藍(lán)牙Mesh規(guī)范為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶來了權(quán)衡

藍(lán)牙 Mesh 規(guī)范 1.0 版在某種程度上是一個(gè)可選的“配置文件”，它基于 LE 1M PHY（物理層）和藍(lán)牙 4.0 的三個(gè)廣告通道（圖 1）。但是，在所有后續(xù)藍(lán)牙規(guī)范中都必須支持 1M PHY，從而使藍(lán)牙 Mesh 與所有藍(lán)牙 4.0 或更高版本兼容的設(shè)備兼容。這可以創(chuàng)建由藍(lán)牙 4.0、藍(lán)牙 4.2 甚至藍(lán)牙 5.0 節(jié)點(diǎn)組成的可互操作網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

【圖1 | 藍(lán)牙 Mesh 技術(shù)利用三個(gè)廣播通道來最大程度地減少 2.4 GHz 頻譜干擾。］

盡管藍(lán)牙 Mesh 工作組繼續(xù)研究該技術(shù)如何利用更高級(jí)的功能，例如藍(lán)牙 5 的功能，但藍(lán)牙 Mesh 規(guī)范最重要的啟示是 Mesh 網(wǎng)絡(luò)本身的架構(gòu)。藍(lán)牙 Mesh 采用“托管泛洪”拓?fù)?，其中?shù)據(jù)包被廣播到網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)。這與 zigbee 等技術(shù)使用的路由拓?fù)湫纬蓪?duì)比。

泛洪與路由網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

就像聽起來一樣，泛洪網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)包被不加選擇地廣播到網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。雖然這種方法本身并沒有提供優(yōu)化的消息管理、延遲或電源效率，但它確實(shí)使軟件開發(fā)和 ad hoc 網(wǎng)絡(luò)部署和恢復(fù)比其他方法簡(jiǎn)單得多。

該替代方案是路由網(wǎng)絡(luò)，它依賴于安裝在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的路由表，其中包含有關(guān)通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將消息傳遞到特定節(jié)點(diǎn)的最佳中繼路徑的信息。盡管這可以更精確地控制數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和功耗，但它也需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的額外 RAM。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化（例如節(jié)點(diǎn)故障）時(shí)，還必須更新路由表，以確保數(shù)據(jù)包通過備用中繼路徑到達(dá)目的地，這會(huì)增加大量開銷。

雖然這兩種架構(gòu)都提供雙向通信并依賴集線器或網(wǎng)關(guān)進(jìn)行 TCP/IP 轉(zhuǎn)換和 Internet 連接，但藍(lán)牙 Mesh 的泛洪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更易于使用而不是優(yōu)化。IHS Technology 連接和物聯(lián)網(wǎng)首席分析師 Lee Ratliff 表示：“Mesh 規(guī)范的第一個(gè)版本專注于支持照明市場(chǎng)，照明節(jié)點(diǎn)通常由主電源供電?！?“他們可能已經(jīng)用一些效率換取了更快的上市時(shí)間。路由網(wǎng)狀架構(gòu)非常復(fù)雜，可能會(huì)花費(fèi)更多時(shí)間。”

盡管 Silicon Labs 的高級(jí)營銷經(jīng)理 Mikko Savolainen 指出“路由方法并沒有被放棄”，但藍(lán)牙 Mesh 中控制的減少將如何影響更大規(guī)模部署的性能還有待觀察。

范圍、功率效率以及在“朋友”的幫助下度過難關(guān)

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的基本概念是消息在網(wǎng)絡(luò)中從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，理論上通過一系列切換來擴(kuò)展單個(gè)設(shè)備的傳輸范圍。由于藍(lán)牙 Mesh 更像是藍(lán)牙 4.0 及更高版本設(shè)備的可選配置文件，“節(jié)點(diǎn)的基本 ［傳輸］ 特性由它們?cè)O(shè)計(jì)的基本規(guī)范決定，而不是網(wǎng)格規(guī)范。只要不早于藍(lán)牙 4.0 版，Mesh 就可以使用節(jié)點(diǎn)具有的任何功能，”Ratliff 說。

許多因素會(huì)影響網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（或任何網(wǎng)絡(luò)）上節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，包括相關(guān)設(shè)備的傳輸 （TX） 功率、接收 （RX） 靈敏度和天線效率，以及部署環(huán)境中產(chǎn)生的路徑損耗。因此，計(jì)算藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的范圍并不簡(jiǎn)單，但圖 2 提供了基于 Silicon Labs EFR32BG12 Blue Gecko 無線電的視線基準(zhǔn)。

【圖2 | 影響藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)范圍的因素有很多，包括 TX 功率、RX 靈敏度、天線效率和鏈路預(yù)算。此處顯示了兩個(gè) Silicon Labs EFR32BG12 Blue Gecko 無線電之間的估計(jì)范圍，假設(shè)設(shè)計(jì)的天線損耗為 -5 dB，距離地面 1.5 米。］

由于在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)部署中視線往往是一個(gè)理論變量，圖 3 顯示了在 Silicon Labs 芬蘭辦事處中，基于 EFR32BG12 的藍(lán)牙 Mesh 節(jié)點(diǎn)以 +10 dBm TX 傳輸?shù)搅硪粋€(gè)具有 -95 dBm RX 靈敏度的實(shí)際范圍。黃線表示使用藍(lán)牙 Mesh 當(dāng)前使用的 1M PHY 的室內(nèi)范圍。

【圖3 | 此處的黃線表示使用 1M PHY 的 EFR32BG12 到 EFR32BG12 藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)范圍。其他顏色表示設(shè)備使用 2M 和 125K（藍(lán)牙 5）PHY 的范圍，目前藍(lán)牙 Mesh 規(guī)范不支持。］

當(dāng)然，范圍也與功耗和效率直接相關(guān)，如前所述，這是藍(lán)牙 Mesh 泛洪架構(gòu)的挑戰(zhàn)之一。事實(shí)上，Ratliff 指出“大多數(shù)泛洪網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的最大問題是，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要中繼每個(gè)數(shù)據(jù)包，則很難實(shí)現(xiàn)低功耗性能，［不允許］它們休眠?！?/p>

Savolainen 預(yù)測(cè)藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的典型 TX/RX 功耗將在 5 mA 到 10 mA 左右，盡管事實(shí)上大多數(shù)節(jié)點(diǎn)可能將 95% 的時(shí)間花在 RX 模式下，而只有 5% 的時(shí)間花在 TX 上模式（取決于網(wǎng)絡(luò)流量）。鑒于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)應(yīng)用，這并不完全是“低功耗”。

為了抵消泛洪拓?fù)湟鸬囊恍┕β实托В{(lán)牙 Mesh 規(guī)范允許通過使用為休眠節(jié)點(diǎn)收集消息的“朋友”節(jié)點(diǎn)來管理數(shù)據(jù)包傳輸。

雖然藍(lán)牙網(wǎng)格規(guī)范沒有定義這些節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，但友節(jié)點(diǎn)包含額外的 RAM，允許它們緩沖接收到的消息并稍后將它們中繼到它們的睡眠對(duì)應(yīng)方。這允許一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更長(zhǎng)時(shí)間地保持在低功率狀態(tài)。舉個(gè)例子，Savolainen 引用了一個(gè)假設(shè)場(chǎng)景，其中配備 16 kB RAM 的朋友節(jié)點(diǎn)可以為 24 個(gè)低功耗睡眠節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)多達(dá) 20 個(gè) 33 字節(jié)的消息。一旦緩沖區(qū)已滿，最舊的消息就會(huì)被簡(jiǎn)單地丟棄。

盡管如此，Bluetooth Mesh 工作組似乎認(rèn)為大多數(shù)照明應(yīng)用中的節(jié)點(diǎn)將由電源供電，從而使友節(jié)點(diǎn)的使用更適用于新興用例或針對(duì)由紐扣電池供電的系統(tǒng)的規(guī)范的更高版本或能量收集。

藍(lán)牙 Mesh：不折不扣地邁出下一步

如前所述，藍(lán)牙 Mesh 規(guī)范的第一次迭代有很多相關(guān)的內(nèi)容。目前的形式最適合大型照明設(shè)施，例如不需要低延遲、統(tǒng)一響應(yīng)的商場(chǎng)、倉庫和辦公樓，但總體而言，這是朝著正確方向邁出的一步。它將為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)空間帶來更多可見性，并可能推動(dòng)希望保持市場(chǎng)份額的競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新。

對(duì)開發(fā)人員來說幸運(yùn)的是，可以在單個(gè)封裝中使用支持藍(lán)牙、zigbee、Thread 和專有通信或藍(lán)牙低功耗 （BLE）、藍(lán)牙 5 和藍(lán)牙 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的多協(xié)議芯片。隨著藍(lán)牙 SIG 不斷修訂和增強(qiáng)其 Mesh 規(guī)范，這些解決方案使 IoT Mesh 網(wǎng)絡(luò)能夠在不折不扣的情況下為未來定位。

審核編輯：郭婷