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蓝牙技术

蓝牙iBeacon与Mesh


蓝牙 iBeacon 与 Mesh 组网技术

本文主要内容为从原理与协议上分析BLE的iBeacon广播技术,以及介绍低功耗蓝牙的Mesh自组网技术,从而打破传统蓝牙无法自组网或者说组网功能弱的瓶颈。

一、蓝牙iBeacon

BLE发送的信号有两种形式即广播和连接,iBeacon技术是苹果公司提出的一种基于BLE的间歇性广播技术即Internal beacon。

1.1 iBeacon数据结构的解析

BLE广播一帧的数据量最长可以达到47字节,其包括1个字节的报头、4个字节的地址、39个字节广播通道PDU数据包、以及3个字节的CRC校检码,结构如图5.1所示:

图 5.1 蓝牙广播数据结构

iBeacon广播技术是采用最简单的广播数据格式,它删除了PDU数据包中的数据报头和MAC地址,只发送31字节的数据;本课题在研究iBeacon广播时,设置其数据格式为6字节的预置数据、1字节制造商数据、2字节公司服务代号、16字节128比特的UUID、2字节的主设备号、2字节的次设备号、1字节信号发射强度,除了预置位数据,其它字段的数据可自行修改。移动终端可以接收BLE基站发出的iBeacon广播信号,通过软件抓取iBeacon数据。

1.2 iBeacon的RSSI特性解析

iBeacon技术采用间歇性的向空间中辐射广播数据,因此空间的RSSI网络分布是以一定的规律在变化,本课题设置广播间隔为±=1095 msmsT,即在环境因素不变的条件下,RSSI网络以T为时间间隔做周期性变化。实时通信中信号强度的测量方式有2种:RX与RSSI,两者都是天线对信号接收功率的衡量指标,但是前者测量的是信号的功率,单位是毫瓦;而RSSI则表示接收信号强度的百分比,是一种相对比较的测量方式,且比较的标准由芯片制造商自定义。

二、蓝牙Mesh自组网

传统蓝牙设备与ZigBee相比,自组网能力差是其很难用于实现大范围物联网的原因之一;BLE技术的快速发展与普及,在本课题中提出基于蓝牙Mesh的自组网将打破传统蓝牙的缺陷,完成蓝牙Mesh的跨岛连接。

2.1传统蓝牙设备网络

微微网(piconet)是一种传统的蓝牙网络拓扑结构,一个微微网内只能有1个主设备,以及小于等于7个wake状态的从设备。主从设备以轮询的规则与从设备进行通信,而从设备之间通信需要主设备做桥接联通;单个微微网采用星型的拓扑结构,多个微微网链接在一起采用树型的拓扑结构,其原理符合1主7从的分配模型,即微微网之间以交叉的形式互联;网络A的从节点4作为网络B的主节点,如此多个piconet构成了散射网(scatternet)如图5.5所示。散射网的缺点是结构复杂冗余,两个相邻但不在同一网络内的从节点,需要以多跳的形似进行信息交互,传输速度慢,造成资源浪费。

图 5.5 微微网通信与交叉模型

2.2蓝牙Mesh自组网

无线蓝牙Mesh网络中每个节点采用多跳的技术接入自组网,两个设备节点之间有一条或多条路由,采用协作的方式进行数据通信。蓝牙iBeacon信号除去包头的大小,每一帧携带的真正信息量大小为31个字节,而无线Mesh网络本身是一种高容量、高速率的网络,因此,用于传输数据量较少的蓝牙无线通信是非常高效的。理论上一个蓝牙无线Mesh网络能够连接65535个设备节点,实际实验中受设备CPU和内存容量等因素的限制,其数量为200多个,其中每个设备节点传输距离大于50米,对于大型网络可以通过多个自组网连接。

在BLE的应用中,Mesh自组网实现了每个设备节点之间的相互通信,摒弃微微网中1个主设备配对7个从设备的概念,协作式通信拓宽了系统内数据交互的通道,实现的模型如图5.6所示。

图 5.6 蓝牙的 MESH 网络模型

各个设备节点之间的链路,相互连接形成一张密集的网络,其中,虚线部分表示两个设备节点通过中间节点桥接的方式,完成间接的数据通信,信号传递的形式就像波浪的递推。在一个Mesh网络中,导致数据间接通信的原因有两个:如虚线m,是因为设备节点间的距离大于蓝牙信号传播的最大距离;虚线n,为非视距通信,设备节点间存在蓝牙信号无法透传的障碍物。

2.3蓝牙Mesh自组网的相关协议

(1)信道的协调分配:当蓝牙多信道连接Mesh自组网时,每个iBeacon设备节点每次只能监测到一个可用信道,设备节点可通过特定协商机制,来确保每个节点发出的信号在同一信道上,即设备节点可从不同信道实时切换到可用信道上;研究采用ATIM窗口多信道同步机制,其原理是:在窗口开始的时候强行将所有设备节点信号切换到同一个信道上。

Mesh网络的信道划分,是从频率的划分来分配网络对信道的使用,以确保Mesh网络的高效性;其中,主流的信道分配方案是组的划分,分配规则是选取相邻节点间冲突最少的信道。

(2)网络搜索与路由转发:网络搜索技术是用来发现Mesh网络内的iBeacon节点,并建立节点信息库,其使用的主要方法为:网络信息的扫描与节点信息库的维护;当搜索到网络内的新设备,该设备的节点信息将以路由转发的形式,在Mesh网络内传播。路由转发技术直接影响网络的利用率,Mesh网络采用的是一种多跳技术,即信号可以经过多个节点的跳跃被目标节点接收;选择路由时有3点需要考虑:1.综合考虑路由的选择,最小跳数不是判断最佳路由的唯一准则,2.提高Mesh网路路由的容错性,避免链路中断导致信号传输失败,3.提高资源的利用率,多路由选择;其中主流的Mesh网络路由协议是动态源路由协议,它是一种对称反应式自组织路由协议。

(3)网络安全:Mesh网络独有的多跳技术与自组网技术,保证了Mesh网络的安全性;同时为了解决Mesh网络内节点流量的保密性、iBeacon节点入网的控制与监管,Mesh安全关联提出一种以Mesh密钥为核心的安全架构;其中只有通过认证的密钥才可以组织通信,该认证过程有3个步骤:1.链接管理协议交互阶段,2.EAP认证,3.Mesh安全关联的4次握手。因此本课题在建立Mesh网络时,预先设置好了网络密钥。

实现Mesh自组网的方式是:移动终端的应用软件搜索发现iBeacon广播设备,并建立链接,选择安全配置菜单,设置Mesh网络的安全密钥,切换到设备搜索菜单,选择信息列表中相应的设备接入到网络中,组建以移动终端为MP节点的Mesh自组网络。这里声明一个网络安全问题,一个BLE设备在Mesh网络中可以作为信息传递的中间桥梁,但是只能同时拥有1枚网络密钥,即只能被一个MP节点控制。

总结

本文主要介绍低功耗蓝牙的iBeacon技术,对iBeacon信号数据结构进行解析,并补充了信号的RSSI特性,通过对数路径损耗模型,表示不同芯片接收到信号强度值与信号传播距离的关系;随后将传统蓝牙组网技术(微微网)与蓝牙Mesh自组网技术的进行对比分析,从信道的协调分配、网络搜索与路由转发、网络安全3个方面叙述蓝牙Mesh协议与实现方式。

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