论文基于蓝牙的无线自组网络的应用与研究.docx

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论文基于蓝牙的无线自组网络的应用与研究

基于蓝牙的无线自组网络的应用与研究

摘要

蓝牙是工作在2.4GHzISM频段的一种无线电技术，蓝牙设备以自组网络的方式进行连接组网。

移动Adhoc网络是一种特殊的无固定控制中心、不需要基础设施的无线多跳网络。

由于Adhoc网络的广泛应用，近年来成为移动通信领域的研究热点。

然而，由于蓝牙技术具有某些特殊限制与特性，要利用蓝牙技术组建Adhoc网络，还有很多具有挑战性的问题需要解决。

蓝牙协议是基于严格的主-从结点架构，即从结点设备间的通信必须借助主结点设备。

虽然这种主-从结点模式比较简单，但是这种模式加倍了主结点的带宽，增加了从结点设备间的时延。

为了解决这个问题，本文提出了动态频道分配（DSA）和划分微微网的方法。

在动态频道分配情况下，主结点动态地为从结点分配频道来实现不经过主结点，从结点间直接进行通信的目的，这个方法提高了服务质量。

为进一步拓宽动态频道分配方法的应用范围，又提出了服务质量自适应动态频道分配方法，这种方法又借助了了动态划分微微网的方法。

提出的这种方法在时延和最大吞吐量方面，极大的提高了蓝牙性能，降低了网络能量消耗。

关键词：

蓝牙；自组网络；微微网；服务质量

Abstract

Bluetoothisaradiotechnologyworksinthe2.4GHzISMfrequencybandandbluetoothdevicesconnecteintheformofadhocnetworks.MobileAdhocnetworkisaspecialmultihopwirelessnetworkwithoutcentralizedadministrationandcanbedeployedwithoutanyinfrastructure.Foritiswidelyusedindifferentfields,mobileAdhocnetworkhasbecomearesearchhotspotinternationallyinrecentyears.However,beforeitbecomesreality,manychallengingissuescausedbytheconstraintsandsomecharacteristicsofBluetoothtechnologyitselfshouldbeaddressed.TheBluetoothprotocolisbasedonastrictmaster/slaveconceptwhereinanycommunicationbetweenslavedeviceshastogothroughthemaster.Whilethismodelissimple,itincursmuchlongerdelaysbetweenanytwoslave-devicesasdoublethebandwidthisusedbythemaster.

Tohandletheseissues,weproposeDynamicSlotAssignment（DSA）andpiconetpartitioning.WithDSA,thepiconetmasterdynamicallyassignsslotstoslavessoastoallowthemtocommunicatedirectlywitheachotherwithoutanyinterventionfromthemaster,whichenhanceQualityofService（QoS）.TowidenthescopeofDSA,weproposeaQoS-awareEnhancedDSA（EDSA）wheredynamicpiconetpartitioning.ThatenhanceBluetoothperformanceintermsofthedelayandthethroughput,whilereducethenetworkpowerconsumption.

Keywords:

bluetooth;Adhoc;piconet;QOS

目录

摘要...............................................................Ⅰ

Abstract...........................................................Ⅱ

1绪论...............................................................

1.1课题背景与意义...................................................

1.2课题国内外现状...................................................

1.3本文的主要工作...................................................

2蓝牙技术协议.......................................................

2.1蓝牙技术概述......................................................

2.1.1蓝牙技术特点....................................................

2.1.2蓝牙协议体系结构................................................

2.1.3蓝牙普通数据包结构..............................................

2.1.4蓝牙拓扑结构....................................................

2.2蓝牙无线射频.......................................................

2.2.1射频频段和物理信道...............................................

2.2.2射频发射功率.....................................................

2.3基带层协议.........................................................

2.3.1物理信道及物理链路...............................................

2.3.2逻辑传输.........................................................

2.3.2.1逻辑传输地址（LT_ADDR）.........................................

2.3.2.2休眠成员地址（PM_ADDR）.........................................

2.3.2.3访问请求地址（AR_ADDR）.........................................

2.3.3逻辑链接..........................................................

2.3.4蓝牙设备操作状态及转换............................................

2.4蓝牙链路管理器协议LMP...............................................

2.4.1链路管理器协议单元格式.............................................

2.4.2LMP建立连接的进程.................................................

2.4.3链路管理器完成的主要功能...........................................

2.4.3.1安全管理.........................................................

2.4.3.2操作模式管理....................................................

2.4.3.3带宽控制........................................................

2.4.3.4链路控制器管理..................................................

2.5逻辑链路控制和适配协议L2CAP.........................................

2.5.1L2CAP概述.........................................................

2.5.2L2CAP特征功能.....................................................

2.5.3状态机.............................................................

2.5.4L2CAP分组格式......................................................

2.5.4.1面向连接信道......................................................

2.5.4.2无连接信道........................................................

2.5.4.3信令信道...........................................................

2．6服务发现协议..........................................................

2.6.1服务发现协议概述.....................................................

2.6.2服务记录和服务属性...................................................

2.6.3服务发现协议数据单元格式.............................................

2.7BNEP蓝牙网络封装协议..................................................

2.7.1BNEP功能要求........................................................

2.7.2包的封装.............................................................

2.7.3BNEP头格式..........................................................

2.7.4BNEP协议实现........................................................

2.8微微网、分散网和Adhoc................................................

3蓝牙算法的不足及改进....................................................

3.1蓝牙规范..............................................................

3.2现有算法的不足........................................................

3.3新的蓝牙算法描述......................................................

4DSA算法的仿真与分析.....................................................

4.1仿真软件和蓝牙模块的介绍...............................................

4.1.1仿真工具软件的介绍...................................................

4.1.2蓝牙仿真模块.........................................................

4.2性能分析...............................................................

4.2.1性能指标.............................................................

4.2.2理论分析.............................................................

4.3仿真实验...............................................................

4.3.1仿真参数.............................................................

4.3.2公式说明.............................................................

4.4仿真结果及结果分析.....................................................

结论................................................。

。

。

...................

参考文献...................................................................

致谢.......................................................................

外文文献翻译原文...........................................................

外文文献翻译译文...........................................................

1绪论

1.1课题背景与意义

蓝牙技术是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术，该技术具有无线性、低能耗、高安全等特点。

而传统通信技术的传输介质多为有线介质，这些有线传输介质使通信设备的位置相对固定，妨碍了设备的移动，因而将这些技术应用在移动设备上就不是很适用。

蓝牙技术作为一种无线通信技术，其在物理层使用无线射频信号作为传输介质，不同的设备只要安装有蓝牙模块，它们之间无需电缆就可以实现无线通信，这样就极大的提高了设备的移动性。

而且蓝牙技术的功耗很低，它不会增加设备太多的功耗，因此它特别适合于对功耗要求比较严格的设备和场合。

所以蓝牙技术是一种理想的替代电缆的无线通信技术。

随着无线通信技术和移动终端技术的发展，无线自组网在各领域的应用日益受到重视。

又由于蓝牙技术的迅速发展，基于蓝牙的无线自组网络，更是在各个行业得到了广泛应用，各方面的研究不断展开。

当前，虽然对基于蓝牙的自组网的形成、调度和路由选择问题进行了规定，制定了诸多协议。

然而在特定的应用环境中，一些算法还存在着某些缺陷，需要进一步的优化，才能在该领域内创造出更大的效益。

因此研究出更优化的算法对蓝牙自组网的应用是非常有意义的。

1.2课题国内外现状

当前几种主要的无线技术包括无线LAN（WLAN）、无线个人区域网（PAN）、无线广域网（WAN）及固定接入无线技术。

和有线网络技术比较，无线网络发展的步伐要慢得多。

然而，由于无线客户的需求也在不断增长，无线网络正在加快步伐，为用户提供移动性则是其首要目的。

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．具有蓝牙功能的设备能组成一个不需额外网络设备，在某个区域内一起自主协调工作，相互间自由通信的独立无线移动网络，即无线自组网络。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，旨在建立低功耗、低成本、短距离、小型化的无线连接。

蓝牙（buetooth）作在2．4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2．4～2．4835GHz。

使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证；可同时传输语音和数据；可建立临时性的对等连接；具有很好的抗干扰能力；蓝牙模块体积很小，便于集成；具有开放的接口标准。

基于蓝牙的无线自组网络是无线自组网络中的一种，具有无线自组网络的所有特点，又由于蓝牙技术的特殊性，使基于蓝牙的无线自组网具有了更多的优越性。

蓝牙协议是基于严格的主-从结点架构，即从结点设备间的通信必须借助主结点设备。

虽然这种主-从结点模式比较简单，但是这种模式加倍了主结点的带宽，增加了从结点设备间的时延。

1.3本文的主要工作

为了解决主-从结点模式带来的从结点间数据交换的诸多缺点，本文提出了动态频道分配（DSA）和划分微微网的方法。

在动态频道分配情况下，主结点动态地为从结点分配频道来实现不经过主结点，从结点间直接

进行通信的目的，这个方法提高了服务质量。

为进一步拓宽动态频道分配方法的应用范围，又提出了服务质量自适应动态频道分配方法，这种方法又借助了了动态划分微微网的方法。

提出的这种方法在时延和最大吞吐量方面，极大的提高了蓝牙性能，降低了网络能量消耗。

本文列出了动态频道分配（DSA）的基本算法，并用Matlab7.0进行了仿真，进一步验证了该算法的优越性。

2蓝牙技术协议

2.1蓝牙技术概述

2.1.1蓝牙技术特点

随着计算机网络技术和无线通信技术的迅猛发展，人们对于通信的要求已经不仅仅满足于简单的实现异地的有线通信，而需要具有高灵活性和移动性的无线通信技术。

根据使用环境和特点的不同，相继出现了适用于大用户量、全球范围的移动语音和数据通信技术GPRS（GeneralPacketRadioService）、适用于办公室中长距离网络接入的IEEE802.11无线以太网技术、适用于个人超短距离通信的红外线技术。

但是一直都缺少适用于中短距离、低功耗、低成本、高互操作性的无线技术。

蓝牙技术就是在这样的背景下出现的。

蓝牙技术是一种中短距离无线射频通信技术，省去了各种数字便携设备之间需要经过复杂的有线介质连线和软件安装过程，使各种数字便携设备可以实现无缝连接，提高了不同便携设备的移动性。

蓝牙技术并且具有如下的特点:

蓝牙技术的开放性;中短距离通信;无线连接性;蓝牙产品的互操性和兼容性;传输语音和数字信息;安全无公害性;工作频段的免费性;信息的安全性。

2.1.2蓝牙协议体系结构

蓝牙核心系统覆盖了最低四层（射频层、基带层、链路管理层和L2CAP层）和与其相关的服务层协议。

核心系统架构如图2.1所示。

最底三层有时作为一个子系统蓝牙控制器。

通常在蓝牙控制器和L2CAP及其它应用层（即蓝牙主机）之间是一个标准的物理通信界面，而该物理通信界面一般是可选的。

该界面叫作主机控制界面（HCI）,HCI层以下的叫做主控制器，HCI层以上的叫主机。

蓝牙核心系统通过各种接入点来提供设备管理服务、传输控制服务和数据传输服务（图中的椭圆形即为接入点）。

下面对核心系统最低四层加以简单说明。

1）射频层:

射频块主要在物理信道上可靠地传送和接收符合要求的数据。

2）基带层:

对射频块的时间和频率进行控制，传输符合基带要求的数据流。

3）链路管理器层:

链路管理器主要对与物理信道、逻辑传输和逻辑连接上所

传输的相关数据载荷进行编码和解码。

4）逻辑链路控制与适配层:

逻辑链路控制和适配层主要是进行流量控制和接收缓冲分配。

2.1.3蓝牙普通数据包结构

通常蓝牙数据包由信道接入码、包头、有效载荷头、有效载荷和CRC组成。

有效载荷包括:

LMP信息、L2CAP信号、L2C”帧和其他用户数据;有效载荷头携带逻辑连接标示符;包头携带逻辑传输标示符;信道接入码携带物理信道接入码。

载荷头前面的保证时间和同步序列仅仅针对EDR增强数据速率的，用来在物理层选择调制方式。

2.1.4蓝牙拓扑结构

一个匹克网可以包括两个或多个具有同样物理信道（即具有同样的跳频序列和时钟）的设备。

不同匹克网具有不同的物理信道。

通过时分复用，一个蓝牙设备可以参与多个匹克网，但是它只能做一个匹克网的主设备，可以做多个匹克网的从设备。

多个匹克网互相连接之后组成散射网。

2.2蓝牙无线射频

蓝牙无线射频是蓝牙中的最低层次，属于蓝牙技术的硬件接口，实现蓝牙技术的空中物理接口，该层主要规定了蓝牙射频信号的规格和参数，包括射频信道的划分、射频的频段分布、信号的调制方式等，这部分协议主要是由蓝牙专用硬件电路来实现。

2.2.1射频频段和物理信道

蓝牙射频工作在免费的2.4GHzISM频段，这个频段分布在2400MHz-2483.50MHz。

在这个频段划出79个跳频信道，每个信道带宽为1MHz。

蓝牙底层收发器使用自适应跳频技术，高斯频移键控（GFSK）和相移键控（PSK）调制方式。

采用GFSK调制方式时，蓝牙的传输速率可达到1M/s，使用PSK调制方式蓝牙的最大传输速率可达到3M/s。

由于蓝牙EDR用相移键控（PSK）调制方式取代标准传输率的高斯频移键控（GFSK），当采用zr/4-DQPSK进行调制时，数据速率可以提高到2M/s，当采用8DPSK进行调制时，数据速率可以提高到3M/s，从而实现了更高的数据传输速率。

这样在无线电链路上发送数据时，数据包有效载荷的每一种符号能够传输更多的位元。

传输速率的增加意味着如果资料量不变，那么EDR无线电发送数据的时间将减少为原来的1/2或者1/3，因而降低了功耗，也就增加了产品电池的使用时间。

蓝牙射频系统使用了时分双工（TDD）工作方式，这样信道从时间上被划分为很多时隙。

蓝牙微微网中的设备分为主设备和从设备，其中，发起通信的设备称为主设备，其他设备都是从设备。

主设备在偶时隙发送，从设备在奇时隙发送。

蓝牙射频的跳频频率是1600Oh/秒，每个时隙的宽度是625uS（1/1600秒），蓝牙射频在指定时隙中其工作频率是不变的，所有微网中的蓝牙设备都与主设备的跳频序列相同，如图2.4