前言

藍牙技術是享譽全球的品牌之一,也是全世界應用最為普遍的無線通訊技術之一。從2000年到現在,藍牙技術已經廣泛應用於數十億台設備。就2016年而言,製造商的藍牙設備出貨量更是超過30億台。

藍牙的創新步伐從未停止。自面世以來,藍牙就不斷歷經嚴謹、每一次改進都系統嚴謹,緊跟市場需求,一直支持和鼓勵創新。

藍牙技術令人驚歎的故事還在繼續著,藍牙mesh網路翻開了最新篇章,150家藍牙技術聯盟會員公司都參與了mesh的創建。

這是系列文章中的第一篇,將向您介紹藍牙mesh網路。我們從兩篇概述開始,後續篇章中將更詳細地探討技術的各個方面。

風格OR特性

對藍牙技術感興趣的朋友一定有這樣的習慣:定期查看藍牙技術聯盟採用的新版本。

通常,新版本為藍牙提供附加特性,或者以某種方式改進現有功能。不管怎麼說,藍牙全新的「風格」已經面世;一款風格出眾的藍牙技術變體,將以完全不同的方式利用無線電,並針對一系列廣泛的用例設計和應用進行了最佳化。

藍牙基礎速率/增強資料速率(BR/EDR)是藍牙發佈的第一款風格,旨在替代纜線連接,很快就成為無線音訊市場的主宰,並推動了新型電腦週邊(如無線滑鼠和鍵盤)的發展。

Bluetooth_image1 藍牙基礎速率/增強資料速率(BR/EDR)引發無線個人音訊變革

隨後登場的是低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)。它經過最佳化,極大程度地減少了設備功耗,僅使用硬幣大小的電池就能實現無線操作和通訊,運行數年不在話下。低功耗藍牙現已被廣泛採用。如今很難找到不支持低功耗藍牙的智慧型手機或平板電腦。健康、運動和健身器材,如運動追蹤設備以及智慧手錶等可穿戴設備,都有賴於低功耗藍牙技術。這一款藍牙風格可謂影響深遠。

Bluetooth_image2 低功耗藍牙是推動穿戴式設備發展的重要技術

「那麼藍牙mesh網路是藍牙的全新風格呢?還是新特性呢?」

其實兩者都不是。現在就讓我們來深入探討一下這項驚人的、全新的藍牙技術,同時瞭解mesh與藍牙其他形式之間的關係和自身工作原理。

三大重要技術

藍牙BR/EDR和低功耗藍牙是智慧型手機等設備上的常用技術,但是它們不會互相依賴對方的服務和功能。針對所有的意圖和目的,這兩款風格的藍牙技術都能彼此獨立工作。事實上,雖然他們能在同一台設備上很好地共存,但是使用藍牙BR/EDR的設備與低功耗藍牙設備之間卻無法進行通訊。對於它們來說,有彼此相伴固然開心,但彼此之間卻沒有對話。

相比之下,藍牙mesh網路使用、並且依賴於低功耗藍牙。低功耗藍牙技術是藍牙mesh使用的無線通訊協定棧。

藍牙mesh並非無線通訊技術,而是一種網路技術。

下圖顯示了藍牙BR/EDR、低功耗藍牙和藍牙mesh之間的關係。

Bluetooth_image3 藍牙mesh和低功耗藍牙之間的關係

關於拓撲

從最基本的層面來講,藍牙BR/EDR能夠實現一台設備到另一台設備的連接和通訊,建立「一對一」的關係,大多數人所熟悉的「配對」(pairing)一詞就是這個意思。一些設備能夠與其他設備建立多重「一對一」通訊關係,並形成一種稱為「微微網」(piconet)的hub/spoke拓撲 。

Bluetooth_image4 藍牙BR/EDR和一對一拓撲

低功耗藍牙設備還能與其他設備形成「一對一」和hub/spoke關係,以無連接方式進行工作,其廣播的資料,位於直接無線電傳輸圍內的任何其他設備都可接收。這是「一對多」(1:m)的拓撲,其中m可以是一個非常大的數量!如果接收廣播的設備本身不進行資料傳輸,那麼廣播設備的無線電頻譜就僅僅是針對自己而言的,同時對於能夠接收和利用其廣播的其他設備數量沒有明確的限制。藍牙Beacon是這項功能的一個絕佳案例。

Bluetooth_image5 低功耗藍牙和廣播

藍牙mesh能讓我們建立無線設備之間的多對多(m:m)關係。此外,設備能夠將資料中繼到不在初始設備直接無線電覆蓋範圍內的其他設備。這樣,mesh網路就能夠跨越非常大的實體區域,並包含大量設備。

Bluetooth_image6 藍牙 mesh網路和多對多拓撲

mesh網路的動機

對於滿足日益普及的各種通訊需求,mesh拓撲結構能提供最佳的方式,因此藍牙mesh網路應運而生,典型的應用包括樓宇自動化和感測器網路等。這些通訊需求包括:

  • 覆蓋面積廣
  • 「直連互通性」
  • 監測和控制大量設備的能力
  • 經最佳化的、低功耗的
  • 有效利用無線電資源,有可擴展性
  • 與當前市場上的智慧型手機、平板電腦和個人電腦產品相容
  • 符合產業標準,具有政府級安全性

雖然還有其他支援mesh拓撲的低功耗無線通訊技術,但我們會員公司的很多回饋顯示,這些技術存在約束和限制,而且對於他們正在嘗試解決的各種問題和希望創建的產品類型來說,也並非最佳選擇。其他類似技術的問題包括低資料傳輸速率、在mesh上中繼資料時的「跳數」限制、通常由無線電通道使用方式引起的可擴展性限制、以及按步驟更改mesh網路中設備組成的過程中出現的困難和延遲。

通常來說,其他mesh技術無法被標準智慧型手機、平板電腦和PC設備所支援,這是一個主要的限制因素。

創建符合產業標準的、基於低功耗藍牙的mesh通訊技術,就有可能滿足他們的要求,同時沒有相關的限制和約束。畢竟,互通性和能效是低功耗藍牙最突出的特性。

以訊息為中心的通訊

藍牙mesh網路使用發佈/訂閱(publish/subscribe)訊息系統。

設備可以將訊息發送至特定位址,這些位址的名稱和含義與用戶能夠理解的高層級概念相對應,如「花園燈」(Garden Lights)。這被稱為「發佈」(publishing)。

設備經配置後,可接收由其他設備發送到特定位址的訊息。這被稱為「訂閱」(subscribing) 。

當設備向特定位址發佈訊息時,訂閱該位址的所有其他設備將收到該位址的副本,對其進行處理,並以某種方式作出回應。

想像一下花園中安裝的一套戶外燈,每盞燈都已經過配置,以便其訂閱「花園燈」訊息。現在,想像一個藍牙mesh電燈開關向「花園燈」位址發送了「開」的訊息。沒錯,花園裡的所有燈都會收到「ON」訊息,並做出開燈的回應。

就是這麼簡單!

訊息和設備狀態

狀態」(state)是藍牙mesh網路中的一個關鍵概念。藍牙mesh網路中的每台設備都具有一組獨立的狀態值,表示設備的某些狀態。在花園燈的示例中,每盞燈都有一個狀態值,表示設備當前是處於打開或關閉狀態。透過發佈一類在定義上意味著能夠回應「開」或「關」狀態值的訊息,來改變狀態值,藍牙mesh電燈開關就能對燈泡進行控制。更改狀態值會修改設備本身的實體狀況,例如打開或關閉設備。

訊息、狀態、以及這些和其他概念相關的設備行為已被定義在規格中,稱為「模型」(modules)。模型由藍牙mesh設備實施。

在本系列的後續文章中,我們會繼續更加正式地討論設備、狀態、訊息、狀態更改和模型。

下一篇預告

本文的第二篇將帶我們深入藍牙mesh網路的世界,瞭解訊息在大型mesh網路、市場設備支援、安全性和mesh協議堆疊本身之間的傳輸路徑。同時,我還將為大家介紹藍牙mesh網路設計中一些有趣的性能最佳化,這些最佳化使mesh變得更加高效,非常適合物聯網時代的mesh網路需求。敬請期待!