如何使用藍牙mesh擴展無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )

作者 / Martin Woolley 藍牙技術(shù)聯(lián)盟EMEA開(kāi)發(fā)關(guān)系經(jīng)理

摘要：藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )技術(shù)標準規范于2017夏季發(fā)布，這種全新的藍牙技術(shù)就是為智能樓宇、商業(yè)照明和智能工業(yè)等用例而設計的。

引言

　　藍牙mesh使藍牙的功能在藍牙無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、藍牙BR / EDR和低功耗(LE)藍牙的基礎上得以擴展和延伸。

　　藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )并不是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，它是一種可用于構建包含大量藍牙設備或節點(diǎn)的多對多網(wǎng)絡(luò )的連接技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò )中，由一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的消息能夠在節點(diǎn)之間傳送，直到其達目的地。這就讓通信從本質(zhì)上超出了點(diǎn)對點(diǎn)直接廣播的傳輸范圍。消息副本可在網(wǎng)絡(luò )中通過(guò)多條路徑傳輸，不需要設置特殊規則，為網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了高可靠性。多跳(Multi-hop)和多路徑傳輸是藍牙mesh技術(shù)中的固有功能。

　　隨著(zhù)工程師開(kāi)始了解藍牙mesh技術(shù)，并逐漸熟悉相關(guān)術(shù)語(yǔ)和功能，我有時(shí)會(huì )被問(wèn)到一個(gè)問(wèn)題:“藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )究竟能擴展到多少個(gè)節點(diǎn)?”簡(jiǎn)短的回答就是：“視實(shí)際應用情況而定?！?/p>

　　在本文中，我想更仔細地探討這個(gè)問(wèn)題，并為那些希望了解藍牙mesh是否符合他們開(kāi)發(fā)要求的人提供更有幫助的答案，那么我們首先要理解為什么這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)短答案永遠是“視實(shí)際應用情況而定”。

1 容量

　　對于使用任何無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的系統，它的可擴展性的主要限制因素就是無(wú)線(xiàn)電傳輸容量有限而且需要資源共享。任何位于彼此無(wú)線(xiàn)電通信范圍內，并使用相同頻率來(lái)傳輸數據的設備組都在共享該無(wú)線(xiàn)電資源，并存在相互競爭。那些超出傳輸范圍或使用不同頻率的設備則不存在這一問(wèn)題。因此，相較于節點(diǎn)總數，網(wǎng)絡(luò )的密度和冗長(cháng)程度更值得關(guān)注。

　　下面的圖1顯示了一個(gè)由大量路燈組成的mesh網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)路燈都是mesh中的一個(gè)節點(diǎn)。由于這些節點(diǎn)的分布呈線(xiàn)性且間隔適當，單個(gè)節點(diǎn)一般最多也只會(huì )處在幾個(gè)其他節點(diǎn)的傳輸范圍內，因此對共享無(wú)線(xiàn)電頻譜幾乎不存在競爭。

　　另一方面，圖2顯示了樓宇底層。因為密集的部署模式，大多數mesh節點(diǎn)都位于彼此的直接無(wú)線(xiàn)電范圍內，因此這些節點(diǎn)都在彼此競爭，使用相同的無(wú)線(xiàn)電資源。只是它們到底表現如何就成為了一個(gè)有趣的問(wèn)題，并且比之前那個(gè)“藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )能擴展到多少個(gè)節點(diǎn)”的問(wèn)題更有意義，也更有望得到解答。

　　我們現在意識到網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)密度是一個(gè)重要的因素，但它仍然無(wú)法很好地解釋實(shí)際容量或可擴展性問(wèn)題。關(guān)于這些節點(diǎn)如何有效利用共享無(wú)線(xiàn)電頻譜，將成為下一個(gè)需要思考的問(wèn)題，這也是理解可擴展性這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　事實(shí)上，我想尋找一個(gè)理想化的理論方式來(lái)解釋容量，但在此之前，我們有必要更好地對“容量”進(jìn)行定義。在mesh網(wǎng)絡(luò )中，我們最終關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò )能夠為多少工作提供支持。換句話(huà)說(shuō)，在給定的時(shí)間范圍內能成功執行多少次mesh網(wǎng)絡(luò )操作?網(wǎng)絡(luò )操作的示例可能包括增加由調光器開(kāi)關(guān)發(fā)送的一大組照明燈亮度的消息，以及向其他建筑系統告知房間中人數的傳感器讀數。我們還能想到其他更多從學(xué)術(shù)角度進(jìn)行測量的方式，但最終談到容量和可擴展性時(shí)，我們真正感興趣的是網(wǎng)絡(luò )讓我們能夠完成多少樓宇中涉及設備和系統的有用的工作。

　　我將用一種類(lèi)比的方式來(lái)闡述容量這一概念。見(jiàn)圖3。

　　圖3中的每量卡車(chē)代表一個(gè)工作單元，其通常通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中單包的傳輸來(lái)完成?？ㄜ?chē)一輛接一輛沿著(zhù)單車(chē)道行駛，一個(gè)車(chē)道代表一個(gè)射頻。一輛接一輛的卡車(chē)表明我們使用了該單頻網(wǎng)絡(luò )提供的所有理論容量?？ㄜ?chē)行駛速度相當慢，每分鐘從橋下穿過(guò)的數量也不多，稱(chēng)之為X。因此可以說(shuō)，圖3所示的這一無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在最大理論容量下，每分鐘能夠處理X次操作。

　　藍牙mesh有賴(lài)于低功耗藍牙4.0及以上版本進(jìn)行基礎無(wú)線(xiàn)電通信。低功耗藍牙 4.x的符號速率為每秒1兆符號(Ms/s)，比基于其他mesh技術(shù)的速度快四倍;例如IEEE 802.15.4，其運行速度為每秒250千符號(ks/s)。請注意，符號(symbol )相當于無(wú)線(xiàn)電模擬世界中的比特位(bit)，而非藍牙堆棧中較高層的數字世界。

　　考慮到這一點(diǎn)，想象一下我們的卡車(chē)還能比圖3快四倍。

　　顯然，由于低功耗藍牙的符號速率更快，我們如今能夠完成四倍的工作量。

　　我們的大卡車(chē)代表大型網(wǎng)絡(luò )協(xié)議數據單元(PDU)，它們占用了大量的無(wú)線(xiàn)電廣播時(shí)間。藍牙mesh最多使用29個(gè)八位字節大小的PDU，小到令人難以置信，其中常見(jiàn)消息類(lèi)型，比如用于開(kāi)關(guān)設備的消息類(lèi)型，其長(cháng)度僅為22個(gè)八位字節。低功耗藍牙封包中有一些附加數據，他們位于PDU兩頭，但大約只占18個(gè)八位字節。因此，無(wú)論您怎么看，mesh封包都是小而高效的。當然，其他無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )PDU也具有類(lèi)似的附加無(wú)線(xiàn)電數據。

　　29個(gè)八位字節相較于其他一些mesh技術(shù)的PDU要小得多，可能只有它們所用PDU大小的三分之一。

　　有了針對mesh網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化的小型封包，我們就能基于給定的無(wú)線(xiàn)電頻譜完成更多有用的工作，因為每個(gè)小型封包消耗的廣播時(shí)間比大封包要少得多。

　　還是以交通作類(lèi)比，讓我們再來(lái)看一下許多無(wú)線(xiàn)技術(shù)在單一頻率(即RF信道)上運行。在配置系統時(shí)，您可以從一系列支持信道中進(jìn)行選擇，然而一旦選擇完成，所有通信都將在該單一信道中進(jìn)行。上面的圖3、4和5中的單一車(chē)道就體現了這一點(diǎn)。但藍牙mesh能夠使用三種不同的頻率，因此可用的原始無(wú)線(xiàn)電資源也有三倍之多，如圖6所示。

　　有效且高效地使用共享無(wú)線(xiàn)電頻譜對于容量和可擴展性至關(guān)重要，兩者的重點(diǎn)都在于要完成工作。藍牙mesh因其優(yōu)化的封包設計和低功耗藍牙無(wú)線(xiàn)電的使用而高效且具有可擴展性。

2 沖突

　　通過(guò)上一節的敘述，您應該對影響共享無(wú)線(xiàn)電媒介容量的基本因素有了大致了解。其描述相當簡(jiǎn)化，主要是為了轉到現在的這一主題上來(lái)。實(shí)際上，任何無(wú)線(xiàn)電資源的理論容量都無(wú)法全部得以有意義地使用，因為隨著(zhù)共享該媒介的設備數量增加，封包沖突的可能性也會(huì )增加。

　　進(jìn)一步了解沖突有助于更好地洞察可擴展性問(wèn)題，同時(shí)也有助于為我們的網(wǎng)絡(luò )設計決策提供充分的信息。

　　如果處于彼此無(wú)線(xiàn)電范圍內的兩臺設備在相同頻率上同時(shí)傳輸數據，就會(huì )產(chǎn)生我們所謂的沖突，沖突數據包基本上都會(huì )丟失。無(wú)線(xiàn)技術(shù)通常會(huì )盡力避免沖突或通過(guò)某種機制來(lái)容納沖突，這種機制是用來(lái)確保沖突所涉及設備會(huì )在隨機等待一段時(shí)間后重新進(jìn)行傳輸。藍牙采用的是后一種方式。

　　沖突會(huì )降低性能并使可擴展性受限。

　　兩臺設備并不是完全同步傳輸信息才會(huì )發(fā)生沖突。傳輸的封包只要在時(shí)間上有重疊并使用相同的RF信道就會(huì )發(fā)生沖突，如圖8所示。

　　圖8中的Alpha是封包占用無(wú)線(xiàn)電信道的時(shí)間段。在此期間，任一由另一臺設備發(fā)送的其他封包都將導致沖突，如圖8中的示例所示。

　　在所有無(wú)線(xiàn)通信中，無(wú)論使用何種技術(shù)，當網(wǎng)絡(luò )承載的流量高到一定程度時(shí)，產(chǎn)生的沖突就會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )到達有效容量極限，這一極限稍低于圖3-6中描述的理論絕對極限。

　　封包所需的無(wú)線(xiàn)電廣播時(shí)間越少，發(fā)生沖突的概率就越低。藍牙mesh較小的封包和低功耗藍牙無(wú)線(xiàn)電的高符號速率減少了封包所需的廣播時(shí)間，這意味著(zhù)藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )在這方面表現良好。在網(wǎng)絡(luò )由于沖突到達有效極限之前，更多的封包能夠得到處理，因此網(wǎng)絡(luò )可以擴展，從而處理更大量的操作。

3 網(wǎng)絡(luò )可擴展性問(wèn)題回顧

　　比起網(wǎng)絡(luò )能夠支持多少個(gè)節點(diǎn)，我們更應該了解的是：對于性能和可擴展性更好的衡量標準是——網(wǎng)絡(luò )每秒能夠處理的mesh消息數量。因為mesh消息是藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )中開(kāi)展工作的基礎。同時(shí)，我們還應該將“可靠性”這一概念納入我們的定義中，因為隨著(zhù)流量的增加，發(fā)生沖突和消息丟失的可能性也會(huì )增加。最后，由于只有位于彼此傳輸范圍內的設備才會(huì )共享無(wú)線(xiàn)電介質(zhì)，所以為評估可擴展性問(wèn)題，我們只需要考慮設備是在足夠接近，并能夠進(jìn)行直接通信的區域。

　　下面，請思考以下對于藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )可擴展性的定義：

　　可擴展性：可在直接無(wú)線(xiàn)電范圍內的節點(diǎn)之間進(jìn)行通信，且消息丟失率不超過(guò)x.x%的每秒內mesh消息總數的最大值。

4 現實(shí)世界中的體驗

　　理論的理解很重要，但是實(shí)際用例更加有價(jià)值。

　　Silvair

　　去年，就在藍牙mesh 1.0規格發(fā)布之前，我訪(fǎng)問(wèn)過(guò)位于波蘭克拉科夫的Silvair辦公室。Silvair 是一家開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)照明控制解決方案的公司，該公司首席技術(shù)官Szymon Slupik先生是藍牙mesh工作組的主席。他們的辦公室中包含一個(gè)由分布于樓宇底層多個(gè)房間中的數百盞照明燈、各種傳感器和開(kāi)關(guān)組成的全方位藍牙mesh測試環(huán)境。

　　站在前臺，我能夠透過(guò)每個(gè)辦公室門(mén)上的玻璃面板看到各個(gè)房間內的許多照明燈。使用標準的安卓智能手機，我就能連接到mesh代理節點(diǎn)，同時(shí)對約274盞照明燈統一進(jìn)行明暗調節。這是我第一次使用藍牙mesh的實(shí)踐經(jīng)驗。

　　之前我曾見(jiàn)過(guò)其他的專(zhuān)有mesh解決方案，但它們都存在照明燈響應延遲的問(wèn)題，尤其是那些位于開(kāi)關(guān)直接無(wú)線(xiàn)電傳輸范圍之外的照明燈。當我對Silvair測試環(huán)境的照明燈進(jìn)行控制時(shí)，沒(méi)有出現明顯的延遲問(wèn)題，可以說(shuō)根本沒(méi)有能夠察覺(jué)得到的延遲。當我在智能手機屏幕上滑動(dòng)手指時(shí)，所有照明燈能夠立即響應。亮度的調節也是如此順暢，且所有照明燈都能同步進(jìn)行。一切都很完美。我可是個(gè)注重證據又非常較真的人，但現在不得不說(shuō)這確實(shí)給我留下了深刻的印象!

　　我采訪(fǎng)了Silvair的首席技術(shù)官Szymon，他告訴我他們整個(gè)樓宇現在都配備了藍牙mesh照明系統。請注意，這不是測試系統，這是該樓宇中已經(jīng)投入生產(chǎn)的照明系統，且為所有用戶(hù)所用。

　　房間內還安裝了藍牙mesh傳感器。在帶窗戶(hù)的房間內，環(huán)境光傳感器與房間內的mesh照明進(jìn)行通信，以便進(jìn)行日光采集。無(wú)論外面有多亮或多暗，都能確保房間整日保持一致的光線(xiàn)。其他沒(méi)有自然光線(xiàn)的房間則安裝有占用傳感器，只有在房間被占用時(shí)才開(kāi)燈。這有助于降低成本并優(yōu)化員工的工作環(huán)境。

　　在我看來(lái)，Silvair的大樓就是一個(gè)很好的實(shí)例，體現出了藍牙通信有潛力在極具挑戰性的環(huán)境中順利運行。對此我也咨詢(xún)了Szymon，他的回答如下：

　　Silvair公司的Szymon Slupik說(shuō)：“我們的樓宇可能是地球上受輻射最嚴重、噪音最大的藍牙應用環(huán)境。樓宇中分布有超過(guò)1000臺藍牙設備，它們構成了多個(gè)壓力測試系統。它們每秒會(huì )產(chǎn)生共數百條消息。最讓人放心的是，在這種環(huán)境下藍牙也能順利工作。投入生產(chǎn)的照明系統、我們?yōu)榈皆L(fǎng)客戶(hù)提供的演示、以及普通的藍牙設備都能順利運行......大多數員工都使用藍牙鍵盤(pán)和鼠標，并會(huì )通過(guò)藍牙耳機進(jìn)行電話(huà)交談。順便提一下，WiFi也能順利運行。該樓宇有12個(gè)高容量接入點(diǎn)，可以為超過(guò)150臺設備提供服務(wù)。我們自己已經(jīng)證明了這項技術(shù)已經(jīng)迎來(lái)了它的黃金時(shí)期，并為大規模采用做好了準備。我們對它的前景非常有信心?！?/p>

5 結論

　　希望我對藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )可擴展性這一主題的介紹能夠對您有用。我已經(jīng)從每秒消息傳輸和執行的mesh操作層面(而非網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)數量的層面)對概括性的問(wèn)題進(jìn)行了重新定義。我們已經(jīng)對影響容量和可擴展性的關(guān)鍵的和一般性適用因素進(jìn)行了研究，并探討了藍牙mesh如何運用低功耗藍牙來(lái)提供顯著(zhù)的可擴展性?xún)?yōu)勢。

　　顯而易見(jiàn)的是，藍牙mesh讓我們能夠創(chuàng )建具有高度可擴展性的mesh網(wǎng)絡(luò )，它能夠通過(guò)頻譜效率、卓越的無(wú)線(xiàn)電性能和優(yōu)化的mesh網(wǎng)絡(luò )封包設計來(lái)實(shí)現對大量消息的處理。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第22頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。