Was ist Bluetooth Mesh und wie funktioniert es?

Bluetooth Mesh ist eine echte Innovation von BLE und konkurriert mit den mesh-fähigen Zigbee- und Thread-Technologien. Möglich wird dies im Wesentlichen durch miteinander verbundene Knoten. Diese Knoten fungieren als Punkte in einem dezentralen Netzwerk, teilen Daten und erweitern dessen Reichweite und Leistungsfähigkeit. In den Anfängen von Bluetooth Mesh gab es Erwartungen hinsichtlich der Verbreitung dieser neuen Mesh-Technologie – Prognosen, die erst seit der Einführung von BLE Mesh im Jahr 2017 gemacht wurden. Viele sprachen davon, dass „BLE Mesh-Netzwerke“ innerhalb weniger Jahre Realität werden würden. Trotz ihres Potenzials hat sie bisher nicht das explosive Wachstum anderer BLE-Technologien erlebt. 

Was ist Bluetooth Mesh-Technologie

Bluetooth Mesh ist eine Kombination aus Bluetooth und Mesh-Netzwerken.

Ein Mesh-Netzwerk, auch bekannt als „Multi-Hop-Netzwerk“, ist eine Netzwerktopologie. In einem Mesh-Netzwerk können Daten von jedem Gerät zu allen anderen übertragen werden, wodurch eine Many-to-Many-Kommunikation ermöglicht wird. Selbst bei einem Geräteausfall funktioniert das Netzwerk weiter.

Bluetooth Mesh nutzt Bluetooth Low Energy, das mit Bluetooth 4.0 eingeführt wurde. 2017 wurde die offizielle Version Bluetooth Mesh 1.0 veröffentlicht (bislang die aktuellste). BLE Mesh ist keine neue drahtlose Kommunikationstechnologie, sondern eine Netzwerktechnologie. Es nutzt und basiert auf BLE und dessen Kommunikationsprotokollstapel.

Bluetooth-Mesh-Netzwerke nutzen Managed Flooding. Geräte können eins-zu-eins, eins-zu-viele oder viele-zu-viele kommunizieren. Durch die Verwendung des BLE-Protokolls für die Kommunikation zwischen verschiedenen Netzwerkknoten entsteht ein Netzwerk ohne Kommunikationslücken. All dies ermöglicht Nachrichten eine größere Reichweite als herkömmliches Bluetooth.

Wie funktioniert Bluetooth Mesh

Im Gegensatz zu herkömmlichen Eins-zu-eins-Verbindungen erstellt Bluetooth Mesh ein Netzwerk, in dem Nachrichten von Gerät zu Gerät bis zu ihrem Ziel weitergeleitet werden können. Zwischen zwei Geräteknoten können eine oder mehrere Routen bestehen. BLE Mesh sendet Nachrichten an alle Knoten in der Nähe, die sie dann weiterleiten. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die Nachricht ihr(e) Ziel(e) erreicht.

Dieses „kontrollierte Flooding“ stellt sicher, dass Nachrichten ihre Empfänger erreichen, selbst wenn sich einige Geräte außerhalb der direkten Reichweite befinden oder ausgeschaltet sind. Geräte können Nachrichten an bestimmte Adressen senden, und andere können sich für den Empfang anmelden. Dieses Publish-Subscribe-Muster ermöglicht eine effiziente Gruppenkommunikation.

Die Grundlagen von Bluetooth-Mesh Vernetzung

Nachdem Sie verstanden haben, wie Bluetooth Mesh funktioniert, ist es wichtig, einige wichtige technische Begriffe und Konzepte dieser Technologie zu verstehen. Lassen Sie uns einige davon näher erläutern:

• Nodes: Wenn ein Bluetooth-Gerät einem Bluetooth Mesh-Netzwerk beitritt, wird es zu einem „Knoten“. Der Knoten ist ein Teilnehmer am BLE Mesh-Netzwerk.
• Elements Serie.: Jeder Knoten besteht aus einem oder mehreren „Elementen“. Ein Element ist wie eine Funktionseinheit innerhalb des Knotens. Jeder Knoten hat mindestens ein Element, kann aber auch mehrere Elemente haben, wenn er verschiedene Funktionen erfüllt.
• Models: Elemente enthalten „Modelle“, die bestimmte Verhaltensweisen oder Dienste des Knotens definieren. Modelle haben eindeutige ID-Nummern und bestimmen, was ein Knoten tun kann. Es gibt von der Bluetooth SIG definierte Standardmodelle, die viele gängige Szenarien abdecken.
• Nachricht: Wenn Nachrichten zwischen Knoten gesendet werden, werden sie basierend auf übereinstimmenden Elementen und Modellen gefiltert.
• Adressen: Adressen werden verwendet, um die Quelle und das Ziel von Nachrichten zu identifizieren.

Knotentypen:

In einem Bluetooth-Mesh-Netzwerk gibt es mehrere Knotentypen mit jeweils spezifischen Rollen:

• Relaisknoten: Nachrichten werden an Knoten in direkter Funkreichweite des veröffentlichenden Knotens gesendet. Einige Knoten fungieren als „Relais“. Relais leiten Nachrichten weiter, damit sie in mehreren „Sprüngen“ weiterreisen können.
• Friend Nodes und Low Power Nodes: LPNs sind stark stromsparend. Um einen höheren Arbeitszyklus für den Nachrichtenempfang zu vermeiden, arbeitet ein LPN mit einem Friend zusammen. Friend-Knoten speichern Nachrichten für ihre LPNs und leiten sie weiter, wenn das LPN gelegentlich abfragt.
• Proxy-Knoten: Bluetooth Low Energy-Geräte wie Smartphones können über einen Proxy-Knoten eine Verbindung zu einem Mesh-Netzwerk herstellen.

Um mehr über die grundlegenden Konzepte zu erfahren, können Sie das Bluetooth-Mesh-Glossar konsultieren.

Die BLE-Mesh-Systemarchitektur

Die BLE Mesh-Protokollarchitektur besteht aus sieben Schichten und basiert auf der Ihnen bereits bekannten BLE-Kernspezifikation. Sie ergänzt jedoch anspruchsvolle Funktionen der oberen Schichten, um ein Netzwerk miteinander verbundener Geräte zu schaffen. BLE Mesh basiert auf der Verfügbarkeit des BLE-Protokollstapels.

Von unten nach oben sind die Schichten wie folgt:

1. Trägerschicht
2. Netzwerkschicht
3. Untere Transportschicht
4. Obere Transportschicht
5. Zugriffsschicht
6. Modellebene
7. Anwendungsschicht

Die Trägerschicht definiert, wie Nachrichten mithilfe des zugrunde liegenden BLE-Protokollstapels gesendet und empfangen werden. Sie unterstützt zwei Methoden: Advertising Bearer (PB-ADV) und GATT Bearer (PB-GATT). Mehrere Zwischenschichten übernehmen kritische Aufgaben. Dazu gehören das Ver- und Entschlüsseln von Daten, die Verwaltung der Netzwerkkonfiguration sowie die Segmentierung und Reassemblierung von Nachrichten usw. Diese Schichten stellen sicher, dass Nachrichten ihre beabsichtigten Ziele erreichen, auch wenn sie mehrere Geräte durchlaufen müssen.

Die Modellschicht definiert standardisierte typische Benutzerszenarien, wie etwa die Steuerung der Beleuchtung oder das Auslesen von Sensoren. Die Anwendungsschicht, die ganz oben positioniert ist, organisiert diese Modelle in nützliche Anwendungen, mit denen Endbenutzer interagieren können.

Vorteile und Einschränkungen von BLE-Mesh-Netzwerken

BLE Mesh erfüllt die Anforderungen intelligenter Konnektivität – großflächig, stromsparend, flexibel und sicher. Es handelt sich jedoch nicht um eine Universallösung und hat wie jede Technologie ihre Stärken und Schwächen.

Vorteile von BLE-Mesh-Netzwerken

• Geringer Stromverbrauch: BLE-Mesh zeichnet sich wie andere BLE-Systeme durch einen geringen Stromverbrauch aus. Daher eignet sich ein Mesh-Netzwerk gut für die Abdeckung großer Flächen und spart gleichzeitig Energie.
• Netzwerkresilienz: In einem Bluetooth-Mesh-Netzwerk können Geräteknoten ohne größere Auswirkungen getrennt werden. Fällt ein Gerät aus, sendet der ursprüngliche Knoten die Daten weiter. Der Empfänger empfängt das Paket mit einer kurzen Verzögerung.
• Flexibilität und Selbstrekonfiguration: Das Mesh-Netzwerk konfiguriert sich selbst neu. Diese Flexibilität ist manchmal wichtiger als garantierte Geschwindigkeit und kürzere Verzögerungen.
• Knotenmobilität: In einem BLE-Mesh-Netzwerk können Knoten ihre Position ändern, ohne die Struktur zu stören oder Daten während der Übertragung zu verlieren. Daten erreichen ihr Ziel nur dann nicht, wenn sich Knoten außerhalb der Reichweite des Empfängers bewegen.
• Kompatibilität: BLE-Mesh-Knoten können sowohl mit Bluetooth 4.x- als auch mit 5.x-Geräten kommunizieren. Bluetooth 4.x-Geräte können Nachrichten empfangen, aber keine vollwertigen Knoten des Netzwerks werden.
• Beacon-Integration: BLE Mesh arbeitet eng mit Bluetooth-Beacons zusammen. Beacons können für die Positionierung im Innen- und Außenbereich, Sensornetzwerke und andere Anwendungen eingesetzt werden.

Einschränkungen von BLE-Mesh-Netzwerken

• Geringer DatendurchsatzBluetooth Mesh hat begrenzte Datenübertragungsraten. Die Datenübertragungsrate liegt bei etwa 1 Megabit pro Sekunde oder sogar darunter. Daher ist es nicht für Anwendungen geeignet, die eine schnellere Datenübertragung benötigen.
• Hohe Latenz: Bluetooth Mesh verwendet „Managed Flooding“, sodass Nachrichten an alle Geräte im Netzwerk gesendet werden. Es kann lange dauern, bis Nachrichten alle Geräte erreichen und Antworten erhalten. Je mehr Knoten, desto länger kann die Antwortzeit sein.
• LeistungsaufnahmeBluetooth wird oft als stromsparender als andere Technologien angesehen, doch in einem Mesh-Netzwerk trifft dies nicht immer zu. In einem Mesh-Netzwerk gibt es viele Geräte. Geräte, die mehr Aufgaben übernehmen, verbrauchen mehr Akkuleistung. Das liegt daran, dass sie ständig Nachrichten empfangen und an andere Geräte senden müssen.
• Komplexes Netzwerkmanagement: Die Einrichtung und Verwaltung eines Bluetooth Mesh-Netzwerks ist kompliziert und erfordert umfangreiche Fachkenntnisse.

Bluetooth mesh vs other tTechnologien

Neben BLE Mesh sind Zigbee und Thread weitere beliebte Mesh-Netzwerktechnologien. Diese Technologien weisen viele Ähnlichkeiten mit BLE Mesh Networking auf.

Thread wurde 2014 eingeführt und ist ein IPv6-basiertes Mesh-Netzwerkprotokoll für das IoT. Es unterstützt bis zu 32 Router pro Netzwerk und 511 Geräte pro Router und eignet sich für hochdichte Mesh-Netze. Als IP-adressierbare Lösung lässt sich Thread problemlos in IPv6-basierte Anwendungen integrieren und bietet hohe Datenraten für lokale IoT-Systeme.

Zigbee erschien bereits 1998 und wurde 2003 standardisiert. Es handelt sich um ein drahtloses Netzwerk mit geringem Stromverbrauch und geringer Bandbreite. Beliebte Anwendungen sind die Hausautomation, medizinische Geräte und industrielle Anwendungen. Es hat eine maximale Übertragungsrate von 250 Kbit/s und unterstützt verschiedene Frequenzen und Leistungsbereiche. Zigbee benötigt oft ein Gateway und wird daher selten in die Integration von Unterhaltungselektronik integriert.

Hauptunterschiede zwischen Thread, Zigbee und Bluetooth Mesh:

• Protokollbasis: BLE Mesh verwendet Bluetooth anstelle des Internetprotokolls, während Thread und Zigbee IP-basiert sind.
• Frequenz-Bänder: BLE Mesh arbeitet im 2.4-GHz-Band. Zigbee kann je nach Region die Bänder 2.4 GHz, 915 MHz oder 868 MHz nutzen. Thread arbeitet ebenfalls im 2.4-GHz-Band.
• Messaging-Ansatz: BLE Mesh verwendet verwaltetes Flood Messaging, während Zigbee und Thread Routing-Mechanismen verwenden.
• RAM-Auslastung: Zigbee- und Thread-Geräte benötigen mehr RAM zum Speichern von Routing-Tabellen.
• Netzwerkdichte: BLE Mesh eignet sich aufgrund seines Flooding-Ansatzes besser für Mesh-Netze mit geringer Dichte. Zigbee und Thread eignen sich besser für Netzwerke mit hoher Dichte.
• Maximale GeräteunterstützungThread unterstützt bis zu 511 Geräte pro Router, maximal 32 Router pro Netzwerk. Zigbee unterstützt theoretisch bis zu 65,000 Knoten in einem einzigen Netzwerk. BLE Mesh unterstützt über 32,000 Knoten.

Warum Sie unsere Bluetooth-Mesh-Geräte verwenden sollten

Die Einführung neuer Technologien kann eine Herausforderung sein. Ich hoffe, dieser Bluetooth Mesh-Leitfaden kann Ihnen einige Ideen geben. Bei MOKO SMART sind wir nicht nur Lieferanten; wir sind Pioniere der Bluetooth-Technologie. Unser Angebot an Bluetooth-IoT-Geräten umfasst Bluetooth-Beacons, Anker, Gateways und Sensoren.

Als Originalhersteller von IoT-Geräten bieten wir hochwertige und zuverlässige Geräte für alle Ihre Bluetooth-Mesh-Anforderungen. Wenn Sie die Einführung einer BLE-Mesh-Lösung in Erwägung ziehen oder BLE-Mesh-Produkte suchen, kontaktieren Sie uns gerne.

FAQs zu Bluetooth Mesh

Wie viele Geräte kann ein Bluetooth Mesh-Netzwerk unterstützen?

Ein einzelnes Bluetooth Mesh-Netzwerk kann bis zu 32,767 Geräte unterstützen.

Können Bluetooth Mesh-Netzwerke mit Nicht-Mesh-Bluetooth-Geräten interagieren?

Ja, über Proxy-Knoten können Bluetooth Mesh-Netzwerke mit regulären Bluetooth Low Energy-Geräten interagieren.