藍牙無線個人局域網(wǎng)的組建方案解析

　　藍牙技術作為一種小范圍無線連接技術，能夠在設備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信，是目前實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)的主流技術之一。同時，藍牙系統(tǒng)以Ad Hoc的方式工作，每個藍牙設備都可以再網(wǎng)絡中實現(xiàn)路由選擇的功能，可以形成移動自組網(wǎng)絡。藍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，將藍牙與其他網(wǎng)絡相連接可帶來更廣泛的應用，例如接入互聯(lián)網(wǎng)、PSTN或公眾移動通信網(wǎng)，可以使用戶應用更方便或給用戶帶來更大的實惠。作為醫(yī)院有線局域網(wǎng)的補充，藍牙無線個域網(wǎng)克服了有線網(wǎng)絡的弊端，可利用電腦等隨時隨地進行生命體征數(shù)據(jù)等的查詢錄入，在無線監(jiān)護方面發(fā)揮著重要作用。

　　1藍牙組網(wǎng)機制

　　1.1藍牙個域網(wǎng)的網(wǎng)絡特性

　　作為藍牙SIG的一個工作組，藍牙個人區(qū)域網(wǎng)工作組的主要目標是定義基于IP的藍牙個域網(wǎng)應用協(xié)議，解決以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的封裝、單個微微網(wǎng)中基于IP的個人區(qū)域網(wǎng)絡、主設備的轉發(fā)以及局域網(wǎng)接入點的問題。藍牙個人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議描述了2個及多個的藍牙設備如何組成一個Ad Hoc網(wǎng)絡以及如何使用同樣的機制通過網(wǎng)絡接入點接入遠程網(wǎng)絡。網(wǎng)絡接入點可以是傳統(tǒng)的LAN數(shù)據(jù)接入點，而分組Ad Hoc網(wǎng)絡表示的僅是一組相互連接的設備。

　　分組Ad Hoc網(wǎng)絡是一組移動主機的集合，它們可以再無需其他網(wǎng)絡硬件或網(wǎng)絡設施的支持下組成一個Ad Hoc無線網(wǎng)絡。PAN協(xié)議更側重的是由一個藍牙微微網(wǎng)構成的簡單個人Ad Hoc網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中有最多可容納8個設備，其中一個是主節(jié)點，其余是從節(jié)點。

　　藍牙PAN網(wǎng)絡具有以下Ad Hoc網(wǎng)絡的共同特點：

　?。?）獨立組網(wǎng)能力

　　各節(jié)點在一定網(wǎng)絡構成算法的支持下，可以在很短的時間內自動組成一個獨立的網(wǎng)絡而無需任何網(wǎng)絡設施支持。

　　（2）多跳路由

　　節(jié)點的發(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)點通信需要經(jīng)過中間節(jié)點的轉發(fā)，經(jīng)過多跳實現(xiàn)。

　　（3）拓撲動態(tài)變化

　　在藍牙PAN中，某些節(jié)點具有移動性，可能隨時離開或再次加入網(wǎng)絡，也有些節(jié)點會隨時關閉電源，引起節(jié)點和鏈路數(shù)量分布的變化，因此藍牙PAN的拓撲結構可能隨時發(fā)生變化。

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　　收無線信道的沖突、信號衰減、噪聲以及信道之間的干擾等影響，藍牙鏈路的實際帶寬遠小于理論帶寬，而且動態(tài)變化。

　　（5）節(jié)點的局限性

　　大部分藍牙節(jié)點依靠電池供電，能量受限，而且節(jié)點存在移動性、內存小以及處理器處理能力有限等特點，因此有效的減少節(jié)點能耗非常重要。

　　（6）安全性

　　雖然藍牙采取了嚴密的安全機制，但由于Ad Hoc網(wǎng)絡特點，藍牙節(jié)點易受到竊聽、主動入侵與拒絕服務等網(wǎng)絡攻擊。

　　藍牙PAN還有不同于其他Ad Hoc網(wǎng)絡的一些特性：

　?。?）節(jié)點通信范圍有限

　　藍牙節(jié)點有效發(fā)射距離一般為幾米到幾十米，兒IEEE802.11等自組織網(wǎng)絡可達到幾百米。

　?。?）移動性相對較小

　　相比其他Ad Hoc網(wǎng)絡設備，藍牙節(jié)點的移動速度和頻率較小。

　　（3）帶寬窄

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

　　1.2藍牙網(wǎng)絡的拓撲結構

　　藍牙系統(tǒng)采用一種靈活的無基站的組網(wǎng)方式，使得一個藍牙設備可與7個其他的藍牙設備相連接。藍牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構的拓撲結構有2種形式：微微網(wǎng)（Piconet）和散射網(wǎng)（Scatternet）。

　?。?） 微微網(wǎng)

　　微微網(wǎng)是通過藍牙技術以特定方式連接起來的一種微型網(wǎng)絡，一個微微網(wǎng)可以只是2臺相連的設備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設備。在一個微微網(wǎng)中，所有設備的級別是相同的，具有相同的權限。藍牙采用自組式組網(wǎng)方式（Ad Hoc），微微網(wǎng)主設備（Master）單元（發(fā)起鏈接的設備）和從設備（Slave）單元構成，有一個主設備單元和最多7個從設備單元，如圖1所示。主設備單元負責提供時鐘同步信號和跳頻序列，從設備單元一般是受控同步的設備單元，受主設備單元控制。

　　圖1 一個主設備和多達7個從設備組成的微微網(wǎng)

　　在每個微微網(wǎng)中，用一組偽隨機跳頻序列來確定79個跳頻信道，這個跳頻序列對于每個微微網(wǎng)來說是唯一的，由主節(jié)點的地址和時鐘決定。藍牙無線信道使用跳頻/時分復用（FH/TDD）方案，信道以625μs時間長度劃分時隙，根據(jù)微微網(wǎng)主節(jié)點的時鐘對時隙進行編號，號碼從0-（227-1）以227為一個循環(huán)長度，每個時隙對應一個跳頻頻率，通常跳頻速率為1600跳/s。主節(jié)點只在偶數(shù)時隙開始傳送信息，從節(jié)點只在奇數(shù)時隙開始傳送，信息包的開始與時隙的開始相對應。微微網(wǎng)中信道的特性完全由主節(jié)點決定，主節(jié)點的藍牙地址（BD_ADDR）決定跳頻序列和信道接入碼，主節(jié)點的系統(tǒng)時鐘決定跳頻序列的相位和時間。根據(jù)藍牙節(jié)點的平等性，任何一個設備都可以成為網(wǎng)絡中的主節(jié)點，而且主、從節(jié)點可轉換角色。

　　主節(jié)點通過輪詢從節(jié)點實現(xiàn)兩者之間的通信。從節(jié)點只有收到主節(jié)點的的信息包方可發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖2，從節(jié)點2在t時刻收到來自主節(jié)點的數(shù)據(jù)包，此時頻率為f（k），之后它可以在下一個時隙通過f（k+1）頻率向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。同理，從節(jié)點1在t2時刻收到主節(jié)點的數(shù)據(jù)包，此時頻率為f（k+2），并且在時間t3通過頻率f（k+3）發(fā)送數(shù)據(jù)包給主節(jié)點。

　　圖2微微網(wǎng)內通信輪詢機制

　　（2）散射網(wǎng)

　　一個微微網(wǎng)最多只能有7個從節(jié)點同時處于通信狀態(tài)。為了能容納更多的

　　裝置，并且擴大網(wǎng)絡通訊范圍，多個微微網(wǎng)互連在一起，就構成了藍牙自組織網(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，只要彼此沒有同時跳躍到同一頻道上，即便有多組資料流同時傳送也不會造成干擾。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Master，在其他微微網(wǎng)中當Slave，這樣的Bridge類別為Master/Slave（M/S）。橋節(jié)點通過不同時隙在不同的微微網(wǎng)之間的轉換而實現(xiàn)在跨微微網(wǎng)之間的資料傳輸。藍牙獨特的組網(wǎng)方式賦予了橋節(jié)點強大的生命力，同時可以有7個移動藍牙用戶通過一個網(wǎng)絡節(jié)點與因特網(wǎng)相連。它靠跳頻順序識別每個微微網(wǎng)，同一微微網(wǎng)所有用戶都與這個跳頻順序同步。

　　藍牙散射網(wǎng)是自組網(wǎng)的一種特例。其最大特點是可以無基站支持，每個移動終端的地位是平等的，并可以獨立進行分組轉發(fā)的決策，其建網(wǎng)靈活性、多跳性、拓撲結構動態(tài)變化和分布式控制等特點是構建藍牙散射網(wǎng)的基礎。

　　圖3藍牙散射網(wǎng)實例