【《低功耗蓝牙技术和蓝牙Mesh网络基础概述》3600字】

低功耗蓝牙技术和蓝牙Mesh网络基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u12479低功耗蓝牙技术和蓝牙Mesh网络基础概述 181621.1.1BLE技术概述 190441.1.2蓝牙Mesh协议栈架构 4264601.1.3蓝牙Mesh协议栈承载层和网络层 5低功耗蓝牙技术是蓝牙Mesh技术的基石，因此本节将对低功耗蓝牙技术和蓝牙Mesh网络原理进行概述，然后再介绍蓝牙Mesh协议的基本原理。1.1.1BLE技术概述蓝牙技术分类两大类，分别是经典蓝牙技术和低功耗蓝牙技术。经典蓝牙适用于数据量大的场景，例如音频设备。低功耗蓝牙技术则适用于数据量小、对能耗敏感的场景，例如智能建筑中传感器。低功耗蓝牙的功耗只有经典蓝牙的的1%~50%左右。同时，低功耗蓝牙也拥有更快的响应速度，可在几毫秒内完成通信并且传输数据，低功耗蓝牙更适用于对功耗和响应速度要求高的物联网领域。经典蓝牙和低功耗蓝牙都运行在国际通用的1.4GISM(工业、科学、医学)免费频段，许多经典的无线通信技术，如WiFi、ZigBee等技术也采用这一免费频段[3]。虽然低功耗蓝牙技术脱胎于经典蓝牙技术，但低功耗蓝牙技术和经典蓝牙技术从本质上属于不同的无线电技术，经典蓝牙与低功耗蓝牙之间不能直接通信。低功耗蓝牙运行频段在1.402GHz-1.480GHz之间，每个信道占用2MHz，所以低功耗蓝牙一共只有40个信道。经典蓝牙同样运行在1.402GHz-1.480GHz之间，但每个信道占用1MHz，因此经典蓝牙拥有79个信道ADDINNE.Ref.{C568DD96-09D5-4A16-95CC-6AF4648EA736}[31]。表2-1中列出了经典蓝牙和低功耗蓝牙的对比。表2-1经典蓝牙与低功耗蓝牙主要内容对比项目经典蓝牙(BluetoothClassic)低功耗蓝牙(BluetoothLowEnergy)工作频率1.402-1.480GHz1.402-1.480GHz信道状况79个信道，每个信道占用1MHz40个信道(37个数据信道和3个广播信道)，每个信道占2MHz信道切换跳频技术(FHSS)跳频技术(FHSS)调制方式GFSK,π/4DQPSK,8DPSK高斯频移键控GFSK功耗水平0.01x-0.5x(取决于使用状态)x(参考水平)传输速率支持1Mb/s(GFSK调制)、2Mb/s(π/4DQPSK调制)和3Mb/s(8DPSK调制)支持两种传输速率，分别是1Mb/s和2Mb/s，可以选择1M的物理层或2M物理层最大发射功率等级1:100mW(+20dBm)等级2:1.5mW(+4dBm)等级3:1mW(0dBm)等级1:100mW(+20dBm)等级1.5:10mW(+10dbm)等级2:1.5mW(+4dBm)等级3:1mW(0dBm)拓扑支持点对点(包括微微网(piconet))点对点(包括微微网(piconet))点对多点(广播模式)低功耗蓝牙的40个信道分为两部分，一部分是37个面向连接的数据信道，这些信道和经典蓝牙的79个信道类似。另一部分是37、38、39一共3个面向无连接模式的广播信道。图2-1BLE信道分布图在BLE信道分布图中可以看出，BLE的广播信道分散在1.4G免费频段的不同位置，其中37信道工作在1.402GHz频段，38信道工作在1.426GHz频段，39信道则工作在1.462GHz频段。分散广播信道是为了防止BLE设备与WiFi常用的信道的频段处于同一位置，带来广播信道冲突的问题ADDINNE.Ref.{E65721A6-7260-416D-808D-9222D4E23EC9}[1]。图2-2蓝牙微微网(piconet)架构图从表2-1中可以看到，经典蓝牙只支持点对点的通信方式。尽管蓝牙微微网(piconet)在拓扑形式上属于星型网，但本质上仍然是一种点对点的通信方式。一个蓝牙微微网中，由一个主设备(Master)和若干从设备(Slaver)组成，从设备只能与主设备进行通信，从设备之间无法通信。蓝牙微微网通过时分复用技术(TimeDivisionMultiplexing,TDM)划分时隙，实现一定程度上的一对多通信(最多一带七)，但在同一时刻，主设备只能与从设备中的一个进行通信。低功耗蓝牙则依靠37、38、39三个广播信道实现了真正的一对多通信。在广播模式下，两个蓝牙设备之间不需要建立连接，而是通过广播包的发送和扫描进行通信。如图2-3所示，设备0和设备4为某时刻在网络中进行广播的BLE设备，虚线代表其无线电信号有效通信范围。由于采用广播方式通信，不需要建立连接，处于其无线电范围的节点均可在同一时刻收到广播设备的广播数据包。图2-3BLE广播示意图在上面的介绍中可知，BLE技术可以通过37、38、39三个广播信道实现真正的一对多通信，理论上没有数量限制，但这种网络属于星型网，一个BLE设备只能与无线电范围内的设备进行通信，如图2-3所示的网络中，设备2无法与设备5通信。星型网络的通信范围受到节点本身发射功率限制。蓝牙设备不能通过无限的提高发射功率来扩展通信距离，BLE设备资源有限，发射功率较小，通信距离也较短。1.1.2蓝牙Mesh协议栈架构与经典蓝牙技术和BLE技术的层次不同，前两者属于两种不同的无线电技术，而蓝牙Mesh技术则是构建在BLE这种无线电通信技术上的一个上层协议。蓝牙Mesh技术在BLE广播的基础上，蓝牙Mesh技术通过消息中继的方式解决了BLE设备通信距离短的问题，实现了网状的网络拓扑，极大地扩展了自身的应用范围。图2-4蓝牙Mesh协议栈层次如图2-4所示，在SIG推出的蓝牙Mesh标准规范中，整个协议栈的架构从上到下由模型层，基础模型层，接入层、上传输层、下传输层、网络层、承载层和BLE核心规范部分这些部分组成，每部分的作用在表2-2中给出说明。表2-2蓝牙Mesh技术各层次作用名称主要功能备注模型层定义适用于特定场景的应用模型例如灯光的开关模型基础模型层定义一些对蓝牙Mesh网络本身进行配置的模型例如蓝牙Mesh网络的心跳包能力接入层定义应用数据格式，对上传输层和模型层的数据进行加密解密蓝牙Mesh网络中的数据需要加密传输上传输层对接入层的数据进行加密解密，认证数据等例如配网过程等下传输层对下传输层PDU进行分包组包需要对较长数据进行分段传输网络层实现路由、缓存等功能转发策略在网络层实现承载层建立在BLE规范之上，负责数据包的收发，扫描，信道切换功能。分为广播承载者和GATT承载者BLE核心规范负责无线电通信提供无线通信能力1.1.3蓝牙Mesh协议栈承载层和网络层蓝牙Mesh协议栈的承载层和网络层是实现网状拓扑能力的关键部分，因此本小节将对这两层进行介绍。1、蓝牙Mesh网络中的广播承载者及消息格式蓝牙Mesh协议栈中的承载层定义了两种承载者，分别为广播承载者(AdvertisingBearer)和GATT承载者(GATTBearer)，一个节点至少要支持其中的一种承载者，或者两种都支持。当蓝牙Mesh协议栈的承载层选择广播承载者时，一个Mesh网络的数据包需要按照蓝牙标准规范中规定的广播格式组成广播包。表2-3为蓝牙Mesh网络中的广播数据类型。蓝牙标准规范中规定了三种蓝牙Mesh中用于指示广播数据类型AdvertisingDataType(ADType)的广播包，根据ADType可以区分蓝牙Mesh网络中不同的广播包ADDINNE.Ref.{133639DF-6D16-453E-85AE-797E54A76C27}[1]。表2-3蓝牙Mesh网络中的广播数据类型(ADType)数据类型值数据类型名称参考和定义0x29PB-ADV用于蓝牙Mesh组网中的配网流程0x2AMeshMessageMesh网络的普通数据和控制数据等0x2BMeshBeaconMesh网络信标，如心跳包。使用MeshMessage广播数据类型的广播必须是不可连接不可扫描的广播。既蓝牙核心规范中的非定向不可连接广播包(ADV_NONCONN_IND)。ADV_NONCONN_IND广播包的数据单元由以下字段组成，最大长度为37Byte.表2-4ADV_NONCONN组成字段名大小说明AdvA6Byte广播设备地址AdvData0-31Byte广播携带的数据ADV_NONCONN_IND广播包的AdvData部分携带了承载层的PDU，这一部分由有效载荷的长度，Mesh广播类型以及NetworkPDU组成。对于蓝牙Mesh网络中的消息来讲，承载层的PDU组成了AdvData字段。由于BLE广播信道的广播包长度有限，蓝牙Mesh网络中定义的模型数据可能无法一次发布完成。根据是否需要分段发送模型的数据，蓝牙Mesh网络中的消息(MeshMessage)可分为分段消息与未分段消息，但此类消息在网络层和承载层传输的方式是一致的。为简单分析，本研究中只讨论蓝牙Mesh网络中的一个普通的未分段消息。图2-5表示了一个未分段消息从广播信道到接入层的数据包结构。图2-5蓝牙Mesh协议栈中的消息分层2、蓝牙Mesh协议栈的网络层蓝牙Mesh网络实现节点通信的算法主要是在网络层实现的，下面将对蓝牙Mesh网络的网络层进行详解。网络层定义了网络层PDU，对承载层和下传输层的数据进行解密和加密，决定数据包的而转发策略。为了实现在蓝牙Mesh网络中寻址，网络层定义了基础的地址类型，蓝牙Mesh网络中的基础地址类型分为四种，每种地址类型均占2Byte长度。表2-5网络层定义的基础地址类型地址类型值说明未赋值地址(UnassignedAddress)0b0000000000000000表明这个节点当前还没有被配置或者地址还没有被分配单播地址(UnicastAddress)0b00xxxxxxxxxxxxxx单播地址是节点分配的唯一地址。网络层PDU中的SRC和DST字段分别代表源节点和目标节点的单播地址。虚拟地址(VirtualAddress)0b10xxxxxxxxxxxxxx虚拟地址代表着一组目标地址组地址(GroupAddress)0b11xxxxxxxxxxxxxx组地址和虚拟地址类似，组地址中有些具有特殊含义，例如0xffff代表所有节点网络层PDU是实现蓝牙Mesh网络的关键部分，表2-6中给了网络层PDU字段的含义。表2-6NetworkPDU组成及意义字段名大小说明IVI1BitIV索引NID7Bit由网络密钥计算出的一个确保加密密钥和私钥安全的值CTL1Bit标志着消息类型是数据类型或控制类型的消息，数据类型的消息，NetMIC长度为4Byte,控制类型的消息，长度为8ByteTTL7BitTimeToLive，表示该数据包最多能经过几跳，防止无限泛洪SEQ3Byte消息序列号，表示源节点发出的第几个消息SRC2Byte源地址，表示发出该消息的节点的单播地址DST2Byte目标地址，表示需要接受该节点的单播地址TransportPDU1-16Byte传输层PDUNetMIC4-8Byte对目标地址和传输层PDU进行完整性检查得到的值3、蓝牙Mesh网络信标除了普通的消息外(MeshMessage)外，蓝牙Mesh还存在其他类型的广播数据。蓝牙Mesh标准规范中定义了蓝牙Mesh网络信标(MeshBeacon)。蓝牙Mesh网络信标是蓝牙Mesh网络中未配网设备和节点周期性的广播包，与MeshMessage相同，MeshBeacon同样需要使用非定向不可扫描广播包，也就是ADV_NONCONN_IND。Mesh网络信标的广播数据类型也需要符合表2-7