網(wǎng)路內(nèi)其他master無(wú)法成為leader，而無(wú)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(kāi)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(duì)leader的角色依時(shí)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(huì)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(lái)?yè)?dān)任。另外，當(dāng)leader角色傳遞到下一master時(shí)，可以額外攜帶資訊來(lái)整合整個(gè)網(wǎng)路內(nèi)所有訊息，那么leader將可以隨時(shí)監(jiān)看網(wǎng)路內(nèi)每一master所傳遞下來(lái)的資訊，以便即時(shí)做動(dòng)態(tài)的調(diào)整。該想法的做法是：BlueMaint利用兩種特性來(lái)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(duì)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(gè)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(shí)所執(zhí)行的最大時(shí)間值，它的時(shí)間設(shè)定值可以依piconet內(nèi)所連接slave的多寡而有長(zhǎng)短：k-NP是能夠讓較少slave的piconet，在它成為leader時(shí)有更多的時(shí)間單位來(lái)連接較多的新裝置。當(dāng)TIP值時(shí)間終止時(shí)，leader的角色將會(huì)改變，而由該網(wǎng)路內(nèi)另一master來(lái)?yè)?dān)任。

2 快速連結(jié)機(jī)制

如何快速且自動(dòng)搜尋無(wú)線電范圍內(nèi)未知對(duì)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(guò)后的裝置執(zhí)行狀態(tài)，以下做法可以來(lái)實(shí)現(xiàn)本想法：

（1）讓曾經(jīng)連接的裝置離開(kāi)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(méi)有機(jī)會(huì)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(kāi)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(gè)網(wǎng)絡(luò)不斷地成長(zhǎng)與變大。它的另外優(yōu)點(diǎn)就是減少Seek和Scan切換的時(shí)間，而能更快速地再連接進(jìn)入scatternet網(wǎng)路。

（2）TIS；加入一時(shí)間機(jī)制，當(dāng)連接的裝置離開(kāi)網(wǎng)路成為freenode后便啟動(dòng)該時(shí)間機(jī)制，在這段時(shí)間內(nèi)該freenode只執(zhí)行Scan的動(dòng)作，能更快速與scatternet網(wǎng)路內(nèi)的leader再連接。當(dāng)時(shí)間終了時(shí)，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(gè)瓦解時(shí)，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(shí)，在此情況下，該網(wǎng)絡(luò)是無(wú)法符合網(wǎng)路在建構(gòu)時(shí)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(dòng)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(gè)網(wǎng)路未連接裝置數(shù)量與整個(gè)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(guò)leader角色在網(wǎng)路內(nèi)傳遞時(shí)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(dòng)作，以便重新調(diào)整成為較佳的網(wǎng)絡(luò)，來(lái)符合建構(gòu)時(shí)所提的基本量測(cè)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(gè)方法做為分析標(biāo)的，分析三者的演算法則；分析沒(méi)有加入BlueMaint和有加入BlueMaint的差異。下列為我們的評(píng)估比較事項(xiàng)，并且于后面段落做詳細(xì)的說(shuō)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(kāi)后并且再參與該網(wǎng)絡(luò)時(shí)的分析。

（6）網(wǎng)絡(luò)于動(dòng)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(lái)討論，它的條件就是當(dāng)scatternet網(wǎng)路連接裝置為最多時(shí)，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(lái)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(shí)為最差，也就是說(shuō)；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(shí)，兩者設(shè)定能符合scatternet網(wǎng)路在建構(gòu)時(shí)所提的量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)，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(duì)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(jiǎn)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。