0 引言

    自2012年藍牙4.0規范推出之后，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、心律監視器、傳感器物聯網等眾多領域，大大擴展藍牙技術的應用范圍^[1-2]。

    盡管BLE已經被廣泛應用于物聯網領域，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、組網能力差等問題。由于藍牙4.1規范中說明，一個BLE設備既可以在一個網絡中作為主設備，又可以在另一個網絡中作為從設備^[3]。因此，Mesh網絡可以利用BLE的這一特性，就可以在不需要連接的情況下傳輸數據，同時也可以發起廣播。在藍牙4.1規范中還提到，v4.1是以物聯網為目標對v4.0軟件升級，硬件上沒有任何改動，并且可以通過IPv6建立網絡連接，解決了在無WiFi情況下設備上網不易的問題。

    本文首先介紹了BLE Mesh網絡結構的特點優勢，然后綜合評述了影響BLE Mesh組網發展的關鍵因素，并分析了現有BLE Mesh技術的不足之處，在此基礎上對BLE Mesh技術的發展方向進行了展望。

1 Mesh的網絡結構特點

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

    多點對多點Mesh技術讓藍牙在組網能力上有了巨大的提升，基于BLE標準協議的Mesh網絡中數據收發的過程如圖3所示。

    圖3中的BLE邏輯鏈路控制和適配協議(L2CAP)主要負責節點設備兩端的邏輯連接，節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，通過發送掃描信息到BLE的廣播監聽者，從而傳到節點進行節點的傳播。同樣地，廣播管理者(Advertise Manager)負責發送節點的廣播的信息到目的節點。

    當每個Mesh的節點不在廣播數據的狀態，就是在接受數據的狀態，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節點需要廣播的時候，退出接收數據的狀態，正常收發的廣播的優先級要比轉發數據的優先級高。         

2 影響BLE 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點都是用廣播轉發收到的數據分組，其節點和節點之間的距離為50 m，通過節點的不斷一級一級廣播，最終到達目的節點^[7]。這種廣播式的洪泛路由算法對于動態的節點，進出網絡頻繁的場景下非常有效，但是，洪泛式的廣播會導致網絡中充斥著大量重復的數據，占用網絡資源，使得節點嚴重地消耗能量，整個網絡的生命周期也會受影響。

    針對傳統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，提高帶寬的利用率。例如： 將路由區域限定在指定區域內，在指定區域內再選擇下一節點的路由區域。這種方法可以有效降低網絡中節點的無用消耗，同時也可能出現在指定區域內找不到的節點的問題，所以需要更進一步去探討如何有效地限定區域。

2.1.2 機會路由算法

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

    路由算法設計的優劣直接決定了數據轉發的效率，不管是傳統的洪泛式路由算法，還是機會路由算法，在節點運動劇烈的情況下，往往得不到較優的網絡性能。

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，一組是數據(Data)信道。在連接建立之前，設備之間是通過廣播(Advertiser)信道交互數據的，當廣播者發送一個廣播包之后，它在同一信道上監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，數據之間的交互使用的是數據(Data)信道。

    傳統藍牙中，使用32個廣播信道和79個數據信道，每1 MHz一個頻道；而在BLE中，只用了3個廣播信道和37個數據信道，每2 MHz一個頻道。廣播信道的急劇減少是為了實現更低功耗，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據，整個系統將無法工作。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據的傳輸，將與低功耗的初衷背道而馳。

    BLE的3個廣播信道用于Mesh網絡中，則需重新考慮魯棒性的問題。隨著Mesh網絡的節點不斷增加，所有節點都只能共用3個廣播信道，此時，出現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low_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、連接以及實時數據包的處理。主時鐘hclk打開，若數據需要進行加密，加密時鐘crypt_clk也會打開。

    BLE設計采用睡眠模式來替代傳統藍牙的空閑狀態，在睡眠模式下，主機長時間處于超低的負載循環狀態，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據發送間隔加大，由此，BLE的待機功耗大大減小。但是在BLE的Mesh網絡中，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（協議棧記錄不可連接廣播發送的次數）<5時重新開始這個事件。每產生一次EVENTINT中斷，協議棧中的UNCON_ADV_CNT+1。

3 結論

    目前，BLE Mesh技術的宣傳很火熱，BLE Mesh技術的出現對于WiFi和ZigBee等無線傳輸技術來說，將成為一大挑戰。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，藍牙技術聯盟宣布成立藍牙智能Mesh工作小組，旨在為BLE建立Mesh網絡標準。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盟的標準之中，并且能夠普及在智能家居和物聯網的應用。

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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.國家質量監督檢驗檢疫總局信息中心，北京100088）