多跳蓝牙自组网算法及其路由协议研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.79MB 76 页 15积分

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摘要

自组织网是一种自治的无线网，整个网络不需固定的基础设施，可以在不能

利用或不便利用现有网络基础设施的情况下，提供一种便捷的通信支撑环境，拓

宽了移动网络的应用场合。目前自组织网已经成为移动通信技术向前发展的一个

重要方向，并将在未来的通信技术中占据重要地位。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性规范，它以近距离无线连接为

基础，即时地将个人电子设备组成自组织网。由于低功耗，低成本，高安全性等

突出优点，蓝牙正成为个人区域网内快速构建自组织网的一种重要方式。然而，

由于蓝牙技术自身的某些特殊限制和特性，利用蓝牙技术构建自组织网还面临着

散射网的形成与拓扑创建、散射网路由及网络调度等许多具有挑战性的问题。

本文在研究分析蓝牙技术协议、框架及其网络结构特点的基础上，对现有蓝

牙自组网的拓扑构成算法、网络路由、网络调度进行深入研究和性能分析比较，

归纳出有效提高和改进蓝牙自组织网性能的组网规则。然后提出一种自适应调度

和动态路由的环状网络拓扑的蓝牙自组网，环状拓扑有效的避免了网络瓶颈的形

成并且网络具有较好的自愈性；动态路由协议充分利用了环状网络拓扑结构实现

数据分组的转发，其路由简单且易实现；匹克网内和网间的调度策略根据网络通

信量来动态分配时隙，能提高基带利用率，降低端到端数据传输时延。仿真结果

也表明了自适应调度和动态路由的环状蓝牙自组网的端到端时延低，信道利用率

高，公平性好。

本文的最后对蓝牙自组网的实现机制进行了讨论，在分析现有蓝牙协议栈和

蓝牙通信特点的基础上，提出了一个通用的蓝牙自组网应用框架。

关键字：自组网蓝牙拓扑结构调度策略路由

ABSTRACT

Ad Hoc network is an autonomous wireless network without fixed infrastructure

and centralized admin is traction. It can provide a convenient support environment when

the existing network infrastructure is not available. Currently, Ad Hoc network has been

used widely in many fields. It will occupy an important position in the future

communication technology field.

Bluetooth is a global standard for short-range wireless data and voice

communication. To its proximity-based wireless connectivity, it can quickly deploy the

personal electronic equipments to Ad Hoc networks. As it is low consumption, low cost,

high safety, Bluetooth is considered one of the promising technologies to be used in Ad

Hoc networks. However, Because of the technical limitations and its own particular

characteristics, the use of Bluetooth from Ad Hoc network also faces many challenges,

including scatternet formation, scatternet packet routing, seattemet scheduling.

In this paper, based on the research and analysis of Bluetooth protocol, application

profile and its network structure characteristics, then in-depth study the existing

Bluetooth ad hoc networks topology construction algorithms, network routing, network

scheduling, analysis and comparison their performance, summarize effectively enhance

and improve the Bluetooth Ad Hoc Network performance networking rules. And then

propose a new ring structure for Bluetooth ad hoc network with dynamic routing and

adaptive scheduling schemes. The adopted construction protocol ensures flexibility of

node selection and a good level of fault tolerance. The routing protocol combines both

simplicity and robustness by taking advantage of the ring structure and relying on the

collective memory of piconets to make forwarding and discarding decisions. The

intra-and inter-piconet scheduling algorithm dynamically allocates time slots and is

responsive to the varying workload conditions. We demonstrate, through analysis and

simulations, that the various components of the Bluetooth Ad Hoc Network yield a

system that has good performance in terms of throughput, latency, delivery, and link

utilization.

End of this paper, Bluetooth Ad Hoc Network implementation mechanism was

discussed. In the analysis of existing Bluetooth protocol stack and the Bluetooth

communication features, we introduce a framework for creating scatternets and show

III

how existing scatternet formation algorithms can be re-used by altering the layer at

which they become visible to the Bluetooth protocol stack.

Keywords: Ad Hoc Networks, Bluetooth, Topology, Scheduling Policy,

Routing

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题来源及意义 ............................................... 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................... 2

§1.3 本文的主要工作 ............................................... 4

§1.4 本文各章节安排 ............................................... 4

第二章研究基础 ..................................................... 6

§2.1 自组网简介 ................................................... 6

§2.1.1 自组网的定义 ............................................. 6

§2.1.2 自组网的特点 ............................................. 7

§2.1.3 自组网的应用 ............................................. 7

§2.2 蓝牙技术简介 ................................................. 8

§2.2.1 蓝牙核心协议栈 ........................................... 9

§2.2.2 蓝牙技术应用框架 ........................................ 10

§2.2.3 蓝牙数据传输 ............................................ 11

§2.2.4 节点状态与链路建立过程 .................................. 13

§2.3 蓝牙网络 .................................................... 16

§2.3.1 蓝牙匹克网 .............................................. 16

§2.3.2 蓝牙散射网 .............................................. 17

第三章蓝牙自组网拓扑形成、网络路由及调度策略 ....................... 19

§3.1 蓝牙自组网面临的主要问题 .................................... 19

§3.2 蓝牙自组网形成算法 .......................................... 19

§3.2.1 网状拓扑形成算法 ........................................ 20

§3.2.2 树状拓扑形成算法 ........................................ 22

§3.2.3 环状拓扑形成算法 ........................................ 23

§3.2.3 算法比较 ................................................ 24

§3.3 蓝牙自组网路由算法 .......................................... 25

§3.3.1 MANET 路由算法 ........................................... 25

§3.3.2 RVM 路由算法 ............................................. 25

§3.3.3 LORP 路由算法 ............................................ 26

§3.3.4 LARP 路由算法 ............................................ 27

§3.3.5 Scatter-Route 算法 ....................................... 28

§3.4 蓝牙自组网调度策略 .......................................... 28

§3.4.1 匹克网内部的调度(IRPS) .................................. 29

§3.4.2 匹克网间的调度(IPS) ..................................... 31

§3.5 提高蓝牙自组网性能的组网规则 ................................ 34

第四章自适应调度和动态路由的环状蓝牙自组网 ......................... 35

§4.1 环状蓝牙自组网拓扑结构 ...................................... 35

§4.2 环状拓扑结构的散射网形成算法 ................................ 35

§4.2.1 阶段Ⅰ：协调节点选举 .................................... 35

§4.2.2 阶段Ⅱ：节点角色分配 .................................... 39

§4.2.3 阶段Ⅲ：拓扑形成 ........................................ 41

§4.2.4 环状蓝牙自组网形成过程实例 .............................. 42

§4.3 动态路由协议 ................................................ 43

§4.4 自适应调度策略 .............................................. 45

§4.5 拓扑结构维护机制 ............................................ 47

§4.5.1 节点实效 ................................................ 47

§4.5.2 节点加入 ................................................ 48

§4.6 仿真及结果分析 .............................................. 50

§4.6.1 仿真环境 ................................................. 50

§4.6.2 实验及结果分析 ........................................... 51

第五章蓝牙自组网实现机制研究 ....................................... 56

§5.1 蓝牙通信 .....................................................56

§5.1.1 点对点通信 .............................................. 56

§5.1.2 端到端通信 .............................................. 57

§5.2.蓝牙自组网实现机制 .......................................... 60

§5.2.1.蓝牙个域网应用框架 ...................................... 60

§5.2.2.蓝牙自组网应用框架 ...................................... 61

§5.2.3 蓝牙自组网应用框架实例——SFP_IP ........................ 62

第六章总结与展望 .................................................. 65

§6.1 全文总结 .................................................... 65

§6.2 对未来工作的展望 ............................................ 65

参考文献 ............................................................ 67

读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................ 71

致谢 ............................................................... 72

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I摘要自组织网是一种自治的无线网，整个网络不需固定的基础设施，可以在不能利用或不便利用现有网络基础设施的情况下，提供一种便捷的通信支撑环境，拓宽了移动网络的应用场合。目前自组织网已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向，并将在未来的通信技术中占据重要地位。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性规范，它以近距离无线连接为基础，即时地将个人电子设备组成自组织网。由于低功耗，低成本，高安全性等突出优点，蓝牙正成为个人区域网内快速构建自组织网的一种重要方式。然而，由于蓝牙技术自身的某些特殊限制和特性，利用蓝牙技术构建自组织网还面临着散射网的形成与拓扑创建、散射网路由及网络调度等许多具有挑战性的问题...

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