Qu'est-ce que Bluetooth Mesh et comment fonctionne-t-il ?

Bluetooth Mesh est une véritable innovation du BLE, concurrent des technologies Zigbee et Thread compatibles avec le maillage. Ce fonctionnement est essentiellement rendu possible par l'interconnexion de nœuds. Ces nœuds agissent comme des points d'accès au sein d'un réseau décentralisé, partageant des données et étendant la portée et les capacités du réseau. Dès les débuts du Bluetooth Mesh, l'ampleur de l'adoption de cette nouvelle technologie maillée était anticipée – des projections réalisées seulement après le lancement du maillage BLE en 2017. Nombreux étaient ceux qui parlaient de la concrétisation des « réseaux maillés BLE » d'ici quelques années. Malgré son potentiel, cette technologie n'a pas connu la croissance explosive observée par les autres technologies BLE. 

Qu'est-ce que la technologie Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh est un Bluetooth combiné à un réseau maillé.

Un réseau maillé, également appelé « réseau multi-sauts », est une topologie réseau. Dans un réseau maillé, les données peuvent circuler d'un appareil à l'autre, assurant ainsi une communication multi-appareils. Même en cas de panne d'un appareil, le réseau continue de fonctionner.

Bluetooth Mesh utilise le Bluetooth Low Energy, intégré à Bluetooth 4.0. La version officielle Bluetooth Mesh 2017 est sortie en 1.0 (elle reste la plus récente à ce jour). Il est clair que le BLE Mesh n'est pas une nouvelle technologie de communication sans fil, mais une technologie réseau. Il utilise et s'appuie sur le BLE et sa pile de protocoles de communication.

Les réseaux maillés Bluetooth utilisent le flooding géré. Les appareils peuvent communiquer de un à un, de un à plusieurs ou de plusieurs à plusieurs. L'utilisation du protocole BLE pour la communication entre les différents nœuds du réseau permet de former un réseau sans zones mortes. Tous ces éléments permettent aux messages de voyager plus loin qu'avec le Bluetooth traditionnel.

Comment fonctionne le maillage Bluetooth

Contrairement aux connexions individuelles traditionnelles, le maillage Bluetooth crée un réseau où les messages peuvent transiter d'un appareil à l'autre jusqu'à leur destination. Une ou plusieurs routes peuvent exister entre deux nœuds d'appareils. Le maillage BLE fonctionne en diffusant les messages à tous les nœuds proches, qui les relaient ensuite. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le message atteigne sa ou ses destinations.

Ce « flooding géré » garantit que les messages atteignent leurs cibles, même si certains appareils sont hors de portée ou éteints. Les appareils peuvent publier des messages à des adresses spécifiques, et d'autres peuvent s'abonner pour les recevoir. Ce modèle de publication-abonnement permet une communication de groupe efficace.

Les bases de maille Bluetooth de mise en réseau

Après avoir compris le fonctionnement du Bluetooth Mesh, il est important de comprendre certains termes et concepts techniques clés de cette technologie. En voici quelques-uns :

• Nodes: Lorsqu'un appareil Bluetooth rejoint un réseau maillé Bluetooth, il devient un « nœud ». Le nœud est un participant au réseau maillé BLE.
• ÉlémentsChaque nœud est composé d'un ou plusieurs « éléments ». Un élément est comme une unité fonctionnelle au sein du nœud. Chaque nœud possède au moins un élément, mais il peut en avoir plusieurs s'il remplit différentes fonctions.
• ModèlesLes éléments contiennent des « modèles », qui définissent les comportements ou services spécifiques du nœud. Ces modèles possèdent des identifiants uniques et déterminent les capacités d'un nœud. Il existe des modèles standard définis par le Bluetooth SIG qui couvrent de nombreux scénarios courants.
• Message:Lorsque des messages sont envoyés entre des nœuds, ils sont filtrés en fonction des éléments et des modèles correspondants.
• Adresses:Les adresses sont utilisées pour identifier la source et la destination des messages.

Types de nœuds :

Dans un réseau maillé Bluetooth, il existe plusieurs types de nœuds, chacun ayant des rôles spécifiques :

• Nœuds relaisLes messages sont envoyés aux nœuds à portée radio directe du nœud émetteur. Certains nœuds fonctionnent comme des « relais ». Ces relais retransmettent les messages afin qu'ils puissent voyager plus loin, en plusieurs « sauts ».
• Nœuds amis et nœuds basse consommationLes LPN sont très limités en termes de puissance. Pour éviter de maintenir un cycle de service élevé pour la réception des messages, un LPN s'associe à un nœud ami. Les nœuds amis stockent les messages de leurs LPN et les transmettent lorsque le LPN les interroge occasionnellement.
• Nœuds proxy:Les appareils Bluetooth à faible consommation d'énergie, tels que les smartphones, peuvent se connecter à un réseau maillé via un nœud proxy.

Pour en savoir plus sur les concepts fondamentaux, vous pouvez vous référer au glossaire Bluetooth mesh.

L'architecture du système maillé BLE

L'architecture du protocole BLE Mesh se compose de sept couches, basées sur la spécification de base BLE que vous connaissez déjà. Cependant, elle ajoute des fonctionnalités de couche supérieure sophistiquées pour créer un réseau d'appareils interconnectés. Le maillage BLE repose sur la disponibilité de la pile de protocoles BLE.

De bas en haut, les couches sont les suivantes :

1. Couche porteuse
2. Couche de réseau
3. Couche de transport inférieure
4. Couche de transport supérieure
5. Couche d'accès
6. Couche de modèle
7. Couche d'application

La couche porteur définit la manière dont les messages sont envoyés et reçus via la pile de protocoles BLE sous-jacente. Elle prend en charge deux méthodes : le porteur publicitaire (PB-ADV) et le porteur GATT (PB-GATT). Plusieurs couches intermédiaires gèrent des tâches critiques, notamment le chiffrement et le déchiffrement des données, la gestion de la configuration réseau, la segmentation et le réassemblage des messages. Ces couches garantissent que les messages atteignent leurs destinataires, même s'ils doivent traverser plusieurs appareils.

La couche Modèle définit des scénarios utilisateur standardisés, tels que le contrôle de l'éclairage ou la lecture de capteurs. La couche Application, située tout en haut, organise ces modèles en applications utiles avec lesquelles les utilisateurs finaux peuvent interagir.

Avantages et limites du réseau maillé BLE

Le maillage BLE répond aux exigences d'une connectivité intelligente : à grande échelle, basse consommation, flexible et sécurisée. Cependant, il ne s'agit pas d'une solution universelle et, comme toute technologie, elle présente des avantages et des inconvénients.

Avantages du réseau maillé BLE

• Faible consommation d'énergieLe maillage BLE, comme les autres systèmes BLE, présente une faible consommation d'énergie. Par conséquent, un réseau maillé est efficace pour couvrir de vastes zones tout en économisant de l'énergie.
• Résilience du réseau: Dans un réseau maillé Bluetooth, les nœuds d'appareils peuvent se déconnecter sans impact majeur. Si l'un des appareils se déconnecte, le nœud initial continue de diffuser les données. Le destinataire reçoit le paquet avec un bref délai.
• Flexibilité et auto-reconfiguration:Le réseau maillé se reconfigure. Cette flexibilité est parfois plus importante que la garantie d'une vitesse et de délais plus courts.
• Mobilité des nœudsDans un réseau maillé BLE, les nœuds peuvent changer de position sans perturber la structure ni perdre de données en transit. Les données ne parviendront à destination que si les nœuds se déplacent hors de portée du récepteur.
• Compatibilité: Les nœuds maillés BLE peuvent communiquer avec les appareils Bluetooth 4.x et 5.x. Les appareils Bluetooth 4.x peuvent recevoir des messages, mais ne peuvent pas devenir des nœuds à part entière du réseau.
• Intégration de BeaconLe maillage BLE fonctionne en étroite collaboration avec les balises Bluetooth. Ces dernières peuvent être utilisées pour le positionnement intérieur/extérieur, les réseaux de capteurs et d'autres applications.

Limites des réseaux maillés BLE

• Faible débit de donnéesLe Bluetooth Mesh a des débits de transfert de données limités, à environ 1 mégabit par seconde, voire moins. Il n'est donc pas adapté aux applications nécessitant un transfert de données plus rapide.
• Latence élevéeLe réseau maillé Bluetooth utilise le « managed flooding », c'est-à-dire que les messages sont envoyés à tous les appareils du réseau. Le temps d'envoi des messages et de réponse peut être long. Plus le nombre de nœuds est élevé, plus le temps de réponse peut être long.
• Consommation d'énergie:Si le Bluetooth est souvent considéré comme moins énergivore que d'autres technologies, ce n'est pas toujours le cas dans un réseau maillé. Dans un réseau maillé, les appareils sont nombreux. Les appareils les plus sollicités consomment davantage de batterie, car ils doivent constamment écouter les messages et les transmettre aux autres appareils.
• Gestion de réseau complexe:La configuration et la gestion d'un réseau maillé Bluetooth sont compliquées et nécessitent des connaissances spécialisées approfondies.

Bluetooth mesh contre oTher ttechnologies

Outre le maillage BLE, d'autres technologies de réseau maillé populaires incluent Zigbee et Thread. Ces technologies partagent de nombreuses similitudes avec le maillage BLE.

Thread, lancé en 2014, est un protocole de réseau maillé IPv6 pour l'IoT. Il prend en charge jusqu'à 32 routeurs par réseau et 511 appareils par routeur, ce qui le rend adapté aux réseaux maillés haute densité. Solution adressable par IP, Thread s'intègre facilement aux applications IPv6 et offre des débits de données élevés pour les systèmes IoT locaux.

Zigbee est apparu bien plus tôt, en 1998, puis a été normalisé en 2003. Il s'agit d'un réseau sans fil à faible consommation et faible bande passante. Parmi ses applications courantes figurent la domotique, les appareils médicaux et les applications industrielles. Son débit maximal est de 250 kbit/s et il prend en charge diverses fréquences et plages de puissance. Zigbee nécessite souvent une passerelle ; il est donc rarement intégré aux systèmes d'électronique grand public.

Principales différences entre Thread, Zigbee et Bluetooth Mesh :

• Base de protocole: BLE mesh utilise Bluetooth au lieu du protocole Internet, tandis que Thread et Zigbee sont basés sur IP.
• Bandes de fréquencesLe maillage BLE fonctionne sur la bande 2.4 GHz. Zigbee peut utiliser les bandes 2.4 GHz, 915 MHz ou 868 MHz selon la région. Thread fonctionne également sur la bande 2.4 GHz.
• Approche de messagerie:Le maillage BLE utilise la messagerie de débordement gérée, tandis que Zigbee et Thread utilisent des mécanismes de routage.
• RAM Utilisation:Les appareils Zigbee et Thread nécessitent plus de RAM pour stocker les tables de routage.
• Densité du réseauLe maillage BLE est plus adapté aux réseaux maillés à faible densité grâce à son approche par inondation. Zigbee et Thread sont plus adaptés aux réseaux à haute densité.
• Prise en charge maximale des appareilsThread peut prendre en charge jusqu'à 511 appareils par routeur, avec un maximum de 32 routeurs par réseau. Zigbee peut théoriquement prendre en charge jusqu'à 65,000 32,000 nœuds sur un même réseau. Le maillage BLE peut prendre en charge plus de XNUMX XNUMX nœuds.

Pourquoi utiliser nos appareils Bluetooth Mesh

Adopter une nouvelle technologie peut s'avérer complexe. J'espère que ce guide sur le maillage Bluetooth vous donnera des idées. Chez MOKO SMART, nous ne sommes pas que des fournisseurs ; nous sommes des pionniers de la technologie Bluetooth. Notre gamme d'appareils IoT Bluetooth comprend des balises, des ancres, des passerelles et des capteurs Bluetooth.

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FAQ sur le maillage Bluetooth

Combien d'appareils un réseau Bluetooth Mesh peut-il prendre en charge ?

Un seul réseau Bluetooth Mesh peut prendre en charge jusqu'à 32,767 XNUMX appareils.

Les réseaux Bluetooth Mesh peuvent-ils interagir avec des appareils Bluetooth non maillés ?

Oui, via des nœuds proxy, les réseaux Bluetooth Mesh peuvent interagir avec les appareils Bluetooth Low Energy classiques.