基于藍(lán)牙技術(shù)公共接入網(wǎng)絡(luò)研究

　　
　　摘　要：分析了BLUEPAC參考網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及局部IP地址的分配，對(duì)BLUEPAC中微微網(wǎng)的組網(wǎng)方式進(jìn)行了討論。最后針對(duì)切換時(shí)延的問(wèn)題，提出了快速切換的解決方法。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；微微網(wǎng)；協(xié)議
　
　　藍(lán)牙是一個(gè)開(kāi)放性的、短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于在較小的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互連［1］。藍(lán)牙SIG的局域網(wǎng)接入剖面規(guī)定了局域網(wǎng)接入應(yīng)用在每個(gè)協(xié)議層使用的具體功能和過(guò)程。單個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)終端（DT）采用局域網(wǎng)接入點(diǎn)（LAP）以無(wú)線方式接入局域網(wǎng)。該剖面局限于由LAP和DT組成的微微網(wǎng)（Piconet）距離僅為10m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣義藍(lán)牙移動(dòng)終端的無(wú)縫因特網(wǎng)接入。TCP／IP是在假定終端設(shè)備固定的情況下設(shè)計(jì)的，基于TCP／IP的高層協(xié)議也不可能滿足終端移動(dòng)性的要求。因此，如何實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙移動(dòng)終端的無(wú)縫因特網(wǎng)接入，成為通信領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)。

藍(lán)牙公共接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（BLUEPAC IP，Bluetooth Public Access Internet Protocol）支持基于藍(lán)牙技術(shù)的IP服務(wù)。

1　BLUEPACIP概念協(xié)議的研究

必須考慮到BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)連接的藍(lán)牙設(shè)備有沒(méi)有自己的IP地址的情況。此外，BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該同時(shí)支持移動(dòng)設(shè)備和靜止設(shè)備。

在BLUEPAC局域網(wǎng)內(nèi)的所有設(shè)備，都要使用BLUEPACIP，而且對(duì)在BLUEPAC區(qū)域外的設(shè)備不需要作任何修改，就可以和區(qū)域外的IP主機(jī)通信。

1。1　參考網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BLUEPAC參考網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相似［2］，如圖1所示。主要包括以下5部分。

1　網(wǎng)關(guān)（GW）　在BLUEPAC區(qū)域中，將連接BLUEPAC局域網(wǎng)到公共網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)提供給全球信息和通信服務(wù)的接入，以及藍(lán)牙設(shè)備的相應(yīng)IP協(xié)議配置。

2　藍(lán)牙設(shè)備　藍(lán)牙設(shè)備是藍(lán)牙用戶的終端設(shè)備，例如筆記本電腦、PDA等。

3　藍(lán)牙基站　負(fù)責(zé)將藍(lán)牙設(shè)備接入BLUEPAC網(wǎng)路，為藍(lán)牙設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)。基站與設(shè)備之間的交換主要在數(shù)據(jù)鏈路層完成。

4　BLUEPAC代理　完成藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置。BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)中只有配置IP地址的藍(lán)牙通信設(shè)備才可以正常發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)包，由于藍(lán)牙網(wǎng)路中的設(shè)備移動(dòng)性強(qiáng)，基于固定IP地址的配置方式會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包的選路帶來(lái)困難，因此，藍(lán)牙代理服務(wù)器利用DHCP（Dynamic Host ConfigurationProtocol）協(xié)議為藍(lán)牙設(shè)備配置IP地址。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新的藍(lán)牙設(shè)備加入時(shí)，同樣需要藍(lán)牙代理服務(wù)器完成配置。需要特別指出的是，如果BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備使用的是供本地網(wǎng)絡(luò)使用的本地地址，而不是一個(gè)合法的IP地址，則需要代理服務(wù)器進(jìn)行地址的轉(zhuǎn)換。

5　基站控制器　用于連接網(wǎng)關(guān)和一些基站，可以向基站發(fā)送數(shù)據(jù)和控制信息。

BLUEPAC藍(lán)牙終端接入的基本過(guò)程是：在藍(lán)牙電波范圍內(nèi)，用戶可以通過(guò)BLUEPAC基站接入BLUEPAC局域網(wǎng)，得到服務(wù)或接入公眾網(wǎng)絡(luò)。為擴(kuò)大局域網(wǎng)覆蓋范圍，還可以建立若干微微網(wǎng)，再通過(guò)BLUEPAC基站將微微網(wǎng)接入局域網(wǎng)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)通信區(qū)域完全覆蓋很有幫助。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。超出一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)區(qū)域時(shí)，用戶通過(guò)連接下一個(gè)BLUEPAC基站同樣可以訪問(wèn)BLUEPAC服務(wù)。

　　針對(duì)BLUEPAC終端設(shè)備的移動(dòng)，BLUEPAC參考網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還能夠提供連續(xù)不間斷的服務(wù)，如圖1所示。中間微微網(wǎng)的BLUEPAC設(shè)備與應(yīng)用服務(wù)器已建立了連接。當(dāng)該BLUEPAC終端設(shè)備從中間進(jìn)入左邊微微網(wǎng)時(shí)，BLUEPAC代理就拆除中間的連接，建立與左邊BLUEPAC基站的新連接。當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)，舊基站除保存目前連接狀態(tài)和信息外，還要向前傳送給新的基站，并要求在網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)不使通信中斷或服務(wù)量下降。

1。2　局部IP地址的分配

對(duì)沒(méi)有自己的IP地址并想接入BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)牙設(shè)備，需要一個(gè)機(jī)制來(lái)分配IP地址，為了連到此網(wǎng)絡(luò)，還需提供具有相應(yīng)信息的器件（域名服務(wù)器、代理服務(wù)器等）［3］。
　　BLUEPAC基站是藍(lán)牙有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)間的邊緣設(shè)備，它連接有線網(wǎng)絡(luò)選路分組與藍(lán)牙設(shè)備。

BLUEPAC代理的工作就是IP地址的分配及連接器件的認(rèn)證。IP地址的分配以類(lèi)似于DHCP服務(wù)器的方式實(shí)現(xiàn)。如果要避免從Internet注冊(cè)處獲得的全局唯一的IP地址的分配，則可以使用局部IP地址，因?yàn)檫@些地址只在一個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有效。當(dāng)連接到Internet時(shí)，需要代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到Internet的主機(jī)，并再返回。因此，BLUEPAC代理的任務(wù)除了分配IP地址和給域名服務(wù)器一個(gè)地址外，還可以包括代理服務(wù)器的分配。此外，它還具有處理連接拆除，以及對(duì)已連接器件超時(shí)取消分配并令其他器件重新使用該IP地址的功能。如果使用全球唯一的IP地址，就需要用一個(gè)路由器來(lái)代替代理服務(wù)器。

BLUEPAC局域網(wǎng)必須能把數(shù)據(jù)傳到已連接的藍(lán)牙設(shè)備，該設(shè)備已分配的IP地址沒(méi)必要具有本地含義。在這里，蜂窩IP的概念是有益的，因?yàn)樗�可以不管設(shè)備的當(dāng)前位置，允許選路到IP地址。

根據(jù)上面提到的特性，藍(lán)牙設(shè)備能夠連接到?jīng)]有自己IP地址的BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)該設(shè)備在藍(lán)牙基站范圍內(nèi)時(shí)，它可以連接到此基站，向BLUEPAC代理發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，并接收已分配的IP地址和代理服務(wù)器的可能地址及端口的響應(yīng)。此時(shí)，該設(shè)備就可以和應(yīng)用服務(wù)器通信，也可以和在BLUPAC網(wǎng)絡(luò)中其他的藍(lán)牙設(shè)備甚至Internet中的主機(jī)通信。

2　BLUEPAC中微微網(wǎng)組網(wǎng)方式探討

2。1　藍(lán)牙無(wú)線接入過(guò)程

藍(lán)牙設(shè)備連接的建立一般包括以下兩個(gè)階段。

1　地址發(fā)現(xiàn)　該階段主要完成地址的查詢(xún)（Inquiry），其過(guò)程用于發(fā)現(xiàn)在發(fā)射區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，以及設(shè)備的地址和時(shí)鐘。建立連接只需要設(shè)備地址，如果有時(shí)鐘信息則可以加速建立過(guò)程。建立連接的節(jié)點(diǎn)將處理尋呼（Page）過(guò)程，并自動(dòng)成為連接的主節(jié)點(diǎn)。

2　頻率同步　建立連接設(shè)備之間跳頻序列同步。開(kāi)始連接的設(shè)備為主節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)設(shè)備為從節(jié)點(diǎn)。從節(jié)點(diǎn)的跳頻和時(shí)鐘與主節(jié)點(diǎn)一致，頻率同步延時(shí)與接受設(shè)備的掃描間隔成正比。藍(lán)牙規(guī)范定義了3種掃描間隔，即：10ms（連續(xù)掃描）；1。28s；2。56s。如果主、從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘在－8×1。28～7×1。28s之間，那么該過(guò)程占用1。28s，否則，將占用2。56s。該階段主要指尋呼過(guò)程。

為建立一個(gè)新的連接，可使用查詢(xún)和尋呼過(guò)程，在尋呼和查詢(xún)過(guò)程中分別使用設(shè)備接入碼（DAC）和查詢(xún)接入碼（IAC）；在尋呼掃描（PageScan）和查詢(xún)掃描（Inquiry Scan）狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)中分別使用相應(yīng)的相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)處理。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)在查詢(xún)掃描子狀態(tài)收到查詢(xún)消息時(shí)，必須返回一個(gè)包含接受者地址的消息。該分組使用常規(guī)的FHS（Frequency Hop Synchronization）分組。

藍(lán)牙鏈路建立的過(guò)程，從表1中可以看出［4］，如果沒(méi)有查詢(xún)過(guò)程，只用尋呼過(guò)程建立連接，則鏈路建立延時(shí)將下降50％。因此，查詢(xún)過(guò)程是最耗時(shí)的因素。

2。2　微微網(wǎng)組網(wǎng)方式的討論

BLUEPAC技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠允許BT用戶在基站之間移動(dòng)，并且確保外界的通信不受影響。以下就BLUEPAC中微微網(wǎng)的幾種組網(wǎng)方式進(jìn)行討論。

1　基站作為藍(lán)牙的從單元，BT用戶作為主單元　在該網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)BT用戶都將基站作為它的從單元而建立一個(gè)微微網(wǎng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)BT用戶需要新的基站建立連接時(shí)，它只需發(fā)送一個(gè)查詢(xún)（Inquiry）和尋呼（Page）消息來(lái)查找新的基站，切換的處理過(guò)程很簡(jiǎn)單。這種方法的缺點(diǎn)是：此時(shí)必須與微微網(wǎng)都保持同步的基站同時(shí)處于幾個(gè)微微網(wǎng)中，因此，基站必須應(yīng)用時(shí)分復(fù)用來(lái)滿足多個(gè)微微網(wǎng)的尋址和通信。這樣，在不同時(shí)鐘的微微網(wǎng)下的時(shí)分復(fù)用必將帶來(lái)通信性能的惡化。這種方案更適用于移動(dòng)IP技術(shù)。

2　基站作藍(lán)牙為主單元，BT用戶作為從單元　在該網(wǎng)絡(luò)中基站作為主單元與多個(gè)BT用戶建立一個(gè)微微網(wǎng)。在藍(lán)牙技術(shù)中，從單元只有在被主單元尋址后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，這種方式的基站控制著該鏈路的介質(zhì)訪問(wèn)權(quán)，并且BT用戶在某個(gè)時(shí)段發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量也由基站控制，從而B(niǎo)T用戶訪問(wèn)因特網(wǎng)的效率大打折扣。在這種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)只能由一個(gè)主單元和7個(gè)從單元構(gòu)成，這樣，一個(gè)基站最多只能與7個(gè)BT用戶相連。這種方案更適用于蜂窩IP技術(shù)。

鑒于上面兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為了使藍(lán)牙設(shè)備更有效地接入BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)效率，我們提出采用將上面兩種接入方式結(jié)合使用的新的接入方式。在新的接入方式下，藍(lán)牙基站在輪詢(xún)和待命狀態(tài)之間循環(huán)切換。在藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙基站建立連接之前，藍(lán)牙基站以主動(dòng)設(shè)備方式工作，即藍(lán)牙設(shè)備向基站發(fā)送請(qǐng)求信息，得到回應(yīng)后，表明二者的連接關(guān)系已經(jīng)建立。在藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙基站建立連接之后，藍(lán)牙基站轉(zhuǎn)為從屬設(shè)備方式工作，即在連接建立后進(jìn)行一次主從切換。但此時(shí)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中其他未與基站建立連接關(guān)系的設(shè)備來(lái)說(shuō)，基站仍然在主動(dòng)設(shè)備方式下工作。

3　切換時(shí)延問(wèn)題及其解決方案

當(dāng)BT用戶從一個(gè)基站轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基站時(shí)，會(huì)出現(xiàn)切換時(shí)延的問(wèn)題。移動(dòng)時(shí)延包括：檢測(cè)移動(dòng)的時(shí)延；重新注冊(cè)的時(shí)延；鏈接建立的時(shí)延。

利用移動(dòng)IP和蜂窩IP的思想提出實(shí)現(xiàn)快速切換的方法。接入網(wǎng)中的移動(dòng)性由蜂窩IP處理，而網(wǎng)關(guān)之間（例如蜂窩IP接入網(wǎng)之間）的移動(dòng)性由移動(dòng)IP管理。對(duì)網(wǎng)關(guān)之間的移動(dòng)性利用了移動(dòng)IP的概念，把多個(gè)外地鏈路組成一個(gè)域，并在域中增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體網(wǎng)關(guān)外地代理，從而使移動(dòng)藍(lán)牙設(shè)備的重新注冊(cè)具有層次性和局部性。這樣，當(dāng)在同一域內(nèi)進(jìn)行切換時(shí)，移動(dòng)藍(lán)牙設(shè)備不需向距離比較遠(yuǎn)的家鄉(xiāng)代理注冊(cè)，而只需向網(wǎng)關(guān)外地代理注冊(cè)，減少了重新注冊(cè)的時(shí)間。在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)家鄉(xiāng)地址來(lái)識(shí)別移動(dòng)主機(jī)（MH）位置管理信息以及切換支持是與路由結(jié)合在一起的。為了使控制信令減少到最低，MH發(fā)送的一般數(shù)據(jù)包常被用于建立主機(jī)位置信息。MH到網(wǎng)關(guān)的上行鏈路包采用Hop－by－Hop路由方式，經(jīng)過(guò)的路徑緩存在基站中，而網(wǎng)關(guān)到MH下行鏈路包采用此MH最近發(fā)送的包所使用路徑的相反方向。當(dāng)主機(jī)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，它就周期性地向網(wǎng)關(guān)發(fā)送空IP包，以維持它的下行鏈路路由狀態(tài)。如果在確定的時(shí)間內(nèi)MH沒(méi)有收到數(shù)據(jù)包，就被認(rèn)為超時(shí)并清除路由緩存中下行鏈路的軟件路由。

鏈接時(shí)延問(wèn)題的解決方案之一就是通過(guò)基站控制器給出移動(dòng)設(shè)備需要鏈接的新基站的地址和時(shí)鐘。移動(dòng)設(shè)備在切換期間不必查詢(xún)新基站。鏈路建立的流程如圖2所示。

當(dāng)移動(dòng)設(shè)備的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）小于某個(gè)門(mén)限值時(shí)，移動(dòng)設(shè)備將切換到新的基站，RSSI測(cè)量是通過(guò)對(duì)接收的信號(hào)與兩個(gè)門(mén)限電平進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)門(mén)限電平形成所謂的黃金接收范圍［5］。如果門(mén)限值設(shè)的太小，容易導(dǎo)致鏈接數(shù)據(jù)丟失。因此，RSSI值由藍(lán)牙硬件精確測(cè)量。

如果檢測(cè)到切換，移動(dòng)設(shè)備向基站控制器請(qǐng)求新基站的時(shí)鐘和地址，估算基站的準(zhǔn)確頻率。由于基站控制器不能確定移動(dòng)設(shè)備的準(zhǔn)確位置，所以將臨近幾個(gè)單元的信息回應(yīng)給移動(dòng)設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備發(fā)送同步請(qǐng)求到控制器，基站控制器強(qiáng)制臨近基站進(jìn)入掃描模式，由于基站掃描模式和尋呼模式幾乎同時(shí)開(kāi)始工作，使頻率同步延時(shí)降低。

移動(dòng)設(shè)備選擇一個(gè)新基站，連續(xù)發(fā)送設(shè)備接入碼（DAC），新基站立即回應(yīng)一個(gè)DAC包，移動(dòng)設(shè)備檢測(cè)基站信號(hào)強(qiáng)度，并將強(qiáng)度值存儲(chǔ)。對(duì)其他新基站進(jìn)行同樣測(cè)試，選擇信號(hào)強(qiáng)度好的進(jìn)行鏈接。將移動(dòng)設(shè)備和新基站形成微微網(wǎng)移動(dòng)設(shè)備作為主節(jié)點(diǎn)，切換過(guò)程完成。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)IP的不足，對(duì)BLUEPACIP的網(wǎng)絡(luò)參考結(jié)構(gòu)和局部IP地址的分配作了詳盡的分析，對(duì)BLUEPAC中微微網(wǎng)的組網(wǎng)方式的探討，特別是對(duì)切換時(shí)延問(wèn)題的分析，以及所給出的解決方案，為網(wǎng)絡(luò)連接和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的思路。使用BLUEPACIP協(xié)議的藍(lán)牙設(shè)備可以同BLUEPAC區(qū)域中的設(shè)備進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙移動(dòng)終端的無(wú)縫因特網(wǎng)接入。
　

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作者

馬昕霞1，宋明中2，蔡方偉2，魏成文2
1。上海電力學(xué)院，上�！�200090
2。寶山鋼鐵股份有限公司，上海　201900