中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

藍芽網路之 3D 網狀網路形成方法

A 3D-Mesh Scatternet Formation Method for Bluetooth Networks

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M10001026 陳昱志 指導教授：余誌民 博士

中 華 民 國 102 年 8 月

摘 要

在本篇論文中我們提出一個 3D-網狀散網形成方法，此網狀散網架構分為四種，

依照單層環狀主節點(Master)數目可分為三邊形、四邊形、五邊形與六邊形，階層數 (Layer)則由一至八層。其散網之連接方法分為三種，分別為 RmS(Ring Inter-mesh Slave)、RMS(Ring Intra-mesh Slave)、RmMS(Ring Mesh Slave)。散網形成一共分為 兩步驟，第一步驟為挑選根節點，首先我們必須經由ㄧ隨機機率大小兩兩互相比較 並且交換彼此資訊直到選出最後ㄧ個主節點，此節點我們稱他為根節點(root)，根節 點擁有整個散網資訊。第二步驟為角色分配，根節點會依照聯網架構挑選主節點與 子節點(Slave)後，由廣播封包(Page packet)告知各層主節點開始連線並將網路資料向 下傳遞給下一個主節點直到散網形成。

根據藍芽微網可容納之最高節點數目與階層數之關係可推導出通式，以提供根 節點依據不同節點數量需求可形成不同散網架構，此外，亦提出基於模擬結果的最 佳化方法來計算出最佳化平均路徑長度散網架構。

最後對於所提出的三種網路架構，從不同的邊形和不同階層進行模擬，模擬參 數包括平均路徑長度(Average hop length)、產能(Throughput)、封包延遲時間(Packet Delay)、成功率(Delivery Ratio)與遺失率(Packet loss rate)，結果顯示 3D 網狀網路可 有效率的應用於藍芽隨意網路的形成。

關鍵字:藍芽、散網形成、網狀網路

ABSTRACT

In this thesis, a 3D-Mesh formation method is proposed. The types of 3D-Mesh architecture were divided into triangular-shaped, quadrilaterals, pentagons and hexagons.

The number of layers can be generated from level 1 to level 8. The type of its interconnection bridge contains RmS(Ring Inter-mesh Slave)、RMS(Ring Intra-mesh Slave)、and RmMS(Ring Mesh Slave). Scatternet formation procedures include two stages.  The first stage is to select a BlueRoot, First, any two nodes with random probability to enter the inquiry or inquiry state and the inquiry node keeps the information of the other node. Then the inquiry node starts the probability decision again to enter either the inquiry or inquiry scan state. The step is repeated iteratively until the last node called BlueRoot is generated. In the second stage, BlueRoot computes the scatternet topology according to the predefined formula and passes the piconet information to the other masters. Each master pages and connects its slave and bridge to form its piconet until the scatternet is formed.

The predefined formula can be deduced according to the number of nodes and the hierarchical relationship. In addition, an optimum method by the simulation results is designed to achieve the lowest hop length of 3D-Mesh topology.

Computer simulation is performed to generate the performance metrics including the average hop length, throughput, packet delay, and packet delivery ratio. The performance results show that 3D-Mesh Network achieve good scatternet performance for the Bluetooth-based ad hoc networks.

Keywords:Bluetooth、Scatternet Formation、Mesh Network

致謝

在研究所兩年的日子中最要感謝的人為我的指導教授余誌民博士，不論是在修 課、做研究、寫程式、實作與分析老師總是細心的聆聽我所遇到的問題並且給予我 與多意見以及方向，使我們可以得到問題的解答。在執行計畫時，老師總會在旁協 助並且教導我們執行計畫所要注意的問題並且順利的完成計畫的執行。特別感謝老 師當我在完成論文的途中遇到了許多難題從旁協助我一一解決，使我論文可以順利 的完成。另外，也感謝特別在繁忙之中抽空前來參與學生論文口試的口試委員余誌 民博士、鄭張權教授與鄧俊宏教授，感謝您們在口試時給了我許多寶貴的建議使得 本篇論文更加豐富、完整。

此外，由衷感謝我實驗室的夥伴洪紹凱與陳薇詩。當我遇到瓶頸時有他們聆聽 我的困難，並且與我討論給予我許多意見與幫助。也感謝所有通訊實驗室的同學們，

有你們在使我的研究生生活更豐富精采。

最後感謝我的家人對於我讀研究所給予我幫助、關懷與支持，使我可以在研究 所生涯畫下完美的句點。

目錄

摘 要 ... i 

ABSTRACT ... ii 

致謝 ... iii 

目錄 ... iv 

圖目錄 ... vi 

表目錄 ... viii 

第一章 緒論 ... 1 

1.1 前言 ... 1 

1.2 研究動機 ... 1 

1.3 藍芽概述 ... 2 

1.3.1 源流 ... 2 

1.3.2 技術規格及特性 ... 3 

1.4 論文架構 ... 4 

第二章 藍芽協定與網路架構之介紹 ... 5 

2.1 藍芽協定 ... 5 

2.2 藍芽基本架構介紹 ... 7 

2.3 網狀拓樸架構 ... 11 

2.3.1 網狀拓樸之應用 ... 13 

第三章 3D 網狀網路結構 ... 15 

3.1 3D 網狀網路架構 ... 15 

3.2 3D 網狀結構形成法 ... 18 

3.3 結構估算 ... 26 

第四章 模擬數據分析 ... 29 

4.1 平均路徑長路分析(Average hop length) ... 29 

4.2 系統效能分析 ... 34 

4.2.1 平均路徑長度(Average hop length) ... 35 

4.2.2 吞吐率(Throughput) ... 36 

4.2.3 封包延遲時間(Packet Delay) ... 37 

4.2.4 成功率(Paket Delivery Ratio) ... 38 

4.2.5 封包遺失率(Packet Loss Ratio) ... 40 

第五章 結論與未來展望 ... 42 

文獻參考 ... 43   

圖目錄

圖 1-1 藍芽標誌(資料來源:SIG) ... 1 

圖 1-2 智慧家電 ... 2 

圖 2-1 藍芽協定堆疊 ... 6 

圖 2-2 一對一微網路 ... 8 

圖 2-3 一對多微網路 ... 8 

圖 2-4RELAY(M/S) ... 9 

圖 2-5RELAY(S/S) ... 10 

圖 2-6 網狀拓樸 ... 11 

圖 2-7BLUESTAR 拓樸示意圖 ... 13 

圖 2-8HGB 示意圖 ... 14 

圖 3-13D 環內網狀網路(RMS) ... 15 

圖 3-23D 環間網狀網路(RMS) ... 16 

圖 3‐ 3 3D 網狀網路(RMMS) ... 16 

圖 3-43D 網狀網路(RMMS)立體示意圖 ... 17 

圖 3-5 競爭 COORDINATOR之流程圖 ... 19 

圖 3-6 網路形成之流程圖 ... 20 

圖 3-73D 環內網狀網路形成之第一階段 ... 21 

圖 3‐ 8 3D 環內網狀網路形成之第一階段 ... 22 

圖 3‐ 9 3D 環內網狀網路形成之第一階段 ... 22 

圖 3-103D 環內網狀網路形成之第一階段 ... 23 

圖 3‐ 11 3D 環內網狀網路形成之第一階段 ... 23 

圖 3‐ 12 3D 環內網狀網路形成之第三階段 ... 24 

圖 3-133D 環內網狀網路形成之第四階段 ... 25 

圖 3‐ 14 3D 網狀網路之環狀架構 ... 26 

圖 3-153D 網狀網路之環內網狀架構 ... 27 

圖 3‐ 16 3D 網狀網路之環間網狀架構 ... 27   

圖 4-13D 環內網狀結構(RMS)，N=3 至 N=6。 ... 29 

圖 4-23D 環間網狀結構(RMS) ，N=3 至 N=6。 ... 30 

圖 4-33D 環內-環間網狀網路(RMMS) ，N=3 至 N=6。 ... 31 

圖 4-4 平均路徑長度 ... 32 

圖 4‐ 5 最短平均路徑長度 ... 33 

圖 4-6 平均路徑長度 ... 35 

圖 4-7 吞吐率 ... 36 

圖 4-8 封包延遲時間 ... 37 

圖 4-9 成功率 ... 38 

圖 4-10 封包遺失率 ... 40 

表目錄

表 1 結構估算表 ... 28 

第一章 緒論

1.1 前言

近年來為使生活空見更智慧化與其便利性進而發展無線通訊技術用以取代過去 有線通訊技術。而無線通訊技術又包含了 WIMAX、Zigbee、WI-FI 與藍芽(Bluetooth) 等……。而其中又以藍芽最為廣泛應用。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

近年來無線通訊技術發展迅速，並且為人類生活帶來其便利性，其中又以藍芽 (Bluetooth)之應用最為廣泛。透過藍芽可串聯大部分的 3C 產品，例如:手機、藍芽 耳機、個人數位助理(PDA)、藍芽滑鼠等……，藉此達成智慧家電，如圖 1-2。透過 藍 芽 技 術 將 生 活 家 電 串 聯 起 這 種 容 易 建 置 的 隨 意 網 路 ， 稱 之 為 分 散 式 網 路 (Scatternet)。因此，近年來有許多學者在探討其藍芽網路拓樸的建構，在參考許多 藍芽網路拓樸建構方式後，我們將針對 Multi-Ring Scatternet[20]之階層式環狀網路 拓樸架構做混成式網路拓樸，並於本篇論文提出一種 3D 網狀網路的概念，探討其 網狀網路之應用與其系統的效能分析。

圖 1- 2 智慧家電  

1.3 藍芽概述

首先我們先對藍芽技術[1]的背景知識作一番深入淺出的瞭解與認識，可幫助往 後章節有粗略的瞭解。

1.3.1 源流

藍芽技術最初由易利信創製。技術始於易利信公司的 1994 方案，它是研究在行 動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通訊連線的方法。發明者希望為裝置 間的通訊創造一組統一規則(標準化協議)，以解決使用者間互不相容的移動電子裝 置。1997 年前易利信公司此概念接觸了行動裝置製造商，討論其項目合作發展，結 果獲得支援。

1999 年 5 月 20 日，索尼易立信、國際商業機器、英特爾、諾基亞及東芝公司 等業界龍頭創立「特別興趣小組」（Special Interest Group，SIG） ，即藍芽技術聯

盟的前身，標的是開發一個成本低、效益高、可以在短距離範圍內隨意無線連線的 藍芽技術標準。

這項無線技術的名稱取自古代丹麥維京國王 Harald Blaatand 的名字，他以統一 了因宗教戰爭和領土爭議而分裂的挪威與丹麥而聞名於世，而這個名字的英文字面 意義便是 Harald Bluetooth。

1.3.2 技術規格及特性

藍芽技術在開發時的定義，就以輕、薄、小為目標。使用與微波爐相同的免付 費、免申請的無線電頻段，但為避免此頻段眾多電子裝置相互干擾，因而採用 2.4GHz ISM Band 之跳頻展頻技術。1999 年 7 月 Bluetooth SIG，正式公佈 1.0 版的規格白皮 書，隨後在 2001 年再度公佈更完備的 1.1 版規格，相關產品也陸續推出，此時藍芽 技術可說是進入成熟階段。其特點歸納如下：

安全性高：藍芽傳輸距離最高為 1 0 公尺（若搭配功率放大器，理論上可以高 達 100 公尺），其資料 傳輸速度為 1Mbits/sec，並且由於使用跳頻展頻技術（每秒 變換頻率 1600 次），因而截收不易，亦不受電磁波干擾，因此具備保密傳輸能力。

藍芽微網（Bluetooth Piconet）：藍芽的運作不同其他的無線傳輸規格，

而是採用點對點(Point-to-Point)與點對多點(Point-to-Multipoint)傳輸模式，彼此連接 起來而形成一個藍芽微網，其中一個藍芽裝置為主控端(Master)主導傳輸量，其餘最 多可支援 7 個為用戶端(Slave)。由於每個藍芽裝置亦可為其他藍芽微網的成員之一，

因此網網互連可形成較大型的區域網路。此外，藍芽可支援同步及非同步傳輸模式，

因此容易與 TCP/IP 通訊協定整合成網路。低功率、低耗電量的特性：藍芽傳輸時所 消耗的功率較其他的無線傳輸規格來得低，因此具有藍芽裝置的設備其待機時間將

藍芽技術除了可用來傳輸資料外，並可以傳輸語音及視訊等。此外有別於 I r D A（紅外線）通訊埠的「視線（Line of Sight）」的傳輸，藍芽的傳輸方式沒有方向及 角度限制，並可穿透牆壁及障礙物(現階段傳輸距離雖為 10 公尺)，因此不需使用通 訊埠面對面的傳輸方式。

1.4 論文架構

本章節中，目的是要介紹本篇論文架構。第一章為緒論細分為前言、藍芽概述、

論文架構。第二章節為藍芽協定、基本架構與混成式藍芽聯網作介紹。第三章為 3D 網狀網路形成方法與架構之介紹。第四章為實驗數據模擬與分析。第五章為結論與 未來展望。

第二章 藍芽協定與網路架構之介紹

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。本章節將介紹藍芽協定、網路架構與網路拓樸 。

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[2], [18]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 SDP 的方塊中，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。

圖 2- 1 藍芽協定堆疊

2.2 藍芽基本架構介紹

藍芽裝置主要用於建立小型個人聯網之架構，依照藍芽技術規格的定義其成員 粗分為三種，分別為主節點(Master)、子節點(Slave)與中繼節點(Relay)。然而形成藍 芽籃網之最小基本網路架構為「微網路」(Piconet)。微網路組成之成員為主節點與 子節點，依照連結方法不同又可分為兩種，第一種為一對一(Point to Point)，即一個 主節點與一個子節點相互連結，如圖 2-2 所示。第二種是一對多(Point to multipoint) 的連結方式，即一個主節點與一個子節點互相連結，其中依照藍芽技術規格所訂，

一個主節點最多只能與七個子節點作連結，如圖 2-3 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。

圖 2- 2 一對一微網路  

圖 2- 3 一對多微網路

散網(Scatternet)是由兩個以上的微網所組成，其微網間必須經由一些中繼設備 (Relay)來進行連結。而 Relay 在網路中扮演中多重角色。舉例來說，在 A 微網中的 Master 同時可以當 B 微網的 Slave，如圖 2-4 所示。然也有不同的微網路共用同一個 Slave 的情況，如圖 2-5。

藍芽規格中並無明確定義藍芽散網的形成，因此，只要遵守基本的藍芽協定限 制，便可以依照自訂的演算法去形成想要的散網結構。然而目前藍芽散網研究已經 發展出許多不同的架構其形成演算法大致上可分為兩種，一種是集中式散網演算法 [3-7]，會先選出一個節點作為散網之選協調者(Coordinator)，並且由協調者來控制連 結與節點角色分配，以形成散網。另一種為分散式散網演算法[8-11]，其散網形成是 同時讓少部分的節點擔任 Leader，自行分散連結形成微網，再借由中繼節點(Relay) 交換微網資訊。

圖 2- 4 Relay(M/S)  

圖 2- 5 Relay(S/S)

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 [12],[13],[14]，其拓樸結構如圖 2-6 所示。

圖 2- 6 網狀拓樸  

網狀拓樸大多與其他基本拓樸結合，例如星群聯網(BlueStar)、HGB……等。其 形成的混成式聯網之優缺點有以下幾點:

(a)網狀拓樸為一種多重路徑之拓樸:

¾ 解決封包擁塞之問題:

利用網狀多路徑之特性提供單一路徑之網路拓樸更多的路徑選擇，用以提 高整體網路效率並解決封包於根節點擁塞問題。

利用網狀多連結數目之特性，使單一微網內可連結的成員更多。

¾ 單一設備故障不易影響整體網路效能:

於網路中多路徑使得單一設備故障時其封包有其他路徑可以選擇，故不易 影響整體網路效能。

(b)網狀拓樸使連線數增加:

¾ 平均路徑長度的縮短

網狀拓樸可使封包有其他較短的封包傳送路徑可供選擇使得網路整體平 均路徑縮短。

¾ 網路形成時間增加

(C)網狀拓樸使得繞送問題更為複雜:

在網狀拓樸中因其提供多重路徑之選擇，故於封包繞送時如何選擇其最短路徑 為一大課題。

2.3.1 網狀拓樸之應用

Petrioli 等人提出了多重星狀微網(BlueStar)[15]、[16]。其形成方法為三步驟，

第一步，搜尋網路所有相鄰節點資訊(Discovery)。第二步，建立單一的星狀微網。

最後再將這些星狀微網相互連結形成多重星狀聯網，如圖 2-7 所示。其優點為為星 狀拓樸間帶來多條路徑選擇藉以提升網路效能並且降低網路擁塞。

圖 2- 7 BlueStar 拓樸示意圖  

Huang[17] 等 人 則 對 傳 統 樹 狀 拓 樸 之 封 包 擁 塞 缺 點 加 以 改 進 ， 提 出 HGB(Hierarchical Grown Bluetree)拓樸架構，如圖 2-8 所示。其特色為將樹狀拓樸之 同層節點作回連藉以形成一網狀拓樸，提供封包多重路徑選擇並且並免所有封包都 須經由 Blueroot 再進行傳送所帶來的根節點擁塞問題。

圖 2- 8 HGB 示意圖

第三章 3D 網狀網路結構

3.1 3D 網狀網路架構

首先我們將網狀網路結構分為兩種，分別是環內網狀網路(Intra-mesh)與環間網 狀網路(Inter-mesh)。因此我們提出了三種 3D 網狀網路結構，第一種為 3D 環內網狀 網路，其主要結構包含環狀網路(Ring)、環內網狀網路(Intra-mesh)與子節點(Slave) 所 形成的混成式散網，故以下我們將 3D 環內網狀網路簡寫成 RmS，其架構如圖 3-1 所示。

圖 3- 1 3D 環內網狀網路(RmS)

第二種為 3D 環間網狀網路，其主要結構包含環狀網路(Ring)、環間網狀網路 (Inter-mesh)與子節點(Slave)所形成的混成式散網，故以下我們將 3D 環間網狀網路 簡寫成 RMS，其架構如圖 3-2 所示。

圖 3- 2 3D 環間網狀網路(RMS)

第三種為 3D 網狀網路，其主要結構包含環狀網路(Ring)、環內網狀網路 (Intra-mesh)、環間網狀網路(Inter-mesh)與子節點(Slave)，故以下我們將 3D 網狀網 路簡寫成 RmMS，其架構如圖 3-3、3-4 所示。

圖 3‐ 3 3D 網狀網路(RmMS)

圖 3- 4 3D 網狀網路(RmMS)立體示意圖

3.2 3D 網狀結構形成法

一般來說，藍芽聯網形成方法主要可以分為兩類:第一種為協調式(Coordinated) 的方法，第二類為分散式(Distributed)的方法。然而在本篇論文中我們採用協調式的 方法來建構 3D 網狀網路

在 3D 網狀網路形成方法將分為四階段:第一階段為挑選協調者(Coordinator)。第 二階段則根據使用者決定單層環狀之主節點(Master)數目 N 後，再利用表 1 估算網 路階層數目。第三階段 Coordinator 根據估算結果分配散網內節點之角色。第四階段 做為主節點之節點將所屬子節點連起直到散網形成。將其整理為流程圖，如圖 3-5 至 3-6。

圖 3- 5 競爭 Coordinator 之流程圖

圖 3- 6 網路形成之流程圖

根據上敘之流程圖，我們將以 3D 環內網狀網路舉例作為範例，其散網節點數 為 10。

第一階段為挑選協調者(Coordinator)，首先令網路所有節點皆以 0.5 的機率切換 Inquiry State 與 Inquiry Scan State，使節點兩兩對上頻率後再每個節點亂數挑選機率 P，直到相對之節點一個大於零並且小於 0.5，另一個大於等於 0.5 小於 1，大於零 並且小於 0.5 之節點將進入 Page Scan 狀態，另一節點則進入下一輪比較，直到選出 最後一個節點即為協調者(Coordinator)。以 3D 環內網狀結構來說，其第一階段過程 如圖 3-7 至圖 3-11 所示。

圖 3- 7 3D 環內網狀網路形成之第一階段

圖 3‐ 8 3D 環內網狀網路形成之第一階段  

圖 3‐ 9 3D 環內網狀網路形成之第一階段

圖 3- 10 3D 環內網狀網路形成之第一階段  

圖 3‐ 11 3D 環內網狀網路形成之第一階段

第二階段，根據使用者決定單層環狀之主節點數目 N 後，再由表 1 計算其階層 數 L 與連接之子節點數目，以本例來說根據表可找出 3D 環內網狀網路其節點最小 值為

N × L

10

4 × L =

L

第三階段，協調者(Coordinator)根據估算結果於網路內進行角色分配，如圖 3-12 所示。

圖 3‐ 12 3D 環內網狀網路形成之第三階段

第四階段，主節點與其底下所屬的成員節點進行連線，即可形成 3D 環內網狀 網路，如圖 3-13 所示。

圖 3- 13 3D 環內網狀網路形成之第四階段

3.3 結構估算

當我們擁有M個設備形成聯網(Scatterent)，在本篇論文中以3D環內網狀結構 (RmS)、3D環間網狀結構(RMS)與3D網狀結構(RmMS)之不同結構特性進行數學歸納，

以便提供使用者有不同架構之選擇。

在本論文提出之三種方法其連結方式可分為環狀、環內網狀相連與環間網狀相連。

故我們先將其分別計算。首先，計算單層環狀結構所擁有之連結數為N，即為單層主 節點數目，如圖3-14。

圖 3‐ 14 3D 網狀網路之環狀架構

第二，環內網狀連結數為兩節點連為一線，故此利用組合公式C(combination)計 算環內網狀之連線數(如圖3-15)再扣除環狀之連線數N，即可得公式(1):

) 1 2 (

2 3

2

N N

N

C

=

−

圖 3- 15 3D 網狀網路之環內網狀架構

第三，環間網狀網路連結數為3×N即為3倍的Master，如圖3-16。

圖 3‐ 16 3D 網狀網路之環間網狀架構

3D環內網狀網路(RmS)可容納之節點數目，以8(最高可容納之節點數)×N(單層環 狀之Master數目)×L(Layer)扣除環狀連結數、環內網狀連結數與階層間所重複的連結 數，即可得公式(2):

) 2 2 (

2

15 ²

L

L

N

N

NL

狀之Master數目)×L(Layer)扣除環狀連結數、環間網狀連結數與階層間所重複的連結 數，即可得公式(3):

) 3 ( 4

3

N

NL

3D網狀網路(RmMS)可容納之節點數目，以8(最高可容納之節點數)×N(單層環狀 之Master數目)×L(Layer)扣除環狀連結數、環內網狀連結數、環間網狀連結數與階層 間所重複的連結數，即可得公式(4):

) 4 2 (

2 3 11

2

L

L

N N

NL

表 1結構估算表

第四章 模擬數據分析

4.1 平均路徑長路分析(Average hop length)

平均路徑長的定義，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。這邊我們對於相同形成方法，N 值則從 3 至 6 進行模擬。

0 50 100 150 200 250

Number of nodes 2

3 4 5 6

Average Hop Length

RmS N=3 RmS N=4 RmS N=5 RmS N=6

圖 4- 1 3D 環內網狀結構(RmS)，N=3 至 N=6。

0 40 80 120 160 200 240 Number of nodes

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Average Hop Length

RMS N=3 RMS N=4 RMS N=5 RMS N=6

圖 4- 2 3D 環間網狀結構(RMS) ，N=3 至 N=6。

0 40 80 120 160 Number of nodes

2 2.5 3 3.5 4 4.5

Average Hop Length

RmMS N=3 RmMS N=4 RmMS N=5 RmMS N=6

圖 4- 3 3D 環內-環間網狀網路(RmMS) ，N=3 至 N=6。

就 3D 環內網狀結構(RmS)與 3D 網狀結構(RmMS)而言當相同節點數時 N 值越 大其系統平均路徑長度越短。但在 3D 環間網狀網路(RMS)中當階層數=1 時，其網 路結構即為環狀結構，故其平均路徑長度起始值較其他兩種網路結構來的較差。所 以我們將其十二條平均路徑長度取線相互比較後發現在某些節點條件下 3D 環間網 狀網路結構(RMS)其平均路徑長度較 3D 網狀結構(RmMS)來的好，如圖 4-4。

圖 4- 4 平均路徑長度

我們將其效能較差之平均路徑長度曲線移除，進一步觀察其特性，如圖 4-5。

圖 4‐ 5  最短平均路徑長度

我們可以由圖看出當節點數大於 80 個節點時其 3D 環間網狀網路(RMS)平均路 徑長度較 3D 網狀網路(RmMS)來的好，其原因為在相同的節點數下若節點數大於 80 個節點在 3D 網狀網路(RmMS)之架構所形成的階層數會大於 3D 環間網狀網路 (RMS)，3D 網狀網路(RmMS)可容納之 Slave 之數目較 3D 環間網狀網路(RMS)少，

故有此結果。

4.2 系統效能分析

在此章節我們將固定節點數目(Nodes)、階層數目(L)與單層環狀網路之主節點數 目(N)，來探討本論文提出三種 3D 網狀網路架構，其分別為 3D 環內網狀結構(RmS)、

3D 環間網狀結構(RMS)與 3D 網狀結構(RmMS)與 Layer Ring 網路拓樸之效能。以 N=5、L=4、Node=75 為例，將以每個節點單位時間內所產生出的封包數目(Packet generation rate)1 至 10 個封包進行傳送，並且對系統效能進行模擬與分析，其模擬 包含平均路徑長度(Average hop length)、吞吐率(Throughput)、封包延遲時間(Packet Delay)、功率(Paket Delivery Ratio)與封包遺失率(Packet Loss Ratio)。

4.2.1 平均路徑長度(Average hop length)

由一個節點到任一個節點，平均所要走的路徑長，在這裡的路徑長度是指節點 間實際傳送封包的的最短路徑。

0 2 4 6 8 10

Packet generation rate 3

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Average Hop Length

RmS RMS RmMS Layer Ring

圖 4- 6 平均路徑長度

如圖 4-6，我們可以知道當節點數目在 75 個節點時，在實際傳送封包情況下，

其平均路徑長度加入 3D 網狀結構會明顯的比 Layer Ring 來的好，但在本篇論文所 提出的三種網狀結構還是以 3D 網狀網路(RmMS)，這點與 4-1 所模擬的結果相符。

4.2.2 吞吐率(Throughput)

吞吐率是一種關於計算機或數據通信系統(如網路橋接器、路由器或廣域網連接 等)數據傳輸率的測度。吞吐率通常是對一個系統和它的部件處理傳輸數據請求能力 的總體評價。

0 2 4 6 8 10

packet generation rate 0

200 400 600 800

Throughput

RmS RMS RmMS Layer Ring

圖 4- 7 吞吐率

如圖 4-7，吞吐率的表現上當 Packet generation rate=8 開始可以明顯看出，在本 篇論文提出的三種 3D 網狀網路中，3D 環內網狀結構(RmS)其效能已逐漸達到飽和 狀態，其他兩者則未達飽和。而在 Layer Ring 的網路拓樸架構則是在 Packet generation rate=7 時明顯趨近於飽和，故其系統效能較差。

4.2.3 封包延遲時間(Packet Delay)

0 2 4 6 8 10

packet generation rate 0

400 800 1200 1600

Packet Delay

RmS RMS RmMS Layer Ring

圖 4- 8 封包延遲時間

如圖 4-8，由模擬結果我們可以看出當 Packet generation rate=6 時，於 3D 環內 網狀結構(RmS)中網路開始造成擁塞，當 Packet generation rate=8 時 3D 環間網狀結 構(RMS)與 3D 網狀結構(RmMS)皆開始發生擁塞現象，Layer Ring 網路拓樸架構則 是在 Packet generation rate=4 時，其網路就已經開始造成封包擁塞，由此結果看出 3D 網狀網路(RmMS)之效能還是優於其他三種結構。

4.2.4 成功率(Paket Delivery Ratio)

所謂的成功率是指當傳送端將封包發送出去並且由目的端成功接收封包的比 例。

0 2 4 6 8 10

Packet generation rate 0

0.4 0.8 1.2

Packet Delivery Ratio

RmS RMS RmMS Layer Ring

圖 4- 9 成功率  

如圖 4-9，由模擬結果我們可以看出當 Packet generation rate=9 時，於 3D 環內 網狀結構(RmS)中網路開始造成擁塞。Layer Ring 則是當 Packet generation rate=1 時，

其網路就有封包遺失的問題，在 Packet generation rate=6 時期網路擁塞所造成的接收 成功率大幅的降低。而在此模擬環境下 3D 環間網狀網路(RMS)與 3D 網狀網路

(RmMS)因其系統未達飽和，故其封包接收之成功率幾近於 100%。

4.2.5 封包遺失率(Packet Loss Ratio)

所謂的封包遺失率是指被丟棄的封包佔所有封包的比例，而被丟棄的封包包含 Buffer 填滿後接收到的封包將被丟棄與自身產生的封包也將被丟棄。

0 2 4 6 8 10

Packet generation rate 0

0.1 0.2 0.3

Packet Loss Ratio

RmS RMS RmMS Layer Ring

圖 4- 10 封包遺失率  

如圖 4-10，由模擬結果我們可以看出當 Packet generation rate=7 時，於 3D 環內 網狀結構(RmS)中網路開始造成擁塞並且開始丟棄封包。在 Layer Ring 的網路拓樸 架構下當 Packet generation rate=4 時就達到其系統之飽和，Packet generation rate 介 於 4 至 7 其網路開始有封包被丟棄，Packet generation rate=8 時系統擁塞所造成的封

包被丟棄更為嚴重。而在 3D 環間網狀網路(RMS)與 3D 網狀網路(RmMS)於 Packet generation rate=9 時，才開始有些微的封包被丟棄。

第五章 結論與未來展望

在本篇論文中我們提出一個 3D-網狀散網形成方法，此網狀散網架構分為四種，

依照單層環狀主節點(Master)數目可分為三邊形、四邊形、五邊形與六邊形，階層數 (Layer)則由一至八層。其散網之連接方法分為三種，分別為 3D 環內網狀網路(RmS)、

3D 環間網狀網路(RMS)與 3D 網狀網路(RmMS)。

當模擬環境為靜態時我們觀察其模擬結果得知，我當節點數大於 80 個節點時其 3D 環間網狀網路(RMS)平均路徑長度較 3D 網狀網路(RmMS)來的好。而在實際送 封包之測量其平均路徑長度(Average hop length)、吞吐率(Throughput)、封包延遲時 間(Packet Delay)、成功率(Paket Delivery Ratio)、封包遺失率(Packet Loss Ratio)，可 的知其 3D 環內網狀結構(RmS)表現皆為較差。其原因為雖然其網狀結構皆在環內，

環間之路徑較其他兩種結構來的較少故較易發生封包之延遲與丟棄。 最後我們由實 際傳送封包之模擬結果可知當在 Layer Ring 的網路架構下加入網狀之網路拓樸可使 其整體系統效能有所提升，但在本篇所提出的三種網狀網路其影響的程度不太相同，

此點與整個散網之網路大小有關，本篇論文的模擬結果顯示 3D 網狀網路可有效率 的應用於藍芽隨意網路的形成。

在未來改進方面，我們將可納入連線數(Link)進而觀察連線數之增減對於整體 網路造成的影響與三種結構之關係。

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