BLE Mesh网络协议综述

0 引言

    自2012年蓝牙4.0规范推出之后，全新的蓝牙低功耗（BLE）技术由于其极低的运行和待机功耗、低成本和跨厂商互操作性，3 ms低延迟、AES-128加密等诸多特色，可以用于计步器、心律监视器、传感器物联网等众多领域，大大扩展蓝牙技术的应用范围^[1-2]。

    尽管BLE已经被广泛应用于物联网领域，但是仍然存在着点对点的拓扑结构的限制，以及传输距离短、组网能力差等问题。由于蓝牙4.1规范中说明，一个BLE设备既可以在一个网络中作为主设备，又可以在另一个网络中作为从设备^[3]。因此，Mesh网络可以利用BLE的这一特性，就可以在不需要连接的情况下传输数据，同时也可以发起广播。在蓝牙4.1规范中还提到，v4.1是以物联网为目标对v4.0软件升级，硬件上没有任何改动，并且可以通过IPv6建立网络连接，解决了在无WiFi情况下设备上网不易的问题。

    本文首先介绍了BLE Mesh网络结构的特点优势，然后综合评述了影响BLE Mesh组网发展的关键因素，并分析了现有BLE Mesh技术的不足之处，在此基础上对BLE Mesh技术的发展方向进行了展望。

1 Mesh的网络结构特点

    无线Mesh网络也称为“多跳(multi-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术^[4]。传统的无线网络主要是点对点或点对多点的星型网络，所有终端节点必须与中心节点交换数据，其拓扑结构如图1。而无线Mesh网络采用对等式的网络拓扑，每个节点与其相邻节点进行通信，并有数据转发的功能，其拓扑结构如图2。无线Mesh网络的可扩展性强，如果需要向网络中新增节点，只需将新增节点安装并进行相应的配置^[5-6]。无线Mesh网络的可靠性也极高，如果某个节点上行有线链路出现故障，不会影响整个网络的运行，可以有效避免单点故障。

    多点对多点Mesh技术让蓝牙在组网能力上有了巨大的提升，基于BLE标准协议的Mesh网络中数据收发的过程如图3所示。

    图3中的BLE逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)主要负责节点设备两端的逻辑连接，节点的新增或减少通过BLE的L2CAP控制。扫描管理(Scan Manager)负责广播信道上的广播信息，通过发送扫描信息到BLE的广播监听者，从而传到节点进行节点的传播。同样地，广播管理者(Advertise Manager)负责发送节点的广播的信息到目的节点。

    当每个Mesh的节点不在广播数据的状态，就是在接受数据的状态，即在一个广播事件中BLE设备充当Advertiser 角色，也充当着Scanner角色。当Mesh节点需要广播的时候，退出接收数据的状态，正常收发的广播的优先级要比转发数据的优先级高。         

2 影响BLE Mesh技术的关键因素

2.1 路由选择算法

2.1.1 CSR Mesh的洪泛式路由算法

    基于蓝牙4.0的CSR Mesh组网技术采用的是最简单最可靠的洪泛式路由算法^[6]。洪泛式路由算法又称为扩散法，其基本思想是每个节点都是用广播转发收到的数据分组，其节点和节点之间的距离为50 m，通过节点的不断一级一级广播，最终到达目的节点^[7]。这种广播式的洪泛路由算法对于动态的节点，进出网络频繁的场景下非常有效，但是，洪泛式的广播会导致网络中充斥着大量重复的数据，占用网络资源，使得节点严重地消耗能量，整个网络的生命周期也会受影响。

    针对传统的广播式洪泛算法缺陷，需要作出改进来避免无用的重复转发，提高带宽的利用率。例如： 将路由区域限定在指定区域内，在指定区域内再选择下一节点的路由区域。这种方法可以有效降低网络中节点的无用消耗，同时也可能出现在指定区域内找不到的节点的问题，所以需要更进一步去探讨如何有效地限定区域。

2.1.2 机会路由算法

    机会路由算法的基本思想是每次数据包转发给一组节点，从这一组节点中选出最优节点，再从这一最优节点转发到下一组节点中，如此重复到目的节点接收到数据包，可以大大提高数据分组传输成功率^[8]。机会路由算法的优劣取决于多个方面的因素，一是后备转发节点集，若后备转发节点过多，会导致数据重复发送的问题，若后备转发节点过少，则不利于提高数据分组的转发率^[9]。二是节点组中最优节点的选择，确定最优节点的关键是能够反映节点发送能力的度量参数。度量参数主要包括空时变量、期望传输时间、期望传输次数、跳数、地理距离等。三是后备转发节点间的协调，正确接收到数据包的后备转发节点根据其优先级回复ACK应答帧，最先发送ACK的节点成为实际转发节点^[10]。

    路由算法设计的优劣直接决定了数据转发的效率，不管是传统的洪泛式路由算法，还是机会路由算法，在节点运动剧烈的情况下，往往得不到较优的网络性能。

2.2 广播信道的局限

    蓝牙工作在免许可的2.4 GHz的ISM射频频段。其物理信道分为两组：一组是广播(Advertiser)信道，一组是数据(Data)信道。在连接建立之前，设备之间是通过广播(Advertiser)信道交互数据的，当广播者发送一个广播包之后，它在同一信道上监听连接请求包或者扫描请求包，当正确接收到连接请求包之后，连接开始建立。在连接成功建立之后，数据之间的交互使用的是数据(Data)信道。

    传统蓝牙中，使用32个广播信道和79个数据信道，每1 MHz一个频道；而在BLE中，只用了3个广播信道和37个数据信道，每2 MHz一个频道。广播信道的急剧减少是为了实现更低功耗，这意味着BLE扫描其他设备开启的时间远远低于传统蓝牙的开启时间。BLE技术设计的3个广播信道是为了在鲁棒性和低功耗之间取得平衡。在BLE中，如果只设1个广播信道，假设该信道被其他设备阻塞，则设备无法配对或者广播数据，整个系统将无法工作。如果信道设定的过多，该设备将需要花费大量的时间进行广播数据的传输，将与低功耗的初衷背道而驰。

    BLE的3个广播信道用于Mesh网络中，则需重新考虑鲁棒性的问题。随着Mesh网络的节点不断增加，所有节点都只能共用3个广播信道，此时，出现信号冲突的概率就大大增加。

2.3 睡眠模式的关闭

    BLE有三种工作模式：一是关闭模式，此时没有任何时钟在运行，芯片完全断电，没有任何设备能够进行连接。二是睡眠模式，此时仅有low_power_clk在运行，这种情况下只有达到预定的睡眠时间或者有wake_up唤醒请求，睡眠模式才能转换为正常工作的模式。三是正常工作模式，在这种模式下，可以进行广播、扫描、连接以及实时数据包的处理。主时钟hclk打开，若数据需要进行加密，加密时钟crypt_clk也会打开。

    BLE设计采用睡眠模式来替代传统蓝牙的空闲状态，在睡眠模式下，主机长时间处于超低的负载循环状态，只需要在运行的时候由控制器来启动，因为主机比控制器消耗更多的能量。而且在睡眠模式下的数据发送间隔加大，由此，BLE的待机功耗大大减小。但是在BLE的Mesh网络中，一次事件中不仅是单一的广播或者单一的连接，若进入到睡眠模式之后，睡眠时间过短导致射频来不及关闭又必须打开，睡眠时间无效。如图4所示。

    如图4（a）中，一次广播事件包括了在（37，38，39）3个广播信道上广播，T1为广播间隔范围为20 ms到10.24 s。广播完成后，BLE进入睡眠模式，直到下一次广播事件的来临。图4（b）中，一次事件中包括了正常的广播事件加上扫描事件。T1为广播间隔时间，广播事件的优先级最高，这个事件不能被打断。T2为扫描事件间隔，当扫描事件EVENTINT中断产生后，如果10 ms内没有新的事件需要处理，会重新开始扫描事件。T3为不可连接的广播事件间隔，当不可连接广播事件EVENTINT中断产生后，如果在一次这个广播事件间隔内没有可连接广播，并且UNCON_ADV_CNT（协议栈记录不可连接广播发送的次数）<5时重新开始这个事件。每产生一次EVENTINT中断，协议栈中的UNCON_ADV_CNT+1。

3 结论

    目前，BLE Mesh技术的宣传很火热，BLE Mesh技术的出现对于WiFi和ZigBee等无线传输技术来说，将成为一大挑战。但是能够真正融入人们的日常生活还有很长的一段路要走。值得庆幸的是，在2015年2月，蓝牙技术联盟宣布成立蓝牙智能Mesh工作小组，旨在为BLE建立Mesh网络标准。虽然BLE Mesh目前还存在着许多问题，但是随着BLE Mesh技术的不断进步，相信在不久的将来，BLE Mesh能够纳入蓝牙技术联盟的标准之中，并且能够普及在智能家居和物联网的应用。