基于蓝牙技术的公共接入网络的研究

　　蓝牙是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，用于在较小的范围内，实现固定设备以及移动设备之间的无线网络互连[1]。蓝牙SIG的局域网接入剖面规定了局域网接入应用在每个协议层使用的具体功能和过程。单个或多个数据终端(DT)采用局域网接入点(LAP)以无线方式接入局域网。该剖面局限于由LAP和DT组成的微微网(Piconet)距离仅为10m，无法实现广义蓝牙移动终端的无缝因特网接入。TCP/IP是在假定终端设备固定的情况下设计的，基于TCP/IP的高层协议也不可能满足终端移动性的要求。因此，如何实现蓝牙移动终端的无缝因特网接入，成为通信领域研究的一大热点。

　　蓝牙公共接入网络协议(BLUEPAC IP，Bluetooth Public Access Internet Protocol)支持基于蓝牙技术的IP服务。

　　1　BLUEPACIP概念协议的研究

　　必须考虑到BLUEPAC网络连接的蓝牙设备有没有自己的IP地址的情况。此外，BLUEPAC网络还应该同时支持移动设备和静止设备。

　　在BLUEPAC局域网内的所有设备，都要使用BLUEPACIP，而且对在BLUEPAC区域外的设备不需要作任何修改，就可以和区域外的IP主机通信。

　　1、1　参考网络结构

　　BLUEPAC参考网络结构与蜂窝网络相似[2]，如图1所示。主要包括以下5部分。

　　1　网关(GW)　在BLUEPAC区域中，将连接BLUEPAC局域网到公共网络的网关提供给全球信息和通信服务的接入，以及蓝牙设备的相应IP协议配置。

　　2　蓝牙设备　蓝牙设备是蓝牙用户的终端设备，例如笔记本电脑、PDA等。

　　3　蓝牙基站　负责将蓝牙设备接入BLUEPAC网路，为蓝牙设备提供网络层的服务。基站与设备之间的交换主要在数据链路层完成。

　　4　BLUEPAC代理　完成蓝牙网络的动态配置。BLUEPAC网络中只有配置IP地址的蓝牙通信设备才可以正常发送和接收IP数据包，由于蓝牙网路中的设备移动性强，基于固定IP地址的配置方式会对数据包的选路带来困难，因此，蓝牙代理服务器利用DHCP(Dynamic Host ConfigurationProtocol)协议为蓝牙设备配置IP地址。当网络中有新的蓝牙设备加入时，同样需要蓝牙代理服务器完成配置。需要特别指出的是，如果BLUEPAC网络中的设备使用的是供本地网络使用的本地地址，而不是一个合法的IP地址，则需要代理服务器进行地址的转换。

　　5　基站控制器　用于连接网关和一些基站，可以向基站发送数据和控制信息。

　　BLUEPAC蓝牙终端接入的基本过程是：在蓝牙电波范围内，用户可以通过BLUEPAC基站接入BLUEPAC局域网，得到服务或接入公众网络。为扩大局域网覆盖范围，还可以建立若干微微网，再通过BLUEPAC基站将微微网接入局域网，这对于实现通信区域完全覆盖很有帮助。其网络结构如图1所示。超出一个蓝牙微微网区域时，用户通过连接下一个BLUEPAC基站同样可以访问BLUEPAC服务。

　　针对BLUEPAC终端设备的移动，BLUEPAC参考网络结构还能够提供连续不间断的服务，如图1所示。中间微微网的BLUEPAC设备与应用服务器已建立了连接。当该BLUEPAC终端设备从中间进入左边微微网时，BLUEPAC代理就拆除中间的连接，建立与左边BLUEPAC基站的新连接。当进行网络切换时，旧基站除保存目前连接状态和信息外，还要向前传送给新的基站，并要求在网络切换时不使通信中断或服务量下降。

　　1、2　局部IP地址的分配

　　对没有自己的IP地址并想接入BLUEPAC网络的蓝牙设备，需要一个机制来分配IP地址，为了连到此网络，还需提供具有相应信息的器件(域名服务器、代理服务器等)[3]。

　　BLUEPAC基站是蓝牙有线和无线网络间的边缘设备，它连接有线网络选路分组与蓝牙设备。

　　BLUEPAC代理的工作就是IP地址的分配及连接器件的认证。IP地址的分配以类似于DHCP服务器的方式实现。如果要避免从Internet注册处获得的全局唯一的IP地址的分配，则可以使用局部IP地址，因为这些地址只在一个局部网络内有效。当连接到Internet时，需要代理服务器转发数据到Internet的主机，并再返回。因此，BLUEPAC代理的任务除了分配IP地址和给域名服务器一个地址外，还可以包括代理服务器的分配。此外，它还具有处理连接拆除，以及对已连接器件超时取消分配并令其他器件重新使用该IP地址的功能。如果使用全球唯一的IP地址，就需要用一个路由器来代替代理服务器。

　　BLUEPAC局域网必须能把数据传到已连接的蓝牙设备，该设备已分配的IP地址没必要具有本地含义。在这里，蜂窝IP的概念是有益的，因为它可以不管设备的当前位置，允许选路到IP地址。

　　根据上面提到的特性，蓝牙设备能够连接到没有自己IP地址的BLUEPAC网络。当该设备在蓝牙基站范围内时，它可以连接到此基站，向BLUEPAC代理发送注册请求，并接收已分配的IP地址和代理服务器的可能地址及端口的响应。此时，该设备就可以和应用服务器通信，也可以和在BLUPAC网络中其他的蓝牙设备甚至Internet中的主机通信。

　　2　BLUEPAC中微微网组网方式探讨

　　2、1　蓝牙无线接入过程

　　蓝牙设备连接的建立一般包括以下两个阶段。

　　1　地址发现　该阶段主要完成地址的查询(Inquiry)，其过程用于发现在发射区域内的节点，以及设备的地址和时钟。建立连接只需要设备地址，如果有时钟信息则可以加速建立过程。建立连接的节点将处理寻呼(Page)过程，并自动成为连接的主节点。

　　2　频率同步　建立连接设备之间跳频序列同步。开始连接的设备为主节点，另一个设备为从节点。从节点的跳频和时钟与主节点一致，频率同步延时与接受设备的扫描间隔成正比。蓝牙规范定义了3种扫描间隔，即：10ms(连续扫描);1。28s;2。56s。如果主、从节点时钟在-8×1。28～7×1。28s之间，那么该过程占用1。28s，否则，将占用2。56s。该阶段主要指寻呼过程。

　　为建立一个新的连接，可使用查询和寻呼过程，在寻呼和查询过程中分别使用设备接入码(DAC)和查询接入码(IAC);在寻呼扫描(PageScan)和查询扫描(Inquiry Scan)状态的节点中分别使用相应的相关器进行相关处理。当从节点在查询扫描子状态收到查询消息时，必须返回一个包含接受者地址的消息。该分组使用常规的FHS(Frequency Hop Synchronization)分组。

　　蓝牙链路建立的过程，从表1中可以看出[4]，如果没有查询过程，只用寻呼过程建立连接，则链路建立延时将下降50%。因此，查询过程是最耗时的因素。

###NextPage###　　2、2　微微网组网方式的讨论

　　BLUEPAC技术的关键在于能够允许BT用户在基站之间移动，并且确保外界的通信不受影响。以下就BLUEPAC中微微网的几种组网方式进行讨论。

　　1　基站作为蓝牙的从单元，BT用户作为主单元　在该网络中每一个BT用户都将基站作为它的从单元而建立一个微微网。这种方法的优点是：当BT用户需要新的基站建立连接时，它只需发送一个查询(Inquiry)和寻呼(Page)消息来查找新的基站，切换的处理过程很简单。这种方法的缺点是：此时必须与微微网都保持同步的基站同时处于几个微微网中，因此，基站必须应用时分复用来满足多个微微网的寻址和通信。这样，在不同时钟的微微网下的时分复用必将带来通信性能的恶化。这种方案更适用于移动IP技术。

　　2　基站作蓝牙为主单元，BT用户作为从单元　在该网络中基站作为主单元与多个BT用户建立一个微微网。在蓝牙技术中，从单元只有在被主单元寻址后才能发送数据。因此，这种方式的基站控制着该链路的介质访问权，并且BT用户在某个时段发送的数据包的数量也由基站控制，从而BT用户访问因特网的效率大打折扣。在这种结构中，一个蓝牙微微网只能由一个主单元和7个从单元构成，这样，一个基站最多只能与7个BT用户相连。这种方案更适用于蜂窝IP技术。

　　鉴于上面两种方法的优缺点，为了使蓝牙设备更有效地接入BLUEPAC网络，提高系统效率，我们提出采用将上面两种接入方式结合使用的新的接入方式。在新的接入方式下，蓝牙基站在轮询和待命状态之间循环切换。在蓝牙设备与蓝牙基站建立连接之前，蓝牙基站以主动设备方式工作，即蓝牙设备向基站发送请求信息，得到回应后，表明二者的连接关系已经建立。在蓝牙设备与蓝牙基站建立连接之后，蓝牙基站转为从属设备方式工作，即在连接建立后进行一次主从切换。但此时对于网络中其他未与基站建立连接关系的设备来说，基站仍然在主动设备方式下工作。

　　3　切换时延问题及其解决方案

　　当BT用户从一个基站转移到另一个基站时，会出现切换时延的问题。移动时延包括：检测移动的时延;重新注册的时延;链接建立的时延。

　　利用移动IP和蜂窝IP的思想提出实现快速切换的方法。接入网中的移动性由蜂窝IP处理，而网关之间(例如蜂窝IP接入网之间)的移动性由移动IP管理。对网关之间的移动性利用了移动IP的概念，把多个外地链路组成一个域，并在域中增加一个网络实体网关外地代理，从而使移动蓝牙设备的重新注册具有层次性和局部性。这样，当在同一域内进行切换时，移动蓝牙设备不需向距离比较远的家乡代理注册，而只需向网关外地代理注册，减少了重新注册的时间。在蜂窝IP网络中，通过家乡地址来识别移动主机(MH)位置管理信息以及切换支持是与路由结合在一起的。为了使控制信令减少到最低，MH发送的一般数据包常被用于建立主机位置信息。MH到网关的上行链路包采用Hop-by-Hop路由方式，经过的路径缓存在基站中，而网关到MH下行链路包采用此MH最近发送的包所使用路径的相反方向。当主机没有数据发送时，它就周期性地向网关发送空IP包，以维持它的下行链路路由状态。如果在确定的时间内MH没有收到数据包，就被认为超时并清除路由缓存中下行链路的软件路由。

　　链接时延问题的解决方案之一就是通过基站控制器给出移动设备需要链接的新基站的地址和时钟。移动设备在切换期间不必查询新基站。链路建立的流程如图2所示。

　　当移动设备的接收信号强度(RSSI)小于某个门限值时，移动设备将切换到新的基站，RSSI测量是通过对接收的信号与两个门限电平进行比较实现的，这两个门限电平形成所谓的黄金接收范围[5]。如果门限值设的太小，容易导致链接数据丢失。因此，RSSI值由蓝牙硬件精确测量。

　　如果检测到切换，移动设备向基站控制器请求新基站的时钟和地址，估算基站的准确频率。由于基站控制器不能确定移动设备的准确位置，所以将临近几个单元的信息回应给移动设备，移动设备发送同步请求到控制器，基站控制器强制临近基站进入扫描模式，由于基站扫描模式和寻呼模式几乎同时开始工作，使频率同步延时降低。

　　移动设备选择一个新基站，连续发送设备接入码(DAC)，新基站立即回应一个DAC包，移动设备检测基站信号强度，并将强度值存储。对其他新基站进行同样测试，选择信号强度好的进行链接。将移动设备和新基站形成微微网移动设备作为主节点，切换过程完成。

　　4　结束语

　　本文针对传统IP的不足，对BLUEPACIP的网络参考结构和局部IP地址的分配作了详尽的分析，对BLUEPAC中微微网的组网方式的探讨，特别是对切换时延问题的分析，以及所给出的解决方案，为网络连接和无线通信技术的发展提供了一种新的思路。使用BLUEPACIP协议的蓝牙设备可以同BLUEPAC区域中的设备进行通信，以实现蓝牙移动终端的无缝因特网接入。

　　参考文献

　　[1]Bluetooth.Specification ofthe Bluetooth System Version(EB/OL).http：//www.bluetooth.com，2003，(1)：13.

　　[2]AlbrechtM，Frank M，MartiniP，etal。IPServicesoverBluetooth：Leadingthe Waytoa NewMobility[C].LocalComputerNetworksconferenceon1999，1999：2～11.

　　[3]Baatz S，Frank M，Gopffarth R，et al.Handoff Support forMobilitywith IPover Bluetooth[C].Local Computer Networksconferenceon2000，2000：143～154.

　　[4]Sang-hun Chung，Hyunsoo Yoon，Jung-wan Cho.A　Fast65Hand　off　SchemeforIPoverBluetooth[C].ProceedingsoftheInternationalConference on ParallelProcessing Workshops，2002.