什么是蓝牙网状网络以及它如何工作

2024 年 9 月 14 日
物联网基础

蓝牙 Mesh 是 BLE 的一项真正创新，与支持 Mesh 的 Zigbee 和 Thread 技术竞争。这本质上是通过互连节点实现的。这些节点充当去中心化网络中的点，共享数据并扩展网络的覆盖范围和功能。在蓝牙 Mesh 的早期，人们对这项新 Mesh 技术的普及程度充满期待——自 2017 年 BLE Mesh 推出以来，人们就一直在预测这项技术的应用范围。许多人都认为“BLE Mesh 网络”将在几年内成为现实。尽管潜力巨大，但它尚未像其他 BLE 技术那样经历爆炸式增长。

什么是蓝牙网状技术

蓝牙Mesh是蓝牙与网状网络的结合。

网状网络，又称“多跳网络”，是一种网络拓扑结构。在网状网络中，数据可以从任意设备传输到所有其他设备，实现多对多通信。即使一台设备发生故障，网络也能继续工作。

蓝牙 Mesh 采用低功耗蓝牙，该技术随蓝牙 4.0 一起发布。2017 年，官方发布了蓝牙 Mesh 1.0（至今仍是最新版本）。需要明确的是，BLE Mesh 并非一项新的无线通信技术，而是一项网络技术。它利用并依赖于 BLE，并使用其通信协议栈。

蓝牙网状网络采用托管泛洪技术。设备可以进行一对一、一对多或多对多通信。通过使用 BLE 协议在不同网络节点之间进行通信，它形成了一个没有通信盲区的网络。所有这些都使消息传输距离比传统蓝牙更远。

蓝牙网状网络如何工作

与传统的一对一连接不同，蓝牙 Mesh 创建的网络允许消息在设备之间传递，直至到达目的地。两个设备节点之间可能存在一条或多条路由。BLE Mesh 的工作原理是将消息广播到所有附近的节点，然后由这些节点进行中继。此过程持续进行，直至消息到达其预定目的地。

这种“托管泛洪”机制确保即使某些设备超出直接覆盖范围或处于关闭状态，消息也能到达目标。设备可以向特定地址发布消息，其他设备可以订阅接收消息。这种发布-订阅模式实现了高效的群组通信。

基础知识蓝牙网状网络工业网络

了解蓝牙Mesh的工作原理后，掌握该技术的一些关键技术术语和概念至关重要。让我们来分解一下其中的一些：

Nodes：当蓝牙设备加入蓝牙 Mesh 网络时，它就成为一个“节点”。该节点是 BLE Mesh 网络的参与者。
元素：每个节点由一个或多个“元素”组成。元素就像节点内的功能单元。每个节点至少包含一个元素，但如果节点执行各种功能，则可以包含多个元素。
型号：元素包含“模型”，用于定义节点的具体行为或服务。模型具有唯一的 ID 号，并决定节点可以执行的操作。蓝牙 SIG 定义了一些标准模型，涵盖了许多常见场景。
留言：当消息在节点之间发送时，它们会根据匹配的元素和模型进行过滤。
地址：地址用于识别消息的来源和目的地。

节点类型：

在蓝牙网状网络中，有几种类型的节点，每种都有特定的角色：

中继节点：消息会被发送到发布节点无线电覆盖范围内的节点。有些节点充当“中继”。中继会重新传输消息，以便它们能够通过若干“跳”传输到更远的地方。
好友节点和低功耗节点：LPN 的功率非常受限。为了避免维持较高的消息接收占空比，LPN 会与“好友”节点合作。“好友”节点会为其 LPN 存储消息，并在 LPN 偶尔轮询时转发消息。
代理节点：低功耗蓝牙设备（例如智能手机）可以通过代理节点连接到网状网络。

要了解更多基本概念，您可以参考蓝牙网状网络术语表.

BLE Mesh 系统架构

BLE Mesh 协议架构由七层组成，基于您熟悉的 BLE 核心规范构建。此外，它还添加了复杂的上层功能，以创建互连设备的网络。BLE Mesh 依赖于 BLE 协议栈的可用性。

从下到上，各层如下：

承载层
网络层
下层传输层
上层传输层
接入层
模型层
应用层

承载层定义了如何使用底层 BLE 协议栈发送和接收消息。它支持两种方式：广播承载层 (PB-ADV) 和 GATT 承载层 (PB-GATT)。多个中间层负责处理关键任务，包括加密和解密数据、管理网络配置以及消息分段和重组等。这些层确保消息即使需要跨越多个设备也能到达预定目的地。

模型层定义了标准化的典型用户场景，例如控制照明或读取传感器。应用层位于最顶层，负责将这些模型组织成最终用户可以交互的实用应用程序。

BLE 网状网络的优势与局限性

BLE Mesh 满足了智能连接的需求——大规模、低功耗、灵活和安全。然而，它并非万能的解决方案，如同任何技术一样，也有其优缺点。

BLE 网状网络的优势

低功耗：与其他 BLE 系统一样，BLE Mesh 也具有低功耗的特点。因此，Mesh 网络在覆盖大面积区域的同时，还能有效节省能源。
网络弹性：在蓝牙 Mesh 网络中，设备节点可以断开连接，而不会造成重大影响。如果一个设备掉线，初始节点将继续广播数据。收件人将在短暂延迟后收到数据包。
灵活性和自我重构：网状网络可以自行重新配置。这种灵活性有时比保证速度和缩短延迟更重要。
节点移动性：在 BLE 网状网络中，节点可以改变位置，而不会破坏结构或丢失传输中的数据。只有当节点超出接收器范围时，数据才会无法到达目的地。
兼容性：BLE Mesh 节点可以与蓝牙 4.x 和 5.x 设备通信。蓝牙 4.x 设备可以接收消息，但无法成为网络的正式节点。
信标集成：BLE Mesh 与蓝牙 Beacon 紧密配合。Beacon 可用于室内外定位、传感器网络等应用。

限制 BLE 网状网络

数据吞吐量低：蓝牙 Mesh 的数据传输速率有限，大约为每秒 1 兆比特，甚至更低。这意味着它不适合需要更快数据传输的应用。
高延迟：蓝牙 Mesh 采用“托管泛洪”技术，因此消息会发送到网络中的所有设备。消息到达所有设备并获得响应可能需要很长时间。节点越多，响应时间可能越长。
能量消耗：虽然人们通常认为蓝牙比其他技术更省电，但这在网状网络中并非总是如此。网状网络中有很多设备。任务较多的设备会消耗更多电量。这是因为它们必须始终监听消息并将其发送给其他设备。
复杂的网络管理：设置和管理蓝牙网状网络非常复杂，需要大量的专业知识。

蓝牙 mesh vs o疗法 t技术

除了 BLE Mesh，其他流行的 Mesh 网络技术还包括 Zigbee 和 Thread。这些技术与 BLE Mesh 网络有很多相似之处。

Thread 于 2014 年推出，是一种基于 IPv6 的物联网网状网络协议。它支持每个网络最多 32 个路由器，每个路由器最多 511 个设备，适用于高密度网状网络。作为一种 IP 可寻址解决方案，Thread 可轻松与基于 IPv6 的应用程序集成，并为本地物联网系统提供高数据速率。

Zigbee 出现得更早，早在 1998 年就已出现，并于 2003 年实现标准化。它是一种低功耗、低带宽的无线网络。其热门应用包括家庭自动化、医疗设备和工业应用。它的最大速率为 250 Kbps，并支持各种频率和功率范围。Zigbee 通常需要网关，因此很少被集成到消费电子产品中。

Thread、Zigbee 和蓝牙网状网络之间的主要区别：

协议库：BLE 网状网络使用蓝牙而不是互联网协议，而 Thread 和 Zigbee 是基于 IP 的。
频段：BLE Mesh 在 2.4 GHz 频段运行。Zigbee 可以使用 2.4 GHz、915 MHz 或 868 MHz 频段，具体取决于所在地区。Thread 也运行在 2.4 GHz 频段。
信息传递方式：BLE 网状网络使用托管洪水消息传递，而 Zigbee 和 Thread 使用路由机制。
RAM用途：Zigbee 和 Thread 设备需要更多 RAM 来存储路由表。
网络密度：BLE Mesh 由于其泛洪方法，更适合低密度 Mesh 网络。Zigbee 和 Thread 更适合高密度网络。
最大设备支持：Thread 每个路由器最多可支持 511 个设备，每个网络最多可支持 32 个路由器。Zigbee 理论上单个网络最多可支持 65,000 个节点。BLE Mesh 可支持超过 32,000 个节点。