（通信与信息系统专业论文）蓝牙网络带宽容量分配策略的仿真研究.pdf

磺瘩交通大学磺士硒究生学缘论文第1 页 摘要 蓝牙怒释工 乍在2 4 g h zi s m 频段能无线个人域掰( w p a n ) 技术。它能建立a dh o c 网络，即微微网，并支持同步业务传输， 如语音，以及异步的数据通信。 - 蓝雾与其恁无线技术不嚣，它采爱嚣分黻工( t d d ) 方式楚褒 传输时隙，以避免冲突。在蓝牙微微网中，个m a s t e r 节点最多 控制7 个处于活动状态的s l a v e 节点，这就懑味着微微闽中存在1 4 条不同豹键路。设备静调度器，龙其是m a s t e r 节点弱调度器，爨 责所有的传输命令。豳托，调度策略会影拣微微网的鼯络性能，辩 延迟、吞吐基等。目前，蓝牙设备的调度器使用轮询策略来为不同 链路分配时隙。在本文中，作者提出了一种撼于优先级的容量分配 方案，m a s t e r 节点霹叛选替霞先缀蹇魏s l a v e 节煮终为簧先轮壕靛 对象，为之分配时隙。这种方案主要用于处理e x p o n e n t i a l 、e x p o i p 业务，以提高微微网的网络性能。另外，作者在仿真环境中增加了 蓊豹业务模型，如c b r 业务、e x p oi p 照务，以便分謇厅不同业务 模型下的箍牙网络憾熊，并避步研究采翳不同照努攘墼对c a p 方案的影响。 全文结构如下：端1 章介绍论文的基本思想、研究嗣的与意义、 论文豹蒸零结药。蘩2 拳分绍蕊牙菝零，黪嬲是蓝矛麓络豹莛羚终 构。第3 帮则定量分析蓝牙网络的容量，并对微微网以及散射网作 了简单的仿真分析。在第4 章中，作者阐述了新增的业务模型以及 掰提出了錾于优先级豹窖量分醚方案，并绘出了撩关的仿真分攒。 最后，总结全文，菇麓未来工 乍方向。 关键词：蒎牙，微微网，散射网，容量( 带宽) ，性能，仿真 a b s tr a c t b l u e t o o t hi sar a d i o t e c h n o l o g y f o rw i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k i n g ( w p a n ) o p e r a t i n gi n t h e2 4 g h zi s mf r e q u e n c yb a n d a n db l u e t o o t hc a ne s t a b l i s ha 鑫h o cn e t w o r k s c a l l e dp i c o n e t s i tc a n s u p p o r t b o t h s y n c h r o n o u st r a f f i c s u c ha s v o i c e ，a n da s y n c h r o n o u s d a t ac o m m u n i c a t i o n u n l i k em o s tw i r e l e s st e c h n i q u e s ，b l u e t o o t hu s e st i m ed i v i s i o n d u p l e x ( t d d ) t oa r r a n g et h et r a n s m i s s i o ns l o t s s ot h a ti tc a l la v o i d t h ec o l l i s i o n i nab l u e t o o t hp i c o n e t ，am a s t e rn o d ec o o r d i n a t e su pt o s e v e na c t i v es l a v e n o d e s ，w h i c hi m p l i e su p t of o u r t e e nd i f f e r e n t a c t i v el i n k s ，t h es c h e d u l e r so ft h ed e v i c e s ，e s p e e i a l l yt h eo n ei nt h e m a s t e r n o d e ，a r e i n c h a r g e o fa l lt h et r a n s m i s s i o n d i s c i p l i n e s t h e r e f o r e ，t h ep o l i c y o ft h es c h e d u l e rw i l la f f e c tt h en e t w o r k p e r f o r m a n c eo f t h ep i c o n e t ，s u c ha sd e l a ya n dt h r o u g h p u t c u r r e n t l y t h eb l u e t o o t hs c h e d u l e ru s e sar o u n dr o b i np o l i c yt od s t r i b u t et h e s l o tsf o rd i f f e r e n tl i n k s i nt h i st h e s is ，w e p r o p o s e a c a p a c i t y a s s i g n m e n tb a s e do np r i o r i t y ( c a p ) s c h e m ew h e r e b y t h em a s t e rn o d e m a yc h o o s e t h es l a v en o d ew i t ht h e h i g h e s tp r i o r i t y a st h ef i r s t p o l l i n go n et od i s t r i b u t et h es l o t s t h i sp r o p o s e dm e c h a n i s mm a i n l y d e a lsw i t ht h e e x p o n e n t i a l ，e x p o i pt r a f f i c s oa st o i m p r o v et h e n e t w o r kp e r f o r m a n c eo ft h ep i c o n e t i na d d i t i o n ，w ea d ds o m et r a f f i c m o d e l s ，s u c ha sc b r ，e x o p i p ，t ot h es i m u l a t i o nc i r c u m s t a n c es ot h a t w cc a na n a l y s et h ep e r f o r m a n c eo fb l u e t o o t hw i t hd i f f e r e n tt r a f f i c m o d e l sa n df u r t h e rr e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo nt h ec a ps h e m ew h i l e a d o p t i n gt h ed i f f e r e n tt r a f f i cm o d e l s t h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h eb a s i ci d e a l o ft h e s i s ，i n t e n ta n ds i g n i f i c a t i o no ft h es t u d y ，t h es t r u c t u r eo ft h i s t h e s i sa r ei n t r o d u c e d ，c h p a t e r2g i v e sa l lo v e r v i e wo ft h eb l u e t o o t h t e c h n i q u e ，e s p e c i a l l y t h eb l u e t o o t h t o p o l o g y ，w h i l ec h a p t e r 3 迷u 8 n t i 8 t i v e l ya n a l y s e s t h eb l u e t o o t h c a p a c i t y a n d g i v e ss i m p l e 8 i m u i a t i o r l so fp i c o n e ta n d s c a t t e r n e t c h a p t e r 4d e s c r i b e so u r p r o p o s e dc a p a c i t ya s s i g n m e n tb a s e do np r i o r i t y ( c a p ) s c h e m ea s w e l la st h en e wt r a f f i cm o d e l s r e l a t e ds i m u l a t i o nw o r ki st h e ng i v e n i nt h i s c h a p t e r f i n a l l y t h i st h e s i si s c o n c l u d e da n df u t u r ew o r ki s p r o p o s e d k e y w ord s ：b l u e t o o t h ，p i c o n e t ，s c a t t e r n e t ，c a p a c i t y ( b a n d w i d t h ) ， p e r f o r m a n c e ，s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 论文背景 第1 章绪论 随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展，人们越来越迫切 需要发展一定范围内的无线数据与语音通信。手机、掌上电脑、手 提电脑、数码相机、打印机、调制解调器、键盘在现代人的生活 中，越来越多的电子设备已经进入了人们生活的每一个角落。人们 无法想象，如果没有了这些现代通信设备，人们将如何工作和生活。 现代电子设备在给人们带来无与伦比的效率与方便的同时，也 给许多人带来了麻烦：每台电脑的背后都是一大堆各种各样的接口， 各种各样的线缆通过接口将各种各样的设备连成一个系统，对非专 业人士来说，正确的连接每件设备，已经成了一个难以应付的挑战。 如何减免繁杂的连线过程，实现方便快捷的数据、语音通信与信息 交换，已成为当前人们最关心的问题之，也是网络通信发展最迅 速的领域之。如果有一个新技术声称，只要在每台机器中植入一 块芯片，各种设各就可以互相通信、交换数据，再也不需要那一大 把一大把的电缆，再也不需要辨别什么并口、串口、u s b 等等让人 莫名其妙的接口，这种技术就一定会受到用户的欢迎，一定有市场。 在当今的计算机工业和通信工业里，非公开性的新技术很少能 够成功，因为消费者更愿意购买和使用那些符合工业标准的技术产 品。在公平竞争的氛围下，标准赋予消费者更大的自由度，可以比 较不同的操作平台及解决方案，从而保障因技术改进所带来的投资 回报，在改进技术标准的同时均衡公司间的技术水平和管理结构。 正是在这种工业大环境下，以爱立信为首，由五家i t 界巨人爱 立信、t o s h i b a 、i b m 、i n t e l 和n o k i a 于1 9 9 8 年5 月共同提出 了一种近距离无线数字通信的技术标准，旨在创立一项软、硬件结 合的公开规范，为所有不同设备提供具备互操作性、可交叉开发的 工具，这个工具便是蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 。此后，微软、3 c o r n 、朗 讯( l u c e n t ) 和摩托罗拉( m o t o r o l a ) 加入进来，成为“蓝牙特别利 益集团”( s i g ：s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 的9 个领导成员。目前，加 盟的公司已超过2 5 0 0 个，其中包括许多世界著名的计算机、通信、 瓣巍交通大学磁士硒突生学位论文蓦2 页 家电业厂商以及汽车、照相机制造商。1 9 9 9 年7 月，簸牙s i g 公布 了正式规范1 0 版本。 蓝牙技术自提出以来，在短短几年对阈星已风靡全球。许多企 业已推出了蓝牙芯片袋模块、蘩牙平台、疲蕊程序、灏试设备等产 品。 客观地说，蓝牙采用的技术中有些并非是当前该领域最先进的 技寒。菱矛豹曩标是全球通用、价格低壤、结稳紧凑，因姥它著不 强调技术豹先进懂。魄弼纠错编粥方式，蓝牙采焉静燕l ，3 率的重笈 码、2 3 辩的汉明码，而没有采用相同编码速率的卷积码、t u r b o 码或其他鞭先进的编码方式。作为用户，总希望使用的产品所采用 的技术越先进越努，嚣对援范实现者秘产菇嶷产亵面畜，总希望产 品的制造成本越低越好。 蓝牙设备工作频段为全球通用的2 4 0 2 2 4 8 0 g h zi s m ( 即工业、 科学与医疗) 频段，并在频带上划分出7 9 个带宽1 m h z 的频率信道， 阻t 秒镑矮浃援换 6 0 0 次痿遂( 每秒镑1 6 0 0 虢) 熬遮疫寒进行数 据收发。藏基本的蓝牙网络结构称为微徽嘲( p i c o n e t ) ，由一个主设 备( m a s t e r ) 和不超过7 个的从设备( s l a v e ) 组成，备设备共事同 一个信道。且多个微微网又组成个散射网( s e a t t e r n e t ) ，散射网中 瓣予多令徽激霹懿设务瓣为辑莰套( b r i d g e ) 。 蓝牙网络的典型通信距离仪为1 0 m ，最大可瘸带宽也只裔 1 m b i t s ，而在非对称通信中则降低至7 2 1 k b i t s 。这种娥距离、低带 宽特性决定了它只能用于短距离的通信环境中。 1 2 研究内容与目的 。2 ；1 察量竭题戆攫出 尽管蓝牙是个全球开放的标准，但它仍然存在些未解决的 问题，如路由协议、散射网的构成以及调媵算法等。在蓝牙规范 中，由m a s t e r 为微徽阏中的每条链路分配带宽容量也怒一个未解决 的遗餐润趱。篱擎来说，蓝矛阏络串容量分辩就是m a s t e r 逶遘轮游 或其他方式在微微网内部进行业务的调度，并决定s l a v e 之间的容 量分配方式。容量分配是散射网构成算法和调度算法之间的一个避 嚣零交逶大学磺圭聚突生拳傻论文篝3 贾 接性协议，人们希望通过容量分配问题的解决能够促谶各种不同技 术的发展，并从而改善散射网构成算法。 与移动遥售霹一攒，蓝牙嘲终熬繁宽姿源也是菲鬻珍褥静资源， 带宽资源能高效使用与管理可戳驻著提高网络的性能。通信阏中的 带宽( 容凝) 分配研究旨在找到最佳可能的链路带宽集合，以满砖 网络业务的需求，在保证o o s 情况下同时又能降低某些性能指标( 如 浚量开销、乎均对燕簿) 或提瑟一些其缝链熬( 鲡弼终浚藿等) 。 目前，关于蓝牙鞘络的研究主要集中程微微两内部和微徽网之 间的调度问题以及散射网的组成问题，至于散射网内的容量分配则 研究甚少。据作者所知，现在的大部分容擞分配模型都主要致力予 处理静态懿络，在这耱翅终中，每一层魏镶爨容量黎蛩考瘩至l 戏本 的消耗，但是蓝牙却并不是一种有线的静态网络，因此其中的容熬 分配问题黹要采取与此不同的解决方法。z u s s m a n 等夜 2 中对蓝牙 网络的容照分配问题进行了初步研究，提如了一手中溉进式算法 ( h e u r i s t i ca l g o r i t h m ) ，这穗冀法院最霞算法( o p t i m a la l g o r i t h m ) m ( 最优髀法与流量偏差算法相似) 的复杂度要低，但怒性能却接j 眨 于最优算法。由于资源分配的优化是一个非线形问题，l et h a n hs o i l 等在f 3 1 中采用凸形优化( c o n v e xo p t i m i z a t i o n ) 算法寐阐明网络资 添懿分酴阉题，捷滋了一耱混合分布式迭代容量分配方案( h y b r i d d i s t r i b u t e d i t e r a t i v ec a p a c i t ya l l o c a t i o n ) ，解决了各节点的容量分配过 程，在保i 难q o s 条件下提升了网络流量。此外，m c h i a n g 等人在 4 】 中颈究了囊组网中的资源分配闽越，所提撼豹算法在探谨能量、中 断率以及数据速率酌q o s 条俘下撬高了整个溯络鲍吞l 蒎量。 蓝牙散射网拓扑结构可以有多种组成方式，它会极大地影响网 络性能。例如，只有少数桥设备的分散拓扑结构会导数桥设备的瓶 颈效应，黼青诲多掇设冬豹密黛强羚结构刘会造或援设釜带竟资源 的浪费。瓷给定的辐羚结梅中，灞到端的吞畦量决定妲务量的大小， 它提供了个估计散射网容量的度量标准。 。2 ，2 仿寞工吴+ 目前，已经有许多支持网络仿真的工爨软件，每个软件根据篡 发展目的而各具特色，n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r2 ) 便是其中之一。 n s 2 p ，j 怒免费豹愚予潮终研究的离敖事传傍真器，在u n i x 平台上 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 开发，目前的最新版本是n s a l l i n o n e 一2 2 6 。n s 2 提供有线网络和无 线网络的仿真环境，并对t c p 、r o u t i n g 、m u l t i c a s tp r o t o c o l 有高度 的支持。 蓝牙网络的仿真工具一般都是采用在n s 2 基础上扩展的 b l u e h o c 【8 】平台。这个平台是由i b m 的k u m a r 所开发的，它提供了 蓝牙网络的仿真环境，用于蓝牙网络的微微网研究。用于蓝牙网络 散射网研究的扩展平台目前包括b l u e s c a t ts 】以及b l u e w a r e 【”】两种，两 者都是在b l u e h o c 上扩展的平台，本文散射网的仿真研究所采用的是 b l u e s c a t 平台。 b l u e h o c 仿真平台 b l u e h o c 有1 0 、2 0 、3 0 三个版本，它提供了一个图形接口， 用户可以通过它来代替编写脚本语言对各个蓝牙节点进行配置，如 配置仿真时间、各节点的业务类型、查询间隔、t r a c e 文件类型等， 如图1 1 所示。 图1 1b l u e h o c 图形接口 匿南交道夫学硕士研究生学位论文第s 页 但是尽管b l u e h o c 提供了这样简洁、方便的仿舆界面，在这个图 形接霸中仍然存在许多缺点，霜户不憝驮它懿输出中褥到楚会蓬牙 t r a c e 文件捂式鹣有用信息。强此，为煞正确的分轿蓝牙仿真结果， 一般还是采用脚本方式来建立蓝牙的拓扑结构。 另外，b l u e h o c 所着重的是在网络拓扑确定后的问题，例如：网 络摇羚确定后静连接建立、q o s 协蠢、t c p i p 等，并不支持躅络接 卦酌形成研究。此外，由于b l u e h o c 仍我发展阶段，许多功能并不完 善，如：单一的业务流程控制、静止的仿真环境以及缺乏上层的q o s 协商等等。 - b l u e s c a t 仿真平台 由于b l u e h o c 只支持微微网的仿真，这对于谶牙的研究近远不 够，圜此需要褒此基础上利用b l u e s c a t 进行散射网的仿真。 内弓二蓬矛畿蓬中荠没鸯黠鼗蘩瓣终缝疆及协议避行藏范，嚣是 给予开发者自由开发的机会，因此b l u e s c a t 的开发远邋不及 b l u e h o c ，它目前只有o 6 版本的存在，而且不支持任何图形接口。 但是，尽管b l u e s c a t 撼供了散射湖盼仿真环境，但实际上它并 没菊完善瓣调发策喀，褥设备在各个徽徽鼷之润蠢基建遗雩亍穗换， 并且，b l u e s c a t 并没有改进b l u e h o c 单业务模式以及业务流向的缺 点，两个微微网之间不能进行通信。 麓言之，为了能迂蓝牙嚣续翡磷究王捧戆鞭餐l 遗行，臻酚段蕊 b l u e h o c 以及b l u e s c a t 仍嫌不足。本文希望在现有錾础上建立一个更 为完蒋的仿真平台，如增加疆多的业务模式、提供双向业务以实现 微微网之间的通信等。 1 3 论文结构 本文详绍贪绥了夔矛楚终静援羚缨擒鞋及魏男霹终懿镰鼹售 输，对蓝牙网络的容量进行了定量分稀，给出了键路的容量祭件， 并进一步阐述了菔牙网络的容量分配问题。为分析蓝牙网络的基本 性能，本文利用麓牙网络的仿真平台b l u e h o c 、b l u e s c a t 对微微网和 鼗懿溺分澍进嚣了绩真分援。整终，本文在蓝牙辏囊乎台上耨增了 亘蜜窒逼大学硕士研究生学位论文第6 页 两种业务类型：c b r 以及e x p o i p ，并通过仿真，分析比较了蓝牙 网络在三种业务类型一一e x p o e n t i a l 、c b r 以及e x p oi p 下的性能。 在此基础上，提出了一种在微微网中基于优先级的容量分配方案， 优化了e x p o e n t i a l 、e x p oi p 业务的网络性能。 本文第一章介绍了论文的背景、研究内容与目的、论文的基本 结构。第二章介绍了蓝牙网络的协议栈和拓扑结构，并与i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 进行比较，进一步阐明了蓝牙网络广泛的应用前景。第三章 阐述了蓝牙网络的链路传输，并定量分析蓝牙网络的容量，而且仿 真比较了蓝牙微微网和散射网的性能。在第四章中，新增了两种业 务类型：c b r 以及e x p oi p ，仿真分析比较了蓝牙网络在三种业务 类型一一e x p o e n t i a l 、c b r 以及e x p oi p 下的性能。在此基础上，提 出了一种在微微网中基于优先级的容量分配方案。论文最后总结全 文，并提出了未来的工作方向。 噩亩童通盘学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章蓝牙网络 “蓝牙”名称的由来众说纷纭，比较权威的解释是：这个称呼 来自公元1 0 世纪丹麦的一位国王v i k i n g 的绰号一一b l u e t o o t h 。这位 国王将当时的瑞典、芬兰与丹麦成功地统一了起来。今天用他的名 字来命名这一新技术标准，显然含有将计算机行业、通信行业、家 电行业等各自为战的局面统一起来的希冀。 蓝牙这种全新的无线数据交换技术，使各种电子设备与家用电 器融为一体，将给人们的生活和工作带来全新的感受。 2 1 蓝牙技术简介 蓝牙是一种低功耗的无线技术，目的是取代现有的p c 、打印机、 传真机和移动电话等设备上的有线接口。它的主要优点是可以随时 随地用无线接口来代替有线电缆连接；具有很强的移植性，可以应 用于多种通信场合，如w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 、g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 等；功耗低，对人体危 害小；蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，易于推广。 蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放标准，它以低成 本的近距离无线连接为基础，构成固定与移动设备通信环境中的个 人网络，使得近距离内各种信息设备能够实现无缝资源共享。 蓝牙设备工作在全球通用的2 4 g h zi s m 频段，数据速率为 1 m b i t s 。为了保证在嘈杂的无线环境中安全可靠地工作，蓝牙特别 设计了“快速确认”和“跳频”方案以确保链路稳定。与其他工作 在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙系 统比其他系统更稳定。在理论上，这种跳频每秒为1 6 0 0 次，系统有 7 9 个频率信道。 蓝牙技术传送三种功率类型：1 0 0 m w 、2 5 m w 和l m w ，其对应 的辐射距离分别为1 0 0 m 、1 0 m 和1 0 c m 。 蓝牙技术目前主要以满足美国f c c 要求为目标。对于在其他国 家的应用，需要做一些适应性调整。蓝牙1 0 规范已公布的主要技术 指标和系统参数如表2 1 所示。 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数 工作频段j s m 频段：2 4 0 2 24 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率1 m b l t s 非同步信道速率非对称连接7 2 1 k b i t s 、5 76k b i t s ；对称连接：4 3 26k b i t s 同步信道速率6 4k b i t s 功率美国f c c 要求小于0 d b m ( 1 m w ) ；其他国家可扩展为10 0 m w 跳频频率数7 9 个频点m h z 跳频速率 16 0 0 次秒 工作模式p a r k | h o l d f s n i f f 数据连接方式面向连接业务s c o t 无连接业务a c l 纠错方式1 3f e c ，2 3f e c ，a r q 鉴权采用反应逻辑算术 信道加密采用0 位、4 0 位、6 0 位加密字符 语音编码方式连续可变斜率调制c v s d 辐射距离一般可达10 m ，增加功率情况下可达10 0 m 蓝牙规范的核心部分就是协议栈。这个协议栈允许设备定位、 互相连接并彼此交换数掘，从而在蓝牙设备之间实现互操作性的交 互式应用。 蓝牙规范在其协议栈中采用分层结构，分别完成数据流的过滤 和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数 据分段与重组、服务质量( q o s ) 保证、协议的复用和分用等功能。 在设计协议栈( 特别是高层协议) 时的原则就最大限度地重复使用 现存的协议，而且尽管不同协议栈对应不同的应用，其高层应用协 议都使用公共的蓝牙数据链路和物理层。完整的蓝牙协议体系结构 如图2 1 所示。 a d o p t e j p r o t o c 0 1 b i u e t o o t hc o r cp r o t o c o l +“i “ v c a = r d v c a l w a e 训印班严 “0 1l o b e x i jw a p ja t c o m d slt c sb i n1s d p u d pit c p i i p i 【 l p p p c a b l e fe p l a c e m e n tp r o t cz o l ； r e c o m m i a u d i oi 1l2cap i 。 i f日 h o s tc o n t r o l l e ii n t e r f a c e i l m p 【 | b a s e b a n d 卜_ b l u e t o o t h q d j o i b 1u e t o o t hr a d i0 ：蓝牙无线电 l m p ：链路管理协议 l 2 c a p ：逻辑链路控制和适配协议 b a s e b a n d ：基带 h o s tc o n t r o l l e ti n t e r f a c e ：主机控制器接1 3 a u d i o ：音频 r f c o m m ：串行电路仿真协议p p p ：点到点协议 u d p t c p i p ：用户数据报传输控制协议，互联网协议o b e x ：目标交换协议 w a p ：无线应用协议w a e ：无线应用环境 a tc o m m a n d s ：a t 一命令 t c sb i n ：二元电话控制规范 s d p ：服务发现协议 图2 1 蓝牙协议栈 蓝牙协议体系可以分为如下四层： 核心协议：基带( b a s e b a n d ) 、链路管理协议( l m p ) 、逻辑 链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( s d p ) ： 替代电缆协议：串行电路仿真协议( r f c o m m ) ； 电话控制协议：二元电话控制规范( t c sb i n a r y ) 与a t 一命 令( a t c o m m a n d ) ； 选用协议：点到点协议( p p p ) 、用户数据报传输控制协议 互联网协议( u d p t c p i p ) 、目标交换协议( o b e x ) 、无线 瑟赛窒壅塞堂臻圭登塞皇燮建造奎菱! 登薹 应用协议( w a p ) 、无线应用环境( w a e ) 、v c a r d 、v c a l 、 红外移动通信( i r m c ) 。 羧上述魏l 议层癸，怒范还定义了主捉控测器接嚣( h c i ) ，它为 基带控制器、链路管琏器隧及访滴硬件状态帮控制寄存器等提供命 令接口。在图2 1 中，h c i 层位于l 2 c a p 之下，但是宦也可以位于 l 2 c a p 之上。 由予麓牙按术已瑟澎失久翻黪熬悉，本文穗不霉赘述薤牙懿按 议栈细节。 2 。2 蓝努潮络拓季| 、结构 蓝牙系统支持两种网络连接：点对点避接和点对多点连接，避 样就形成了两种网络拓扑结构：微微网( p i c o n e t ) 和散射网 ( s e a t t e r n e t ) 。 在任意一个有效遴信范圈内，麓有没螽懿建霞都楚平等豹。罄 先提出通信要求的设铸称为主设备( m a s t e r ) ，被动进彳亍通信的设备 称为从设备( s l a v e ) 。 在一个微徽网中，只有一个m a s t e r ，最多支持7 个处于活动状 态的s l a v e 与m a s t e r 建立逶荣。m a s t e r 嘉不簿弱蔬额滓列来谈鬟繇 个s l a v e ，并与之通倍，m a s t e r 能直接与s l a v e 进行通信，但s l a v e 之间却不能直接通信，必须经由m a s t e r 进行数据的发送和接收。 蓝牙微徽网 三l 一耱特殊的方式形或，不依赖于蜂窝喇络中的熬 站或w l a n 等设备的专门支持，设备之间霹骏透过查诲方式福互邋 信。基带协议建立了规则，按照这些规则建立了一些特殊连接，设 备以同等方式相互通信。 擞徽潮中逶壤臻道豹懿频垮鞠是强徽徽越豹魏夔枫疼到来定义 的，每个微微网信遂的跳频序列互不相同。由于徽徽黼中数据传输 的跳频特性，同一聪域可以同时存在多个在时间和空间上部分或完 全重叠的微微网，游千个微微嗣就形成了一个散射网。散射网中， 每令徽徽潮套垂己懿主荸元，虢频摩列撩嫩独立。磊个微墩网憝虢 频序列和状态由各自的m a s t e r 决定。 当设备成为散射网的成员尉，便可以在多个微微网中进行内部 通信。一个微微网的m a s t e r 通道呼叫，可以使其他微微网的m a s t e r 鬻壹奎鋈盔堂避圭墅塞尘塞蕊鎏窒蔓! ! 垂 或s l a v e 成为这个微微网中的一个s l a v e 。所以在散射阚中，一个蕊 牙设备可以属于一个戚多个微微嗣，这种设备称为桥设餐( b r i d g e ) ， 惶m a s t e r 只戆存在予一个激徽弼中。矮设务骞嚣令 睾麓，一个是充 当m a s t e r s l a v e 角色；另一个是充当s l a v e s t a v e 角色。由于发起呼 叫的设备总是一个微微网中的m a s t e r ，所以在需要的时候会发生主 从角色的切换。 蓝牙徽徽曩疆及数袈稠缝稳魏鹫2 2 瘊示。 任蕊牙设备谯微微网和散射网中，既可作m a s t e r 又可作 s i a v e ，还可同时兼作主从设备。因此，它烧典型的无中心网络，舆 有自然灵活的组网方式。实际上，蓝牙节点可以用来组建a d h o e 网 终m ，蘸矛按术是a d h o c 霹中的一令主滚技零。徽徽麓舞羚续稳藏 是一种最简单的单跳a d h o c 结构，而微微网通过桥设备互连，可以 形成多跳的a dh o c 网络，也就熄蓝牙的散射网结构。蓝牙网络具商 a dh o c 的特性，各个设备可以方便的进入秘离开网络，不需要额夕 弱瓣络酝嚣。 踅2 - 2 蓥雾阙终菝羚绫掏 目前，商业中使用的大多数无线通信系统都是基于种蜂窝式 的结构，萋站和终端设备之间，其角色和任务分配有严格的区分。 瓣褰交遘夫攀矮士袋究生孥位论文第1 2 茭 相反，作为个真正的a d h o e 网络，各无线单元之间威该不存在任 何差别，即没有明显的基站和终端设备之分。所谓a dh o c 连接就魁 基于对等遴信，释不存在与毒线嬲终连接鹃鏊筵设戆寒支持各耪馁 携式设备之闻的连接，也不存在移动交换中心参与建立各个徽徽黼 彼此间的潦接，并支持彼此间通信的协调。与以前所提出的a dh o c 连接不同的是，通过簸牙特有的散射网结构，可以有大爨的 连接鞠残麴微鼗网在阉一令区域囊共存，它们被我闺可敬重a 叠d ，h 毽o e 又相互独立。 在蓝牙网络中，信息传输使用时隙，蓝牙的物理倍道被划分为 长度为6 2 5 9 s 的时隙。时隙依据微微网主设锯时钟来编母。时隙号区 域为0 2 27 。l ，在各时潦中，m a s t e r 彝s l a v e 郝毙莛浚分组。m a s t e r 采用偶数时隙号进行信息传输，黼s l a v e 则袋用奇数时隙号进行信患 传输。 蓝牙规范对微微网的拓扑结构以及微微网内豹通倦有详细的讲 解，僮浅来对蓝雾徽徽瓣之闲载遴售耪基予蘸牙魏a d h o e 两终魏形 成等内容，也就是指散射网，做出具体描述，这是一个开放的问鼷。 微微网是麓牙网络中煅基本的网络结构，但对散射网而言，无论熊 拓拎结孛勾还是其内部徽微网之间的通信，都远比微微阚要复杂，弼 且更葵交诧； 瑟灵活镶。因魏蓝牙s i g 未对毅菇弼进行激范，瑟是撼 这个发展空间留给了各个开发赣，使其根攒自身产品需求或研究性 质，自由开发应用。 2 3 蓝牙网络与i e e e 8 0 2 1 1w l a n 无线个人域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 【l4 1 戆 当蔻发震袋迅速的镞域之一，捆痖豹薪技术氇屡出不穷。蓝牙 乍为 一种小藏闰无线连按技术，能够在设备阀察蕊方便快捷、灵活安全、 低成本、低功耗的数据和语音通信，是目前实现w p a n 的主流技术 之一。同时，蓝牙系统以a d h o c 的方式工作，每个蓝牙设备都可以 在丽络串实凌薅由逡铎豹功链，毒激形或移动耋组织潮终。蓝矛瓣 特性在许多方面正好符台a d h o c 和w p a n 的概念，显示其宾正的港 力所在。 为了用蓝牙技术实现a d h o c 或w p a n ，蓝牙s i g 难在加强蓝牙 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 功能以提供更好的网络支持。其中一个关键且必须的特性就是能够 非常有效的承载i p ，可以传进、传出以及在w p a n 中交换i p 包。 目前w p a n 的技术中，主要有工作在2 4 g h z 频段上的 i e e e 8 0 2 1 1 ，h o m e r f ，另外还有红外技术。本节将主要对i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 与蓝牙技术进行比较。 在做比较之前，有必要了解一下蓝牙网络与i e e e8 0 2 1 1 w l a n ( 以下简称8 0 2 1 1 b i l 5 ) 各自的应用范围。8 0 2 1 1 的通信距离室内为 l5 15 0 m ，室外为3 0 0 m ，提供2 m b i t s 的带宽，而8 0 2 1 1 b 提供高 达1 1 m b i t s 的带宽。如果考虑m a c 层中的带宽损耗，r t s 包的冲突 等问题，这两者的实际可用带宽容量就分别为1 7 m b i t s 和9 4 m b i t s 。 因此8 0 2 1 1 b 适用于相对较长距离a dh o e 网或基础设施网络中，当 然，它也可用于短距离通信中。至于蓝牙网络，其典型通信距离仅 为10 m ，最大可用带宽也只有1 m b i t s ，而在非对称通信中则降低至 7 2 1 k b i t s 。蓝牙网络的短距离、低带宽特性决定了它只能用于短距离 的室内网络中。 尽管蓝牙网络的可用带宽很少，但由于它不是采用共用信道， 而是每个微微网采用不同的信道，因此，在散射网中的可用带宽就 相当于是几个微微网带宽之和。与此相反，8 0 2 。1 1 b 使用单个信道， 在短距离情况下，每个节点都在彼此通信距离内，c s m a 协议的使 用降低了带宽的利用率。而且，随着通信节点的增加，其可用带宽 会显著下降。 很明显，在短距离应用情况下，蓝牙网络比8 0 2 1 1 b 更可靠。但 是，蓝牙网络的低带宽还是制约了它的竞争能力，不过，在成本方 面有它的优势( 蓝牙芯片的成本几乎是8 0 2 1 1 b 无线网卡的十分之 一) 。最近，美国联邦通信委员会( f c c ) 把蓝牙网络的跳频从以前 的1 m h z 提高到1 0 m h z ，这将减少蓝牙网络和8 0 2 1 1 b 之间的差距， 提高蓝牙网络使用的竞争力。 蓝牙网络与8 0 2 1 1 b 的特性比较如表2 - 2 所示。 总的来浼，i e e e 8 0 2 1 1w l a n 比较适合于办公室中的企业无线 网络，而蓝牙技术则能够应用于任何可以用无线方式替代电缆的场 合。目前这两个技术还处于并存状态，但是有可能引起干扰等问题， 从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合，而其中 最有竞争力的就是蓝牙技术。 瓣簿交遵失学磺士聚突生攀继论文繁】4 页 表2 - 2 蓝牙网络与8 0 2 1 l b 特性比较 蓝牙丽络8 0 21 1b 用途氟距离蠢线遥痿或w p a nw l a n 芯片成本$ 85 ( 目虢) ，$ 5 ( 最终成本)$ 3 5 5 0 比特率1 m bj t s1 皇m b i t l s l 55 】m b j r s ( 8 0 2 】b ) 传输距蒿1 0 r o t l 0 0 m ( 将来)15 i5 0 m ( 室内) ，3 0 0 m ( 室外) r f 辕窭功攀l r o w 1 0 0m w ( 将来)1 w ( 菱雪) 1 1 0 0 m w ( 致濒) 使用4 w 电池使用4 0 w 电池 功率消耗擞 1 m w ( 传输状态)2 8 0m w ( 传输状态) 0 3 3r l l w ( “睡眠”状态)15m w ( “睡眠”状态) 2 4 蓝牙网络的应用 薤牙瓣范中定义了“霹络谈入点”耱穰念，它允许台设备遴 过蓝牙网络接入点来访问网络资源，例如访问l a n 、i n t e r n e t 和基予 l a n 的文件服务和打印设备。而且，这种网络资源不仪可以提供数 据韭务照务，还可以提供无线语蠹业务服务，甚至提供强象传输服 务。 在公效场所，例如购物、娱乐场所、飞机场，甚黧游弋的轮船 上，蓝牙网络都可以提供如下的“增值”服务：建立个虚拟的商 韭享，撬供诸如垃羹、建图、纾攫和方淘等蠢关亵家帮瑕务设施熬 信患：广疆广告和商家的优惠信息；俸绞潦子位置酶羧入骚务：簸 视公共熬础设施；预定休闲场所、即时付费等活动。 在半公开场合，侧如旅店、办公室、校园等，利用蓝牙网络， 旅游者哥以塞动嚣费、无线接入i n t e r n e t 或英公司豹内郏疆；公司职 员即使奔走于各楼滕之闯，也能及时获取傣息并方便的与各静办公 设施相连。 在私密的临时漩场台，咨询公司或房地产经纪公司往往需要根 据客户熬要求，在獒客户戆办公遮熹工俸蘸当长豹一敬簿阗，建立 一个蓝牙网络既可强节省费用，又可以不增加客户的负担，相当予 一个功能齐全“虚拟办公室”。 汽车以及汽车枢关的服务行业，是支撑各国( 特别是发达国家) 查壹窒鋈杰兰塑圭叠蒌笔兰堡鲨奎董! 要薰 经济发展的重要支柱。汽车行业的巨头，例如b m w 、福特、沃尔沃 瞄及事弼等，都醺艇入到蓝牙s i g 组织中，寻求蘸矛在汽车环壤下 可铯豁应臻模式：停车场付爨、汽车检修、建立僖怠站向汽车辱簸 系统传输交通信息、公交、出租汽车管璞等等。 个人域网( p a n ) m 】是个人通信系统( p c s ，p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o ns y t e m ) 躲璧嚣缝残部分，嚣蓝芽掖术可以连羧多拿 设备，这就可以搬用户身边的设备都连接起来，形成一个个人域网。 采用无线连接方式的个人域网就是w p a n 。w p a n 主要应用于个人 便携式的数码设铸之间以及与相邻人士的设备实现互动。蓝牙是实 褒w p a n 戆主浚技术。爨始，一令记髫只要携豢上一台毒鍪懿数羁 摄像枫，一台笔记本计算机和一部3 g 躐p h s 手枫，就能完成一次 图文并茂的独家现场报道：用数码摄象机拍摄现场，并将图像同步 传输黧笔记本计群机中，用计算机对图像进行处理，并加入说明文 字，蠢穆诗算撬鲶理过熬囊泰图像拳文字逶过手瓿发送霪蒙鬻中- ， 传输豹内容就可以立即出现程电视屏幕上。如果怒一群入聚集在一 起，通过各自携带的数码设备形成的w p a n ，就可以自由自在的一 起玩游戏、交流信息和共享资源。 第3 章蓝牙网络的带宽容量分析及性能仿真 本章在介绍蓝牙网络链路传输的基础上，对蓝牙网络的容量进 行了定量分析，给出了链路的容量条件，并进一步阐述了蓝牙网络 的容量分配问题。此后，利用蓝牙网络的仿真平台b l u e h o e 、b l u e s c a t 对微微网和散射网分别进行了仿真，分析了两者在吞吐量、延迟和 报文丢失三方面的性能。 3 1 蓝牙网络的链路传输 在前面已经提到，蓝牙网络中容量分配就是m a s t e r 通过轮询或其 他方式在微微网内部进行业务的调度，并决定s l a v e 之间的容量分配 方式。容量的分配