藍(lán)牙無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的組建方案解析

　　藍(lán)牙技術(shù)作為一種小范圍無(wú)線連接技術(shù)，能夠在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信，是目前實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。同時(shí)，藍(lán)牙系統(tǒng)以Ad Hoc的方式工作，每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都可以再網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)路由選擇的功能，可以形成移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)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(lán)牙與其他網(wǎng)絡(luò)相連接可帶來(lái)更廣泛的應(yīng)用，例如接入互聯(lián)網(wǎng)、PSTN或公眾移動(dòng)通信網(wǎng)，可以使用戶應(yīng)用更方便或給用戶帶來(lái)更大的實(shí)惠。作為醫(yī)院有線局域網(wǎng)的補(bǔ)充，藍(lán)牙無(wú)線個(gè)域網(wǎng)克服了有線網(wǎng)絡(luò)的弊端，可利用電腦等隨時(shí)隨地進(jìn)行生命體征數(shù)據(jù)等的查詢錄入，在無(wú)線監(jiān)護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。

　　1藍(lán)牙組網(wǎng)機(jī)制

　　1.1藍(lán)牙個(gè)域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性

　　作為藍(lán)牙SIG的一個(gè)工作組，藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的主要目標(biāo)是定義基于IP的藍(lán)牙個(gè)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(gè)微微網(wǎng)中基于IP的個(gè)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(diǎn)的問(wèn)題。藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議描述了2個(gè)及多個(gè)的藍(lán)牙設(shè)備如何組成一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)以及如何使用同樣的機(jī)制通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)可以是傳統(tǒng)的LAN數(shù)據(jù)接入點(diǎn)，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(dòng)主機(jī)的集合，它們可以再無(wú)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(gè)Ad Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。PAN協(xié)議更側(cè)重的是由一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)構(gòu)成的簡(jiǎn)單個(gè)人Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中有最多可容納8個(gè)設(shè)備，其中一個(gè)是主節(jié)點(diǎn)，其余是從節(jié)點(diǎn)。

　　藍(lán)牙PAN網(wǎng)絡(luò)具有以下Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的共同特點(diǎn)：

　　（1）獨(dú)立組網(wǎng)能力

　　各節(jié)點(diǎn)在一定網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成算法的支持下，可以在很短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)而無(wú)需任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)施支持。

　?。?）多跳路由

　　節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通信需要經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過(guò)多跳實(shí)現(xiàn)。

　　（3）拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化

　　在藍(lán)牙PAN中，某些節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，可能隨時(shí)離開(kāi)或再次加入網(wǎng)絡(luò)，也有些節(jié)點(diǎn)會(huì)隨時(shí)關(guān)閉電源，引起節(jié)點(diǎn)和鏈路數(shù)量分布的變化，因此藍(lán)牙PAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能隨時(shí)發(fā)生變化。

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　　收無(wú)線信道的沖突、信號(hào)衰減、噪聲以及信道之間的干擾等影響，藍(lán)牙鏈路的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)小于理論帶寬，而且動(dòng)態(tài)變化。

　?。?）節(jié)點(diǎn)的局限性

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

　　（6）安全性

　　雖然藍(lán)牙采取了嚴(yán)密的安全機(jī)制，但由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)易受到竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵與拒絕服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)攻擊。

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

　?。?）節(jié)點(diǎn)通信范圍有限

　　藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)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(dá)到幾百米。

　　（2）移動(dòng)性相對(duì)較小

　　相比其他Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度和頻率較小。

　?。?）帶寬窄

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

　　1.2藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　藍(lán)牙系統(tǒng)采用一種靈活的無(wú)基站的組網(wǎng)方式，使得一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可與7個(gè)其他的藍(lán)牙設(shè)備相連接。藍(lán)牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有2種形式：微微網(wǎng)（Piconet）和散射網(wǎng)（Scatternet）。

　　（1） 微微網(wǎng)

　　微微網(wǎng)是通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)以特定方式連接起來(lái)的一種微型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)微微網(wǎng)可以只是2臺(tái)相連的設(shè)備，比如一臺(tái)便攜式電腦和一部移動(dòng)電話，也可以是8臺(tái)連在一起的設(shè)備。在一個(gè)微微網(wǎng)中，所有設(shè)備的級(jí)別是相同的，具有相同的權(quán)限。藍(lán)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(gè)主設(shè)備單元和最多7個(gè)從設(shè)備單元，如圖1所示。主設(shè)備單元負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘同步信號(hào)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(gè)主設(shè)備和多達(dá)7個(gè)從設(shè)備組成的微微網(wǎng)

　　在每個(gè)微微網(wǎng)中，用一組偽隨機(jī)跳頻序列來(lái)確定79個(gè)跳頻信道，這個(gè)跳頻序列對(duì)于每個(gè)微微網(wǎng)來(lái)說(shuō)是唯一的，由主節(jié)點(diǎn)的地址和時(shí)鐘決定。藍(lán)牙無(wú)線信道使用跳頻/時(shí)分復(fù)用（FH/TDD）方案，信道以625μs時(shí)間長(zhǎng)度劃分時(shí)隙，根據(jù)微微網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘對(duì)時(shí)隙進(jìn)行編號(hào)，號(hào)碼從0-（227-1）以227為一個(gè)循環(huán)長(zhǎng)度，每個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)一個(gè)跳頻頻率，通常跳頻速率為1600跳/s。主節(jié)點(diǎn)只在偶數(shù)時(shí)隙開(kāi)始傳送信息，從節(jié)點(diǎn)只在奇數(shù)時(shí)隙開(kāi)始傳送，信息包的開(kāi)始與時(shí)隙的開(kāi)始相對(duì)應(yīng)。微微網(wǎng)中信道的特性完全由主節(jié)點(diǎn)決定，主節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙地址（BD_ADDR）決定跳頻序列和信道接入碼，主節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘決定跳頻序列的相位和時(shí)間。根據(jù)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的平等性，任何一個(gè)設(shè)備都可以成為網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，而且主、從節(jié)點(diǎn)可轉(zhuǎn)換角色。

　　主節(jié)點(diǎn)通過(guò)輪詢從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。從節(jié)點(diǎn)只有收到主節(jié)點(diǎn)的的信息包方可發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2，從節(jié)點(diǎn)2在t時(shí)刻收到來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，此時(shí)頻率為f（k），之后它可以在下一個(gè)時(shí)隙通過(guò)f（k+1）頻率向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。同理，從節(jié)點(diǎn)1在t2時(shí)刻收到主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，此時(shí)頻率為f（k+2），并且在時(shí)間t3通過(guò)頻率f（k+3）發(fā)送數(shù)據(jù)包給主節(jié)點(diǎn)。

　　圖2微微網(wǎng)內(nèi)通信輪詢機(jī)制

　?。?）散射網(wǎng)

　　一個(gè)微微網(wǎng)最多只能有7個(gè)從節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于通信狀態(tài)。為了能容納更多的

　　裝置，并且擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)通訊范圍，多個(gè)微微網(wǎng)互連在一起，就構(gòu)成了藍(lán)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(méi)有同時(shí)跳躍到同一頻道上，即便有多組資料流同時(shí)傳送也不會(huì)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(diǎn)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(diǎn)通過(guò)不同時(shí)隙在不同的微微網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換而實(shí)現(xiàn)在跨微微網(wǎng)之間的資料傳輸。藍(lán)牙獨(dú)特的組網(wǎng)方式賦予了橋節(jié)點(diǎn)強(qiáng)大的生命力，同時(shí)可以有7個(gè)移動(dòng)藍(lán)牙用戶通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與因特網(wǎng)相連。它靠跳頻順序識(shí)別每個(gè)微微網(wǎng)，同一微微網(wǎng)所有用戶都與這個(gè)跳頻順序同步。

　　藍(lán)牙散射網(wǎng)是自組網(wǎng)的一種特例。其最大特點(diǎn)是可以無(wú)基站支持，每個(gè)移動(dòng)終端的地位是平等的，并可以獨(dú)立進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的決策，其建網(wǎng)靈活性、多跳性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化和分布式控制等特點(diǎn)是構(gòu)建藍(lán)牙散射網(wǎng)的基礎(chǔ)。

　　圖3藍(lán)牙散射網(wǎng)實(shí)例