如何使用藍(lán)牙m(xù)esh擴(kuò)展無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

作者 / Martin Woolley 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟EMEA開發(fā)關(guān)系經(jīng)理

摘要：藍(lán)牙mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范于2017夏季發(fā)布，這種全新的藍(lán)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(shè)計(jì)的。

引言

　　藍(lán)牙m(xù)esh使藍(lán)牙的功能在藍(lán)牙無線電技術(shù)、藍(lán)牙BR / EDR和低功耗(LE)藍(lán)牙的基礎(chǔ)上得以擴(kuò)展和延伸。

　　藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)并不是無線電技術(shù)，它是一種可用于構(gòu)建包含大量藍(lán)牙設(shè)備或節(jié)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(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息能夠在節(jié)點(diǎn)之間傳送，直到其達(dá)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)中通過多條路徑傳輸，不需要設(shè)置特殊規(guī)則，為網(wǎng)絡(luò)帶來了高可靠性。多跳(Multi-hop)和多路徑傳輸是藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)中的固有功能。

　　隨著工程師開始了解藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)，并逐漸熟悉相關(guān)術(shù)語和功能，我有時(shí)會被問到一個(gè)問題:“藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)究竟能擴(kuò)展到多少個(gè)節(jié)點(diǎn)?”簡短的回答就是：“視實(shí)際應(yīng)用情況而定?！?/p>

　　在本文中，我想更仔細(xì)地探討這個(gè)問題，并為那些希望了解藍(lán)牙m(xù)esh是否符合他們開發(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)問題的簡短答案永遠(yuǎn)是“視實(shí)際應(yīng)用情況而定”。

1 容量

　　對于使用任何無線通信技術(shù)的系統(tǒng)，它的可擴(kuò)展性的主要限制因素就是無線電傳輸容量有限而且需要資源共享。任何位于彼此無線電通信范圍內(nèi)，并使用相同頻率來傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備組都在共享該無線電資源，并存在相互競爭。那些超出傳輸范圍或使用不同頻率的設(shè)備則不存在這一問題。因此，相較于節(jié)點(diǎn)總數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的密度和冗長程度更值得關(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(jié)點(diǎn)。由于這些節(jié)點(diǎn)的分布呈線性且間隔適當(dāng)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)一般最多也只會處在幾個(gè)其他節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)，因此對共享無線電頻譜幾乎不存在競爭。

　　另一方面，圖2顯示了樓宇底層。因?yàn)槊芗牟渴鹉Ｊ?，大多?shù)mesh節(jié)點(diǎn)都位于彼此的直接無線電范圍內(nèi)，因此這些節(jié)點(diǎn)都在彼此競爭，使用相同的無線電資源。只是它們到底表現(xiàn)如何就成為了一個(gè)有趣的問題，并且比之前那個(gè)“藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)能擴(kuò)展到多少個(gè)節(jié)點(diǎn)”的問題更有意義，也更有望得到解答。

　　我們現(xiàn)在意識到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度是一個(gè)重要的因素，但它仍然無法很好地解釋實(shí)際容量或可擴(kuò)展性問題。關(guān)于這些節(jié)點(diǎn)如何有效利用共享無線電頻譜，將成為下一個(gè)需要思考的問題，這也是理解可擴(kuò)展性這一問題的關(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?yàn)槎嗌俟ぷ魈峁┲С?。換句話說，在給定的時(shí)間范圍內(nèi)能成功執(zhí)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(diào)光器開關(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(tǒng)告知房間中人數(shù)的傳感器讀數(shù)。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(kuò)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(shè)備和系統(tǒng)的有用的工作。

　　我將用一種類比的方式來闡述容量這一概念。見圖3。

　　圖3中的每量卡車代表一個(gè)工作單元，其通常通過無線網(wǎng)絡(luò)中單包的傳輸來完成?？ㄜ囈惠v接一輛沿著單車道行駛，一個(gè)車道代表一個(gè)射頻。一輛接一輛的卡車表明我們使用了該單頻網(wǎng)絡(luò)提供的所有理論容量?？ㄜ囆旭偹俣认喈?dāng)慢，每分鐘從橋下穿過的數(shù)量也不多，稱之為X。因此可以說，圖3所示的這一無線通信技術(shù)在最大理論容量下，每分鐘能夠處理X次操作。

　　藍(lán)牙m(xù)esh有賴于低功耗藍(lán)牙4.0及以上版本進(jìn)行基礎(chǔ)無線電通信。低功耗藍(lán)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(yùn)行速度為每秒250千符號(ks/s)。請注意，符號(symbol )相當(dāng)于無線電模擬世界中的比特位(bit)，而非藍(lán)牙堆棧中較高層的數(shù)字世界。

　　考慮到這一點(diǎn)，想象一下我們的卡車還能比圖3快四倍。

　　顯然，由于低功耗藍(lán)牙的符號速率更快，我們?nèi)缃衲軌蛲瓿伤谋兜墓ぷ髁俊?/p>

　　我們的大卡車代表大型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，它們占用了大量的無線電廣播時(shí)間。藍(lán)牙m(xù)esh最多使用29個(gè)八位字節(jié)大小的PDU，小到令人難以置信，其中常見消息類型，比如用于開關(guān)設(shè)備的消息類型，其長度僅為22個(gè)八位字節(jié)。低功耗藍(lán)牙封包中有一些附加數(shù)據(jù)，他們位于PDU兩頭，但大約只占18個(gè)八位字節(jié)。因此，無論您怎么看，mesh封包都是小而高效的。當(dāng)然，其他無線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)PDU也具有類似的附加無線電數(shù)據(jù)。

　　29個(gè)八位字節(jié)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線電頻譜完成更多有用的工作，因?yàn)槊總€(gè)小型封包消耗的廣播時(shí)間比大封包要少得多。

　　還是以交通作類比，讓我們再來看一下許多無線技術(shù)在單一頻率(即RF信道)上運(yùn)行。在配置系統(tǒng)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中的單一車道就體現(xiàn)了這一點(diǎn)。但藍(lán)牙m(xù)esh能夠使用三種不同的頻率，因此可用的原始無線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線電頻譜對于容量和可擴(kuò)展性至關(guān)重要，兩者的重點(diǎn)都在于要完成工作。藍(lán)牙m(xù)esh因其優(yōu)化的封包設(shè)計(jì)和低功耗藍(lán)牙無線電的使用而高效且具有可擴(kuò)展性。

2 沖突

　　通過上一節(jié)的敘述，您應(yīng)該對影響共享無線電媒介容量的基本因素有了大致了解。其描述相當(dāng)簡化，主要是為了轉(zhuǎn)到現(xiàn)在的這一主題上來。實(shí)際上，任何無線電資源的理論容量都無法全部得以有意義地使用，因?yàn)殡S著共享該媒介的設(shè)備數(shù)量增加，封包沖突的可能性也會增加。

　　進(jìn)一步了解沖突有助于更好地洞察可擴(kuò)展性問題，同時(shí)也有助于為我們的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)決策提供充分的信息。

　　如果處于彼此無線電范圍內(nèi)的兩臺設(shè)備在相同頻率上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生我們所謂的沖突，沖突數(shù)據(jù)包基本上都會丟失。無線技術(shù)通常會盡力避免沖突或通過某種機(jī)制來容納沖突，這種機(jī)制是用來確保沖突所涉及設(shè)備會在隨機(jī)等待一段時(shí)間后重新進(jìn)行傳輸。藍(lán)牙采用的是后一種方式。

　　沖突會降低性能并使可擴(kuò)展性受限。

　　兩臺設(shè)備并不是完全同步傳輸信息才會發(fā)生沖突。傳輸?shù)姆獍灰跁r(shí)間上有重疊并使用相同的RF信道就會發(fā)生沖突，如圖8所示。

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

　　在所有無線通信中，無論使用何種技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)承載的流量高到一定程度時(shí)，產(chǎn)生的沖突就會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)到達(dá)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。

　　封包所需的無線電廣播時(shí)間越少，發(fā)生沖突的概率就越低。藍(lán)牙m(xù)esh較小的封包和低功耗藍(lán)牙無線電的高符號速率減少了封包所需的廣播時(shí)間，這意味著藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)在這方面表現(xiàn)良好。在網(wǎng)絡(luò)由于沖突到達(dá)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(kuò)展，從而處理更大量的操作。

3 網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性問題回顧

　　比起網(wǎng)絡(luò)能夠支持多少個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們更應(yīng)該了解的是：對于性能和可擴(kuò)展性更好的衡量標(biāo)準(zhǔn)是——網(wǎng)絡(luò)每秒能夠處理的mesh消息數(shù)量。因?yàn)閙esh消息是藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中開展工作的基礎(chǔ)。同時(shí)，我們還應(yīng)該將“可靠性”這一概念納入我們的定義中，因?yàn)殡S著流量的增加，發(fā)生沖突和消息丟失的可能性也會增加。最后，由于只有位于彼此傳輸范圍內(nèi)的設(shè)備才會共享無線電介質(zhì)，所以為評估可擴(kuò)展性問題，我們只需要考慮設(shè)備是在足夠接近，并能夠進(jìn)行直接通信的區(qū)域。

　　下面，請思考以下對于藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性的定義：

　　可擴(kuò)展性：可在直接無線電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，且消息丟失率不超過x.x%的每秒內(nèi)mesh消息總數(shù)的最大值。

4 現(xiàn)實(shí)世界中的體驗(yàn)

　　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(lán)牙m(xù)esh 1.0規(guī)格發(fā)布之前，我訪問過位于波蘭克拉科夫的Silvair辦公室。Silvair 是一家開發(fā)無線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(lán)牙m(xù)esh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(shù)百盞照明燈、各種傳感器和開關(guān)組成的全方位藍(lán)牙m(xù)esh測試環(huán)境。

　　站在前臺，我能夠透過每個(gè)辦公室門上的玻璃面板看到各個(gè)房間內(nèi)的許多照明燈。使用標(biāo)準(zhǔn)的安卓智能手機(jī)，我就能連接到mesh代理節(jié)點(diǎn)，同時(shí)對約274盞照明燈統(tǒng)一進(jìn)行明暗調(diào)節(jié)。這是我第一次使用藍(lán)牙m(xù)esh的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

　　之前我曾見過其他的專有mesh解決方案，但它們都存在照明燈響應(yīng)延遲的問題，尤其是那些位于開關(guān)直接無線電傳輸范圍之外的照明燈。當(dāng)我對Silvair測試環(huán)境的照明燈進(jìn)行控制時(shí)，沒有出現(xiàn)明顯的延遲問題，可以說根本沒有能夠察覺得到的延遲。當(dāng)我在智能手機(jī)屏幕上滑動手指時(shí)，所有照明燈能夠立即響應(yīng)。亮度的調(diào)節(jié)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(jù)又非常較真的人，但現(xiàn)在不得不說這確實(shí)給我留下了深刻的印象!

　　我采訪了Silvair的首席技術(shù)官Szymon，他告訴我他們整個(gè)樓宇現(xiàn)在都配備了藍(lán)牙m(xù)esh照明系統(tǒng)。請注意，這不是測試系統(tǒng)，這是該樓宇中已經(jīng)投入生產(chǎn)的照明系統(tǒng)，且為所有用戶所用。

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

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

　　Silvair公司的Szymon Slupik說：“我們的樓宇可能是地球上受輻射最嚴(yán)重、噪音最大的藍(lán)牙應(yīng)用環(huán)境。樓宇中分布有超過1000臺藍(lán)牙設(shè)備，它們構(gòu)成了多個(gè)壓力測試系統(tǒng)。它們每秒會產(chǎn)生共數(shù)百條消息。最讓人放心的是，在這種環(huán)境下藍(lán)牙也能順利工作。投入生產(chǎn)的照明系統(tǒng)、我們?yōu)榈皆L客戶提供的演示、以及普通的藍(lán)牙設(shè)備都能順利運(yùn)行......大多數(shù)員工都使用藍(lán)牙鍵盤和鼠標(biāo)，并會通過藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行電話交談。順便提一下，WiFi也能順利運(yùn)行。該樓宇有12個(gè)高容量接入點(diǎn)，可以為超過150臺設(shè)備提供服務(wù)。我們自己已經(jīng)證明了這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)迎來了它的黃金時(shí)期，并為大規(guī)模采用做好了準(zhǔn)備。我們對它的前景非常有信心。”

5 結(jié)論

　　希望我對藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性這一主題的介紹能夠?qū)δ杏?。我已?jīng)從每秒消息傳輸和執(zhí)行的mesh操作層面(而非網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的層面)對概括性的問題進(jìn)行了重新定義。我們已經(jīng)對影響容量和可擴(kuò)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(lán)牙m(xù)esh如何運(yùn)用低功耗藍(lán)牙來提供顯著的可擴(kuò)展性優(yōu)勢。

　　顯而易見的是，藍(lán)牙m(xù)esh讓我們能夠創(chuàng)建具有高度可擴(kuò)展性的mesh網(wǎng)絡(luò)，它能夠通過頻譜效率、卓越的無線電性能和優(yōu)化的mesh網(wǎng)絡(luò)封包設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對大量消息的處理。

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