蓝牙Mesh规范为物联网网络带来了权衡

蓝牙 Mesh 规范 1.0 版在某种程度上是一个可选的“配置文件”，它基于 LE 1M PHY（物理层）和蓝牙 4.0 的三个广告通道（图 1）。但是，在所有后续蓝牙规范中都必须支持 1M PHY，从而使蓝牙 Mesh 与所有蓝牙 4.0 或更高版本兼容的设备兼容。这可以创建由蓝牙 4.0、蓝牙 4.2 甚至蓝牙 5.0 节点组成的可互操作网状网络。

【图1 | 蓝牙 Mesh 技术利用三个广播通道来最大程度地减少 2.4 GHz 频谱干扰。］

尽管蓝牙 Mesh 工作组继续研究该技术如何利用更高级的功能，例如蓝牙 5 的功能，但蓝牙 Mesh 规范最重要的启示是 Mesh 网络本身的架构。蓝牙 Mesh 采用“托管泛洪”拓扑，其中数据包被广播到网络上的所有节点。这与 zigbee 等技术使用的路由拓扑形成对比。

泛洪与路由网状网络：优点和缺点

就像听起来一样，泛洪网格中的数据包被不加选择地广播到网络上的每个节点。虽然这种方法本身并没有提供优化的消息管理、延迟或电源效率，但它确实使软件开发和 ad hoc 网络部署和恢复比其他方法简单得多。

该替代方案是路由网络，它依赖于安装在每个节点上的路由表，其中包含有关通过网状网络将消息传递到特定节点的最佳中继路径的信息。尽管这可以更精确地控制数据传输、网络带宽利用率和功耗，但它也需要每个节点上的额外 RAM。当网络发生变化（例如节点故障）时，还必须更新路由表，以确保数据包通过备用中继路径到达目的地，这会增加大量开销。

虽然这两种架构都提供双向通信并依赖集线器或网关进行 TCP/IP 转换和 Internet 连接，但蓝牙 Mesh 的泛洪拓扑结构更易于使用而不是优化。IHS Technology 连接和物联网首席分析师 Lee Ratliff 表示：“Mesh 规范的第一个版本专注于支持照明市场，照明节点通常由主电源供电。” “他们可能已经用一些效率换取了更快的上市时间。路由网状架构非常复杂，可能会花费更多时间。”

尽管 Silicon Labs 的高级营销经理 Mikko Savolainen 指出“路由方法并没有被放弃”，但蓝牙 Mesh 中控制的减少将如何影响更大规模部署的性能还有待观察。

范围、功率效率以及在“朋友”的帮助下度过难关

网状网络的基本概念是消息在网络中从一个节点到另一个节点进行中继，理论上通过一系列切换来扩展单个设备的传输范围。由于蓝牙 Mesh 更像是蓝牙 4.0 及更高版本设备的可选配置文件，“节点的基本 ［传输］ 特性由它们设计的基本规范决定，而不是网格规范。只要不早于蓝牙 4.0 版，Mesh 就可以使用节点具有的任何功能，”Ratliff 说。

许多因素会影响网状网络（或任何网络）上节点的传输范围，包括相关设备的传输 （TX） 功率、接收 （RX） 灵敏度和天线效率，以及部署环境中产生的路径损耗。因此，计算蓝牙 Mesh 网络节点的范围并不简单，但图 2 提供了基于 Silicon Labs EFR32BG12 Blue Gecko 无线电的视线基准。

【图2 | 影响蓝牙 Mesh 网络节点范围的因素有很多，包括 TX 功率、RX 灵敏度、天线效率和链路预算。此处显示了两个 Silicon Labs EFR32BG12 Blue Gecko 无线电之间的估计范围，假设设计的天线损耗为 -5 dB，距离地面 1.5 米。］

由于在网状网络部署中视线往往是一个理论变量，图 3 显示了在 Silicon Labs 芬兰办事处中，基于 EFR32BG12 的蓝牙 Mesh 节点以 +10 dBm TX 传输到另一个具有 -95 dBm RX 灵敏度的实际范围。黄线表示使用蓝牙 Mesh 当前使用的 1M PHY 的室内范围。

【图3 | 此处的黄线表示使用 1M PHY 的 EFR32BG12 到 EFR32BG12 蓝牙 Mesh 网络的室内范围。其他颜色表示设备使用 2M 和 125K（蓝牙 5）PHY 的范围，目前蓝牙 Mesh 规范不支持。］

当然，范围也与功耗和效率直接相关，如前所述，这是蓝牙 Mesh 泛洪架构的挑战之一。事实上，Ratliff 指出“大多数泛洪网状网络的最大问题是，如果每个节点都需要中继每个数据包，则很难实现低功耗性能，［不允许］它们休眠。”

Savolainen 预测蓝牙 Mesh 网络节点的典型 TX/RX 功耗将在 5 mA 到 10 mA 左右，尽管事实上大多数节点可能将 95% 的时间花在 RX 模式下，而只有 5% 的时间花在 TX 上模式（取决于网络流量）。鉴于网状网络的目标应用，这并不完全是“低功耗”。

为了抵消泛洪拓扑引起的一些功率低效，蓝牙 Mesh 规范允许通过使用为休眠节点收集消息的“朋友”节点来管理数据包传输。

虽然蓝牙网格规范没有定义这些节点的实现，但友节点包含额外的 RAM，允许它们缓冲接收到的消息并稍后将它们中继到它们的睡眠对应方。这允许一个或多个网络节点更长时间地保持在低功率状态。举个例子，Savolainen 引用了一个假设场景，其中配备 16 kB RAM 的朋友节点可以为 24 个低功耗睡眠节点存储多达 20 个 33 字节的消息。一旦缓冲区已满，最旧的消息就会被简单地丢弃。

尽管如此，Bluetooth Mesh 工作组似乎认为大多数照明应用中的节点将由电源供电，从而使友节点的使用更适用于新兴用例或针对由纽扣电池供电的系统的规范的更高版本或能量收集。

蓝牙 Mesh：不折不扣地迈出下一步

如前所述，蓝牙 Mesh 规范的第一次迭代有很多相关的内容。目前的形式最适合大型照明设施，例如不需要低延迟、统一响应的商场、仓库和办公楼，但总体而言，这是朝着正确方向迈出的一步。它将为网状网络空间带来更多可见性，并可能推动希望保持市场份额的竞争标准的创新。

对开发人员来说幸运的是，可以在单个封装中使用支持蓝牙、zigbee、Thread 和专有通信或蓝牙低功耗 （BLE）、蓝牙 5 和蓝牙 Mesh 网络的多协议芯片。随着蓝牙 SIG 不断修订和增强其 Mesh 规范，这些解决方案使 IoT Mesh 网络能够在不折不扣的情况下为未来定位。

审核编辑：郭婷