蓝牙Mesh网络简介

来源：All About Circuits 作者：Dr. Steve Arar

在物联网（IoT）无线连接的背景下，Mesh网络一直是蓝牙标准中备受期待的一项补充内容，主要是因为这个功能可以扩展蓝牙网络的覆盖范围以及应用。

蓝牙特别兴趣小组（SIG）于2017年推出了蓝牙Mesh网络。现在有了Mesh网络这一分支，蓝牙将能够与其他支持Mesh网络的标准（如ZigBee和Thread）竞争。

※ BLE Mesh网络

在上一篇文章中，我们讨论了Mesh网络可以为数据包提供多条路径，并且与星形拓扑相比，他能使网络更具弹性。

由于Mesh网络中的节点可以充当中继器，因此网络的范围可以扩展到单个无线电的范围之外。由于这些优势，专为物联网应用设计的无线通信协议往往在其标准中包括Mesh网络功能，以便通过多跳操作在地理上扩展网络。例如，Zigbee的网络层在设计时从一开始就着眼于Mesh拓扑要求，尽管Zigbee也支持星形配置。

BLE（低功耗蓝牙）现在是物联网应用的常见选择，他于2017年开始也支持了Mesh网络。图1为一个示例。

图1.BLE Mesh网络的示例。（图片来源：Integra Sources）

与Zigbee和Thread不同，BLE是Mesh网络竞争的后来者。这应该不足为奇，因为蓝牙的原始版本被设计为短距离通信的电缆替代品，而不是物联网应用传感器密集环境的连接解决方案。

事实上，蓝牙的原始版本，现在通常被称为蓝牙经典，以区别于BLE，旨在取代RS-232电缆。后来，由于诸如使用耳机和音乐流媒体应用程序的收集等应用场景，它吸引了越来越多的关注。

Mesh选项扩展了覆盖范围，并允许在物联网应用中部署BLE，例如在智能家居中被几面墙隔开的设备之间的通信。

※ 扩展BLE应用范围

除了扩展网络的覆盖范围外，Mesh网络功能还包括通过多对多通信来促进某些物联网应用的实施。非Mesh的BLE版本仅支持一对一和一对多通信，如图2所示。

图2.一对一和一对多通信的简化模型。

一对一通信的一个常见应用是无线音频流，其中两个设备相互连接。BLE信标在一对多拓扑中运行（如图3所示），我们将在后面的文章中深入探讨如何建立通信。

图3.多对多通信促进了许多物联网应用。

一般来说，信标是小型无线设备，它们重复发送恒定信号，该信号可以被附近的BLE接收器接收。在零售业中，信标可用于为客户提供不同产品的关键信息。例如，在购物中心可以部署BLE信标，以向客户宣传折扣。在大型建筑物内定位用户位置的室内定位系统是信标的另一个常见应用。

除了一对一和一对多通信外，许多物联网应用还需要多对多通信。例如，智能家居应用中往往需要使用多个手机控制多个灯泡，灯泡还应响应来自调光器和传感器的命令。这些都需要多对多通信，这些通信本质上是由Mesh拓扑提供的。

Mesh功能扩展了BLE的应用，并允许其用于具有完全不同形式的应用程序中。智能家居/办公室和工业控制是一些需要多对多通信的常见应用。

※ 我们需要一个新的Mesh协议吗？

有人可能会问：如果Zigbee和Thread等协议已经支持Mesh拓扑，为什么我们需要一个新的支持Mesh的连接解决方案？

Mesh网络的许多基本功能都受这三种协议的支持。例如，它们都包括自我修复功能，这意味着如果节点被禁用或删除，网络会自动重新配置以自行修复。

但是，这些协议之间存在重大差异。例如，蓝牙Mesh网络使用一种称为“受管理的泛洪(Managed Flooding)”的技术通过网络来路由数据包，其中消息仅广播到附近的所有节点，而Zigbee和Thread则使用完整的路由技术。为从节点A到节点B的消息会选择特定路径传输。

根据应用程序要求和条件，此类差异可能会对网络性能产生重大影响。在某些情况下，评估蓝牙Mesh网络技术的网络延迟、可靠性、可扩展性等可能并不简单。有一些研究论文研究了这些特征，并大致描绘了这一协议的性能情况。

我们将在下一篇文章中讨论其中的一些细节。下面，将讨论蓝牙Mesh网络的一些独特优势。

注意：物联网的概念适用于各种各样的应用场景。没有一个连接解决方案可以很好地服务于所有应用程序。根据要求，特定协议可能比其他协议更适合。

※ 蓝牙Mesh网络的一些独特优势

蓝牙Mesh网络构建在BLE堆栈之上（下图4），并使用相同的物理层和链路层。

图4.蓝牙Mesh网络的协议栈。（图片来源：Aijaz等）

大多数智能手机、平板电脑和笔记本电脑都内置了BLE芯片，只需软件更新即可支持蓝牙Mesh网络。带有BLE芯片的智能手机可以使用Cypress Semiconductor和Silicon Labs等公司提供的移动应用程序来设置蓝牙Mesh网络并控制网络设备。

任何具有蓝牙4.0或更高版本的智能手机都可以监视和控制Mesh网络连接的节点。由于这种普遍性，蓝牙Mesh网络的部署可能比其他类似技术更方便。例如，大多数手机和平板电脑没有ZigBee芯片，因此，您需要在控制设备和Zigbee网络之间安装一个额外的加密狗或网关。

蓝牙Mesh网络的另一个独特功能是它支持信标。因此，蓝牙Mesh网络可用于多种用途。例如，使用蓝牙Mesh网络的照明系统还可以支持资产跟踪和室内定位以及导航等应用。