藍芽個人無線區域網路上通訊議題之設計實作與分析(I)
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(2) 摘要 藍芽（Bluetooth）技術係一新興崛起之個人區域網路標準，並預期在未來無線通訊領 域發展中將扮演著重要的角色；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。本報告將提出 第一年的研究成果。. 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………………………………………………………………………………5. 可供推廣之研發成果資料表…………………………………………………. 6. 附錄……………………………………………………………………………………………. 7. V.. I.. 發表論文全文……………………………………………………………………. II. 7.
(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；因 此，我們將在微網（piconet）的環境下，探討主裝置輪詢（poll）從屬裝置之機制策略； 由於每個從屬裝置有著不同的數據流量，使得主裝置送往從屬裝置（master-to-slave，即 downlink 方向）與從屬裝置送往主裝置（slave-to-master，即 uplink 方向）邏輯連結之 頻寬需求通常亦不對稱，亦即交通量有 asymmetric 現象，因此主裝置如何根據各從屬裝置 之不同需求，聰明地執行輪詢機制，有效率地分配頻寬給旗下所有從屬裝置，便是一個重 要的問題；在這項研究裡，我們將提示一個樣式配對（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）。其中輪詢樣式是一個有 序數列，定義了主裝置詢問（polling）與從屬裝置回應（replying）所必須使用的數據資 料封包型態（data packet type），即藍芽規格裡主要提供的三種數據封包大小，分別是佔 1 個，3 個，及 5 個時槽（1-/3-/5-slot）。藉由封包大小所能載送之資料量並不同，我們 將有效解決上 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流量（throughput），使得更多的通訊活動能夠同 時被支援。. 1.
(5) II. 研究目的 本計畫的目的為： 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。. III. 研究方法 藍芽係採主從裝置之網路結構（master-slave configuration）主裝置（master）係微 網之中心控制設備，並以輪詢的方式（polling scheme）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，使得有限頻寬能很有效率地被運用。 很明顯的，輪詢的方式的優劣，將會決定一個微網的的效率和生產量。一旦輪詢到佇列 (queue)沒有資料要送的從屬裝置，或分配給從屬裝置過大的封包容量，使封包在未填滿的 狀況下送出，都會使藍芽時槽的使用效率不彰。 我們就下列兩種狀況分別提出輪詢策略(polling policy)來增進藍芽網路的效率: 1. 一個樣式配對(Pattern Matching)的輪詢策略(polling policy) 2. 樣式配對的詢問策略(polling policy)適用在多主從配對架構(Multiple Master-Slave pair)下. 兩種策略分述如下: 1.建構一個樣式配對(Pattern Matching)的輪詢策略(polling policy) 藍芽規格裡主要提供了三種數據封包大小，分別是佔 1 個，3 個，及 5 個時槽 （1-/3-/5-slot） ，每一個封包大小所能載送之資料量並不同，如下表。我們可以利用這樣 的機制來解決主裝置與從屬裝置資訊流量不對稱的問題。 在一個微網中，可以從過往的紀錄中，或者由逼近的方式，得知的每一對主從裝置的 average traffic arrival rates。當然，這些頻率未必相等。 首先我們提出一個 naive greedy 的解決方式作為比較的對象。DH5 的封包格式是藍芽 中最有效率的使用方式，故我們使主裝置永遠等待一段時間 T，使得佇列中的資料量盡可能 的填滿 DH5 的封包。 假設主裝置的 data rate 為 20(bytes/sec)，從屬裝置的 data rate 為 2(bytes/sec)。 naive greedy 的策略是使主裝置等待一段時間，收集 (339/20) * 20 =320 位元組，盡可 2.
(6) 能地填滿一個 DH5 封包後才詢問其相對應的從屬裝置。而此時從屬裝置欲傳的資料量大約 是(339/20)*2 =32 位元組，因而應該回傳給主裝置一個 DH3 的封包。若 data rate 並不改 變，每 16 個藍芽時槽會重複一次上述(DH5, DH3)的封包傳送。很明顯的，在這個方法中從 屬裝置回傳的封包的效率並不佳，將導致整個系統的生產量的下降。 以下將描述我們的樣式配對（Pattern Matching）的詢問策略（polling policy）。 首先，以λM 和λS 表示主裝置和從屬裝置的交通流量，單位為 bytes/slot。令λH=max{λ M,λs} ,λL=min{λM, λs}，而ρ=λH/λL 我們以 NH 和 NL 來表示交通流量（data rate）分 別為λM 和λL 之藍芽裝置。而詢問樣式(polling pattern)是指一連串主從裝置間交換的封 包格式。長度 k 的樣式有兩個 k 維度的向量 (H1,H2,…,HK)及(L1,L2,…,Lk)，其中 Hi，Li =1, 3 或 5。(H1,L1,H2,L2,…,Hk,Lk)為主從間交換的一連串封包的格式，且這個序列會在每隔一 段時間後重複。在ρ不改變的情況下，表示沒有 bursty traffic。 很顯然的，在 k 增大的情況下，可以提供的ρ的值也呈現指數的成長。在下表二中，可 以看出 k 與ρ值分佈的關係。然而，實際上只需要讓ρ值精確到一定的程度即可，在超過 一定的瓶頸後，k 對效能的影響有限，只會徒然增加計算的複雜度。因而我們可以將 K 視為 一個固定的系統參數，限制住最長的樣式長度。 而在給定兩個樣式(H1,H2,…,HK)及(L1,L2,…,Lk)後，我們可以推導出一個頻寬使用的效 率β。首先，先定義出一段時間 T，表示經過 T 時槽後，樣式會重複。基於儘量有效率的利 用封包，我們可以得到： f ( H 1 ) + f ( H 2 ) + ... + f ( H K ) f ( L1 ) + f ( L2 ) + ... + f ( LK ) T = min{ , }. λH. λL. 其中：. 故可以推得頻寬使用效率β:. β=. λH × T + λL × T ( H 1 + H 2 + ... + H k ) + ( L1 + L2 + ... + Lk ). 下面將描述在已知參數λH 及λL 的狀況下，決定詢問樣式的機制。並評估其效率。 1)將 t 設定初始值為 0，i 設定為 1 2)令 j =((i-1)mod k)+1 則下一個詢問的時間Γj 應該為：. 3.
(7) 則在 t +Γj 時，主裝置將選擇封包格式為 Hj 或 Lj 來詢問並傳送資料從屬裝置，相對的， 從屬裝置也以 Hj 或 Lj 來回傳資料給主裝置。至選擇 Hj 或 Lj，在此主從配對的負載來決定， 負載較大的一方選擇 Hj，反之則選擇 Lj。 3)如果 j = k，則將 t 重新設定，使 t = t + T (T 即為前面敘述的樣式週期)，且使 i =i+1， 並重複 2)的動作。 無限重複上面的動作，直到負載改變為止，即可決定輪詢的樣式。 為了預防 bursty traffic 造成 buffer 的溢位，可在藍芽預留的兩個位元中，增加一 個溢位(overflow)位元。當系統的佇列中的資料到達預先規定的量時，即將溢位位元設為 TRUE。在發現溢位位元設為 TRUE 時，即忽略詢問策略，立刻以儘可能有效率利用的封包來 處理這個主從配對。直到主從兩方的佇列皆清空，才重新回到 PMP 的策略。 2.將樣式配對的詢問策略使用在多主從配對架構(Multiple Master-Slave pair)下 在藍芽的系統中，可能會出現多主從配對架構。即一個網路中有不只一對的主裝置從 裝置。在這個部分，我們希望把上述的方法延伸到多主從配對的架構中 首先依舊對每一對主從架構選擇最有效率的樣式(pattern)的使用方式。而輪詢的時機如 同項目一的定義。在需要考慮有多個從屬裝置的狀況下，主裝置需要將所有的詢問依序排 出，對所有的從屬裝置一一詢問。然而，針對每一對的詢問所決定的時間互相之間可能有 衝突，我們以下列的規則解決之。 1)若有兩個衝突的詢問動作，比較兩個動作的第一個時槽的服務時間。第一個時槽較 早的動作優先傳送。另一個動作先暫時放在佇列中。 2)如果有兩個動作擁有相同的第一時槽服務時間，則考慮兩個從屬裝置上次被詢問的 時間。若從屬裝置兩次(本次和上次)被詢問間隔較短，則擁有較高的優先權來執行本次的動 作。這個部分考量的是若詢問的間隔較短，可以視為較為緊急，且較容易溢位(overflow)故 因較早被服務。 3)若上述兩項規則都仍無法決定，怎比較從屬裝置的 AM_ADDR，較小數字者擁有較 高的優先權。而 AM_ADDR 在微網中為唯一，故最後必可做出決定。. 4.
(8) IV. 研究成果 本計畫依時程順利進行，並獲致豐碩成果，相關論文發表如下，論文全文詳如附錄：. 1. T.-Y. Lin, Y.-C. Tseng, and Y.-T. Lu, ”An Efficient Link Polling Policy by Pattern Matching for Bluetooth Piconet ” , The Computer Journal, Vol. 47, No. 2, 2004, pp. 169-178. (SCIE, EI). 5.
(9) V. 可供推廣之研發成果資料表 □ 可申請專利. 5 可技術移轉. 日期：93 年 05 月 25 日. 計畫名稱：藍芽個人無線區域網路上通訊議題之設計實作與分析. 國科會補助計畫 計畫主持人：曾煜棋 計畫編號：NSC 92-2213-E-009-076. 學門領域：. 技術/創作名稱 藍芽個人無線區域網路上通訊議題之設計 發明人/創作人 曾煜棋. 技術說明. 中文：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。 我們提出輪詢策略(polling policy)來增進藍芽網路的效率。 英文：Bluetooth has a master-slave configuration called a piconet. Unspecified in the Bluetooth standard the link polling policy adopted by a master may significantly influence the bandwidth utilization of a piconet. We propose an efficient Pattern Polling policy for data link scheduling that improve the throughput of Bluetooth piconets.. 可利用之產業 及 可開發之產品 技術特點. Bluetooth 相關無線通訊設備開發業者及相關服務提供廠商。. 減少負載欄位沒填滿，或甚至空的數據封包，期望更有效率地 使用每一個藍芽時槽，藉此提昇藍芽微網最大可容納之生產量，使 得更多的通訊活動能夠同時被支援。. 由於藍芽的生產量(throughput)為用以作為網路通訊的關鍵之 推廣及運用的價值 一，本計畫所提之成果，可應用在未來行動設備的設計之中，將可 使所開發之產品的應用範圍更為廣泛。. 6.
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