基于藍牙技術(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BLUEPAC中微微網(wǎng)的組網(wǎng)方式進行了討論。最后針對切換時延的問題，提出了快速切換的解決方法。

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

藍牙公共接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（BLUEPAC IP，Bluetooth Public Access Internet Protocol）支持基于藍牙技術(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)連接的藍牙設(shè)備有沒有自己的IP地址的情況。此外，BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該同時支持移動設(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，以及藍牙設(shè)備的相應(yīng)IP協(xié)議配置。

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

3　藍牙基站　負責(zé)將藍牙設(shè)備接入BLUEPAC網(wǎng)路，為藍牙設(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　完成藍牙網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)配置。BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)中只有配置IP地址的藍牙通信設(shè)備才可以正常發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)包，由于藍牙網(wǎng)路中的設(shè)備移動性強，基于固定IP地址的配置方式會對數(shù)據(jù)包的選路帶來困難，因此，藍牙代理服務(wù)器利用DHCP（Dynamic Host ConfigurationProtocol）協(xié)議為藍牙設(shè)備配置IP地址。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新的藍牙設(shè)備加入時，同樣需要藍牙代理服務(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，而不是一個合法的IP地址，則需要代理服務(wù)器進行地址的轉(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藍牙終端接入的基本過程是：在藍牙電波范圍內(nèi)，用戶可以通過BLUEPAC基站接入BLUEPAC局域網(wǎng)，得到服務(wù)或接入公眾網(wǎng)絡(luò)。為擴大局域網(wǎng)覆蓋范圍，還可以建立若干微微網(wǎng)，再通過BLUEPAC基站將微微網(wǎng)接入局域網(wǎng)，這對于實現(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。超出一個藍牙微微網(wǎng)區(qū)域時，用戶通過連接下一個BLUEPAC基站同樣可以訪問BLUEPAC服務(wù)。

　　針對BLUEPAC終端設(shè)備的移動，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)備從中間進入左邊微微網(wǎng)時，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)進行網(wǎng)絡(luò)切換時，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)切換時不使通信中斷或服務(wù)量下降。

1。2　局部IP地址的分配

對沒有自己的IP地址并想接入BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)的藍牙設(shè)備，需要一個機制來分配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基站是藍牙有線和無線網(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證。IP地址的分配以類似于DHCP服務(wù)器的方式實現(xiàn)。如果要避免從Internet注冊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，因為這些地址只在一個局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有效。當(dāng)連接到Internet時，需要代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到Internet的主機，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，以及對已連接器件超時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，就需要用一個路由器來代替代理服務(wù)器。

BLUEPAC局域網(wǎng)必須能把數(shù)據(jù)傳到已連接的藍牙設(shè)備，該設(shè)備已分配的IP地址沒必要具有本地含義。在這里，蜂窩IP的概念是有益的，因為它可以不管設(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)備在藍牙基站范圍內(nèi)時，它可以連接到此基站，向BLUEPAC代理發(fā)送注冊請求，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，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)中其他的藍牙設(shè)備甚至Internet中的主機通信。

2　BLUEPAC中微微網(wǎng)組網(wǎng)方式探討

2。1　藍牙無線接入過程

藍牙設(shè)備連接的建立一般包括以下兩個階段。

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

2　頻率同步　建立連接設(shè)備之間跳頻序列同步。開始連接的設(shè)備為主節(jié)點，另一個設(shè)備為從節(jié)點。從節(jié)點的跳頻和時鐘與主節(jié)點一致，頻率同步延時與接受設(shè)備的掃描間隔成正比。藍牙規(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)點時鐘在－8×1。28～7×1。28s之間，那么該過程占用1。28s，否則，將占用2。56s。該階段主要指尋呼過程。

為建立一個新的連接，可使用查詢和尋呼過程，在尋呼和查詢過程中分別使用設(shè)備接入碼（DAC）和查詢接入碼（IAC）；在尋呼掃描（PageScan）和查詢掃描（Inquiry Scan）狀態(tài)的節(jié)點中分別使用相應(yīng)的相關(guān)器進行相關(guān)處理。當(dāng)從節(jié)點在查詢掃描子狀態(tài)收到查詢消息時，必須返回一個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。

藍牙鏈路建立的過程，從表1中可以看出［4］，如果沒有查詢過程，只用尋呼過程建立連接，則鏈路建立延時將下降50％。因此，查詢過程是最耗時的因素。

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，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)方式進行討論。

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

2　基站作藍牙為主單元，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BT用戶建立一個微微網(wǎng)。在藍牙技術(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)訪問權(quán)，并且BT用戶在某個時段發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量也由基站控制，從而BT用戶訪問因特網(wǎng)的效率大打折扣。在這種結(jié)構(gòu)中，一個藍牙微微網(wǎng)只能由一個主單元和7個從單元構(gòu)成，這樣，一個基站最多只能與7個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，為了使藍牙設(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，藍牙基站在輪詢和待命狀態(tài)之間循環(huán)切換。在藍牙設(shè)備與藍牙基站建立連接之前，藍牙基站以主動設(shè)備方式工作，即藍牙設(shè)備向基站發(fā)送請求信息，得到回應(yīng)后，表明二者的連接關(guān)系已經(jīng)建立。在藍牙設(shè)備與藍牙基站建立連接之后，藍牙基站轉(zhuǎn)為從屬設(shè)備方式工作，即在連接建立后進行一次主從切換。但此時對于網(wǎng)絡(luò)中其他未與基站建立連接關(guān)系的設(shè)備來說，基站仍然在主動設(shè)備方式下工作。

3　切換時延問題及其解決方案

當(dāng)BT用戶從一個基站轉(zhuǎn)移到另一個基站時，會出現(xiàn)切換時延的問題。移動時延包括：檢測移動的時延；重新注冊的時延；鏈接建立的時延。

利用移動IP和蜂窩IP的思想提出實現(xiàn)快速切換的方法。接入網(wǎng)中的移動性由蜂窩IP處理，而網(wǎng)關(guān)之間（例如蜂窩IP接入網(wǎng)之間）的移動性由移動IP管理。對網(wǎng)關(guān)之間的移動性利用了移動IP的概念，把多個外地鏈路組成一個域，并在域中增加一個網(wǎng)絡(luò)實體網(wǎng)關(guān)外地代理，從而使移動藍牙設(shè)備的重新注冊具有層次性和局部性。這樣，當(dāng)在同一域內(nèi)進行切換時，移動藍牙設(shè)備不需向距離比較遠的家鄉(xiāng)代理注冊，而只需向網(wǎng)關(guān)外地代理注冊，減少了重新注冊的時間。在蜂窩IP網(wǎng)絡(luò)中，通過家鄉(xiāng)地址來識別移動主機（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)主機沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，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)。如果在確定的時間內(nèi)MH沒有收到數(shù)據(jù)包，就被認為超時并清除路由緩存中下行鏈路的軟件路由。

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

當(dāng)移動設(shè)備的接收信號強度（RSSI）小于某個門限值時，移動設(shè)備將切換到新的基站，RSSI測量是通過對接收的信號與兩個門限電平進行比較實現(xiàn)的，這兩個門限電平形成所謂的黃金接收范圍［5］。如果門限值設(shè)的太小，容易導(dǎo)致鏈接數(shù)據(jù)丟失。因此，RSSI值由藍牙硬件精確測量。

如果檢測到切換，移動設(shè)備向基站控制器請求新基站的時鐘和地址，估算基站的準確頻率。由于基站控制器不能確定移動設(shè)備的準確位置，所以將臨近幾個單元的信息回應(yīng)給移動設(shè)備，移動設(shè)備發(fā)送同步請求到控制器，基站控制器強制臨近基站進入掃描模式，由于基站掃描模式和尋呼模式幾乎同時開始工作，使頻率同步延時降低。

移動設(shè)備選擇一個新基站，連續(xù)發(fā)送設(shè)備接入碼（DAC），新基站立即回應(yīng)一個DAC包，移動設(shè)備檢測基站信號強度，并將強度值存儲。對其他新基站進行同樣測試，選擇信號強度好的進行鏈接。將移動設(shè)備和新基站形成微微網(wǎng)移動設(shè)備作為主節(jié)點，切換過程完成。

4　結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)IP的不足，對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BLUEPAC中微微網(wǎng)的組網(wǎng)方式的探討，特別是對切換時延問題的分析，以及所給出的解決方案，為網(wǎng)絡(luò)連接和無線通信技術(shù)的發(fā)展提供了一種新的思路。使用BLUEPACIP協(xié)議的藍牙設(shè)備可以同BLUEPAC區(qū)域中的設(shè)備進行通信，以實現(xiàn)藍牙移動終端的無縫因特網(wǎng)接入。
　

參考文獻

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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�！�201900