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)等眾多領域，大大擴展藍牙技術的應用范圍^[1-2],。

    盡管BLE已經(jīng)被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)領域,，但是仍然存在著點對點的拓撲結構的限制，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設備既可以在一個網(wǎng)絡中作為主設備,，又可以在另一個網(wǎng)絡中作為從設備^[3],。因此，Mesh網(wǎng)絡可以利用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)絡連接,，解決了在無WiFi情況下設備上網(wǎng)不易的問題。

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

1 Mesh的網(wǎng)絡結構特點

    無線Mesh網(wǎng)絡也稱為“多跳(multi-hop)”網(wǎng)絡,，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng)絡技術^[4]。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡主要是點對點或點對多點的星型網(wǎng)絡,，所有終端節(jié)點必須與中心節(jié)點交換數(shù)據(jù),，其拓撲結構如圖1,。而無線Mesh網(wǎng)絡采用對等式的網(wǎng)絡拓撲，每個節(jié)點與其相鄰節(jié)點進行通信,，并有數(shù)據(jù)轉發(fā)的功能,，其拓撲結構如圖2。無線Mesh網(wǎng)絡的可擴展性強,，如果需要向網(wǎng)絡中新增節(jié)點,，只需將新增節(jié)點安裝并進行相應的配置^[5-6]。無線Mesh網(wǎng)絡的可靠性也極高,，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)絡的運行，可以有效避免單點故障,。

    多點對多點Mesh技術讓藍牙在組網(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)先級要比轉發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高,。         

2 影響B(tài)LE Mesh技術的關鍵因素

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)絡頻繁的場景下非常有效,，但是,，洪泛式的廣播會導致網(wǎng)絡中充斥著大量重復的數(shù)據(jù)，占用網(wǎng)絡資源，使得節(jié)點嚴重地消耗能量,，整個網(wǎng)絡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，在指定區(qū)域內再選擇下一節(jié)點的路由區(qū)域,。這種方法可以有效降低網(wǎng)絡中節(jié)點的無用消耗,，同時也可能出現(xiàn)在指定區(qū)域內找不到的節(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,，一是后備轉發(fā)節(jié)點集,，若后備轉發(fā)節(jié)點過多，會導致數(shù)據(jù)重復發(fā)送的問題,，若后備轉發(fā)節(jié)點過少,，則不利于提高數(shù)據(jù)分組的轉發(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,。三是后備轉發(fā)節(jié)點間的協(xié)調,，正確接收到數(shù)據(jù)包的后備轉發(fā)節(jié)點根據(jù)其優(yōu)先級回復ACK應答幀，最先發(fā)送ACK的節(jié)點成為實際轉發(fā)節(jié)點^[10],。

    路由算法設計的優(yōu)劣直接決定了數(shù)據(jù)轉發(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掃描其他設備開啟的時間遠遠低于傳統(tǒng)藍牙的開啟時間,。BLE技術設計的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1個廣播信道,，假設該信道被其他設備阻塞,，則設備無法配對或者廣播數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)將無法工作,。如果信道設定的過多,，該設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)絡中,，則需重新考慮魯棒性的問題。隨著Mesh網(wǎng)絡的節(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 睡眠模式的關閉

    BLE有三種工作模式：一是關閉模式,，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定的睡眠時間或者有wake_up喚醒請求,，睡眠模式才能轉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 結論

    目前，BLE Mesh技術的宣傳很火熱,，BLE Mesh技術的出現(xiàn)對于WiFi和ZigBee等無線傳輸技術來說,，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)絡標準,。雖然BLE Mesh目前還存在著許多問題，但是隨著BLE Mesh技術的不斷進步,，相信在不久的將來,，BLE Mesh能夠納入藍牙技術聯(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.國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局信息中心,，北京100088）