基于藍牙的ＷＰＡＮ無線Ｍｅｓｈ組網構架

朱潔凈　呂光宏　吳明　聶煒瑋

摘要：文章對藍牙技術、piconet的建立，對基于藍牙技術的WPAN mesh組網深入描述。支持WPAN mesh組網自組織的關鍵技術包括按需自組織技術、路由技術等。關鍵詞：藍牙；組網；關鍵技術

21世紀以來，藍牙無線局域域網WPAN與無線Mesh網絡正在迅速發展。以藍牙作為WPAN主導技術核心思想就是用藍牙無線技術組建個人化信息網絡。在其覆蓋范圍內各種信息化設備能實現資源共享。無線Mesh網因其高頻譜效率、動態自組織和敷設成本低等優點被認為是網絡中的一項關鍵技術。實現BT-WPAN與其它網絡互聯，提高網絡自身的兼容性。

1藍牙微微網(piconet)的建立

藍牙通信，是借助藍牙設備以特定方式組成網絡piconet來實現的。如果某臺設備的時鐘和跳頻序列被用來同步其他的設備，則稱它為主設備，非主設備的設備為從設備。所有的藍牙設備都是對等的，以同樣的方式工作。主設備與從設備之間點對點或點對多點交互通信，從設備被主設備選中時，才可以進行傳送。這個主設備通常稱為PNC。

在piconet建立之前，所有的設備都處于等待狀態，設備一旦被喚醒，就在預先設定的跳頻頻率上監聽信息。連接進程從PNC的初始化開始。在初始尋呼狀態，PNC在16個跳頻頻率上發送一串相同的尋呼信息給從設備；如果沒有收到應答，PNC就在其他的16個跳頻頻率上發送尋呼信息。在piconet中，設備在無數據傳輸時轉入節能工作狀態。PNC可將從設備設置為保持方式，從設備也可以自己要求轉入保持方式。設備由保持方式轉出后，可以立即恢復數據傳輸。監聽方式和休眠方式是另外兩種低功耗工作方式。在監聽方式下，從設備監聽網絡的時間間隔增大；在休眠方式下，設備僅偶爾監聽網絡同步信息和檢查廣播信息。

2BT－WPAN mesh組網

在標準802.15.3中，WPAN可僅有一個單獨的piconet，也可有從picdnets作為該網絡的子網；這就是遵守802.15.3標準的父－子(parent-child)層次結構，子PNC能與父PNC和網中的所有設備進行數據交換；在自己網中，子PNC也能和其它設備通信。這一規定局限性是，在子網中的設備不能與父網中PNC及設備進行通信，即使它們都處在彼此的傳輸范圍內。為了多個WPAN能夠實現點到多點，及多點到多點的多跳通信，又推出IEEE802.15.5標準，Mesh網絡被定義為一個個域網，在mesh結構中，除了有WPAN網內通信，也存在網間通信。對于網內通信，單個PNC為終端設備提供無線接入、無線資源管理等功能；對于網間通信，一個網內節點設備可以與其他網內的MPNC和節點設備通信；MPNCS之間也能互相通信。

3BT－WPAN無線Mesh組網的關鍵技術

3.1按需自組織技術

某個piconet MPNC啟動mesh WPAN，該MPNC稱為mesh coordinator(MC)。要啟動一個mesh網絡，MC信號應該包含一個能唯一標識網絡的mesh標志符ID和一個肉絡負載信息單元IE，該IE包含一個MPNC是否能夠支持新的子網，或為別的MPNCS轉發數據包的信息。MC可以建立一個樹型拓撲結構，該樹型拓撲結構可以在MC信息單元上表示出來。

MC鄰居節點通過發送樹鏈接請求命令加入樹，此命令包含擁有實際下一代數量的MPNC信息。MC從鄰居MPNC接到鏈接請求命令，它先查閱MC分配給TREEIDs的可利用地址空間來決定是否能夠支持MPNC及其下一代。如果MC能夠支持MPNC及其下一代，它就給MPNC發送樹鏈接響應命令。除了通知目的MPNC告訴其鏈接狀況外，樹鏈接響應命令還包含可利用的TREEI-Ds、拓撲結構服務器和地址服務器的信息。鏈接的MPNC在樹表內加MC作為其新的父，并發送了一個IE信號，該IE含有增加更多的設備作為其子信息。

如果一個子MPNC從兩個或兩個以上的樹成員(父MPNC)接到信號，它們都愿意接受新的子，這個子MPNC就選擇離MC最少路線開銷的MPNC作為它的父。一個父MPNC能用樹斷裂請求命令去斷開子，子也可以使用同樣的命令從父處斷開。父MPNC或子MPNC發送樹斷裂確認命令幀完成斷開過程。

3.2路由技術

無線Mesh路由協議可參照Ad Hoc網絡路由協議DSR、DSDV、AODV等，但又有所不同。下面的路由策略適用于MPAN，它較靈活。能適應新的高效路由協議。

本地路由：如果一個源MPNC發現能夠直接到達目的節點，它就直接傳送數據包。否則，它就檢查是否能直接到達一個鄰居節點，并將數據包發送給該鄰居節點。

遠程路由：遠程路由可分為樹路由，集中路由，基于位置的路由和分布式路由等。考慮MAN運行需求，它們中的每一個都能夠設計成路由協議。

樹狀結構和TREEID分配方法使MP-NCs能根據TREEID塊信息和子的TREEID塊信息路由數據包。一個MPNC可以檢查目的MPNC的TREEID是否屬于源MPNC的TREEID塊，不屬于，就把數據包轉送給其父；屬于，就把數據包轉送給它的子。

在集中路由中，一個或多個MPNCs可充當拓撲結構服務器來存儲所有MPNCs的鏈接狀態信息。在mesh網絡，所有MPNCs應在拓撲結構服務器上標記它們鏈接狀態。為了防止單點故障，許多拓撲結構服務器可充當備份服務器。通過向備份服務器發送鏈路狀態標記命令幀，主服務器和備份服務器達到同步。如果主服務器實效，主服務器的鄰居節點應轉發所有的鏈路狀態標記幀和路由發現幀給備份服務器。

如果物理層允許在設備間作出精確距離測量，就可以建立一個坐標系來涵蓋整個mesh網絡。源MPNC應能設置分組傳輸路徑作為基于位置的路由，在路由輔助區域內確定自己和目的MPNC物理位置；源MPNC計算目的MPNC和該源MPNC的鄰居MP-NCS之間的距離。和目的MPNC最近的鄰居作為下一個轉發設備。如果沒有合適的最近節點，源MPNC可以選擇分布式路由，向整個網絡廣播路由發現幀，直到找到一個到目的最佳路由。當某個MPNC接到該幀，它應更新與源MPNC之間的路由值；如果該MP-NC和源MPNC之間已經有一個路由項，路由發現幀的路由值小于它的路由項中的路由值，應對幀更新。如果這個MPNC是目的MPNC，并且路由項被幀更新，它應生成一個路由形成命令幀，向源MPNC發送該幀；幀內的源設備標志符應定為目的MPNC識別碼，目的設備標志符應定為源MPNC識別碼；幀的中繼表應設置為一個空表。如果這個接到路由發現幀的MPNC不是幀的目的地并且它是首次收到幀，該MPNC應該在路由發現表中記錄該幀，然后再轉播該幀；如果以前該MPNC收到過幀，并且路由項被這個幀更新，那它就只轉播該幀。當某個MPNC收到含有空中繼表的路由生成幀，它應首先針對其路由表檢查源設備標志符。如果該MPNC和目的MPNC之間沒有路由項，就應建立一個；否則，通過參照和源MPNC之間路由項，它應更新其路由項和路由生成幀路由值到下一跳進行轉發。當源MPNC收到路由形成命令幀，它應為目的MPNC建立一個路由項，開始發送數據包。

4結束語

基于藍牙Mesh WPAN因其組網的快速靈活性、節點的分布性等優點，可以以少量的基礎設施，構建覆蓋范圍廣的高速無線網絡。并且具有成本低、升級方便等特點。如何在下一代移動通信網絡中發揮這種構架的性能優勢和潛力，是需要深入研究和探