基于蓝牙技术的无线接入网

吴瑞 汪敏 陈慧 上海大学

　　摘要：当前，如何实现移动用户的无缝因特网接入成为通信领域研究的一大热点，本文首先介绍了基于蓝牙技术的两种无线接入技术的原理，在此基础上简单讨论了它的路由技术，提出了针对越区切换问题的一种简单解决方案，最后给出了蓝牙接入网中微微网的几种实现方案。

1 概述

　　随着笔记本电脑和个人数字助理（PDA）的逐渐普及，人们对通信技术的期望越来越高，希望随时都能够接入因特网，实现移动互联。

　　无线接入网的概念就是指在该网内存在着多个无线接入点，移动终端通过它附近的无线接入点接入到局域网。此时的移动终端可以访问该局域网内的其他设备，也可以通过路由器、网关访问因特网上的资源。无线局域网支持用户漫游，即用户从一个位置移动到另外的位置时，实现自动切换，保持通信的连续性。目前，按照无线接入网的实现方式可分为固定无线接入网和移动无线接入网。

　　基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC（Bluetooth Public Access），本文主要介绍蓝牙技术基础上的无线接入。

2 蓝牙简介

　　蓝牙是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它能使包括移动电话、掌上电脑、笔记本电脑、相关外设和家庭电器等众多设备之间进行信息交换。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s，通信范围为10米到100米，可以同时支持数据和语音的传输。

　　蓝牙网络的基本单元是微微网（Piconet），微微网由主设备（Master）单元（发起链接的设备）和从设备（Slave）单元构成。蓝牙采用自组式组网方式（Ad-hoc），一个微微网中，有一个主设备单元和最多7个从设备单元。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，接受主设备单元的控制。例如，办公室的PC机可以是一个主设备单元。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，接受主设备单元的控制。例如，办公室的PC机可以是一个主设备单元，而无线链盘、无线鼠标和无线打印机可以充当从设备单元的角色。一组相互独立、以特定的方式连接在一起的微微网构成一个分布式网络（Scatternet），一个微微网中的主设备单元同时也可以作为另一个微微网中的从设备单元，这种设备单元又称为复合设备单元。蓝牙独特的组网方式赋予了它无线接入的强大生命力，同时可以有7个移动蓝牙用户通过一个网络节点与因特网相连。

3 蜂窝IP和移动IP

　　目前将TCP/IP协议用于移动用户主要有两种技术：蜂窝IP移动和移动IP。本文将结合蓝牙技术分别讨论它们的工作原理。

3.1 蜂窝IP(Cellular IP)的概念的工作原理

　　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。当无线LAN接入应用于移动用户时，移动用户在不同的基站间快速切换必然会引起严重的路由问题，这样就引入了移动用户使用一个依赖于子网的IP地址的技术，这就是蜂窝IP。在蓝牙技术下应用蜂窝IP的工作原理如下：

　　移动蓝牙用户（以下简称BT用户）需要无线接入时，它将发出查询命令，当基站能够接受新用户时，连接就建立起来了。这时BT用户将通过基站向蓝牙代理发送登记请求，蓝牙代理经过验证返回一个包含分配给BT用户的临时IP地址、代理服务器端口地址、以及DNS地址的分组。BT用户收到这个分组后，就可以采用该IP地址向因特网收发数据，也可以与本局域网内其他的BT用户通信。

　　当BT用户移动位置时，如果BT用户的接收信号强度（RSSI）小于某个门限值时，它将发出查询命令，查找是否有更近的基站存在，如果有，将与新的基站建立连接，这时BT用户将通过新的基站向蓝牙代理发送登记请求，蓝牙代理返回一个新的包含临时IP地址、代理服务器端口地址、以及DNS地址的分组，BT用户通过该IP地址向因特网收发数据。

3.2 移动IP的概念和工作原理

　　与蜂窝IP的工作机理不同，在移动IP中，移动用户可以使用一个固定的IP地址在任何地点采用任何方式连接到因特网上，当移动用户移动到另外一个网络或者子网时，移动用户可以在不改变IP地址的情况下仍保持通信，移动IP正是当前移动通信的研究热点。在蓝牙技术下应用移动IP的工作原理如下：

·本地代理（BT用户所在的本地网上的路由器）和外地代理（BT用户当前所在网络上的路由器）不停地向网上发送代理消息，以证明自己的存在。

·BT用户接收到这些消息后，确定自己是在本地网还是在外地网。

·如果BT用户发现自己是在本地网，并且收到的是本地代理发来的消息，则不启动移动功能：如果仍然收到外地代理发来的消息，则向本地代理发送注销原位置（外地网）的命令，声明自己已经回到本地网。

·当一个BT用户检测到它已移动到外地网，它将获得一个转交地址，该地址包含两方面的信息：一个是外地代理的IP地址，一个是外地代理通过某种机制与BT用户暂时对应起来的网络地址。

·然后BT用户向本地代理注册，表明自己已经离开本地网，并把所获得的转交地址通知本地代理。

·注册完毕后，所有通向BT用户的数据包将被本地代理截获，并由本地代理通过IP隧道（tunnel）发往外地代理。外地代理接收到后，再把数据包转发给BT用户。这样即使BT用户已经从一个子网移动到另一个子网，BT用户的数据通信仍然能够继续。

·BT用户发往外地数据包一般按IP寻径方法送出，不必通过本地代理。值得一提的是移动I宾路由问题，传统移动IP采用三角路由技术。

　　BT用户向通信对端发送信息时，直接通过外地代理传送，但是从通信对端发往BT用户的数据却由本地代理截收，再根据转交地址中的地址信息，采用隧道技术发送给外地代理，外地代理再传送给BT用户。这种方案的缺点在于它增加了本地代理的负担，并且路由的选择不是最佳的，增加了路由的延时。IETF建议的一种改进方案如下：通信对端在向BT用户发送数据之前首先向本地代理注册，从而获得BT用户的转交地址，再根据地址信息，直接传送给BT用户。这种方案在BT用户频繁越区移动时，若本地代理来不及刷新转交地址信息，将容易造成数据包的丢失。下面我们给出一种简单的解决越区切换问题的方法。

3.3 越区切换问题

　　要实现BT用户的无缝接入，最关键的问题就是越区切换。为了提高切换性能，可以采用在外地代理加缓冲区的办法来减少包的丢失率，这种方案的具体实现如下：当BT用户移动位置时，如果BT用户的接收信号强度（RSSI）小于某个门限值时，它将发出查询命令，查找是否有更近的外地代理存在，同时它也向原先的外地代理发出声明，告之它将切换到新的外地代理。BT用户移动到新的外地代理的登记请求没有被本地代理确认前，原先的外地代理将通信对端发送来的数据包存储在缓冲区里。在登记请求确认后，本地代理通过新的外地代理给BT用户发出确认消息，同时刷新通信对端的转交地址，使通信对端获得BT用户的新的转交地址，将以后的数据包发送到新的外地代理，再转发给BT用户。BT用户收到登记确认消息后，解除其在旧的外地代理的全记，并且通知它新的转交地址，使它释放缓冲区的数据包到新的外地代理，再转发给BT用户，这样就避免了切换时的数据丢失。

3.4 移动IP和蜂窝IP在蓝牙中的不同应用

　　蜂窝IP主要应用于BT用户地点相对固定的场合，比如火车站、医院等，它可以通过蓝牙技术与固定网络节点（公共电话网的节点）技术相结合来实现，这里蓝牙技术主要用于BLUEPAC网内数据的无线传输。这种技术的应用也可以很方便地实现一个家庭中的几台电脑的无线连接，并且能同时通过一个节点上网。移动IP主要应用于BT用户移动区域较大的场合，比如火车、飞机等，它可以通过蓝牙技术与移动网络节点（带WAP功能的手机）技术相结合来实现。由此可以看出蓝牙的无线接入网方案是与其它技术相结合的产物，因此它可以最大限度地利用现有设备，节省开支，为蓝牙技术的普及打下基础。

4 BLUEPAC中微微网的组网方式

　　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到影响。在BLUEPAC中的微微网有以下几种组网方式。

4.1 基站作为蓝牙从设备，BT用户作为主设备

　　在该网络中每一个BT用户都将基站作为它的从设备而建立一个微微网。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：这时的基站同时处于几个微微网中，必须与它们都保持同步，因此基站必须应用时分复用来满足多个微微网的寻址及通信，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。

4.2 基站作为蓝牙主设备，BT用户作为从设备

　　在该网络中基站作为主设备与多个BT用户建立一个微微网。在蓝牙技术中，从设备只有在被主设备寻址之后才能发送数据，因此在这种方式下，基站控制着该链路的介质访问权，并且BT用户在某个时间段发送的数据包的数量也由基站控制。这样BT用户访问因特网的效率将大打折扣，并且，在这种结构中，一个蓝牙微微网只能由一个主设备和7个从设备构成，因此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。

4.3 主从切换方式

　　鉴于上面两种方法的优缺点，我们给出下面一个折中的方案。

　　初始时，基站作为主设备，BT用户作为从设备，当某个连接建立后，BT用户变为主设备，基站变为从设备，也就是说在连接建立后进行一次主从切换。这时对于其他BT用户来说，基站仍然是主设备。这种方案最大的缺点是切换过程处理起来很复杂。

　　比较这三种方案的性能时，一个不可忽略的参数就是当BT用户从一个基站转移到国一个基站的失锁时间，它包括：链路管理计时器检测到的与当前基站失去连接的时间、查询区域内新基站的时间、通过发送寻呼消息与新基站建立同步的时间。

5 小结

　　本文详细介绍了基于蓝牙技术的两种无线接入技术的工作原理，提出了在外地代理中增设缓冲区来解决越区切换问题的方案，并且给出了BLUEPAC网中微微网的几种组网方式。

　　今天，蓝牙被认为“不仅是技术的集成，更是概念的创新”，它取代了电缆，更以其成本低廉，组网灵活而成为下一代个人区域网的理想实现技术。基于蓝牙技术的蜂窝IP和移动IP中的基站可以是任一具有蓝牙内核的PC机、笔记本电脑、甚至手机，增加的只是上层软件的复杂度，与目前提得较多的IEEE802.11无线接入技术相比，我们认为蓝牙在小区域组网中将更具优势。

摘自《移动通信（2001年第11期）》