藍牙技術(shù)在無線接入網(wǎng)中的應(yīng)用

       隨著多媒體通信業(yè)務(wù)的日益增長，人們對通信技術(shù)的要求越來越高，希望無論是靜止的還是移動的，都能夠隨時隨地接入因特網(wǎng)或本地信息網(wǎng)，以實現(xiàn)移動互聯(lián)。傳統(tǒng)的IP技術(shù)主要針對固定計算機設(shè)備，而無法滿足終端移動性的要求，因此必須對其功能進行擴展，以適合移動終端設(shè)備的要求。藍牙(Bluetooth)技術(shù)的出現(xiàn)，給這一問題提供了一種有效的解決方法。

       1 藍牙技術(shù)簡介

       藍牙是一種正在發(fā)展中的短距離的無線時分多址通信技術(shù)或個域網(wǎng)技術(shù)，直接面對個人和商務(wù)的無線連接應(yīng)用技術(shù)；其工作在2．4 GHz的ISM頻段(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段)，共79個頻道，相鄰頻道間隔1 MHz；藍牙最基本的網(wǎng)絡(luò)組成是微微網(wǎng)，由一個主設(shè)備單元(發(fā)起鏈接的設(shè)備)和多至7個從設(shè)備單元構(gòu)成，能提供1 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。主要優(yōu)點有：

       (1)可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接。
　　
       (2)具有很強的移植性，可應(yīng)用于多種通信場合，如WAP，GSM，DECT等，引入身份識別后可以靈活實現(xiàn)漫游。

       (3)功耗低，對人體危害小。

       (4)藍牙集成電路應(yīng)用簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，便于推廣。

       2 基于藍牙技術(shù)的無線接入網(wǎng)

       無線接入網(wǎng)是為移動終端提供接入到附近的有線局域網(wǎng)或無線局域網(wǎng)的無線接入點的網(wǎng)絡(luò)接口，移動終端可以訪問該局域網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備，也可以通過路由器和網(wǎng)關(guān)訪問Internet資源，無線接入網(wǎng)應(yīng)支持用戶漫游，以實現(xiàn)自動切換，保持通信的連續(xù)性。目前，按照無線接入網(wǎng)的實現(xiàn)方式可分為固定無線接入網(wǎng)和移動無線接入網(wǎng)，而基于藍牙技術(shù)的無線接入簡稱為BLUEPAC(BluetoothPublic Access)。

       2.1 BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

       BLUEPAC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

                          

       (1)藍牙公眾接入局域網(wǎng)(BLUEPAC LAN)  主要部分包括一個有線局域網(wǎng)，也可由幾個不同種類的局域網(wǎng)互連組成，主要作用是為藍牙用戶終端提供無線接入。

       (2)網(wǎng)關(guān)GW　其主要作用是將BLUEPAC區(qū)域(一般由BLUEPAC服務(wù)商所擁有)中的BLUEPACLAN接入到公眾網(wǎng)(如Internet，PSTN等)中，以得到全球的信息和通信服務(wù)。

       (3)BLUEPAC基站(BBS)　即局域網(wǎng)接入點，直接連接到BLUEPACLAN，是無線方式轉(zhuǎn)換為有線方式的設(shè)備，一般可為一個或幾個微微網(wǎng)提供接入服務(wù)。BBS由BLUEPAC服務(wù)提供商提供。

       (4)BT設(shè)備　藍牙用戶終端設(shè)備，如移動電話、掌上電腦和筆記本電腦等。BT設(shè)備在BLUEPAC區(qū)域通過電磁波與BBS建立無線連接，通過BBS用戶就可以接入到BLUEPACLAN和公眾網(wǎng)絡(luò)中得到服務(wù)。

       2.2 BLUEPACIP技術(shù)

       利用藍牙技術(shù)可以實現(xiàn)移動用戶的無線接入，移動藍牙用戶接入因特網(wǎng)可采用2種方式：蜂窩IP技術(shù)和移動IP技術(shù)。蜂窩IP主要應(yīng)用于BT用戶地點相對固定的場合，比如火車站、醫(yī)院等，可以通過藍牙技術(shù)與固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(公共電話網(wǎng)的節(jié)點)技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)，也可以很方便地實現(xiàn)一個家庭中的幾臺電腦的無線連接，并且能同時通過一個節(jié)點上網(wǎng)；移動IP主要應(yīng)用于BT用戶移動區(qū)域較大的場合，比如火車、飛機等，他可以通過藍牙技術(shù)與移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(帶WAP功能的手機)技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)。

       藍牙系統(tǒng)中應(yīng)用蜂窩IP技術(shù)的工作原理主要有2點：
　　
       (1)BT用戶需要無線接入時，他將發(fā)出查詢命令，當(dāng)基站能夠接受新用戶時，連接就建立起來；這時BT用戶將通過基站向藍牙代理發(fā)送登記請求，藍牙代理經(jīng)過驗證返回一個包含分配給BT用戶的臨時IP地址、代理服務(wù)器端口地址以及DNS地址的分組；BT用戶收到這個分組后，就可以采用該IP地址向因特網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)，也可以與本局域網(wǎng)內(nèi)其他的BT用戶通信。

       (2)當(dāng)BT用戶移動位置時，若BT用戶的接收信號強度(RSSI)小于某個門限值時，他將發(fā)出查詢命令，查找是否有更近的基站存在，若有將與新的基站建立連接，這時BT用戶將通過新的基站向藍牙代理發(fā)送登記請求，藍牙代理返回一個新的包含臨時IP地址、代理服務(wù)器端口地址以及DNS地址的分組，BT用戶通過該IP地址向因特網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)。
與蜂窩IP的工作原理不同，在移動IP技術(shù)下，移動用戶可以使用一個固定的IP地址在任何地點采用任何方式連接到因特網(wǎng)上，當(dāng)移動用戶移動到另外一個網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)時，移動用戶可以在不改變IP地址的情況下仍保持通信，在藍牙系統(tǒng)中應(yīng)用移動IP的工作原理如下：

       (1)本地代理(BT用戶所在的本地網(wǎng)上的路由器)和外地代理(BT用戶當(dāng)前所在網(wǎng)絡(luò)上的路由器)不停地向網(wǎng)上發(fā)送代理消息，以證明自己的存在。

       (2)BT用戶接收到這些消息后，確定自己是在本地網(wǎng)還是在外地網(wǎng)，若BT用戶發(fā)現(xiàn)自己是在本地網(wǎng)，并且收到的是本地代理發(fā)來的消息，則不啟動移動功能；若仍然收到外地代理發(fā)來的消息，則向本地代理發(fā)送注消原位置(外地網(wǎng))命令，聲明自己已經(jīng)回到本地網(wǎng)。

       (3)當(dāng)一個BT用戶檢測到他已移動到外地網(wǎng)，他將獲得一個轉(zhuǎn)交地址，該地址包含兩方面的信息：一個是外地代理的IP地址，一個是外地代理通過某種機制與BT用戶暫時對應(yīng)起來的網(wǎng)絡(luò)地址；然后BT用戶向本地代理注冊，表明自己已經(jīng)離開本地網(wǎng)，并把所獲得的轉(zhuǎn)交地址通知本地代理；注冊完畢后，所有通向BT用戶的數(shù)據(jù)包將被本地代理截獲，并由本地代理通過IP隧道(tunnel)發(fā)往外地代理，外地代理接收到后，再把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給BT用戶，這樣即使BT用戶已經(jīng)從一個子網(wǎng)移動到另一個子網(wǎng)，BT用戶的數(shù)據(jù)通信仍然能夠繼續(xù)，BT用戶發(fā)往外地的數(shù)據(jù)包一般按IP尋徑方法送出，不必通過本地代理。

       2.3 BLUEPAC越區(qū)切換

       在BLUEPAC區(qū)域中，要實現(xiàn)BT用戶的無縫接入，最關(guān)鍵的問題就是越區(qū)切換，切換過程如圖2所示。 

                             

       在圖2中，BLUEPACLAN是由應(yīng)用服務(wù)器和可能需要的網(wǎng)關(guān)或代理服務(wù)器等組成，網(wǎng)關(guān)和代理服務(wù)器可建立與因特網(wǎng)的連接，應(yīng)用服務(wù)器提供BLUEPAC服務(wù)；基站BBS負(fù)責(zé)藍牙無線與有線網(wǎng)絡(luò)的連接，服務(wù)器與基站之間是若干路由器，路由器是完成越區(qū)切換的關(guān)鍵。為了提高切換性能，可以采用在外地代理加緩沖區(qū)的辦法減少包的丟失率，這種方案的具體實現(xiàn)如下：當(dāng)BT用戶移動位置時，如果BT用戶的接收信號強度小于某個門限值時，他將發(fā)出查詢命令，查找是否有更近的外地代理存在，同時他也向原來的外地代理發(fā)出聲明，告之他將切換到新的外地代理。BT用戶移動到新的外地代理的登記請求沒有被本地代理確認(rèn)前，原先的外地代理將通信對端發(fā)送來的數(shù)據(jù)包存儲在緩沖區(qū)里。在登記請求確認(rèn)后，本地代理通過　　新的外地代理給BT用戶發(fā)出確認(rèn)消息，同時刷新通信對24端的轉(zhuǎn)交地址，使通信對端獲得BT用戶的新的轉(zhuǎn)交地址，將以后的數(shù)據(jù)包發(fā)送到新的外地代理，再轉(zhuǎn)發(fā)給BT用戶。BT用戶收到登記確認(rèn)消息后，解除其在舊的外地代理的登記，并且通知他新的轉(zhuǎn)交地址，使他釋放緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包到新的外地代理，再轉(zhuǎn)發(fā)給BT用戶，這樣就避免了切換時的數(shù)據(jù)丟失。

       2.4 BLUEPAC微微網(wǎng)組網(wǎng)方式

       BLUEPAC網(wǎng)在確保外界的通信不受影響的前提下，其關(guān)鍵之處在于能夠允許BT用戶在基站之間自由移動，目前，BLUEPAC中的微微網(wǎng)有以下幾種組網(wǎng)方式可提供參考。

       (1)基站BBS作為藍牙從設(shè)備，BT用戶作為主設(shè)備
　　
       在該網(wǎng)絡(luò)中，每一個BT用戶都將基站作為他的從設(shè)備而建立一個微微網(wǎng)。這種方式的優(yōu)點是：當(dāng)BT用戶需要新的基站建立連接時，他只需發(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；其缺點是：基站同時處于幾個微微網(wǎng)中，必須與他們都保持同步，因此基站必須應(yīng)用時分復(fù)用來滿足多個微微網(wǎng)的尋址及通信，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)基站作為藍牙主設(shè)備，BT用戶作為從設(shè)備　
　
       在該網(wǎng)絡(luò)中基站作為主設(shè)備，而與多個BT用戶建立一個微微網(wǎng)。在藍牙技術(shù)中，從設(shè)備只有在被主設(shè)備尋址之后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在這種方式下，基站控制著該鏈路的介質(zhì)訪問權(quán)，并且BT用戶在某個時間段發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量也由基站控制，這樣BT用戶訪問因特網(wǎng)的效率將大打折扣；并且，在這種結(jié)構(gòu)中，目前一個藍牙微微網(wǎng)只能由一個主設(shè)備和7個從設(shè)備構(gòu)成，因此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)。

       (3)主從切換方式

       鑒于上面2種方法的優(yōu)缺點，這里給出一個折衷的方案。開始建立連接(即初始化)時，基站作為主設(shè)備，BT用戶作為從設(shè)備，當(dāng)某個連接建立后，BT用戶變?yōu)橹髟O(shè)備，基站變?yōu)閺脑O(shè)備，也就是說在連接建立后進行一次主從切換。這時對于其他BT用戶來說，基站仍然是主設(shè)備。其最大缺點是切換過程處理起來很復(fù)雜。 
 以上3種方案的性能優(yōu)劣主要體現(xiàn)在BT用戶從一個基站轉(zhuǎn)移到另一個基站的失鎖時間長短，他包括：鏈路管理計時器檢測到的與當(dāng)前基站失去連接的時間、查詢區(qū)域內(nèi)新基站的時間，以及通過發(fā)送尋呼消息與新基站建立同步的時間。

       3 結(jié) 語

       藍牙以其成本低廉、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點而成為新的研究熱點，是下一代個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)的理想實現(xiàn)技術(shù)，基于藍牙技術(shù)的無線接入網(wǎng)與目前應(yīng)用較為廣泛的IEEE802．11無線接入技術(shù)相比，藍牙技術(shù)在小區(qū)域組網(wǎng)中更具有優(yōu)勢。隨著藍牙技術(shù)的不斷發(fā)展和各類相應(yīng)產(chǎn)品相繼問世，藍牙技術(shù)將在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是通信領(lǐng)域，會使人們的移動互聯(lián)網(wǎng)夢想真正成為現(xiàn)實。

       參考文獻

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