多跳蓝牙自组网算法及其路由协议研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.79MB 76 页 15积分

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摘要

自组织网是一种自治的无线网，整个网络不需固定的基础设施，可以在不能

利用或不便利用现有网络基础设施的情况下，提供一种便捷的通信支撑环境，拓

宽了移动网络的应用场合。目前自组织网已经成为移动通信技术向前发展的一个

重要方向，并将在未来的通信技术中占据重要地位。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性规范，它以近距离无线连接为

基础，即时地将个人电子设备组成自组织网。由于低功耗，低成本，高安全性等

突出优点，蓝牙正成为个人区域网内快速构建自组织网的一种重要方式。然而，

由于蓝牙技术自身的某些特殊限制和特性，利用蓝牙技术构建自组织网还面临着

散射网的形成与拓扑创建、散射网路由及网络调度等许多具有挑战性的问题。

本文在研究分析蓝牙技术协议、框架及其网络结构特点的基础上，对现有蓝

牙自组网的拓扑构成算法、网络路由、网络调度进行深入研究和性能分析比较，

归纳出有效提高和改进蓝牙自组织网性能的组网规则。然后提出一种自适应调度

和动态路由的环状网络拓扑的蓝牙自组网，环状拓扑有效的避免了网络瓶颈的形

成并且网络具有较好的自愈性；动态路由协议充分利用了环状网络拓扑结构实现

数据分组的转发，其路由简单且易实现；匹克网内和网间的调度策略根据网络通

信量来动态分配时隙，能提高基带利用率，降低端到端数据传输时延。仿真结果

也表明了自适应调度和动态路由的环状蓝牙自组网的端到端时延低，信道利用率

高，公平性好。

本文的最后对蓝牙自组网的实现机制进行了讨论，在分析现有蓝牙协议栈和

蓝牙通信特点的基础上，提出了一个通用的蓝牙自组网应用框架。

关键字：自组网蓝牙拓扑结构调度策略路由

ABSTRACT

Ad Hoc network is an autonomous wireless network without fixed infrastructure

and centralized admin is traction. It can provide a convenient support environment when

the existing network infrastructure is not available. Currently, Ad Hoc network has been

used widely in many fields. It will occupy an important position in the future

communication technology field.

Bluetooth is a global standard for short-range wireless data and voice

communication. To its proximity-based wireless connectivity, it can quickly deploy the

personal electronic equipments to Ad Hoc networks. As it is low consumption, low cost,

high safety, Bluetooth is considered one of the promising technologies to be used in Ad

Hoc networks. However, Because of the technical limitations and its own particular

characteristics, the use of Bluetooth from Ad Hoc network also faces many challenges,

including scatternet formation, scatternet packet routing, seattemet scheduling.

In this paper, based on the research and analysis of Bluetooth protocol, application

profile and its network structure characteristics, then in-depth study the existing

Bluetooth ad hoc networks topology construction algorithms, network routing, network

scheduling, analysis and comparison their performance, summarize effectively enhance

and improve the Bluetooth Ad Hoc Network performance networking rules. And then

propose a new ring structure for Bluetooth ad hoc network with dynamic routing and

adaptive scheduling schemes. The adopted construction protocol ensures flexibility of

node selection and a good level of fault tolerance. The routing protocol combines both

simplicity and robustness by taking advantage of the ring structure and relying on the

collective memory of piconets to make forwarding and discarding decisions. The

intra-and inter-piconet scheduling algorithm dynamically allocates time slots and is

responsive to the varying workload conditions. We demonstrate, through analysis and

simulations, that the various components of the Bluetooth Ad Hoc Network yield a

system that has good performance in terms of throughput, latency, delivery, and link

utilization.

End of this paper, Bluetooth Ad Hoc Network implementation mechanism was

discussed. In the analysis of existing Bluetooth protocol stack and the Bluetooth

communication features, we introduce a framework for creating scatternets and show

III

how existing scatternet formation algorithms can be re-used by altering the layer at

which they become visible to the Bluetooth protocol stack.

Keywords: Ad Hoc Networks, Bluetooth, Topology, Scheduling Policy,

Routing

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题来源及意义 ............................................... 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................... 2

§1.3 本文的主要工作 ............................................... 4

§1.4 本文各章节安排 ............................................... 4

第二章研究基础 ..................................................... 6

§2.1 自组网简介 ................................................... 6

§2.1.1 自组网的定义 ............................................. 6

§2.1.2 自组网的特点 ............................................. 7

§2.1.3 自组网的应用 ............................................. 7

§2.2 蓝牙技术简介 ................................................. 8

§2.2.1 蓝牙核心协议栈 ........................................... 9

§2.2.2 蓝牙技术应用框架 ........................................ 10

§2.2.3 蓝牙数据传输 ............................................ 11

§2.2.4 节点状态与链路建立过程 .................................. 13

§2.3 蓝牙网络 .................................................... 16

§2.3.1 蓝牙匹克网 .............................................. 16

§2.3.2 蓝牙散射网 .............................................. 17

第三章蓝牙自组网拓扑形成、网络路由及调度策略 ....................... 19

§3.1 蓝牙自组网面临的主要问题 .................................... 19

§3.2 蓝牙自组网形成算法 .......................................... 19

§3.2.1 网状拓扑形成算法 ........................................ 20

§3.2.2 树状拓扑形成算法 ........................................ 22

§3.2.3 环状拓扑形成算法 ........................................ 23

§3.2.3 算法比较 ................................................ 24

§3.3 蓝牙自组网路由算法 .......................................... 25

§3.3.1 MANET 路由算法 ........................................... 25

§3.3.2 RVM 路由算法 ............................................. 25

§3.3.3 LORP 路由算法 ............................................ 26

§3.3.4 LARP 路由算法 ............................................ 27

§3.3.5 Scatter-Route 算法 ....................................... 28

§3.4 蓝牙自组网调度策略 .......................................... 28

§3.4.1 匹克网内部的调度(IRPS) .................................. 29

§3.4.2 匹克网间的调度(IPS) ..................................... 31

§3.5 提高蓝牙自组网性能的组网规则 ................................ 34

第四章自适应调度和动态路由的环状蓝牙自组网 ......................... 35

§4.1 环状蓝牙自组网拓扑结构 ...................................... 35

§4.2 环状拓扑结构的散射网形成算法 ................................ 35

§4.2.1 阶段Ⅰ：协调节点选举 .................................... 35

§4.2.2 阶段Ⅱ：节点角色分配 .................................... 39

§4.2.3 阶段Ⅲ：拓扑形成 ........................................ 41

§4.2.4 环状蓝牙自组网形成过程实例 .............................. 42

§4.3 动态路由协议 ................................................ 43

§4.4 自适应调度策略 .............................................. 45

§4.5 拓扑结构维护机制 ............................................ 47

§4.5.1 节点实效 ................................................ 47

§4.5.2 节点加入 ................................................ 48

§4.6 仿真及结果分析 .............................................. 50

§4.6.1 仿真环境 ................................................. 50

§4.6.2 实验及结果分析 ........................................... 51

第五章蓝牙自组网实现机制研究 ....................................... 56

§5.1 蓝牙通信 .....................................................56

§5.1.1 点对点通信 .............................................. 56

§5.1.2 端到端通信 .............................................. 57

§5.2.蓝牙自组网实现机制 .......................................... 60

§5.2.1.蓝牙个域网应用框架 ...................................... 60

§5.2.2.蓝牙自组网应用框架 ...................................... 61

§5.2.3 蓝牙自组网应用框架实例——SFP_IP ........................ 62

第六章总结与展望 .................................................. 65

§6.1 全文总结 .................................................... 65

§6.2 对未来工作的展望 ............................................ 65

参考文献 ............................................................ 67

读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 71

致谢 ............................................................... 72

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

蓝牙[1][2]是由蓝牙特殊兴趣小组SIG[4](Special Interest Group)发起和制定的一

种短距离无线数据与语音通信的开放性全球规范，是一种新兴的低功耗、低成本、

短距离无线通信技术，蓝牙工作在全球通用免授权的2.4GHz ISM(即工业、科学、

医学)频段，采用调频码分多址(FH-CDMA)技术避免干扰，采用时分双工方式(TDD)

支持全双工数据传输，同时支持64Kbit/s实时数据和语音传输；使用前向纠错编码

(FEC)和自动重复请求机制(ARQ)降低误码率。

蓝牙在计算机、通信、汽车、医疗、军事等许多领域逐渐得到广泛应用。在

日常生活中，具有蓝牙功能的无线便携式设备随处可见，如笔记本、PDA、鼠标、

键盘、游戏操纵杆、三合一移动电话、MP3播放器、数字摄影机等数字设备。在

科研领域蓝牙也发挥了重要作用，如蓝牙技术集成应用在穿戴计算机、机器人上。

随着蓝牙技术的广泛应用，蓝牙设备间的互连需求越来越多，因此采用蓝牙技术

来构建蓝牙网络具有很高的研究价值。

蓝牙的跳频速率为1600次/秒，每个频率的持续时间625us称为一个时隙，蓝牙

物理信道是由伪随机序列控制的79个调频频点构成的，不同的跳频序列代表不同

的物理信道。共享同一蓝牙物理信道上的蓝牙节点就构成一个蓝牙匹克网

(Piconet) ，在同一蓝牙物理信道上，一个主节点可同时与最多7个从节点进行通信，

即匹克网由主节点和最多7个从节点组成。主节点选择匹克网的跳频序列并控制信

道的访问，从节点同步于主节点的跳频序列，主节点通过轮询的方式将时隙分配

给各个从节点。

由于蓝牙物理信道采用跳频技术，使得可以让在同一区域内的时空上相互重

叠的多个蓝牙匹克网共存并各自独立正常工作，其中一些节点可同时加入多个匹

克网，在匹克网间担当桥节点，实现匹克网间的数据转发，从而把多个独立运行

的匹克网互相连接起来构成一个更大的网络，该网络就是蓝牙散射网——一种特

殊形式的自组网。

由于蓝牙网络的自组织特性、无线传输特性、动态拓扑特性、低功耗特性、以

及使用免授权的ISM频段等特点，蓝牙技术被认为是构建自组网最有前途的技术之

一。但在现有的蓝牙规范中并没有对散射网的形成与拓扑创建(Topology

Construction / Scatternet Formation)、散射网路由(Scatternet Packet Routing) 及网络

蓝牙自组网形成算法及路由协议研究

调度(Seattemet Scheduling)等问题做出明确的规定，是开放性的研究课题。为了解

决上述具有挑战性的课题，许多研究机构和企业就此展开了深入而广泛的研究。

§1.2 国内外研究现状

1. 拓扑形成算法

蓝牙散射网是一种特殊的自组络，无需额外的网络设备支持，网络中的蓝牙

节点即可以相互协作、进行信息交换。蓝牙散射网拓扑构建就是将一组原本孤立

的蓝牙节点，通过设置每个节点在网络中的角色(主节点、从节点或者桥节点)、设

定从节点隶属于某个确定的主节点、配置桥节点同某些匹克网相连，最终将多个

匹克网连接成散射网。目前已提出的蓝牙自组网形成算法可分为网状网络拓扑形

成算法、树状网络拓扑形成算法、环状网络拓扑形成算法三大类。

网状网络拓扑形成算法主要有BTCP[5] ，LMS[6] ，Bluenet[7] ，BlueStar[8] ，

BlueMesh[9]等算法。BTCP是最早提出的散射网构建算法，由选举过程、角色确定

和拓扑形成三个过程创建散射网的算法。它形成的网络规模在36个节点，要求所

有节点在相互通讯范围内，首节点负载过重。LMS随机分布式散射网创建算法，

采用了与BTCP类似的思想，将先构成匹克网通过移动、迁移和合并等过程使散射

网具有合理的拓扑结构，性能较为理想。Bluenet的目标是建立一个网状的散射网，

网络创建时间会随着网络密度的增加而显著增加。

BlueStar和BlueMesh由同一作者

提出的散射网形成算法，BlueMesh在BlueStar上做了改进，它们所形成网状网络拓

扑不要求所有节点都在相互通信范围之内，任何两个节点之间可以有多条路径，

但该算法的网络拓扑动态维护较困难。

树状网络拓扑形成算法主要代表是Bluetree[16]和TSF[17]。Bluetree算法最早的树

状网络拓扑形成算法，所形成的网络拓扑是一个生成树的结构，它具有网络形成

速度快，生成链路比较少等优点，但所形成的网络可能会是一颗非一平衡的树，

根节点容易造成瓶颈。TSF特点在于自我修复的功能，即允许节点在任何时间加入

或离开网络。

环状网络拓扑形成算法主要有BlueRing[18][19]和LFS[20]。

Bluering算法实现简单，

其特殊结构决定了其路由容易实现，无需复杂的路由协议与控制消息。但其缺点

是网络直径随节点总数呈线性增长，导致较大的数据分组传输延迟。LFS采用类似

于LMS算法两阶段拓扑形成算法。LFS提出了只允许使用从/从桥节点互连匹克网

的观点。

2. 网络路由算法

在蓝牙分散网中还需要路由机制实现数据分组在网络中的转发，由于蓝牙分

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摘要：

I摘要自组织网是一种自治的无线网，整个网络不需固定的基础设施，可以在不能利用或不便利用现有网络基础设施的情况下，提供一种便捷的通信支撑环境，拓宽了移动网络的应用场合。目前自组织网已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向，并将在未来的通信技术中占据重要地位。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性规范，它以近距离无线连接为基础，即时地将个人电子设备组成自组织网。由于低功耗，低成本，高安全性等突出优点，蓝牙正成为个人区域网内快速构建自组织网的一种重要方式。然而，由于蓝牙技术自身的某些特殊限制和特性，利用蓝牙技术构建自组织网还面临着散射网的形成与拓扑创建、散射网路由及网络调度等许多具有挑战性的问题...

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