蓝牙多跳网络协议

蓝牙多跳网络协议的设计与研究

蓝牙技术在很多应用领域中都被证实其价值，它是比较先进的网络技术，但是在成本和功耗上依然很难完全令人满意，这使得利用蓝牙作为网络应用设计并不是主流。基于蓝牙的应用可以通过网络节点的数量来取得优势，达到网络效用的最佳平衡。

蓝牙标准支持建立大型的网络，但并没定义怎样建立。网络构建问题是非常重要的，因为它极大地影响着通信性能。为了满足不同的特殊需求，各种蓝牙的网络结构被提出，例如树型拓扑，环型拓扑，星型拓扑或其他的多跳网络。本文论述方法结合了一些现有的协议，聚焦需要频繁拓扑变化的移动点对点处理和链接丢失问题，但只针对没有明确模式的较低数据流量情况。目标应用是一种移动通信平台。交换信息的特征值是周期性的传感器数据，状态信息和命令。传感器数据和状态信息有定期广播。

一、蓝牙网络结构

很多不同的蓝牙网络结构已经被提出。它们主要被分为两个大类，特定拓扑的结构化网络和没有明确定义结构的网络——多跳网络。

多跳网络解决了拓扑问题，但增加了路由成本和调度的复杂性。多跳网络本质上是为了定义网络的所需属性并建立网络来满足这些属性。一种网络结构协议是蓝牙拓扑构建协议BTCP（Bluetooth Topology Construction Protocol），该协议为选择的网络协调器建立的网络设置规则。另外一个非常有效的协议是Blue net，它是完全分散的。网络建构运行需要几个阶段且建立一个网络来遵循已定义的属性。例如，蓝牙星型拓扑，其目的是为了建立一个由微微网构成的网络，两个微微网共享一座桥。生成的拓扑需要兼顾链接数量和平均网络路径。

多跳网络可以更灵活，因为它们工作时不需要特定的拓扑。所选择的属性可以根据应用来进行调整。缺点是网络结构是网状的且无可用的生成结构信息。由于作为研究对象的应用具有高速移动性，所以选择一种多跳网络更加适合。

二、蓝牙结构协议

所提出的协议旨在建立一种协议，它使用点对点协议，有类似于蓝牙网型和蓝牙星型网络的属性。

协议由两部分规则组成——连接性规则和结构最优化规则。连接性规则负责尽可能的维护已连接的网络。它主要用下述原理进行实现：保证网络中每个节点的可达性就是能充分提供每个可视节点的可达性。意思是当一个节点到达可视近邻节点，它就能到达这些节点的可视近邻节点，以此类推。这种规则基于节点的状态。网络中的节点可以是三种基本状态：自由节点，主节点，从节点。主节点和从节点可以变为桥节点，分别被称为从桥和主-从桥（在一个微微网中扮演从节点，而在另一个微微网中扮演主节点），如图1所示。

任何自由节点尝试连接已发现节点。首先，要取得连接，自由节点需要再有效范围内发现其他节点，所以它要进入搜索模式。然后，它在有效范围内发现一个节点，并初始化建立链接。由于它不知道响应节点的任何信息，所以只要发现第一个节点，它就会去连接。连接就被建立了，其中的角色可以进行转换。如果自由节点尝试连接一个主节点，主节点会接受连接（除非它的从节点数目已经到达上限），并执行主-从切换，所以自由节点就变成从节点。如果它尝试去连接另外一个自由节点，那个节点会接受连接且成为这个微微网的从节点。如果它尝试连接一个从节点，它会变成新的微微网的一个主节点，而从节点会变成新旧两个微微网的从桥。为了减少创建微微网的数量，所以当自由节点发现它已经连接上一个从节点时，它会去尝试连接其它的主节点。当它们连接成功，它会加入到这个微微网中，并撤销与从节点之间的链接。

结构优化规则主要由主节点来执行。规则是分散的，不需要整个网络的全部信息。信息来源是直连的，定期更新消息提供了可到达信息，搜索进程提供了可视节点信息。然后在本地执行规则，使用提供的信息。为了避免冲突，根据以下条件来评估规则：

（1）连接性——规则只有在连接不被打破的前提下才能应用；（2）优先级——规则评估规则顺序的重要性（根据以上所罗列的）；（3）微微网尺寸——拥有更多子节点的主节点；（4）距离——首选较短距离的连接；（5）ID——作为最后的措施是采取唯一ID。

三、蓝牙的路由协议

为了提出的网络结构，我们需要设计一种综合且强大的路由协议。这里选择一种基于DSDV的前瞻型解决方案，因为周期性的广播信息能用来实时更新路由表，不需要增加另外的广播来寻找路由，路由不仅提前知晓，而且是一个简单的，能提供最优化路径的解决方案。

协议建立了一个路由表，它由传送数据包的入口组成。如果两目标之间的路由发生改变，DSDV不能在下一个广播修复路由之前传送消息。

高移动速率下的DSDV会使得问题积聚并且由于陈旧的路由信息导致数据包丢失。为了避免这个问题，一种扩展DSDV被提出。当一个节点接收到一个被认为不能有效传递的数据包时，把它记作丢失，并且广播使它确保传递。通过洪泛法进行传递。如果丢失的节点在网络中，这种方法可以传递数据包。但它只能用来传送少量的数据，否则在拓扑中发生主要改变后，丢失的数据包会泛滥整个网络。丢失数据包的这种DSDV扩展方法可以处理高速移动情况，洪泛法是最好的解决方法。

四、蓝牙多跳网络仿真与结果

仿真使用Matlab接口并支持单步回放和统计功能。蓝牙网络最重要的指标是微微网的数量，桥节点的数量，平均和最大网络路径。

测试初始网络的形成（随机位置节点，不是移动的）和测试在仿真操作中，将一个节点进行区域移动。最初形成的测试结果如表1所示。仿真在一个20X20m的空置区域进行（通信距离10m平均仅有47%的链接能被建立）。仿真结果如表1所示。

结果表明，该协议在可能的情况下创建连接网络是非常有效的。网络构建规则能保证较少的微微网数目和当保持网络中路由尽可能短的同时，更少的桥资源开销。其中一个如何构造网络样子和结构规则的影响的例子如图2所示。

接下去的仿真是为了运行所有节点在区域内移动的程序。结果显示连接网络任何时候都可能被建立，但是最大的影响是搜索进程。

问题可能出现在几个点，首先，蓝牙发现自己可能要占用10s。其次是发现协议，它由随机变化的查询和查询扫描模式来实现。最后也是最重要的是搜索过程的时间控制本身。搜索频率取决于不同节点的状态。搜索过程在这里没有给予太多关注，但是显示结果需要密切留意以达到让人满意的结果。

总结

本文提出的网络协议旨在提供简单且有效的维护一个通信网络的解决方案。它的实现基于的规则能够容易的实现简单系统且不需要存储额外的拓扑信息。基于规则的解决方案问题是调整复杂和规则可能互相影响和冲突。但是结果对于目标应用程序很有意义并且协议满足所有的先决条件。

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