中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

基於藍芽隨意網路之階層式形成演算法的 設計與效能評估

On the Design and Performance Evaluation of A Layer Formation Method for

Bluetooth-based Ad Hoc Networks

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M09801027 林俊宏 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，提出一個新的散網形成方法稱之為階層式形成演算法，此演算法 包含了兩種散網形成架構，一個是階層式樹狀網路架構，另一個為階層式 Blueweb 網路架構。首先，階層式樹狀網路形成方法指定一個根節點建立起樹狀子網路，並傳 遞一個 Layer counter K 值及定值 T 來決定鏈路下游所產生的新根節點，每新產生 的根節點會回傳回連訊息通知上一個 Slave/Master node 做回連的動作，將樹狀子網 路轉換成網狀架構直到根節點為止，同時新的根節點持續建立起自己的子網路直到整 個散網形成。然而階層式樹狀網路建立一個網狀架構是由 Slave/Master node 擔任中 繼節點，而階層式Blueweb網路多了一個角色轉換機制將 Slave/Slave node 轉換成 Relay。從模擬結果得知，階層式網路形成方法比起傳統的 Bluetree 和 Blueweb 能 讓整個網路能有更好的延展性，建立起更有效率的散網架構。

關鍵字:藍芽、散網形成、隨意網路、子網路

ii

ABSTRACT

In this thesis, a new scatternet method called layer formation algorithm is proposed.

This algorithm contains two architectures including the layer Bluetree and layer Blueweb.

First, layer Bluetree method uses a designated root to construct a tree-shaped subnet and propagates an integer variable K called counter limit as well as a constant T 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 tree-shaped subnet into a mesh-shaped subnet for its immediate upstream root. At the same time, each new root repeats the same procedure as the root to build its own subnet until the whole scatternet is formed. As a result, the layer Bluetree constructs a mesh topology with slave/master node as a relay. On the other hand, the layer Blueweb adds a role exchange criterion to make the slave/slave node as a relay. Simulation results show that layer formation method achieves good network scalability and generates an efficient scatternet configuration than traditional Bluetree and Blueweb for various sizes of Bluetooth ad hoc network.

Keywords: Bluetooth, Scatternet formation, Ad hoc network, Subnet

iii

誌 謝

在這兩年的研究所生活中，當然第一個要感謝的人就是我的父母，謝謝他們提供 我良好的環境及沒有經濟壓力下讀到研究所，遇到挫折家人永遠是在背後默默支持你 的人，再來要謝謝我的指導教授余誌民老師，不論在研究、人生方面，都給了我很大 的啟發，引導我詴著如何應對從未遇到過的問題加以順利迎刃而解。感謝可愛的葉秀 年在我撰寫畢業論文時期給我許多精神鼓勵和經驗談，以及一起努力的實驗室同儕 們，我們總算一起走過來了，接著要感謝大二學妹們珊珊、嘉嘉、綠綠和蕾蕾，有了 你們在繁忙的研究所生活中多了許多歡笑，謝謝你們。

iv

目錄

摘 要

i

ABSTRACT

ii

誌 謝

iii

目錄

iv

表目錄

vii

圖目錄

viii

第一章 導論

1

1.1 研究動機 ... 1

1.2 研究目的 ... 1

1.3 論文架構 ... 2

第二章 藍芽背景基本知識介紹

3

2.1 藍芽簡易介紹 ... 3

2.2 藍芽的通訊協定與連結技術 ... 3

2.2.1 傳輸距離 ... 3

2.2.2 發射功率 ... 4

2.2.3 傳輸頻帶 ... 4

2.3 微網路、分散網路與子網路 ... 5

2.3.1 微網路 ... 5

2.3.2 分散網路 ... 5

2.3.3 子網路 ... 6

第三章 原始藍芽樹狀及網狀網路形成介紹

7

3.1 藍芽樹狀網路形成演算法 ... 7

3.1.1 藍芽樹狀網路的基本初始假設 ... 7

3.1.2 藍芽樹狀網路形成方法 ... 8

3.2 Blueweb 網路形成演算法 ... 10

3.2.1 Blueweb 網路的基本初始假設 ... 10

v

3.2.2 Blueweb 網路形成方法 ... 11

第四章 階層式網路形成方法

12

4.1 階層式網路架構形成方法介紹 ... 12

4.1.1 階層式樹狀網路形成方法 ... 12

4.1.2 階層式 Blueweb 網路形成方法 ... 13

4.2 階層式網路架構形成步驟 ... 14

4.2.1 階層式樹狀網路形成步驟 ... 14

4.2.2 階層式 Blueweb 網路形成步驟 ... 19

4.3 階層式網路演算法的初始假設設定 ... 21

4.4 階層式樹狀網路布建流程 ... 21

4.4.1 Master 流程 ... 21

4.4.2 Slave 流程 ... 23

4.4.3 回連流程 ... 25

4.5 組態化的階層式網路 ... 26

4.5.1 新的 Blueroot 個數 ... 26

4.5.2 帄均子網路內節點個數 ... 26

4.6 網路形成架構整理比較 ... 27

第五章 模擬環境與效能分析

28

5.1 模擬環境參數設定 ... 28

5.2 程式模擬階層式網路示意圖 ... 29

5.2.1 階層式樹狀網路示意圖 ... 29

5.2.2 階層式 Blueweb 網路示意圖 ... 30

5.3 階層式樹狀網路效能與模擬 ... 31

5.3.1 微網路個數 ... 32

5.3.2 微網路效率 ... 33

5.3.3 帄均路徑長 ... 34

5.3.4 控制封包 ... 35

5.3.5 形成時間 ... 36

5.4 階層式 Blueweb 效能與模擬 ... 37

vi

5.4.1 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較微網路個數... 38

5.4.2 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較微網路效率... 40

5.4.3 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較帄均路徑長... 42

5.4.4 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較控制封包... 44

5.4.5 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較形成時間... 46

5.5 組態化階層式樹狀網路效能與模擬 ... 48

5.5.1 新的 Blueroot 個數 ... 48

5.5.2 子網路內部節點個數 ... 49

第六章 結論與未來研究方向

50

6.1 結論 ... 50

6.2 未來研究方向 ... 51

參考文獻

52

vii

表目錄

表 2. 1 藍芽設備傳輸功率等級 ... 4 表 2. 2 網路形成架構整理表 ... 27

viii

圖目錄

圖 3. 1 藍芽樹狀的網路架構 ... 9

圖 3. 2 Blueweb 的網路架構 ... 11

圖 4. 1 子網路第一層連結狀態圖 ... 14

圖 4. 2 子網路第二層連結狀態圖 ... 15

圖 4. 3 子網路第三層連結狀態圖 ... 16

圖 4. 4 新 Blueroot 建立第二個子網路連結狀態圖 ... 17

圖 4. 5 最終整體階層式樹狀網路布建完成圖 ... 18

圖 4. 6 最終整體階層式 Blueweb 網路布建完成圖 ... 20

圖 4. 7 階層式樹狀網路之 Master 連結流程圖 ... 22

圖 4. 8 階層式樹狀網路之 Slave 連結流程圖 ... 24

圖 4. 9 階層式樹狀網路之 S/M node 回連連結流程圖 ... 25

圖 5. 1 階層式樹狀模擬網路示意圖 ... 29

圖 5. 2 階層式 Blueweb 模擬網路示意圖 ... 30

圖 5. 3 階層式樹狀網路微網路個數分布圖 ... 32

圖 5. 4 階層式樹狀網路微網路效率分布圖 ... 33

圖 5. 5 階層式樹狀網路帄均路徑長度分布圖 ... 34

圖 5. 6 階層式樹狀網路控制封包分布圖 ... 35

圖 5. 7 階層式樹狀網路形成所需時間結果圖 ... 36

圖 5. 8 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的微網路個數分布圖 ... 39

圖 5. 9 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的微網路個數分布圖 ... 39

圖 5. 10 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的微網路效率分布圖 ... 41

圖 5. 11 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的微網路效率分布圖 ... 41

圖 5. 12 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的帄均路徑長度分布圖 ... 43

圖 5. 13 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的帄均路徑長度分布圖 ... 43

圖 5. 14 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的控制封包分布圖 ... 45

圖 5. 15 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的控制封包分布圖 ... 45

圖 5. 16 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的形成所需時間結果圖 ... 47

ix

圖 5. 17 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的形成所需時間結果圖 ... 47 圖 5. 18 階層式樹狀網路新產生 Blueroot 個數結果圖 ... 48 圖 5. 19 階層式樹狀網路子網路內部節點數個數分布圖 ... 49

1

第一章 導論

1.1 研究動機

在這資訊發達的年代，人們都想在第一時間了解世界現在每個角落發生了什麼事 情，最好最快速的方式就是透過網際網路(Internet)取得最新資訊，因此使用網際網路 的人口日益增多，無線傳輸技術藉此也快速蓬勃發展興起，當然藍芽也搭上這班順風 車，許多筆電、智慧型手機、醫療設備及車用設備都已加裝藍芽無線模組，透過藍芽 接聽電話或聽音樂等等，有了藍芽能夠攜帶自由隨意走動不受有線的限制，為人類帶 來方便的生活，這也就是使用藍芽裝置的人口越來越多的原因，在 2010 年 7 月藍芽 技術聯盟最新公布的藍芽標準 v4.0[1]在傳輸速率有更大的提升及功率消耗更低，因 此布建藍芽隨意網路不在是夢想，然而為了讓藍芽不在是只有個人傳輸語音功能，建 立起藍芽隨意網路使擴大至某定點區域使用藍芽設備的人們都能互相聯繫交換訊息。

1.2 研究目的

雖然目前藍芽隨意網路在市面上未現身發跡，但全球使用藍芽設備的人數增加快 速是不爭的事實，或許在未來的科技裡能占有屬於它的一席之地，替人們帶來便捷的 生活，本篇論文主要研究目的是為了使藍芽散網能有更好的極致網路效能，因此提出 了階層式網路形成方法，以及或許可以因應各種不同環境及標準下獨立開發出屬於該 環境的連結拓撲演算法，轉換個方法克服一些先天性的限制障礙。

2

1.3 論文架構

在本篇論文的架構中，第二章為藍芽基本知識介紹，介紹藍芽基本協定及傳輸技 術，第三章介紹原始 Blueweb 網路形成方法及藍芽樹狀網路(Bluetree)形成方法，在第 四章詳細介紹說明新的階層式網路形成演算法(Layer formation method)如何形成網路 其方法和如何統計新建立的 Blueroot 以及計算子網路內部節點數目，第五章分析 Layer formation method 和 Blueweb 及 Bluetree 的模擬效能比較，及分析在 Layer counter 不同設定情況下對於 Blueroot 及子網路(Subnet)的變化，第六章做個具體分析總結及 探討未來可研究之方向。

3

第二章 藍芽背景基本知識介紹

2.1 藍芽簡易介紹

藍芽通訊協定標準[1]是由藍芽技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)負責規 範，而藍芽技術聯盟成立於 1998 年是不以營利為目的的通訊行業協會。藍芽技術聯 盟不負責製造生產及銷售藍芽設備商品。成立其主要目的為訂定藍芽技術規範並保護 藍芽商標及專利權，以及積極推動宣傳藍芽無線技術。藍芽技術聯盟在世界各地均設 有辦事處，目前全球公司加入藍芽技術聯盟的成員已經超過 14000 家公司。藍芽無 線技術是全球短距離無線連結的標準，藍芽電子設備的運用範圍廣泛。現今藍芽技術 正不斷地發展，藍芽的優勢建立於尺寸小、低功耗、低成本、壽命長、易於操作和可 建立藍芽隨意網路等功能。藍芽最新協定標準規範 v 4.0 整合了以上的優勢，並提供 了公司製造商和通訊產品消費者低耗能和可結合連接 802.11g 無線網路實現高速無線 傳輸功能。

2.2 藍芽的通訊協定與連結技術

2.2.1 傳輸距離

藍芽功率應用範圍有具體的規範，但決定發射功率訂定傳輸範圍的任務是由設備 依據實際訊號強度做調整，藍芽設備可自行調整發射功率，傳輸範圍因此可近可遠如 表 2.1，藍芽節點設備可分為三種功率等級:

3 級 – 最遠通訊範圍為 1 公尺

2 級 – 藍芽設備中最常被使用 – 最遠通訊範圍為 10 公尺 1 級 - 主要用於工業用途 – 最遠通訊範圍為 100 公尺

4

功率等級 最大輸出功率 最大設定下之

最小輸出功率 最遠傳輸範圍 Class 1 100mW ( 20 dBm) 1mW ( 0 dBm) 100m Class 2 2.5mW ( 4 dBm) 0.25mW ( -6 dBm) 10m

Class 3 1mW ( 0 dBm) 1m

表 2. 1 藍芽設備傳輸功率等級

2.2.2 發射功率

當功率發射非常大時如 Class 1，就會強制設定功率控制的功能，避免等待無傳 送資料時或距離夠近造成不必要的過多浪費消耗能量，而 Class 2 及 Class 3 因為輸出 功率已經夠小，就沒有功率控制這項設定，功率控制是由接收端做控制，依照接收訊 號強度調整。藍芽設備中最常用的是 Class 2，使用的是 2.5mW 的功率，藍芽技術的 設計具有非常低的功耗。藍芽低功耗技術，一個好的傳輸設備也需要持久的電池電力 來維持運作，而不單是要求高資料量傳輸率。

2.2.3 傳輸頻帶

藍芽技術工作在 2.4GHz 的 ISM 頻帶開放使用且不需要執照，科學和醫療（ISM）

頻段在 2.4 至 2.485 GHz，大部分都將頻帶分成 79 個通道，採用的是展頻及跳頻技 術，藍芽技術中的自適應跳頻（AFH）功能的目的為降低干擾，因為其他無線技術也 可以操作使用在 2.4 GHz 頻段上，跳頻速率為每秒 1600 跳，而通訊協定則是採用分 時多工(TDMA)。

5

2.3 微網路、分散網路與子網路

2.3.1 微網路

當有兩個以上同頻段的藍芽設備互相連結後所形成的小型網路即為微網路，在微 網中 Master 設備最多只可以跟七個 Slave 設備連結形成微網路，其 Slave 與 Slave 間 彼此不可相互傳遞資料，只能與該微網路中 Master 設備傳遞資料。

同一微網中，Master 裝置設備負責決定跳頻的序列，而 Slave 設備的跳頻頻率和 時脈必頇與 Master 設備相同，才能進行相連結與傳輸封包，並由 Master 設備分配給 各個 Slave 設備間的傳輸速率，當微網路內的 Slave 設備達到最多七個時，所分配到 的傳輸速率將會有所下降，而在同一微網路的設備會經由同步避開相互干擾。

2.3.2 分散網路

分散網路又簡稱散網，而散網(Scatternet)是由兩個以上的微網所組織而成，在散 網中介於兩個微網中間的 Master 或 Slave，就經常需要做角色轉換的動作，有可能是 這個微網的 Master，但同時也是其他微網的 Slave，這些節點就叫做中繼節點(Relay)，

Relay 可以同時屬於多個微網路，這些 Relay 在多跳路由隨意網路[11][13]中便顯得非 常重要，而如何使微網路內部數量最佳化以減輕 Relay 的負擔[14]及在傳送封包時經 由 Relay 選擇路由路徑[15] [17]也是影響網路效益關鍵點。

藍芽規格中並無明確定義藍芽散網的形成，故只頇遵守基本的藍芽協定限制，便 可依照自定的演算法去形成想要的散網架構，就因沒明確散網的通訊協定，故在同區 域散網內其他獨立未同步的微網路，可能會因使用相同頻率產生碰撞，導致封包遺失 且重新發送。因此，區域中的微網路個數越多，就有更多的封包要重送，這將造成資 料傳輸率下降，也就是如何依據傳輸流量調整路由[16]以減輕負擔及提升藍芽網路傳 輸效能。而目前藍芽散網研究已經發展出數多種架構形成演算法大致可以分成兩種，

一種是集中式散網演算法[2-6]，會先選出一個 Blueroot 當作 Leader 節點，由它來開 始連結控制分配散網的形成。另外一種是分散式散網演算法[7-10]，同時讓少部分的

6

節點擔任 Leader 節點，自行分散去運作連結，形成許多區域型散網再藉由 Relay 交 換訊息。

2.3.3 子網路

在本篇論文的子網路定義為當新的 Blueroot 所建立起的小型散網，裡面包含些微 數個微網路，其由內部節點數的多寡依照大到小的排序為分散網路、子網路、微網路，

新的 Blueroot 藉由子網路自行區域性管理內部節點，分層管理比較可以詳細知道其內 部狀況。

7

第三章 原始藍芽樹狀及網狀網路形成介紹

3.1 藍芽樹狀網路形成演算法

Bluetrees 散網網路形成演算法[2]是由 Gergely V. Zaruba, Stefano Basagni and Imrich Chlamtac 三位研究專家所提出發表，其建立方式是屬於集中式散網演算法之 一，由所有節點中隨機選出一個根節點(Blueroot)開始進行連結，形成一個樹狀型散 網網路。

3.1.1 藍芽樹狀網路的基本初始假設

根據藍芽樹狀散網網路的形成[2]所提出以下幾點假設：

1. 所有節點隨機分布在給予設定的環境區域內。

2. 所有節點在給予設定的區域裡移動性相當低(有節點關機或中斷連結情況如 何修復[18]，另外去探討)。

3. 藍芽標準中定義限定微網路中一個 Master 節點最多只可連接七個 Slave 節點。

4. 在連結前的前置作業中，每個節點都有充裕的時間去做 Inquiry 和 Inquiry Response 動作，來尋找與它相鄰的節點。

5. 在樹狀散網網路中沒有被孤立的節點，每個節點至少有一條鏈路與其它節點 互相連結。

8

6. 當節點扮演多種角色屬於多個微網路時，需要時間做切換角色動作時，必頇 經過轉換跳頻時序，因此都有角色轉換延遲(Role switching delay)相當耗時，

假使要提高網路效率，必頇要降低每個節點的扮演角色，故假設一個節點最 多扮演兩個角色(Slave/Master)，節點角色可以是 Master、Slave 或

Slave/Master。

3.1.2 藍芽樹狀網路形成方法

隨意挑選設定環境內 的某一節點，來當作 藍芽樹狀網路(Bluetree)的根節點 (Blueroot)，利用這個 Blueroot 來建立起衍生樹網路，將 Blueroot 指定為 Master 的角 色，接下來會 page 它附近一跳的鄰近節點，使得這些節點成為這個 Master 的 Slaves，

這個 Master 與它所屬的 Slaves 將組成一個微網路，一個微網路中限制 Master 節點最 多只能連結七個 Slave 節點。

這個 Blueroot 的 Slave 將會轉換成另一個角色 Master，然後分別去 page 還沒有 被其它節點 page 過的一跳的節點，使其成為它的 Slaves，若有節點還沒有扮演任何 角色，而它同屬於兩個以上的 Master 的一跳的節點時，則那一個 Master 先 page 到它，

它將屬於那個 Master 的 Slave，這樣的動作將一直重複直到樹的末端節點(Leaf node)，

也就是說這些 Leaf node 只需要扮演 Slave 的角色，如此一來整體樹狀網路架構即建 立完成，Bluetree 的架構如圖 3.1，其中左邊第一節點是 Blueroot，箭頭符號是由 Master 指向 Slave，而直線連接的部分代表的是可以相連結的節點。

9

Slave

Blueroot

Slave

Slave Slave

Slave Slave Slave

Slave

Slave Slave

Slave S/M

node

S/M node S/M

node

S/M node

Leaf node

圖 3. 1 藍芽樹狀的網路架構

10

3.2 Blueweb 網路形成演算法

3.2.1 Blueweb 網路的基本初始假設

Blueweb 散網網路形成演算法[12]的假設幾乎與與 Bluetree 相同，只有些微差異 性的部分，Blueweb 的基本假設如下面所示：

1. 所有節點隨機分布在給予設定的環境區域內。

2. 所有節點在給予設定的區域裡移動性相當低(有節點關機或中斷連結情況如 何修復[18]另外去探討)。

3. 藍芽標準中定義，限定微網路中一個 Master 節點最多只可連接七個 Slave 節點。

4. 在連結前的前置作業中，每個節點都有充裕的時間去做 Inquiry 和 Inquiry Response 動作，來尋找與它相鄰的節點。

5. 在網狀散網網路中沒有被孤立的節點，每個節點至少有一條鏈路與其它節點 互相連結。

6. 當節點扮演多種角色屬於多個微網路時，需要時間做切換角色動作時，必頇 經過轉換跳頻時序，因此都有角色轉換延遲(Role switching delay)相當耗時，

假使要提高網路效率，必頇要降低每個節點的扮演角色。但在 Blueweb 網路 中，特別多出了一個中繼節點(Relay)這個角色，這假設還是一樣，一個節點 最多扮演兩種角色(Slave/Master or Slave/Slave)，節點角色可以是 Master、

Slave、Slave/Master 或 Relay(Slave/Slave)。

11

3.2.2 Blueweb 網路形成方法

隨意挑選設定環境內的某一節點，來當作藍芽網狀網路 (Blueweb)的根節點 (Blueroot)，利用這個 Blueroot 來先建立起網路再透過回連形成網狀網路，將 Blueroot 指定為 Master 的角色，接下來會 page 它附近一跳的鄰近節點，使得這些節點成為這 個 Master 的 Slaves，這個 Master 與它所屬的 Slaves 將組成一個微網路，一個微網路 中限制 Master 節點最多只能連結七個 Slave 節點。

這個 Blueroot 的 Slave 將會轉換成另一個角色 Master，這時這個節點是扮演 Relay(Slave/Master)的角色，然後分別去 page 還沒有被其它節點 page 過的一跳的節 點，若附近無節點可以 page，則此 Slave/Master node 會經由角色轉換機制轉變成 Relay(Slave/Slave)，Blueweb 的連結方式保持為 Master-Relay-Master…如圖 3.2，這樣 的動作將一直重複直到網路的末端節點(Leaf node)，到末端節點後會開始回傳回連訊 息，通知上游 Master 連結附近非同鏈路的 Slave，將整體散網轉換成網狀網路。

Slave

Blueroot

Slave

Slave Slave

Slave Slave Slave

Slave Slave

Slave S/M

node Relay

Relay S/M

node

Leaf node S/M node

圖 3. 2

12

第四章 階層式網路形成方法

此章節中，提出一種新的階層式網路形成演算法及組態化階層式網路，在網路連 結布建的同時，傳送一個 K 值及 T 值初始參數，且 T 值為定值。當 K 值為零時，從 樹層的中間 S/M 節點(S/M node)來啟動回連機制，以達到增加連結鏈路的數目，並重 置 K 值為 T，使其成為新的 Blueroot 持續往下連結。舉例來說某一條樹狀連結鏈路，

設定 Layer counter = K = T = 2，此時，只要有節點是處於二的倍數層(第二層、第四 層…等等)，就會開始啟動回連機制，而轉換形成 Layer formation method 散網架構。

4.1 階層式網路架構形成方法介紹

4.1.1 階層式樹狀網路形成方法

首先隨機挑選一個節點來當 Blueroot，由此 Blueroot 建立子網路，並給它初始參 數 K = T，K 值為 Layer counter 及 T 為定值。將 Blueroot 設定為 Master 的角色，接著 page 附近的鄰近節點，成為這個 Blueroot 的 Slaves，這些 Slave 再經過角色轉換成 S/M node page 還沒有被其它節點 page 過的節點。而當每經過一個 S/M node，K 值減 1，

並檢查 K 值是否為零， K 值為零的 S/M node，會通知上一層的 S/M node 角色轉變 成 Return master 並做回連的動作，接著將 K 值重置為定值 T，回連時，連結附近的 S/M node，回連至上一層的 Blueroot 為止，結果，第一個 Blueroot 子網路的樹狀架構 會被轉換成網狀架構。同時，這些重置後的 S/M node 變成新的 Blueroot，接下來這 些新的 Blueroot 將重複第一層 Blueroot 的所有連結動作，依序建立起網狀子網路直 到末端節點，抵達末端節點時，此時不論 K 值是否為零，一律通知上一層的 S/M node 轉變成 Return master 並做回連的動作，回連至上一層的 Blueroot 為止，此時階層式 整體網路拓撲架構便完全形成。

13

4.1.2 階層式 Blueweb 網路形成方法

階層式 Blueweb 網路形成方法與階層式樹狀網路有很大不同，但一樣首先隨機挑 選一個節點來當 Blueroot，由此 Blueroot 建立子網路，並給它初始參數 K = T，K 值 為 Layer counter 及 T 為定值。將 Blueroot 設定為 Master 的角色，接著 page 附近的鄰 近節點，成為這個 Blueroot 的 Slave。由於階層式 Blueweb 與階層式樹狀網路連結方 法不同，而每當經過一個 S/M node，K 值減 1，並檢查 K 值是否為零，其中介於兩個 S/M node 之間的 Relay 節點不可列入 Layer counter 計算，K 值為零的 S/M node，會 通知上一個 S/M node 角色轉變成 Return master 並做回連的動作，接著將 K 值重置為 初始值 T，回連時，連結附近的 Relay，回連至上一層的 Blueroot 為止，結果差別於 Blueweb 本身已為網狀架構。同時，這些重置後的 S/M node 變成新的 Blueroot，接下 來這些新的 Blueroot 將重複第一層 Blueroot 的所有連結動作，依序連結 Relay 直到末 端節點，抵達末端節點時，此時不論 K 值是否為零，一律通知上一個的 S/M node 轉 變成 Return master 並做回連的動作，回連至上一層的 Blueroot 為止，此時階層式 Blueweb 整體網路拓撲架構便完全形成。

14

4.2 階層式網路架構形成步驟

4.2.1 階層式樹狀網路形成步驟

在此小節中舉個範例來了解階層式樹狀網路是如何布建起網路，首先先設定 Layer counter K 值 = 3，同時也將初始定值 T 也設為 3，代表著在屬於三的倍數層才 啟動回連機制。先隨機挑選一個節點來當 Blueroot 並給它一個 Layer counter 為 K 值，

由於我們假設三倍數才啟動回連，故將 K 值設為 3，每經過一層 K 值減 1，直到 K 值 = 0 才啟動回連，在圖 4.1 中，從 Blueroot 的初始 K 值為 3 開始向下建立網路，

達到子網路的第一層此時 K = 2。

S/M node

Blueroot

S/M node

Bluetooth node

Bluetooth node

Bluetooth node

Bluetooth node Bluetooth

node S/M

node

Subnet

Layer counter = K Initial value of K = 3 Initial value of T = 3

K=3 K=2

圖 4. 1 子網路第一層連結狀態圖

15

在經過子網路第一層的 K = 2 後，K 值再隨著向下連結而依層遞減，此時 K 值從 2 遞減到 1 如圖 4.2，子網路(Subnet)內部節點數漸漸增多，由於 K 值尚未等於零，

因此還不到啟動回連機制的時機，而子網路外部的節點是尚未配置等待被連結的藍芽 節點。

S/M node

Blueroot

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node S/M

node S/M

node

Subnet

Layer counter = K Initial value of K = 3 Initial value of T = 3

Bluetooth node

Bluetooth node

Bluetooth node

Bluetooth node Bluetooth

node

K=3 K=2 K=1

圖 4. 2 子網路第二層連結狀態圖

16

在圖 4.3 中，K 值隨著向下連結而依層遞減後，此時 K = 0 也就是到了子網路的 第三層，此節點會開始往回傳送開始回連的訊息，通知上一個 S/M node 轉換成 Return master 執行回連的動作，連結自己附近未連結過的 S/M node，鄰近節點都連結完後，

再繼續向上通知上一個 S/M node 做回連，這回連通知動作直到 Blueroot 才停止。

S/M node

Blueroot

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

Bluetooth node Bluetooth

node

Bluetooth node Bluetooth

node

Bluetooth node Return

master (S/M)

S/M node Return

master (S/M)

Bluetooth node

Return message to previous master Notice

Notice

K=3

Layer counter = K

Return connection

Notice

Return notice Initial value of K = 3

Initial value of T = 3

K=3 K=2 K=1 K=0

圖 4. 3 子網路第三層連結狀態圖

17

K = 0 這個節點也就是子網路的第三層，向上通知回連完後，此時會將 K 值重設 成定值 T，因此 K = 3 又變成一個新的 Blueroot 重複上述步驟，繼續建立起自己的子 網路，如圖 4.4 所示，是由兩個 Blueroot 所各自依序建立起的子網路，圖中右半邊新 Blueroot 建立的子網路，由於 K 值尚未等於零，因此沒有做回連的動作。

S/M node

Blueroot

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node S/M node

S/M node S/M

node

S/M node Return

master (S/M)

New Blueroot Return

master (S/M)

S/M node

Subnet

Layer counter = K

Return connection Return notice Initial value of K = 3

Initial value of T = 3

K=3 K=2 K=1 K=3 K=2 K=1

Subnet

圖 4. 4 新 Blueroot 建立第二個子網路連結狀態圖

18

直到末端節點也就是最後一個子網路，整體的階層式樹狀網路便已經完成，成功 的分層將整個樹狀網路轉換成網狀網路，由圖 4.5 可看出，整個網路是由數個新的 Blueroot 所建立的子網路組合而成，每個 Blueroot 清楚掌握了自己內部子網路所有節 點的資訊，在資料傳送方面可以省去很多時間去尋找節點，廣播出去尋找該節點的時 間可大幅縮短許多。

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node S/M node

S/M node S/M node

S/M node Return

master (S/M)

New root Return

master (S/M)

Return master (S/M)

K=3 K=2 K=1 K=3 K=2 K=1

Subnet

Subnet

Layer counter = K

Return connection Return notice Initial value of K = 3

Initial value of T = 3

S/M node

Blueroot

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node

S/M node S/M node

Return master (S/M) S/M node

S/M node Return

master (S/M)

New root Return

master (S/M)

Return master (S/M)

Subnet

K=3 K=2 K=1 K=3 K=2 K=1

Subnet

New root S/M node

S/M node

Leaf node

圖 4. 5 最終整體階層式樹狀網路布建完成圖

19

4.2.2 階層式 Blueweb 網路形成步驟

階層式網狀網路是如何布建起網路的，與階層式樹狀網路節連結方式類似，但網 路架構上有很大不同，差別於階層式網狀網路多了角色轉換機制，首先先設定 Layer counter K 值 = 3，同時也將初始定值 T 也設為 3，代表著在屬於三的倍數層才啟動 回連機制。先隨機挑選一個節點來當 Blueroot 並給它一個 Layer counter 為 K 值，由 於我們假設三倍數才啟動回連，故將 K 值設為 3，每當經過一個 S/M node，K 值減 1，

並檢查 K 值是否為零，其中介於兩個 S/M node 之間的 Relay 節點不可列入 Layer counter 計算直到 K 值 = 0 才啟動回連，從 Blueroot 的初始 K 值為 3 開始向下建立網 路，達到子網路的第一層此時 K = 2，在經過子網路第一層的 K = 2 後，K 值再隨著 向下連結而依層遞減，此時 K 值從 2 遞減到 1， K 值隨著向下連結而依層遞減後，

此時抵達 K = 0 的 S/M node，此節點會開始往回傳送開始回連的訊息，由於 S/M node 之間有 Relay，只能限通知上一個的 S/M node 執行回連的動作，中間 Relay 負責傳遞 回連訊息不執行連結動作，而收到回連通知的 S/M node 連結自己附近未連結過的 Relay，鄰近 Relay 節點都連結完後，再繼續向上通知上一個 Slave/Master 節點，這回 連動作直到 Blueroot 才停止，接著將 K 值重置為初始值 T，這些重置後的 S/M node 變成新的 Blueroot，接下來這些新的 Blueroot 將重複第一層 Blueroot 的所有連結動 作，依序連結 Relay 直到末端節點，抵達末端節點時，此時不論 K 值是否為零，一律 通知上一個的 S/M node 轉變成 Return master 並做回連的動作，回連至上一層的 Blueroot 為止，此時階層式 Blueweb 整體網路拓撲架構便完全建立如圖 4.6。

20

Relay

Relay

Relay S/M

node

Relay S/M

node Relay

Relay

S/M node Relay

Relay Return

master (S/M)

Relay Relay

Return master (S/M)

K=3 K=2 K=1

Subnet

Layer counter = K

Return connection Return notice Initial value of K = 3

Initial value of T = 3

S/M node

Blueroot

S/M node

Relay S/M

node

Relay S/M

node Relay

Relay

Relay S/M node

S/M node Return

master (S/M)

Relay Relay

Return master (S/M)

Subnet

K=3 K=2 K=1

New root Relay

Relay

Leaf node

圖 4. 6 最終整體階層式 Blueweb 網路布建完成圖

21

4.3 階層式網路演算法的初始假設設定

階層式網路演算法的假設與 Bluetree 及 Blueweb 兩者散網形成演算法的假設相 同，剛開始形成網路前，所有節點都處於初始狀態，並隨機分布在給予設定的環境區 域中，所有節點在這設定的環境裡移動性非常低，在連結前的前置作業中，每個節點 有充裕的時間去做 Inquiry、Inquiry Scan 動作，來尋找與它相鄰的一跳(hop)節點。接 著隨機選擇一個節點當 Blueroot，被選到的節點開始 Master 流程，而其它節點則進入 Slave 流程。

4.4 階層式樹狀網路布建流程

4.4.1 Master 流程

首先給 Master 一個 Layer counter 為 K 值，接著判斷該 Master 底下 Slave 數目是 否大於七，大於七就完成 Master 流程，小於七檢查附近是否有一跳節點，有一跳節 點則 page 它並跟它做連結，接著檢查底下 Slave 數目，附近沒有一跳節點的話就進入 等待階段，如果接收到回連訊息，即開始 page 附近的 S/M node，一樣檢查底下 Slave 數目是否大於七，大於七便完成，小於七則持續尋找附近有無一跳節點。

接著當 Master 收到 Return connection 的訊息，則 Master 轉變角色成 Return Master，

Return Master 會判斷微網內的 Slave 個數是否大於七，如果是，則 Master 動作完成。

如果小於七，則判斷被連的 S/M node，是否還能增加連結，如果可以，則去 Return page 並且連結此節點，則此節點就成為這 Master 的中繼 Relay，如果不行，則 Master 動 作完成，如圖 4.7 所示。

22 Master

Flow Slave number

> 7 ?

1 hop node? Yes No

Yes

No

Yes

Slave number > 7 ?

No Layer

counter=K

Page

Slave Connection

Wait

Return Message Reception

Page S/M Finished

圖 4. 7 階層式樹狀網路之 Master 連結流程圖

23

4.4.2 Slave 流程

Slave 的流程，一開始進入 Page scan 等待被 page，如果沒收到 page 訊息則繼續 等待被 page，收到 page 訊息後就準備做連結，並做角色切換為 S/M node，接著判斷 Layer counter 是否為零，是的話重置 Layer counter 為 K 值，並傳送回連訊息後進入 等待狀態等待被回連，假使不為零則檢查底下 Slave 數目是否大於七，大於七看看該 Slave 是否為 S/M node，不是的話該 Slave 便完成流程且為 Slave 節點，是 S/M node 的話則等待被回連，是小於七則尋找附近是否有一跳節點，有一跳節點則 page 它並 與它做連結，附近沒一跳節點則判斷目前自己角色是否為 S/M node，不是的話就完 成流程此時角色為 Slave，是 S/M node 則等待被回連，沒收到回連訊息即完成流程此 時角色為 S/M node，如圖 4.8 所示。

24 Slave

Flow

Slave number

> 7 ? 1 hop

node?

Slave is S/M?

Yes

No Yes

No

No

Yes Page reception

No

Yes

Layer Counter=0?

No

Yes

No Yes

Return reception Finished

S Page

Scan Connection Role switch

to S/M

Reset Layer Counter=K

Return Message

Notice

Finished S/M Wait

Page S/M Connection

S/M

圖 4. 8 階層式樹狀網路之 Slave 連結流程圖

25

4.4.3 回連流程

當 S/M node 收到回連訊息，由於 S/M node 介於 Slave 和 Master 這兩種角色做切 換，因此需判斷機率是否大於 0.5，小於 0.5 即為 Slave 角色等待被 page，收到 page 訊息就被該 Master 連結，並做角色切換成為 S/M node 等待接收回連訊息，沒收到 page 訊息則繼續等待接收 page 訊息，而機率大於 0.5 的話，檢查底下 Slave 數目有無大於 七，大於七則完成流程，此時角色為 S/M node，且回傳回連訊息給上一個 Master 並 等待其他回連訊息，假使 Slave 數小於七，則檢查附近是否有一跳的 Slave 節點並 page 它與它做連結，連結完成後等待接收回連訊息，如圖 4.9 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 4. 9 階層式樹狀網路之 S/M node 回連連結流程圖

26

4.5 組態化的階層式網路

4.5.1 新的 Blueroot 個數

當 Layer counter K 值等於零的節點，重置 K 值為初始定值 T，此節點即為新的 Blueroot，在模擬程式中加入一段程式去計數新的 Blueroot 個數，並用 if 迴圈判斷角 色為 Return Master 且為新的 Blueroot 才加 1。在網路形成後，我們可計算出新的 Blueroot 的數目總共有多少個，每一個新產生的 Blueroot 節點可以管理自己所屬的子 網路，因此這樣可以推估整個散網架構下共有幾個子網路，也可透過新的 Blueroot 個數了解階層式網路形成是否有完整執行，當 Layer counter 設定值不同時，對整個散 網的改變程度。

4.5.2 帄均子網路內節點個數

擁有了新的 Blueroot 個數後，即可推估帄均每個子網路中共有幾個節點，將全部 的節點除以新的 Blueroot 數目，就是帄均子網路中的節點個數，可從中觀察整個網路 的子網路節點分布情況，因為每個 Blueroot 清楚掌握了自己內部子網路所有節點的資 訊，在資料傳送方面可以省去很多時間去尋找節點，廣播出去尋找該節點的時間可大 幅縮短許多。

27

4.6 網路形成架構整理比較

在此小節中，將傳統的 Bluetree 、 Blueweb 、 階層式 Bluetree 及階層式 Blueweb，四種網路形成方法做個統整比較如表 2.2，在角色轉換機制上只有傳統 Blueweb 及階層式 Blueweb 有，其他兩者無此轉換機制。回連機制部分，除了傳統的 Bluetree 沒有其餘三者都擁有回連機制，Blueweb 啟動回連方式是從末端節點才啟 動，回連對象為 S/S node ，階層式 Bluetree 和階層式 Blueweb 皆是在布建網路中同 時就在中間節點啟動了回連，回連對象為 S/M node，而 Bluetree 是屬於樹狀拓撲，其 他三者為網狀拓撲。

網路架構 角色轉換機制 回連機制 啟動回連方式 網路拓撲

Bluetree 無 無 無 樹狀拓撲

Blueweb 有 有 末端節點啟動

回連 S/S node 網狀拓撲 階層式

Bluetree 無 有 中間節點啟動

回連 S/M node 網狀拓撲 階層式

Blueweb 有 有 中間節點啟動

回連 S/M node 網狀拓撲

表 2. 2 網路形成架構整理表

28

第五章 模擬環境與效能分析

5.1 模擬環境參數設定

此研究使用了 Matlab R2008a 軟體作為模擬建立虛擬網路的工具，為了能明顯 評估 Layer formation method 在 Blueweb 和 Bluetree 兩者上發揮效能，因此取樣節 點個數分別為 49、64、81、100、121、144，隨著節點多寡以棋盤式分布於 70*70、

80*80…120*120 帄方公尺的矩形模擬環境區域中，且任何節點位置不會重複，每個 節點都有屬於自己的 ID，節點與節點間必定會有一條連結鏈路，沒有被孤立的節點 情況發生，之後從全部節點中隨機選出一個節點當 Blueroot 開始進行連結，而傳輸 通訊距離設定是 15 公尺。

29

5.2 程式模擬階層式網路示意圖

5.2.1 階層式樹狀網路示意圖

此模擬示意圖為階層式樹狀網路模擬在環境 80*80 帄方公尺，配置 64 個藍芽節 點及通訊距離為 15 公尺下所建立的網路，每個節點至少都有一條鏈路與其他節點連 結無被孤立節點，回連時連結鄰近的 S/M node，圖中是將 Layer counter 設定為 2，代 表著在第二層時便開始啟動回連，如圖 5.1 所示。

圖 5. 1 階層式樹狀模擬網路示意圖

30

5.2.2 階層式 Blueweb 網路示意圖

此模擬示意圖為階層式 Blueweb 網路模擬在環境 70*70 帄方公尺，配置 49 個藍 芽節點及通訊距離為 15 公尺，回連時連結多個 Relay 的情況下所建立的網路，Layer counter 設 定 為 2 ， 在 第 二 層 啟 動 回 連 機 制 ， 階 層 式 Blueweb 連 結 方 式 為 Master-Relay-Master…，如圖 5.2。

圖 5. 2 階層式 Blueweb 模擬網路示意圖

31

5.3 階層式樹狀網路效能與模擬

將 Layer formation method 分別設定 Layer counter = 2、3、4，也就是為二的倍數 層、三的倍數層、四的倍數層時分別執行回連機制來進行模擬並與 Bluetree 進行數 據比較，模擬取樣次數為 50 次後取帄均值，之後在模擬中統計下列五種參數進行分 析: 微網路個數(Piconet number)、微網路效率(Piconet efficiency)、帄均路徑長(Average hop length)、控制封包(Control packet overhead)、形成時間(Formation time)。

32

5.3.1 微網路個數

微網路個數定義是指在相同的環境節點分布中，一個散網中所形成的微網路個數 如圖 5.3 所示，理論上回連機制只會影響微網內部 Slave 數目，與微網個數無直接影 響，因此相同節點下所產生出的微網個數會趨近相同，故可以看出 Bluetree、Layer formation method 的微網個數相差不大。

圖 5. 3 階層式樹狀網路微網路個數分布圖

33

5.3.2 微網路效率

微網路效率的計算方法是將每個微網 Slave 個數加總後除以微網路數目，所得到 的帄均每個微網路當中有幾個 Slave 節點，如圖 5.4 所示 Layer = 4 的微網效率最好，

其次是 Layer = 3，啟動回連的時機與節點數多寡會影響連結數，間接影響到網路效 率。然而最低效率的是 Bluetree，因為 Layer formation method 是屬於網狀架構所以 會比樹狀架構的 Bluetree 效能優。

圖 5. 4 階層式樹狀網路微網路效率分布圖

34

5.3.3 帄均路徑長

接下來看帄均路徑長，帄均路徑長的定義為兩個節點之間的連線路徑長算 1 跳 (hop)，由一個節點到任一個節點帄均所要走的路徑長，路徑長是指節點間的最短路 徑，然而由圖 5.5 所示，可以看出 Bluetree 帄均路徑長度最長至少需要 5.5 跳(hops)，

而 Layer = 2、3、4 的帄均路徑長度，因為回連時機的早晚多少會影響回連數目，因 此會有些微差距但相差不大，但大概帄均都低於 Bluetree 有 1.3 跳(hops)，由於 Layer formation method 是屬於網狀架構，所以連線的路徑會有比較多選擇，因此帄均路徑 長會比 Bluetree 短。

圖 5. 5 階層式樹狀網路帄均路徑長度分布圖

35

5.3.4 控制封包

控制封包是算全部節點的總連結路徑數目並加以監控數量。並不是說總連結數越 多越好，總連結數越多會增加其 Overhead cost，每多一條鏈路需要去分攤網路速率，

導致網路傳送速率變慢，因此需要管控連結數量，但如果耗費適當的成本可換取更高 的網路效能，對整體網路來說是有益的，由圖 5.6 可明顯得知 Layer = 4 分別大於 Layer

= 3、Layer = 2，當節點數變多時越能看出網狀結構(Layer formation method)與樹狀結 構(Bluetree)連結數上的差異，由於網狀結構的效益比樹狀來得優異，因此相對的需要 耗費較多的 Overhead cost。

圖 5. 6 階層式樹狀網路控制封包分布圖

36

5.3.5 形成時間

形成時間是指在初始所有網路開始傳送資料之前，布建全部節點連結至網路形成 所需的時間如圖 5.7，由於 Bluetree 少了回連機制的連線及等待時間，因此時間上形 成會比 Layer formation method 來的快許多。雖然 Layer formation method 初始時建立 網路所需時間較耗時，但不影響建立網路後資料的傳送，反而能換取較高的網路效能。

圖 5. 7 階層式樹狀網路形成所需時間結果圖

37

5.4 階層式 Blueweb 效能與模擬

基本上階層式 Blueweb 的 Layer counter 的模擬設定都與階層式樹狀網路模擬相 同，主要差異為階層式 Blueweb 是要看出它的效能，因此需比較連結一個 Relay 及多 個 Relay 的兩者結果觀察其變化，而模擬取樣次數為 50 次後取帄均值，之後在模擬 中觀察下列五種參數: 微網路個數(Piconet number)、微網路效率(Piconet efficiency)、

帄均路徑長(Average hop length)、控制封包(Control packet overhead)、形成時間 (Formation time)。

38

5.4.1 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較微網路個數

從圖 5.8 連結一個 Relay 及圖 5.9 連結多個 Relay 看出微網路個數似乎沒有太大 差異，原因是回連時不論是連結單一 Relay 或是多個，只會多增加幾條連結，但總節 點不變的狀況下，並不會影響到整體網路所形成的微網路數目。

39

圖 5. 8 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的微網路個數分布圖

圖 5. 9 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的微網路個數分布圖

40

5.4.2 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較微網路效率

由圖 5.10 的模擬圖觀察下發現 Layer counter = 2 與 Blueweb 的微網路效率結果會 有交叉的情況產生，原因是因為將區間放大來看，其實彼此差異數值很小兩者相差約 0.1。當 Layer counter = 2 時，雖然只回連一個 Relay 但每兩層就回連一個 Relay，因 此連結的 Relay 數目隨著節點數而增多，會越看出 Layer formation method 的效果，最 終 Layer counter = 2 的微網路效率模擬結果會趨近於 Blueweb 達到穩定狀態，但 Layer counter = 3 和 4 就不同，因為回連次數少，因此可能未將所有網路中的 Relay 數做連 結，網路效率自然降低甚至比 Blueweb 來得差，藉機可明顯看出回連時連結多個 Relay 的重要性。

接著看圖 5.11 模擬圖回連時連結多個 Relay 的結果，因為 Layer counter = 2 是在 中途就回連，而 Blueweb 需要到末端節點才開始通知回連，而 Layer counter = 2、3、

4，因為可以回連多個 Relay 的關係，雖然每層回連次數有差異性，最後回連的總 Relay 數目將近一樣多，因此比較不容易看出網路效率的效果差異，但就連結層面上來比較 Layer formation method 的分層連結會比 Blueweb 一次性到 Blueroot 回連來的確實，網 路效率上有些微的提升，整體與 Blueweb 差異約 0.3 個單位。

41

圖 5. 10 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的微網路效率分布圖

圖 5. 11 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的微網路效率分布圖

42

5.4.3 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較帄均路徑長

帄均路徑長與微網路效率是成正比的關係，當效率越好其帄均路徑長相對來說會 來得比較短，首先我們先來觀察只連結單一 Relay 的結果情形下，由圖 5.10 及圖 5.12 兩張圖交叉來觀察，當總節點數為 49 個節點時，原始 Blueweb 比 Layer formation method 的效能高出許多，因此自然它的路徑長會比較短，但隨著總節點數增多，可 連結的 Relay 數增加，使 Layer formation method 的效果漸漸顯益出來，自然路徑長漸 漸趨近於 Blueweb 達到一個帄衡狀態。

緊接著觀察階層式 Blueweb 回連可連結多個 Relay 的結果，不論總結點數的多寡 Layer formation method 總比原始 Blueweb 的路徑長來得短如圖 5.13 所示，與圖 5.11 的微網路效率的結果比對是合乎常理，但 Layer counter = 2、3、4，不論在多少層實 執行回連，因為可以連結多個 Relay 的關係，看不出其效率差異性，導致帄均路徑長 的結果也相互交疊一起，但看帄均路徑長 Layer formation method 總體來說還是比 Blueweb 短。

43

圖 5. 12 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的帄均路徑長度分布圖

圖 5. 13 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的帄均路徑長度分布圖

44

5.4.4 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較控制封包

控制封包是算全部節點的總連結路徑數目並加以監控數量，當總連結數越多會增 加其 Overhead cost，每多一條鏈路會分攤網路速率，導致網路傳送速率變慢，因此需 要管控連結數量。從圖 5.14 來看回連單一 Relay 時的結果，因為階層式 Blueweb 回 連只限制連一個 Relay，發現連結數明顯比原始 Blueweb 來得低，與 5.4.2 小節的結 論分析比對，原始 Blueweb 的效率會比連結單一 Relay 的階層式 Blueweb 來得好，因 此 Overhead cost 會耗費比較多此模擬結果是合理的。

而回連時可連結多個 Relay 的階層式 Blueweb，因為可連結多個的關係，自然總 連結數會明顯增多，從圖 5.15 得知整體階層式 Blueweb 比原始 Blueweb 需要更多 Overhead cost，在 Overhead cost 增加的情況下，由圖 5.11 的結論分析相互比對，發 現可以提升不少微網路效率，這樣的結果是可以被接受的。

45

圖 5. 14 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的控制封包分布圖

圖 5. 15 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的控制封包分布圖

46

5.4.5 連結單一 Relay 與多個 Relay 比較形成時間

在網路形成時間方面，階層式 Blueweb 連結單一 Relay，因為可以回連時只能連 結一個 Relay，連結鏈路數少自然所需要的時間短暫，因此帄均上原始 Blueweb 會花 比階層式 Blueweb 較多的時間去連結，如圖 5.16。

但來看階層式 Blueweb 連結多個 Relay 時的結果如圖 5.17 所示，因為可以回連 多個 Relay 造成所需連結時間變長，從圖 5.15 的結果得知整體階層式 Blueweb 比原 始 Blueweb 的控制封包來得多，因此在網路形成時間上，所花的時間注定較耗時，雖 然較耗時，但這只是在網路開始連線傳送封包之前的建立時間，所以如果可以換來更 高的微網路效率，評估下來是值得的。

47

圖 5. 16 階層式 Bluweb 網路回連一個 Relay 的形成所需時間結果圖

圖 5. 17 階層式 Bluweb 網路回連多個 Relay 的形成所需時間結果圖

48

5.5 組態化階層式樹狀網路效能與模擬

5.5.1 新的 Blueroot 個數

當節點的 Layer counter 等於零時，Layer counter 重置成初始定值，該節點即為新 的 Blueroot，新 Blueroot 即可開始連結新的子網路，由圖 5.18 可看出不論總節點數多 寡，Layer counter = 2 的新 Blueroot 數目會比其他 Layer counter 來得多，原因是在同 一條鏈路中每隔兩層就重置，而 Layer counter = 3 或 4，需等到每第三層或第四層才 有一個新的 Blueroot，由此模擬結果得知或許可利用此特質，運用在不同節點密度環 境下。

圖 5. 18 階層式樹狀網路新產生 Blueroot 個數結果圖

49

5.5.2 子網路內部節點個數

得知新的 Blueroot 數目後，將所有節點數除以新的 Blueroot 數就是帄均每個子網 路中的節點數，由圖 5.18 及圖 5.19 結合起來觀察可看出，當新的 Blueroot 數目很多 時，子網路內所可以分配到的節點數自然就減少，在後續的研究中，可利用此子網路 內部節點數目，以安排配置子網路內部節點，達到整體散網的均衡性，網路分配帄均 對網路效能可以有很大的幫助。

圖 5. 19 階層式樹狀網路子網路內部節點數個數分布圖

50

第六章 結論與未來研究方向

6.1 結論

此演算法包含了兩種散網形成架構，一個是階層式樹狀網路架構，另一個為階層 式 Blueweb 網路架構。首先，階層式樹狀網路形成方法指定一個根節點建立起樹狀 子網路，並傳遞一個 Layer counter K 值及定值 T 來決定鏈路下游所產生的新根節 點，每新產生的根節點會回傳回連訊息通知上一個 Slave/Master node 做回連的動 作，將樹狀子網路轉換成網狀架構直到根節點為止，同時新的根節點持續建立起自己 的 子 網 路 直 到 整 個 散 網 形 成 。 然 而 階 層 式 樹 狀 網 路 建 立 一 個 網 狀 架 構 是 由 Slave/Master node 擔任中繼節點，而階層式 Blueweb 網路多了一個角色轉換機制將 Slave/Slave node 轉換成 Relay。

接著進而進行電腦效能模擬，階層式網路形成方法針對傳統 Bluetree 及 Blueweb 做比較，判斷兩者在效能上能有多少突破，並透過計算 Subnet 內節點數目，觀察在 不同 Layer counter 對 Subnet 的影響，由結果我們可以得知 Layer formation method 在 微網路效率與帄均路徑長和總連結路徑數都比原始的 Bluetree 和 Bluwewb 有更好的 效能、最短路徑長度和最多選擇路徑，這可有效縮短 Bluetree 節點間的帄均路徑長 度，以減少 Blueroot 的訊務負載量和提高網路傳輸效能。在 Subnet 效能方面，由結 果看出當 Layer counter = 2、3、4 時，Subnet 內部節點數目隨著 Layer counter 增加而 呈現遞增狀態，也許可根據不同環境，調整 Layer counter 選出適合配置的 Subnet 內 節點，使網路達到最佳狀態。

51

6.2 未來研究方向

在接下來的研究中，可將新的階層式網路形成演算法套用至分散式網路形成演算 法，由多點 Blueroot 同時進行連結建立網路，分散式演算法或許比集中式演算法更 適合新的階層式網路形成演算法，創造出更好的效能。

本篇所提出的組態化階層網路，計算新 Blueroot 個數及帄均子網路內部節點個 數，可利用帄均子網路內節點個數，觀察整體階層式網路建立的子網路是否均勻，未 來研究中可以探討如何利用分配帄均子網路內節點個數，使其網路效能提升取最佳 化，然而假設在不知網路環境大小的情況，亦可透過子網路的多寡去約略推算出實際 整個網路大小。

52

參考文獻

[1] Bluetooth SIG, “Specification of the Bluetooth System, Version 4.0”, http:/

/www.bluetooth.com/.

[2] Gergely V.Zaruba, Stefano Basagni and Imrich Chlamtac, “Bluetrees – Scaternet Formation to Enable Bluetooth-Based Ad Hoc Networks,” IEEE International Conference, vol.1, pp. 273-277, 2001.

[3] Ting-Yu Lin, Yu-Chee Tseng, Keng-Ming Chang and Chun-Liang Tu, “Formation Routing and Maintenance Protocols for the BlueRing Scatternet of Bluetooths,” IEEE Proceedings of the 36th Annual Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS’03), 2002.

[4] Ibrahim AI-Kassem, Sanaa Sharafeddine and Zaher Dawy, “BlueHRT: Hybrid Ring Tree Scatternet Formation in Bluetooth Networks,” IEEE Symposium on Computers and Communications, pp. 165-169, 2009.

[5] Tsung-Chuan Huang, Chu-Sing Yang, Chao-Chieh Huang and Sheng-Wen Bai,

“Hierarchical Grown Bluetrees (HGB): an effective topology for Bluetooth scatternets,” Int. J. Computational Science and Engineering, Vol. 2, Nos. 1/2, 2006.

[6] Chih-Min Yu, Yi-Wei Chiu, “HMT: A hybrid mesh tree approach in forming Bluetooth networks,” International Computer Symposium (ICS), pp. 441-444, 2010.

[7] Zhifang Wang, Thomas R.J., and Haas Z., “Bluenet – A New Scatternet Formation Scheme,” Proceedings of the 35th Annual Hawaii International Conference on System Sciences, pp. 779-787, 2001.

[8] Chiara Petrioli, Stefano Basagni and Imrich Chlamtac, “Configuring BlueStars:

Multihop Scatternet Formation for Bluetooth Networks,” IEEE Transaction on Computers, vol. 52, no.6, pp. 779-790, June 2003.

[9] Francesca Cuomo, Tommaso Melodia, and Ian F. Akyildiz, “Distributed Self-Healing and Variable Topology Optimization Algorithms for QoS Provisioning in Scatternets,”

IEEE Journal on selected areas in comm., vol. 22, pp. 1220-1236, Sep. 2004.

[10] Salonidis, T., Bhagwat, P., Tassiulas, L., LaMaire, R., “Distributed topology construction of Bluetooth personal area networks,” Twentieth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings, vol.

3, pp. 1577-1586, 2001.

[11] Yong Liu , Lee, M.J. and Saadawi, T.N., “A Bluetooth scatternet-route structure for

53

multihop ad hoc networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.21, pp. 229, Feb 2003.

[12] Chih-Min Yu, Shiang-Jiun Lin and Chia-Chi Huang, “On the Architecture and Performance of Blueweb: A Bluetooth-Based Multihop Ad Hoc Network,” IEICE trans.commun., vol. E-89-B, No-2, Feb 2006.

[13] Yanqin Yang, Minyi Guo, Feilong Tang, Gongwei Zhang, “Black Bridge: A Scatternet Formation Algorithm for Solving a New Emerging Problem,” Computational Science and Engineering International Conference, vol. 2, pp. 470, 2009.

[14] Jingjing Wang, “A new formation algorithm of Bluetooth Ad hoc networks,” Control and Decision IEEE Conference, pp. 1291-1295, 2009.

[15] Alkhrabash, A.-A.S., Elshebani, M., “Routing schemes for bluetooth scatternet applicable to mobile ad-hoc networks,” Telecommunication in Modern Satellite, Cable, and Broadcasting Services. TELSIKS 9th International Conference, pp.

560-563, 2009.

[16] 李明昌，“具有拓撲調整能力之藍芽分散網路由協定”，元智大學資訊工程學系研 究所碩士論文，2002.

[17] 邱江銘，“一個有效排程演算法於藍芽分散網路之研究”，逢甲大學資訊電機工程 碩士在職專班碩士論文，2005.

[18] 涂瑋君，“一個有效率之基於樹狀結構的動態可自我修復藍芽散網形成演算法”，

國立成功大學資訊工程學系碩士論文，2006.

[19] 禹帆，“新趨勢技術系列-無線藍芽技術的深入探討”，文魁資訊有限公司，2001，

ISBN: 957-466-350-7.

[20] Jennifer Bray, Charles F Sturman, 林俊宏, 楊順興, 李忠來, 黃億祥, 吳建偉，“藍 芽-無線連結技術”，全華科技圖書股份有限公司，2003，ISBN: 957-21-3949-5.