一文看懂BLE Mesh

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在物联网 (IoT) 无线连接的背景下，网状网络功能已成为蓝牙标准中备受期待的补充。主要是因为此功能可以扩展蓝牙网络的覆盖范围以及使用案例。

蓝牙特别兴趣小组 (SIG)于 2017年推出了蓝牙网状网络。现在有了网状网选项，蓝牙看起来将能够与其他支持网状网络的标准竞争，例如 ZigBee 和 Thread。

BLE网状网络

在之前的文章中，我们讨论了网状网络可以为数据包提供多条路径，并使网络与星形拓扑相比更具弹性。

由于网格中的节点可以充当中继器，因此网络的范围可以扩展到单个无线电的范围之外。由于这些优势，为物联网应用设计的无线通信协议在其标准中包含了网状网络功能，以通过多跳操作在地理上扩展网络。

例如，Zigbee的网络层从一开始就着眼于网状拓扑要求，尽管 Zigbee 也支持星型配置。

BLE（低功耗蓝牙）现在是物联网应用的常见选项，于 2017 年开始支持网状网络。图 1 中可以看到一个高级示例。

图 1. BLE 网状网络示例

与 Zigbee 和 Thread 不同，BLE 是网状网络竞争的后来者。这应该不足为奇，因为蓝牙的原始版本被设计为短距离通信的电缆替代品，而不是物联网应用的传感器密集环境的连接解决方案。

事实上，蓝牙的原始版本，现在通常被称为经典蓝牙，以区别于 BLE，旨在取代 RS-232 电缆。后来，由于使用耳机的免提电话和音乐流应用程序等用例，它引起了越来越多的关注。

网状选项扩展了覆盖范围，并支持在物联网应用中部署 BLE，例如家庭自动化，在这些应用中，通常需要在由几堵墙隔开的设备之间进行通信。

扩展 BLE 应用范围

除了扩展网络的覆盖范围外，网状网络功能还通过启用多对多通信来促进某些物联网应用的实施。BLE 的非网格版本仅支持一对一和一对多通信，如图 2 所示。

图 2. 一对一和一对多通信的高级表示

一对一通信的一个熟悉示例是无线音频流，其中两个设备相互连接。BLE 信标在一对多拓扑中运行（如图 3 所示），我们将在后面的文章中深入探讨如何建立通信。

图 3.多对多通信促进了许多物联网应用

一般来说，信标是小型无线设备，可以重复传输附近的 BLE 接收器可以接收到的恒定信号。信标可用于为客户提供有关零售中不同产品的有用信息。例如，可以在购物中心部署 BLE 信标，向客户宣传折扣。可以在大型建筑物内定位用户的室内定位系统是信标的另一个常见应用。

除了一对一和一对多通信外，许多物联网应用还需要多对多通信。例如，考虑需要使用多部手机控制多个灯泡的家庭自动化用例。灯泡还应响应来自调光器和/或占用传感器的命令。这需要多对多通信，这些通信本质上是由网状拓扑提供的。

Mesh 能力扩展了 BLE 的用例，并允许将其用于具有完全不同形式的应用程序中。智能家居/办公室和工业控制是一些需要多对多通信的常见应用。

我们需要新的 Mesh 协议吗？

有人可能会问：如果 Zigbee 和 Thread 等协议已经支持网状拓扑，为什么我们需要一种新的支持网状连接的解决方案？

所有这三种协议都支持网状网络的许多基本特性。例如，它们都包括自我修复的能力，这意味着如果一个节点被禁用或删除，网络会自动重新配置以进行自我修复。

但是，这些协议之间存在重大差异。例如，蓝牙网状网络使用一种称为管理泛洪的技术来通过网络路由数据包，其中消息简单地广播到所有附近的节点，而 Zigbee 和 Thread 使用其中的完整路由技术。为从节点 A 到节点 B 的消息选择特定路径。

根据应用要求和条件，此类差异可能会对网络性能产生重大影响。在某些情况下，评估蓝牙网状网络技术的某些方面，例如网络延迟、可靠性、可扩展性等，可能并不简单。有一些研究论文检查了这些特征并描绘了协议性能的混合图景。

我们将在下一篇文章中讨论其中的一些细节。下面将讨论蓝牙网状网络的一些独特优势。

注意：物联网的概念适用于各种各样的应用场景。没有一种连接解决方案可以很好地服务于所有应用程序。根据要求，特定协议可能比其他协议更适合。

蓝牙Mesh的一些独特优势

蓝牙网状网络构建在 BLE 堆栈之上（下图 4），并使用相同的物理层和链路层。

图 4.蓝牙网状网络协议栈

大多数智能手机、平板电脑和笔记本电脑都内置了 BLE 芯片，只需要更新软件即可支持蓝牙网状网络。搭载 BLE 芯片的智能手机可以使用Cypress Semiconductor和Silicon Labs等公司提供的移动应用程序来建立蓝牙网状网络并控制网络设备。

任何具有蓝牙 4.0 或更高版本的智能手机都可以监视和控制网状连接节点。由于这种普遍性，蓝牙网状网络的部署可能比其他类似技术更方便。例如，大多数手机和平板电脑没有 ZigBee 芯片，因此，您需要在控制设备和 Zigbee 网络之间增加一个加密狗或网关。

蓝牙网状网络的另一个独特功能是它支持信标。因此，蓝牙网状网络可用于多种用途。例如，使用蓝牙网状网络的照明系统还可以支持资产跟踪和室内定位以及导航等应用。

审核编辑 黄宇