如何使用蓝牙mesh扩展无线网状网络

作者 / Martin Woolley 蓝牙技术联盟EMEA开发关系经理

摘要：蓝牙mesh网络技术标准规范于2017夏季发布，这种全新的蓝牙技术就是为智能楼宇、商业照明和智能工业等用例而设计的。

引言

　　蓝牙mesh使蓝牙的功能在蓝牙无线电技术、蓝牙BR / EDR和低功耗(LE)蓝牙的基础上得以扩展和延伸。

　　蓝牙mesh网络并不是无线电技术，它是一种可用于构建包含大量蓝牙设备或节点的多对多网络的连接技术。在网络中，由一个节点发送的消息能够在节点之间传送，直到其达目的地。这就让通信从本质上超出了点对点直接广播的传输范围。消息副本可在网络中通过多条路径传输，不需要设置特殊规则，为网络带来了高可靠性。多跳(Multi-hop)和多路径传输是蓝牙mesh技术中的固有功能。

　　随着工程师开始了解蓝牙mesh技术，并逐渐熟悉相关术语和功能，我有时会被问到一个问题:“蓝牙mesh网络究竟能扩展到多少个节点?”简短的回答就是：“视实际应用情况而定。”

　　在本文中，我想更仔细地探讨这个问题，并为那些希望了解蓝牙mesh是否符合他们开发要求的人提供更有帮助的答案，那么我们首先要理解为什么这个问题的简短答案永远是“视实际应用情况而定”。

1 容量

　　对于使用任何无线通信技术的系统，它的可扩展性的主要限制因素就是无线电传输容量有限而且需要资源共享。任何位于彼此无线电通信范围内，并使用相同频率来传输数据的设备组都在共享该无线电资源，并存在相互竞争。那些超出传输范围或使用不同频率的设备则不存在这一问题。因此，相较于节点总数，网络的密度和冗长程度更值得关注。

　　下面的图1显示了一个由大量路灯组成的mesh网络，每个路灯都是mesh中的一个节点。由于这些节点的分布呈线性且间隔适当，单个节点一般最多也只会处在几个其他节点的传输范围内，因此对共享无线电频谱几乎不存在竞争。

　　另一方面，图2显示了楼宇底层。因为密集的部署模式，大多数mesh节点都位于彼此的直接无线电范围内，因此这些节点都在彼此竞争，使用相同的无线电资源。只是它们到底表现如何就成为了一个有趣的问题，并且比之前那个“蓝牙mesh网络能扩展到多少个节点”的问题更有意义，也更有望得到解答。

　　我们现在意识到网络节点密度是一个重要的因素，但它仍然无法很好地解释实际容量或可扩展性问题。关于这些节点如何有效利用共享无线电频谱，将成为下一个需要思考的问题，这也是理解可扩展性这一问题的关键。

　　事实上，我想寻找一个理想化的理论方式来解释容量，但在此之前，我们有必要更好地对“容量”进行定义。在mesh网络中，我们最终关注的是网络能够为多少工作提供支持。换句话说，在给定的时间范围内能成功执行多少次mesh网络操作?网络操作的示例可能包括增加由调光器开关发送的一大组照明灯亮度的消息，以及向其他建筑系统告知房间中人数的传感器读数。我们还能想到其他更多从学术角度进行测量的方式，但最终谈到容量和可扩展性时，我们真正感兴趣的是网络让我们能够完成多少楼宇中涉及设备和系统的有用的工作。

　　我将用一种类比的方式来阐述容量这一概念。见图3。

　　图3中的每量卡车代表一个工作单元，其通常通过无线网络中单包的传输来完成。卡车一辆接一辆沿着单车道行驶，一个车道代表一个射频。一辆接一辆的卡车表明我们使用了该单频网络提供的所有理论容量。卡车行驶速度相当慢，每分钟从桥下穿过的数量也不多，称之为X。因此可以说，图3所示的这一无线通信技术在最大理论容量下，每分钟能够处理X次操作。

　　蓝牙mesh有赖于低功耗蓝牙4.0及以上版本进行基础无线电通信。低功耗蓝牙 4.x的符号速率为每秒1兆符号(Ms/s)，比基于其他mesh技术的速度快四倍;例如IEEE 802.15.4，其运行速度为每秒250千符号(ks/s)。请注意，符号(symbol )相当于无线电模拟世界中的比特位(bit)，而非蓝牙堆栈中较高层的数字世界。

　　考虑到这一点，想象一下我们的卡车还能比图3快四倍。

　　显然，由于低功耗蓝牙的符号速率更快，我们如今能够完成四倍的工作量。

　　我们的大卡车代表大型网络协议数据单元(PDU)，它们占用了大量的无线电广播时间。蓝牙mesh最多使用29个八位字节大小的PDU，小到令人难以置信，其中常见消息类型，比如用于开关设备的消息类型，其长度仅为22个八位字节。低功耗蓝牙封包中有一些附加数据，他们位于PDU两头，但大约只占18个八位字节。因此，无论您怎么看，mesh封包都是小而高效的。当然，其他无线电技术的网络PDU也具有类似的附加无线电数据。

　　29个八位字节相较于其他一些mesh技术的PDU要小得多，可能只有它们所用PDU大小的三分之一。

　　有了针对mesh网络进行优化的小型封包，我们就能基于给定的无线电频谱完成更多有用的工作，因为每个小型封包消耗的广播时间比大封包要少得多。

　　还是以交通作类比，让我们再来看一下许多无线技术在单一频率(即RF信道)上运行。在配置系统时，您可以从一系列支持信道中进行选择，然而一旦选择完成，所有通信都将在该单一信道中进行。上面的图3、4和5中的单一车道就体现了这一点。但蓝牙mesh能够使用三种不同的频率，因此可用的原始无线电资源也有三倍之多，如图6所示。

　　有效且高效地使用共享无线电频谱对于容量和可扩展性至关重要，两者的重点都在于要完成工作。蓝牙mesh因其优化的封包设计和低功耗蓝牙无线电的使用而高效且具有可扩展性。

2 冲突

　　通过上一节的叙述，您应该对影响共享无线电媒介容量的基本因素有了大致了解。其描述相当简化，主要是为了转到现在的这一主题上来。实际上，任何无线电资源的理论容量都无法全部得以有意义地使用，因为随着共享该媒介的设备数量增加，封包冲突的可能性也会增加。

　　进一步了解冲突有助于更好地洞察可扩展性问题，同时也有助于为我们的网络设计决策提供充分的信息。

　　如果处于彼此无线电范围内的两台设备在相同频率上同时传输数据，就会产生我们所谓的冲突，冲突数据包基本上都会丢失。无线技术通常会尽力避免冲突或通过某种机制来容纳冲突，这种机制是用来确保冲突所涉及设备会在随机等待一段时间后重新进行传输。蓝牙采用的是后一种方式。

　　冲突会降低性能并使可扩展性受限。

　　两台设备并不是完全同步传输信息才会发生冲突。传输的封包只要在时间上有重叠并使用相同的RF信道就会发生冲突，如图8所示。

　　图8中的Alpha是封包占用无线电信道的时间段。在此期间，任一由另一台设备发送的其他封包都将导致冲突，如图8中的示例所示。

　　在所有无线通信中，无论使用何种技术，当网络承载的流量高到一定程度时，产生的冲突就会导致网络到达有效容量极限，这一极限稍低于图3-6中描述的理论绝对极限。

　　封包所需的无线电广播时间越少，发生冲突的概率就越低。蓝牙mesh较小的封包和低功耗蓝牙无线电的高符号速率减少了封包所需的广播时间，这意味着蓝牙mesh网络在这方面表现良好。在网络由于冲突到达有效极限之前，更多的封包能够得到处理，因此网络可以扩展，从而处理更大量的操作。

3 网络可扩展性问题回顾

　　比起网络能够支持多少个节点，我们更应该了解的是：对于性能和可扩展性更好的衡量标准是——网络每秒能够处理的mesh消息数量。因为mesh消息是蓝牙mesh网络中开展工作的基础。同时，我们还应该将“可靠性”这一概念纳入我们的定义中，因为随着流量的增加，发生冲突和消息丢失的可能性也会增加。最后，由于只有位于彼此传输范围内的设备才会共享无线电介质，所以为评估可扩展性问题，我们只需要考虑设备是在足够接近，并能够进行直接通信的区域。

　　下面，请思考以下对于蓝牙mesh网络可扩展性的定义：

　　可扩展性：可在直接无线电范围内的节点之间进行通信，且消息丢失率不超过x.x%的每秒内mesh消息总数的最大值。

4 现实世界中的体验

　　理论的理解很重要，但是实际用例更加有价值。

　　Silvair

　　去年，就在蓝牙mesh 1.0规格发布之前，我访问过位于波兰克拉科夫的Silvair办公室。Silvair 是一家开发无线照明控制解决方案的公司，该公司首席技术官Szymon Slupik先生是蓝牙mesh工作组的主席。他们的办公室中包含一个由分布于楼宇底层多个房间中的数百盏照明灯、各种传感器和开关组成的全方位蓝牙mesh测试环境。

　　站在前台，我能够透过每个办公室门上的玻璃面板看到各个房间内的许多照明灯。使用标准的安卓智能手机，我就能连接到mesh代理节点，同时对约274盏照明灯统一进行明暗调节。这是我第一次使用蓝牙mesh的实践经验。

　　之前我曾见过其他的专有mesh解决方案，但它们都存在照明灯响应延迟的问题，尤其是那些位于开关直接无线电传输范围之外的照明灯。当我对Silvair测试环境的照明灯进行控制时，没有出现明显的延迟问题，可以说根本没有能够察觉得到的延迟。当我在智能手机屏幕上滑动手指时，所有照明灯能够立即响应。亮度的调节也是如此顺畅，且所有照明灯都能同步进行。一切都很完美。我可是个注重证据又非常较真的人，但现在不得不说这确实给我留下了深刻的印象!

　　我采访了Silvair的首席技术官Szymon，他告诉我他们整个楼宇现在都配备了蓝牙mesh照明系统。请注意，这不是测试系统，这是该楼宇中已经投入生产的照明系统，且为所有用户所用。

　　房间内还安装了蓝牙mesh传感器。在带窗户的房间内，环境光传感器与房间内的mesh照明进行通信，以便进行日光采集。无论外面有多亮或多暗，都能确保房间整日保持一致的光线。其他没有自然光线的房间则安装有占用传感器，只有在房间被占用时才开灯。这有助于降低成本并优化员工的工作环境。

　　在我看来，Silvair的大楼就是一个很好的实例，体现出了蓝牙通信有潜力在极具挑战性的环境中顺利运行。对此我也咨询了Szymon，他的回答如下：

　　Silvair公司的Szymon Slupik说：“我们的楼宇可能是地球上受辐射最严重、噪音最大的蓝牙应用环境。楼宇中分布有超过1000台蓝牙设备，它们构成了多个压力测试系统。它们每秒会产生共数百条消息。最让人放心的是，在这种环境下蓝牙也能顺利工作。投入生产的照明系统、我们为到访客户提供的演示、以及普通的蓝牙设备都能顺利运行......大多数员工都使用蓝牙键盘和鼠标，并会通过蓝牙耳机进行电话交谈。顺便提一下，WiFi也能顺利运行。该楼宇有12个高容量接入点，可以为超过150台设备提供服务。我们自己已经证明了这项技术已经迎来了它的黄金时期，并为大规模采用做好了准备。我们对它的前景非常有信心。”

5 结论

　　希望我对蓝牙mesh网络可扩展性这一主题的介绍能够对您有用。我已经从每秒消息传输和执行的mesh操作层面(而非网络中节点数量的层面)对概括性的问题进行了重新定义。我们已经对影响容量和可扩展性的关键的和一般性适用因素进行了研究，并探讨了蓝牙mesh如何运用低功耗蓝牙来提供显著的可扩展性优势。

　　显而易见的是，蓝牙mesh让我们能够创建具有高度可扩展性的mesh网络，它能够通过频谱效率、卓越的无线电性能和优化的mesh网络封包设计来实现对大量消息的处理。

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第22页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。