在面向服务的蓝牙网络中连接大量资源-约束设备的蓝牙设备管理器外文翻译资料

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毕业设计(设计)

英文文献翻译

Title:Bluetooth Device Manager Connecting a Large Number of Resource-Constraint Devices in a Service-Oriented Bluetooth Network

在面向服务的蓝牙网络中连接大量资源-约束设备的蓝牙设备管理器

Hendrik Bohn, Andreas Bobek, and Frank Golatowski

University of Rostock,

nstitute for Applied Microelectronics and Computer Science,

Richard-Wagner-Strasse 31,

18119 Rostock-Warnemuml; unde, Germany

{hendrik.bohn, andreas.bobek, frank.golatowski}@etechnik.uni-rostock.de

摘要：蓝牙的独特优点如低功耗能力、便宜的硬件接口、便于新应用领域的设置，使蓝牙甚至被考虑用于由大量资源约束设备组成的面向服务架构（SOA）。尽管目前有几项建议可用于降低微微网内通信的功耗，但是并没有一个方案能解决利用休眠模式来降低功耗和支持大量可访问设备的问题。这种正在进行的研究工作通过基于集中式蓝牙网络资源约束设备的服务访问概率提出轮询以弥合这种差距的方法。连接的设备（从属设备）为管理所有通信网络的中央设备（主设备）提供服务。主设备访问设备的设备。这项研究工作充分显示了我们建议的可行性。

1 引言

虽然蓝牙[1]最初被设计为电缆更换技术，但其如低功耗，廉价的硬件接口和易于安装的独特的进步为其提供了更多的应用领域。 蓝牙可以用于面向服务架构（SOA），在我们的例子中，大量的资源约束设备（从站）连接到中央设备（主站）。 SOA是其中设备彼此服务的网络架构。 服务是代表其他实体提供信息，执行行动或控制资源的实体。

蓝牙在资源约束设备面向服务的网络中的应用导致了两个主要问题。 首先，蓝牙微微网在最大带宽为1 Mbps的活动连接中最多支持8个设备。 其次，尽管他们的蓝牙接口仍处于活动模式，但许多服务只能在一段时间内访问一次，并且在大多数时间内保持闲置状态。

蓝牙网络最简单的配置是微微网，其中的多达7个设备（从机）主动连接到管理所有连接的设备（主机）。 主动连接的从站由主机轮询，并发送数据。 微微网中的轮询方案并不是由蓝牙规范规定的。 除了主动连接之外，主机可以在休眠模式下管理多达255个从机。 休眠的从机在一定的时间间隔内听从主机的命令，并在低功率时保持不动作。

服务访问的概率范围是从很少（例如外部温度服务）到不断（例如多媒体服务）。 这些不同的连接要求为节电方法提供了新的机会。除非他们的服务被访问，那么设备可能仍保持低功耗模式。 接通服务后，相关设备再次切换到低功耗模式。

本文介绍了面向服务的蓝牙网络的中央设备（主机）上的设备管理器。 虽然微微网中的每个设备都可以根据蓝牙规范成为主机，但在我们的网络中，中央设备始终被选为是主机。 我们的网络连接大量设备并同时保证服务访问。 因此，当进入网络时，设备会将其服务（蓝牙服务描述）的最大访问间隔发送给主机。 主机从服务器收集初始数据（例如温度服务的温度）并将其存储在高速缓存中。 之后，设备进入“休眠”模式，只有在需要确切的业务数据时或在服务访问间隔时间内才能重新启动。

第二部分描述了相关研究工作。 需要的背景信息在第3节中提供。第4节详细描述了设备管理器及其操作。 第5节给出了结论并规定了未来的研究。

2 相关研究

大量的研究工作解决了实现无线网络低功耗的方法。在硬件层面上，通过在主动连接期间调整无线发射机的功率电平可以降低功耗[2]。在软件层面上，基本思想是估计设备何时传输数据，并在不使用时暂停它[3]。

蓝牙设备分别保持不同的模式或状态：待机、主动、嗅觉、保持和休眠模式以实现低功耗。 待机模式标记未连接状态。其他模式由主设备管理。 有源设备聆听所有通信，而嗅觉、保持和休眠模式是低功耗模式（挂起模式）。嗅觉模式下的设备频繁侦听一定的时间量化通信，否则暂停。处于保持模式的设备将暂停一段时间，然后自动重新激活。休眠的设备未连接到微微网，但在一定间隔内与主机同步。他们必须被主设备明确地重新激活。

大多数关于微网络通信的研究重点是根据流量来估计优化轮询方案。他们可以利用嗅觉模式或者保持模式。我们不知道任何考虑蓝牙驻留模式以降低功耗的研究。

随后的轮询方案利用了蓝牙的嗅觉模式：Garg等人提出了在嗅探间隔中改变嗅探间隔和服务时间的几种轮询方案[4]。Chakraborty等人提出了基于自适应概率的轮询间隔（APPI）[5]。APPI被开发用于突发传播，并且使在嗅探间隔中的服务时间适应于可能和频繁的业务突发。Yaiz等人制定了名为“预测公平轮询”（PFP）的投票方案[6]。PFP使用每个从机的紧急度量来预测数据是否可用，并跟踪公平性。具有最高紧急度量的从机被轮询。

以下轮询方案利用了保持模式：蓝牙自适应节电服务规则（APCB），由Zhu等人提出的轮询算法。 利用保持模式[7]。像Perillo和Heinzelman的自适应共享轮询（ASP）[8]。 APCB观察流量，并估计流量率。相应调整以保持间隔。APCB中的调整功率是通过改变确定流量变化率的值来完成的。 相比之下，必要数量和实际投票数之间的差距调整了ASP中的功耗。 原因是随着轮询较少或是必要时，后续行为具有不可预测性。

在这方面应该提到的另一个轮询方案是由Shreedhar等人提出的定义循环（DRR）。 [9]。 它类似于简单的循环轮询（RR）方案，其中所有从机总是被主机以特定顺序轮询，并在轮询时发送所有数据。DRR将每个节点的传输限制在一定的时间量程范围内。如果节点的传输时间超过相应量子，传输将停止并且下一个节点被服务。剩下的传输时间被添加到下一轮的量程。BlueHoc软件使用DRR作为调度器[10]。

Lee的文章检查蓝牙网络中吞吐量和延迟时间的从机数量[11]。该研究还考虑了休眠模式。休眠模式不用于降低功耗，而是用于扩展可能的从机数量，并为所有（驻留和主动）从机的吞吐量和延迟时间提供结果。从机被设定为休眠模式，并以RR的方式重新启动。

尽管可以额外用于扩展连接从站的数量，但对于在低功率方法中解决休眠模式的任何研究工作我们都不知道。

3 背景

3.1 蓝牙

蓝牙是基于无线电的通信技术，传输范围为10米到100米，使用2.4 GHz工业、科学和医疗（ISM）频段。扩展频谱用于通过跳频来避免其他设备的干扰和噪声（1600赫兹每秒）。使用高斯频移键控（GFSK）调制方案来调制信号，并且利用时隙间隔双工（TDD），时隙间隔为625微秒。主机管理微微网中的整个通信。只有主机轮询时才允许从机发送数据。

图1比较了蓝牙低功耗模式与主动模式关于延迟和功耗（改编自Milios）[12]。休眠模式可以节省大部分的连接模式,但延时最长。保持模式平均使用比停放模式更多的功率，因为当保持时间间隔过去时，设备会自动切换到活动模式。

图1.延迟和功耗蓝牙模式

图2.蓝牙服务描述的概述

3.2 面向服务的蓝牙

蓝牙支持最小的面向服务功能。蓝牙服务发现协议（SDP）基于服务描述来搜索和浏览蓝牙服务。搜索服务意味着SDP客户端（服务用户）可以查询可用的SDP服务器（服务提供商）以获得所需的服务。搜索服务是没有关于服务的先前信息的搜索。一个设备既可以是SDP客户端也可以是服务器。每个设备只允许一个SDP服务器。蓝牙既不提供任何类型的通知机制（例如，当SDP服务器进入或离开网络，或者当服务描述改变时）也不提供访问服务的方法。

SDP服务器维护服务记录列表（如图2所示）。每个服务记录表示一个服务，并由服务属性列表组成。服务属性由属性标识符（ID）和对应的属性值组成。属性ID是16位无符号整数，并反映服务的语义。某些属性ID和相关值数据类型（例如服务名称作为字符串值）由蓝牙特殊兴趣组（SIG）预先设置。每个服务实例属于指定含义、规定的服务属性和数据类型的服务类型。新服务类型被定义为由新属性扩展的现有子类。服务类型由128位通用唯一ID（UUID）表示。UUID保证在所有空间和所有时间内都是独一无二的。

4 对蓝牙设备管理器

本文涉及一个单一的集中式微微网，其中包含一个可用的设备（总是用作蓝牙主机）和一些动态进入和离开网络的资源约束设备（蓝牙从机）。我们基于将蓝牙从机作为SDP服务器的假设。由于存在限制，它们不能是SDP客户端。蓝牙主机主要用作SDP客户端。

蓝牙主机包含设备管理器（DM）。DM永久可用，并控制整个网络、所有连接，并负责使用休眠模式降低从机的功耗。它涉及以下任务：为连接的设备提供调度、建立连接、访问服务、对未注明设备的离开进行响应以及服务描述的更改和拒绝设备。任务将在后面的小节中介绍。

4.1 设备管理器的概述

设备管理器可访问可用的蓝牙服务，并隐藏实际的蓝牙设备。它接受服务请求并通过访问蓝牙服务进行处理。DM管理一个额外的缓存，作为可用服务及其状态的服务目录。我们区分有关休眠模式的三个设备：缓存、依赖和始终处于活动状态的设备。缓存设备会在一定的时间间隔内更新其属性值。主机请求值并缓存它们。当请求新的属性值时，主机唤醒设备。始终有效的设备提供准确的值，不能像顾名思想那样休眠。设备的类型由其服务的语义定义。以防嵌入式服务需要使用不同类型，做以下规则：如果服务始终处于活动状态，则设备始终处于活动状态。高速缓存和随机服务可根据需要进行访问并行工作。在需要比微微网支持的的活动设备更多的情况下，Lee等人的调度器[11]可以应用。

4.2 调度

与时间约束相关的时间控制操作属于通常由调度器算法解决的经典调度器问题。这种算法不是本文的一部分。在建立与具有所需停放间隔的新设备的连接时，请求DM的调度程序，以确保不会以需要的驻留间隔来混乱其他设备。此外，调度器负责启动具有驻留间隔属性的服务的服务访问。

4.3 服务描述连接设备

设备管理器的服务管理需要两个额外的属性：MaximumParkInterval和AlwaysActive，这些属性必须由服务提供商定义。

TheMaximumParkIntervalattribute（UnsignedInteger）确定服务可能停放的最长时间（以毫秒为单位）。它用于缓存服务以定义它们必须更新的最大间隔。设备的驻留间隔来自所有服务的最小MaximumParkInterval（用于提供多个服务的设备）。属性值0表示按需服务。AlwaysActive属性（Boolean）标识设备是否可以停放。如果值为0，则设备可能停放。 值1表示总是有效的设备。默认情况下，设备始终处于活动状态。

4.4 建立连接

在建立SDP连接之前，新设备必须建立与主机的蓝牙连接。 这可以通过两种方式启动：主机搜索新设备或新设备运行查询并定义主机。

当主机成为一个设备时，它将被自动连接为一个主动的从机。当一个新设备开始寻呼（建立微微网）时，它通常用作连接的主机（根据蓝牙规范）。我们描述的网络有一个预定义的主机。因此，必须应用蓝牙角色切换过程[1]，使新设备成为从机。

当建立蓝牙连接时，主机向新的从机浏览发送SDP请求以进行服务。新从机的SDP响应包括放入主机服务缓存中的业务描述。如果从机是按需或缓存的设备，则它将进入“休眠”模式。

4.5 访问服务

主服务器访问服务的时间取决于服务的服务管理属性。具有休眠间隔的指定值的服务由相应的调度器唤醒。新的状态值由常规蓝牙SDP操作（请求和响应）确定，并存储在主控缓存中，直到从主机外部访问。只有在从主机外部请求了服务访问时才能访问按需服务。因此，主机要求调度器获取适当的时刻并将设备置于活动模式。使用服务后，主机将设备重新设置为“休眠”模式。需要始终处于活动状态的连接的服务已经处于活动模式。服务访问才可能会永久发生。

4.6 设备的分离

由于主机和从机之间的通信始终由主机启动，所以从机无法通知主机有意离开网络。 断开的设备在下面的服务访问中被识别，如上所述。实现这种故障后，主机通知调度程序并删除设备正在运行的每个服务的缓存。

4.7 拒绝一个设备

在某些情况下，如果设备尝试建立新的连接，则主机必须拒绝该设备。根据设备给出的服务质量约束（例如，要求较大的带宽），由调度器进行是否拒绝的决定。在所有情况下，主机将向设备发送断开连接的命令。

4.8 改变服务描述而连接

更改服务描述意味着添加或删除服务记录中的一个或多个服务属性。如前所述，通信由主机发起。因此，下一次服务访问会识别更改的描述。对于每个添加的属性，主机在高速缓存中分配新的字段，对于每个丢失的属性，主机分别根据字段删除。

5 结论和未来的工作

我们已经描述了如何利用蓝牙休眠模式来连接大量资源约束设备，同时降低面向服务的蓝牙网络中的功耗。

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