《电子技术应用》
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BLE Mesh网络协议综述
2017年电子技术应用第4期
徐春燕1,肖扬文2,蔡 敏1
1.华南理工大学 电子与信息学院,广东 广州510640;2.国家质量监督检验检疫总局信息中心,北京100088
摘要: 蓝牙低功耗(BLE)技术由于其低功耗的特性被广泛应用到物联网领域。然而,数据点对点的传输协议以及传输范围小,组网能力差的限制使得BLE在物联网应用中大打折扣。此时,Mesh组网技术显得尤为重要,针对BLE提出的Mesh技术可以大范围地延伸BLE设备或节点的传输距离。首先介绍 Mesh网络的特点,再从路由选择算法、广播信道的局限以及睡眠模式这三方面分析现有BLE Mesh技术的不足并展望了其发展前景。
中图分类号: TN926+.22
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.007
中文引用格式: 徐春燕,肖扬文,蔡敏. BLE Mesh网络协议综述[J].电子技术应用,2017,43(4):29-31,35.
英文引用格式: Xu Chunyan,Xiao Yangwen,Cai Min. Overview of BLE Mesh network protocols[J].Application of Electronic Technique,2017,43(4):29-31,35.
Overview of BLE Mesh network protocols
Xu Chunyan1,Xiao Yangwen2,Cai Min1
1.School of Electronics and Information,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China; 2.Information Center,General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People′s Republic of China, Beijing 100088,China
Abstract: Bluetooth Low Energy(BLE) technology is widely used in the field of Internet of things(IOTs) because of its low energy characteristics. However, the point-to-point data transmission protocol, small transmission rang, and the network capacity restrictions make the application of the BLE to Internet of things greatly limited. Thus, Mesh networking technology is particularly important. The Mesh technology for BLE will make the Bluetooth device/Node to extend the range of information transmission. In this paper, we first introduce the characteristics of Mesh networks and node data control of BLE Mesh, then analyze the shortcomings of BLE Mesh technology from the aspects of routing algorithm, the limitation of advertising channels and sleep mode, and finally the outlook for BLE Mesh network is discussed.
Key words : BLE(Bluetooth Low Energy);Mesh network;Internet of things;routing algorithm

0 引言

    自2012年蓝牙4.0规范推出之后,全新的蓝牙低功耗(BLE)技术由于其极低的运行和待机功耗、低成本和跨厂商互操作性,3 ms低延迟、AES-128加密等诸多特色,可以用于计步器、心律监视器、传感器物联网等众多领域,大大扩展蓝牙技术的应用范围[1-2]

    尽管BLE已经被广泛应用于物联网领域,但是仍然存在着点对点的拓扑结构的限制,以及传输距离短、组网能力差等问题。由于蓝牙4.1规范中说明,一个BLE设备既可以在一个网络中作为主设备,又可以在另一个网络中作为从设备[3]。因此,Mesh网络可以利用BLE的这一特性,就可以在不需要连接的情况下传输数据,同时也可以发起广播。在蓝牙4.1规范中还提到,v4.1是以物联网为目标对v4.0软件升级,硬件上没有任何改动,并且可以通过IPv6建立网络连接,解决了在无WiFi情况下设备上网不易的问题。

    本文首先介绍了BLE Mesh网络结构的特点优势,然后综合评述了影响BLE Mesh组网发展的关键因素,并分析了现有BLE Mesh技术的不足之处,在此基础上对BLE Mesh技术的发展方向进行了展望。

1 Mesh的网络结构特点

    无线Mesh网络也称为“多跳(multi-hop)”网络,它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术[4]。传统的无线网络主要是点对点或点对多点的星型网络,所有终端节点必须与中心节点交换数据,其拓扑结构如图1。而无线Mesh网络采用对等式的网络拓扑,每个节点与其相邻节点进行通信,并有数据转发的功能,其拓扑结构如图2。无线Mesh网络的可扩展性强,如果需要向网络中新增节点,只需将新增节点安装并进行相应的配置[5-6]。无线Mesh网络的可靠性也极高,如果某个节点上行有线链路出现故障,不会影响整个网络的运行,可以有效避免单点故障。

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    多点对多点Mesh技术让蓝牙在组网能力上有了巨大的提升,基于BLE标准协议的Mesh网络中数据收发的过程如图3所示。

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    图3中的BLE逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)主要负责节点设备两端的逻辑连接,节点的新增或减少通过BLE的L2CAP控制。扫描管理(Scan Manager)负责广播信道上的广播信息,通过发送扫描信息到BLE的广播监听者,从而传到节点进行节点的传播。同样地,广播管理者(Advertise Manager)负责发送节点的广播的信息到目的节点。

    当每个Mesh的节点不在广播数据的状态,就是在接受数据的状态,即在一个广播事件中BLE设备充当Advertiser 角色,也充当着Scanner角色。当Mesh节点需要广播的时候,退出接收数据的状态,正常收发的广播的优先级要比转发数据的优先级高。         

2 影响BLE Mesh技术的关键因素

2.1 路由选择算法

2.1.1 CSR Mesh的洪泛式路由算法

    基于蓝牙4.0的CSR Mesh组网技术采用的是最简单最可靠的洪泛式路由算法[6]。洪泛式路由算法又称为扩散法,其基本思想是每个节点都是用广播转发收到的数据分组,其节点和节点之间的距离为50 m,通过节点的不断一级一级广播,最终到达目的节点[7]。这种广播式的洪泛路由算法对于动态的节点,进出网络频繁的场景下非常有效,但是,洪泛式的广播会导致网络中充斥着大量重复的数据,占用网络资源,使得节点严重地消耗能量,整个网络的生命周期也会受影响。

    针对传统的广播式洪泛算法缺陷,需要作出改进来避免无用的重复转发,提高带宽的利用率。例如: 将路由区域限定在指定区域内,在指定区域内再选择下一节点的路由区域。这种方法可以有效降低网络中节点的无用消耗,同时也可能出现在指定区域内找不到的节点的问题,所以需要更进一步去探讨如何有效地限定区域。

2.1.2 机会路由算法

    机会路由算法的基本思想是每次数据包转发给一组节点,从这一组节点中选出最优节点,再从这一最优节点转发到下一组节点中,如此重复到目的节点接收到数据包,可以大大提高数据分组传输成功率[8]。机会路由算法的优劣取决于多个方面的因素,一是后备转发节点集,若后备转发节点过多,会导致数据重复发送的问题,若后备转发节点过少,则不利于提高数据分组的转发率[9]。二是节点组中最优节点的选择,确定最优节点的关键是能够反映节点发送能力的度量参数。度量参数主要包括空时变量、期望传输时间、期望传输次数、跳数、地理距离等。三是后备转发节点间的协调,正确接收到数据包的后备转发节点根据其优先级回复ACK应答帧,最先发送ACK的节点成为实际转发节点[10]

    路由算法设计的优劣直接决定了数据转发的效率,不管是传统的洪泛式路由算法,还是机会路由算法,在节点运动剧烈的情况下,往往得不到较优的网络性能。

2.2 广播信道的局限

    蓝牙工作在免许可的2.4 GHz的ISM射频频段。其物理信道分为两组:一组是广播(Advertiser)信道,一组是数据(Data)信道。在连接建立之前,设备之间是通过广播(Advertiser)信道交互数据的,当广播者发送一个广播包之后,它在同一信道上监听连接请求包或者扫描请求包,当正确接收到连接请求包之后,连接开始建立。在连接成功建立之后,数据之间的交互使用的是数据(Data)信道。

    传统蓝牙中,使用32个广播信道和79个数据信道,每1 MHz一个频道;而在BLE中,只用了3个广播信道和37个数据信道,每2 MHz一个频道。广播信道的急剧减少是为了实现更低功耗,这意味着BLE扫描其他设备开启的时间远远低于传统蓝牙的开启时间。BLE技术设计的3个广播信道是为了在鲁棒性和低功耗之间取得平衡。在BLE中,如果只设1个广播信道,假设该信道被其他设备阻塞,则设备无法配对或者广播数据,整个系统将无法工作。如果信道设定的过多,该设备将需要花费大量的时间进行广播数据的传输,将与低功耗的初衷背道而驰。

    BLE的3个广播信道用于Mesh网络中,则需重新考虑鲁棒性的问题。随着Mesh网络的节点不断增加,所有节点都只能共用3个广播信道,此时,出现信号冲突的概率就大大增加。

2.3 睡眠模式的关闭

    BLE有三种工作模式:一是关闭模式,此时没有任何时钟在运行,芯片完全断电,没有任何设备能够进行连接。二是睡眠模式,此时仅有low_power_clk在运行,这种情况下只有达到预定的睡眠时间或者有wake_up唤醒请求,睡眠模式才能转换为正常工作的模式。三是正常工作模式,在这种模式下,可以进行广播、扫描、连接以及实时数据包的处理。主时钟hclk打开,若数据需要进行加密,加密时钟crypt_clk也会打开。

    BLE设计采用睡眠模式来替代传统蓝牙的空闲状态,在睡眠模式下,主机长时间处于超低的负载循环状态,只需要在运行的时候由控制器来启动,因为主机比控制器消耗更多的能量。而且在睡眠模式下的数据发送间隔加大,由此,BLE的待机功耗大大减小。但是在BLE的Mesh网络中,一次事件中不仅是单一的广播或者单一的连接,若进入到睡眠模式之后,睡眠时间过短导致射频来不及关闭又必须打开,睡眠时间无效。如图4所示。

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    如图4(a)中,一次广播事件包括了在(37,38,39)3个广播信道上广播,T1为广播间隔范围为20 ms到10.24 s。广播完成后,BLE进入睡眠模式,直到下一次广播事件的来临。图4(b)中,一次事件中包括了正常的广播事件加上扫描事件。T1为广播间隔时间,广播事件的优先级最高,这个事件不能被打断。T2为扫描事件间隔,当扫描事件EVENTINT中断产生后,如果10 ms内没有新的事件需要处理,会重新开始扫描事件。T3为不可连接的广播事件间隔,当不可连接广播事件EVENTINT中断产生后,如果在一次这个广播事件间隔内没有可连接广播,并且UNCON_ADV_CNT(协议栈记录不可连接广播发送的次数)<5时重新开始这个事件。每产生一次EVENTINT中断,协议栈中的UNCON_ADV_CNT+1。

3 结论

    目前,BLE Mesh技术的宣传很火热,BLE Mesh技术的出现对于WiFi和ZigBee等无线传输技术来说,将成为一大挑战。但是能够真正融入人们的日常生活还有很长的一段路要走。值得庆幸的是,在2015年2月,蓝牙技术联盟宣布成立蓝牙智能Mesh工作小组,旨在为BLE建立Mesh网络标准。虽然BLE Mesh目前还存在着许多问题,但是随着BLE Mesh技术的不断进步,相信在不久的将来,BLE Mesh能够纳入蓝牙技术联盟的标准之中,并且能够普及在智能家居和物联网的应用。

参考文献

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[10] SIRUR S,JUTURU P,GUPTA H P,et al.A mesh network for mobile devices using Bluetooth low energy[C]//IEEE Sensors,IEEE,2015:1-4.

[11] SIEKKINEN M,HIIENKARI M,NURMINEN J K,et al.How low energy is bluetooth low energy? Comparative measurements with ZigBee/802.15.4[C]//Wireless Communications and NETWORKING Conference Workshops.IEEE,2012:232-237.

[12] Bluetooth Special Interest Group,Bluetooth Technology adding Mesh Networking to Spur New Wave of Innovation[EB/OL].2015,https://www.bluetooth.com/news/pressre-leases/2015/02/24/bluetoothtechnology-adding-mesh-networking-to-spur-new-wave-of-innovation.



作者信息:

徐春燕1,肖扬文2,蔡  敏1

(1.华南理工大学 电子与信息学院,广东 广州510640;2.国家质量监督检验检疫总局信息中心,北京100088)