蓝牙散射网拓扑构建的规则 - 蓝牙无线个人局域网的组建方案解析

　　1.3蓝牙散射网拓扑构建的规则

　　在一个蓝牙WPAN拓扑结构中，主设备或从设备只是节点的一个逻辑状态。一个单元只能是一个微微网的主设备，但可以参与多个相互重叠的微微网。一个主设备或一个参与多个微微网的活动从设备称为桥；允许微微网构成一个被称为散射网的较大网络。由于使用了跳频技术，一个桥在同一时间不能作为多个微微网的活动设备；桥必须在一个时分基上的2个微微网间进行转换，转换时必须与当前的微微网再同步，这会带来一个严重影响系统性能的重要开销。

　　蓝牙WPAN最主要的问题在于构造散射网时遇到由系统规范和通信量需求造成的约束。节点如何组成微微网以及哪个节点作为主设备或桥，对系统的容量、吞吐量和电池的使用时间具有重要影响。

　　因此，在散列网的构建过程中必须要减少设备间不必要的通信链接以提高网络的吞吐量。每个微微网内设备间的链接是必须的，各微微网内的设备必须要建立通信链接，以交互信息。因此，冗余通信链接主要在微微网互连阶段。在该阶段中，各微微网之间需要通过桥互连形成蓝牙自组织网。如果两个微微网之间存在过多的桥，或者一个桥链接多个微微网均会增加冗余通信链接，造成蓝牙自组织网通信性能的下降。通过合理的选桥算法，可以有效降低微微网之间的冗余通信链接。

　　基于上述分析，我们总结出能够提高散射网性能的组网规则如下：

　　（1）在蓝牙组网的形成过程中应合理控制微微网的数目，使其限定在一个固定值，以减少微微网之间的通信干扰，保持网络复杂性最小。

　　（2）减少自组织网内桥节点的负载，防止其成为网络通信的瓶颈。这样不仅能简化桥节点的调度算法，还能缩短因桥节点在不同微微网间切换的而造成的通信传输时延，从而提高网络的性能。

　　（3）限制设备间的冗余通信链接，尤其是微微网之间的通信链接。通过限制设备间的冗余链接量，可减少设备间的电力消耗，延长网络的使用寿命，还能因减少桥的负载而提高网络的吞吐量。

　　（在组建蓝牙自组织网的过程中，应优先使用Slave/Slave（S/S）桥，尽量避免使用Master/Slave（M/S）桥，以减少数据包在桥节点上的转发时延，增加蓝牙自组织网的通信量。

　　（5）网络拓扑形状优良，可以使网络具有自路由功能，从而提高网络的通信能。

　　1.4蓝牙散射网拓扑构建的关键问题

　　蓝牙散射网拓扑构建就是将一组彼此分离的蓝牙节点连接起来，因此蓝牙节点的互相发现过程和节点的角色分配等问题对蓝牙网络的构建以及网络负载均衡影响很大。

　　（1）蓝牙节点的互相发现

　　蓝牙节点的互相发现过程是蓝牙散射网拓扑构建过程中的关键部分，在这一过程中，每个蓝牙节点都应该知道它自己通信范围内的节点信息，这个信息应该是对称的，但蓝牙网络中节点数目的不确定性和蓝牙基带规范中节

　　点连接机制的不对称性给蓝牙节点发现过程的成功实现带来了挑战。

　　蓝牙规范中规定蓝牙的链接形成由查询（Inquiry）和寻呼（page）两个过程组成，查询过程并没有保证查询节点与被查询节点互相知道对方。欲发现相邻节点的查询者在发送查询包时，并没有发送它自己的唯一蓝牙识别码，被查询者收到查询包时不知道查询者的信息；另外蓝牙发现机制要求处于相对模式（查询Inquiry和查询扫描Inquiry scan模式）的两个节点才能互相交换数据，但如何保证两个相邻节点处于相对模式的方法却没有明确规定。这是蓝牙散射网拓扑构建算法应该解决的关键问题。

　　目前大多数算法采用以下做法：在预定义的节点发现时间长度内，允许每个节点在Inquiry查询模式和Inquiry scan查询扫描模式之间交替变化，每个模式的持续时间在给定的时间范围内是随机的，当两个处于相对模式的节点握手时，他们建立一个临时的微微网。查询者进入寻呼模式（Page）成为主节点，被查询者进入寻呼扫描（Page scan）模式，成为从节点。两个节点交换他们的ID和下阶段协议需要的信息。信息交换完毕后，微微网就断开。

　　这样在充足时间内两个相邻节点处于相对模式，从而互相发现的概率值很大。

　　（2）首领节点的选举过程和方法

　　因为节点开始时是异步的，还没有其他参与网络构成的节点的相关信息。所以通过选举方式选取首领节点将控制整个网络的构成，获得所有参与构成网络的节点的相关信息，并保证最终形成的散射网是连通的。另外，首领节点的资源应该是丰富的，保证整个网络的健壮性。

　　（3）各微微网中的主节点的选举

　　主节点负责维护各个微微网内的节点通信，主节点性能的好坏直接影响该网络的性能。主节点消耗的能量大，因此应该选择能量充分，健壮的节点作为主节点。

　　（4）桥节点的选择

　　桥节点对保证蓝牙散射网的连通起着关键性的作用，在网络中，桥节点在同一时刻只能在一个微微网中处于活动状态，它采取时分复用方式在这些微微网间切换，每切换到一个微微网，就与该微微网同步。桥节点一般分为两类：主桥节点和从桥节点，主桥节点是桥节点在一个微微网中为主节点而在另一个微微网中为从节点，称为M/S桥。从桥节点是桥节点在两个微微网中都为从节点，称为S/S桥。

　　蓝牙微微网通过M/S桥连接而形成的蓝牙散射网的拓扑为分级结构，

　　如图4示：

　　

　　图4 牙散射网的分级拓扑结构

　　分级结构中，网络拓扑表现为树形，假设树的根节点所在的微微网为根微微网，其他的微微网为叶微微网，则叶微微网的主节点为根微微网的从节点。各微微网的内部通信可独立进行，但微微网之间的通信要通过根微微网。因为叶微微网的主节点为桥节点，当它参与根微微网的通信时，所有叶微微网的通信将被挂起，严重降低了系统的吞吐量。

　　蓝牙微微网通过S/S桥连接而形成的蓝牙散射网的拓扑为平面结构，如

　　图5所示：

　　

　　图5 蓝牙散射网的平面拓扑结构

　　平面结构中，相邻微微网之间通过共享从节点进行通信，共享的从节点在休眠模式与活动模式之间切换，可以在这些微微网中交替地处于活动状态，实现微微网之间的通信，这种结构是分布式的，利于负载平衡，网络也更健壮。

　　综上所述，桥节点的选择在保证网络连通性的前提下，还要考虑所连通网络的健壮性，桥节点本身的健壮性也就很关键，因此应选择能量充足的节点作为桥节点；另外桥节点参与的微微网数量应尽量少，保证网络负载平衡，以及避免桥节点在不同微微网间切换带来的时间延迟和能量消耗。通过以上分析，我们知道只有对以上几个关键问题有所突破的拓扑构建算法才能构建出连通的，分布式的，时间延迟小的，健壮的蓝牙散射网。