藍牙Mesh規(guī)范為物聯網網絡帶來了權衡

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

【圖1 | 藍牙 Mesh 技術利用三個廣播通道來最大程度地減少 2.4 GHz 頻譜干擾。］

盡管藍牙 Mesh 工作組繼續(xù)研究該技術如何利用更高級的功能，例如藍牙 5 的功能，但藍牙 Mesh 規(guī)范最重要的啟示是 Mesh 網絡本身的架構。藍牙 Mesh 采用“托管泛洪”拓撲，其中數據包被廣播到網絡上的所有節(jié)點。這與 zigbee 等技術使用的路由拓撲形成對比。

泛洪與路由網狀網絡：優(yōu)點和缺點

就像聽起來一樣，泛洪網格中的數據包被不加選擇地廣播到網絡上的每個節(jié)點。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，但它確實使軟件開發(fā)和 ad hoc 網絡部署和恢復比其他方法簡單得多。

該替代方案是路由網絡，它依賴于安裝在每個節(jié)點上的路由表，其中包含有關通過網狀網絡將消息傳遞到特定節(jié)點的最佳中繼路徑的信息。盡管這可以更精確地控制數據傳輸、網絡帶寬利用率和功耗，但它也需要每個節(jié)點上的額外 RAM。當網絡發(fā)生變化（例如節(jié)點故障）時，還必須更新路由表，以確保數據包通過備用中繼路徑到達目的地，這會增加大量開銷。

雖然這兩種架構都提供雙向通信并依賴集線器或網關進行 TCP/IP 轉換和 Internet 連接，但藍牙 Mesh 的泛洪拓撲結構更易于使用而不是優(yōu)化。IHS Technology 連接和物聯網首席分析師 Lee Ratliff 表示：“Mesh 規(guī)范的第一個版本專注于支持照明市場，照明節(jié)點通常由主電源供電。” “他們可能已經用一些效率換取了更快的上市時間。路由網狀架構非常復雜，可能會花費更多時間。”

盡管 Silicon Labs 的高級營銷經理 Mikko Savolainen 指出“路由方法并沒有被放棄”，但藍牙 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

網狀網絡的基本概念是消息在網絡中從一個節(jié)點到另一個節(jié)點進行中繼，理論上通過一系列切換來擴展單個設備的傳輸范圍。由于藍牙 Mesh 更像是藍牙 4.0 及更高版本設備的可選配置文件，“節(jié)點的基本 ［傳輸］ 特性由它們設計的基本規(guī)范決定，而不是網格規(guī)范。只要不早于藍牙 4.0 版，Mesh 就可以使用節(jié)點具有的任何功能，”Ratliff 說。

許多因素會影響網狀網絡（或任何網絡）上節(jié)點的傳輸范圍，包括相關設備的傳輸 （TX） 功率、接收 （RX） 靈敏度和天線效率，以及部署環(huán)境中產生的路徑損耗。因此，計算藍牙 Mesh 網絡節(jié)點的范圍并不簡單，但圖 2 提供了基于 Silicon Labs EFR32BG12 Blue Gecko 無線電的視線基準。

【圖2 | 影響藍牙 Mesh 網絡節(jié)點范圍的因素有很多，包括 TX 功率、RX 靈敏度、天線效率和鏈路預算。此處顯示了兩個 Silicon Labs EFR32BG12 Blue Gecko 無線電之間的估計范圍，假設設計的天線損耗為 -5 dB，距離地面 1.5 米。］

由于在網狀網絡部署中視線往往是一個理論變量，圖 3 顯示了在 Silicon Labs 芬蘭辦事處中，基于 EFR32BG12 的藍牙 Mesh 節(jié)點以 +10 dBm TX 傳輸到另一個具有 -95 dBm RX 靈敏度的實際范圍。黃線表示使用藍牙 Mesh 當前使用的 1M PHY 的室內范圍。

【圖3 | 此處的黃線表示使用 1M PHY 的 EFR32BG12 到 EFR32BG12 藍牙 Mesh 網絡的室內范圍。其他顏色表示設備使用 2M 和 125K（藍牙 5）PHY 的范圍，目前藍牙 Mesh 規(guī)范不支持。］

當然，范圍也與功耗和效率直接相關，如前所述，這是藍牙 Mesh 泛洪架構的挑戰(zhàn)之一。事實上，Ratliff 指出“大多數泛洪網狀網絡的最大問題是，如果每個節(jié)點都需要中繼每個數據包，則很難實現低功耗性能，［不允許］它們休眠?！?/p>

Savolainen 預測藍牙 Mesh 網絡節(jié)點的典型 TX/RX 功耗將在 5 mA 到 10 mA 左右，盡管事實上大多數節(jié)點可能將 95% 的時間花在 RX 模式下，而只有 5% 的時間花在 TX 上模式（取決于網絡流量）。鑒于網狀網絡的目標應用，這并不完全是“低功耗”。

為了抵消泛洪拓撲引起的一些功率低效，藍牙 Mesh 規(guī)范允許通過使用為休眠節(jié)點收集消息的“朋友”節(jié)點來管理數據包傳輸。

雖然藍牙網格規(guī)范沒有定義這些節(jié)點的實現，但友節(jié)點包含額外的 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應方。這允許一個或多個網絡節(jié)點更長時間地保持在低功率狀態(tài)。舉個例子，Savolainen 引用了一個假設場景，其中配備 16 kB RAM 的朋友節(jié)點可以為 24 個低功耗睡眠節(jié)點存儲多達 20 個 33 字節(jié)的消息。一旦緩沖區(qū)已滿，最舊的消息就會被簡單地丟棄。

盡管如此，Bluetooth Mesh 工作組似乎認為大多數照明應用中的節(jié)點將由電源供電，從而使友節(jié)點的使用更適用于新興用例或針對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。

藍牙 Mesh：不折不扣地邁出下一步

如前所述，藍牙 Mesh 規(guī)范的第一次迭代有很多相關的內容。目前的形式最適合大型照明設施，例如不需要低延遲、統(tǒng)一響應的商場、倉庫和辦公樓，但總體而言，這是朝著正確方向邁出的一步。它將為網狀網絡空間帶來更多可見性，并可能推動希望保持市場份額的競爭標準的創(chuàng)新。

對開發(fā)人員來說幸運的是，可以在單個封裝中使用支持藍牙、zigbee、Thread 和專有通信或藍牙低功耗 （BLE）、藍牙 5 和藍牙 Mesh 網絡的多協(xié)議芯片。隨著藍牙 SIG 不斷修訂和增強其 Mesh 規(guī)范，這些解決方案使 IoT Mesh 網絡能夠在不折不扣的情況下為未來定位。

審核編輯：郭婷