蓝牙技术在无线接入网中的应用

    随着多媒体通信业务的日益增长，人们对通信技术的要求越来越高，希望无论是静止的还是移动的，都能够随时随地接入因特网或本地信息网，以实现移动互联。传统的IP技术主要针对固定计算机设备，而无法满足终端移动性的要求，因此必须对其功能进行扩展，以适合移动终端设备的要求。蓝牙(Bluetooth)技术的出现，给这一问题提供了一种有效的解决方法。

1　蓝牙技术简介

　　蓝牙是一种正在发展中的短距离的无线时分多址通信技术或个域网技术，直接面对个人和商务的无线连接应用技术；其工作在2．4 GHz的ISM频段(工业、科学和医疗频段)，共79个频道，相邻频道间隔1 MHz；蓝牙最基本的网络组成是微微网，由一个主设备单元(发起链接的设备)和多至7个从设备单元构成，能提供1 Mb/s的数据速率。主要优点有：

　　 (1)可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接。

　　

　　 (2)具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP，GSM，DECT等，引入身份识别后可以灵活实现漫游。

　　 (3)功耗低，对人体危害小。

　　(4)蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，便于推广。

2　基于蓝牙技术的无线接入网

　　无线接入网是为移动终端提供接入到附近的有线局域网或无线局域网的无线接入点的网络接口，移动终端可以访问该局域网内的其他设备，也可以通过路由器和网关访问Internet资源，无线接入网应支持用户漫游，以实现自动切换，保持通信的连续性。目前，按照无线接入网的实现方式可分为固定无线接入网和移动无线接入网，而基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC(BluetoothPublic Access)。

2．1　BLUEPAC网络结构

　　 BLUEPAC网络结构如图1所示。

　　 (1)蓝牙公众接入局域网(BLUEPAC LAN) 主要部分包括一个有线局域网，也可由几个不同种类的局域网互连组成，主要作用是为蓝牙用户终端提供无线接入。

　　(2)网关GW　其主要作用是将BLUEPAC区域(一般由BLUEPAC服务商所拥有)中的BLUEPACLAN接入到公众网(如Internet，PSTN等)中，以得到全球的信息和通信服务。

　　(3)BLUEPAC基站(BBS)　即局域网接入点，直接连接到BLUEPACLAN，是无线方式转换为有线方式的设备，一般可为一个或几个微微网提供接入服务。BBS由BLUEPAC服务提供商提供。

　　(4)BT设备　蓝牙用户终端设备，如移动电话、掌上电脑和笔记本电脑等。BT设备在BLUEPAC区域通过电磁波与BBS建立无线连接，通过BBS用户就可以接入到BLUEPACLAN和公众网络中得到服务。

2．2　BLUEPACIP技术

　　利用蓝牙技术可以实现移动用户的无线接入，移动蓝牙用户接入因特网可采用2种方式：蜂窝IP技术和移动IP技术。蜂窝IP主要应用于BT用户地点相对固定的场合，比如火车站、医院等，可以通过蓝牙技术与固定网络节点(公共电话网的节点)技术相结合来实现，也可以很方便地实现一个家庭中的几台电脑的无线连接，并且能同时通过一个节点上网；移动IP主要应用于BT用户移动区域较大的场合，比如火车、飞机等，他可以通过蓝牙技术与移动网络节点(带WAP功能的手机)技术相结合来实现。

　　 蓝牙系统中应用蜂窝IP技术的工作原理主要有2点：

　　

　　 (1)BT用户需要无线接入时，他将发出查询命令，当基站能够接受新用户时，连接就建立起来；这时BT用户将通过基站向蓝牙代理发送登记请求，蓝牙代理经过验证返回一个包含分配给BT用户的临时IP地址、代理服务器端口地址以及DNS地址的分组；BT用户收到这个分组后，就可以采用该IP地址向因特网收发数据，也可以与本局域网内其他的BT用户通信。

　　(2)当BT用户移动位置时，若BT用户的接收信号强度(RSSI)小于某个门限值时，他将发出查询命令，查找是否有更近的基站存在，若有将与新的基站建立连接，这时BT用户将通过新的基站向蓝牙代理发送登记请求，蓝牙代理返回一个新的包含临时IP地址、代理服务器端口地址以及DNS地址的分组，BT用户通过该IP地址向因特网收发数据。

　　与蜂窝IP的工作原理不同，在移动IP技术下，移动用户可以使用一个固定的IP地址在任何地点采用任何方式连接到因特网上，当移动用户移动到另外一个网络或子网时，移动用户可以在不改变IP地址的情况下仍保持通信，在蓝牙系统中应用移动IP的工作原理如下：

　　(1)本地代理(BT用户所在的本地网上的路由器)和外地代理(BT用户当前所在网络上的路由器)不停地向网上发送代理消息，以证明自己的存在。

　　(2)BT用户接收到这些消息后，确定自己是在本地网还是在外地网，若BT用户发现自己是在本地网，并且收到的是本地代理发来的消息，则不启动移动功能；若仍然收到外地代理发来的消息，则向本地代理发送注消原位置(外地网)命令，声明自己已经回到本地网。

　　(3)当一个BT用户检测到他已移动到外地网，他将获得一个转交地址，该地址包含两方面的信息：一个是外地代理的IP地址，一个是外地代理通过某种机制与BT用户暂时对应起来的网络地址；然后BT用户向本地代理注册，表明自己已经离开本地网，并把所获得的转交地址通知本地代理；注册完毕后，所有通向BT用户的数据包将被本地代理截获，并由本地代理通过IP隧道(tunnel)发往外地代理，外地代理接收到后，再把数据包转发给BT用户，这样即使BT用户已经从一个子网移动到另一个子网，BT用户的数据通信仍然能够继续，BT用户发往外地的数据包一般按IP寻径方法送出，不必通过本地代理。

2．3　BLUEPAC越区切换

　　在BLUEPAC区域中，要实现BT用户的无缝接入，最关键的问题就是越区切换，切换过程如图2所示。

　　在图2中，BLUEPACLAN是由应用服务器和可能需要的网关或代理服务器等组成，网关和代理服务器可建立与因特网的连接，应用服务器提供BLUEPAC服务；基站BBS负责蓝牙无线与有线网络的连接，服务器与基站之间是若干路由器，路由器是完成越区切换的关键。为了提高切换性能，可以采用在外地代理加缓冲区的办法减少包的丢失率，这种方案的具体实现如下：当BT用户移动位置时，如果BT用户的接收信号强度小于某个门限值时，他将发出查询命令，查找是否有更近的外地代理存在，同时他也向原来的外地代理发出声明，告之他将切换到新的外地代理。BT用户移动到新的外地代理的登记请求没有被本地代理确认前，原先的外地代理将通信对端发送来的数据包存储在缓冲区里。在登记请求确认后，本地代理通过

　　新的外地代理给BT用户发出确认消息，同时刷新通信对24端的转交地址，使通信对端获得BT用户的新的转交地址，将以后的数据包发送到新的外地代理，再转发给BT用户。BT用户收到登记确认消息后，解除其在旧的外地代理的登记，并且通知他新的转交地址，使他释放缓冲区的数据包到新的外地代理，再转发给BT用户，这样就避免了切换时的数据丢失。

2．4　BLUEPAC微微网组网方式

　　BLUEPAC网在确保外界的通信不受影响的前提下，其关键之处在于能够允许BT用户在基站之间自由移动，目前，BLUEPAC中的微微网有以下几种组网方式可提供参考。

　　 (1)基站BBS作为蓝牙从设备，BT用户作为主设备

　　

　　 在该网络中，每一个BT用户都将基站作为他的从设备而建立一个微微网。这种方式的优点是：当BT用户需要新的基站建立连接时，他只需发送一个查询(Inquiry)和寻呼(Page)消息来查找新的基站，切换的处理过程很简单；其缺点是：基站同时处于几个微微网中，必须与他们都保持同步，因此基站必须应用时分复用来满足多个微微网的寻址及通信，这样在不同时钟的微微网下的时分复用必将带来通信性能的恶化。这种方案更适用于移动IP技术。

　　 (2)基站作为蓝牙主设备，BT用户作为从设备

　　

　　 在该网络中基站作为主设备，而与多个BT用户建立一个微微网。在蓝牙技术中，从设备只有在被主设备寻址之后才能发送数据，因此在这种方式下，基站控制着该链路的介质访问权，并且BT用户在某个时间段发送的数据包的数量也由基站控制，这样BT用户访问因特网的效率将大打折扣；并且，在这种结构中，目前一个蓝牙微微网只能由一个主设备和7个从设备构成，因此一个基站最多只能与7个BT用户相连。这种方案更适用于蜂窝IP技术。

　　 (3)主从切换方式

　　鉴于上面2种方法的优缺点，这里给出一个折衷的方案。开始建立连接(即初始化)时，基站作为主设备，BT用户作为从设备，当某个连接建立后，BT用户变为主设备，基站变为从设备，也就是说在连接建立后进行一次主从切换。这时对于其他BT用户来说，基站仍然是主设备。其最大缺点是切换过程处理起来很复杂。

　　以上3种方案的性能优劣主要体现在BT用户从一个基站转移到另一个基站的失锁时间长短，他包括：链路管理计时器检测到的与当前基站失去连接的时间、查询区域内新基站的时间，以及通过发送寻呼消息与新基站建立同步的时间。

3　结　语

　　蓝牙以其成本低廉、组网灵活等优点而成为新的研究热点，是下一代个人区域网(PAN)的理想实现技术，基于蓝牙技术的无线接入网与目前应用较为广泛的IEEE802．11无线接入技术相比，蓝牙技术在小区域组网中更具有优势。随着蓝牙技术的不断发展和各类相应产品相继问世，蓝牙技术将在各个领域得到广泛应用，特别是通信领域，会使人们的移动互联网梦想真正成为现实。