藍牙散射網(wǎng)數(shù)據(jù)通信及優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、自從藍牙標準推出后，藍牙技術(shù)就成為短距離無線通信領(lǐng)域最熱門的研究方向之一。藍牙技術(shù)具有尺寸小、功耗低、成本低、通訊距離短等優(yōu)點，它能使許多個人數(shù)字設(shè)備很方便地實現(xiàn)無線通訊功能，已被應(yīng)用在信息家電、移動通信、嵌入式應(yīng)用等諸多領(lǐng)域。
　　藍牙網(wǎng)絡(luò)的基本單元是匹克網(wǎng)（piconet)，多個匹克網(wǎng)在時間和空間上部分重疊時可組成一個大的藍牙網(wǎng)絡(luò)—散射網(wǎng)（scatternet)。這樣一個散射網(wǎng)可以不需額外網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，多個藍牙設(shè)備在某個區(qū)域內(nèi)一起

2、自主協(xié)調(diào)工作，相互間自由通訊，形成一個獨立的無線移動自組網(wǎng)絡(luò)（MANET：mobile ad hoc networks)。這種網(wǎng)絡(luò)在不遠的將來很可能會改變我們處理和存取信息的方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　藍牙最初的目的是為個域網(wǎng)提供支持。為了應(yīng)用的靈活性，藍牙規(guī)范并沒有規(guī)定散射網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，而是讓用戶選擇自己的形成算法并在其基礎(chǔ)上定義對應(yīng)的路由協(xié)議。藍牙網(wǎng)絡(luò)獨有的特性給有效創(chuàng)建藍牙散射網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)帶來了挑戰(zhàn)，而且傳統(tǒng)用于有線網(wǎng)的路由算

3、法很難直接移植到散射網(wǎng)上，所以只能借鑒已有的移動自組網(wǎng)研究成果。形成一個有效的散射網(wǎng)是大規(guī)模藍牙節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的第一步。本文提出了一個分布式的藍牙散射網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)形成算法，算法不需要任何節(jié)點在所有其它節(jié)點通訊范圍內(nèi)，并針對藍牙設(shè)備電源有限的特點引入專門節(jié)電技術(shù)形成了一個高效能藍牙散射網(wǎng)。理論分析和仿真實驗說明算法具有較好的性能，能有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　多跳的散射網(wǎng)中需要路由機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)中的正確轉(zhuǎn)發(fā)。本文給

4、出了一個劃分所形成散射網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合兩種不同節(jié)點路由控制信息表，提出了一種用于藍牙散射網(wǎng)的分層路由算法。算法能較好地適用于由對存儲空間及處理能力要求不高的藍牙設(shè)備組成的大規(guī)模散射網(wǎng)，同時這種分層路由算法還具有較強的網(wǎng)絡(luò)擴展性，實驗證明分層路由算法的效率非常高。
　　藍牙默認的循環(huán)輪詢（RR:Round Robin）匹克網(wǎng)內(nèi)調(diào)度機制使匹克網(wǎng)性能變得很低。本文提出了基于藍牙低功耗連接模式—呼吸模式的匹克網(wǎng)內(nèi)節(jié)能調(diào)度算法，通

5、過對主從節(jié)點之間通信模式的預(yù)測來決定對鏈路上的呼吸間隔分配比例的占用，從而動態(tài)計算、調(diào)整每個主從節(jié)點的呼吸參數(shù)，進行實時的呼吸調(diào)度，達到節(jié)約電源消耗的目的。在藍牙散射網(wǎng)中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)是通過某些節(jié)點（橋節(jié)點）采用時分復(fù)用方式參與到多個匹克網(wǎng)中實現(xiàn)的，由于橋節(jié)點在某個時刻只能加入到其中一個匹克網(wǎng)中，這就需要散射網(wǎng)調(diào)度算法。呼吸模式為散射網(wǎng)調(diào)度算法提供了一個比較靈活的方式。基于匹克網(wǎng)內(nèi)呼吸調(diào)度算法和對散射網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的分析，算法監(jiān)控各個鏈路上的

6、流量并獲得流量變化數(shù)據(jù)。通過對呼吸模式關(guān)鍵參數(shù)的計算、修正，算法實時改變橋節(jié)點參與各個匹克網(wǎng)通信時應(yīng)分配的呼吸相關(guān)參數(shù)，由橋節(jié)點協(xié)調(diào)參與各個匹克網(wǎng)通信所需分配的時隙數(shù)，將各個匹克網(wǎng)的活動窗口分配到一個統(tǒng)一的呼吸間隔里，達到活動窗口最大限度不重疊的散射網(wǎng)內(nèi)呼吸調(diào)度。仿真實驗和分析結(jié)果證明算法能有效節(jié)約電源消耗，提高吞吐量，減少時間延遲，改善網(wǎng)絡(luò)性能。
　　目前的大多數(shù)無線鏈路層都采用了自動重傳請求（ARQ: Automatic Re

7、peat Request）機制以保護分組傳輸免受一個壞信道的干擾，設(shè)計使用ARQ協(xié)議的目的是為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。使用ARQ協(xié)議的藍牙跳頻通信為傳輸多樣性提供了有效的手段。本文基于最近數(shù)據(jù)分組重傳歷史記錄，使得在不同信道誤比特率下 ARQ協(xié)議的期望吞吐率最大，來選擇適合于藍牙異步無鏈接（ACL:Asynchronous Connection-Less）鏈路層數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆纸M，以優(yōu)化數(shù)據(jù)通信性能。算法只需用很短的歷史觀察記錄就可獲得較好性