深入理解網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò) 藍(lán)牙5特性介紹

去年12月藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group）發(fā)布了2822頁的藍(lán)牙5技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，很明顯藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的目的是讓藍(lán)牙5更加符合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求。然而盡管網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)對于工業(yè)系統(tǒng)到預(yù)警系統(tǒng)以及家居自動化等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不可缺少的重要部分，但是當(dāng)時網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)支持并沒有在規(guī)范中出現(xiàn)。想弄明白為什么網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)如此的重要，我們不妨先了解藍(lán)牙5所提供的其他一些改進(jìn)——更寬的范圍、更快的數(shù)據(jù)傳輸、與現(xiàn)有技術(shù)保持共存。

深入理解網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

藍(lán)牙采用的是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖1a），所有設(shè)備都連接到中心節(jié)點(diǎn)。因為每個設(shè)備不能充當(dāng)為一個節(jié)點(diǎn)，那么擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的唯一方式就是將更多的設(shè)備連接到中心節(jié)點(diǎn)上。這種方式能夠采用有線網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)（當(dāng)然要用到很多網(wǎng)線），但是無線星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性則是非常有限的，最大傳輸距離是由最遠(yuǎn)的連接設(shè)備所決定的。一個更好的解決方案就是網(wǎng)格網(wǎng)路（如圖1b），所有設(shè)備之間都能夠互相通信，這就使得網(wǎng)絡(luò)的大小和覆蓋的范圍變得幾乎無限大。

藍(lán)牙技術(shù)不支持網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)是一個非常嚴(yán)重的缺點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展已經(jīng)從原型進(jìn)化到實際的系統(tǒng)。例如，在生產(chǎn)車間可能有成百上千個無線傳感器，它們之間也需要共享信息，通過有線或者無線的方式與外面的世界和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，但是藍(lán)牙卻不支持這些。

實際上，藍(lán)牙對于網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的需求是非常重要的，很多公司例如Cambridge Silicon Radio (CSR)公司在2015年被高通（Qualcomm）公司收購，設(shè)計了多種方式讓低功耗藍(lán)牙設(shè)備之間形成一個網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，盡管藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中并不包含網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)特性。包括Nordic半導(dǎo)體在內(nèi)的很多公司與藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟展開合作，推進(jìn)藍(lán)牙5具備網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的能力。

既然網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)會在藍(lán)牙5進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，那我們可以想到僅憑這一個因素就能讓這項技術(shù)成為各種物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用的選擇。與其他技術(shù)不一樣的是藍(lán)牙主要集成到智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦中，所以藍(lán)牙5網(wǎng)絡(luò)可以通過app進(jìn)行可重配置，用戶可以在設(shè)備旁邊也可以在千里之外。這大大降低了藍(lán)牙5網(wǎng)絡(luò)控制的成本和復(fù)雜度。對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)這真是太棒了。

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)有力的支持了藍(lán)牙5的一些新的特性，比如擴(kuò)展了使用范圍，藍(lán)牙5理論的最大傳輸距離是200米，是藍(lán)牙4.0的兩倍。為了擴(kuò)大范圍藍(lán)牙5提高了最大輸出功率從10dBm（10mW）到20dBm（100mW）。

使用范圍，速度和共存性的作用

范圍的擴(kuò)大對于任何通信類應(yīng)用都是期望的，對于家居自動化則尤其的重要。藍(lán)牙5更廣的范圍和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠軌蚍浅：玫闹С诌@類應(yīng)用，能夠讓更大空間房屋內(nèi)的設(shè)備實現(xiàn)互連通信，甚至支持位于兩個建筑之間的設(shè)備進(jìn)行通信。這在以前是很難想象的，其他技術(shù)如WiFi和Zigbee才因此具有一定的優(yōu)勢。

擴(kuò)大了覆蓋范圍以及增加了網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟矔λ{(lán)牙的Beacon（廣播捕獲）功能帶來一些影響，雖然自2013年推出以來并沒有獲得廣泛應(yīng)用，但是這是事實，盡管Beacon技術(shù)的很多屬性對于很多應(yīng)用都很有幫助。

Beacon技術(shù)定義

從基礎(chǔ)層面來將，beaconing技術(shù)是在短距離范圍內(nèi)發(fā)送很短的信息并且跟蹤藍(lán)牙設(shè)備，不需要beacon與設(shè)備之間進(jìn)行配對。唯一的要求就是這個設(shè)備一般是蘋果或者安卓智能手機(jī)、平板電腦事先已經(jīng)安裝了beacon專用app。零售行業(yè)目前是beacon技術(shù)采用的主要用戶，因此下文我們以這個為例進(jìn)行介紹。

在大型購物商場中，商家會在店內(nèi)不同位置安裝beacon設(shè)備，比如商店入口、柜臺前和收銀柜臺等（如圖2所示）。一般這些設(shè)備都非常?。ǔ叽?x5x0.75英寸），在固定的間隔內(nèi)廣播信號，每個信號都會包含一些數(shù)據(jù)。因為數(shù)據(jù)量非常小，RF輸出功率也就非常低，功耗也大大降低了，一個小的紐扣電池就能夠保持beacon設(shè)備工作數(shù)年之久。而且這些設(shè)備價格也不貴，零售商能夠在很多位置安裝這些設(shè)備。

當(dāng)顧客進(jìn)入到店內(nèi)就會收到beacon設(shè)備發(fā)出的一個通知，會彈出顯示一個URL網(wǎng)址或者其他信息。一般是優(yōu)惠券、老顧客回饋或者其他一些形式的推廣。顧客會查看通知，進(jìn)入某個零售店的網(wǎng)址，這樣顧客會看到更多的商品信息。

零售商和其它機(jī)構(gòu)如博物館可以向用戶發(fā)送通知，從鏈接到內(nèi)容豐富的網(wǎng)站，我們很容易想到這給商家?guī)淼闹卮髢r值。當(dāng)著beacon技術(shù)也可以用來進(jìn)行定位和導(dǎo)航，跟蹤任何東西（包括人），自動注冊交易會參加者以及擴(kuò)展其他很多應(yīng)用。因為beacon技術(shù)只是發(fā)射短信息數(shù)據(jù)包，不會收集用戶的私人信息，因此不存在安全問題。

Beacon技術(shù)的作用還主要依賴零售商或者其他機(jī)構(gòu)選擇向用戶發(fā)送的信息，例如零售商能夠確定顧客對哪些產(chǎn)品有更大的興趣，顧客會在商店內(nèi)哪些位置停留以及他們是否會買哪些商品（如圖3所示）。

然而有一些遺憾的是在藍(lán)牙4標(biāo)準(zhǔn)中，允許發(fā)送的最大數(shù)據(jù)長度是31字節(jié)，因此數(shù)據(jù)太短不能涵蓋大多數(shù)URL的全部信息或者發(fā)送的文本信息也不能傳達(dá)什么有用的信息。藍(lán)牙5解決了這個問題，將最大數(shù)據(jù)長度增加到255字節(jié)，因此我們可以發(fā)送更多數(shù)據(jù)信息。藍(lán)牙5同時也具備更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，這不僅給beaconing技術(shù)帶來好處，同時也大大方便了其他應(yīng)用。

更快的數(shù)據(jù)傳輸

藍(lán)牙5提升了最大數(shù)據(jù)傳輸速率，從藍(lán)牙4.0的1Mb/s提升到2Mb/s。盡管提升的幅度不是很大，但是這樣已經(jīng)能夠在更短的時間內(nèi)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)信息了。速率提升的一大驅(qū)動者就是來自物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這樣的應(yīng)用，它們需要即時的雙向通信，例如在醫(yī)療上需要控制機(jī)器人手術(shù)設(shè)備，生產(chǎn)車間內(nèi)需要控制一些大型機(jī)器。同時也能夠讓物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備存儲一定量的數(shù)據(jù)，然后在幾秒鐘內(nèi)發(fā)送出去。這樣會降低物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的功耗，對于保持電池的壽命是很重要的。

藍(lán)牙5帶來速度上提升對于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的另一個好處是能夠更快更頻繁的對傳感器進(jìn)行更新，這對于確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備都具備最新的安全特性和最新的系統(tǒng)固件非常重要。尤其安全問題尤其受到人們關(guān)注，因為有些不法之徒已經(jīng)找到如何破解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的方法，而且物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增加他們的破壞活動也會不斷增加，因此即使的系統(tǒng)更新會有效的防御各種破壞活動。

與其他技術(shù)共存

除了之前我們討論過的，藍(lán)牙5還有一些其他提升特性也給它帶來了強(qiáng)大的功能，其中最重要的一個就是在2.4GHz工業(yè)科學(xué)與醫(yī)療（ISM）頻帶上與其他技術(shù)保持良好的共存特性。

在藍(lán)牙支持的頻率范圍內(nèi)不僅僅只有這一項技術(shù)，只有通過特性集成以及有效的其他技術(shù)區(qū)分開來例如Wi-Fi，它們才不會在同一頻帶運(yùn)行的同時產(chǎn)生互相干擾。舉個例子，在藍(lán)牙5規(guī)范制定和開發(fā)的過程中，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）就考慮到在很多地方，包括物聯(lián)網(wǎng)（IoT）使用的領(lǐng)域，藍(lán)牙也不僅僅是唯一的一項技術(shù)。

為了確保在這些情況下保持最小的影響，因此在標(biāo)準(zhǔn)的制定上有很多約束，例如避免占用Wi-Fi使用的通道，同時增加了“slot availability masks”特性，能夠檢測和自動阻止蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來的干擾?，F(xiàn)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)正在不斷的擴(kuò)張，它們使用的頻率與藍(lán)牙的非常接近，因此有效的避免干擾顯得尤為重要。

當(dāng)然并不是只用藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）一家機(jī)構(gòu)意識到在很多情況下不僅只有一種連接解決方案可以采用，芯片供應(yīng)商也意識到這個問題，因此它們會在設(shè)計SoC器件時集成更多的互連協(xié)議。

簡化解決方案

盡管很多系統(tǒng)只采用一種互連解決方案，但是也有應(yīng)用采用多種方案。從設(shè)計者的角度來看，這可能需要不同的SoC器件，大大增加了系統(tǒng)成本以及復(fù)雜度，而且會增加產(chǎn)品面市的時間。當(dāng)然如果由芯片供應(yīng)商來解決這個問題則會方便很多，比如讓更多的SoC器件集成多種通信協(xié)議。

第一家這樣做的芯片廠商是Nordic半導(dǎo)體公司，在去年12月份推出了nRF52840 SoC器件以及相關(guān)開發(fā)套件原型（如圖4所示），之后不久推出了正式完整的套件產(chǎn)品。提供了藍(lán)牙5開發(fā)的單板開發(fā)工具，并且這款低功耗處理器集成了ANT無線傳輸協(xié)議（IEEE 802.15.4m 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)），適用于2.4GHz無線應(yīng)用開發(fā)。

Arduino Uno 3兼容nRF52840 SoC器件，它集成了64MHz、32位ARM Cortex M4F處理器，全新的無線電架構(gòu)設(shè)計、RF功率放大器、1Mbyte flash存儲、256Kbytes RAM、USB2.0接口一起其他特性。采用5V直流（DC）供電，與ARM CryptoCell-310密碼加速器共同解決系統(tǒng)安全防御問題。

另一個例子是Skyworks公司推出的解決方案SKY66112-11前端模塊（如圖5所示），支持藍(lán)牙5.0技術(shù)、多線程、ZigBee，輸出5倍以上的RF發(fā)射功率（100mW，+20dBm），這解決了更大規(guī)模功放類應(yīng)用的需求，并且提升了接收敏感度7dB，是接收頻率范圍的2倍以上。

TI（德州儀器）公司的CC26XX SimpleLink無線微控制器也是為多個通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的，它集成了藍(lán)牙、ZigBee和6loWPAN標(biāo)準(zhǔn)。該系列器件采用ARM Cortex-M3處理器、超大的存儲空間以及控制器，與外圍的傳感器連接，能夠自動收集收據(jù)同時還能夠讓系統(tǒng)復(fù)位進(jìn)入休眠狀態(tài)。它的功耗非常低，集成了廣泛的功能和接口，支持AES-128加密機(jī)制。

總結(jié)

本篇文章介紹的關(guān)于藍(lán)牙5特性的一些主要方面，當(dāng)然還有很多其他微小的調(diào)整和提升，集成的這么多特性讓藍(lán)牙5.0成為更低功耗的藍(lán)牙技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)應(yīng)用中相比其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有明顯的競爭力。網(wǎng)格（mesh）網(wǎng)絡(luò)帶來的好處是廣泛的，這使得該標(biāo)準(zhǔn)第一次支持在更小的范圍內(nèi)搭建個人網(wǎng)絡(luò)。然而更多的優(yōu)勢包括提升了beacon技術(shù)支持、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、每次傳輸更大的數(shù)據(jù)長度以及其它方面的提升，同時又具有更低的系統(tǒng)功耗、更低的系統(tǒng)實現(xiàn)成本、更大市場潛力，因此藍(lán)牙5.0在未來幾年的發(fā)展中將保持更強(qiáng)的競爭力。