Der Artikel stellt als Auftakt der MESH-Reihe die Architektur und Funktionen des Bluetooth Mesh 1.0- Protokolls vor. Als ergänzendes Protokoll zum Bluetooth Low Energy-Protokoll führt das von Bluetooth 5.0 unabhängige Bluetooth Mesh-Protokoll erstmals ein offenes Standard- Mesh-Netzwerk für Bluetooth Low Energy-Geräte ein.

Das MESH-Netzwerk ist eine drahtlose Technologie mit geringem Stromverbrauch für die Smart Home- und GebäudeautomationAnwendungen. Da SIG zunächst nicht über die Unterstützung für MESH-Netzwerke verfügt, müssen Ingenieure für die Entwicklung von Smart-Home-Anwendungen Bluetooth Low Energy auf andere Technologien (wie ZigBee und Thread) umstellen. Die Situation hielt an, bis Mitte 2017 die Spezifikation von Bluetooth Mesh veröffentlicht wurde. Jetzt hat die Bluetooth SIG den Mangel an MESH-Netzwerken durch die Einführung der Bluetooth 5.0-Zusatzspezifikation behoben – Bluetooth Mesh Network 1.0. Die Spezifikation erfordert keine weitere Hardwareunterstützung und kann durch Flashen der Firmware auf vorhandenen Bluetooth Low Energy-Chips (BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 und BLE5.0) ausgeführt werden. Einige Chiphersteller können jetzt das Bluetooth Mesh 1.0-Protokoll unterstützen.

1. BLE MESH-Markt jetzt

Bisher haben 73 Unternehmen weltweit BLE MESH in der SIG zertifiziert, und die Anzahl der zertifizierten Produkte liegt bei 461. Diese Daten umfassen die Gesamtzahl der Zertifizierungen der Terminalprodukte und des Chips. Die folgende Tabelle listet die zertifizierten Unternehmen und die Anzahl ihrer Produktzertifizierungen auf, darunter viele von chinesischen Internetgiganten zertifizierte Endgeräte.

2. Vorteile des MESH

Bluetooth Low Energy wurde ursprünglich entwickelt, um den hohen Stromverbrauch des „klassischen“ Bluetooth durch die Ausweitung der drahtlosen Technologie auf batteriebetriebene Geräte zu ergänzen. Beispielsweise kommunizieren die Herzfrequenzgurte und drahtlos gesteuerten Spielzeuganwendungen über die Bluetooth Low Energy-Technologie mit einem Master-Gerät (z. B. einem Mobiltelefon). Sogar ein Master-Gerät steuert mehrere Slave-Geräte, um eine sternförmige Netzwerktopologie zu bilden.

Aufgrund der Interoperabilität von Bluetooth Low Energy und Mobiltelefonen kann Bluetooth Low Energy schnell auf andere Anwendungen wie Lichtsteuerung , Smart Home usw. ausgeweitet werden. Bei solchen Anwendungen treten die Mängel des Star-Netzwerks auf. Beispielsweise können Bluetooth-Low-Energy-Lösungen nur eine begrenzte Anzahl gleichzeitiger Verbindungen (normalerweise acht) bewältigen. Und Beleuchtungsgeräte mit mehr als 8 Lampen können nicht mit einem einzigen Befehl gesteuert werden, was zu Steuerungsverzögerungen führt. Die Glühbirnen, die weit vom großen Haus entfernt sind, befinden sich möglicherweise nicht in der Reichweite der zentralen Steuerung und müssen von Knoten mit Routing-Funktionen geschaltet werden.

Seit der Einführung von Bluetooth Low Energy wurden die Versionen 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 und 5.2 herausgebracht. Viele Funktionen im Protokoll wurden verbessert, wie z. B. Übertragungsreichweite, Durchsatz, Übertragungskapazität von Broadcast-Daten, AoA/AoD-Positionierung und Koexistenzverbesserungen . (Einige dieser neuen Funktionen sind optional. Optional bedeutet, dass ein Chip, der diese neuen Funktionen nicht unterstützt, auch ein BLE 5.0-Chip sein kann.)

Bluetooth Mesh 1.0 ist kein einfaches Upgrade von BLE 5, sondern eine Reihe von Protokollen, die vom Bluetooth-Protokoll unabhängig sind. Und alle Chipprodukte früherer Versionen (BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) können aktualisiert werden. Unter der Voraussetzung ausreichender Flash- und RAM-Ressourcen muss lediglich die Firmware aktualisiert werden, um das Bluetooth-Mesh auszuführen.

Wenn der Bluetooth MESH-Knoten eine Nachricht empfängt, überträgt er die von der Bluetooth-Low-Energy-Schicht erhaltenen Daten an die Trägerschicht, und dann werden die Daten über die Trägerschicht an die Netzwerkschicht übertragen. Die Netzwerkschicht entscheidet anhand verschiedener Prüfungen, ob die Nachricht an die untere Transportschicht weitergeleitet oder verworfen werden soll.

Die Bluetooth MESH-Spezifikation definiert ein neues Kernprotokoll. Einige der Kernprotokollschichten teilen einige Konzepte mit den Kernprotokollschichten von Bluetooth Low Energy, aber die beiden Protokolle sind nicht vollständig miteinander kompatibel. Dies unterscheidet sich von Technologien wie ZigBee und Thread. ZigBee und Thread wurden von Anfang an als MESH-Netzwerke konzipiert. Die zugrunde liegenden Spezifikationen basieren auf 802.15.4, die Kompatibilität mit anderen Mainstream-Protokollen wurde jedoch nicht berücksichtigt. (In den letzten zwei Jahren hat ZigBee darüber nachgedacht, Dotdot auf oberster Ebene zu verwenden, um mit anderen Netzwerkprotokollen kompatibel zu sein und eine Verbindung zu erreichen. Einzelheiten finden Sie unter https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/ .)

Es gibt vier Arten von Netzwerkknoten:

Ein Relay-Knoten empfängt und sendet Bluetooth-Mesh-Nachrichten mithilfe des Werbeträgers weiter. Der Nachteil von Relaisknoten besteht darin, dass sie immer den Alarmzustand beibehalten müssen, was den Stromverbrauch erheblich erhöht. Es hat kaum Auswirkungen auf Anwendungen, die über das Stromnetz betrieben werden, wie z. B. intelligente Beleuchtung, aber es ist ein großes Problem für batteriebetriebene Knoten, wie z. B. Schalter, die in das Netzwerk integriert sind.

Knoten mit geringem Stromverbrauch nutzen die standardmäßigen Energiesparfunktionen von Bluetooth Low Energy (das heißt, sie halten den Ruhezustand über einen langen Zeitraum aufrecht), sodass sie über einen langen Zeitraum durch Batterie- oder Energiegewinnung betrieben werden können. LPNs arbeiten mit dem Friend-Knoten zusammen, der nicht an die Stromversorgung gebunden ist (z. B. verfügt er über eine permanente Wechselstromquelle). Der Friend speichert an den LPN adressierte Nachrichten und übermittelt sie an den LPN, wann immer der LPN den Friend-Knoten nach „wartenden Nachrichten“ abfragt. Wenn das LPN in den Empfangsmodus wechselt (nach einem vorgegebenen Zeitplan), empfängt es die gespeicherte Nachricht, folgt den Anweisungen und kehrt dann in den energiesparenden Ruhemodus zurück.

Friend Nodes
Ein Friend Node kann Nachrichten, die an einen zugehörigen Low Power Node gerichtet sind, speichern und später weiterleiten. Wenn ein Low-Power-Knoten aufwacht und einen Friend-Knoten abfragt, überträgt Friend diese Nachrichten an den entsprechenden Low-Power-Knoten. Friend-Knoten belegen mehr Speicher als andere Knotentypen, da sie Nachrichten für einen oder mehrere Knoten mit geringem Stromverbrauch speichern müssen. Die erforderliche Speichergröße hängt von der Menge an Daten/Befehlen ab, die in Friend-Knoten gespeichert und während Abfragevorgängen an Knoten mit geringem Stromverbrauch gesendet werden müssen.

Proxy-Knoten
Der Proxy-Knoten ist der Schlüssel dafür, dass Nicht-Mesh-Bluetooth-Low-Energy-Geräte (z. B. ein Mobiltelefon) Teil eines Bluetooth-Mesh-Netzwerks sein können. Proxy-Knoten stellen eine GATT-Schnittstelle bereit, die Bluetooth LE-Geräte für die Interaktion mit einem Mesh-Netzwerk verwenden können. Ein Proxy-Knoten kann Nachrichten über einen Träger (Advertising oder GATT) empfangen und sie über den anderen (Advertising oder GATT) erneut übertragen. Der grundlegende Zweck des Proxy-Knotens besteht darin, eine Trägerkonvertierung durchzuführen. Es kann vom Werbeträger zum GATT-Träger und umgekehrt umgewandelt werden. Daher kann ein Gerät, das den Werbeträger nicht unterstützt, stattdessen verschiedene Arten von Bluetooth-Mesh-Nachrichten über eine GATT-Verbindung senden und empfangen. Die Funktion ist beispielsweise nützlich, wenn der Benutzer ein herkömmliches Smartphone zur Steuerung eines intelligenten Beleuchtungsnetzwerks verwenden möchte.

Die Abbildung zeigt ein Beispiel für ein einfaches Bluetooth-Mesh-Netzwerk. In diesem Beispiel werden die meisten Knoten, wie z. B. die Glühbirnen, über das Stromnetz mit Strom versorgt und können die Werbekanäle kontinuierlich nach eingehenden Nachrichten durchsuchen. Einige dieser Knoten unterstützen möglicherweise auch die Relay-, Proxy- und Friend-Funktionen. Darüber hinaus nutzt in der Topologie dieses Beispiels der Temperatursensor mit geringem Stromverbrauch die Funktion „Niedriger Stromverbrauch“ und wird von einem der netzbetriebenen Knoten unterstützt, auf denen die „Friend“-Funktion implementiert ist. Ebenso kommuniziert ein Smartphone, das den Werbeträger nicht unterstützt, mit dem Mesh-Netzwerk über einen Knoten, der die Proxy-Funktion unterstützt.

Darüber hinaus muss der neue Knoten vor dem Beitritt zum Mesh-Netzwerk konfiguriert werden, um sicherzustellen, dass das neue Gerät ein vertrauenswürdiges Gerät ist und auf alle Knoten im Netzwerk zugreifen kann. Nach der Eingabe vergibt das MESH-Netzwerk Adressen, Gerätetypen und Geräteschlüssel für den neuen Knoten. Anschließend wird der Geräteschlüssel verwendet, um einen sicheren Kanal zur Konfiguration neuer Knoten einzurichten. Theoretisch kann das Bluetooth MESH-Netzwerk bis zu 32.000 Knoten unterstützen.

5. Bluetooth MESH-Architektur

Das Bluetooth-Mesh-Netzwerk nutzt die „Flooding“-Technologie, um Nachrichten im Netzwerk zu senden (ähnlich der Art und Weise, wie sich der Virus verbreitet). Jedes Datenpaket wird an andere Knoten im Netzwerk weitergeleitet, bis die Nachricht den Zielknoten erreicht. Die Nachrichtenübertragung kann für einen einzelnen Knoten, eine Gruppe von Knoten oder alle Knoten erfolgen. Beispielsweise können wir alle Lichter in einem einzelnen Raum als Gruppenadresse definieren. Die Bluetooth-Mesh-Spezifikation definiert vier feste Gruppenadressen: „All-Proxies“, „All-Friends“, „All-Relays“ und „All-nodes“. (LPN verfügt nicht über die Funktion, Nachrichten weiterzuleiten, da es einen geringen Stromverbrauch aufrechterhalten muss.)

Die Flooding-Mesh-Architektur und die Wahl der Gruppenadresse verbessern die Unterstützung des Bluetooth-Mesh-Netzwerks für Smart-Home-Anwendungen. Wenn beispielsweise das Gateway-Gerät im MESH-Netzwerk den Befehl „EIN“ empfängt, kann dieser schnell über das MESH-Netzwerk an das gesamte Netzwerk gesendet werden. Jedes Knotengerät im Netzwerk erhält den Befehl und ergreift entsprechende Maßnahmen, die Lichter in der Zielgruppe können sofort eingeschaltet werden.

Im Vergleich zum Sternnetzwerk ist die minimale Wartezeit der durchschnittlichen Empfangsdaten für die MESH-Netzwerkknoten viel kürzer als die des Sternnetzwerks. Denn das zentrale Gerät muss an jede angeschlossene Glühbirne im Sternnetzwerk einen separaten Befehl senden. Und die CPU muss in bestimmten Zeitintervallen Befehle an alle Untergeräte senden.

Es gibt einige Unterschiede zwischen Bluetooth MESH und herkömmlichem Bluetooth. Alle Mesh-Daten werden nur auf den drei Werbekanälen 37, 38 und 39 übertragen. Dies hat seine Vor- und Nachteile. Der Vorteil ist ein hoher Wirkungsgrad und ein einfacher Übertragungsweg. Der Nachteil besteht darin, dass dadurch die Netzwerkbandbreite verringert und das Risiko einer Überlastung erhöht wird.

Es gibt zwei Methoden für das MESH-Netzwerk, mit Überlastungen umzugehen: Die erste ist die TTL (Time To Live) , die definiert, wie oft ein bestimmtes Paket weitergeleitet werden kann (normalerweise drei Schritte). Der zweite ist der Netzwerkcache . Das Gerät sendet nur einmal, nachdem es ein weitergeleitetes Datenpaket erfasst hat. Das Gerät leitet es nicht weiter, wenn es das nächste Mal dasselbe Informationspaket empfängt, das von anderen Geräten gesendet wird.

Entwickler können auch optionale Gruppenzustellungsrouten nutzen und die Relay-Funktion beibehalten. Nach der Einstellung kann der Knoten Datenpakete empfangen, aber nicht senden. Daher wird die Flexibilität des Knotens beeinträchtigt.

6. BLE MESH-Modell

Das Konzept des MESH-Modells ähnelt dem Konzept des Bluetooth-Profils. Das Modell spezifiziert eine öffentliche Informationsstruktur, die einen oder mehrere Dienste enthalten kann (das Konzept des Modells wird zur Definition von Endgeräten verwendet).

Das Modell enthält die spezifischen Verhaltensweisen und Dienste von Knoten und definiert eine Reihe von Status und Nachrichten, die auf den Status reagieren. Das Standardmodell kann in den typischen Anwendungen wie Gerätekonfiguration, Sensorablesungen und Beleuchtungssteuerung eingesetzt werden. Und Entwickler können auch benutzerdefinierte Modelle erstellen.

Die Modelle in den Knoten sind nach Elementen geordnet. Jedes Element fungiert im Netz als virtuelle Einheit mit einer eindeutigen Adresse, und jede eingehende Nachricht wird vom Modell im Element verarbeitet.

Verschiedene Modelle interagieren durch „Publish and Subscribe“ miteinander. Der Veröffentlichungsknoten sendet eine Nachricht, und der zum Abonnieren konfigurierte Knoten verarbeitet sie nach Erhalt der Nachricht.

In der folgenden Abbildung können wir sehen, dass der Knoten „Switch 1“ an die Gruppenadresse Kitchen veröffentlicht. Die Knoten Light 1, Light 2 und Light 3 abonnieren jeweils die Kitchen-Adresse und empfangen und verarbeiten daher an diese Adresse veröffentlichte Nachrichten. Mit anderen Worten: Licht 1, Licht 2 und Licht 3 können mit Schalter 1 ein- oder ausgeschaltet werden.

Switch 2 veröffentlicht an die Gruppenadresse Dining Room. Nur Lampe 3 hat diese Adresse abonniert und ist daher die einzige Lampe, die von Schalter 2 gesteuert wird. Beachten Sie, dass dieses Beispiel auch die Tatsache veranschaulicht, dass Knoten Nachrichten abonnieren können, die an mehr als eine eindeutige Adresse adressiert sind. Das ist sowohl leistungsstark als auch flexibel.

Beachten Sie auch, dass beide Knoten Switch 5 und Switch 6 an derselben Garden-Adresse veröffentlichen.

7. Bluetooth Mesh-Konfigurationsnetzwerk

Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für ein Netzwerkabonnement mit vollständiger Konfiguration. Der Prozess ist der Standardprozess für Bluetooth MESH-Konfigurationsnetzwerkregistrierungsgeräte. Zu Beginn sendet die Glühbirne ein Signal an das MESH-Netzwerk, um mitzuteilen, dass sie nach einem Netzwerk sucht, dem sie beitreten kann. Der Konfigurationsknoten authentifiziert das Glühbirnen-Beacon und lädt es ein, dem Netzwerk beizutreten. Bei erfolgreicher Authentifizierung erhält das Gerät die notwendigen Schlüssel und Adressen, um sich dem Netzwerk anzuschließen und die Konfiguration vorzubereiten. Anschließend wird die Glühbirne mit dem APP-Schlüssel „Hausautomation“ versehen. Dadurch wird der Veröffentlichungsstatus des „OnOff-Servers“ (Kontrollglühbirne) festgelegt und schließlich das Abonnement zur „Lichtgruppe“ hinzugefügt.

8. Bluetooth MESH-Anwendungen

Basierend auf den vorläufigen Statistiken der SIG-zertifizierten Produkte wird festgestellt, dass sich die Anwendungen von BLE MESH hauptsächlich auf Smart Homes und Lichtsteuerungsanwendungen konzentrieren, wobei 60 % auf die Lichtsteuerung, 30 % auf Smart Homes und die letzten 10 % entfallen. Zugehörigkeit zur Originalhersteller-Chip-Zertifizierung und Nischenmarktanwendung. BLE MESH ist zweifellos der größte Konkurrent von ZigBee .