藍(lán)牙iBeacon與Mesh

藍(lán)牙 iBeacon 與 Mesh 組網(wǎng)技術(shù)

本文主要內(nèi)容為從原理與協(xié)議上分析BLE的iBeacon廣播技術(shù)，以及介紹低功耗藍(lán)牙的Mesh自組網(wǎng)技術(shù)，從而打破傳統(tǒng)藍(lán)牙無法自組網(wǎng)或者說組網(wǎng)功能弱的瓶頸。

一、藍(lán)牙iBeacon

BLE發(fā)送的信號(hào)有兩種形式即廣播和連接，iBeacon技術(shù)是蘋果公司提出的一種基于BLE的間歇性廣播技術(shù)即Internal beacon。

1.1 iBeacon數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的解析

BLE廣播一幀的數(shù)據(jù)量最長可以達(dá)到47字節(jié)，其包括1個(gè)字節(jié)的報(bào)頭、4個(gè)字節(jié)的地址、39個(gè)字節(jié)廣播通道PDU數(shù)據(jù)包、以及3個(gè)字節(jié)的CRC校檢碼，結(jié)構(gòu)如圖5.1所示：

iBeacon廣播技術(shù)是采用最簡單的廣播數(shù)據(jù)格式，它刪除了PDU數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)報(bào)頭和MAC地址，只發(fā)送31字節(jié)的數(shù)據(jù)；本課題在研究iBeacon廣播時(shí)，設(shè)置其數(shù)據(jù)格式為6字節(jié)的預(yù)置數(shù)據(jù)、1字節(jié)制造商數(shù)據(jù)、2字節(jié)公司服務(wù)代號(hào)、16字節(jié)128比特的UUID、2字節(jié)的主設(shè)備號(hào)、2字節(jié)的次設(shè)備號(hào)、1字節(jié)信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度，除了預(yù)置位數(shù)據(jù)，其它字段的數(shù)據(jù)可自行修改。移動(dòng)終端可以接收BLE基站發(fā)出的iBeacon廣播信號(hào)，通過軟件抓取iBeacon數(shù)據(jù)。

1.2 iBeacon的RSSI特性解析

iBeacon技術(shù)采用間歇性的向空間中輻射廣播數(shù)據(jù)，因此空間的RSSI網(wǎng)絡(luò)分布是以一定的規(guī)律在變化，本課題設(shè)置廣播間隔為±=1095 msmsT，即在環(huán)境因素不變的條件下，RSSI網(wǎng)絡(luò)以T為時(shí)間間隔做周期性變化。實(shí)時(shí)通信中信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量方式有2種：RX與RSSI，兩者都是天線對(duì)信號(hào)接收功率的衡量指標(biāo)，但是前者測(cè)量的是信號(hào)的功率，單位是毫瓦；而RSSI則表示接收信號(hào)強(qiáng)度的百分比，是一種相對(duì)比較的測(cè)量方式，且比較的標(biāo)準(zhǔn)由芯片制造商自定義。

二、藍(lán)牙Mesh自組網(wǎng)

傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備與ZigBee相比，自組網(wǎng)能力差是其很難用于實(shí)現(xiàn)大范圍物聯(lián)網(wǎng)的原因之一；BLE技術(shù)的快速發(fā)展與普及，在本課題中提出基于藍(lán)牙Mesh的自組網(wǎng)將打破傳統(tǒng)藍(lán)牙的缺陷，完成藍(lán)牙Mesh的跨島連接。

2.1傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備網(wǎng)絡(luò)

微微網(wǎng)（piconet）是一種傳統(tǒng)的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)只能有1個(gè)主設(shè)備，以及小于等于7個(gè)wake狀態(tài)的從設(shè)備。主從設(shè)備以輪詢的規(guī)則與從設(shè)備進(jìn)行通信，而從設(shè)備之間通信需要主設(shè)備做橋接聯(lián)通；單個(gè)微微網(wǎng)采用星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多個(gè)微微網(wǎng)鏈接在一起采用樹型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其原理符合1主7從的分配模型，即微微網(wǎng)之間以交叉的形式互聯(lián)；網(wǎng)絡(luò)A的從節(jié)點(diǎn)4作為網(wǎng)絡(luò)B的主節(jié)點(diǎn)，如此多個(gè)piconet構(gòu)成了散射網(wǎng)(scatternet)如圖5.5所示。散射網(wǎng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜冗余，兩個(gè)相鄰但不在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的從節(jié)點(diǎn)，需要以多跳的形似進(jìn)行信息交互，傳輸速度慢，造成資源浪費(fèi)。

2.2藍(lán)牙Mesh自組網(wǎng)

無線藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用多跳的技術(shù)接入自組網(wǎng)，兩個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間有一條或多條路由，采用協(xié)作的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。藍(lán)牙iBeacon信號(hào)除去包頭的大小，每一幀攜帶的真正信息量大小為31個(gè)字節(jié)，而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)本身是一種高容量、高速率的網(wǎng)絡(luò)，因此，用于傳輸數(shù)據(jù)量較少的藍(lán)牙無線通信是非常高效的。理論上一個(gè)藍(lán)牙無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠連接65535個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中受設(shè)備CPU和內(nèi)存容量等因素的限制，其數(shù)量為200多個(gè)，其中每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)傳輸距離大于50米，對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò)可以通過多個(gè)自組網(wǎng)連接。

在BLE的應(yīng)用中，Mesh自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，摒棄微微網(wǎng)中1個(gè)主設(shè)備配對(duì)7個(gè)從設(shè)備的概念，協(xié)作式通信拓寬了系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)交互的通道，實(shí)現(xiàn)的模型如圖5.6所示。

各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的鏈路，相互連接形成一張密集的網(wǎng)絡(luò)，其中，虛線部分表示兩個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過中間節(jié)點(diǎn)橋接的方式，完成間接的數(shù)據(jù)通信，信號(hào)傳遞的形式就像波浪的遞推。在一個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致數(shù)據(jù)間接通信的原因有兩個(gè)：如虛線m，是因?yàn)樵O(shè)備節(jié)點(diǎn)間的距離大于藍(lán)牙信號(hào)傳播的最大距離；虛線n，為非視距通信，設(shè)備節(jié)點(diǎn)間存在藍(lán)牙信號(hào)無法透?jìng)鞯恼系K物。

2.3藍(lán)牙Mesh自組網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議

（1）信道的協(xié)調(diào)分配：當(dāng)藍(lán)牙多信道連接Mesh自組網(wǎng)時(shí)，每個(gè)iBeacon設(shè)備節(jié)點(diǎn)每次只能監(jiān)測(cè)到一個(gè)可用信道，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可通過特定協(xié)商機(jī)制，來確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)在同一信道上，即設(shè)備節(jié)點(diǎn)可從不同信道實(shí)時(shí)切換到可用信道上；研究采用ATIM窗口多信道同步機(jī)制，其原理是：在窗口開始的時(shí)候強(qiáng)行將所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)信號(hào)切換到同一個(gè)信道上。

Mesh網(wǎng)絡(luò)的信道劃分，是從頻率的劃分來分配網(wǎng)絡(luò)對(duì)信道的使用，以確保Mesh網(wǎng)絡(luò)的高效性；其中，主流的信道分配方案是組的劃分，分配規(guī)則是選取相鄰節(jié)點(diǎn)間沖突最少的信道。

（2）網(wǎng)絡(luò)搜索與路由轉(zhuǎn)發(fā)：網(wǎng)絡(luò)搜索技術(shù)是用來發(fā)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的iBeacon節(jié)點(diǎn)，并建立節(jié)點(diǎn)信息庫，其使用的主要方法為：網(wǎng)絡(luò)信息的掃描與節(jié)點(diǎn)信息庫的維護(hù)；當(dāng)搜索到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的新設(shè)備，該設(shè)備的節(jié)點(diǎn)信息將以路由轉(zhuǎn)發(fā)的形式，在Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳播。路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)直接影響網(wǎng)絡(luò)的利用率，Mesh網(wǎng)絡(luò)采用的是一種多跳技術(shù)，即信號(hào)可以經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的跳躍被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收；選擇路由時(shí)有3點(diǎn)需要考慮：1.綜合考慮路由的選擇，最小跳數(shù)不是判斷最佳路由的唯一準(zhǔn)則，2.提高M(jìn)esh網(wǎng)路路由的容錯(cuò)性，避免鏈路中斷導(dǎo)致信號(hào)傳輸失敗，3.提高資源的利用率，多路由選擇；其中主流的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議，它是一種對(duì)稱反應(yīng)式自組織路由協(xié)議。

（3）網(wǎng)絡(luò)安全：Mesh網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的多跳技術(shù)與自組網(wǎng)技術(shù)，保證了Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全性；同時(shí)為了解決Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)流量的保密性、iBeacon節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的控制與監(jiān)管，Mesh安全關(guān)聯(lián)提出一種以Mesh密鑰為核心的安全架構(gòu)；其中只有通過認(rèn)證的密鑰才可以組織通信，該認(rèn)證過程有3個(gè)步驟：1.鏈接管理協(xié)議交互階段，2.EAP認(rèn)證，3.Mesh安全關(guān)聯(lián)的4次握手。因此本課題在建立Mesh網(wǎng)絡(luò)時(shí)，預(yù)先設(shè)置好了網(wǎng)絡(luò)密鑰。

實(shí)現(xiàn)Mesh自組網(wǎng)的方式是：移動(dòng)終端的應(yīng)用軟件搜索發(fā)現(xiàn)iBeacon廣播設(shè)備，并建立鏈接，選擇安全配置菜單，設(shè)置Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全密鑰，切換到設(shè)備搜索菜單，選擇信息列表中相應(yīng)的設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，組建以移動(dòng)終端為MP節(jié)點(diǎn)的Mesh自組網(wǎng)絡(luò)。這里聲明一個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全問題，一個(gè)BLE設(shè)備在Mesh網(wǎng)絡(luò)中可以作為信息傳遞的中間橋梁，但是只能同時(shí)擁有1枚網(wǎng)絡(luò)密鑰，即只能被一個(gè)MP節(jié)點(diǎn)控制。

總結(jié)

本文主要介紹低功耗藍(lán)牙的iBeacon技術(shù)，對(duì)iBeacon信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并補(bǔ)充了信號(hào)的RSSI特性，通過對(duì)數(shù)路徑損耗模型，表示不同芯片接收到信號(hào)強(qiáng)度值與信號(hào)傳播距離的關(guān)系；隨后將傳統(tǒng)藍(lán)牙組網(wǎng)技術(shù)（微微網(wǎng)）與藍(lán)牙Mesh自組網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)行對(duì)比分析，從信道的協(xié)調(diào)分配、網(wǎng)絡(luò)搜索與路由轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)安全3個(gè)方面敘述藍(lán)牙Mesh協(xié)議與實(shí)現(xiàn)方式。

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