0 引言

    自2012年藍牙4.0規(guī)范推出之后，全新的藍牙低功耗（BLE）技術(shù)由于其極低的運行和待機功耗、低成本和跨廠商互操作性，3 ms低延遲、AES-128加密等諸多特色，可以用于計步器、心律監(jiān)視器、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域，大大擴展藍牙技術(shù)的應(yīng)用范圍^[1-2]。

    盡管BLE已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，但是仍然存在著點對點的拓撲結(jié)構(gòu)的限制，以及傳輸距離短、組網(wǎng)能力差等問題。由于藍牙4.1規(guī)范中說明，一個BLE設(shè)備既可以在一個網(wǎng)絡(luò)中作為主設(shè)備，又可以在另一個網(wǎng)絡(luò)中作為從設(shè)備^[3]。因此，Mesh網(wǎng)絡(luò)可以利用BLE的這一特性，就可以在不需要連接的情況下傳輸數(shù)據(jù)，同時也可以發(fā)起廣播。在藍牙4.1規(guī)范中還提到，v4.1是以物聯(lián)網(wǎng)為目標對v4.0軟件升級，硬件上沒有任何改動，并且可以通過IPv6建立網(wǎng)絡(luò)連接，解決了在無WiFi情況下設(shè)備上網(wǎng)不易的問題。

    本文首先介紹了BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點優(yōu)勢，然后綜合評述了影響B(tài)LE Mesh組網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素，并分析了現(xiàn)有BLE Mesh技術(shù)的不足之處，在此基礎(chǔ)上對BLE Mesh技術(shù)的發(fā)展方向進行了展望。

1 Mesh的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點

    無線Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳(multi-hop)”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)^[4]。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)主要是點對點或點對多點的星型網(wǎng)絡(luò)，所有終端節(jié)點必須與中心節(jié)點交換數(shù)據(jù)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1。而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)采用對等式的網(wǎng)絡(luò)拓撲，每個節(jié)點與其相鄰節(jié)點進行通信，并有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的可擴展性強，如果需要向網(wǎng)絡(luò)中新增節(jié)點，只需將新增節(jié)點安裝并進行相應(yīng)的配置^[5-6]。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的可靠性也極高，如果某個節(jié)點上行有線鏈路出現(xiàn)故障，不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，可以有效避免單點故障。

    多點對多點Mesh技術(shù)讓藍牙在組網(wǎng)能力上有了巨大的提升，基于BLE標準協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)收發(fā)的過程如圖3所示。

    圖3中的BLE邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)主要負責節(jié)點設(shè)備兩端的邏輯連接，節(jié)點的新增或減少通過BLE的L2CAP控制。掃描管理(Scan Manager)負責廣播信道上的廣播信息，通過發(fā)送掃描信息到BLE的廣播監(jiān)聽者，從而傳到節(jié)點進行節(jié)點的傳播。同樣地，廣播管理者(Advertise Manager)負責發(fā)送節(jié)點的廣播的信息到目的節(jié)點。

    當每個Mesh的節(jié)點不在廣播數(shù)據(jù)的狀態(tài)，就是在接受數(shù)據(jù)的狀態(tài)，即在一個廣播事件中BLE設(shè)備充當Advertiser 角色，也充當著Scanner角色。當Mesh節(jié)點需要廣播的時候，退出接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，正常收發(fā)的廣播的優(yōu)先級要比轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高。         

2 影響B(tài)LE Mesh技術(shù)的關(guān)鍵因素

2.1 路由選擇算法

2.1.1 CSR Mesh的洪泛式路由算法

    基于藍牙4.0的CSR Mesh組網(wǎng)技術(shù)采用的是最簡單最可靠的洪泛式路由算法^[6]。洪泛式路由算法又稱為擴散法，其基本思想是每個節(jié)點都是用廣播轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)分組，其節(jié)點和節(jié)點之間的距離為50 m，通過節(jié)點的不斷一級一級廣播，最終到達目的節(jié)點^[7]。這種廣播式的洪泛路由算法對于動態(tài)的節(jié)點，進出網(wǎng)絡(luò)頻繁的場景下非常有效，但是，洪泛式的廣播會導致網(wǎng)絡(luò)中充斥著大量重復的數(shù)據(jù)，占用網(wǎng)絡(luò)資源，使得節(jié)點嚴重地消耗能量，整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期也會受影響。

    針對傳統(tǒng)的廣播式洪泛算法缺陷，需要作出改進來避免無用的重復轉(zhuǎn)發(fā)，提高帶寬的利用率。例如： 將路由區(qū)域限定在指定區(qū)域內(nèi)，在指定區(qū)域內(nèi)再選擇下一節(jié)點的路由區(qū)域。這種方法可以有效降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的無用消耗，同時也可能出現(xiàn)在指定區(qū)域內(nèi)找不到的節(jié)點的問題，所以需要更進一步去探討如何有效地限定區(qū)域。

2.1.2 機會路由算法

    機會路由算法的基本思想是每次數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給一組節(jié)點，從這一組節(jié)點中選出最優(yōu)節(jié)點，再從這一最優(yōu)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到下一組節(jié)點中，如此重復到目的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包，可以大大提高數(shù)據(jù)分組傳輸成功率^[8]。機會路由算法的優(yōu)劣取決于多個方面的因素，一是后備轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集，若后備轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點過多，會導致數(shù)據(jù)重復發(fā)送的問題，若后備轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點過少，則不利于提高數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)率^[9]。二是節(jié)點組中最優(yōu)節(jié)點的選擇，確定最優(yōu)節(jié)點的關(guān)鍵是能夠反映節(jié)點發(fā)送能力的度量參數(shù)。度量參數(shù)主要包括空時變量、期望傳輸時間、期望傳輸次數(shù)、跳數(shù)、地理距離等。三是后備轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間的協(xié)調(diào)，正確接收到數(shù)據(jù)包的后備轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點根據(jù)其優(yōu)先級回復ACK應(yīng)答幀，最先發(fā)送ACK的節(jié)點成為實際轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點^[10]。

    路由算法設(shè)計的優(yōu)劣直接決定了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率，不管是傳統(tǒng)的洪泛式路由算法，還是機會路由算法，在節(jié)點運動劇烈的情況下，往往得不到較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。

2.2 廣播信道的局限

    藍牙工作在免許可的2.4 GHz的ISM射頻頻段。其物理信道分為兩組：一組是廣播(Advertiser)信道，一組是數(shù)據(jù)(Data)信道。在連接建立之前，設(shè)備之間是通過廣播(Advertiser)信道交互數(shù)據(jù)的，當廣播者發(fā)送一個廣播包之后，它在同一信道上監(jiān)聽連接請求包或者掃描請求包，當正確接收到連接請求包之后，連接開始建立。在連接成功建立之后，數(shù)據(jù)之間的交互使用的是數(shù)據(jù)(Data)信道。

    傳統(tǒng)藍牙中，使用32個廣播信道和79個數(shù)據(jù)信道，每1 MHz一個頻道；而在BLE中，只用了3個廣播信道和37個數(shù)據(jù)信道，每2 MHz一個頻道。廣播信道的急劇減少是為了實現(xiàn)更低功耗，這意味著BLE掃描其他設(shè)備開啟的時間遠遠低于傳統(tǒng)藍牙的開啟時間。BLE技術(shù)設(shè)計的3個廣播信道是為了在魯棒性和低功耗之間取得平衡。在BLE中，如果只設(shè)1個廣播信道，假設(shè)該信道被其他設(shè)備阻塞，則設(shè)備無法配對或者廣播數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)將無法工作。如果信道設(shè)定的過多，該設(shè)備將需要花費大量的時間進行廣播數(shù)據(jù)的傳輸，將與低功耗的初衷背道而馳。

    BLE的3個廣播信道用于Mesh網(wǎng)絡(luò)中，則需重新考慮魯棒性的問題。隨著Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點不斷增加，所有節(jié)點都只能共用3個廣播信道，此時，出現(xiàn)信號沖突的概率就大大增加。

2.3 睡眠模式的關(guān)閉

    BLE有三種工作模式：一是關(guān)閉模式，此時沒有任何時鐘在運行，芯片完全斷電，沒有任何設(shè)備能夠進行連接。二是睡眠模式，此時僅有l(wèi)ow_power_clk在運行，這種情況下只有達到預(yù)定的睡眠時間或者有wake_up喚醒請求，睡眠模式才能轉(zhuǎn)換為正常工作的模式。三是正常工作模式，在這種模式下，可以進行廣播、掃描、連接以及實時數(shù)據(jù)包的處理。主時鐘hclk打開，若數(shù)據(jù)需要進行加密，加密時鐘crypt_clk也會打開。

    BLE設(shè)計采用睡眠模式來替代傳統(tǒng)藍牙的空閑狀態(tài)，在睡眠模式下，主機長時間處于超低的負載循環(huán)狀態(tài)，只需要在運行的時候由控制器來啟動，因為主機比控制器消耗更多的能量。而且在睡眠模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔加大，由此，BLE的待機功耗大大減小。但是在BLE的Mesh網(wǎng)絡(luò)中，一次事件中不僅是單一的廣播或者單一的連接，若進入到睡眠模式之后，睡眠時間過短導致射頻來不及關(guān)閉又必須打開，睡眠時間無效。如圖4所示。

    如圖4（a）中，一次廣播事件包括了在（37，38，39）3個廣播信道上廣播，T1為廣播間隔范圍為20 ms到10.24 s。廣播完成后，BLE進入睡眠模式，直到下一次廣播事件的來臨。圖4（b）中，一次事件中包括了正常的廣播事件加上掃描事件。T1為廣播間隔時間，廣播事件的優(yōu)先級最高，這個事件不能被打斷。T2為掃描事件間隔，當掃描事件EVENTINT中斷產(chǎn)生后，如果10 ms內(nèi)沒有新的事件需要處理，會重新開始掃描事件。T3為不可連接的廣播事件間隔，當不可連接廣播事件EVENTINT中斷產(chǎn)生后，如果在一次這個廣播事件間隔內(nèi)沒有可連接廣播，并且UNCON_ADV_CNT（協(xié)議棧記錄不可連接廣播發(fā)送的次數(shù)）<5時重新開始這個事件。每產(chǎn)生一次EVENTINT中斷，協(xié)議棧中的UNCON_ADV_CNT+1。

3 結(jié)論

    目前，BLE Mesh技術(shù)的宣傳很火熱，BLE Mesh技術(shù)的出現(xiàn)對于WiFi和ZigBee等無線傳輸技術(shù)來說，將成為一大挑戰(zhàn)。但是能夠真正融入人們的日常生活還有很長的一段路要走。值得慶幸的是，在2015年2月，藍牙技術(shù)聯(lián)盟宣布成立藍牙智能Mesh工作小組，旨在為BLE建立Mesh網(wǎng)絡(luò)標準。雖然BLE Mesh目前還存在著許多問題，但是隨著BLE Mesh技術(shù)的不斷進步，相信在不久的將來，BLE Mesh能夠納入藍牙技術(shù)聯(lián)盟的標準之中，并且能夠普及在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

參考文獻

[1] The Bluetooth Special Interest Group.Specification of the Bluetooth System，Covered Core Package，Version：4.0[EB/OL].https：//www.bluetooth.org/docman/handlers/downloaddoc.ashx?doc_id=229737.

[2] A West.Smartphone，the key for Bluetooth low energy technology[EB/OL].(2012-06-24).http：//www.bluetooth.com/Pages/Smartphones.aspx.

[3] Bluetooth SIG.Bluetooth Specification Version 4.0[EB/OL].https：//www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications.

[4] OUNI A，RIVANO H，VALOIS F，et al.Energy and through-put optimization of wireless mesh networks with continuous power control[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2015，14(2)：1131-1142.

[5] ALOTAIBI E，MUKHERJEE B.A survey on routing algorithms for wireless Ad-Hoc and mesh networks[J].Computer Networks，2012，56(2)：940-965.

[6] ZENKER P，KRUG S，BINHACK M，et al.Evaluation of BLE Mesh capabilities：A case study based on CSRMesh[C]//Eighth International Conference on Ubiquitous and Future Networks.2016：790-795.

[7] GUO S，HE L，GU Y，et al.Opportunistic flooding in low-duty-cycle wireless sensor networks with unreliable links[J].IEEE Transactions on Computers，2014，63(11)：2787-2802.

[8] GHADIMI E，LANDSIEDEL O，SOLDATI P，et al.Opportunistic routing in low duty-cycle wireless sensor networks[J].Acm Transactions on Sensor Networks，2016，10(4)：1-39.

[9] KIM H S，LEE J，JU W J.BLEmesh：A wireless mesh network protocol for bluetooth low energy devices[C]//International Conference on Future Internet of Things and Cloud，IEEE Computer Society，2015：558-563.

[10] SIRUR S，JUTURU P，GUPTA H P，et al.A mesh network for mobile devices using Bluetooth low energy[C]//IEEE Sensors，IEEE，2015：1-4.

[11] SIEKKINEN M，HIIENKARI M，NURMINEN J K，et al.How low energy is bluetooth low energy? Comparative measurements with ZigBee/802.15.4[C]//Wireless Communications and NETWORKING Conference Workshops.IEEE，2012：232-237.

[12] Bluetooth Special Interest Group，Bluetooth Technology adding Mesh Networking to Spur New Wave of Innovation[EB/OL].2015，https：//www.bluetooth.com/news/pressre-leases/2015/02/24/bluetoothtechnology-adding-mesh-networking-to-spur-new-wave-of-innovation.

作者信息:

徐春燕1，肖揚文2，蔡  敏1

（1.華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州510640；2.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局信息中心，北京100088）