Что такое Bluetooth Mesh и как он работает

Bluetooth Mesh — это настоящая инновация BLE, конкурирующая с технологиями ZigBee и Thread, поддерживающими ячеистую архитектуру. Это стало возможным благодаря взаимосвязанным узлам. Эти узлы действуют как точки в децентрализованной сети, обмениваясь данными и расширяя охват и возможности сети. На заре развития Bluetooth Mesh существовали ожидания относительно того, насколько широко будет внедрена эта новая ячеистая технология — прогнозы появились сразу после запуска BLE Mesh в 2017 году. Многие говорили о том, что «ячеистые сети BLE» станут реальностью в течение нескольких лет. Несмотря на свой потенциал, они не испытали такого взрывного роста, как другие технологии BLE. 

Что такое технология Bluetooth Mesh?

Bluetooth Mesh — это Bluetooth, объединенный с ячеистой сетью.

Ячеистая сеть (Mesh), также известная как «многоадресная сеть», представляет собой сетевую топологию. В ячеистой сети данные могут передаваться от любого устройства ко всем остальным, обеспечивая связь по принципу «многие ко многим». Даже если одно устройство выходит из строя, сеть продолжает работать.

Bluetooth Mesh использует технологию Bluetooth Low Energy, которая появилась в Bluetooth 4.0. В 2017 году был выпущен официальный Bluetooth Mesh 1.0 (пока что последний). Следует отметить, что BLE Mesh — это не новая технология беспроводной связи, а сетевая технология. Она использует BLE и использует его стек протоколов связи.

В сетях Bluetooth Mesh используется управляемая лавинная маршрутизация. Устройства могут обмениваться данными в режимах «один к одному», «один ко многим» или «многие ко многим». Использование протокола BLE для связи между различными узлами сети позволяет создать сеть без «мёртвых зон» связи. Всё это позволяет сообщениям передаваться на большие расстояния, чем традиционный Bluetooth.

Как работает Bluetooth-сетка

В отличие от традиционных соединений типа «один к одному», Bluetooth Mesh создаёт сеть, в которой сообщения могут передаваться от устройства к устройству, пока не достигнут пункта назначения. Между двумя узлами устройства может существовать один или несколько маршрутов. BLE Mesh работает, широковещательно рассылая сообщения всем близлежащим узлам, которые затем ретранслируют их дальше. Этот процесс продолжается до тех пор, пока сообщение не достигнет пункта назначения.

Эта «управляемая рассылка» гарантирует, что сообщения дойдут до получателей, даже если некоторые устройства находятся вне зоны прямой досягаемости или выключены. Устройства могут публиковать сообщения на определённые адреса, а другие могут подписываться на их получение. Такая модель публикации-подписки обеспечивает эффективное групповое общение.

Основы Сетка Bluetooth сетей

Разобравшись с принципами работы Bluetooth Mesh, важно усвоить некоторые ключевые технические термины и концепции этой технологии. Давайте разберём некоторые из них:

• Nodes: Когда Bluetooth-устройство подключается к сети Bluetooth Mesh, оно становится «узлом». Узел является участником сети BLE Mesh.
• Elements: Каждый узел состоит из одного или нескольких «элементов». Элемент подобен функциональной единице внутри узла. Каждый узел состоит как минимум из одного элемента, но может состоять из нескольких элементов, если выполняет различные функции.
• Модели: Элементы содержат «модели», которые определяют конкретные функции или сервисы узла. Модели имеют уникальные идентификационные номера и определяют возможности узла. Существуют стандартные модели, определённые Bluetooth SIG, которые охватывают множество распространённых сценариев.
• Сообщение: Когда сообщения передаются между узлами, они фильтруются на основе соответствующих элементов и моделей.
• Адреса: Адреса используются для идентификации источника и получателя сообщений.

Типы узлов:

В ячеистой сети Bluetooth существует несколько типов узлов, каждый из которых выполняет определенные роли:

• Релейные узлы: Сообщения отправляются узлам, находящимся в прямой радиосвязи с публикующим узлом. Некоторые узлы выполняют функцию «ретрансляторов». Ретрансляторы ретранслируют сообщения, позволяя им передаваться дальше за несколько «прыжков».
• Дружественные узлы и узлы с низким энергопотреблением: LPN имеют жесткие ограничения по мощности. Чтобы избежать необходимости поддерживать повышенный рабочий цикл при приеме сообщений, LPN сотрудничает с Friend. Узлы Friend хранят сообщения для своих LPN и пересылают их при периодическом опросе LPN.
• Прокси-узлы: Устройства Bluetooth с низким энергопотреблением, такие как смартфоны, могут подключаться к ячеистой сети через прокси-узел.

Для ознакомления с более фундаментальными понятиями вы можете обратиться к глоссарию терминов, связанных с Bluetooth Mesh.

Архитектура сетчатой системы BLE

Архитектура протокола BLE Mesh состоит из семи уровней, основанных на базовой спецификации BLE, с которой вы уже знакомы. Однако она добавляет сложную функциональность верхнего уровня для создания сети взаимосвязанных устройств. Работа BLE Mesh зависит от доступности стека протоколов BLE.

Снизу вверх слои располагаются следующим образом:

1. Несущий слой
2. Сетевой уровень
3. Нижний транспортный уровень
4. Верхний транспортный уровень
5. Уровень доступа
6. Слой модели
7. Уровень приложений

Уровень носителя определяет, как сообщения отправляются и принимаются с использованием базового стека протоколов BLE. Он поддерживает два метода: рекламный носитель (PB-ADV) и носитель GATT (PB-GATT). Несколько промежуточных уровней выполняют критически важные задачи. К ним относятся шифрование и дешифрование данных, управление конфигурацией сети, сегментация и повторная сборка сообщений и т. д. Эти уровни гарантируют, что сообщения дойдут до получателей, даже если им необходимо пройти через несколько устройств.

Уровень моделей определяет стандартизированные типичные пользовательские сценарии, такие как управление освещением или считывание показаний датчиков. Уровень приложений, расположенный на самом верху, организует эти модели в полезные приложения, с которыми могут взаимодействовать конечные пользователи.

Преимущества и ограничения ячеистых сетей BLE

Сетка BLE удовлетворяет требованиям интеллектуального подключения: масштабируемость, энергосбережение, гибкость и безопасность. Однако это не универсальное решение, и, как любая технология, оно имеет свои сильные и слабые стороны.

Преимущества ячеистых сетей BLE

• Низкое энергопотребление: BLE-сетка, как и другие BLE-системы, отличается низким энергопотреблением. Поэтому ячеистая сеть хорошо подходит для покрытия больших площадей и экономии энергии.
• Устойчивость сетиВ ячеистой сети Bluetooth узлы устройств могут отключаться без серьёзных последствий. Если одно устройство отключается, исходный узел продолжает передавать данные. Адресат получит пакет с небольшой задержкой.
• Гибкость и самореконфигурация: Ячеистая сеть перестраивается сама. Эта гибкость иногда важнее гарантированной скорости и сокращения задержек.
• Мобильность узлов: В ячеистой сети BLE узлы могут менять своё положение без нарушения структуры и потери данных при передаче. Данные не дойдут до пункта назначения только в том случае, если узлы выйдут за пределы зоны действия приёмника.
• Совместимость: Узлы BLE-сети могут взаимодействовать с устройствами Bluetooth 4.x и 5.x. Устройства Bluetooth 4.x могут получать сообщения, но не могут стать полноценными узлами сети.
• Интеграция маяков: BLE-сетка тесно взаимодействует с Bluetooth-маяками. Маяки могут использоваться для позиционирования внутри и снаружи помещений, в сенсорных сетях и других приложениях.

Ограничения сети BLE с ячеистой топологией

• Низкая пропускная способность данных: Bluetooth Mesh имеет ограниченную скорость передачи данных. Она ограничена примерно 1 мегабитом в секунду или даже меньше. Это означает, что она не подходит для приложений, которым требуется более быстрая передача данных.
• Высокая задержка: В Bluetooth Mesh используется «управляемая лавинная рассылка», поэтому сообщения отправляются всем устройствам в сети. Достижение всех сообщений и получение ответов может занять много времени. Чем больше узлов, тем больше времени может потребоваться для ответа.
• Потребляемая мощность: Хотя часто считается, что Bluetooth потребляет меньше энергии, чем другие технологии, в ячеистых сетях это не всегда так. В ячеистых сетях много устройств. Устройства, выполняющие больше задач, расходуют больше заряда батареи. Это связано с тем, что им приходится постоянно прослушивать сообщения и отправлять их другим устройствам.
• Комплексное управление сетью: Настройка и управление ячеистой сетью Bluetooth сложны и требуют обширных специальных знаний.

Блютуз mэш против oтермо tтехнологии

Помимо BLE Mesh, другими популярными технологиями Mesh-сетей являются ZigBee и Thread. Эти технологии во многом схожи с BLE Mesh-сетями.

Thread, представленный в 2014 году, — это протокол ячеистых сетей на базе IPv6 для Интернета вещей. Он поддерживает до 32 маршрутизаторов в сети и до 511 устройств на маршрутизатор, что подходит для сетей высокой плотности. Thread — это решение с IP-адресацией, которое легко интегрируется с приложениями на базе IPv6 и обеспечивает высокую скорость передачи данных для локальных систем Интернета вещей.

ZigBee появился гораздо раньше, в 1998 году, и был стандартизирован в 2003 году. Это беспроводная сеть с низким энергопотреблением и низкой пропускной способностью. Её популярные области применения включают домашнюю автоматизацию, медицинское оборудование и промышленные приложения. ZigBee имеет максимальную скорость 250 кбит/с и поддерживает различные частоты и диапазоны мощности. Для работы ZigBee часто требуется шлюз, поэтому он редко встраивается в бытовую электронику.

Основные различия между Thread, Zigbee и Bluetooth Mesh:

• База протокола: BLE-сетка использует Bluetooth вместо интернет-протокола, тогда как Thread и Zigbee основаны на IP.
• Диапазоны частот: BLE-сетка работает в диапазоне 2.4 ГГц. ZigBee может использовать диапазоны 2.4 ГГц, 915 МГц или 868 МГц в зависимости от региона. Thread также работает в диапазоне 2.4 ГГц.
• Подход к обмену сообщениями: BLE-сетка использует управляемый поток сообщений, тогда как ZigBee и Thread используют механизмы маршрутизации.
• Использование оперативной памяти: Устройствам ZigBee и Thread требуется больше оперативной памяти для хранения таблиц маршрутизации.
• Плотность сети: BLE-сетка лучше подходит для сетей с низкой плотностью благодаря своему подходу к лавинному распределению. ZigBee и Thread больше подходят для сетей с высокой плотностью.
• Максимальная поддержка устройств: Thread может поддерживать до 511 устройств на маршрутизатор, с максимум 32 маршрутизаторами в сети. ZigBee теоретически может поддерживать до 65,000 32,000 узлов в одной сети. BLE-сетка может поддерживать более XNUMX XNUMX узлов.

Зачем использовать наши Bluetooth-сетевые устройства

Внедрение новых технологий может быть непростой задачей. Надеюсь, это руководство по Bluetooth-сетям поможет вам в этом. В MOKO SMART мы не просто поставщики, мы — пионеры в области технологии Bluetooth. Наш ассортимент устройств Bluetooth IoT включает в себя Bluetooth-маяки, якоря, шлюзы и датчики.

Как оригинальный производитель устройств Интернета вещей (IoT), мы предлагаем высококачественные и надёжные устройства для всех ваших потребностей в Bluetooth Mesh. Если вы рассматриваете возможность развёртывания решения BLE Mesh или ищете продукты BLE Mesh, свяжитесь с нами.

Часто задаваемые вопросы о Bluetooth-сетях

Сколько устройств может поддерживать сеть Bluetooth Mesh?

Одна сеть Bluetooth Mesh может поддерживать до 32,767 XNUMX устройств.

Могут ли сети Bluetooth Mesh взаимодействовать с устройствами Bluetooth, не поддерживающими Mesh?

Да, через прокси-узлы сети Bluetooth Mesh могут взаимодействовать с обычными устройствами Bluetooth Low Energy.