BLE Mesh網路通訊協定綜述
徐春燕1，肖揚文2，蔡 敏1
（1.華南理工大學 電子與資訊學院，廣東 廣州510640；2.國家品質監督檢驗檢疫總局資訊中心，北京100088）
藍牙低功耗（BLE）技術由於其低功耗的特性被廣泛應用到物聯網領域。
藍牙低功耗；Mesh網路；物聯網；路由選擇演算法
中圖分類號：TN926+.22
文獻標識碼：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.007
中文引用格式：徐春燕，肖揚文，蔡敏. BLE Mesh網路通訊協定綜述[J].電子技術應用，2017，43(4)：29-31，35.
英文引用格式：Xu Chunyan，Xiao Yangwen，Cai Min. Overview of BLE Mesh network protocols[J].Application of Electronic Technique，2017，43(4)：29-31，35.
0 引言
自2012年藍牙4.0規範推出之後，全新的藍牙低功耗（BLE）技術由於其極低的運行和待機功耗、低成本和跨廠商互通性，3 ms低延遲、AES-128加密等諸多特色，可以用於計步器、心律監視器、感測器物聯網等眾多領域，大大擴展藍牙技術的應用範圍[1-2]。
儘管BLE已經被廣泛應用於物聯網領域，但是仍然存在著點對點的拓撲結構的限制，
本文首先介紹了BLE Mesh網路結構的特點優勢，然後綜合評述了影響BLE Mesh組網發展的關鍵因素，並分析了現有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的網路結構特點
無線Mesh網路也稱為“多跳(multi-hop)”網路，它是一種與傳統無線網路完全不同的新型無線網路技術[4]。傳統的無線網路主要是點對點或點對多點的星型網路，
多點對多點Mesh技術讓藍牙在組網能力上有了巨大的提升，基於BLE標準協定的Mesh網路中資料收發的過程如圖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)負責廣播通道上的廣播資訊，通過發送掃描資訊到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資訊到目的節點。
當每個Mesh的節點不在廣播資料的狀態，就是在接受資料的狀態，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，退出接收資料的狀態，正常收發的廣播的優先順序要比轉發資料的優先順序高。
2 影響BLE Mesh技術的關鍵因素
2.1 路由選擇演算法
2.1.1 CSR Mesh的洪泛式路由演算法
基於藍牙4.0的CSR Mesh組網技術採用的是最簡單最可靠的洪泛式路由演算法[6]。洪泛式路由演算法又稱為擴散法，其基本思想是每個節點都是用廣播轉發收到的資料分組，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演算法對於動態的節點，進出網路頻繁的場景下非常有效，但是，洪泛式的廣播會導致網路中充斥著大量重複的資料，佔用網路資源，使得節點嚴重地消耗能量，整個網路的生命週期也會受影響。
針對傳統的廣播式洪泛演算法缺陷，需要作出改進來避免無用的重複轉發，提高頻寬的利用率。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路中節點的無用消耗，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 機會路由演算法
機會路由演算法的基本思想是每次資料包轉發給一組節點，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，如此重複到目的節點接收到資料包，可以大大提高資料分組傳輸成功率[8]。機會路由演算法的優劣取決於多個方面的因素，一是後備轉發節點集，若後備轉發節點過多，會導致資料重複發送的問題，若後備轉發節點過少，則不利於提高資料分組的轉發率[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數、期望傳輸時間、期望傳輸次數、跳數、地理距離等。三是後備轉發節點間的協調，正確接收到資料包的後備轉發節點根據其優先順序回復ACK應答幀，最先發送ACK的節點成為實際轉發節點[10]。
路由演算法設計的優劣直接決定了資料轉發的效率，不管是傳統的洪泛式路由演算法，還是機會路由演算法，在節點運動劇烈的情況下，往往得不到較優的網路性能。
2.2 廣播通道的局限
藍牙工作在免許可的2.4 GHz的ISM射頻頻段。其物理通道分為兩組：一組是廣播(Advertiser)通道，一組是資料(Data)通道。在連接建立之前，設備之間是通過廣播(Advertiser)通道交互資料的，當廣播者發送一個廣播包之後，它在同一通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後，連接開始建立。在連接成功建立之後，資料之間的交互使用的是資料(Data)通道。
傳統藍牙中，使用32個廣播通道和79個資料通道，每1 MHz一個頻道；而在BLE中，只用了3個廣播通道和37個資料通道，每2 MHz一個頻道。廣播通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於傳統藍牙的開啟時間。BLE技術設計的3個廣播通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個廣播通道，假設該通道被其他設備阻塞，則設備無法配對或者廣播資料，整個系統將無法工作。如果通道設定的過多，該設備將需要花費大量的時間進行廣播資料的傳輸，將與低功耗的初衷背道而馳。
BLE的3個廣播通道用於Mesh網路中，則需重新考慮魯棒性的問題。隨著Mesh網路的節點不斷增加，所有節點都只能共用3個廣播通道，此時，出現信號衝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，晶片完全斷電，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、連接以及即時資料包的處理。主時鐘hclk打開，若資料需要進行加密，加密時鐘crypt_clk也會打開。
BLE設計採用睡眠模式來替代傳統藍牙的空閒狀態，在睡眠模式下，主機長時間處於超低的負載迴圈狀態，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資料發送間隔加大，由此，BLE的待機功耗大大減小。但是在BLE的Mesh網路中，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後，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個廣播通道上廣播，T1為廣播間隔範圍為20 ms到10.24 s。廣播完成後，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，廣播事件的優先順序最高，這個事件不能被打斷。T2為掃描事件間隔，當掃描事件EVENTINT中斷產生後，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中斷產生後，如果在一次這個廣播事件間隔內沒有可連接廣播，並且UNCON_ADV_CNT（協定棧記錄不可連接廣播發送的次數）
3 結論
目前，BLE Mesh技術的宣傳很火熱，BLE Mesh技術的出現對於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。值得慶倖的是，在2015年2月，藍牙技術聯盟宣佈成立藍牙智慧Mesh工作小組，旨在為BLE建立Mesh網路標準。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，並且能夠普及在智慧家居和物聯網的應用。
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.
通過發送掃描資訊到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資訊到目的節點。當每個Mesh的節點不在廣播資料的狀態，就是在接受資料的狀態，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，退出接收資料的狀態，正常收發的廣播的優先順序要比轉發資料的優先順序高。
2 影響BLE Mesh技術的關鍵因素
2.1 路由選擇演算法
2.1.1 CSR Mesh的洪泛式路由演算法
基於藍牙4.0的CSR Mesh組網技術採用的是最簡單最可靠的洪泛式路由演算法[6]。洪泛式路由演算法又稱為擴散法，其基本思想是每個節點都是用廣播轉發收到的資料分組，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演算法對於動態的節點，進出網路頻繁的場景下非常有效，但是，洪泛式的廣播會導致網路中充斥著大量重複的資料，佔用網路資源，使得節點嚴重地消耗能量，整個網路的生命週期也會受影響。
針對傳統的廣播式洪泛演算法缺陷，需要作出改進來避免無用的重複轉發，提高頻寬的利用率。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路中節點的無用消耗，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 機會路由演算法
機會路由演算法的基本思想是每次資料包轉發給一組節點，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，如此重複到目的節點接收到資料包，可以大大提高資料分組傳輸成功率[8]。機會路由演算法的優劣取決於多個方面的因素，一是後備轉發節點集，若後備轉發節點過多，會導致資料重複發送的問題，若後備轉發節點過少，則不利於提高資料分組的轉發率[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數、期望傳輸時間、期望傳輸次數、跳數、地理距離等。三是後備轉發節點間的協調，正確接收到資料包的後備轉發節點根據其優先順序回復ACK應答幀，最先發送ACK的節點成為實際轉發節點[10]。
路由演算法設計的優劣直接決定了資料轉發的效率，不管是傳統的洪泛式路由演算法，還是機會路由演算法，在節點運動劇烈的情況下，往往得不到較優的網路性能。
2.2 廣播通道的局限
藍牙工作在免許可的2.4 GHz的ISM射頻頻段。其物理通道分為兩組：一組是廣播(Advertiser)通道，一組是資料(Data)通道。在連接建立之前，設備之間是通過廣播(Advertiser)通道交互資料的，當廣播者發送一個廣播包之後，它在同一通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後，連接開始建立。在連接成功建立之後，資料之間的交互使用的是資料(Data)通道。
傳統藍牙中，使用32個廣播通道和79個資料通道，每1 MHz一個頻道；而在BLE中，只用了3個廣播通道和37個資料通道，每2 MHz一個頻道。廣播通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於傳統藍牙的開啟時間。BLE技術設計的3個廣播通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個廣播通道，假設該通道被其他設備阻塞，則設備無法配對或者廣播資料，整個系統將無法工作。如果通道設定的過多，該設備將需要花費大量的時間進行廣播資料的傳輸，將與低功耗的初衷背道而馳。
BLE的3個廣播通道用於Mesh網路中，則需重新考慮魯棒性的問題。隨著Mesh網路的節點不斷增加，所有節點都只能共用3個廣播通道，此時，出現信號衝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，晶片完全斷電，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、連接以及即時資料包的處理。主時鐘hclk打開，若資料需要進行加密，加密時鐘crypt_clk也會打開。
BLE設計採用睡眠模式來替代傳統藍牙的空閒狀態，在睡眠模式下，主機長時間處於超低的負載迴圈狀態，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資料發送間隔加大，由此，BLE的待機功耗大大減小。但是在BLE的Mesh網路中，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後，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個廣播通道上廣播，T1為廣播間隔範圍為20 ms到10.24 s。廣播完成後，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，廣播事件的優先順序最高，這個事件不能被打斷。T2為掃描事件間隔，當掃描事件EVENTINT中斷產生後，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中斷產生後，如果在一次這個廣播事件間隔內沒有可連接廣播，並且UNCON_ADV_CNT（協定棧記錄不可連接廣播發送的次數）
3 結論
目前，BLE Mesh技術的宣傳很火熱，BLE Mesh技術的出現對於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。值得慶倖的是，在2015年2月，藍牙技術聯盟宣佈成立藍牙智慧Mesh工作小組，旨在為BLE建立Mesh網路標準。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，並且能夠普及在智慧家居和物聯網的應用。
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.
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[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.
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[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.
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