藍牙無線個人局域網(wǎng)的組建方案解析

　　藍牙技術(shù)作為一種小范圍無線連接技術(shù)，能夠在設(shè)備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信，是目前實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。同時，藍牙系統(tǒng)以Ad Hoc的方式工作，每個藍牙設(shè)備都可以再網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)路由選擇的功能，可以形成移動自組網(wǎng)絡(luò)。藍牙的特性在許多方面正好符合Ad Hoc和WPAN的概念，顯示了其真正的潛力所在。而且，將藍牙與其他網(wǎng)絡(luò)相連接可帶來更廣泛的應(yīng)用，例如接入互聯(lián)網(wǎng)、PSTN或公眾移動通信網(wǎng)，可以使用戶應(yīng)用更方便或給用戶帶來更大的實惠。作為醫(yī)院有線局域網(wǎng)的補充，藍牙無線個域網(wǎng)克服了有線網(wǎng)絡(luò)的弊端，可利用電腦等隨時隨地進行生命體征數(shù)據(jù)等的查詢錄入，在無線監(jiān)護方面發(fā)揮著重要作用。

　　1藍牙組網(wǎng)機制

　　1.1藍牙個域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性

　　作為藍牙SIG的一個工作組，藍牙個人區(qū)域網(wǎng)工作組的主要目標(biāo)是定義基于IP的藍牙個域網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議，解決以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的封裝、單個微微網(wǎng)中基于IP的個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、主設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)以及局域網(wǎng)接入點的問題。藍牙個人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議描述了2個及多個的藍牙設(shè)備如何組成一個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)以及如何使用同樣的機制通過網(wǎng)絡(luò)接入點接入遠程網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)接入點可以是傳統(tǒng)的LAN數(shù)據(jù)接入點，而分組Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)表示的僅是一組相互連接的設(shè)備。

　　分組Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一組移動主機的集合，它們可以再無需其他網(wǎng)絡(luò)硬件或網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持下組成一個Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)。PAN協(xié)議更側(cè)重的是由一個藍牙微微網(wǎng)構(gòu)成的簡單個人Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中有最多可容納8個設(shè)備，其中一個是主節(jié)點，其余是從節(jié)點。

　　藍牙PAN網(wǎng)絡(luò)具有以下Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的共同特點：

　　（1）獨立組網(wǎng)能力

　　各節(jié)點在一定網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成算法的支持下，可以在很短的時間內(nèi)自動組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)而無需任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)施支持。

　?。?）多跳路由

　　節(jié)點的發(fā)射功率較低，因此覆蓋范圍有限。相互通信范圍之外的節(jié)點通信需要經(jīng)過中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過多跳實現(xiàn)。

　?。?）拓撲動態(tài)變化

　　在藍牙PAN中，某些節(jié)點具有移動性，可能隨時離開或再次加入網(wǎng)絡(luò)，也有些節(jié)點會隨時關(guān)閉電源，引起節(jié)點和鏈路數(shù)量分布的變化，因此藍牙PAN的拓撲結(jié)構(gòu)可能隨時發(fā)生變化。

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　　收無線信道的沖突、信號衰減、噪聲以及信道之間的干擾等影響，藍牙鏈路的實際帶寬遠小于理論帶寬，而且動態(tài)變化。

　　（5）節(jié)點的局限性

　　大部分藍牙節(jié)點依靠電池供電，能量受限，而且節(jié)點存在移動性、內(nèi)存小以及處理器處理能力有限等特點，因此有效的減少節(jié)點能耗非常重要。

　?。?）安全性

　　雖然藍牙采取了嚴密的安全機制，但由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特點，藍牙節(jié)點易受到竊聽、主動入侵與拒絕服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)攻擊。

　　藍牙PAN還有不同于其他Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一些特性：

　?。?）節(jié)點通信范圍有限

　　藍牙節(jié)點有效發(fā)射距離一般為幾米到幾十米，兒IEEE802.11等自組織網(wǎng)絡(luò)可達到幾百米。

　?。?）移動性相對較小

　　相比其他Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，藍牙節(jié)點的移動速度和頻率較小。

　　（3）帶寬窄

　　藍牙通常用做數(shù)據(jù)、語音與低速率的視頻傳輸?shù)葢?yīng)用，因此帶寬較窄，目前藍牙2.0規(guī)范定義的最高帶寬也只有3Mbit/s，因此，藍牙網(wǎng)絡(luò)帶寬的優(yōu)化是個很重要的發(fā)展方向。

　　1.2藍牙網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

　　藍牙系統(tǒng)采用一種靈活的無基站的組網(wǎng)方式，使得一個藍牙設(shè)備可與7個其他的藍牙設(shè)備相連接。藍牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)有2種形式：微微網(wǎng)（Piconet）和散射網(wǎng)（Scatternet）。

　?。?） 微微網(wǎng)

　　微微網(wǎng)是通過藍牙技術(shù)以特定方式連接起來的一種微型網(wǎng)絡(luò)，一個微微網(wǎng)可以只是2臺相連的設(shè)備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設(shè)備。在一個微微網(wǎng)中，所有設(shè)備的級別是相同的，具有相同的權(quán)限。藍牙采用自組式組網(wǎng)方式（Ad Hoc），微微網(wǎng)主設(shè)備（Master）單元（發(fā)起鏈接的設(shè)備）和從設(shè)備（Slave）單元構(gòu)成，有一個主設(shè)備單元和最多7個從設(shè)備單元，如圖1所示。主設(shè)備單元負責(zé)提供時鐘同步信號和跳頻序列，從設(shè)備單元一般是受控同步的設(shè)備單元，受主設(shè)備單元控制。

　　圖1 一個主設(shè)備和多達7個從設(shè)備組成的微微網(wǎng)

　　在每個微微網(wǎng)中，用一組偽隨機跳頻序列來確定79個跳頻信道，這個跳頻序列對于每個微微網(wǎng)來說是唯一的，由主節(jié)點的地址和時鐘決定。藍牙無線信道使用跳頻/時分復(fù)用（FH/TDD）方案，信道以625μs時間長度劃分時隙，根據(jù)微微網(wǎng)主節(jié)點的時鐘對時隙進行編號，號碼從0-（227-1）以227為一個循環(huán)長度，每個時隙對應(yīng)一個跳頻頻率，通常跳頻速率為1600跳/s。主節(jié)點只在偶數(shù)時隙開始傳送信息，從節(jié)點只在奇數(shù)時隙開始傳送，信息包的開始與時隙的開始相對應(yīng)。微微網(wǎng)中信道的特性完全由主節(jié)點決定，主節(jié)點的藍牙地址（BD_ADDR）決定跳頻序列和信道接入碼，主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘決定跳頻序列的相位和時間。根據(jù)藍牙節(jié)點的平等性，任何一個設(shè)備都可以成為網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點，而且主、從節(jié)點可轉(zhuǎn)換角色。

　　主節(jié)點通過輪詢從節(jié)點實現(xiàn)兩者之間的通信。從節(jié)點只有收到主節(jié)點的的信息包方可發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2，從節(jié)點2在t時刻收到來自主節(jié)點的數(shù)據(jù)包，此時頻率為f（k），之后它可以在下一個時隙通過f（k+1）頻率向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。同理，從節(jié)點1在t2時刻收到主節(jié)點的數(shù)據(jù)包，此時頻率為f（k+2），并且在時間t3通過頻率f（k+3）發(fā)送數(shù)據(jù)包給主節(jié)點。

　　圖2微微網(wǎng)內(nèi)通信輪詢機制

　　（2）散射網(wǎng)

　　一個微微網(wǎng)最多只能有7個從節(jié)點同時處于通信狀態(tài)。為了能容納更多的

　　裝置，并且擴大網(wǎng)絡(luò)通訊范圍，多個微微網(wǎng)互連在一起，就構(gòu)成了藍牙自組織網(wǎng)，

　　即散射網(wǎng)，圖3。在散射網(wǎng)中，不同微微網(wǎng)間使用不同的跳頻序列，因此，只要彼此沒有同時跳躍到同一頻道上，即便有多組資料流同時傳送也不會造成干擾。連接微微網(wǎng)之間的串連裝置角色稱為橋（Bridge）。橋節(jié)點可以是所有所屬微微網(wǎng)中的Slave角色，這樣的Bridge的類別為Slave/Slave（S/S）；也可以是在其中某一所屬的微微網(wǎng)中當(dāng)Master，在其他微微網(wǎng)中當(dāng)Slave，這樣的Bridge類別為Master/Slave（M/S）。橋節(jié)點通過不同時隙在不同的微微網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換而實現(xiàn)在跨微微網(wǎng)之間的資料傳輸。藍牙獨特的組網(wǎng)方式賦予了橋節(jié)點強大的生命力，同時可以有7個移動藍牙用戶通過一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與因特網(wǎng)相連。它靠跳頻順序識別每個微微網(wǎng)，同一微微網(wǎng)所有用戶都與這個跳頻順序同步。

　　藍牙散射網(wǎng)是自組網(wǎng)的一種特例。其最大特點是可以無基站支持，每個移動終端的地位是平等的，并可以獨立進行分組轉(zhuǎn)發(fā)的決策，其建網(wǎng)靈活性、多跳性、拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化和分布式控制等特點是構(gòu)建藍牙散射網(wǎng)的基礎(chǔ)。

　　圖3藍牙散射網(wǎng)實例

　　1.3藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建的規(guī)則

　　在一個藍牙WPAN拓撲結(jié)構(gòu)中，主設(shè)備或從設(shè)備只是節(jié)點的一個邏輯狀態(tài)。一個單元只能是一個微微網(wǎng)的主設(shè)備，但可以參與多個相互重疊的微微網(wǎng)。一個主設(shè)備或一個參與多個微微網(wǎng)的活動從設(shè)備稱為橋；允許微微網(wǎng)構(gòu)成一個被稱為散射網(wǎng)的較大網(wǎng)絡(luò)。由于使用了跳頻技術(shù)，一個橋在同一時間不能作為多個微微網(wǎng)的活動設(shè)備；橋必須在一個時分基上的2個微微網(wǎng)間進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時必須與當(dāng)前的微微網(wǎng)再同步，這會帶來一個嚴重影響系統(tǒng)性能的重要開銷。

　　藍牙WPAN最主要的問題在于構(gòu)造散射網(wǎng)時遇到由系統(tǒng)規(guī)范和通信量需求造成的約束。節(jié)點如何組成微微網(wǎng)以及哪個節(jié)點作為主設(shè)備或橋，對系統(tǒng)的容量、吞吐量和電池的使用時間具有重要影響。

　　因此，在散列網(wǎng)的構(gòu)建過程中必須要減少設(shè)備間不必要的通信鏈接以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。每個微微網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的鏈接是必須的，各微微網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備必須要建立通信鏈接，以交互信息。因此，冗余通信鏈接主要在微微網(wǎng)互連階段。在該階段中，各微微網(wǎng)之間需要通過橋互連形成藍牙自組織網(wǎng)。如果兩個微微網(wǎng)之間存在過多的橋，或者一個橋鏈接多個微微網(wǎng)均會增加冗余通信鏈接，造成藍牙自組織網(wǎng)通信性能的下降。通過合理的選橋算法，可以有效降低微微網(wǎng)之間的冗余通信鏈接。

　　基于上述分析，我們總結(jié)出能夠提高散射網(wǎng)性能的組網(wǎng)規(guī)則如下：

　?。?）在藍牙組網(wǎng)的形成過程中應(yīng)合理控制微微網(wǎng)的數(shù)目，使其限定在一個固定值，以減少微微網(wǎng)之間的通信干擾，保持網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性最小。

　　（2）減少自組織網(wǎng)內(nèi)橋節(jié)點的負載，防止其成為網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸。這樣不僅能簡化橋節(jié)點的調(diào)度算法，還能縮短因橋節(jié)點在不同微微網(wǎng)間切換的而造成的通信傳輸時延，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

　　（3）限制設(shè)備間的冗余通信鏈接，尤其是微微網(wǎng)之間的通信鏈接。通過限制設(shè)備間的冗余鏈接量，可減少設(shè)備間的電力消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，還能因減少橋的負載而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

　　（在組建藍牙自組織網(wǎng)的過程中，應(yīng)優(yōu)先使用Slave/Slave（S/S）橋，盡量避免使用Master/Slave（M/S）橋，以減少數(shù)據(jù)包在橋節(jié)點上的轉(zhuǎn)發(fā)時延，增加藍牙自組織網(wǎng)的通信量。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)拓撲形狀優(yōu)良，可以使網(wǎng)絡(luò)具有自路由功能，從而提高網(wǎng)絡(luò)的通信能。

　　1.4藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建的關(guān)鍵問題

　　藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建就是將一組彼此分離的藍牙節(jié)點連接起來，因此藍牙節(jié)點的互相發(fā)現(xiàn)過程和節(jié)點的角色分配等問題對藍牙網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以及網(wǎng)絡(luò)負載均衡影響很大。

　?。?）藍牙節(jié)點的互相發(fā)現(xiàn)

　　藍牙節(jié)點的互相發(fā)現(xiàn)過程是藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建過程中的關(guān)鍵部分，在這一過程中，每個藍牙節(jié)點都應(yīng)該知道它自己通信范圍內(nèi)的節(jié)點信息，這個信息應(yīng)該是對稱的，但藍牙網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目的不確定性和藍牙基帶規(guī)范中節(jié)

　　點連接機制的不對稱性給藍牙節(jié)點發(fā)現(xiàn)過程的成功實現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)。

　　藍牙規(guī)范中規(guī)定藍牙的鏈接形成由查詢（Inquiry）和尋呼（page）兩個過程組成，查詢過程并沒有保證查詢節(jié)點與被查詢節(jié)點互相知道對方。欲發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點的查詢者在發(fā)送查詢包時，并沒有發(fā)送它自己的唯一藍牙識別碼，被查詢者收到查詢包時不知道查詢者的信息；另外藍牙發(fā)現(xiàn)機制要求處于相對模式（查詢Inquiry和查詢掃描Inquiry scan模式）的兩個節(jié)點才能互相交換數(shù)據(jù)，但如何保證兩個相鄰節(jié)點處于相對模式的方法卻沒有明確規(guī)定。這是藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建算法應(yīng)該解決的關(guān)鍵問題。

　　目前大多數(shù)算法采用以下做法：在預(yù)定義的節(jié)點發(fā)現(xiàn)時間長度內(nèi)，允許每個節(jié)點在Inquiry查詢模式和Inquiry scan查詢掃描模式之間交替變化，每個模式的持續(xù)時間在給定的時間范圍內(nèi)是隨機的，當(dāng)兩個處于相對模式的節(jié)點握手時，他們建立一個臨時的微微網(wǎng)。查詢者進入尋呼模式（Page）成為主節(jié)點，被查詢者進入尋呼掃描（Page scan）模式，成為從節(jié)點。兩個節(jié)點交換他們的ID和下階段協(xié)議需要的信息。信息交換完畢后，微微網(wǎng)就斷開。

　　這樣在充足時間內(nèi)兩個相鄰節(jié)點處于相對模式，從而互相發(fā)現(xiàn)的概率值很大。

　　（2）首領(lǐng)節(jié)點的選舉過程和方法

　　因為節(jié)點開始時是異步的，還沒有其他參與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的節(jié)點的相關(guān)信息。所以通過選舉方式選取首領(lǐng)節(jié)點將控制整個網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，獲得所有參與構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的相關(guān)信息，并保證最終形成的散射網(wǎng)是連通的。另外，首領(lǐng)節(jié)點的資源應(yīng)該是豐富的，保證整個網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

　?。?）各微微網(wǎng)中的主節(jié)點的選舉

　　主節(jié)點負責(zé)維護各個微微網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點通信，主節(jié)點性能的好壞直接影響該網(wǎng)絡(luò)的性能。主節(jié)點消耗的能量大，因此應(yīng)該選擇能量充分，健壯的節(jié)點作為主節(jié)點。

　?。?）橋節(jié)點的選擇

　　橋節(jié)點對保證藍牙散射網(wǎng)的連通起著關(guān)鍵性的作用，在網(wǎng)絡(luò)中，橋節(jié)點在同一時刻只能在一個微微網(wǎng)中處于活動狀態(tài)，它采取時分復(fù)用方式在這些微微網(wǎng)間切換，每切換到一個微微網(wǎng)，就與該微微網(wǎng)同步。橋節(jié)點一般分為兩類：主橋節(jié)點和從橋節(jié)點，主橋節(jié)點是橋節(jié)點在一個微微網(wǎng)中為主節(jié)點而在另一個微微網(wǎng)中為從節(jié)點，稱為M/S橋。從橋節(jié)點是橋節(jié)點在兩個微微網(wǎng)中都為從節(jié)點，稱為S/S橋。

　　藍牙微微網(wǎng)通過M/S橋連接而形成的藍牙散射網(wǎng)的拓撲為分級結(jié)構(gòu)，

　　如圖4示：

　　圖4 牙散射網(wǎng)的分級拓撲結(jié)構(gòu)

　　分級結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)拓撲表現(xiàn)為樹形，假設(shè)樹的根節(jié)點所在的微微網(wǎng)為根微微網(wǎng)，其他的微微網(wǎng)為葉微微網(wǎng)，則葉微微網(wǎng)的主節(jié)點為根微微網(wǎng)的從節(jié)點。各微微網(wǎng)的內(nèi)部通信可獨立進行，但微微網(wǎng)之間的通信要通過根微微網(wǎng)。因為葉微微網(wǎng)的主節(jié)點為橋節(jié)點，當(dāng)它參與根微微網(wǎng)的通信時，所有葉微微網(wǎng)的通信將被掛起，嚴重降低了系統(tǒng)的吞吐量。

　　藍牙微微網(wǎng)通過S/S橋連接而形成的藍牙散射網(wǎng)的拓撲為平面結(jié)構(gòu)，如

　　圖5所示：

　　圖5 藍牙散射網(wǎng)的平面拓撲結(jié)構(gòu)

　　平面結(jié)構(gòu)中，相鄰微微網(wǎng)之間通過共享從節(jié)點進行通信，共享的從節(jié)點在休眠模式與活動模式之間切換，可以在這些微微網(wǎng)中交替地處于活動狀態(tài)，實現(xiàn)微微網(wǎng)之間的通信，這種結(jié)構(gòu)是分布式的，利于負載平衡，網(wǎng)絡(luò)也更健壯。

　　綜上所述，橋節(jié)點的選擇在保證網(wǎng)絡(luò)連通性的前提下，還要考慮所連通網(wǎng)絡(luò)的健壯性，橋節(jié)點本身的健壯性也就很關(guān)鍵，因此應(yīng)選擇能量充足的節(jié)點作為橋節(jié)點；另外橋節(jié)點參與的微微網(wǎng)數(shù)量應(yīng)盡量少，保證網(wǎng)絡(luò)負載平衡，以及避免橋節(jié)點在不同微微網(wǎng)間切換帶來的時間延遲和能量消耗。通過以上分析，我們知道只有對以上幾個關(guān)鍵問題有所突破的拓撲構(gòu)建算法才能構(gòu)建出連通的，分布式的，時間延遲小的，健壯的藍牙散射網(wǎng)。

　　2藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建算法

　　藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建算法就是將一組彼此分離的，對相鄰節(jié)點信息一無所知的節(jié)點連接起來，確定每個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的角色，從而形成一個連通的藍牙散射網(wǎng)。本節(jié)提出的算法可以對微微網(wǎng)數(shù)目進行合理控制，并能有效減少微微網(wǎng)間的冗余通信鏈接，減輕橋設(shè)備的負載，從而提高藍牙散列網(wǎng)的性能。

　　2.1主節(jié)點的選擇

　　算法采用分布式機制，在組網(wǎng)空間內(nèi)選出部分權(quán)值較高的設(shè)備為主節(jié)點。每個藍牙節(jié)點都有變量WEIGHT、變量BACK和變量TIMEOUT，其中變量WEIGHT代表節(jié)點的權(quán)值（電力等級、剩余能量、數(shù)據(jù)處理能力等資源狀況），這個值表示節(jié)點作為主設(shè)備的適合度，軟件模擬時，每個節(jié)點的WEIGHT值由程序隨即設(shè)為（1－255）之間的整數(shù)；變量BACK代表節(jié)點是否需要備份，初始值為0，當(dāng)節(jié)點角色確定為主節(jié)點和橋節(jié)點時，變量BACK變?yōu)?，變量TIMEOUT為超時設(shè)定值。

　　每個組網(wǎng)藍牙設(shè)備接通電源后周期性切換成Inquiry或Inquiry Scan狀態(tài)，以發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備或被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)兩個處于相對模式的藍牙節(jié)點互相發(fā)現(xiàn)后，便進行WEIGHT值的比較（相等時，藍牙地址大的一方獲勝），WEIGHT值較小的一方將已收集到的FHS封包傳給WEIGHT值較大的一方，并進入Page scan狀態(tài)，WEIGHT值較大的一方接收對方的FHS封包后，將其TIMEOUT值復(fù)位，繼續(xù)隨機進入Inquiry或Inquiry scan程序；如此一再重復(fù)，直到TIMEOUT時間內(nèi)，都沒有再發(fā)現(xiàn)任何節(jié)點為止（節(jié)點會相繼進入Page scan，只有處于Inquiry或Inquiry scan狀態(tài)的節(jié)點能相互發(fā)現(xiàn)），該節(jié)點就是選舉出來的主節(jié)點，它將進入Page程序，它的變量BACK值變?yōu)?，整個程序?qū)⑦M入橋節(jié)點的選擇階段。

　　2.2.橋節(jié)點的選擇

　　各個已選出的主節(jié)點根據(jù)選橋策略確定互連各微微網(wǎng)的橋節(jié)點，并且優(yōu)先使用權(quán)值較高的設(shè)備作橋。

　　由于第一階段選出的主節(jié)點具有所有節(jié)點的FHS封包，從而獲得需要連接成網(wǎng)的總節(jié)點數(shù)N總。此時，除了主節(jié)點處于Page狀態(tài)，其余節(jié)點均處于Page scan狀態(tài)，主節(jié)點可以通過Page程序與附近節(jié)點溝通，主節(jié)點運行微微網(wǎng)構(gòu)成程序（此時，程序first變量的值為0，表示是初始微微網(wǎng)），選擇最多7個節(jié)點構(gòu)成初始微微網(wǎng)，并根據(jù)總節(jié)點數(shù)目的多少和選擇weight值較大的從節(jié)點為原則，選擇其中的最多3個節(jié)點作為橋節(jié)點。確定為純從節(jié)點角色的節(jié)點同主節(jié)點建立連接，進入連接狀態(tài)，不會再被其它節(jié)點搜索到；確定為橋節(jié)點角色的節(jié)點，會被主節(jié)點告知，參與初始微微網(wǎng)后，會再次進入Page scan狀態(tài)，等待次主節(jié)點與之溝通，主節(jié)點通過橋節(jié)點將次主節(jié)點需要的信息傳遞給次主節(jié)點。

　　因為算法需要為散射網(wǎng)形成以后的每個微微網(wǎng)中的主節(jié)點和橋節(jié)點提供一個備份節(jié)點，而每個微微網(wǎng)的節(jié)點總數(shù)為8，除去一個主節(jié)點和它的一個備份從節(jié)點，還剩6個節(jié)點數(shù)，為滿足備份要求，所以每個微微網(wǎng)的橋節(jié)點數(shù)最多為3。選擇的橋節(jié)點數(shù)≤2時，散射網(wǎng)的創(chuàng)建過程是橫向展開的，速度較慢，呈線性增長。當(dāng)橋節(jié)點數(shù)≥3時，創(chuàng)建過程是全方位展開，速度很快，呈指數(shù)增長。隨著橋節(jié)點數(shù)目的增加，創(chuàng)建過程加快了，但所形成散射網(wǎng)中微微網(wǎng)數(shù)量也相應(yīng)增加了，網(wǎng)間干擾也隨之加大了，所以綜合考慮，在需要連接的節(jié)點數(shù)大于22時，橋節(jié)點數(shù)量Nb定為3是較好的選擇。從節(jié)點數(shù)Ns盡量為7，具體選擇方案如下：

　　當(dāng)N總≤8時，Nb＝0，Ns＝N總－1；

　　當(dāng)9≤N總≤15時，Nb＝1，Ns＝7；

　　當(dāng)16≤N總≤22時，Nb＝2，Ns＝7；

　　當(dāng)N總》22時，Nb＝3，Ns＝7；

　　初始微微網(wǎng)構(gòu)成后，并確定橋節(jié)點數(shù)后，整個程序進入第三階段。

　　2.3組成散射網(wǎng)

　　每個主節(jié)點尋呼各自所發(fā)現(xiàn)的設(shè)備。通過互連各個微微網(wǎng)，形成藍牙散列網(wǎng)。

　　次主節(jié)點收到主節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)后，搜索通信范圍內(nèi)的節(jié)點，運行相同的微微網(wǎng)構(gòu)成程序（程序first變量的值為1，表示生成的為次微微網(wǎng)），因為次主節(jié)點已經(jīng)與一個橋節(jié)點相連，所以此時選擇最多6個節(jié)點作為從節(jié)點，并根據(jù)搜索到的節(jié)點數(shù)目N次總，綜合從節(jié)點的weight值，選擇其中的最多2個從節(jié)點作為橋節(jié)點。次微微網(wǎng)的從節(jié)點數(shù)目Ns′和橋節(jié)點數(shù)目Nb′的選擇方案如下：

　　當(dāng)N次總≥8時，選擇從節(jié)點數(shù)目Ns′為6，其中橋節(jié)點數(shù)目Nb′為2，再選擇2個節(jié)點為新的次主節(jié)點；

　　當(dāng)7≤N次總《8時，選擇從節(jié)點數(shù)目Ns′為6，其中橋節(jié)點數(shù)目Nb′為1，再選擇1個節(jié)點為新的次主節(jié)點；

　　當(dāng)N次總≤6時，選擇從節(jié)點數(shù)目Ns′為N次總，其中橋節(jié)點數(shù)目Nb′為0。

　　程序結(jié)束后，新微微網(wǎng)形成，次主節(jié)點成為該微微網(wǎng)的主節(jié)點，新的主節(jié)點繼續(xù)選擇它的次主節(jié)點，新的次主節(jié)點同樣運行微微網(wǎng)構(gòu)成程序，微微網(wǎng)的構(gòu)成過程逐步展開，最后生成一個將所有節(jié)點連接起來的散射網(wǎng)。

　　第二、三階段程序流程圖如圖6所示：

　　圖6逐級構(gòu)建微微網(wǎng)從而構(gòu)成散射網(wǎng)

　　散射網(wǎng)構(gòu)建算法描述如下：其中主節(jié)點為N0，微微網(wǎng)構(gòu)成程序為

　　Piconet（N0，first），M（u）為次主節(jié)點集合，C（v）為第n次產(chǎn)生的次主節(jié)點集合。

　　Scatternet（n，M（u））

　　if（n=0）{

　　N0=M（u）-{};

　　First=0;

　　Return Piconet（N0，first）;

　　else{

　　M（u）=Scatternet（n-1，M（u））;

　　C（v）={};

　　while（∣M（u）∣！=0）{

　　u=M（u）-{};

　　C（v）=C（v）+Piconet（u，first）;

　　M（u）=M（u）-{u};

　　}

　　return C（v）;

　　}

　　}

　　網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程應(yīng)盡量向外擴展，所以次主節(jié)點的選取應(yīng)離當(dāng)前主節(jié)點盡量遠，可以利用藍牙中的接收信號強度指示（RSSI）來判斷節(jié)點之間的距離。RSSI越大表示距離越遠。因此，主節(jié)點選擇RSSI值較大的節(jié)點為它的次主節(jié)點。

　　3.對于算法的節(jié)點插入和移除的兩個過程

　　對于一個被給定的藍牙WPAN拓撲，討論兩種分布式過程來處理拓撲變化。第一個過程是允許在WPAN中插入一個新的節(jié)點;第二個過程是從網(wǎng)絡(luò)中去除一個節(jié)點，這兩個過程要達到的主要目標(biāo)是滿足藍牙規(guī)范的限制條件，即全網(wǎng)絡(luò)連通性，有高的吞吐流量，降低控制信息的開銷等。當(dāng)然，可以加入一個新節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)中去，也意味著可以同時加入幾個節(jié)點。因此，根據(jù)這個，我們可以依靠最初給定的一系列藍牙設(shè)備用來建立一個可增長的BT--WPAN或者形成一個網(wǎng)絡(luò)拓撲。

　?。?）插入節(jié)點過程

　　一個節(jié)點想快速加入到WPAN中來，它必須首先發(fā)送一個普通的查詢信息來懇求它附近的節(jié)點是否可以加入。相反，如果一個節(jié)點的目的是加入到一個網(wǎng)絡(luò)中并有良好連接，即想加入到具有低流量的微微網(wǎng)中或者扮演一個特殊的角色，它就必須使用專用的查詢。

　　下面部分，討論承載查詢回復(fù)的FHS包。注意到，一個數(shù)據(jù)包FHS它包含有設(shè)備類型的標(biāo)記，加上5比特就能夠用于傳遞未來的信息。這其中2位比特預(yù)留下來以備將來使用，AM-ADDR領(lǐng)域的3位在查詢回應(yīng)中不使用。我們定義這5位傳送以下信息：

　　2位：電池的電量等級（如：低于25%，在25%和50%之間，在50%到75%之間，高于75%）；

　　2位：節(jié)點的流量的等級；

　　1位：這個節(jié)點是否屬于孤立微微網(wǎng)。如果一個微微網(wǎng)沒有于任何一個微微網(wǎng)連接或者它附近的微微網(wǎng)都只僅僅與它相連那我們就稱之為孤立的微微網(wǎng)。如果該節(jié)點屬于孤立的微微網(wǎng)，那么該位置1，否則置0。

　　設(shè)a是開始查詢過程的節(jié)點，正如上所述，根據(jù)收到的鄰近的節(jié)點的回應(yīng)，a它將決定對哪個節(jié)點進行尋呼，回應(yīng)的節(jié)點要么是屬于孤立的徽微網(wǎng)要么不屬于孤立的微微網(wǎng)。除此之外，它還具有以下可能：

　　具有少于7個從節(jié)點的主節(jié)點；

　　從節(jié)點；

　　即是從節(jié)點又是橋節(jié)點；

　　即是主節(jié)點又是橋節(jié)點；

　　已經(jīng)具有7個節(jié)點的主節(jié)點；

　　像a一樣也在等著加入到藍牙WPAN中。

　　a根據(jù)以下的優(yōu)先順序來選擇加入到哪個回應(yīng)節(jié)點；

　　1）屬于孤立的微微網(wǎng)主節(jié)點（或者既是主節(jié)點又是橋節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點）

　　如果a收到不止一個屬于孤立微微網(wǎng)的主節(jié)點的回應(yīng)，它將選擇從節(jié)點少于7個和低流量的的主節(jié)點加入。如果不止一個主節(jié)點滿足上述條件，那么它還根據(jù)該節(jié)點的電池電量的等級來考慮。注意到a節(jié)點根據(jù)相關(guān)的RSSI估計每個回應(yīng)節(jié)點的距離。把被選擇的主節(jié)點記為u，節(jié)點a尋呼u并創(chuàng)建一個新的微微網(wǎng)，此時“a是主節(jié)點，u是從節(jié)點，過一會兒，這兩個節(jié)點的角色進行互換，這樣，在微微網(wǎng)中，a就變成從節(jié)點，并且受主節(jié)點u的支配。

　　如果a收到一個不屬于孤立微微網(wǎng)的節(jié)點的回應(yīng)，它將按如下的方式選擇：

　　1）如果回復(fù)的是從節(jié)點少于7個的主節(jié)點（或者既是主節(jié)點又是橋節(jié)點），則a加入此節(jié)點并且創(chuàng)建一個新的微微網(wǎng)。通過主從節(jié)點的角色互換，a變成孤立的微微網(wǎng)中的從節(jié)點（或者是橋節(jié)點）

　　2）如果回復(fù)的節(jié)點是從節(jié)點（或者既是從節(jié)點又是橋節(jié)點）或者是具有7個從節(jié)點的主節(jié)點（或者既是主節(jié)點又是橋節(jié)點），則“創(chuàng)建一個新的含有該節(jié)點的微微網(wǎng)。

　　2）屬于孤立的微微網(wǎng)從節(jié)點（或者既是從節(jié)點又是橋節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點）

　　有兩種不同的情況：

　　1）沒有連接到散射網(wǎng)的其它節(jié)點回復(fù)了a的查詢，在這種情況下，a將有以下的情形：

　?。?）a具有可以成為主節(jié)點的足夠的處理能力和能t容盤，如果這樣，則a通過尋呼一個或多個對它的查詢做過響應(yīng)的從節(jié)點來創(chuàng)建一個新的微微網(wǎng)。那么這些從節(jié)點就成了剛形成的微微網(wǎng)和以前微微網(wǎng)之間的橋節(jié)點。對于這些被尋呼的從節(jié)點，a可以根據(jù)其節(jié)點的流量、電池狀態(tài)和空間的距離來選擇。假設(shè)一個微微網(wǎng)被一短比特位的字符來標(biāo)識，即小于5位的長度，并且在微徽網(wǎng)中的每一個節(jié)點都知道所在的微微網(wǎng)的標(biāo)識。一個被a尋呼的從節(jié)點可以在承載尋呼響應(yīng)的FHS包中利用這’5位來標(biāo)示這個信息。這樣，a隨時有可能中斷尋呼的過程，因為它連接的節(jié)點屬于已經(jīng)有微徽網(wǎng)間連接的節(jié)點。

　　（2）a想成為從節(jié)點。a.根據(jù)流t，電池等級和空間距離來選擇可以加入的節(jié)點，它和被選擇的節(jié)點形成一個新的微微網(wǎng)，然后，在該微微網(wǎng)中，這兩個節(jié)點互換角色，這樣，。就變成了從節(jié)點，而被選擇的節(jié)點則變成了在新微微網(wǎng)和以前微微網(wǎng)之間的主節(jié)點和橋節(jié)點。

　　2）a收到一個不屬于孤立微微網(wǎng)的的節(jié)點的回復(fù)。在這種情況下，a試圖連接剩余部分散射網(wǎng)中的孤立節(jié)點，并且按照以下優(yōu)先次序在散射網(wǎng)中選擇要連接的節(jié)點：從節(jié)點、既是從節(jié)點又是橋節(jié)點的節(jié)點、主節(jié)點、既是主節(jié)點又是橋節(jié)點、具有7個從節(jié)點的主節(jié)點。如果有必要，將依照以下準(zhǔn)則進一步進行選擇：流量，電池等級，空間距離。然后，完成要選擇的節(jié)點后，a創(chuàng)建一個新的微微網(wǎng)。

　　3、不屬于孤立的微微網(wǎng)但是又少于7個從節(jié)點的主節(jié)點

　　在現(xiàn)有的可利用的主節(jié)點之中，。選擇具有最小流量的一個節(jié)點，如果在流量相同的情況下，然后考慮電池等級，其次是考慮該節(jié)點離a的空間距離。為了避免微微網(wǎng)之間的重盈和減少微微網(wǎng)內(nèi)部之間的干擾，離“較近的節(jié)點具有優(yōu)先權(quán)。把被選擇的主節(jié)點記為產(chǎn)，節(jié)點a加入聲創(chuàng)建一個新的微微網(wǎng)，此處a是主節(jié)點，尸是從節(jié)點，過一會兒，這兩個節(jié)點的角色互換，這樣，在微微網(wǎng)中，a變成從節(jié)點，并且受主節(jié)點產(chǎn)的支配。

　　不屬于孤立的微微網(wǎng)從節(jié)點

　　在2的1）中，介紹了它的兩種可能的情況：

　　1）“具有可以成為主節(jié)點的足夠的處理能力和能量，如果這樣，則a通過尋呼一個或多個響應(yīng)過它的查詢的節(jié)點來創(chuàng)建一個新的微微網(wǎng)，同時在新的微微網(wǎng)和以前的微微網(wǎng)中的節(jié)點就成為了橋節(jié)點。

　　2）a想成為從節(jié)點。在現(xiàn)有的可以利用的節(jié)點中選擇可以加入的節(jié)點，a和被選擇的節(jié)點形成一個新的微微網(wǎng)，然后，在該微微網(wǎng)中，這兩個節(jié)點互換角色，這樣，a就變成了從節(jié)點，而被選擇的節(jié)點變成了主節(jié)點和橋節(jié)點。

　　5、不屬于孤立的微微網(wǎng)的既是從節(jié)點又是橋節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

　　像前面所說的一樣，它也有兩種可能的情況：

　　l）。具有可以成為主節(jié)點的足夠的處理能力和能量，a依照以下三條準(zhǔn)則來選擇要尋呼的節(jié)點（該節(jié)點既是從節(jié)點又是橋節(jié)點）：流量;電池等級;空間距離。這樣一個新的微微網(wǎng)形成，此處。作為主節(jié)點而被選擇的節(jié)點作為從節(jié)點。

　　2）a想成為從節(jié)點。在這個新的微微網(wǎng)中，a作為從節(jié)點，被選擇的節(jié)點作為主節(jié)點而且還充當(dāng)該微微網(wǎng)與它先前所在的微微網(wǎng)的橋節(jié)點。

　　6、不屬于孤立的微微網(wǎng)的既是主節(jié)點又是橋節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

　　在現(xiàn)有的可利用的節(jié)點（既是主節(jié)點又是橋節(jié)點）之中，a依照以下三條準(zhǔn)則來選擇要加入的節(jié)點：流量：電池等級：空間距離。在a創(chuàng)建一個新的微微網(wǎng)之后，它與被選擇的節(jié)點互換一下角色，從而在微微網(wǎng)中a成為從節(jié)點并且被它所選擇的節(jié)點（既是主節(jié)點又是橋節(jié)點）所支配。

　　7、不屬于孤立的微微網(wǎng)并且已有7個從節(jié)點的主節(jié)點

　　在現(xiàn)有的可利用的節(jié)點之中，a選擇具有最小流量的一個節(jié)點，如果在流量相同的情況下，然后考慮電池等級，其次是考慮該節(jié)點離“的空間距離。以a為主節(jié)點的一個新的微微網(wǎng)被創(chuàng)建了。此時有兩種可能性：

　　1）在這個新的微微網(wǎng)中，a仍然是主節(jié)點，而被選擇的節(jié)點既是從節(jié)點又是橋節(jié)點;

　　2）這兩個節(jié)點互換角色，這樣，被選擇的主節(jié)點使得它的其中的一個從節(jié)點處于閑置狀態(tài)，該閑置節(jié)點可以運行插入程序來尋找新的微微網(wǎng)以便加入。要不然，a則和在這個微微網(wǎng)中的其它節(jié)點輪流的處于閑置狀態(tài)。

　　8、新節(jié)點

　　節(jié)點a尋呼到一個新節(jié)點，這樣創(chuàng)建一個以a為主節(jié)點的微微網(wǎng)。然后，如果兩個節(jié)點協(xié)商后，可以互換角色。在該微微網(wǎng)中，同樣可以包含一些回應(yīng)了節(jié)點查詢的其它節(jié)點。然而，為了保持藍牙WPAN拓撲的連接性，要么是a要么是它微微網(wǎng)中的其它一些節(jié)點必須尋呼現(xiàn)有藍牙WPAN中節(jié)點。

　　移去節(jié)點的過程

　　節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)引起的變化主要取決于該節(jié)點在藍牙WPAN中作用，有下面四種情況：

　　。該節(jié)點是從節(jié)點：該情況最簡單，那就是該節(jié)點僅僅是從網(wǎng)絡(luò)中移去，而沒有改變拓撲的任何結(jié)構(gòu)。

　　。該節(jié)點是主節(jié)點：在該微微網(wǎng)中的從節(jié)點將在藍牙WPAN中尋找一個新的節(jié)點來重新建立連接，因此，每一個從節(jié)點都要執(zhí)行插入程序，而橋節(jié)點仍然作為橋節(jié)點保持與其它微微網(wǎng)的連接。

　　。該節(jié)點既是主節(jié)點又是橋節(jié)點：這種情況的處理方式與第二種情況的處理方式一樣。

　　。該節(jié)點既是從節(jié)點又是橋節(jié)點：如果有其它節(jié)點可以取代該節(jié)點，那么它就可從網(wǎng)絡(luò)中很簡單的移去。否則的話，就必須尋找一個可以替代該節(jié)點的節(jié)點這樣，在此微微網(wǎng)中主節(jié)點將執(zhí)行查詢程序，如果不能找到通向目標(biāo)微微網(wǎng)的橋節(jié)點，它將命令它的從節(jié)點執(zhí)行查詢程序以尋找橋節(jié)點。如果在藍牙WPAN范圍中，在這些節(jié)點所能傳輸?shù)牡姆秶鷥?nèi)沒有找到這樣的節(jié)點，那么該微微網(wǎng)就與藍牙WPAN斷開。

　　2.射網(wǎng)的重要性能分析

　　3藍牙組網(wǎng)的仿真結(jié)果和分析

　　小結(jié)

　　本章介紹了藍牙個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的基本知識，明確了藍牙微微網(wǎng)和散射網(wǎng)的概念，分析了藍牙散射網(wǎng)的網(wǎng)路特點，闡述了藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建的重要性以及藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建算法需要解決的關(guān)鍵問題和衡量藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建算法的標(biāo)準(zhǔn)。藍牙自組個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的主從特性、動態(tài)性、跳頻特性雖然使藍牙組網(wǎng)更加靈活，但這些特點以及藍牙節(jié)點本身多為個人數(shù)字設(shè)備，節(jié)點運行的協(xié)議和應(yīng)用程序必須考慮節(jié)點處理能力、內(nèi)存和能耗等條件，都無疑增加了網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建 算法、網(wǎng)絡(luò)路由等算法的難度。

　　目前藍牙規(guī)范中對微微網(wǎng)內(nèi)的通信協(xié)議有了明確的規(guī)定，但對藍牙散射網(wǎng)的研究，還處于探索階段，是各國科學(xué)家感興趣和重點研究的課題之一，越來越多的研究成果完善了藍牙網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，提高了藍牙產(chǎn)品的普及率。中國是人口密集，商業(yè)經(jīng)濟活動集中、人均收入還比較低的國家和地區(qū)，低成本、組網(wǎng)簡單靈活的藍牙產(chǎn)品將會有更廣闊的應(yīng)用前景。它的應(yīng)用將遍及很多領(lǐng)域，如移動通信、計算機及周邊設(shè)備、個人隨身信息和娛樂設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、醫(yī)療保健、金融、軍事等。它是面對個人的近距離無線技術(shù)，是人與機器之間交流的好助手。

　　本章從介紹藍牙節(jié)點的工作狀態(tài)和藍牙物理鏈路的建立過程入手，提出一種備份式的藍牙散射網(wǎng)拓撲構(gòu)建算法。算法吸收了Bluestars算法中以節(jié)點的可用資源為標(biāo)準(zhǔn)的方法，來選取主節(jié)點，初始主節(jié)點建立第一個微微網(wǎng)后，主節(jié)點選取最多3個橋節(jié)點和3個次主節(jié)點，通過逐級展開的方法建立相互連接的微微網(wǎng)，最終形成連通的藍牙散射網(wǎng)，散射網(wǎng)形成后通過節(jié)點備份的方法，提高網(wǎng)絡(luò)的自愈能力。本章最后運用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法證明了算法幾項重要的性能指標(biāo)為：時間復(fù)雜度為O（logN）、消息復(fù)雜度為O（N）、網(wǎng)絡(luò)直徑為O（logN）、具有較少的微微網(wǎng)個數(shù)和節(jié)點角色的平均數(shù)。