碩 士 論 文
網狀-樹狀混成的網路形成演算法設計與最 佳化效能評估
On the Design and Optimum Configuration of A Hybrid Mesh-Tree Network
系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M09801003 黃泓諺 指導教授：余誌民博士
中 華 民 國 100 年 8 月
i
摘要
在本篇論文中，我們提出 Hybrid mesh-tree 網路拓樸形成方法，Hybrid mesh-tree 指定根節點建構樹狀散網形成子網路，並設立 k 值來決定下游新的根 節點。然後新的根節點要求上游的 Master 開始回連程序，讓第一個子網路的樹 狀散網轉變成網狀散網。同時，每個新的根節點重複同樣的程序作為指定的根節 點，以建立它自己的樹狀子網，直到整個散網形成。
模擬結果可以發現到，網狀子網路的大小可以藉由參數 k 來調整。此外，
Hybrid mesh-tree 比 BlueHRT 和 Bluetree 有更好的網路性能。因此，對不同的網 路區域，Hybrid mesh-tree 可以產生有效率的網路組態，同時，兼具網狀與樹狀 網路的優點。
為了將 Hybrid mesh-tree 拓樸最佳化，我們提出一個峰值搜索(peak-search) 的方法，以決定其最佳散網的組態。此峰值搜索方法的設計包括三個功能方塊，
連接鏈路(connection link)功能方塊，路徑長度(hop length)功能方塊和優化決定 (optimum decision)功能方塊。連接鏈路功能方塊計算在網狀網路內的總共的鏈路 連接數，路徑長度功能方塊計算在網狀網路內的平均路徑長度，優化決定功能方 塊使用了一個決策準則，以找到最佳的k 值。
關鍵字:藍芽、拓樸、散網形成、最佳化
ii
ABSTRACT
In this thesis, we present hybrid mesh tree topology , Hybrid mesh-tree uses a designated root to construct a tree-shaped subnet and propagates a constant k in its downstream direction to determine new roots. Then each new root asks its upstream master to start a return connection procedure to convert the first tree-shaped subnet into a mesh-shaped subnet. At the same time, each new root repeats the same procedure as the designated root to build its own tree-shaped subnet until the whole scatternet is formed.
Simulation results show that the mesh subnet size can be controlled by appropriated selecting the k parameter. Besides, hybrid mesh tree achieves better network performance than BlueHRT and Bluetree. As a result, hybrid mesh-tree generates an efficient scatternet configuration by taking the advantages of both mesh and tree topologies.
To optimize the hybrid mesh-tree topology, a peak-search method is also proposed to determine the optimal configuration. The peak-search method designs three blocks including the connection link, the hop length, and the optimum decision blocks. The connection link block calculates the total links, the hop length block computes the average query hop, and the optimum decision block uses a decision criterion to locate the optimal k layer.
Keywords: Bluetooth、Topology、Scatternet Formation、Optimization
iii
誌謝
在這兩年的研究日子以來，因為得到許多人的幫助以及鼓勵才得以順利完成 學業，因此藉由論文的發表，同時也表達我心中滿滿的感激。
在研究所的這兩年，當我在研究的過程中遇到的問題或是瓶頸時，指導教授 余誌民博士總是耐心地聆聽並細心的指導我們正確的方向以及建議，讓問題能夠 得到解答。除此之外，老師也培養我們在研究的過程中保持應有的態度，並且在 生活上也教導許多學習生活中的道理，讓我得到不同以往的新視野。學生由衷的 感謝老師的用心栽培，才讓論文能夠順利完成。另外，也感謝在繁忙之中抽空前 來參與學生論文口詴的口詴委員余誌民博士、李福進博士、以及古孟霖博士，因 為有你們的寶貴建議才使得此篇論文更顯完美。
接著也要感謝實驗室的同學林俊宏、詹前佑。在我遇到瓶頸時，願意花時間 與我討論，並給予適當的幫助。也感謝通訊實驗室的所有同學們，因為有你們的 幫助，讓我更快地融入研究所的生活。
最後，要感謝我的父母以及兄弟給我無限的關心和支持，讓我在這研究所的 生涯當中，劃下完美的句點。
iv
目錄
摘要 ... i
ABSTRACT ... ii
誌謝 ... iii
目錄 ... iv
第一章 緒論 ... 1
1.1 前言... 1
1.2 研究動機與目的... 1
1.3 論文架構... 2
第二章 藍芽協定與網路架構介紹 ... 3
2.1 藍芽協定... 3
2.1.1 藍芽協定堆疊介紹... 5
2.1.2 藍芽鏈結控制器狀態介紹... 7
2.1.3 藍芽網路介紹... 9
2.2 樹狀拓樸架構... 12
2.2.1 樹狀拓樸架構形成... 12
2.3 網狀拓樸架構... 14
2.3.1 網狀拓樸架構形成... 14
2.4 環狀拓樸架構... 15
2.4.1 環狀拓樸架構形成... 15
第三章 混成式的網狀-樹狀架構 ... 16
3.1 混成式的網狀-樹狀架構形成介紹... 16
3.1.1 Master 流程 ... 16
v
3.1.2 Slave 流程 ... 17
3.1.3 Master/Slave 回連流程 ... 19
3.1.4 混成式的網狀-樹狀架構形成例子... 20
第四章 混成式的網狀-樹狀之最佳化設計 ... 23
4.1 混成式的網狀-樹狀的拓樸結構之最佳化設計... 23
4.1.1 連接鏈路(Connection link)功能方塊 ... 25
4.1.2 路徑長度(Hop length)功能方塊 ... 26
4.1.3 優化決定(Optimum decision)功能方塊 ... 27
第五章 電腦模擬與效能評估 ... 29
5.1 電腦模擬環境設定... 29
5.1.1 電腦模擬示意圖... 29
5.2 效能評估... 32
5.2.1 微網路個數(Piconet number) ... 32
5.2.2 微網路效率(Piconet efficiency) ... 34
5.2.3 平均路徑長(Average hop length) ... 35
5.2.4 總連線數(Total link connections) ... 36
5.2.5 形成時間(Formation time) ... 37
第六章 結論 ... 38
第七章 未來研究方向 ... 39
參考文獻 ... 40
vi
表目錄
表2- 1 藍芽的操作範圍 --- 5
vii
圖目錄
圖1- 1 藍芽標誌(資料來源:SIG) ... 1
圖2- 1 藍芽協定堆疊 ... 4
圖2- 2 OSI 參考模型及藍芽 ... 6
圖2- 3 鏈結控制狀態圖 ... 8
圖2- 4 1 對 1 的微網 ... 9
圖2- 5 1 對多的微網 ... 10
圖2- 6 Relay 扮演 Master 與 Slave 的角色 ... 11
圖2- 7 Relay 扮演兩個微網中的 Slave 角色 ... 11
圖2- 8 樹狀拓樸架構形成示意圖 ... 13
圖2- 9 網狀拓樸架構形成示意圖 ... 14
圖2- 10 環狀拓樸架構形成示意圖 ... 15
圖3- 1 Master 流程圖 ... 16
圖3- 2 Slave 流程圖 ... 18
圖3- 3 Master/Slave 流程圖 ... 19
圖3- 4 混成式的網狀-樹狀形成圖(1) ... 20
圖3- 5 混成式的網狀-樹狀形成圖(2) ... 20
圖3- 6 混成式的網狀-樹狀形成圖(3) ... 21
圖3- 7 混成式的網狀-樹狀形成圖(4) ... 22
圖4- 1 最佳化示意圖 ... 23
圖4- 2 網狀拓樸架構的連線總數圖 ... 25
圖4- 3 平均路徑查詢圖 ... 26
圖4- 4 平均連結效能圖 ... 28
圖4- 5 峰值搜索效能圖 ... 28
圖5- 1 樹狀拓撲結構示意圖 ... 30
viii
圖5- 2 混合網狀-樹狀撲結構示意圖 ... 30
圖5- 3 混合環狀-樹狀撲結構示意圖 ... 31
圖5- 4 微網路個數(Piconet number)電腦模擬圖 ... 33
圖5- 5 微網路效率(Piconet efficiency)電腦模擬圖 ... 34
圖5- 6 平均路徑長度(Average hop length)電腦模擬圖 ... 35
圖5- 7 總連線數(Total link connections)電腦模擬圖 ... 36
圖5- 8 形成時間(Formation time)電腦模擬圖 ... 37
1
第一章 緒論
1.1 前言
在最近的幾年間，在無線通訊領域的成長非常迅速。從廣域規模的WIMAX 等行動通訊系統，到小區域規模的 Zigbee，WIFI 等行動通訊系統，都是結合了 無線通訊與網路高速數據傳輸服務，無線通訊技術的進步可以說是日新月異。為 了讓生活空間更智慧化，無線通訊技術應用在辦公室、家庭等區域，短距離的傳 輸上愈來愈普及化，其中又以藍芽(Bluetooth)最為廣泛應用。藍芽特別利益團體 (Special Interest Group，簡稱 SIG)所提出的藍芽技術，它的目標是使各種資訊設 備間可以用無線的方式互相連結，替代現有的纜線連接方式(Cable replacement)。
藍芽標誌，如圖 1-1 所示。
圖1- 1 藍芽標誌(資料來源:SIG)
1.2 研究動機與目的
在最近幾年間，有不少學者投入無線隨意網路的研究，然而多數人的研究著 重在無線隨意網路的路由(Routing)方面，而網路拓樸(Network topology)方面較沒 有被注意。
在藍芽技術的規格裡，亦定義了這種容易建置的隨意網路，稱為分散式網路 (Scatternet)。跟其它技術不同的是，藍芽使用的頻道不是單一頻道，而是多重頻 道(Multiple channels)。在藍芽分散式網路的研究論文裡，都是偏向一種拓樸架構，
而在本片論文中，嘗詴將兩種不同得網路拓樸架構結合起來，並比較兩種混合式
2
拓樸架構的優劣，這是一個相當值得研究且有意義的問題。
1.3 論文架構
在本章節中，目的是要介紹本篇論文的架構。第一章介紹前言、研究動機與 目的、論文架構。第二章為藍芽背景知識介紹，分別為藍芽協定及網路架構。第 三章為混成式的網狀-樹狀架構之介紹。第四章為混成式的網狀-樹狀之最佳化設 計方法。第五章為介紹所使用的模擬平台，以及所設計的模擬環境及模擬結果。
第六章為結論，從模擬結果去做探討及分析。第七章則為未來的研究方向。
3
第二章 藍芽協定與網路架構介紹
隨著無線通訊技術的快速發展，其中又以藍芽技術最為普遍。藍芽技術除了 能使各種資訊設備間可以用無線的方式互相連結外，它所定義的分散網路，將是 未來個人區域網路(Personal Area Network，簡稱 PAN)的主要技術。所以，民眾 對於藍芽的使用依賴度也上升許多。本文中的網路形成機制是基於在藍芽上所構 成的，藍芽是屬於一種短距離、低功率、低成本特性的無線通訊技術，其目標就 是讓電子設備產品裝置能以利用無線的方式，互相連接，以取代傳統有線的連結 方式，同時，可以形成個人區域網路。
2.1 藍芽協定
藍芽的技術發展，最早來自於易利信(Ericsson Mobile Communications)在 1994 年的研究。之後為了讓藍芽技術能夠更普及的運用在我們的日常生活中，
於是由一群公司成立了藍芽特殊利益團體(SIG, Special Interest Group) 於 1998 年 的 2 月，這些公司包括易利信，、國際商業機器(IBM, International Business Machines)，英特爾(Intel)，諾基亞(Nokia)，東芝（TOSHIBA）等。
藍芽規格[1], [12]中的一種特性，是在不同的製造公司的裝置都能夠一起的 互相運作，以下將介紹藍芽協定的堆疊。如圖2-1 所示，在 Radio 的方塊中，是 表 示 無 線 電 負 責 調 變 和 解 調 變 在 空 氣 中 的 介 質 傳 送 及 接 收 資 料 。 在 Baseband/Link Controller 的方塊中，是表示在基頻和鏈結管理器控制經由無線電 的實體鏈結，並組合封包及控制跳頻。在 Link Manager 的方塊中，是設定到其 他裝置的鏈結。在Host Controller Interface 的方塊中，是處理主機裝置及藍芽模 組之間的通訊。在Logical Link Control and Adaptation(L2CAP) 的方塊中，是將 來自較高層的資料多工化，並轉換不同的封包大小。在RFCOMM 的方塊中，是 提供與RS232 相仿的序列介面。在 WAP 及 OBEX 的方塊中，是提供了通訊協定 之中較為高層的介面。在TCS 的方塊中，提供了電話溝通的服務。在 SDP 的方
4
塊中，是提供藍芽裝置發現其他的藍芽裝置的服務。在最後的Applications 的方 塊中，是提供應用程式的服務。
Logical Link Control and Adaptation
Host Controller Interface
Baseband /Link Controller
Applications
SDP
WAP OBEX
TCS
RFCOMM
AT Commands
Link Manager
Radio
圖2- 1 藍芽協定堆疊
5
2.1.1 藍芽協定堆疊介紹
藍芽的裝置作用在2.4GHz，在工業、科技、醫療(ISM, Industrial, Scientific and Medical)的頻帶的範圍上。採用跳頻的方式，頻帶為許多 1MHz 的頻道，為了將 無線電的功率最小化，藍芽的操作範圍大致上分成三種，如表2-1 所示。
Class1 Class2 Class3
10 公尺 20 公尺 100 公尺
表2- 1 藍芽的操作範圍
接 下 來 ， 將 介 紹 開 放 式 通 訊 系 統 互 聯 參 考 模 型(OSI, Open System Interconnection Reference Model)與藍芽之間的關係。如圖 2-2 所示，OSI 參考模 型跟藍芽之間並無相仿，由於這個 OSI 的模型是理想化的，只是把藍芽規格的 責任劃分跟 OSI 的模型相應對。在實體層中，它包含了無線電及些許基頻的部 分，主要是負責調變和解調變以及頻道編碼的部分。
在資料連結層中，主要工作是負責傳送、分框(Framing)、特定連結的錯誤控 制等，與鏈結控制器(Link controller)和基頻控制端會有些重疊。從現在開始的方 塊圖中會有些許的差異性。網路層主要的工作是要負責網路的資料傳送，與傳輸 媒介及特殊的網路架構並沒有互相關聯。這裡包含了負責設定及維持多個連結的 鏈結控制器較高的那一端。
在傳輸層中，主要工作是要負責從應用端那一層跨越網路的資料傳輸多工化，
所以與鏈結管理器較高的那一端重疊並包括了真正提供資料傳輸機制的主機的 控制器介面(HCI, Host Controller Interface)。在會議層中，提供了 L2CAP 及 RFCOMM/SDP 較低端所包含的管理服務以及資料流量的控制服務。在表達層中，
由於在資料單元的加入服務的結構體，這是RFCOMM/SDP 的主要工作，為應用 層資料提供了一般化的表示法。在最後的應用層中，主要負責管理在同一主機上
6
不同的應用程式之間的溝通。
圖2- 2 OSI 參考模型及藍芽
7
2.1.2 藍芽鏈結控制器狀態介紹
在不同的時間點上，藍芽裝置會有不同的狀態。首先，在待命(Standby)狀態 中，藍芽裝置基本上是不會運作的，沒有任何的資料傳送以及無線電也不會被開 啟。也因如此，藍芽裝置是無法偵測到任何的裝置身分(ID)，通常在這個狀態的 時候是用省電模式來作業。
在詢問(Inquiry) 狀態中，是當一個藍芽裝置要搜尋所在區域裡所有的藍芽 裝置，所使用的程序。服務發現協定(SDP, Service Discovery Protocol)的基頻端，
可以讓裝置編輯一個裝置的串列，這些裝置可以稍後的互相連線。
在詢問掃描(Inquiry Scan) 狀態中，詢問掃描是另一半的詢問程序。掃描是 對於應用程式有選擇性的，大多數的裝置都會週期性的進入到詢問掃描狀態裡。
在呼叫(Page)狀態中，為了建立彼此之間的連線，在 Master 角色的節點裝置 會被應用程式命令執行呼叫狀態，在此狀態裡，會直接傳遞呼叫訊息到他所打算 成為 Slave 角色的節點裝置。Slave 角色的節點裝置確認呼叫訊息後，Master 角 色的節點裝置會以FHS 封包回應。
在呼叫掃描(Page Scan)狀態中，裝置會週期性的進入到呼叫狀態，允許進行 呼叫的裝置跟它建立連線。一但在呼叫掃描狀態的裝置成功的接收呼叫封包之後，
會進入 Slave 角色確認該封包並且等待FHS。
在連線運作(Connection-Active)狀態中，在進入連線狀態之前，Slave 會切換 角色，變成Master 的 CLK。因此，移到 Master 的跳頻頻率。Master 傳送 POLL 的封包來確認兩節點裝置間的連線建立，然後 Slave 必須以任何型態的封包(通 常是NULL 封包)來回應 Master。
在連線保留(Connection-Hold)狀態中，表示一個節點裝置必須釋放出頻寬作 為其他的運作，像是上述的幾種狀態。
在連線監聽(Connection-Sniff)狀態中，Slave 節點裝置被指定一個之前定義好
8
的時槽，並且都週期性的監聽資料流。
在連線暫停(Connection-Park)狀態中，裝置大多數都是進入省電模式裡。只 需要特定的訊息下，才會再次醒來。如圖2-3 所示，鏈結控制狀態圖。
待命
呼叫 呼叫
掃描
詢問
掃描 詢問
連線
Master
回應
Slave
回應 詢問
回應
圖2- 3 鏈結控制狀態圖
9
2.1.3 藍芽網路介紹
藍芽裝置主要是扮演著一種小型無線個人網路的方式，依照藍芽技術規格的 定義，藍芽裝置要進行連結，必須要有一個最小的基本網路，而這個最小的網路 稱作微網路。其中的條件就是任一個節點是 Master，另一個節點則是 Slave ， 才能進行連結。根據藍芽規格的定義，一個Master 最多可以與七個 Slave 所進行 連結。因此有兩種連結方式，第一種是一對一(Point to Point)，如圖 2-4 所示。第 二種是一對多(Point to multipoint)的連結方式，如圖 2-5 所示。Master 裝置主要 決定跳頻的序列，Slave 裝置跳頻頻率和時序必須與 Master 裝置相同時，才能進 行相連與傳輸，在微網路內的所有節點傳輸速率皆是 1M bps。由於網路內的速 率是共同享有的，所以當Slave 裝置越多時，連線速率會相較於 Slave 裝置較少 時慢。
Master Master
Slave Slave
1對1
圖2- 4 1 對 1 的微網
10
Master Master Slave
Slave Slave Slave
1對多
圖2- 5 1 對多的微網
散網(Scatternet)是由兩個以上的微網所組成，須經由一些中繼設備(Relay)節 點來進行連結，而形成的網路架構， 而 Relay 就是一個藍芽設備中扮演多重角 色，Relay 同時可以屬於多個微網路，舉例來說：在某個微網路中的 Master 可以 當另一個微網路的 Slave，相反的，一個微網路中的 Slave 也可以當另一個微網 路的Master，如圖 2-6 所示.。當然也有不同的微網路共用同一個 Slave 的情況，
如圖2-7 所示。
11
Relay (M/S) Relay (M/S)
Slave Slave
Master
Master Slave Slave
Slave Slave Slave
Slave
圖2- 6 Relay 扮演 Master 與 Slave 的角色
Relay (S/S) Relay (S/S)
Slave Slave
Slave Slave
Slave Slave Slave
Slave
圖2- 7 Relay 扮演兩個微網中的 Slave 角色
12
2.2 樹狀拓樸架構
樹狀拓樸(Bluetree)是由美國德州 Dallas 大學的 Gergely, Stefano 及 Imrich 三 位學者所提出的一種網路拓樸[3]。樹狀拓樸是從根節點(Blueroot)開始建構，所 形成的一種拓樸架構，因為拓樸外型像是一顆樹，所以稱為樹狀拓樸。下面章節 將詳細介紹樹狀拓樸(Bluetree)的形成機制[3], [10], [15], [16], [18]。
2.2.1 樹狀拓樸架構形成
樹狀拓樸架構的形成，先隨機設立一個根節點(Root node)，來當作樹狀拓樸 架構的起始節點。這個根節點(Root node)作為 Master 角色，開始向周圍鄰近節點 進行連結，而被連結到的節點視為Slave 角色，都在同一個微網裡。接下來，Slave 角色的節點會切換成 Master 角色，開始向周圍鄰近節點進行連結。假如 2 個 Master 角色的節點同時連結到同一個節點時，先 Page 到的 Master 節點則優先進 行連結。重複執行上述連結動作，直到葉節點(Leaf node)形成為止，在這裡的葉 節點(Leaf node)只需要扮演 Slave 角色而不需切換成 Master 角色，這樣樹狀拓樸 架構就完成了，如圖2-8 所示[21], [22]。
13
根節點 (root node)
Master/Slave
葉節點 (leaf node)
圖2- 8 樹狀拓樸架構形成示意圖
14
2.3 網狀拓樸架構
網狀拓樸(Mesh)是一種在大範圍區域內且節點數較多時，會優先選擇的一種 拓樸。因為在節點數密集的區域內，網狀拓樸能讓整體網路系統效能有著明顯的 提升[4], [8], [11]。
2.3.1 網狀拓樸架構形成
先隨機設立一個節點，來當作網狀拓樸架構的起始節點。這個節點作為 Master 角色，開始向周圍鄰近節點進行連結，而被連結到的節點視為 Slave 角色，
都在同一個微網裡。接下來，Slave 角色的節點會切換成 Master 角色，開始向在 同一個微網裡的節點進行回連[4], [8], [11]。
回連完成時，開始向微網外的節點進行連結，並且重複執行上述動作，直到 散網形成，這樣網狀拓樸架構就完成了，如圖2-9 所示。
根節點 (root node)
Master/Slave
圖2- 9 網狀拓樸架構形成示意圖
15
2.4 環狀拓樸架構
在西元2002 年，由 C.C. Foo 和 K.C. Chua 等人[6]，提出了一種環狀拓樸架 構（BlueRing）。這是使用最簡單的拓樸連結方式，就是將所有的節點裝置一個 接一個的連結成一個環狀拓樸網路[13], [14], [17]。
2.4.1 環狀拓樸架構形成
首先，在一個區域範圍內，隨機設立一個節點，開始與鄰近節點，進行連結。
連結結束後，每一個節點的腳色狀態都是Master/Slave 的角色，如圖 2-10 所示。
環狀網路拓樸架構的優勢，是在於節點與節點之間連線繞送非常簡單，不需 要任何繞送表格，只需要封包在環上沿著同一個方向走，保證可以傳遞到目的端。
環狀網路拓樸架構的劣勢，是在於連線路徑過長，非常容易的造成傳輸上的延遲
（Propagation Delay）[6], [13], [14], [17]。
Master/Slave 節點角色
圖2- 10 環狀拓樸架構形成示意圖
16
第三章 混成式的網狀-樹狀架構
在本篇章節中，將會介紹混成式的網狀-樹狀架構的Master 形成方法、Slave 形成方法、Master/Slave 形成方法以及優缺點。
3.1 混成式的網狀-樹狀架構形成介紹
3.1.1 Master 流程
混成式的網狀、樹狀網路拓樸的Master 流程，一開始階層數值會設立一個 k 值來決定子網的大小。Master 產生後，先檢查節點數是否大於七，假使小於七，
會尋找鄰近節點，進行連結。當Slave 數大於、等於七或無可連結的對象，則連 結狀態結束。如果沒有鄰近節點可以連結時，會進入回連狀態，假使回連成功，
則連結狀態結束。回連不成功，會進入等待的狀態，等待回連訊息，再重新開始 上述動作直到結束，如圖3-1 所示。
Master
flow Slave number
> 7 ?
1 hop node? Page
slave Connection
Finished
Yes No
Yes No
Wait
Return message reception Return state ?
No Yes
Layer counter=K
圖3- 1 Master 流程圖
17
3.1.2 Slave 流程
混成式的網狀、樹狀網路拓樸的Slave 流程，在形成一個 Slave 後，Slave 會 先Page scan 鄰近節點，收到 Page 訊息後，被 Master 連結。接下來，執行角色 切換的動作將Slave 變成 Master/Slave 狀態，階層數值等於 0 時，會進入等待的 狀態，等待回連訊息，以Master/Slave 狀態結束動作，之後再進行回連動作。
假如階層數值不等於0 時，檢查鄰近節點是否大於七，大於七以 Master/Slave 狀態結束。小於七則進行連結步驟，如果沒有鄰近節點可以連結時，則進入回連 狀態，假使回連成功，以Master/Slave 狀態結束。
回連不成功，判斷是否為Master/Slave 狀態，確定是 Master/Slave 狀態，等 待回連訊息，以 Master/Slave 狀態結束動作，之後再進行回連動作。確定不是 Master/Slave 狀態，以 Slave 狀態結束動作，如圖 3-2 所示。
18
Slave flow
Slave number
> 7 ? 1 hop
node?
Page
scan Connection
Is M/S ? Page slave Connection
Role switch to M/S Page reception
Wait
Yes No
No Yes
No
Yes
Finished (M/S node)
Yes
Return reception
Return state?
No
Yes
Layer Counter=0?
Return Message
Notice
Yes
No
Finished No (Slave node)
M/S Return connection
flow 圖3- 2 Slave 流程圖
19
3.1.3 Master/Slave 回連流程
首先，收到回連訊息後，判斷Page 機率是否大於 0.5，假使大於 0.5，進行 連結步驟，直到以 Master/Slave 狀態結束。Page 機率小於 0.5，進入 Page Scan 狀態等待連結訊息，沒有收到連結訊息則進入Page Scan 狀態，直到收到連結訊 息為止。假使收到連結訊息後，則進行連結狀態，執行腳色切換動作並重複執行 上述動作，如圖3-3 所示。
S/M Return connection
flow
Yes
No
Yes
Yes
No Return
message reception
Return message to
previous master Finished
S/M Page
slave
Connection Slave number
> 7 ?
1 hop node?
Probability of page >0.5 ?
No No
Connection Yes Page reception
Page scan
Role switch to S/M
圖3- 3 Master/Slave 流程圖
20
3.1.4 混成式的網狀-樹狀架構形成例子
在這一章節中，將以階層參數設定為 2 為例，介紹混成式的網狀-樹狀架構 形成。首先，在一個隨機的區域設立一個根節點(Root)，接著根節點會照著 3.1.1Master 流程，去搜尋鄰近節點，開始連接，形成樹狀架構，如圖 3-4 所示[9]。
R Root
Master/Slave
R1 Tree
connection
圖3- 4 混成式的網狀-樹狀形成圖(1)
接下來，Master/Slave 節點會向外搜尋鄰近的節點，並遵照著 3.1.3 Master/Slave 流程，進行連結。被連結到的節點，會切換變成新的根節點(Root2)，此時還是 樹狀架構，如圖3-5 所示。
R1
R2
R2 R2 R2
R Root
Master/Slave Tree connection
圖3- 5 混成式的網狀-樹狀形成圖(2)
21
當樹狀架構的散網形成時，新的根節點(Root2)會遵守 3.1.1Master 流程，開 始向外搜尋鄰近的節點，進行連結，並形成樹狀架構。此時，新的根節點(Root2) 就是為原來散網的子網。當所有的新根節點(Root2)連結不到其他節點時，代表 樹狀架構的散網完成，開始進行網狀架構的散網連結。
首先，在初始設定的根節點(Root1)會發送訊息給微網內的所有節點，通知 它們進行回連，並藉由著根節點(Root1)所提供的資訊，找到相鄰節點進行回連，
如圖3-6 所示。
R1
Root
Tree connection
R2 R2
R2
R2
R
圖3- 6 混成式的網狀-樹狀形成圖(3)
如圖 3-7 所示，建立一個指定的根節點為主節點(Master)，向下建立樹狀拓 樸，此主節點同時傳送參數 K 來選擇新的根節點。每一個新的根節點會通知其 上行節點，上行節點收到通知後，開始回連，轉換第一個樹狀子網變成網狀子網。
同時，每個新的根節點重複相同的步驟，直到整個散網形成為止。同時，網狀子 網路的大小可由參數K 來做控制，圖中的階層參數 K=2。混成式的網狀-樹狀拓 樸架構形成，在密集的區域建構了網狀拓撲架構，在其它較為稀疏的區域建構樹
22
狀拓撲架構，這種混合式架構設計能有效的提升網路效能。
Connection formed in the return connection process
R1
Root
Master/Slave Tree connection
R2 R2
R2
R2
R
圖3- 7 混成式的網狀-樹狀形成圖(4)
23
第四章 混成式的網狀-樹狀之最佳化設計
在本篇章節中，將會介紹樹狀拓樸、網狀拓樸，這兩種混合而成的一種拓樸 結構之最佳化方法。
4.1 混成式的網狀-樹狀的拓樸結構之最佳化設計
為了將混成式的網狀-樹狀(Hybrid mesh-tree)的拓樸最佳化[5]，我們提出一 個峰值搜索(Peak-search)的方法，以決定其最佳散網的組態。此峰值搜索方法的 設計包括三個功能方塊，連接鏈路(Connection link)功能方塊，路徑長度(Hop length)功能方塊和優化決定(Optimum decision)功能方塊。連接鏈路功能方塊計算 在網狀網路內的總共的鏈路連接數，路徑長度功能方塊計算在網狀網路內的平均 路徑長度，優化決定功能方塊使用了一個決策準則，以找到最佳的k 值。此峰值 搜索方法可決定最佳的k 值，以最少的拓撲成本，完成最大的散網效能。峰值搜 索(Peak-search)最佳化示意圖，如圖 4-1 所示。
連接鏈路 路徑長度 優化決定
I=2
I-階層
否
圖4- 1 最佳化示意圖
為了實現峰值搜索方法，在樹狀拓撲架構的形成階段時，設置一個參數 c。
參數 c 是為計算路徑長度(Hop length)，從每個下行的 Master 到指定的根節點。
當 K = I =2 和 c=0，根節點開始傳送，將這兩個參數送至下行方向。然後，在下 行方向，新的 Master（Master/ Slave）節點增加 C 的參數 1 和減少 K 的參數 1
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直到K =0。
在回連階段，參數 R 回報回連數量給每個 Master/ Slave 節點。當每個回連 的Master 節點連接到其他 Master/ Slave 節點時，參數 R 增加 1。最後，每個回 連的Master 節點會知道節點 ID，在回連階段中，參數 c 和 R 可以指定根節點。
因此，根節點收集足夠的節點訊息，可以計算平均路徑查詢長度(Average query path length)，節點數和回連的數量。
當不是最佳化的階層參數時，根節點會傳送這兩個參數，其中k=I+1 和 c=0 在下行方向，以增加樹狀子網及產生新的 Master 節點。在回連方面，只有新的 Master 節點可以連接周圍 Master/ Slave 節點，和增加回連參數 R，反覆進行，直 到確定是最佳化為止。
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4.1.1 連接鏈路(Connection link)功能方塊
在這一章節，主要是要介紹峰值搜索(Peak-search)的方法中的第一個連接鏈 路(Connection link)功能方塊。在連接鏈路(Connection link)功能方塊中，主要是 要計算總連線數，總連線數是由網狀拓樸裡的連線總數加上樹狀拓樸裡的連線總 數以及回連總數。
首先，網狀拓樸裡的連線總數是由根節點(Root)在網狀拓樸架構裡向每個 Master/ Slave 節點收集的連線總數。在網狀拓樸架構裡的連線總數越多，代表網 路系統裡的吞吐量(Throughput)越好。樹狀拓樸裡的連線總數就是樹狀散網形成 之後的總連線數。回連總數包含網狀拓樸架構的回連總數。如圖4-2 所示，依照 階層(Layer)參數設定的不同會影響網狀拓樸的架構。
圖4- 2 網狀拓樸架構的連線總數圖
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4.1.2 路徑長度(Hop length)功能方塊
在這一章節，主要是要介紹峰值搜索(Peak-search)的方法中的第二個路徑長 度(Hop length)功能方塊。藉由平均路徑查詢長度(Average query path length)來定 義在網狀拓樸架構裡，所有節點數的查詢長度(Query path length)。在所有的 Master/ Slave 節點中，總查詢路徑(Total query hops)是由路徑長度(Hop length)c 來計算的。這個參數可以被視為是在維護網狀拓樸架構的成本，階層參數的增加 會影響著整個散網，如圖4-3 所示。
圖4- 3 平均路徑查詢圖
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
60 70 80 90 100 110
A verag e qu ery h op
Number of nodes
layer=2 layer=3 layer=4 layer=5
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4.1.3 優化決定(Optimum decision)功能方塊
在這一章節，主要是要介紹峰值搜索的方法中的第三個優化決定(Optimum decision)功能方塊。在優化決定功能方塊中，我們設定的初始值都為 2。連結效 能 pI 被定義在連接鏈路功能方塊中的總連結數和在路徑長度功能方塊中的平 均路徑查詢長度。為了找出 pI 的最大值，所以我們提出了一個 p(I1)/ pI的算式
來計算，根據算式的計算來決定階層參數I 值得增加。假如p(I1)/ pI所計算出來 的數值大於 1 時，優化決定功能方塊中的階層參數I 值就會增加 1 並且再回到峰
值搜索的方法中的第一個連接鏈路功能方塊中執行。直到p(I1)/ pI所計算出來的 數值小於1 時，優化決定就此結束。所以最佳的階層參數 I 值就被決定了。如圖 4-4 所示，在不同的階層參數中所顯示的平均連結效能(average link performance)。
如圖4-5 所示，在不同的階層參數中根據峰值搜索的方法，顯示出階層參數 I=4 時，峰值為最大值。此時，對整體網路系統效能是最佳化的。
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圖4- 4 平均連結效能圖
圖4- 5 峰值搜索效能圖
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0
2 3 4 5
P (I)
Number of layers
60NODE 70NODE 80NODE 90NODE 100NODE 110NODE
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第五章 電腦模擬與效能評估
5.1 電腦模擬環境設定
我們使用Matlab R2008a 來當作我們的模擬工具[2]，節點個數分別從 40、
50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160，並隨機分布在 40
*40 平方公尺的矩形區域範圍內，且節點位置不會重複。
接著每個節點都有一個識別碼(id)，在從節點中隨機選出一個節點作為根節 點開始進行連接，而電波傳輸距離是10 公尺。
5.1.1 電腦模擬示意圖
接下來，我們用Matlab R2008a 所做出來的模擬示意圖，節點個數為 20 個，
節點隨機分布在20 *20 平方公尺的矩形區域範圍內，且節點位置不會重複，電 波傳輸距離是10 公尺，在圖中的節點 1 是代表根節點，而不同的顏色連結代表 不同的微網
，
其中星號„*‟是代表 Master 節點角色，點號„•‟是代表Slave 節點角色。如圖5-1 所示， 樹狀拓撲結構示意圖。如圖 5-2 所示， 混成式的網 狀-樹狀拓撲結構示意圖。如圖5-3 所示，混成式的環狀-樹狀拓撲結構示意圖。30
圖5- 1 樹狀拓撲結構示意圖
圖5- 2 混成式的網狀-樹狀撲結構示意圖
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圖5- 3 混成式的環狀-樹狀撲結構示意圖
32
5.2 效能評估
在此章節中，我們將進行三種網路拓墣架構的比較，第一種是樹狀拓墣 (Bluetree)，第二種是混成式的環狀-樹狀拓樸架構(BlueHRT)[7],[19]，其中我們 模擬的混成式的環狀-樹狀拓樸架構裡的環狀是由三個節點構成的。第三種是混 成式的網狀-樹狀拓樸架構(Hybrid mesh-tree)，分析下列五種參數的優劣，分別 是微網路個數(Piconet number)、微網路效率(Piconet efficiency)、平均路徑長 (Average hop length)、總連線數(Total link connections)、形成時間(Formation time)。
5.2.1 微網路個數(Piconet number)
微網路個數的定義，是指在相同的節點分布，所形成的微網路個數。由圖 5-4 表示，可以得知 Bluetree 的模擬數值及 BlueHRT 的模擬數值，相較於 Hybrid mesh-tree 的模擬數值還要來的低，所以 Hybrid mesh-tree 的效能較為高一些。
Bluetree 的模擬數值及 BlueHRT 的模擬數值，相較於 Hybrid mesh-tree 的模 擬數值，三者之間沒有明顯差距。其原因是混成式的網狀-樹狀的拓撲的連結方 式主要是以樹狀拓樸的基礎加以改良的，除了原本樹狀拓樸之外，另外以階層參 數 I 值來調整網狀子網的大小，將樹狀網路架構改變成混成式的網狀-樹狀的架 構，又以調整階層參數來適應不同的節點分布。BlueHRT 也是基於 Bluetree 的拓 樸架構去演變而來的，與Bluetree 的差異只在於一開始必須先構成環狀拓樸，接 下來的拓樸模式與Bluetree 皆相同，所以微網路個數效能較其它兩種拓樸架構較 為低落。
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圖5- 4 微網路個數(Piconet number)電腦模擬圖
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5.2.2 微網路效率(Piconet efficiency)
微網路效率的定義，是計算網路拓樸形成後，得到平均每個微網路中有幾個 節點。如圖5-5 所示，很明顯的看出 Hybrid mesh-tree 的模擬數值與 Bluetree 及 BlueHRT 的模擬數值還要來的高，所以 Hybrid mesh-tree 的微網路效率比其他兩 種網路拓樸還要來的好，其中原因是Hybrid mesh-tree 拓撲使 Master 的節點角色 可以再次連其它Slave，以增加微網內的數目，使其效率提升。
其中又以階層參數設定為4 及階層參數設定為 5，有著明顯的差距。但是，
階層參數設定為4 及階層參數設定為 5 這兩條線之間，相當接近。其中原因可能 是在40*40 的區域內網狀子網的大小已達最大值，無法再增加連接數目。
圖5- 5 微網路效率(Piconet efficiency)電腦模擬圖
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5.2.3 平均路徑長(Average hop length)
接下來要看平均路徑長，這裡我們定義兩個節點之間的連線路徑長算 1 個單 位，由一個節點到任一個節點，平均所要走的路徑長，在這裡的路徑長是指節點 間的最短路徑。
然而由圖5-6，可以得知，Hybrid mesh-tree 的模擬數值比 Bluetree、BlueHRT 的模擬數值還要來的低。原因是因為Hybrid mesh-tree 在節點密集區的拓樸狀態 由原本的樹狀架構改變成網狀架構，增加節點與節點之間的連接總數，使其微網 路效率增加，造成平均路徑長度的縮短。這也代表著平均路徑長度的數值越低，
整體的微網路效率則越高，兩者之間呈現出反比的狀態。
但是，階層參數設定為4 及階層參數設定為 5 這兩條線之間，相當接近。其 中原因可能是在40*40 的區域內網狀子網的大小已達最大值，微網路效率相當，
所以兩者之間的平均路徑長度沒有明顯的差距。
圖5- 6 平均路徑長度(Average hop length)電腦模擬圖
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5.2.4 總連線數(Total link connections)
接下來要看總連線數，這裡我們定義一個連線的路徑為一個單位，所以在散 網裡的全部連線數為總連線數。然而由圖5-7，可以得知，Hybrid mesh-tree 的模 擬數值比Bluetree、BlueHRT 模擬數值還要來的高。原因是因為在節點密集區的 拓樸狀態由原本的樹狀架構改變成網狀架構，增加節點與節點之間的連接總數，
使其微網路效率增加，同時，也造成總連線數的數值增加。
但是，階層參數設定為4 及階層參數設定為 5 這兩條線之間，相當接近。其 中原因可能是在40*40 平方公尺之區域內網狀子網的大小已達最大值，微網路效 率相當，所以兩者之間的總連線數的數值沒有明顯的差距。
，
圖5- 7 總連線數(Total link connections)電腦模擬圖
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5.2.5 形成時間(Formation time)
形成時間是指拓樸網路形成的時間，這裡我們以秒為單位。但是，在這裡我 們只有考慮 Page 到 Connection 的時間，並沒有包含 Inquiry、Inquiry Scan 的 這段時間。由圖5-8 所示，Hybrid mesh-tree 的模擬數值比 Bluetree、BlueHRT 模 擬數值還要來的高，其原因是Hybrid mesh-tree 拓樸為了要在節點密集區建構網 狀拓樸而進行連結，所耗費較多的時間。因此，當Hybrid mesh-tree 的階層參數 設定值越大時，所需要耗費的時間也越多。
圖5- 8 形成時間(Formation time)電腦模擬圖
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第六章 結論
在本篇論文中，我們提出一種Hybrid mesh-tree 的拓撲架構。而這種拓撲架 構，先在節點密集的區域建構了網狀拓撲，再其它節點稀疏的區域建構樹狀拓 撲。
首先，Hybrid mesh-tree 指定根節點建構樹狀散網形成子網路，並設立 k 值 來決定下游新的根節點。然後新的根節點要求上游的 Master 開始回連程序，讓 第一個子網路的樹狀散網轉變成網狀散網。同時，每個新的根節點重複同樣的程 序作為指定的根節點，以建立它自己的樹狀子網，直到整個散網形成，這種作法 能有效的提升整體系統效能。
為了將 Hybrid mesh-tree 拓樸最佳化，我們提出一個峰值搜索(Peak-search) 的方法，以決定其最佳化散網的組態。此峰值搜索方法的設計包括三個功能方塊，
連接鏈路(Connection link)功能方塊，路徑長度(Hop length)功能方塊和優化決定 (Optimum decision)功能方塊。連接鏈路功能方塊計算在網狀網路內的總共的鏈路 連接數，路徑長度功能方塊計算在網狀網路內的平均路徑長度，優化決定功能方 塊使用了一個決策準則，以找到最佳的 k 值。此峰值搜索方法可決定最佳的 k 值，以最少的拓撲成本，完成最大的散網效能。模擬結果可以發現到，網狀子網 路的大小可以藉由參數 k 來調整。此外，Hybrid mesh-tree 比 BlueHRT 和 Bluetree 有更好的網路性能。因此，對不同的網路區域，Hybrid mesh-tree 可以產生有效 率的網路組態，同時，兼具網狀與樹狀網路的優點。
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第七章 未來研究方向
在未來的研究方向，為了讓混成式的網狀-樹狀(Hybrid mesh-tree)的拓撲架 構能更有效的運用，將朝向不同的區域大小以及增加節點的數量來做最佳化的模 擬及分析。讓混成式的網狀-樹狀的拓撲結構能夠適應不同區域大小，更有效地 在藍芽拓樸中被使用。
此外，在本篇論文中的電腦模擬是集中式的架構，由一個根節點開始形成拓 樸架構。在未來的研究方向中，可以朝向分散式的架構，由 2 個或者是 2 個以上 的根節點，形成拓樸架構，並把階層參數可以設為相同或是不同的，由此來觀察 及分析，希望能發現更好的研究成果。
最後，本篇論文之電腦模擬都是假設節點是固定數量，並不會在模擬中加入 節點或是減少節點，希望可以朝向動態式作法去模擬分析以及選出最佳的根節 點。
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