（电路与系统专业论文）一种考虑了SCO链路的蓝牙微微网轮循调度策略[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 一种考虑了s c o 链路的蓝牙微微网轮循调度策略 专业：电路与系统 硕士生：孟庆福 指导教师：黄晓副教授 摘要 r o u n d r o b i n 是目前主要使用的蓝牙微微网调度算法，存在着时隙利用率、 时问延迟与公平性差等缺点，并且这种传统的调度算法并没有考虑到s c o 链路的 影响。实际上，由于蓝牙技术广泛应用于语音传输场合，在一个蓝牙系统中，经 常会出现一条甚至是多条的s c o 链路。s c o 链路的出现对蓝牙系统的调度影响 是很大的，虽然它不参与调度，但是为s c o 保留的时隙却给a c l 链路的调度造 成很大的麻烦，本文主要论述的是如何在蓝牙设备组成的微微网中进行合理调 度，从而提高数据传输效率的问题。在当今蓝牙设备使用曰益广泛、蓝牙网络拓 扑结构只益复杂的情况下，蓝牙网络规模变得越来越庞大，丽每个微微网中最多 有七个蓝牙设备，无论是网脚还是网内的调度，都不能简单的采用轮询调度，这 将使效率上受到很大的影响，而且蓝牙系统采用主结点驱动半双工时分多路复用 传输模式，这就对调度策略提出很多特殊的要求，因此，要解决这些问题，必须 抛弃传统的调度策略的一些缺点，采用新的或改进的策略，以提高效率。本文先 从分析已有的调度策略开始，比较它们之间的基本特点，并分析影响它们效率的 主要因素，接着从一个并不复杂，但却有较高效率的调度策略为出发点，针对其 主要的缺点和影响效率的主要原因，进行相应改进，提出一种新的改进算法，最 后，通过仿真实验的验证，证明改进的效果。 关键词：蓝牙，微微网，调度算法，网络模拟 a b s t r a c t a p o l l i n go f fs c o l i n k s c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o r b l u e t o o t hp i c o n e t m a j o r ：c i c u i ta n ds y s t e m n a m e ：m e n gq i n g f u s u p e r v i s o r ：h u a n gx i a oa s s o c i a t ep r o f e s s o r a b s t r a c t r o u n dr o b i ni sas c h e d u l i n ga l g o r i t h mm a i n l yu s e df o rt h eb l u e t o o t hp i c o n e ta t p r e s e n t i te x i s t st h es h o r t c o m i n go f e f f i c i e n c y ，t i m e d e l a y ，f a i r n e s sa n d8 0o i l ，m o r e o v e r t h i st m d r i o n a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h mh a s n tc e r t a i n l yc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c eo ft h e s c ol i n k i nf a c t ，b e c a u s et h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yw i d e l ya p p l i e st ot h es i t u a t i o no f v o i c et r a n s m i s s i o n , f r e q u e n t l yt h eo n eo re v e nt h em u l t i - s t r i ps c ol i n kc a na p p e a ri n ab l u e t o o t hs y s t e m t h ea p p e a r a n c eo f1 1 地s c ol i n km a k ev e r yb i gi n f l u e n c et ot h e b l u e t o o t hs y s t e m a l t h o u g hi td o e sn o tp a r t i c i p a t ei nt h es c h e d u l i n g ，t h et i m ec r a c k w h i c hr e t a i n sf o rt h es c ol i n ka c t u a l l yg w e st h ev e r yb i gt r o u b l et ot h ea c ll i n k w h a lt h i sa r t i c l em a i n l ye l a b o r a t ei st h a th o wt oc a r r yo i lt h er e a s o n a b l es c h e d u l i n gi n t h ep i c o n e tc o m p o s e do f t h eb l u e t o o t he q u i p m e n t ，a n dt h u st oe n h a n c et h eq u e s t i o no n t h ed a t at r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y w em a i n l yd i s s e r t a t et h es c h e d u l i n gp o l i c yi na p i c o n e t w h i c hi sc o n s t r u c t e d b y s e v e r e lb l u e t o o t hd e v i c e sh e r e a sw ea l l k n o w , b l u e t o o t hd e v i c e sa l eu s e dw i d l ya n dt h eb l u e t o o t hn e t w o r kt o p o l o g yi si i l o r e a n dm o r ec o m p l e x f o re x a m p l e ，i nab l u e t o o t hs c a t t e r n e t ，t h e r em a yb ed o z e n so f b l u e t o o t hd e v i c e s ，i ne v e r yp i c o n e t ，t h e r ea r es e v e nb l u e t o o t hd e v i c e sa tm o s t ，w ec a l l t 哦t h er o u n dr o b i nt os c h e d u l ei tb e c a u s et h er o u n dr o b i np o l i c yh a sp o o r e f f i c i e n c y , o t h e r w i s et h em a s t e rd r i v e nt d dm o d ew h i c hu s e di nb l u e t o o t hs y s t e m a l s oh a ss o n i cs p e c i a lr e q u e s t s ow em u s t 啪an e wp o l i c yt os c h e d u l et h eb l u e t o o t h s y s t e m t og e ta ：f l e ws c h e d u l e i n gp o l i c y , w ef i r s ta n a l y s es o l q l ee x i s t i n gs c h e d u l i n g a b s t r a c t p o l i c yb yu s i n gt h ep r o b a b i l i t yt h e o r y , f m dt h ef a c t sw h i c hh a v er e l a t i o nw i t ht h e i r p e r f o r m a n c e ，t h e nw eu s et h ep r o g r e s sa b o v et od e v e l o pan e ws c h e d u l i n g ，f i n a l l y , w e d oas i m u l a t i o n f r o mi tw ef i n dt h en e w p o l i c yw o r k sm o r ee f f i c i e n c y k e y w o r d s ：b l u e t o o t h , p i c o n e t ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h m , n e t w o r ks i m u l a t e u i 第章引言 1 1 研究背景及意义 第一章引言 随着计算机、通信、自动化控制、网络技术的飞速发展，信息技术已经渗透 到社会生活的方方面面。随着信息时代的到来，人们的r 常生活与工作已经变 得越来越跟计算机和通信设备密不可分了，但是外围设备以及计算机问连接需 求的增加，办公室和家庭中产生了越来越多令人厌烦的连接线缆。如果仅止于 消除计算机与网络的连接线缆，可能仅通过无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 ) 就绰绰有 余，但是随着信息时代的来临，自由使用网络资源成为发展的核心。各种新的 电子通信设备不断推出，人们一出门就可能随身携带了多种多样的电子设备( 移 动电话、m p 3 、p d a 等等) 。在这种背景下，电信厂商爱立信为提升手机的附 加值，取代设备间复杂的连接线缆，率先号召发展低功率、低成本的无线通信 技术，意图将围绕于个人的电子设备加以连接，推动个人随身网络( a d h o c ) 的发展。1 9 9 8 年，在这个随身网络旗帜的号召下，以爱立信公司为首9 家大企业 成立了特别兴趣小组( s i g ) ，诺基亚、i b m 、i m e l 、东芝和m o t o r o l a 都成为了s i g 的核心成员。b l u e t o o t hs i g 研制了一种新型的无线传输技术一一蓝牙 【1 2 3 ( b l u e t o o t h ) 诞生了。蓝牙技术的丌放性、互操作性和低成本、高速传输 的能力使得这种技术一经发表马上得到广泛的关注。与8 0 2 1 1 相比，蓝牙技术中 的跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。 它在许多领域逐渐得到广泛应用，如计算机、通信、汽车、医疗、军事等。近年 来，蓝牙技术发展非常迅速。目前全球约有两千多家厂商和科研机构加入了 b l u e t o o t hs i g 组织。 蓝牙是一种短距离无线数据和语音通信的开放性规范，它使得在各种通信设 备之间实现灵活、安全、低成本、低功耗的语音和数据通信。蓝牙规范是一种系 统解决方案，它包括硬件、软件和互操作性要求。b l u e t o o t hs i g 4 i 5 铜i 定的蓝 一种考虑了s c o 链路的蓝牙微微网轮循调度策略 牙规范也在不断地发展和完善：s i g 组织于1 9 9 9 年7 月2 6 日推出了蓝牙技术规范 1 0 版本。于2 0 0 3 年4 f 1 3 0 日发表1 1 版本。主要改进了1 0 版本的互操作问题和安全 问题，及1 0 版本中从设备不能通知主设备在通信过程中它可以使用多少个时隙的 问题。2 0 0 3 年1 1 月5 日发表1 2 版本，主要改变是使蓝牙最大传输距离加大到1 0 0 米。 2 0 0 4 年1 1 月发表2 0 版本，其特点是数据传输速度可达当前速率的3 倍( 在某些情 况下可高达1 0 倍) 。到如今，蓝牙v 2 1 + e d r 版本即将发布，到那时，蓝牙设备之 间的通信连接就会更加方便。 1 9 9 9 年i e e e8 0 2 1 5 ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r kg r o u p ) ，即w p a n 成 立时，决定采用蓝牙作为i e e e8 0 2 1 5 标准的基础。与蓝牙相近的无线技术有 i r d a 和h o m e r f ，但是蓝牙作为它们中的后起之秀，在很多方面都具有明显的 优势。i r d a 只支持视线1 米范围内的点对点通信；h o m e r f 技术没有公开，目 前只有几十家企业支持，而且在抗干扰方面有较大的缺陷，这些都使得蓝牙有 更广阔的应用前景。 1 2 研究现状 目前的蓝牙微微网调度算法大致分为两大类：传统的轮循算法与自适应的轮 循算法。 1 2 1 传统的轮循算法 在传统的轮循调度算法中，最简单的就是固定轮循顺序和带宽，只是轮循每 个从节点的时间不同。r r l 6 】【7 】【8 】( r o u n dr o b i n ) 算法中，主节点按照固定的 次序周期性地轮循每个从节点，如果有数据就发送数据分组，否则就发送p o l l 瓤r t 3 l l 分组，每个从节点都能得到相等的轮循机会。该调度算法的带宽利用率 不高，时延性能不佳，但实现最简单。e r r 9 【l o 】【11 】( e x h a u s t i v er o u n dr o b i n ) 算法中，只要某个链路对的上下行队列中有数据分组，调度器将一直对其服务， 直到该链路对的队列清空为止，然后再服务下一个链路对。e r r 可以有效减小队 列分组到达率不高情况下的时延，但由于对某个链路对的服务时间过长则容易引 起其它链路对的饥饿。在l r r 【1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 】( l i m i t e dr o u n dr o b i n ) 中，只有当分 组全部发送完成或从节点已经得到了m ( m i ) 帧的轮循时间，主节点才会停止 2 第。章引吉 对该从节点的访问。p r r 和e r r 都可以看作e - l i m i t e ds e r v i c ep o l l i n g 的特例，它 们分别对应于m = i 和m = o o 的情况。 g r r 1 5 1 ( g a t e dr o u n dr o b m ) 与e r r 相似，唯一不同的是g r r 无需将从节 点队列中的数据全部发送完成后才结束对该从节点的轮循，它只清空从节点队列 缓冲中的数据即可，不处理轮循过程中到达的数据。d r r 1 6 1 7 1 ( d e f t e rr o u n d r o b i n ) 部分解决了r r 算法的不足，通过设置量子值和差额计数器避免了由不同 队列使用不同长度分组引起的不公平。 1 2 2 自适应的轮循算法 p p 1 8 1 1 9 2 0 】( p r i o r i t yp o l i c y ) 方案根据上下行链路队列的状态来区分调 度的优先级。主从对为“1 1 ”状态表示主节点和从节点都有数据发送，被赋予 最高的优先级。“0 - 0 ”状念则表示主节点和从节点都没有数据要发送，不进行 轮循。而对于“o 1 ”和“1 - 0 ”状态具有相同的优先级。p p 比r r 实现了更高 的吞吐量并减少了时隙浪费，但p p 算法影响了调度的公平性。正因为此， k f p 1 9 2 0 】( k - f a i r n e s sp o l i c y ) 算法对p p 做了一定改善，提高了其公平性。 除了p p 典型算法之外，l w r r 1 1 1 ( l i m i t e da n dw e i g h t e dr o u n dr o b i n ) 算 法减少了主节点访问那些过去没有分组发送的从节点的速率，从而提高了分组 发送的效率。f e p 2 1 】( f a i re x h a u s t i v ep o l l i n g ) 也利用了减少轮询速率的方法， 在f e p 中，主节点可以保证对群活跃从节点的轮询。每次主节点对从节点轮 询时，从节点只发送一帧信息。当某链路对出现p o l l n u l l 分组后，在一段 时间内将不会被轮询。当主节点中对应非活跃从节点的下行队列有分组或整个 活跃从节点组复位到最初状态时，非活跃从节点都会重新回到活跃从节点组中。 这种轮询方式使得拥有较多数据的从节点可获得较高的带宽份额，所以，f e p 被认为是一种效率与公平性结合较佳的算法。 1 3 本文的主要工作 蓝牙作为一种新的无线网络技术与过去的有线网络相比，有许多不同的特 性。因此，不论是在学术研究或产品开发上，势必都还有一段路要走。蓝牙规 范在制定时，充分考虑了这些因素，在很大程度上为系统的设计和改进提供了 种考虑了$ c o 链路的篮牙微微时轮循调度策略 空间。国内外很多科研机构、实验室都设立了有关蓝牙方面的课题项目并为此 做了大量的研究工作。他们的研究课题主要集中在以下方面：缩短设备查询和 寻呼过程；提高物理链路性能和抗干扰能力；增强蓝牙的安全性能：链路层的 分组拆分和调度算法；微微网内和微微网间( 即散射网) 的调度算法和散射网 路由机制；i p 在蓝牙无线网络上的性能。 多年来蓝牙标准一直使用的r o u n dr o b i i l 调度算法存在很多不足，对于蓝牙 这样拥有双向链路的无线网络效率低下。近几年来，大量的文献提出了蓝牙微微 网的轮循调度算法。一些改进的传统调度算法依然效率不高，而多数自适应的调 度算法存在适应性不强与复杂度高等缺点。并且，目前没有一种算法能够在考虑 了s c o 链路的条件下同时具有较低的时延、较高的信道利用率以及较佳的公平性 与较低的算法复杂度。本文即是根据以往调度算法的不足，在以往的算法基础上， 作出了一种改进的按需轮循蓝牙微微网内调度算法。算法兼顾低时延、高信道利 用率与高公平性等性能，并且力求实现简单，能够自适应地动态调整各链路对轮 循的优先度以实现按需轮循的目的。 以此，本文主要进行了理论研究与分析、性能仿真两个方面的工作，具体包 括以下几点： 1 全面深入的学习了蓝牙规范，阅读大量有关蓝牙技术应用和调度算法改 进的文献。 2 从理论上分析了蓝牙的自适应传输方法，即在s c o 链路存在的条件下 改变各个a c l 链路上所传送的a c l 基带分组类型以达到最大系统吞吐量，并 分析了得出的结果。这个结论在一定程度上作为反馈内容指导了l 2 c a p 层链路 的s a r 模块分组。 3 针对目前蓝牙采用的调度算法中存在的弊端，对一些文献中提出的改进 的算法进行了分析和比较，并对其中一种算法进行了仿真。 4 学习了在学术领域罩普遍采用的网络仿真器n s 2 2 2 3 2 4 f 8 1t c l f 2 5 2 6 1 脚本语言，以及在其上的3 个蓝牙扩展模块，经过比较分析，最后以 n s 的蓝牙扩展模块u c b t 2 7 为基础设计了改进调度算法与已有调度算法的时 延等性能的比较。 4 第，- 章引亩 1 4 本文的结构安排 全文共分为六章。第一章是引言；第二章是蓝牙技术概述，主要从整体上 介绍蓝牙微微网技术；第三章是蓝牙的调度算法分析，研究了以往提出算法的 主要实现策略；第四章是蓝牙的调度算法改进，在第三章的基础上提出了改进 算法；第五章是蓝牙调度算法的仿真实验；第六章是论文总结和未来的研究方 向。 种考虑了s c o 链路的蓝牙微微网轮循调度策略 第二章蓝牙微微网技术 2 1 蓝牙技术简介 2 1 1 蓝牙技术特点 蓝牙技术是一种短距离的无线通信技术规范，它的提出的最初目的是为了 取代各种数字设备的有线线缆的连接，如今它的应用已经远远超出了这个范围。 蓝牙工作在2 4 g h z 的1 s m 频段。蓝牙规范1 0 可提供1 0 米内的无线连接，通 信协议采用t d m a ( 时分多址) ，支持电路交换和分组交换两种技术，以此蓝牙 基带定义了异步无连接数据通道( a c l ) 和同步面向连接话音通道( s c o ) 两种信 道，每一个话音通道支持6 4 k b p s 的同步话音，异步通道支持最大速率7 2 1 k b p s 、 反向应答速率为5 7 6 k b p s 的非对称连接。当采用对称信道传输数据时，最高速 率为4 3 2 6 k b p s 。s c o 链路既可以传送话音业务，也支持数据业务。s c o 数据 分组在预留的时隙内发送，可以看作是电路交换连接，而且s c o 帧内的接收和 发送分组是对称的j 一旦s c o 链路建立，主从设备就可以直接进行通信，无需 经过轮询过程。主设备最多可以同时支持3 路s c o 链路。此外，s c o 链路不 能进行重传。a c l 链路提供了一种分组交换的机制。在一个主设备和从设备之 间只能存在一个a c l 链路，对于多个a c l 分组，分组重传可以用来确保数据 的完整性。基带控制器采用三种纠错方式：l 3 速率i ； f 向纠错编码( f e c ) 、2 3 速率前向纠错编码( f e c ) 、对数据的自动请求重传( a r q ) 。改进后的蓝牙协议可 将通讯距离扩展到1 0 0 米，并提供1 0 m 以上的传输速率。蓝牙射频定义了三种 功率级别，即1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 、2 5 m w ( 4 d b m ) 、l m w ( 0 d b m ) 。当蓝牙设备 的发射功率为l m w 时，其覆盖范围可达1 0 m 。通过逐级增大发射功率，蓝牙 设备之佃j 的有效通信距离最大可以达到1 0 0 m 。 蓝牙采用跳频扩展技术( f h s s ) ，跳频速率为每秒1 6 0 0 次，最高传输速率为 1 m b p s ，跳频技术抑制干扰、降低信号衰减，使用时分复用t d d 和商斯频移键 6 第二章蓝牙微微网技术 控g f s k ( g a u s s i a nf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 调制实现全双工数据传输。 2 i 2 蓝牙技术的协议规范 蓝牙技术遵循蓝牙规范。蓝牙规范最初由s i g 于1 9 9 8 年提出，包括蓝牙协 议核心规范和协议子集( p r o t o c o lp r o f i l e ) ，称为蓝牙1 0 协议规范。蓝牙核心规 范所定义的蓝牙协议采用分层结构的协议栈模式，如图2 1 所示。 t c p ，u d p p l 对象交换 p p p ( o b e x ) l 服务发现( s 。p )串口仿真( r f c o m m )网络封装( b n e p ) 逻辑链路控制与适配( l 2 c a p ) 主机控制器接口( h c i ) ll 弋夕 链路管理器协议 基带与链路控制 射频 图2 - 1 蓝牙协议栈 7 一种考虑了s c o 链路的蓝牙微微嘲轮循调度策略 从下至上依次为射频协议( r f ) 、基带协议( b a s e b a n d ) 、链路管理层协 议( l m p ) 、逻辑链路与适配协议( l 2 c a p ) 、射频通信协议( r f c o m m ) 、服务发现 协议( s d p ) 和网络封装协议( b n e p ) ，此外还支持一些附加的应用协议，如：p p p 、 t c p i p 、o b e x 等。下一层协议为上一层协议提供服务。基带协议定义蓝牙的 无线链路及其传输模式、主从( m s ) 结点等，此外还可以提供面向连接( s c 0 ) 业 务和无连接( a c l ) 业务。一般地，a c l 用于分组数据业务，其特点是可靠性， 但有延时。而s c o 则用于话音传送，其特点是实时性好，但可靠性比a c l 差。 链路管理协议( l m p ) 负责建立和解除m s 设备单元之问之间的连接，以及鉴权 和加密功能。另外还控制m s 设备单元的工作模式( 如p a r k h o l d s n i f f 模 式1 。l 2 c a p 是第三层的控制和适配协议。l 2 c a p 向r f c o m m 和s d p 等层提 供面向连接和无连接业务。基带数据业务可以越过l m p 而直接通过l 2 c a p 向 高层协议传送数据。从某种意义上说，l 2 c a p 和l m p 都相当于o s i 第二层印 链路层的协议。r f c o m m 是射频通信协议，通过r f c o m m ，蓝牙可以在无线 环境下实现对高层协议，如p p p 、t c p i p 等协议的支持。另外，r f c o m m 可 以支持a t 命令集，从而可以实现移动电话和传真机及调制解调器之间的无线 连接。s d p 服务发现协议是所有用户模式的基础。s d p 上层可以有f t p 、l a n 接入、无绳电话、同步模式等应用。通过确定不同的信息类型和业务类型，s d p 可以在设备单元之问建立不同的s d p 层连接。由于蓝牙技术独立于不同的操作 系统和通信协议之外，可以移植到许多应用领域，因而应用场合很普遍，适用 于任何数据、图象、声音等短距离通信场合。目前所能看到的应用有：替换蜂 窝电话和远端网络之间的通信时所用的有线电缆；提供新的多功能耳机，从而 在p c 、蜂窝电话、随身听中共用；笔记本、p d a 、蜂窝电话之问的名片数据交 换。蓝牙规范的协议子集定义了一系列蓝牙技术的应用模型，它的定义给具体 的蓝牙应用定义了完整的框架，解决了蓝牙技术的应用过程中，不同厂家之间 的产品的互操作问题。协议子集是一种应用模型，是蓝牙核心协议的组合，它 规定了某一具体的应用需要使用哪些核心协议，这些核心协议以怎样的顺序组 合。 8 第二章蓝牙微微嘲技术 2 2 蓝牙微微网 2 2 1 蓝牙网络的结构 多个蓝牙设备连接起来可以形成微微网( p i e o n e t ) ，它们共享一个同步跳频 信道。在一个微微网中，只能有一个主设备( m a s t e r ) 和最多7 个同时工作f 活跃 的) 的从设备( s l a v e ) ，而其他的从设备则处于休眠模式( p a r k ) 。它们共用一个跳 频信道，通过时分双i ( t d d ) 的时隙结构并结合轮询( p o l l i n g ) 来解决无线链路中 的冲突问题，而轮询正是论文研究的重点之一。在微微网中主设备控制从设备 的通信，只有被主设备轮询到的从设备才能够发送数据，这是蓝牙轮询方案遵 循的基本原则。因此，蓝牙中的通信只能发生在主设备和从设备之间，而两个 从设备或者两个主设备之间不能直接通信。 在蓝牙系统中，主设备和从设备只是蓝牙单元的逻辑状态，任何蓝牙单元 都可能是主设备，也可能是从设备。也就是说，微微网中的所有设备都可以作 为主设备，而且，当微微网建立以后，主设备和从设备的角色可以改变。在蓝 牙网络中，蓝牙设备角色的变化会导致蓝牙网络拓扑结构的变化，这些问题在 具体的蓝牙拓扑构造协议中进行研究。蓝牙系统既可以实现点对点连接也可以 实现一点对多点连接。在一点对多点连接的情况下，信道由几个蓝牙单元分享， 两个或者多个分享同一信道的单元构成了微微网( p i c o n e t ) 。微微网实际上是一种 个人区域网，这是一种以个人区域( 即办公室区域和家庭区域) 为应用环境的网 络建构的，微微网由主设备单元和从设备单元两种设备单元构成。主设备单元 负责提供时钟同步信号和调频序列，而从设备单元一般是受控同步的设备单元， 并接受主设备单元的控制，在同一微微网中，所有设备单元均采用同一调频序 列，每个从设备单元的起始频率和占用信道由主设备单元控制，一个微微网中 存在1 个主单元和最多可达7 个的活动从单元。这些设备可以处在以下几个状 态情况下：a c t i v e ( 活动) 、p a r k ( 暂停) 、h o l d ( 保持) 和跚i 垣呼吸) 。多个相互覆盖 的微微网形成了分散网。蓝牙微微网与散射网的拓扑结构如图2 2 。 9 种考虑了s c o 链路的蓝牙微微列轮循调度策略 。主设备 。从设备 鱼 ，、 ，- ao 微微网 0 ： ： 0 ： ； ： 鱼囊 oo 散射网 图2 - 2 微微网与散射网 2 2 2 微微网内的数据传输 随着蓝牙技术的日渐成熟，蓝牙技术将应用于i n t e r a c t 接入、图象资料的传 输等数据量较大的领域。如同i n t e r n e t 上的i p 网络需要路由器、交换机等设备， 用来行使路由、调度等功能，以提高数据的传输速率和效率一样，处理大数据 量的蓝牙系统也需要路f l j ( s c a t t e m e t 网) 和调度策略，因此，一种高效合理的调 度策略对一个蓝牙微微网来说，更是至关重要。蓝牙协议定义了一种调度策略， 即轮询策略( r o u n d r o b i n ) ，这是一种较为简单且易实现的策略，这种策略的基 本思想是给每一个主结点和从结点之间的链路预分配传输时隙，这样就造成不 必要的传输时隙的浪费，而且也造成了调度的不公平性。因此，一些改进的调 度策略应运而生，包括l ； 面提到的优先级调度( p p ) 和k 公平谲度f k f p ) 和针对 s c o 链路的h o lp p 2 s 、h o lk f p 7 等。当然，蓝牙微微网的调度策略还包括 另一个方面，即数据的分段与重组( s a r ) ，这是因为s c o 分组需要等间隔的预 先分配时隙，存在的s c o 链路导致某些分组过大的a c l 链路数据无法在两个 s c o 时隙之间发送，造成时隙的浪费。而将分组分得较小虽然有较大的传输机 会，但小分组的传输速率较慢，因此，如何确定分组的大小是一个重要问题。 目前最基本的s a r 策略是随机分配策略，本文就以此策略进行讨论。 1 0 第二章蓝牙微微m 技术 2 3 蓝牙基带层 2 3 1 基带层概述 基带层协议是蓝牙协议中最复杂也是最重要的部分，因为蓝牙技术的特点 体现在底层技术，而基带层是底层中的关键技术之一，蓝牙技术所具有的健壮 性、低复杂性、低功耗和低成本都在基带层中有所体现。基带层定义了利用蓝 牙无线技术使设备间进行通信的过程；定义了蓝牙匹克网和蓝牙链路以及它们 如何被建立；定义了底层分组类型；定义了在一个匹克网中众多蓝牙设备如何 共享传输资源。基带就是蓝牙的物理层，它负责管理物理信道和链路中除了错 误纠正、数据处理、调频选择和蓝牙安全之外的所有业务。基带在蓝牙协议栈 中位于蓝牙无线电之上，基本上起链路控制和链路管理的作用，比如承载链路 连接和功率控制这类链路级路由等。基带还管理异步和同步链路、处理数据包， 寻呼、查询接入和查询蓝牙设备等。基带收发器采用时分复用t d d 方案( 交替 发送和接收) ，因此除了不同的跳频之外( 频分) ，时间都被划分为时隙。在正 常的连接模式下，主单元会总是以偶数时隙启动，丽从单元则总是从奇数时隙 启动( 尽管他们可以不考虑时隙的序数而持续传输) 。蓝牙的调度策略如果按照 协议栈的层次来分的话，是运行在基带层的。 2 3 2 物理信道与时隙 蓝牙技术使用了跳频扩频技术，信道表示为在7 9 个射频信道上跳变的伪随 机跳频序列。每个匹克网的跳频序列是唯一的，并由主设备的蓝牙设备地址决 ， 定；跳频序列的相位由主设备的本地时钟决定，标准的跳频速率是每秒1 6 0 0 跳。 在一个匹克网中的所有蓝牙单元与该信道都是时间同步和跳频同步的。分组起 始位置与时隙起点相吻合。时隙根据微微网中主结点的蓝牙时钟进行标号，范 围从0 到2 2 7 1 ，超出后，重新从0 开始记数。m s 结点之间的数据传输是从时 隙的起始处开始的蓝牙的数据传输模式称为主结点驱动的半双工t d d 模式( 如 图2 3 所示) ，数据是以分组的形式进行传输的，每个分组可以占用一个时隙或 多个时隙。主结点在偶数时隙传输数据，从结点只能在奇数时隙传输数据。从 种考虑了s c o 链路的蓝牙微微刚轮循调度策略 结点无法自主的将数据传输给主结点，只有在前一个m s 时隙收到发给从结点 的信息后，该从结点才能在下一个s m 时隙中向主结点发送信息。所以，一切 数据传输活动都是由主结点驱动的，从结点之间不能直接发送数据。 2 3 3 物理链路 图2 - 3 蓝牙微微网中t d d 传输模式 蓝牙微微网中主结点和从结点之间可以建立不同类型的链路。蓝牙协议定 义了两种类型的物理链路：同步面向连接链路( s c o ) 和异步无连接链路( a c l ) 。 s c o 链路是对称的、点到点的链路。s c o 链路是匹克网中主设备与某个指定的 从设备之问实现的对称的，点到点的同步链路。s c o 链路采用保留时隙来传送 分组，可看作电路交换链接。主设备能够支持最多3 条链路，到同一从设备或 不同从设备。从设备可以支持3 个来自同一主设备的s c o 链路或来自不同从设 备的2 个s c o 链路。s c o 分组不重传。a c l 链路是匹克网中主设备与所有从 设备之间点对多点链路。在非s c o 链路保留时隙旱，主设备可以以时隙为单位 与任何从设备交换分组，a c l 链路提供了一种分组交换的机制，主设备可以与 任何从设备进行异步的或同步的通信。在一个主设备和一个从设备之间，只能 存在一个a c l 链路。对于大多数a c l 分组，分组重传可以确保a c l 数据的完 整性。 2 3 4 逻辑信道 蓝牙有五种逻辑信道，他们可以用来传输不同类型的信息。l c ( 控制信道) 2 第二章篮牙微微网技术 和l m ( 链路管理) 信道用于链路层，而u a 、u i 和u s 信道则用于携带异步、 类异步和同步用户信息。逻辑信道只是一种抽象的信道，它们并不是实实在在 存在的信道，它们的最终实现，即对数据的传输还是需要借助物理信道来实现 的。因此，逻辑信道可以说是物理信道上的一个虚拟概念。 2 4 蓝牙分组 2 4 1 蓝牙分组结构 蓝牙的数据传输是以分组为单位的。蓝牙分组虽然有多种类型，但其基本 结构是相同的。蓝牙分组可分为三个部分，即接入码、分组头和载荷( 见图2 - 4 ) 。 l s b7 25 40 - 2 7 4 5m s b i 接入码 分组头有效载荷 1 图2 4 蓝牙分组的基本结构 接入码是一个蓝牙分组必须包含的部分，它主要用于同步和分组的识别。 共有三种不同类型的接入码，即信道接入码( c h a n n e l a c c e s sc o d e ) 、设备接入码 ( d e v i c ea c c e s sc o d e ) 和查询接入码( i n q u i r ya c c e s sc o d e ) 。信道接入码用于蓝牙 数据传输过程中标志同一微微网，同一微微网内传输的数据具有相同的信道接 入码；设备接入码用于蓝牙设备间建立连接的寻呼( p a g e ) 子过程；查询接入码用 于蓝牙设备间建立连接的查询( i n q u 酊) 予过程，查询接入码分为通用查询接入码 ( g i a c ) 和专用查询接入码( d i a c ) ，g i a c 用于查询过程中发现射频范围内的一 个蓝牙设备，而d i a c 用于查询过程中发现射频范围内的具有共同特征的一类 蓝牙设备。图2 5 是接入码的基本格式。其中的引导码字段和尾码字段都是用 于动态直流补偿。 一种考虑了s c o 链路的蓝牙微微州轮循调度策略 l s b46 4 4 m s b l 引导码同步字 尾码 图2 - 5 接入码的基本格式 分组头( 如图2 6 ) 总共有1 8 b i t ，由于采用1 3 f e c 编码，形成共5 4 b i t 的 分组头。a ma d d r 段用于区分同一微微网中活动状态的从结点，由于同一微 微网中多个从结点连接到同一个主结点，因此，用3 b i t 的a ma d d r 段可以标 志每一条活动的m s 链路。t y p e 段标志分组的类型。f l o w 位用于a c l 链路 的流控制。a r q n 位类似于t c p i p 的a c k 位，用于接收方对于源发送方的回 应，以表明它是否正确收到发送方发送的分组。a r q n 位为1 ，表示正确接收 分组；a r q n 位为0 ，则表示分组接收失败，需要重传。s e q n 位用于对接收 到的相同的分组进行排序编号。 l s b34ll18m s b ia ma d d rt y p efash e c 2 4 2 蓝牙的分组类型 图2 - 6 分组头格式 蓝牙的分组类型( 如表2 一l 所示) 有分组头的t y p e 字段决定，4 b i t 的 t y p e 字段共可决定1 6 种类型的分组。蓝牙的分组类型是随着物理链路的不 同而不同的，因此，对于每一种物理链路( s c o 或a c l ) ，都有1 6 种分组，其 中有4 种分组二者是相同的，这些分组主要用于传输控制信息，称为公共分 组。另外1 2 种分组由不同的物理链路各自定义。这些分组可依次被分为四类： 第一类包含4 钟分组( 0 0 0 0 - - 0 0 1 1 1 ，它们的具体类型都已经预先定义，用于传 送控制信息的分组，占用1 个时隙。第二类包含6 个占用1 个时隙的数据分 1 4 第二章蓝牙微微阿技术 组。第三类包含4 个占甩3 个时隙的分组。第四类包含2 个占用5 个时隙的 数据分组。以下介绍几个重要的控制分组( 公用分组类型都只覆盖了一个时 隙) 。 i d 分组：i d 分组由设备接入码( d a c ) 或查询接入码( i a c ) 组成，长 度固定为6 8 b i t 。i d 分组一般用于寻呼、查询和响应过程。 n u l l 分组：n u l l 分组仅由信道接入码( c a c ) 和分组头组成，长度 固定为1 2 6 b i t 。n u l l 分组向源端返回有关前一次传输的a r q n 的链路消息， 或者r x 缓冲器的状态消息。n u l l 分组本身没有必要进行确认。 p o l l 分组：p o l l 分组与n u l l 分组比较相象，没有净荷部分，但需要 接收端进行确认。p o l l 分组用于主设备在匹克网中选择从设备，从设备必须 进行响应，即使它没有数据要发送。 f h s 分组：f h s 分组是一个特殊的控制分组，其中包含了发端的蓝牙设 备地址和时钟。经过2 3 f e c 编码后净荷长度为2 4 0 b i t 。f h s 分组用于微微网 信道建立之前或从现有微微网转换成一个新的微微网时的跳频同步。 d m l 分组：d m l 分组支持所有链路类型的控制信息且可以携带规则的用 户数据。 表2 - 1 蓝牙分组的类型 分组类别 t y p e 占用时隙 s c oa c l l0 0 0 01n u l ln u l l 0 0 0 l p o l lp o l l 0 0 1 0f h sf h s 0 0 1 ld m ld m l 2 o l o o1u n d e f i n e d o l o lh v l o l l oh v 2u n d e f i n e d 0 1 1 lh v 3 1 0 0 0d v 1 0 0 1 u n d e f i n e da u x l 31 0 1 03d m 3 1 0 1 lu n d e f i n e d d h 3 1 1 0 0u n d e f i n e d l 1 0 1 4 l l l o5u n d e f i n e dd m 5 l l l ld h 5 一种考虑了s c o 链路的蓝牙微微网轮循调度策略 不同蓝牙分组的传输速率是不同的，表2 2 和表2 3 对不同的蓝牙分组的 速率进行了比较。由表中的数据可见，对于a c l 链路，相同的数据选择不同的 分组进行传送，其传输速率是不同的。 表2 - 2 a c l 分组速率 t y p e 有效载有效载f e cc r c对称最非对称非对称 荷头荷大速率前向速后向速 ( k b p s )率( k b p s )率( k b p s ) d m l lo 1 72 3有1 0 8 8 1 0 8 8 1 0 8 8 d h l 1o 一2 7无1 7 2 81 7 2 81 7 2 8 d m 32o 1 2 l2 32 5 8 13 8 7 25 4 4 d h 32o 1 8 3无3 9 0 45 8 5 68 6 4 d m 520 2 2 42 32 8 6 74 7 7 8 3 6 3 d h 52 0 3 3 9无4 3 3 9 7 2 3 25 7 6 a u x ll0 2 9无无1 8 5 61 8 5 61 8 5 6 表2 - 3s c o 分组速率 t y p e有效载 有效载荷 f e cc r c 有效载同步速率占用时 荷头 荷长度( k b p s ) 隙周期 数 h v l 无 1 0 1 3无2 4 0 b i t6 42 h v 22 02 34 h v 33 0无6 d v1 d 1 0 + ( 0 9 ) d 2 3 d有d 6 4 + 5 7 6 d 2 5 蓝牙链路的分组收发规则 2 5 1 蓝牙链路的数据发送规则 图2 7 是蓝牙链路中的数掘发送部分，从图中可以看到，蓝牙链路的数据 1 6 第二章蓝牙微微网技术 发送部分主要由系列的缓冲器和一个包发生2 $ ( p a c k e tc o m p o s e r ) 组成。 包发生器用于将数据打包。每一条s c o 链路和每一条a c l 链路都拥有各自不 同的缓冲器，分别称为t xs c o 和t i ) ( a c l 。主结点对于每_ 二个从结点的1 x a c l 的结构都是相同的，由两个f i f o 寄存器组成，其中的现态寄存器用于向包发 生器传输送数据，而次态寄存器则用于从蓝牙协议栈的上一层，即l m 层接收 数据。两个开关s l a 和s l b 决定这两个寄存器中哪一个