Bluetooth Meshとは何か、どのように機能するのか

Bluetooth Meshは、メッシュ対応のZigbeeやThreadテクノロジーと競合する、BLEの真のイノベーションです。これは基本的に、相互接続されたノードによって実現されます。これらのノードは分散型ネットワーク内のポイントとして機能し、データを共有することでネットワークの範囲と機能を拡張します。Bluetooth Meshの初期の頃には、この新しいメッシュテクノロジーがどれほど広く普及するかについて期待が寄せられていました。これは、BLE Meshが2017年にリリースされて以来の予測でした。多くの人が「BLEメッシュネットワーク」が数年以内に現実のものになると語っていました。しかし、その可能性にもかかわらず、他のBLEテクノロジーに見られるような爆発的な成長は経験していません。 

Bluetoothメッシュテクノロジーとは

Bluetooth Mesh は Bluetooth とメッシュ ネットワークを組み合わせたものです。

メッシュネットワークは、「マルチホップネットワーク」とも呼ばれ、ネットワークトポロジの一種です。メッシュネットワークでは、任意のデバイスから他のすべてのデバイスにデータが送信され、多対多の通信が実現されます。1台のデバイスに障害が発生しても、ネットワークは動作し続けます。

Bluetooth Meshは、Bluetooth 4.0に搭載されたBluetooth Low Energy（BLE）を使用します。2017年には、公式Bluetooth Mesh 1.0（現在でも最新版）がリリースされました。BLE Meshは新しい無線通信技術ではなく、ネットワーク技術であることは明らかです。BLEを活用し、BLEに依存し、その通信プロトコルスタックを使用します。

Bluetoothメッシュネットワークは、マネージドフラッディングを使用します。デバイスは1対1、1対多、多対多で通信できます。異なるネットワークノード間の通信にBLEプロトコルを使用することで、通信デッドゾーンのないネットワークを構築します。これにより、従来のBluetoothよりも遠くまでメッセージを伝送できます。

Bluetoothメッシュはどのように機能するのか

従来の1対1接続とは異なり、Bluetoothメッシュは、メッセージがデバイスからデバイスへとホップして宛先に到達するネットワークを構築します。2つのデバイスノード間には、1つ以上のルートが存在する場合があります。BLEメッシュは、近隣のすべてのノードにメッセージをブロードキャストし、それらのノードがメッセージを中継することで機能します。このプロセスは、メッセージが目的の宛先に到達するまで継続されます。

この「マネージドフラッディング」により、一部のデバイスが直接通信範囲外であったり電源が入っていなかったりしても、メッセージが確実に宛先に届きます。デバイスは特定のアドレスにメッセージをパブリッシュ（送信）し、他のデバイスはそれを受信するためにサブスクライブ（購読）できます。このパブリッシュ・サブスクライブ方式により、効率的なグループ通信が可能になります。

の基本 Bluetoothメッシュ ネットワーキング

Bluetoothメッシュの仕組みを理解した後は、この技術の主要な技術用語と概念を理解することが重要です。いくつか解説してみましょう。

• NodesBluetooth デバイスが Bluetooth Mesh ネットワークに参加すると、「ノード」になります。ノードは BLE Mesh ネットワークの参加者です。
• 要素各ノードは1つ以上の「要素」で構成されます。要素はノード内の機能単位のようなものです。各ノードには少なくとも1つの要素が含まれますが、様々な機能を実行する場合は複数の要素を持つこともあります。
• Models要素には「モデル」が含まれており、これはノードの特定の動作やサービスを定義します。モデルは固有のID番号を持ち、ノードが実行できる動作を決定します。Bluetooth SIGによって定義された標準モデルは、多くの一般的なシナリオをカバーしています。
• メッセージ: メッセージがノード間で送信されると、一致する要素とモデルに基づいてフィルタリングされます。
• 住所: アドレスはメッセージの送信元と宛先を識別するために使用されます。

ノードの種類:

Bluetooth メッシュ ネットワークには、それぞれ特定の役割を持ついくつかの種類のノードがあります。

• リレーノードメッセージは、発行ノードの直接の無線範囲内にあるノードに送信されます。一部のノードは「リレー」として機能します。リレーはメッセージを再送信し、複数の「ホップ」を経て、メッセージをさらに遠くまで送信します。
• フレンドノードと低電力ノードLPNは電力制約が非常に厳しいため、メッセージ受信のために高いデューティサイクルを維持することを避けるため、LPNはフレンドノードと連携します。フレンドノードはLPN宛のメッセージを保存し、LPNが定期的にポーリングを行う際に転送します。
• プロキシノード: スマートフォンなどの Bluetooth Low Energy デバイスは、プロキシ ノードを介してメッシュ ネットワークに接続できます。

より基本的な概念については、 Bluetoothメッシュ用語集.

BLEメッシュシステムアーキテクチャ

BLEメッシュプロトコルアーキテクチャは、既にご存知のBLEコア仕様を基盤とした7層構造です。さらに、相互接続されたデバイス間のネットワークを構築するための高度な上位層機能も備えています。BLEメッシュは、BLEプロトコルスタックの可用性に依存します。

下から上までのレイヤーは次のとおりです。

1. ベアラ層
2. ネットワーク層
3. 下位トランスポート層
4. 上位トランスポート層
5. アクセス層
6. モデルレイヤー
7. アプリケーション層

ベアラー層は、基盤となるBLEプロトコルスタックを使用してメッセージを送受信する方法を定義します。アドバタイジングベアラー（PB-ADV）とGATTベアラー（PB-GATT）の2つの方式をサポートしています。複数の中間層が重要なタスクを処理します。これには、データの暗号化と復号化、ネットワーク構成の管理、メッセージのセグメント化と再構成などが含まれます。これらの層は、メッセージが複数のデバイスを通過する必要がある場合でも、メッセージが目的の宛先に確実に届くようにします。

モデル層は、照明の制御やセンサーの読み取りといった、標準化された典型的なユーザーシナリオを定義します。最上位に位置するアプリケーション層は、これらのモデルを整理し、エンドユーザーが操作できる便利なアプリケーションとして構築します。

BLEメッシュネットワークの利点と限界

BLEメッシュは、大規模、低消費電力、柔軟性、そしてセキュリティといったスマートコネクティビティの要件を満たします。しかし、BLEメッシュは万能なソリューションではなく、他のテクノロジーと同様に長所と短所があります。

BLEメッシュネットワークの利点

• 低消費電力BLEメッシュは、他のBLEシステムと同様に消費電力が低いという特徴があります。そのため、メッシュネットワークは、エネルギーを節約しながら広いエリアをカバーするのに適しています。
• ネットワークの復元力Bluetoothメッシュネットワークでは、デバイスノードが切断されても大きな影響はありません。1つのデバイスが切断されても、最初のノードはデータのブロードキャストを継続します。宛先ノードはわずかな遅延を伴ってパケットを受信します。
• 柔軟性と自己再構成メッシュネットワークは自動的に再構成されます。この柔軟性は、速度の保証や遅延の短縮よりも重要になる場合があります。
• ノードモビリティBLEメッシュネットワークでは、ノードは構造を崩したり、転送中にデータを損失したりすることなく、位置を変更できます。データが宛先に到達できないのは、ノードが受信機の範囲外に移動した場合のみです。
• 互換性BLEメッシュノードはBluetooth 4.xおよび5.xデバイスと通信できます。Bluetooth 4.xデバイスはメッセージを受信できますが、ネットワークの完全なノードになることはできません。
• ビーコン統合BLEメッシュはBluetoothビーコンと密接に連携します。ビーコンは、屋内外での測位、センサーネットワーク、その他のアプリケーションで使用できます。

製品制限 BLEメッシュネットワーク

• データスループットが低いBluetooth Meshのデータ転送速度には限界があります。約1Mbps、あるいはそれ以下に制限されています。つまり、より高速なデータ転送を必要とするアプリケーションには適していません。
• 高遅延Bluetoothメッシュは「マネージドフラッディング」を使用するため、メッセージはネットワーク内のすべてのデバイスに送信されます。メッセージがすべてのデバイスに届き、応答が返されるまでには長い時間がかかる場合があります。ノード数が多いほど、応答時間は長くなる可能性があります。
• 消費電力Bluetoothは他の技術よりも消費電力が少ないとよく考えられていますが、メッシュネットワークでは必ずしもそうではありません。メッシュネットワークには多数のデバイスが存在します。多くのタスクを処理するデバイスは、常にメッセージをリッスンし、他のデバイスに送信しなければならないため、バッテリー消費量が多くなります。
• 複雑なネットワーク管理Bluetooth メッシュ ネットワークの設定と管理は複雑であり、幅広い専門知識が必要です。

Bluetooth mesh vs oTHER t用語集

BLEメッシュ以外にも、ZigbeeやThreadといった人気のメッシュネットワーク技術があります。これらの技術はBLEメッシュネットワークと多くの類似点を持っています。

2014年に導入されたThreadは、IoT向けのIPv6ベースのメッシュネットワークプロトコルです。ネットワークあたり最大32台のルーターと、ルーターあたり最大511台のデバイスをサポートし、高密度メッシュネットワークに適しています。IPアドレス指定可能なソリューションであるThreadは、IPv6ベースのアプリと容易に統合でき、ローカルIoTシステムに高いデータレートを提供します。

Zigbeeは1998年に登場し、2003年に標準化されました。低消費電力、低帯域幅の無線ネットワークです。ホームオートメーション、医療機器、産業用アプリケーションなどで広く利用されています。最大速度は250Kbpsで、様々な周波数と電力範囲をサポートしています。Zigbeeはゲートウェイを必要とすることが多いため、民生用電子機器に組み込まれることはほとんどありません。

Thread、Zigbee、Bluetooth メッシュの主な違い:

• プロトコルベースBLE メッシュはインターネット プロトコルの代わりに Bluetooth を使用しますが、Thread と Zigbee は IP ベースです。
• 周波数バンドBLEメッシュは2.4GHz帯で動作します。Zigbeeは地域に応じて2.4GHz、915MHz、または868MHz帯を使用できます。Threadも2.4GHz帯で動作します。
• メッセージングアプローチBLE メッシュは管理されたフラッド メッセージングを使用しますが、Zigbee と Thread はルーティング メカニズムを使用します。
• RAM使用量: Zigbee および Thread デバイスでは、ルーティング テーブルを保存するためにより多くの RAM が必要です。
• ネットワーク密度BLEメッシュはフラッディング方式を採用しているため、低密度メッシュネットに適しています。高密度ネットワークにはZigbeeとThreadの方が適しています。
• 最大限のデバイスサポートThreadはルーター511台あたり最大32台のデバイスをサポートし、ネットワークあたり最大65,000台のルーターをサポートします。Zigbeeは理論上、単一ネットワークで最大32,000台のノードをサポートします。BLEメッシュはXNUMX台以上のノードをサポートします。

Bluetoothメッシュデバイスを使用する理由

新しいテクノロジーを導入するのは容易ではありません。このBluetoothメッシュガイドが、皆様の参考になれば幸いです。MOKO SMARTは単なるサプライヤーではなく、Bluetoothテクノロジーのパイオニアです。Bluetooth IoTデバイスには、Bluetoothビーコン、Bluetoothアンカー、Bluetoothゲートウェイ、Bluetoothセンサーなど、幅広い製品を取り揃えています。

IoTデバイスのオリジナルメーカーとして、Bluetoothメッシュのあらゆるニーズに応える、最高品質で信頼性の高いデバイスを提供しています。BLEメッシュソリューションの導入をご検討中、またはBLEメッシュ製品をお探しの方は、お気軽にお問い合わせください。

Bluetoothメッシュに関するよくある質問

Bluetooth Mesh ネットワークはいくつのデバイスをサポートできますか?

32,767 つの Bluetooth Mesh ネットワークは最大 XNUMX 台のデバイスをサポートできます。

Bluetooth Mesh ネットワークは非メッシュ Bluetooth デバイスと対話できますか?

はい、プロキシ ノードを介して、Bluetooth Mesh ネットワークは通常の Bluetooth Low Energy デバイスと対話できます。