A Tree-Based Scatternet Construction Protocol for Improving Performance of Inter-Piconet Communication Service Over Bluetooth Radio Systems
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(2) procedures： (1) Master 在起始時將進入 Inquiry State，依 據其 Clock 值在 Inquiry Hopping Sequence 上的特定 channel 傳送 ID packet，其 packet 內容含有推衍自預設值之 Inquiry Access Code(IAC)。為了避免如果有兩個 Slaves 同時在同一個 frequency 收到 Master 所送 出的 ID packet，而造成這兩個 Slaves 回傳 FHS packet 時發生碰撞情形，所以當每個 Slave 收到 Master 之 ID packet 後，必須先 等一段 0~1023 個 slots 的 random Backoff 時間來避免這問題。 (2) 經過 Backoff 時間後，Slave 再重新進入 Inquiry Scan State 來接收 Master 傳來的第 二個 ID packet。 如果 Slave 正 好處於 Inquiry Scan State 中並收到這個訊息，則 會繼續接下來與 Master 通訊。 (3) 接收第二個 ID packet 之後，Slave 會將含 有自己的 Clock 資訊及 BD_ADDR 的 FHS packet 回 傳 給 Master 。 Slave Clock 及 BD_ADDR 資訊，有助於 Master 在 Page State 時計算出 Slave 的 Paging Hopping Sequence。最後 Master 與 Slave 雙方分別 進入 Page State 與 Page Scan State。 (4) 當 Master 進入 Page State 後，先傳送一個 ID packet 給 Slave，其 packet 內容含有推 衍自 Slave 之 Device Access Code (DAC)， 用來確認該 Slave 是否己經進入 Page Scan State。 (5) 若該 Slave 已經進入 Page Scan State，則回 傳一個含自己的 DAC 的 ID packet 當 Ack。 (6) 當 Master 收到 Slave 所傳來的 ID packet 後，將再傳送一個 FHS packet 給 Slave， 而此 packet 內容將包含 Master 的 Clock 及 BD_ADDR 資訊，使 Slave 能計算出 Master 連結後的 Channel Hopping Sequence。在此 FHS packet 中 亦 包 含 3-bit 的 Active Member Address (AM_ADDR)以作為連結 後 Slave 身份辦別之用。 (7) 當 Slave 收到 Master 所傳的 FHS packet 後，Slave 又回傳一個自己的 DAC 的 ID packet 給 Master，作為 FHS Packet 的 Ack。. 最 後 Master 與 Slave 雙 方 皆 進 入 Connection State。 (8) Master 進入 Connection State 後，先傳送一 個 POLL packet 給 Slave 做為 Piconet 連結 成功確認訊息。 (9) 當 Slave 收到 Master 所傳的 POLL packet 後，Slave 又回傳一個 NULL packet 來告 訴 Master 自己已經正式地加入 Master 所 建立的 Piconet 了。 以下，我們將上述的 Master 及 Slave 其分 別所處的 Inquiry / Inquiry Scan 與 Page / Page Scan 的主要流程以圖(一)及表(一)來表示。 由 上 述 可 知 ， Inquiry / Inquiry Scan procedure 發生在未知彼此資料的條件下雙方 執行相互的溝通，由於 Master 及 Slave 必須分 別處於 Inquiry 和 Inquiry Scan State 一段很長 的時間，因此佔用了大部分的連結時間[6]，所 以縮短花費在 Inquiry / Inquiry Scan procedure 的時間，將有助於加速 Piconet 的形成。此外， 如果欲執行通訊的兩個 devices 不處於同一 Piconet，且彼此間存在有兩條 disjoint routing paths 的話，則可以避免在 routing path 上，突 然有一個 intermediated device 發生 failure 而造 成了無法傳送 data 的情況產生[9]及提供分散 及加倍流量的功能。除了 Piconet 形成時間的 縮短及 disjoint routing path 可影響 Scatternet 中 任 兩 devices 的 通 訊 效 率 外 ， 在 一 個 Scatternet 中，Piconet 個數少、Relay 及 Master 的 linkage degree 少 也 是 建 構 一 個 好 的 Scatternet 的必要條件[3]。Piconet 數量少將具 有容易維護管理、減少 interference 及 balance 等性質，且 Relay 的 linkage degree 少可有效降 低切換於不同 Piconets 間所需的 guard time overhead，而 Master 的 linkage degree 少將可 避免執行 park / unpark procedure 的 overhead。 因此，綜合上述，一個完美的 Scatternet 應具 有下列的特色：(a) connected (b) Piconet 數量 少 (c) Relay 的 linkage degree 少 (d) Master linkage degree 小於或等於 7 (e) 完美的 routing path 長度 (f) 任兩 devices 均具兩條 disjoint routing paths。. 表(一)：Master 及 Slave 欲建立 Connection 時的詳細運作內容，包含 Message、Hopping Sequence、 Access Code、Clock 及 State 的內容 Step 1 Message ID Hopping Inquiry Sequence Access Code and IAC Clock Native State Master Inquiry of Slave Inquiry Scan. 2 ID Inquiry IAC Native Inquiry Inquiry Scan. 3 FHS Inquiry Response IAC Native Inquiry. 4 ID Page Slave’s DAC Page. 5 ID Page Response Slave’s DAC Page. Inquiry Scan Page Scan Slave Response Response. 6 FHS Page Slave’s DAC Master Response Page Scan. 7 ID Page Response Slave’s DAC Page Slave Response. 8 POLL Channel. 9 NULL Channel. Master’s Master’s CAC CAC Connection Connection Connection Connection.
(3) Slave. Master. Step1 Inquiry. ID(IAC). Inquiry Scan. Clustering Protocol 及 建 構 Tree-Based Scatternet 的 Protocol。在第四節中，我們以 Tree-Based Scatternet 為環境，述說 routing 的 運作。在第五節中，我們將以實際數據來驗証 其效率，並與前人所研發的方法作比較。最後 在第六節中，做一個簡短的結論。. 二、Background and Previous Works 二、 Backoff time= (0-1023 Slots). Inquiry. Step2. ID(IAC). Step3. FHS. Step4. ID(DAC). Inquiry Scan 含 Slave 的 Clock 及 BD_ADDR 資訊. Page Scan. Page Step5. ID(DAC). Step6. FHS. Step7. ID(DAC). Step8 Connection. Step9. POLL. 含 Master 的 Clock、BD_ADDR 及 Slave 的 AM_ADDR 資訊. Connection. NULL. 圖(一)：Master 及 Slave 欲建立 Connection 時所執行的 procedure. 如何加速 Scatternet 的建立並使其具有 connected 及兩條 disjoint routing paths 的特性 將是重要的研究議題。本論文提出一 Clustering Protocol，其以分散式的方式所建構 出的 Scatternet 具有下列特性：較少的 Piconet 數量、Relay 的 linkage degree 少、同時存在兩 條 disjoint routing paths、完美的 routing path 長度、不利用 park / unpark procedure 及 device 總數量不受限制等。 本 paper 章節安排如下：我們將在第二節 中提出一些前人所研發的 Clustering 方法。在 第三節中，則會詳細地描述我們所提的. 一 個 好 的 Scatternet Topology 可 以 使 Bluetooth 系統方便管理、容易維護及具較高的 穩固性。在[5][6][7]中，分別提出 Clustering Topology 的 Protocol，使 Scatternet 能建構成 Mesh[6]或 Star[7]的 Topology，並分別符合 Piconet 數量最少、connected、完美的 routing path 長度及具兩條 disjoint routing paths 等特 色，然而其 Protocol 執行時，皆需以 centralized 的方式選出一個 coordinator，來收集所有在範 圍內 device 的 BD_ADDR 和 Clock 資訊，之 後再執行 Master、Slave 及 Relay 角色的分配 工作，進而完成一個 Scatternet 的建立。藉由 coordinator 來執行資料收集及角色分配的工 作，會產生把大部分的 system load 皆加重於 coordinator，進而易於發生 system 不穩固及選 取 coordinator 的 process time 過長等問題。在 [6] 中 ， 為 了 建 立 一 個 complete connected topology，更假設 device 個數 n 有上限，其中 n 值為 36。由於不斷地進行 Inquiry / Inquiry Scan Operation 的切換，以提高彼此對上的機 率，所以很容易造成整個 Scatternet 形成時所 需的時間花費是一個不易控制的變數。此外， [7][9]所發表的 Protocol 中，不容易找到兩條 disjoint routing paths，但同時存在兩條 disjoint routing paths 卻 是 非 常 重 要 的 ， 處 於 不 同 Piconet 的兩 devices 其單一通訊路徑將因某個 intermediated device 的消失、故障或是離開而 造成了斷路，進而使系統不能運作而停擺。 在以下的章節中，我們提出有效率的 Protocol 來建構一個 Tree-Based 的 Clustering Topology，在 Protocol 的執行中，並不需一個 coordinator 做所有資訊收集的動作，完全採取 分散式的方式來建立 Connection，且在角色分 配工作上也只需指定少數 device 來扮演 Relay 的角色，其它 device 皆在 Piconet 建構成時， 都已知道自己的角色。我們使用 State Pattern 的觀念來加速 Master 收集自己 Slave 的資訊， 而不花費額外時間來收集非自己 Piconet 成員 的資訊，這將有助於加速每個 Piconet 的形成 進而使 Scatternet 的形成更為快速。此外，我 們所建立的 Tree-Based Topology 也提供了同 時存在兩條 disjoint routing paths 的特性，並使 任兩 devices 之 routing path 均具有完美的長 度。.
(4) 三、Tree-Based Clustering Protocol 三、 在討論 Clustering Protocol 之前，將先說 明本論文的一些預設條件和環境，如下所述： (1) 所有的 device 皆在可以建立連結的範圍 內，也就是說任兩個 devices 皆有可能聽 取到彼此所傳送出來的訊號。 (2) 每 個 device 其 BD_ADDR (Bluetooth Device Address)的 LAP (Low Address Part) 皆是獨立的，無任何關聯性。 (3) 每個 device 的電源啟動時間皆是獨立的， 無任何關聯性。 (4) 存在一個 function F 可以藉由 LAP 電源 啟動時間及 Current State Pattern 的輸入， 平均隨機地輸出一個 Next State Pattern。 (5) 每個 device 分別維護 NOS(Number Of Slave)及 NOP(Number Of Piconet)兩個變 數。此外，Device 可透過 FHS Packet 中 Undefined 及 AM_ADDR 等兩欄位來交換 NOS 及 NOP 的資訊。 (6) 在 State Pattern 中，1 個 Time Interval 期 間，具有足夠的時間(>2FS+RB，[6])來完 成 Inquiry / Inquiry Scan procedure 的執行 動作。 以下我們將把 Scatternet 形成的動作分三 個 Phases 來描述，Phase 1 主要目的是建構 Piconet；Phase 2 則是以 Phase 1 的 Piconet 為 基礎來建構一個 Tree-Based Scatternet；Phase 3 則 是 加 入 Thread 的 功 用 ， 使 Tree-Based Scatternet 中不在同一 Piconet 的任兩 mobile devices 間具有兩條 disjoint routing paths。 Phase 1：建構 ：建構 Piconet 我們規劃了 7 組的 State Patterns，如表(二) 所示。每個 device 藉由自己的 LAP、電源啟 動時間及隨機初始的 Current State Pattern 編號 為輸入，透用 function F 運算，決定出自己的 Next State Pattern。function F 的設計如圖(二) 所示，每個 device 以其 Clock16-12 中的任 3 個 bits 的值及 LAP 中任 3 個 bits 的值與 Current State Pattern 的編號加總後 mod 7，來產生其 Next State Pattern 的編號，之後每經過 7 個 Time Intervals 會重新計算 Next State Pattern。 每個 device 依照自己的 State Pattern 來扮演每 個 Time Interval 時的角色，如表(二)所示。依 照這樣的安排，在 Protocol 的初始時間可能有 1/7 的 devices 在執行 Inquiry operation，6/7 的 devices 在執行 Inquiry Scan operation。任 2 個 devices 就在隨機的況狀下，執行 Inquiry 與 Inquiry Scan operation 而有極高的機率彼此對 上 頻 。 雙 方接 下 來 就進 行下 面 動 作 ：每 個. device 一開始的 NOS(Number Of Slave)值均為 0，先比較各自的 NOS 變數，而 NOS 的值是 由處於 Inquiry Scan 者填在其 FHS Packet 的 Payload 中的 Undefined 及 AM_ADDR 欄位。 當處於 Inquiry 者收到 NOS 值時，便與自己的 NOS 值 比 較 ， 若 NOS 相 等 ， 則 比 較 BD_ADDR，比值較小的 device 會傳送之前獲 得的 BD_ADDR 及 Clock 資訊和自己的 FHS packets 給 NOS 較大的 device，並且進入 Page Scan State 等待 Master Page 自己，由於 FHS packet 中含 BD_ADDR 及 Clock 資訊，Master 可 以 依 此 資 訊 精 準 算 出 Paging Hopping Sequence，因此可順利與 Slave 建立連結。若 NOS 較大的 device 收集滿 6 個 FHS packets 則 停止接收 FHS packet，而 NOS 較小的 device 則繼續依照自己 State Pattern 來執行收集 Slave 的動作。當 device 收集到 6 個 FHS packet 後， 自動成為 Master，而直接去 Page 這 6 個 Slaves，且建構自己的 Piconet，並且進入 Phase 2。如此一來，大部分的 Master 皆可建構含 6 個 Slaves 的 Piconet，最多只有一個 Master 會 建構未滿 6 個的 Slaves 的 Piconet。最後一個 Master 若在連續的 7n (n≥2) 個 interval 皆沒有 再對上其它 device，則直接去 Page 目前掌握 的 Slave，建構自己的 Piconet。然後，進入 Phase 2。圖(三)、(四)、及(五)為 Phase 1 的範例，而 表(三)為此範例中各 Steps 的詳細敘述。如圖 (三)所示，圖(三)(a)中描述了兩個分別處於 Inquiry 及 Inquiry Scan State 的 device 其傳送 FHS 及 NOS 的 過 程 ，其中 我 們假 設處 於 Inquiry 者具有較大的 NOS；而圖(三)(b)中則 另假設於 Inquiry Scan State 者具有較大的 NOS。圖(三)乃針對 2 個 devices 而言，描述其 連結的細部動作，若環境中超過 2 個 devices 以上，則可能同時有許多對 devices 彼此互 連，以下我們以環境中有 7 個 devices 為例來 說明 phase 1 的流程。試考慮表(三)，若在 step 1 時 device 1 處於 Inquiry State 而其它 devices 處於 Inquiry Scan State，此時若 device 1 分別 與 device 5 及 7 對上頻，則在比較過 NOS 後， 若 device 1 為 Winner，則此時 device 1 已收到 device 5 及 device 7 的 FHS packets，如圖(四) 所示，device 1 的 NOS 值將累計至 2，而此時 devices 1、5 及 7 將成為一 group，如圖(五)中 的 step 2，我們以特殊的陰影來標示於這三個 devices。緊接著，在表(三)的 step 2 中，若 device 2 與 device 4 對上頻，device 2 在收到 device 4 的 FHS(含 NOS) packet 後，比較其 NOS 發現 device 4 為 Winner，device 2 將回傳一 FHS packet 給 device 4，因此，device 4 此時之 NOS 值為 1，如圖(五)中的 step 3，device 2 及 4 將 組成另一 group(以垂直陰影表示)，爾後，如 表(三)中的 step 4，當 device 1 與 device 4 對上.
(5) 頻，由於 device 1 處於 Inquiry Scan State，因 此當 device 4 收到 device 1 所送來的 FHS packet(含 device 1 之 NOS=3)後，比較得知 device 1 為 Winner，因此 device 4 回送一(含有 device NOS=1) FHS packet 給 device 1，因此， 如圖(四)所述，device 1 的 NOS 將累積至 5，. 1 之 NOS 值累積到 6 時，便開始 Page 所收錄 的 devices，最後 device 1 將形成一 Piconet 之 Master，並與 6 個 Slaves 連結而完成 phase 1， 如圖(五)step 7 所示。. 表(二)：以 Device 的 LAP、電源開啟時間及 Current State Pattern No 為 F 的輸入，輸出 Next State Pattern No，每 7 個 Time Interval 會再以 random 方式改變 State Pattern. State T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 Pattern No I IS 2 IS I IS IS I IS 4 IS I IS IS I IS 6 IS I IS I IS 1 IS I IS IS I IS 3 IS I IS IS I IS 5 IS I IS IS I 0 I IS I = Inquiry、IS = Inquiry Scan、TN = Interval N , N = 1~7. State Pattern No 0 1 2 3 4 5 6. T1. T2. T3. T4. T5. T6. T7. Current State Pattern Number F Clock16-12 中取 3 個 bits LAP 中取 3 個 bits (Random 方式取). Clock LAP. Next State Pattern Number. Next State Pattern Number = F (CLK, LAP, Current State Pattern Number) mod 7, Current/Next State Pattern Number ∈ {0,1,2,3,4,5,6} 圖(二)：Function F 的 finite state machine 的架構圖. Inquiry. Inquiry Scan ID. 比較 NOS. ID 比較自己的與收到的 NOS. FHS(含 NOS) *. 表上面前兩個動作重覆. ID NULL. FHS(含 NOS) FHS(含自己 NOS). ID FHS. Inquiry Scan. Inquiry. *NULL Packet 表 FHS Packet 傳送終止 *NOS 較大者，若收集滿 6 個 FHS Packets，則不回傳 ID Packet，改回傳 NULL Packet *NOS 儲存於 FHS Packet 的 Payload 中 的 Undefined 及 AM ADDR 兩欄位. ID FHS. NULL. 滿 6 個 FHS. NULL. FHS 送完. (a)Case 1：Inquiry 者 NOS 比較大. (b)Case 2：Inquiry 者 NOS 比較小. 圖(三)：Device 在收集其它 Device 的 FHS Packet 時的詳細流程. 依此類推，如表(三)中的 step 7 所述，當 device 表對上頻.
(6) 其它 Device. Device 1 NOS=0. Device 5 FHS Packet of Device 5. NOS=0. NOS=1. Device 7 FHS Packet of Device. NOS=0. NOS=2. Device 3 FHS Packet of Device 3. NOS=0. NOS=3. Device 4 FHS Packet of Device 4. NOS=1. FHS Packet of Device 2. NOS=5. Device 6 FHS Packet of Device 6. NOS=0. NOS=6 圖(四)：描述 Device 1 比較 NOS 及收集 FHS Packet 的流程. Device Step 1. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. I. IS. IS. IS. IS. IS. IS. 2. IS. I. IS. IS. PS. IS. PS. 3. IS. PS. I. IS. PS. IS. PS. 4. IS. PS. PS. I. PS. IS. PS. 5. IS. PS. PS. PS. PS. IS. PS. 6. IS. PS. PS. PS. PS. I. PS. 7. P. PS. PS. PS. PS. PS. PS. Device Piconet. 表已加入某 group Master. 在 Phase 1 中，已經建構完成大部份的 Piconet，為了可以提供跨 Piconet 的通訊服 務，所以需要透過 Relay 來建構 connected Scatternet。經由 Phase 1 的執行，每個 Piconet 最多有 6 個 Slaves。1 個 Master 可連接 7 個 active Slaves，所以每個 Piconet 中每個 Master 至少還會有一個容量來容納 1 個 Slave，這個 容量是被我們設計用來容納 Relay 的空間，以 便連結其它的 Piconet，因此在 Phase 2 中，我 們會利用這一個容量來執行 Master 對 Relay 的連結。 在 Phase 2 開始之時，每一個 Piconet 會從 自己的 Slave 中選出 2 個 Slaves 來扮演 Relay1 及 Relay2 的角色嘗試與其它 Piconet 相連結， 至於未滿的 Piconet 則由 Master 來當 Relay 的 角色。對每個 Piconet 而言，由 Master 來執行 Inquiry operation，而被選定的兩 Relays 來執行 Inquiry Scan operation 分別與不同的 Piconet 的 Master 連結。剛開始時，一個 Piconet 可視為 以 Master 為 Root 的 tree，如果不同 Piconet 的 Master 與 Relay 對上了，兩 Piconet 如何共同 合併為一 Tree-Based Scatternet 如下所述：假 設起始時每個 Master 記錄其 NOP 值為 1。 (1) 對上的雙方先比較彼此 NOP (Number Of Piconet)變數的值，若 NOP 值相等，則比 較彼此 BD_ADDR。NOP 值填於 FHS packet 的 Payload 中 的 Undefined 及 AM_ADDR 欄位。如圖(六)中所示，假設 Piconet A 中的 Master 與 Piconet B 中的 Relay 對上頻，Piconet B 中的 Relay 將傳 送其 Master 之 NOP 值給 Piconet A 中的 Master，並由 Piconet A 中的 Master 比較 彼此的 NOP 值。 (2) NOP 值比較大的 Piconet 其 Root，如圖(六) 的 Case 1 中在 Piconet A 的 Master。尋找 其所屬 Relay 中深度最淺的 Relay，將該 Relay 其 FHS packet 經由 NOP 比較大的 Master(或 Relay)傳送給 NOP 比較小的 Relay(或 Master)，之後再由該 NOP 值較 小的 Piconet 其 Master (或 Relay)將 FHS. 圖(五)：Piconet Construction Phase 的流程. 表(三)：圖(五)中為建立 Piconet 時，各個 Device 在各 Step 中的 Action 及 Event. Phase 2：建構 ：建構 Tree-Based Scatternet Step\Device 1 2 3 4 5 1 I IS IS IS IS 2 IS I IS IS PS 3 IS PS I IS PS 4 IS PS PS I PS 5 IS PS PS PS PS 6 IS PS PS PS PS 7 P PS PS PS PS. packet 轉傳送給 Root，如圖(六)Case 1 中. 6 IS IS IS IS IS I PS. 7 IS PS PS PS PS PS PS. Event Device 5 和 7 與 Device 1 對上，Device 1 是 Winner Device 2 與 Device 4 對上，Device 4 是 Winner Device 3 與 Device 1 對上，Device 1 是 Winner Device 1 與 Device 4 對上，Device 1 是 Winner No Event Device 1 與 Device 6 對上，Device 1 是 Winner Device 1 Page Device 2,3,4,5,6,7，且建構 Piconet.
(7) 在 Piconet B 的 Master。最後由 Root 去 Piconet B Relay Page 該 Relay(以圖(六)的 Case 1 為例，即 Piconet A Piconet A 的 Relay) ， 進 而 完 成 一 個 Master Scatternet 的連結。 表對上頻 (3) 持 續 地 繼 續 進 行 下 去 ， 則 某 Piconet 的 NOP=1 NOP=2 NOP=1 Master 將 具有很高的機率與另一 Piconet (a) 圖(六) Case 1 中兩 Piconets 的連結情形 的 Relay 建 立 connection ， 而 形 成 Tree-Based 的 Scatternet ， 而 兩 個 Tree-Based 的 Scatternet 亦可執行同樣步 驟，最後將會使所有 Piconet 連結成一個 Piconet A Tree-Based Scatternet，由於每次均將某 Tree 的 Root 連結到另一棵 Tree 深度最淺 的 Relay，因此 Tree 的高度將有效降低。 NOP=2 Piconet C 若連續 n﹝n≥ 2﹞個 Interval 沒有與其它 NOP=3 Piconet B NOP=1 device 對上頻的話，則直接進入 Phase 3。 最後，所有 Piconet 會連結成一個 tree topology 的 Scatternet。以上 Phase 2 的流程如 圖(六)所示，同理，在圖(六)中的 Case 2 其處 理情況亦為如此。在圖(七)中，我們將 Piconet A、B 及 C 的 Slaves 均省略，僅繪出 Master 及兩 Relays 與另一 Piconet 間的連結關係的示 意圖。. Piconet A Relay. (b) 圖(六) Case 2 中兩 Piconets 的連結情形. 圖(七)：圖(六)中 Scatternet Construction Phase 中的示意圖。其 中 Piconet 僅以 Master 及 2 個 Relays 表示，其餘 Slaves 省略。. Piconet C. Piconet B Master. Case 1： ： Master NOP 值較大 比較彼此 NOP 值 進 Page Scan State. Master. Relay. Master. ID (IAC) FHS(含 NOP 值) 最淺 Relay 的 FHS 第 7 個 Slave 的 FHS. Page 第 7 個 Slave，且建構 Scatternet Case 2： ：Master NOP 值較小 ID (IAC) FHS(含 NOP 值) 最淺 Relay 是那個? 進 Page Scan State. 最淺 Relay 的 FHS. 比較彼此 NOP 值. FHS(含算自己的 NOP). 第 7 個 Slave 的 FHS. Page 第 7 個 Slave，且建構 Scatternet. 圖(六)：當某個 Master 及 Relay 對上時，如何建構成一個新的 Scatternet 的詳細流程. Phase 3 ： 生成 Tree-Based Scatternet over.
(8) Master/Slave Relay 在 Scatternet 中，若提供了兩條 disjoint routing paths ， 則 可 以 防 止 routing path 中 intermediated device 不能運作時(可能因 power off 或移動性的因素)，所造成不能提供服務給 這條 routing path 上的 device 的問題。為了使 建立的 tree topology 提供兩條 disjoint routing paths，我們引用了 Threaded Tree [2]的特性， 使 tree 中的 Leaf Piconet 彼此之間透過 Relay 建立另一 Piconet，其中少數的 Relays 必須扮 演 Master/Slave Relay 的角色。如此一來，透 過 Relays 建 構而 成 Piconets，將可改進 原 Tree-Based Scatternet 不 具 備 兩 條 disjoint routing paths 的缺點，最後形成的 Scatternet 將具備有兩條 disjoint routing path 的特性。 由 Phase 2 可知，在 Tree-Based Scatternet 中，最後會有個 Master 擔任 Scatternet 的 Root，該 Root 將負責尋找適當的 Leaf Piconet 的 Relays 來建構以 Master/Slaver 身份的 Relay 為基礎的 Piconet，以幫助 Scatternet 解決無兩 條 disjoint routing paths 的問題。其進行的動作 如下，(1)由 Root 去通知 Leaf Piconet 中的 Relays 在新建構的 Piconet 中各自要扮演的角 色，並傳送包含 Slaves 資訊的 FHS packet 給 所屬 Piconet 的 Master。(2)收到 Root 的通知之 後，扮演 Master 與 Slave 角色的 device 分別進 入 Page 及 Page Scan State 等待。(3)Master 對 所 屬 的 Slaves 執 行 Page operation ， 建 立 connection 。 如 此 一 來 ， 我 們 所 要 建 構 的 Tree-Based Scatternet 就完成了。 Threaded Tree 的特性亦改進了在分散式 環境下所建構出的 tree topology 的 Scatternet 其 routing path 長度不佳的缺點。因為在分散 式環境下，每個 Leaf Piconet 的深度不一，所 以可藉由 Root 來選擇深度較深與較淺的 Relay 連結成 Piconet，加上每次任兩個 Scatternet 的 連結皆是透過深度最淺的 Relay 來連結，如此 一來，則可以改善在分散式環境下所建構的 Scatternet 的 routing path 長度不佳的缺點。以 上 Phase 3 的流程如圖(八)所示。. S/M Relay. 圖(八)：執行 Tree-Based Scatternet over Master/Slave Relay Construction phase 後所形成的 Topology。兩條線 代 表 Phase 3 中 所 增 加 的 Tread ， 使 Tree-Based Scatternet 具有 two disjoint routing paths。. 以下的圖(九)及 Algorithm 的 pseudo code. 分別用來解釋及分析上面的 Phase 1、2 及 3。. Phase 1. Initial. Phase 2. Master Slave S/S Relay M/S Relay. Phase 3. 圖(九)：Scatternet 形成的流程. 綜 合 上 述 ， 我 們 所 提 出 的 Tree-Based Scatternet Construction Protocol 整理如下： Phase 1： ：Piconet Construction Phase 1.1、 device 依照自己的 State Pattern 執行 Inquiry / Inquiry Scan operation。 1.2、若與其它 Bluetooth device 對上了，則比 較 NOS，輸的 device 送 FHS packet(包含 之前收集的)給贏的 device，其中 FHS packet 內含有 device 的 BD_ADDR 及 Clock 資訊。輸的 device 停止 Inquiry / Inquiry Scan operation，進 Page Scan State 等待 Master 的 Page。 1.3、如果贏的 device 收集了滿 6 個 FHS packets，則停止 Inquiry / Inquiry Scan operation。自動成為 Master 角色，而直接 去 Page 這 6 個 Slaves ， 建 構 所 屬 的 Piconet。然後進入 Phase 2。否則重覆 steps 1.1 及 1.2。 1.4、device 若連續 7n(n ≥ 2)個 interval 沒有對 上任意 device 的話，則自動成為 Master 角色，而直接去 Page 目前擁有資訊的 Slave，建構自己的 Piconet。並進入 Phase 2。. Phase 2： ：Scatternet Construction Phase.
(9) 2.1、Master 由其所管轄的 Slave 中選 2 個 Slaves 當 Relays，Master 執行 Inquiry operation， 兩 Relays 執行 Inquiry Scan operation。 2.2、若 Master 與另一 Piconet 的 Relay 對上了， 則比較 NOP，贏的 device 會透過 Root 去 尋找其深度最淺的 Relay 及要求其進 Page Scan State，並要贏的 device 將該 Relay 的 FHS packet 送給輸的 device，並傳送去 給自己的 Root。 2.3、輸的 Root 去 Page 該最淺的 Relay，完成 Scatternet 的連結。 2.4、重覆 steps 2.1、2.2 及 2.3 2.5、若連續 n﹝n≥ 2﹞個 interval 沒有對上的 話，則直接進入 Phase 3。 Phase. 3 ： Tree Based Scatternet over Master/Slave Relay Construction Phase. 3.1、由 Root 通知 Leaf Piconet 的部份 Relay 在新建構 Piconet 中所扮演的角色及所需 的資訊。扮演 Master 及 Slave 角色的 devices 分別進 Page 及 Page Scan State。 3.2、分配到 Master 角色的 Relay 執行 Page 其 所屬 Piconet 中的 Slaves 的動作。 3.3、完成最後 Tree-Based Scatternet 的建構。. 四 、 Routing Protocol for Bluetooth Radio System 由於欲通訊的兩個 Bluetooth device 未必恰 好 同 處 於 一 Piconet 中 ， 因 此 Routing 在 Scatternet 中扮演著非常重要的角色，前節中 我 們 所 建 構 的 Tree-Based Scatternet 將 使 routing 更為便利。在這一節中，我們將探討在 Tree-Based Scatternet 如 何 有 效 率 地 來 執 行 routing。 對於 routing 而言，我們必須就 destination device 的角色來區分成兩種情況，第一情況是 destination device 扮演為 Slave 的角色，另一 種 情 況 為非 Slave 的 角 色。 首 先 ，我 們就 destination device 為 Slave 的角色的情況來探 討，其流程如下所述。(1) source device 起始時 會先以 flooding 的方式傳送一個有關於自己 BD_ADDR 及 Clock 的 packet 動作，並進入 Page Scan State。(2)當 destination device 收到 source device 傳來的 packet 後，因為所建構出 的 Tree-Based Scatternet 具 有 two disjoint routing paths(一條經過 Root Device，另一條不 經過 Root Device)，所以會按原兩路徑先回傳 Ack packets。 (3) 再以所收到 Source Device 之 BD_ADDR 及 Clock 為依據來執行 Page. source device 的 動 作 ， 建 立 一 個 暫 時 的 Piconet。(4) 最後，以這個 One Hop 的 routing path 為主要的 routing path。所以在 source device 與 destination device 之間，扣除原先二 條中較長的一條，則會存在有一條 one-hop 的 及另一條以 flooding 方法所尋找到的等兩條 disjoint routing paths 用來傳送資料，且 routing path 的長度將符合 O(log n)的完美長度，其中 n 為 Device 個數。 另一種情況，當 destination device 為非 Slave 角色時，流程如下所述。(1) source device 起始時也是先以 flooding 的方式來傳送一個有 關於自己 BD_ADDR 及 Clock 的 packet 動作， 再進入 Page Scan State。由於我們所提出的 Tree-Based Scatternet 會 必 定 存 在 有 兩 條 disjoint routing paths，一條由 source device 往 上(Root 方向)搜尋，另一條由 source device 往 下(兒子方向)搜尋。(2) 當 destination device 收到 source device 傳來的 packet 後，會按原兩 路徑先回 Ack packets。(3) 若 destination device 少於 7 個 Slaves 時，則依第一種情況的方式處 理，以建立 one-hop route。若 destination device 已有 7 個 Slaves 時，其中經過 Root device 的 routing path，在 Ack packet 回傳時，Root device 會執行 Page source device 的動作，與 source device 建立暫時的 Piconet，使 Slave 成為 Root device 的第 7 個 Slave。Root Piconet 因沒有 Parent Piconet，所以在 Phase 2 時其 Master 並 不會與別的 Piconet 的 Relay 相連結，因此 Root Piconet 的 Master 最多只會有 6 個 Slaves。如 此一來，source device 與 destination device 之 間，則會有一條由 source device 連結 Root device，再由 Root device 到達 destination device 的 routing path，及另一條原先不經過 Root device 而 flooding 尋找到的 routing path 等兩條 disjoint routing paths，且 routing path 的長度亦 符合 O(log n)的完美 Hops 數。以上兩種情況 的流程如圖(十)所示。圖(十)為使用前節 Protocol 所建立好的 Tree-Based Scatternet，我 們將以下例來解釋上述兩種情況的 Routing path 建立過程： 情況一：source 為編號 29 的 Bluetooth device， destination 為編號 25 的 Bluetooth device，由 於 device 25 的身份為 Slave，依上述情況一 的 Protocol 運作。device 29 將以 flooding 方 式傳送自己的 BD_ADDR 及 Clock，並進入 Page Scan State。當 device 25 收到此 packet 後，先依據 packet 所經過的 path 回傳 Ack packet，之後進入 Page State 並和 device 29 建 立 一 暫 時 的 Piconet ， 因 此 會 存 在 一 one-hop 的 routing path。所以 device 29 與 device 25 之間會存在有三條 routing path：(1).
(10) 29 3 23 7 32 1 22 2 25；(2) 29 3 35 15 34 26 2 25；(3) 29 25；routing path(1)及(2)具 有經過 shared intermediated device 與 link， 所以選較短的 routing path 為第二條 routing path。兩條 disjoint routing paths 為 routing path(2)及(3)。. routing path(3)具有縮短 routing path(1)的功 能，所以選擇它為兩條 disjoint routing paths 中的一條，致於另一條為 routing path(2)。. Master. Slave 1 S/S Relay. 4. 6. 8. 32. 20. 22. M/S Relay. Case 2 2. 7 23. 5. 9. 36. 18. 25. 24. 26. 10. 3. Case 1 12. 21. 27. 11. 13. 14. 35. 29. 31. 38. 19. 33. 15 Route discovery 時建立的 16 37. 17. 28. 30. 34. 圖(十)：一具兩條 disjoint routing paths 的 Tree-Based Scatternet；以兩個 Cases 來解釋 Routing 的運作. 情況二：source 為編號 11 的 Bluetooth device， destination 為編號 2 的 Bluetooth device，由 於 device 2 的身份為己有 7 個 Slaves 的 Master，依上述情況二的 Protocol 運作。 device 11 先以 flooding 方式傳送自己的 BD_ADDR 及 Clock，並進入 Page Scan State。當 device 2 收到此 packet 後，依據 packet 所經過的 path 回傳 Ack packet 給 device 11。在回傳 Ack Packet 途中，device 1 會在 Forward Ack Packet 後，先進入 Page State ， 之 後 與 device 11 建 立 一 暫 時 的 Piconet。所以 device 11 與 device 2 之間會 存在有三條 routing paths：(1) 11 10 9 7 32 1 22 2：(2) 11 10 33 34 26 2；(3) 11 1 22 2；. 五、Comparisons with Related Works and 五、 Performance Study 以下我們針對許多相關 Topology 的論文 與本論文所提的---Tree-Based Topology，做一 些比較，並將其列於表(四)。由表(四)可知， 為了容許大量 device 共同建構 Scatternet、避 免 park 和 unpark 的動作、降低 guard time 的 overhead、提供 inter-Piconet 間任兩個 Bluetooth device 通訊所需的兩條 disjoint routing paths、 並 有 較 佳 的 routing path 長 度 及 不 需 具 備 coordinator 的 條 件 下 ， 我 們 以 Tree-Based Topology 來形成 connected Scatternet，可由表 (四)可得知，之前學者所提出的 Protocol 有下 列的缺點---device 個數受限制、routing path 長.
(11) 度太長、集中式的管理造成 Root device 成為 整體 Scatternet performance 的 bottleneck，或 有 許 多 不 確 定 因 素 ， 如 執 行 upark / park procedure 的 overhead 的問題，因此，採取這 個 Tree-Based Topology 將有助於避免這些缺 點，並保留之前學者所提出的 Protocol 的眾多 優點。 Tree-Based Topology 所 建 構 出 來 的 Piconet 及 Relay 的個數列於表(四)，由下面的 算式可推得知表(四)的結果： 算式(1)：Phase 1 所建構的 Piconet 數量 N1 = ªD/7º。 因 Phase 1 中每個 Piconet 大部分的 Master 皆有 6 個 Slaves，只會存在一 個未滿 6 個 Slaves 的 Piconet。 算式(2)：Phase 3 所新建構的 Piconet 數量 N2 ≤ ª2h/ 7º，h =log2D。 因 Phase 3 中會建立 Leaf Piconet 之間 的連結，所以增加的 Piconet 數量是 由 Leaf Piconet 的數量來計算。而在 相同 node 個數下，complete binary tree 具有最多 leaf nodes，因此以 complete binary tree 的 leaf node 為上 界。 由上面的算式(1)及(2)可得知，Tree-Based Scatternet 所 建 構 出 的 Piconet 的 總 算 量 N=N1+N2，且 N≤(D+logxD)/7+2 至 於 routing path 長 度 及 Tree-Based Topology 能建構出存在兩條 disjoint routing paths，我們已在第四節中利用兩個範例來輔助 說明。 圖(十一)、(十二)及(十三)分別為在不同的 device 個數狀況下，在 Inquiry 期間所花費的 時間、Connection 期間傳送 Packet 的總數量及 建構後的 Scatternet 包含的 Piconet 數量。我們 的測試環境描述如下：在不同 device 數的情況 下，我們隨機產生 device 的位置於一範圍內(任 兩 devices 皆在通訊範圍)，device 的 BD_ADDR 及開機的 Clock 由隨機產生，我們針對連結時 間 、 control packet 數 量 來 觀 察 Tree-Based Topology 的效率，並與 Mesh[6] Protocol 比 較。分別在 device 點數為 20、50、100 及 200 的情況下做比較。其中 time 為一個相對基本 單位。. 個 時 ， Tree-Based Protocol 會 比 Mesh 的 Protocol 更節省花費在 Inquiry 的時間。device 個數少時，在 Mesh Protocol 的 Centralization 機制下，Coordinator 產生過程中比較次數較 少 ， 所 以 可 快 速 地 收 集 全 部 device 的 BD_ADDR 及 Clock 資訊。 由圖(十二)可知，當 device 個數越多時， 在 Connection 時，Tree-Based Protocol 的 Packet 總 傳 輸 量 比 Mesh Protocol 少 越 多 。 因 Centralization Algorithm 需要收集所有 device 的資訊，然後再分別送 Packet 給所有 devices 使他們知道自己該扮演的角色，如此一來，就 會增加很多 Control Packets 的傳送。 由圖(十三)可知，Tree-Based Protocol 雖然 在 Scatternet 中的 Piconet 總數量比 Ring Protocl (最佳值)差，但其值已經很接近，所以 Tree-Based Protocol 是具備 Piconet 數量少的特 性。. 圖(十一)：執行 Inquiry 所需時間的比較. 圖(十二)：建立 Connection 時所需的 Control Packet 數比較. 表(四)：現有的一些 topology 與 Tree-Based 在一些條件的比較結果. Topology two disjoint Routing Device 總 Park Piconet 個數 Relay 的個數 有 M/S 分散式 routing path path 長度 數量限制 Mode 需求 Relay Mesh[2] Yes O(1) Yes No 最多 C(D,2) No No Star[5] No O(1) No Yes 1 0 No No Ring Yes O(N) No No D/7 D/7 No Yes Tree-Based Yes O(log N) No No (D+logxD)/7+2 2*((D+logxD)/7+2 很少 Yes. N = Piconet 的總數量(計算在下面討論)，D = device 的總數量 由圖(十一)可知，當 device 個數超過 50. Relay degree 2 0 2 2.
(12) 7.. 8. 9.. 10. 圖(十三)：所建立的結構中，Piconet 數量的比較. 六、Conclusion 六、 這篇論文中，我們採用了 State Pattern 的 方法，促使了我們可以快速地建構 Piconet； 並利用 Master 和 Relay 分別進行 Inquiry 和 Inquiry Scan operation，來建構一個在分散式環 境下的 Scatternet；最後藉由 threaded tree 的特 性 ， 讓 Leaf Piconet 的 Relay 建 立 以 Slave/Master Relay 為基礎的 Piconet 來解決 Tree-Based topology 的 Scatternet 不具備兩條 disjoint routing path 及 routing path 長度不佳的 缺點，進而使我們的 Scatternet topology 保留 之前學者所提出的 Protocol 的優點，並改善其 造成的缺點。此外，由 performance 分析中， 顯示出 Tree-Based Scatternet Topology 在整體 比較上皆有不錯表現。在未來的研究工作上我 們希望能超越 10 公尺通訊範圍的門檻。. References 1.. 2.. 3.. 4.. 5.. 6.. Brent A. Miller and Chatschik Bisdikian, “Bluetooth revealed”, Prentice Hall PTR, 2001. Ellis Horowitz, Sartaj Sahni and Susan Anderson-Freed, “Fundamentals of Data Structures in C ”, W.H.Freeman and Company, 1993. Gergely V. Zaruba, Stefano Basagni, and Imrich Chlamtac,”Bluetrees-Scatternet Formation to Enable Bluetooth-Based Ad Hoc Networks”, IEEE ICC, pp273-277, 2001. Jennifer Bray and Charles F. Sturman, “Bluetooth Connect Without Cables”, Prentice Hall PTR, 2001. Lakshmi Ramachandran, Manika Kapoor, Abhinanda Sarkar, Alok aggarwal, “Clustering Algorithm for Wireless Ad Hoc Networks,” ACM, pp54-63, 2000. LaMaire, ”Distributed Topology Construction of Bluetooth Personal Area. Networks”, IEEE INFOCOM, pp1577-1586, 2001. Manish Kalia, Sumit Garg, Rajeev Shorey, “Scatternet Structure and Inter-Piconet communication in the Bluetooth System”, IEEE National Conference on Communications 2000, New Delhi Nathan J. Muller, “Bluetooth Demystified”, McGraw-Hill Companies Inc, 2001 Pravin Bhagwat, Adrian Segall, “A Routing Vector Method (RVM) for Routing in Bluetooth Scatternets,” IEEE MoMuC, pp375-379, 1999. The Bluetooth Specification, http://www.bluetooth.org.
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