【《基于Beacon的邻居节点交换机制设计案例》2500字】

1.基于Beacon的邻居节点交换机制设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16776基于Beacon的邻居节点交换机制设计案例 1258851.1报文设计 169451.2邻居信息的获取和更新 3本设计需要获取节点的邻居节点集来辅助转发决策，在其他的一些MANNET网络中，由于数据包的长度可以很大，因此可以将邻居节点信息封装在数据包中，或者携带路由表。但蓝牙Mesh网络的数据包长度有限，在2.1.3节提到，在符合标准规范的前提下，蓝牙Mesh接入层PDU的有效长度为0-11Byte，而每个节点单播地址占用2Byte，因此蓝牙Mesh网络的消息难以携带邻居节点信息。因此需要设计专门的数据包用于邻居节点集的交换。针对蓝牙Mesh网络设计基于Beacon的邻居节点信息交换机制主要具有两点优势：第一点是可以方便的控制邻居节点信息更新的频率。假如通过向蓝牙Mesh数据包中添加节点信息来更新邻居节点信息，只能在发送数据时更新邻居节点信息，只能被动式更新邻居节点集，由于蓝牙Mesh数据包长度的限制，需要连续发送多次冗余信息才能完全更新。如果通过设计专门的Beacon机制来负责更新邻居节点集，可以主动的更新邻居节点集，以合理的频率更新邻居节点集，可以大大的降低更新次数。第二点是可以和标准规范兼容。使用专门的Beacon机制来更新邻居节点集，不需要破坏原有数据包的结构，使蓝牙Mesh网络中原有的数据包类型依然可以符合标准规范。同时，在蓝牙Mesh标准规范定义的Beacon机制上扩展保留位，以Beacon的数据包类型，可以不破坏原有的Beacon类型，因此能够实现与标准规范的兼容性。1.1报文设计由于蓝牙Mesh技术使用BLE技术作为底层无线电技术，使用BLE的37、38、39信道的非定向不可连接广播包(ADV_NONCONN_IND)广播包进行通信，Beacon数据包的载体也是ADV_NONCONN_IND包，而其广播包的效载荷长度仅为0-31Byte，因此在报文设计时要尽可能地节约使用空间。在符合蓝牙Mesh标准规范中对Beacon数据包的定义的前提下，本设计对蓝牙Mesh标准规范中为Beacon类型的预留位进行扩展，设计了一种邻居信息交换信标(NeighborAddressExchangeBeacon)的信标类型，用于邻居节点集交换。图3-13含有邻居信息交换信标的ADV_NONCONN_IND广播包如图3-13所示，表示含有邻居信息交换信标的ADV_NONCONN_IND广播包。由于蓝牙Mesh协议中转发节点在接收到转发消息后，不会添加自身节点信息到数据包中，因此在蓝牙Mesh协议层面，当前节点无法获取前一节点的单播地址，而在BLE层面，节点在广播时会将自身广播地址添加到带转发的广播包中。因此本设计中将设备单播地址封装到设备广播地址的低16位中，占用2Byte，作为节点的BLE层面新的广播地址，解决节点无法获知前一节点单播地址的问题。在节点接收到正常的数据包时，读取AdvA的低16位即可获取前一节点单播地址。在Beacon报文部分，Length是广播包Payload的长度；ADType字段是表示BLE广播数据包类型的字段，对于蓝牙MeshBeacon类型的数据包而言，ADType字段为固定值0x2B。BeaconType字段表示具体的Beacon类型，在蓝牙Mesh网络中，标准规范定义了两种Beacon，分别是未配网信标(UnprovisionedDeviceBeacon,固定值0b0000000000000000)和安全网络信标(SecureNetworkBeacon,固定值，0b0000000000000001)，它们分别负责蓝牙Mesh网络的配网以及网络安全检查，此外，BeaconType字段长度为16Bit，剩余的位数被定义为保留位(ReverseforFutureUse)。在本设计中，扩展0b0000000000000010作为邻居信息交换信标(NeighborAddressExchangeBeacon)。Unicast是设备的单播地址，也就是蓝牙Mesh网络的节点的地址，由2.1.3节知，每个单播地址占用2Byte；nCnt表示广播Beacon的设备的邻居节点总数，Comp表示Beacon广播包中是否已广播完成设备的全部邻居节点信息(因为邻居节点数量众多的情况下一次广播无法送达所有的邻居节点集)；nUnicast是本Beacon广播包中含有的广播设备的邻居节点的单播地址集合，每个单播地址占用2Byte，因为最大剩余24Byte的数据位置，所以最多一次可以传输12个邻居节点的单播地址。1.2邻居信息的获取和更新本设计中需要使用当前节点的邻居节点信息和2跳邻居节点信息。在网络初始化时，节点不拥有自身1跳邻居节点信息和2跳邻居信息。因此蓝牙Mesh节点在完整获取1跳和2跳邻居节点信息时要经过节点自身邻居节点信息获取和节点间邻居节点集的交换两个步骤。(1)节点自身邻居节点信息的获取在本设计中，节点需要交换邻居节点集信息，在交换前，必须先得到自身的邻居节点集。在本设计中，通过节点周期性的广播Beacon来告知邻居节点自身的存在。在这一部分，节点只需要告知自身的地址信息，因此只需要一次广播即可，具体来讲，将1.1节中设计的Beacon数据包的nCnt字段置0，Comp字段置1即可实现一次广播。(2)节点间邻居节点集的交换根据1.1节设计的Beacon报文而言，一个邻居信息交换信标最多携带12个邻居节点单播地址，对于一些邻居节点较多的节点，其在Beacon中无法一次将邻居节点的单播地址集合发送完毕，需要进行多次广播，因此对于此类特殊情况，需要将邻居节点集合以最小广播间隔(非最小更新周期)，连续发送完毕之后再使用Tupdate图3-14邻居信息的获取节点状态切换图3-14表示节点在邻居信息获取过程中的状态切换。定义了三种状态，分别是邻居信息未获取状态、1跳邻居节点接收完成状态、2跳邻居节点收集完成状态。描述了Beacon机制的获取过程。在节点初始化时，节点尚未获取自身的邻居节点信息，此时只拥有自己的单播地址，节点将会周期性广播自身的单播地址信息。在广播的同时，也不断的扫描自身无线电范围内的其他节点的Beacon包，在收集完成后，节点进入1跳邻居节点接收完成状态。经过适当延时后，网络中的节点开始与邻居节点交换自身所有邻居节点信息，即进入节点间邻居节点集的交换。在交换完成后，节点进入2跳邻居节点收集完成状态。图3-15邻居信息的获取过程由于蓝牙Beacon数据包也属于广播包中的一种，同样也占用37、38、39信道，在Beacon包较多时，也可能会发生碰撞问题，同时，Beacon数据包的处也会占用系统的硬件资源，所以利用Beacon机制交换数据时，应该尽量减少Beacon机制对蓝牙Mesh网络本身的影响，降低Beacon包广播的频率。在智能建筑的应用场景中，由于节点大多数为温湿度采集等位置固