基于蓝牙的组网技术研究 (毕业设计43页、19810字)
摘  要：在短距离无线通信技术中，蓝牙是一种事实上的全球标准，研究基于蓝牙的网络日益受到研究者的青睐。然而，由于蓝牙技术自身的特性，利用蓝牙技术构建自组织网还面临着许多挑战，其中最关键的问题是蓝牙自组织网络的拓扑形成，散射网的拓扑构建是蓝牙自组织网形成中的基本问题。本文在分析蓝牙设备工作方式和蓝牙网络结构的基础上，对现有几种典型的蓝牙散射网的拓扑构建算法进行分析和比较，其中特别深入分析了Bluetree算法存在的问题。然后提出一种基于Bluetree算法的改进算法，改进算法与Bluetree算法相比，更能保证网络性能，但牺牲了组网时间，并限定任意两节点都在有效通信范围内。

关键词：蓝牙；散射网；Bluetree算法
The Research of Forming Network Based on Bluetooth
Abstract: In the short-range wireless communication technology, Bluetooth is a de fac to globe standard. The research of network based on Bluetooth is favored by researchers gradually. However, because of the character of Bluetooth, it also faces many challenges to establish Ad Hoc network for using Bluetooth technology. The key point is the forming of topology of Ad Hoc network on Bluetooth. The topological establishment of Scatternet is the basic problem of forming Ad Hoc network. The paper analyzes and compares several typical Topology Construction Algorithms for Bluetooth Scatternet based on the working of Bluetooth device and the Bluetooth network structure, and analyzes specially the existing problems of Bluetree algorithm. Then, it proposes the improved algorithm based on Bluetree algorithm. Comparing with Bluetree algorithm, the improved algorithm can ensure the network performance, but costs more time in forming new network and restricts any two nodes on the effective range of communication.

Key words:  Bluetooth,  Scatternet,  Bluetree
 
目    录
第1章 引言 1
1.1 问题的提出 1
1.2 选用蓝牙技术组网的优点 1
1.3 本文的主要工作和内容安排 2
第2章 蓝牙技术相关工作 4
2.1 蓝牙网络的拓扑结 4
2.1.1 微微网 4
2.1.2 散射网 5
2.2 链路控制和基带 6
2.2.1 蓝牙设备地址 6
2.2.2 蓝牙设备时钟 7
2.2.3 蓝牙设备连接 9
第3章 典型的蓝牙组网算法分析 12
3.1 蓝牙散射网拓扑构建的关键问题 12
3.2几种典型的蓝牙散射网组网算法 14
3.2.1 Bluetree 14
3.2.2 BTCP 16
3.2.3 BlueRing 16
3.2.4 Scatter-Route 17
3.3 算法比较 18
第4章 一种原创的基于Bluetree的改进算法 20
4.1系统初步描述与条件约定 20
4.2 Bluetree算法不足 20
4.3 一种改进的Bluetree算法描述 21
4.3.1 约定 21
4.3.2 引用的名词和数据结构 22
4.3.3 组网过程各角色需要做的工作 22
4.4 组网详细过程 23
4.4.1 根微微网的形成 23
4.4.2 网络末端从设备扩张网络 25
4.4.3 网络末端主设备扩张网络 28
4.5 网络的扩展和自愈分析 33
4.6 数据的路由 34
4.6.1 细分蓝牙ACL分组 34
4.6.2 路由的选择 34
4.7 网络的工作方式 34
4.8 本章小结 35
第5章 结论 36
5.1 改进算法取得的成果 36
5.2 仍存在的问题 36
5.3 结论 36
致  谢 37
参考文献 38
 
第1章  引  言
1.1  问题的提出
可以设想这样一个应用场景，在一个文物展览馆内，由于人流的影响，馆内的温度、湿度等影响文物保存的环境参数处于波动状态，控制台需要通过中央空调为览馆内各区域提供合适的温度、湿度等环境参数，以妥善保护好展览文物的品质。但控制台如何收集到馆内各区域环境参数以实施监控呢？构建这样一个监控管理系统，可以使用蓝牙网络来完成环境参数信息的收集。
实现这一系统需要解决六个主要问题
1、控制台的硬件和软件设计，控制台应提供良好的人机交互界面并运行稳定。
2、网络节点的硬件软件设计，节点至少具备无线通信功能和传感功能。
3、节点能量供应问题，能量应能支撑较长时间，最好是不间断地供应。
4、传感器的选择，各节点传感器的精度应达到一定要求，误差较小。
5、无线通信技术（方式）的选择，所选的通信技术应成本较低，本文选用蓝牙。
6、蓝牙网络的组网，组成的网络应该是连通的、健壮的。
以上六个问题中，本文主要讨论的是问题6，其他问题不是本文主要讨论的，但有的问题会被当作问题6的补充来加以讨论，比如网络节点的软件设计和无线通信技术的选择。
1.2  选用蓝牙技术组网的优点
无线网络内正常通信过程中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响。因此采用那种无线通信技术对网络的服务质量有较大影响。目前主要的无线通信技术有以下几种：
1、IEEE802.11
2、Bluetooth
3、HomeRF
4、IrDA
它们的具体比较如表1-1所示。IEEE802.11系列标准的传输距离长、速度快，可以满足用户大量占用带宽的网络操作，比较适合企业无线网络。HomeRF是专门为家庭用户设计的，它通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信。IrDA技术适用于传输速度高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备。Bluetooth技术面向的是移动设备间的小范围连接。
表1-1 蓝牙同其他无线网络协议比较
 IrDA IEEE802.11 HomeRF Bluetooth
连接类型 红外 扩频(直接序列或跳频) 扩频（跳频） 扩频（跳频）
频段 850nm光 2.4GHz ISM 2.4GHz ISM 2.4GHz ISM
传输功率 100mW 100mW 100mW 1mW
数据传输速率 可达16Mbps 1-2Mbps，用直接序列扩频可达11 Mbps 1-2Mbps 1Mbps
通讯距离 1m 100m 10m-100m 10m-100m
支持设备数 2 每个接入点可有多个设备，网络里可有多个接入点 网络中可支持127个设备 每个微微网种可达8个
语音信道 1 Voice over IP 可达6个 可达3个
数据安全 短距离和红外光束的窄角度提供了简单安全性；无其他安全机制 接入点和移动点间通过WEP盘问响应的认证方式;加密40位，可认128位 Blowfish加密算法 可用128为密钥认证，8到128位用于加密
地址表示 32位物理地址 48位MAC地址 48位MAC地址 48位MAC地址
选用蓝牙技术来实现网络，主要有以下几点考虑：
(1) 如果大规模使用的话，蓝牙模块将会很便宜。
(2) 蓝牙使用无需申请的2.4GHz ISM微波工作频段，且在全球范围适用。
(3) 蓝牙采取跳频和扩频的方式，从而具有很好的抗干扰能力。
(4) 蓝牙设备在连接状态下，有四种工作模式：激活、呼吸、保持和休眠，利于节能。
(5) 蓝牙技术标准精心设计的协议有多层结构，分别负责实现数据位流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和拆除，以及链路控制、数据包的拆装、服务质量和协议复用等功能。整个协议结构简单，并使用前向纠错编码及自动重传等机制保证链路的可靠性。
1.3  本文的主要工作和内容安排
 本文主要工作有以下四点：
1、分析蓝牙设备的工作过程。
2、研究几种典型的蓝牙散射网的组网算法。
3、描述具有原创性的基于Bluetree算法的改进算法。
4、对改进算法和Bluetree算法做详细比较。
其中，改进算法是本文论述的重点。在章节的安排上，也是按照以上先后顺序，为每一个工作点安排一个章节。