Mesh網路增強藍牙無線IoT的地位

作者：P?r H?kansson Nordic Semiconductor產品營銷經理

雖然低功耗藍牙(Bluetooth? Low Energy / Bluetooth LE)技術作為物聯網(IoT)的基礎技術已經取得重大進展，但它仍然存在一個弱點：因為它主要用於支持電池供電的外設與智能手機等中央設備的通信，該技術無法支持mesh網路。現在，藍牙mesh 1.0規範消除了這個弱點。

Mesh網路允許網路中的設備(節點)相互通信而無需中央樞紐設備，如果需要，可以經由其它節點中繼來傳播數據包。這樣的系統實現了更大的通信範圍、靈活性和冗餘，並且是所有典型IoT無線技術的先決條件。藍牙mesh網路的主要應用包括企業照明設施、用於託管信標的後端管理，以及工業監控。

一些企業，特別是Silvair，認為這項需求是不可或缺的，並開發了基於低功耗藍牙技術的專有mesh解決方案來填補這項空白。這家公司的工程師在起草正式的藍牙mesh規範方面發揮了重要的作用。藍牙mesh規範已經在7月正式發布。

1 並不僅僅適用於藍牙5

由於開發人員熟悉藍牙技術的發展路線，可能假設藍牙mesh是藍牙5的一個新特性，但是情況並非如此。實際上，通過軟體更新任何兼容藍牙4.0或更高版本的低功耗藍牙晶元都能夠支持藍牙mesh。這允許正在使用專有mesh聯網的低功耗藍牙設備通過空中升級實現兼容標準藍牙mesh網路。

這並不意味著設備無需更新應用程序固件。藍牙mesh是一個具有七層(包括承載、網路、下層和上層運輸、訪問、基礎模式以及模式層)的全新架構，建立於標準低功耗藍牙物理層(射頻)之上(如圖1)。一個節點在接收信息時，將信息從下層的低功耗藍牙物理層向上層傳播，經由承載層至網路層。網路層使用多個檢查方法來決定將信息傳遞到協議棧上層或丟棄[1]。

藍牙mesh規範詳細描述了四種節點：中繼節點、低功耗節點、朋友節點和代理節點。

中繼節點能夠重新發送所接收到的數據包，並且通過這個機制，使數據包可以在整個網路上快速傳播。中繼機制的缺點是耗電量增加，這是由於它依賴於保持「醒著的」節點。雖然在mesh網路配置中低功耗藍牙的功耗遠低於其他競爭技術，但這樣的運作模式單單依靠電池供電是無法持久的。對於智能照明等應用來說，這並不是缺點，因為燈具通過接入主幹供電系統為LED供電，但這對於加入網路中的其它非主幹系統供電設備，比如設備開關，則可能不適用。

為了解決這個問題，藍牙網路引入了低功耗節點(LPN)，可以使用電池或能源採集來供電。LPN與朋友節點協同工作，朋友節點通常是由主幹系統供電，因而能夠永遠保持喚醒狀態;這些設備會緩存發往LPN的信息。LPN根據預先設定的進程表切換至接收模式，接收緩存的信息，根據指令進行操作，然後快速度返回省電的睡眠狀態。

代理節點允許支持低功耗藍牙，但不支持藍牙mesh的設備(例如現在的智能手機)連接至藍牙mesh網路。通過節點和代理設備的通用屬性配置文件(GATT) 介面實現交互(如圖2)。

藍牙mesh借鑒了藍牙技術的GATT配置文件的概念，允許不同的情況下使用相同的信息結構。然而由於mesh的分散式特性，兩種技術的配置文件的設計是不同的。為了避免GATT配置文件被誤認為是mesh網路配置文件，因此mesh配置文件稱作模式。

藍牙mesh1.0包括配置、心跳和健康基礎模式，mesh模式是基礎模式的擴充，比如通用、照明、感測器和場景等。與GATT配置文件類似，用戶還可以創建定製的基礎和mesh模式[1]。

2 照明驅動

智能照明是無線IoT 技術的先驅應用，許多早期的藍牙網路規範就是專為這個應用定製的。藍牙技術聯盟(SIG)在博客中這樣說到：藍牙mesh將在商業照明應用中產生巨大的深刻影響。

也就是說，集成用於智能照明的機制可以方便地支持其它的關鍵應用，比如信標、安全網路，以及加熱、通風和空調(HVAC)網路。這些機制中的關鍵是通過泛洪(flooding)進行通信，把每個數據包向網路中的其他節點廣播，直至到達目標節點。

三種類型定址可配合泛洪：單播(在初始節點設置期間使用)、 群組和虛擬(主要由設備製造商用來標記產品)。其中，群組定址最適用於日常操作。群組地址是代表著網路中一個或多個元素的組播地址。SIG定義了四個固定群組地址，即全代理、全朋友、全中繼和全節點，分別對應上面定義的節點類型。

除了這些群組地址，安裝商很可能在配置期間分配動態群組地址，以反映現實的mesh布局。例如，動態群組地址可以分配至建築中每個房間的燈具。

泛洪mesh和群組定址對於主要的智能家居應用，例如照明，是有意義的。泛洪mesh允許開關向智能照明群組發送「ON」指令，通過網路進行快速傳播，每個節點接收指令並且相應地執行指令。目標群組的燈將迅速點亮。相比需要中樞來向每個連接的燈具傳送單獨指令的網路，例如星形網路，泛洪mesh的延遲可降低很多。

泛洪架構還帶來了其它的優勢，但也包括一些缺點。一個主要的附加優勢是簡化，特別是把通信限制在低功耗藍牙技術的三個廣播和掃描信道上 (請記住這項技術擁有總共40個頻率信道)。但是這樣的缺點是帶寬減小了，原因是需要管理通信，以防止數據包超出這些信道。

這項規範包括了多個機制，以緩減廣播和掃描信道的擁堵。首先是定義一個特定的數據包，這是一個計算中繼傳輸次數數目的TTL(Time-To-Live)計數器，在滿足定義的步驟數目之後，將不會繼續進行中繼傳輸。

例如，設置TTL計數器為3，允許一個數據包從起源開始最多傳遞三次，而後不再重新傳播。

圖 1 藍牙mesh協議棧位於低功耗藍牙的物理層上面

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