藍芽個人無線區域網路上通訊議題之設計實作與分析(III)
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(2) 摘要 藍芽（Bluetooth）技術是一個相當普及之個人區域網路標準，在無線通訊領域發展中 扮演著重要的角色；藍芽當初原本是設計用來取代纜線設備（例如：滑鼠，鍵盤與個人電 腦之連接線） ，但在後來的演進中發現，藍芽的應用面並不僅止於此；隨著市面上低價藍芽 模組的陸續出現，大規模的藍芽設備佈署將很有可能在近期內實現。針對上述趨勢，我們 將分別就藍芽相關通訊議題，提出一系列的解決方案或分析結果，並實作出真正具有通訊 功能的藍芽散網(scatternet)與微網(piconet)，評估不同網路結構對整體通訊效能的實際 影響，以達到驗證理論分析之目的。 本計畫的主要目標，是建立有效率的藍芽通訊網路並以理論加以評估。在第一年當中， 針對藍芽的主從式網路架構做改善。在藍芽微網的環境下，探討主裝置詢問（poll）從屬 裝置之機制策略，儘量填滿所有的負載欄位（payload field），以及空的數據封包，期望 更有效率地使用每一個藍芽時槽（time slot），藉此提昇藍芽微網最大可容納之生產量 （throughput），使得更多的通訊活動能夠同時被支援。 第二年的工作重點在於將數個微網連結成一個更大的網路結構，我們提出一個藍芽散 網的環形結構，稱為藍環(BlueRing)。進而探討並實作藍環之形成(formation)，繞徑 (routing)、維持管理(maintenance)以及提供一種回復機制（recovery mechanism），使藍 環網路拓樸結構具有容錯能力，在出現錯誤時能迅速回復網路結構。此外，我們針對藍芽 標準 V1.1 版及 V1.2 版，分析其頻率匹配(frequency-matching)的延遲時間，並針對分析的 結果，提出了三種可以提升藍芽裝置搜尋時間的方法。 計畫的第三年中，我們研究在多個微網共存的環境（multi-piconet environment）中，從 數學機率分析的角度，來評估因共同頻道干擾（co-channel interference）而導致封包碰撞 （packet collision）所造成對整體網路效能的影響程度，以供藍芽網路佈署時之參考依據。. 關鍵詞： 藍芽，散網，微網 I.
(3) 目錄 報告內容 I.. 前言. ………………………………………………………………………………… 1 …………………………………………………………………………………… 1. II.研究目的………………………………………………………………………………2 III. 研究方法…………………………………………………………………………… 2 IV. 研究成果………………………………………………………………………………4. 結論……………………………………………………………………………………. 5. 附錄……………………………………………………………………………………………. 6. V.. I.. 發表論文全文. …………………………………………………………………… 6. II.
(4) 報告內容 I. 前言 藍芽係採主從裝置之網路結構（master-slave configuration），其基本的網路單元稱 為微網（piconet） ，主裝置（master）係微網（piconet）之中心控制設備，並以輪詢（polling） 的方式來解決從屬裝置間競爭無線頻道（wireless channel）的問題，然而現有藍芽規格 裡並無明確交代主裝置該以何種策略來輪詢旗下從屬裝置，使得頻寬能很有效率地被運 用；本計畫執行的第一年，我們在微網的環境下，探討主裝置（poll）從屬裝置之機制策 略。我們提出一個樣式配對（Pattern Matching）的輪詢策略，根據主裝置與從屬裝置之 相對流量，我們將定義一組最有效率的輪詢樣式（polling pattern），並計算排程相對應 的輪詢時間點（polling timings）。現有藍芽規格中也未清楚定義如何將數個微網連結起 來可以形成一個更大的網路結構，端視各家廠商如何設計。因此，如何規劃一個簡單又有 通訊效率的藍芽散網（scatternet）拓樸結構，便成為藍芽是否能成為個人無線區域網路 上主要標準技術元件的關鍵所在;在本計畫執行的第二年中，我們將提出一個藍芽散網之環 形結構，稱為 藍環 （BlueRing），它能將數個微網以環狀的方式串接起來，並研究藍環 （BlueRing）之形成（formation）、繞徑（routing）、及維運管理（maintenance）機制。 在本計畫執行的第三年，我們研究在多個微網共存的環境（multi-piconet environment） 中，不論這些微網有沒有彼此連結成一個散網，都無可避免地會遭遇到因 頻道干擾 （co-channel interference）而導致封包碰撞（packet collision）的問題，我們試著從 數學機率分析的角度，來評估因為頻道干擾所造成對整體網路效能的影響程度，並配合先 前在計畫第二年中實作出來具通訊能力之藍芽散網，提供理論與實測數據結果，以供將來 藍芽網路佈署時有用之參考依據。最後，我們結合了藍芽及行動電話網路，實作出一套訪 客系統，實際利用藍芽通訊的優點，將之實現在日常生活中。. 1.
(5) II. 研究目的 本計畫第一年的工作重點在於針對藍芽的主從式網路架構做改善。在藍芽微網 （piconet）的環境下，探討主裝置詢問（poll）從屬裝置之機制策略，減少負載欄位（payload field）沒填滿，或甚至空的數據封包，期望藉由更有效率地使用每一個時槽（time slot） 來提昇藍芽微網最大可容納之生產量（throughput）。 第二年的工作重點在於將數個微網連結成一個更大的網路結構，稱為散網 （scatternet） 。這個部分目前藍芽現有的標準規格裡並沒有清楚的定義，端視各家廠商如 何設計。而在藍芽設備日益增加的情況下，欲延伸藍芽的使用，有效率地建立與維持藍芽 散網將是關鍵技術。我們提出一個藍芽散網的環形拓樸結構，稱為藍環(BlueRing)。進而 探討並實作藍環之形成(formation)，繞徑(routing)、維持管理(maintenance)以及提供一 種回復機制（recovery mechanism） ，使藍環網路拓樸結構具有容錯能力，在出現錯誤時能 迅速回復網路結構。此外，針對藍芽搜尋裝置（device discovery）的時間過長的缺點， 我們也提出分析和解決的方法。 在計畫的第三年度，我們研究在多個微網共存的環境（multi-piconet environment） 中，從數學機率分析的角度，來評估因為共同頻道干擾（co-channel interference）而導 致封包碰撞（packet collision）所造成對整體網路效能的影響程度，以供將來藍芽網路 佈署時有用之參考依據。. III. 研究方法 計畫第一年：樣式配對和輸詢策略 我們提出一個有效率的樣式配對（Pattern Matching）的輪詢策略，適當地解決了其 他相關研究效率的不足。輪詢樣式（Polling Patern）是一對主裝置和從屬裝置間產生不 同種類的藍芽封包的組合(e.g., DH1/DH3/DH5/DM1/DM3/DM5)產生的序列，這個序列可以適 當地反應出這對裝置流量的比例（比如說流量的不對稱性） 。藉由明智地選擇適當的論詢樣 式以及裝置連接的輪詢時刻，藍芽的頻寬可以被充分的被利用。另外，封包大小所能載送 之資料量並不同，我們有效解決上／下行鏈結（up-／down-link）之交通量不對稱的問題， 並減少負載欄位（payload field）沒填滿，甚至空的（null）數據封包，更有效率地使用 每一個藍芽時槽（time slot），提昇藍芽微網最大可容納之生產量（throughput），使得更 多的通訊活動能夠同時被支援。此外，我們還提出溢位機制（Overflow Mechanism）以解 決無法預測的流量產生的變化。對於一般的流量或是流量擁擠的網路，我們進行了大規模 的模擬來驗證樣式配對論詢策略的效能。 計畫第二年：藍環和裝置搜尋. 2.
(6) 藍芽的標準規格並未清楚定義如何將多個微網結合成一個大的散網。在較大規模的散 網內，由於藍芽基頻（Baseband）層和介質存取控制（Medium Access Control）層的特性， 直接採用現有的繞徑（routing）演算法會產生一些問題。我們提出了稱為藍環（BlueRing） 的網路拓樸，它能將數個微網以環狀的方式串接起來，成為一個 ring of trees 之架構。 連接微網與微網之藍芽主機稱為橋接器（bridge），橋接器負責跨微網（inter-piconet） 之封包轉送；在這項研究裡我們也探討藍環的形成（formation）、繞徑以及維護管理 （maintenance）等議題。藍環網路在中型的網路（約 50~70 個裝置）是有延展性的，而不 會像樹狀或星狀網路在接近根點（root）時會形成瓶頸（bottleneck）的問題。此外，藍 環網路具有容錯及回復機制（recovery mechanism），能夠在網路中的裝置失去功能時繼續 維持網路架構。 另外，藍芽搜尋裝置的時間過長，這樣可能會影響一些藍芽上的應用以及影響藍芽通 訊的效率。我們分析了藍芽 V1.1 及 V1.2 頻率匹配（frequency matching）的延遲，並且 提出三個可以加速搜尋藍芽裝置的方法。分別為： z Half Inquiry Interval (HII)：將詢問的週期縮減為一半，其效果可以減少前述的等待 時間。 z z. Dual Inquiry Scan (DIS)：從屬裝置將其做詢問頻率增為兩倍，可以增加每次詢問時 窗會被詢問到的機會，因而大量地減少頻率匹配的延遲。 Combination of HII and DIS：結合上述兩種方法。. 計畫第三年：多微網間封包碰撞頻率分析及藍芽訪客系統的實作 藍芽使用 2.4GHz 的 ISM 頻帶，在多個微網共存的環境中，各個微網必定會遭遇封包碰 撞（collision）的情形，預測在多微網環境中封包碰撞的頻率是相當值得探討的問題。之 前相關的研究僅針對單一時槽封包，然而藍芽規格中還提供了 3 個及 5 個時槽封包的傳輸， 這樣的結果顯然是受限制的。我們將多時槽封包的情形納入考量，提出更加一般化的分析， 有助於在實際佈建多微網的藍芽網路時提供較準確的參考。 最後，我們結合了目前相當普及的藍芽和環球行動通訊系統（GSM） ，提出一種以事件導 向為主並整合行動電話與感測器（sensor）的網路，並以此架構實作出一套訪客系統。簡 訊是行動電話上非常重要的運用，然而傳統的簡訊必須靠簡單的人為動作觸發，限制了簡 訊的用途。在整合行動電話與感測器的網路的訪客系統中，我們利用感測器事件感知的能 力來判斷訪客的進／出某個區域的事件，並且自動以簡訊告知主人，減少了約會時不必要 的等待時間。這個系統的實作也展示出整合異質網路應用的潛力。. 3.
(7) IV. 研究成果 計畫第一年：樣式配對和輸詢策略 在這項研究中，我們提出一個有效的樣式匹配輪詢（Pattern Matching Polling，PMP） 策略。藉由估計每對藍芽主從裝置的封包到達頻率，我們可以在主裝置端找出一個輪詢式 樣（polling pattern），有效地使用網路的頻寬。根據這個輪詢式樣，主裝置可以在適當 的時間用適當的封包種類來輪詢從屬裝置；同樣地，從裝置也可以根據這個方法回覆適當 種類的封包。PMP 策略適當地指出了上傳（uplink）和下傳（downlink）流量的不對稱。PMP 策略的另一個優點是它的計算複雜度低，在樣式長度（pattern length）為 3 或 4 時就有 很好的效能。模擬的結果顯示，和其他的輪詢演算法相比，PMP 策略使藍芽網路能較有效率 地使用頻寬，同時兼顧適當的封包延遲。 計畫第二年：藍環和裝置搜尋 我們提出了稱為藍環（BlueRing）的網路拓樸，用於連接藍芽微網，以及設計了藍環的 形成（formation） 、繞徑（routing）以及維謢管理網路拓樸的方法。由於藍環的簡單性和 規律性，藍環上的繞徑不需要各裝置維持繞徑表格（routing table），也不需要傳的繞徑 發現的動作，非常適合手機等較簡單的行動裝置。此外，藍環的修復機制（recovery mechanism）也能夠在數個裝置損壞或是異常時重新連接網路。分析及模擬結果指出，藍環 比起其他建構散網的方法提供較高的最大可容納之生產量（throughput）及較低的封包延 遲（packet delay）。在縮短藍芽裝置的搜尋時間方面，結果證明結合 HII 和 DIS 的方法充 分地減少了延遲。在使用結合 HII 和 DIS 的方法下，期望的頻率匹配延遲從平均的 23.55 秒降至 11.38 秒。 計畫第三年：多微網間封包碰撞頻率分析及藍芽訪客系統的實作 我們對於多微網間封包碰撞頻率分析進行了模擬，模擬的結果證明了這項分析的正確 性。單時槽的封包很明顯地有較低的碰撞頻率，然而多時槽封包在傳輸上更有效率，因此 我們將網路的最大容納流量做為評估的重點。最後模擬的結果證明，在流量負載皆為 70% 的狀況之下，使用較多的多時槽封包的表現得比使用較少多時槽封包好。 最後，我們成功地實作出結合藍芽與行動電話的訪客系統的原型，並且對這套系統從 偵測到事件至告知主人的延遲進行分析和模擬。我們的系統也具有模組化的優點，可以讓 程式設計者根據應用調整他們的系統，而不影響到底層和基本的架構，這樣的彈性在實作 整合異質網路的系統是相當關鍵的。. 4.
(8) V. 結論 本計畫進行順利，成果豐碩，相關論文發表如下： z. T.-Y. Lin, Y.-C. Tseng, and Y.-T. Lu, “An Efficient Link Polling Policy by Pattern Matching for Bluetooth Piconets”, The Computer Journal, Vol. 47, No. 2, 2004, pp. 169-178. (SCIE, EI). z. T.-Y. Lin, Y.-C. Tseng, and K.-M. Chang, “A New BlueRing Scatternet Topology for. z. Bluetooth with Its Formation, Routing, and Maintenance Protocols”, Wireless Communications and Mobile Computing, Vol. 3, No. 4, June 2003, pp. 517-537. (SCIE) J.-R. Jiang, B.-R. Lin, and Y.-C. Tseng, "Analysis of Bluetooth Device Discovery and Some Speedup Mechanisms", Int'l J. of Electrical Engineering, Vol. 11, No. 4, Nov. 2004, pp. 301-310. (EI). z. z. T.-Y. Lin and Y.-C. Tseng, “Collision Analysis for a Multi-Bluetooth Picocells Environment”, IEEE Communications Letters, Vol. 7, No. 10, Oct. 2003, pp. 475-477. (SCI, EI) Y.-C. Tseng, T.-Y. Lin, Y.-K. Liu, and B.-R. Lin, "Event-Driven Messaging Services over Integrated Cellular and Wireless Sensor Networks: Prototyping Experiences of a Visitor System", IEEE J. on Selected Areas in Communications, Vol. 23, No. 6, June 2005, pp. 1133-1145. (SCI, EI). 5.
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