Bluetooth is a wireless personal area network standard with frequency hopping technology over the 2.4 GHz band. At most 8 devices are synchronized in one piconet, which is sometimes used as a building block for a larger network, called scatternet. A piconet is composed of a master, which is a predetermined central coordinator, and slaves. In spite of the asymmetrical architecture of Bluetooth, some symmetric applications, such as exchanging multi-media name cards between portable devices and on-line games among nodes in sights, are promising, which need a symmetric connection establishment scheme. However, the current Bluetooth specification requires an asymmetrical connection and its connection delay may be intolerably high for the aforementioned applications.
In this dissertation, we propose a random inquiry procedure that allows a symmetrical connection between a pair of nodes. Each party flips its state between the master and the slave until a successful match is found. We have adopted several optimizations on Bluetooth inquiry for quick connections between nodes. Moreover, we find the optimal state transition strategy through the analysis. Numerical results show that expected inquiry success time can be as low as about 30 ms with our random inquiry, which is small enough for name card exchange.
Based on the above random inquiry scheme, we present an extended random inquiry scheme for multi-party, named Murani, for exchanging materials among several people and wireless on-line gaming among nodes in proximity. Murani makes no connection between nodes until the unique leader election and the neighbor discovery. It speeds up the connection when small number of nodes participate in a transaction. We analyzed the time needed for the procedure with Markovian chain model. With 1.8 s for timeout, 99.9% of inquiries succeed for 40 nodes. The original Murani performs better with up to 30 nodes than the conventional schemes in average, while contention-controlled Murani using paging scheme outperforms up to 70 nodes.
Finally, We proposed cluster-based scatternet formation protocol, in short CluScat. CluScat is a scatternet formation protocol when nodes are distributed in multi-hop distance. CluScat forms scatternet by clustering Bluetooth nodes and constructing piconets with the nodes belonging to the cluster. CluScat assures the connectivity of the resulted topology and bounds the number of slaves in a piconet to 7. With cluster architecture, it is designed to minimize piconet switching overhead. Simulation studies have shown that CluScat is more scalable than other known schemes. With 200 nodes in 40 m x 40 m, every node in CluScat topology participates no more than 3 piconets while the best known scheme makes some nodes belong to more than 30 piconets. The piconet switching overhead in a route by CluScat is also significantly reduced. In future, we will work on how to distribute the load concentrated into the cluster heads and gateway nodes.
블루투스는 2.4GHz 대역에서 주파수 도약 기법을 이용하는 무선 개인통신망 표준이다. 통신망 구성의 최소 단위는 피코넷으로서, 최대 8개의 노드가 하나의 피코넷을 이루며, 더 큰 망이 요구될 때는 여러 피코넷을 모아 스캐터넷을 형성한다. 피코넷은 하나의 미리 결정된 마스터 노드와 그 관할하에 동작하는 슬레이브 노드들로 구성된다. 이러한 비대칭형 구조하에서 블루투스 기술을 명함 교환이나 무선 온라인 게임과 같은 대칭형 응용에 대응시키기 위해서는, 기기간의 대칭형 연결 기법이 필요하다. 그러나, 현재의 블루투스 표준은 마스터 노드를 중심으로 하는 비대칭형 연결 만을 지원하고 있으며, 위의 응용을 지원하기에는 연결속도가 느린 문제점을 가지고 있다.
본 논문에서는 일차적으로 한 쌍의 단말간 대칭형 연결을 지원하는 랜덤 인쿼리 기법을 제안한다. 랜덤 인쿼리의 수행 시, 각 노드는 인쿼리가 성공할 때까지 마스터와 슬레이브 상태를 교대로 반복한다. 이 때, 기존의 연결 기법을 대칭적 연결에서 활용할 때 생기는 성능 저하 요소를 개선하여 성능을 향상하도록 하는 접근을 제안하였다. 또한, 수학적 분석을 통하여 무작위 인쿼리 기법의 평균 성공 시간을 최적화하였다. 이 경우 평균 30 밀리초 정도가 랜덤 인쿼리의 성공을 위하여 필요하였으며, 명함교환과 같이 두 노드간 단시간에 대칭적 연결을 해야 하는 응용에 충분한 수준의 연결 시간을 확보할 수 있었다.
또한, 본 논문은 이를 좀 더 많은 노드로 확장한 다중간 랜덤 인쿼리 방법을 제안한다. 다중간 랜덤 인쿼리는 여러 명이 모여서 명함이나 자료를 공유하거나 네트워크 게임을 할 때를 목표로 하는 연결 기법이다. 이 기법에서는 모든 노드가 서로의 통신범위 안에서 망을 구성한다고 가정하며, 이 경우 상호간 고속으로 망을 구성하도록 하는 것을 목표로 한다. 다중간 랜덤 인쿼리는 앞서 제안한 랜덤인쿼리를 기반으로 설계되어 성능 향상을 꾀하였다. 또한, 인쿼리 과정중에 노드간 협의를 위한 채널을 열지 않고 인쿼리 만으로 대표노드 선출 및 주변 노드 정보 추출을 수행하도록 하여 노드 수가 상대적으로 적은 환경에 최적화 되었다. 마코프 체인을 통하여 연결 시간을 분석하였으며, 40개의 노드 간에 다중 무작위 인쿼리를 수행하였을 경우, 1.8초 안에 99.9%의 연결 시도가 성공함을 알 수 있었다. 다중간 랜덤 인쿼리는 협의 채널 형성을 통한 망구성 기법과 비교 했을 때, 30개의 노드까지 더 나은 평균 연결 시간을 보였으며, 페이징 기법을 통한 노드간 경쟁 감소 기법을 도입할 경우 70 노드까지 나은 평균 성공 시간을 보인다.
마지막으로, 통신 범위보다 넓은 영역에 분포된 노드들 간의 스캐터넷을 형성해주는 방법인 CluScat 기법을 제안하였다. CluScat은 근처의 블루투스 노드들로 클러스터를 형성하고 이들을 여러 피코넷으로 분할하는 방법을 통해 스캐터 넷을 형성한다. CluScat은 클러스터의 수가 노드의 분포 면적에 따라 결정되도록 설계하여 노드 밀도에 안정적인 스캐터넷 구성을 보이도록 하였다. CluScat은 망의 연결성을 보장하며, 피코넷 당 슬레이브의 수를 7로 제한한다. 또한, 통신 성능을 떨어뜨리는 요소인 노드당 소속 피코넷의 갯수도 안정적으로 유지하는 것을 목표로 한다. 시뮬레이션 결과, 기존의 방법에서는 노드 밀도가 높아짐에 따라 노드당 피코넷의 수가 선형적으로 증가하는데 반해, CluScat은 노드 밀도와는 무관하게 거의 모든 노드의 소속 피코넷의 수가 3을 넘지 않도록 안정성을 유지함을 알 수 있었다. 또한, 통신 경로 당 피코넷 전환 부하에서도 CluScat이 기존에 비해 상대적으로 상당히 낮은 부하를 보인다. 반면, CluScat은 클러스터 대표 노드와 게이트웨이 노드에 부하가 집중되는 문제가 있으며, 이를 분산할 수 있는 방법을 차후로 연구할 계획이다.
