半導體行業觀察 - 一文看懂BLE Mesh－鑽石舞台

來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自allabourcircuit，謝謝。

在物聯網 (IoT) 無線連接的背景下，網狀網絡功能已成為藍牙標準中備受期待的補充。主要是因為此功能可以擴展藍牙網絡的覆蓋範圍以及使用案例。

藍牙特別興趣小組 (SIG)於 2017年推出了藍牙網狀網絡。現在有了網狀網選項，藍牙看起來將能夠與其他支持網狀網絡的標準競爭，例如 ZigBee 和 Thread。

BLE網狀網絡

在之前的文章中，我們討論了網狀網絡可以為數據包提供多條路徑，並使網絡與星形拓撲相比更具彈性。

由於網格中的節點可以充當中繼器，因此網絡的範圍可以擴展到單個無線電的範圍之外。由於這些優勢，為物聯網應用設計的無線通信協議在其標準中包含了網狀網絡功能，以通過多跳操作在地理上擴展網絡。

例如，Zigbee的網絡層從一開始就着眼於網狀拓撲要求，儘管 Zigbee 也支持星型配置。

BLE（低功耗藍牙）現在是物聯網應用的常見選項，於 2017 年開始支持網狀網絡。圖 1 中可以看到一個高級示例。

圖 1.BLE 網狀網絡示例

與 Zigbee 和 Thread 不同，BLE 是網狀網絡競爭的後來者。這應該不足為奇，因為藍牙的原始版本被設計為短距離通信的電纜替代品，而不是物聯網應用的傳感器密集環境的連接解決方案。

事實上，藍牙的原始版本，現在通常被稱為經典藍牙，以區別於 BLE，旨在取代 RS-232 電纜。後來，由於使用耳機的免提電話和音樂流應用程序等用例，它引起了越來越多的關注。

網狀選項擴展了覆蓋範圍，並支持在物聯網應用中部署 BLE，例如家庭自動化，在這些應用中，通常需要在由幾堵牆隔開的設備之間進行通信。

擴展 BLE 應用範圍

除了擴展網絡的覆蓋範圍外，網狀網絡功能還通過啟用多對多通信來促進某些物聯網應用的實施。BLE 的非網格版本僅支持一對一和一對多通信，如圖 2 所示。

圖 2.一對一和一對多通信的高級表示

一對一通信的一個熟悉示例是無線音頻流，其中兩個設備相互連接。BLE 信標在一對多拓撲中運行（如圖 3 所示），我們將在後面的文章中深入探討如何建立通信。

圖 3.多對多通信促進了許多物聯網應用

一般來說，信標是小型無線設備，可以重複傳輸附近的 BLE 接收器可以接收到的恆定信號。信標可用於為客戶提供有關零售中不同產品的有用信息。例如，可以在購物中心部署 BLE 信標，向客戶宣傳折扣。可以在大型建築物內定位用戶的室內定位系統是信標的另一個常見應用。

除了一對一和一對多通信外，許多物聯網應用還需要多對多通信。例如，考慮需要使用多部手機控制多個燈泡的家庭自動化用例。燈泡還應響應來自調光器和/或占用傳感器的命令。這需要多對多通信，這些通信本質上是由網狀拓撲提供的。

Mesh 能力擴展了 BLE 的用例，並允許將其用於具有完全不同形式的應用程序中。智能家居/辦公室和工業控制是一些需要多對多通信的常見應用。

我們需要新的 Mesh 協議嗎？

有人可能會問：如果 Zigbee 和 Thread 等協議已經支持網狀拓撲，為什麼我們需要一種新的支持網狀連接的解決方案？

所有這三種協議都支持網狀網絡的許多基本特性。例如，它們都包括自我修復的能力，這意味着如果一個節點被禁用或刪除，網絡會自動重新配置以進行自我修復。

但是，這些協議之間存在重大差異。例如，藍牙網狀網絡使用一種稱為管理泛洪的技術來通過網絡路由數據包，其中消息簡單地廣播到所有附近的節點，而 Zigbee 和 Thread 使用其中的完整路由技術。為從節點 A 到節點 B 的消息選擇特定路徑。

根據應用要求和條件，此類差異可能會對網絡性能產生重大影響。在某些情況下，評估藍牙網狀網絡技術的某些方面，例如網絡延遲、可靠性、可擴展性等，可能並不簡單。有一些研究論文檢查了這些特徵並描繪了協議性能的混合圖景。

我們將在下一篇文章中討論其中的一些細節。下面將討論藍牙網狀網絡的一些獨特優勢。

注意：物聯網的概念適用於各種各樣的應用場景。沒有一種連接解決方案可以很好地服務於所有應用程序。根據要求，特定協議可能比其他協議更適合。

藍牙Mesh的一些獨特優勢

藍牙網狀網絡構建在 BLE 堆棧之上（下圖 4），並使用相同的物理層和鏈路層。

圖 4.藍牙網狀網絡協議棧

大多數智能手機、平板電腦和筆記本電腦都內置了 BLE 芯片，只需要更新軟件即可支持藍牙網狀網絡。搭載 BLE 芯片的智能手機可以使用Cypress Semiconductor和Silicon Labs等公司提供的移動應用程序來建立藍牙網狀網絡並控制網絡設備。

任何具有藍牙 4.0 或更高版本的智能手機都可以監視和控制網狀連接節點。由於這種普遍性，藍牙網狀網絡的部署可能比其他類似技術更方便。例如，大多數手機和平板電腦沒有 ZigBee 芯片，因此，您需要在控制設備和 Zigbee 網絡之間增加一個加密狗或網關。

藍牙網狀網絡的另一個獨特功能是它支持信標。因此，藍牙網狀網絡可用於多種用途。例如，使用藍牙網狀網絡的照明系統還可以支持資產跟蹤和室內定位以及導航等應用。

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