Стек Mesh Bluetooth

Спецификация [1] Ядра Bluetooth включает низкую энергетическую версию для беспроводных персональных сетей области с низкой ставкой, называемых Bluetooth низкой энергией (BLE) или Умным Bluetooth. Стек BLE состоит из: Типовой Профиль Атрибута (GATT), Протокол Атрибута (ATT), Протокол менеджера безопасности (SMP), Управление Логической ссылкой и Протокол (L2CAP) Адаптации, Слой Link (LL) и Физический уровень. BLE был добавлен к стандарту для низких энергетических устройств, генерирующих небольшие количества данных, такие как предупреждения уведомления, используемые в приложениях как домашняя автоматизация, здравоохранение, фитнес и Интернет вещей (IoT).

Профиль mesh Bluetooth [2] задает основные требования, чтобы реализовать сетевые решения mesh для BLE. Стек mesh расположен сверху базовой спецификации BLE и состоит из: Слой Модели, Слой Модели Основы, доступ к Слою, Верхнему Транспортному уровню, Более низкому Транспортному уровню, Слою сети и Слою Несущей. Организация сети mesh Bluetooth позволяет сквозной коммуникации в крупномасштабных сетях устройства поддержать приложения как умная подсветка, промышленная автоматизация, организация сети датчика, отслеживание актива и много других решений IoT.

Стек mesh:

Фигура ниже показов mesh Bluetooth складывает по рекламной несущей.

Стек ядра BLE:

Дружба в Mesh Bluetooth

Беспроводная сеть датчика (WSN), как известно, высоко, ресурс ограничил класс сетей, где потребление энергии является одной из основных проблем. Большинство датчиков является устройствами c батарейным питанием. В WSNs узлы датчика развертываются в крупном масштабе, и таким образом это невозможно заменить батареи узлов датчика. Поэтому каждый узел датчика должен использовать энергосберегающим образом, чтобы выжить в течение долгого времени. Mesh Bluetooth задает функциональность Дружбы для ограниченных устройств энергии. Транспортный уровень (верхний и ниже) в стеке mesh Bluetooth в основном ответственен за функциональность Дружбы. Это задает два типа узлов.

Дружба:

Дружба устанавливается между узлами Друга и Малой мощности. Узел Малой мощности инициирует Дружбу, как только это настраивается в сеть mesh Bluetooth. Этот пример принимает, что, Дружба уже устанавливается между узлами Друга и Малой мощности. После того, как Дружба устанавливается, Друг, узел хранит сообщения от имени узла Малой мощности в друге очередь. Механизм опроса используется в оптимизации потребления энергии в узлах Малой мощности. Обмен сообщениями mesh Bluetooth между узлом Малой мощности и Другом узел проиллюстрирован в этом рисунке:

Параметры синхронизации, используемые в Дружбе:

Периодически, узлы Малой мощности опрашивает Друга узлы относительно любых сообщений данных, хранивших в друге очередь. После опроса Друга узел входят узлы Малой мощности, состояние сна на время получают задержку. Друг узел использует получить задержку, чтобы подготовить ответ к узлу Малой мощности. После получить задержки Друг узел отвечает на узел Малой мощности, прежде чем сумма получит задержку и получит окно.

Проверяйте на установку пакета поддержки

% Check if the 'Communications Toolbox Library for the Bluetooth Protocol'
% support package is installed or not.
commSupportPackageCheck('BLUETOOTH');

Энергетическая симуляция профилирования Mesh Bluetooth

Этот пример позволяет вам создавать и конфигурировать сеть mesh Bluetooth с различными типами узлов, такими как Конечные узлы, Релейные узлы, Друг узлы, узлы Малой мощности. Этот пример инициирует и передает демонстрационное сообщение mesh от сконфигурированного исходного узла до сконфигурированного целевого узла. Если тот же исходный узел передает сообщения mesh к нескольким целевым узлам, то все целевые узлы формируют группу, и сообщение mesh передается к адресу группы. Так, все узлы в той группе получат сообщение mesh. Наряду с сообщениями mesh, порожденными в исходном узле, сообщениями Дружбы также обмениваются между сконфигурированными узлами Друга и Малой мощности. Во время симуляции каждый узел вычисляет время, проведенное в различных состояниях (передача, послушайте, бездействуйте и спите) узла. Это помогает в вычислении времени жизни узла в сети.

Цели:

Настройка:

Результаты:

Создайте и сконфигурируйте сеть mesh:

Можно использовать helperBLEMeshNode и helperBLEMeshVisualizeNetwork для создания и визуализации сети mesh соответственно. В helperBLEMeshVisualizeNetwork, NumberOfNodes задайте общее количество узлов в сети, тогда как Positions задайте соответствующие положения узла. Значение по умолчанию для NodePositionType 'Сетка'. Можно также задать собственную сеть путем конфигурирования значения NodePositionType к 'UserInput' и положениям узла к Positions.

% Reset the random number generator seed
sprev = rng('default');

% Number of nodes in the Bluetooth mesh network
totalNodes = 55;

% Initialize "meshNodes" with an object of type helperBLEMeshNode
meshNodes(1, totalNodes) = helperBLEMeshNode();
for nodeIdx = 1:totalNodes
    % Create an object for a mesh node
    meshNode = helperBLEMeshNode();
    % Unique identifier for a mesh node
    meshNode.Identifier = nodeIdx;

    meshNodes(nodeIdx) = meshNode;
end

% Load node positions
load('bleMeshNodesPositions.mat');

% Visualization object for Bluetooth mesh network
meshNetworkGraph = helperBLEMeshVisualizeNetwork();
meshNetworkGraph.NumberOfNodes = totalNodes;
meshNetworkGraph.NodePositionType = 'UserInput';
meshNetworkGraph.Positions = bleMeshNodesPositions;
meshNetworkGraph.VicinityRange = 25;
meshNetworkGraph.Title = 'Energy Profiling: Bluetooth Mesh Network';

Сконфигурируйте параметры симуляции: можно задать количество источника и целевых пар в сети с помощью sourceDestinationPairs. Можно задать количество пар узла Друга и Малой мощности в сети с помощью friendLowPowerPairs. Количество релейных узлов в сети задано с помощью relayNodeIDs. Объекты узла mesh, имеющие отношение к каждому узлу mesh, заданы в meshNodes. Пути, полученные для источника и целевых пар, хранятся в paths.

% Simulation time, in milliseconds
simulationTime = 6000;

% Enable/disable visualization
enableVisualization = true;

% Enable/disable the animation in the visualization. If the
% "enableVisualization" is set to false, "enableAnimation" is not
% considered.
enableAnimation = false;

% Source destination pairs - sample mesh message originates at the source
% node and delivered to the destination node
sourceDestinationPairs = [1 52; 1 17; 12 7; 6 53; 54 51; 9 33; 18 52; ...
    29 52; 31 7; 12 9; 54 53; 55 1; 9 17; 18 35];

% Time to live (TTL) value for each source and destination pair in the
% range [0 127]
ttl = [20 23 35 21 23 30 22 20 23 35 21 23 30 22];

% Friend Low Power pairs - assuming that Friendship is established between
% the configured Friend and Low Power node pairs
friendLowPowerPairs = [16 52];

% Receive window (in milliseconds) for each Friend and Low Power node pairs
% (>= 120 milliseconds and <= 255 milliseconds)
receiveWindow = 180;

% Poll timeout (in seconds) for each Friend and Low Power node pairs
% (>= 2 seconds and <= 95.9 hours)
pollTimeout = 20;

% Relay nodes
relayNodeIDs = [3 4 5 8 10 11 15 19 20 21 23 25 28 30 32 34 36 37 38 39 41 ...
    42 43 44 45 46 47 48 49 26 2 16 13 27];

% Simulate the Bluetooth mesh network with the above configuration
[meshNodes, paths] = helperBLEMeshSimulation(meshNodes, totalNodes, meshNetworkGraph, ...
    simulationTime, sourceDestinationPairs, ttl, friendLowPowerPairs, receiveWindow, ...
    pollTimeout, relayNodeIDs, enableVisualization, enableAnimation);

% Restore the previous setting of random number generation
rng(sprev);

Статистика в каждом узле

Статистические данные, полученные в каждом узле:

Переменная statisticsAtEachNode рабочей области содержит совокупную сетевую статистику всех узлов в сети. Однако для данного шанса симуляции, Вы видите сетевую статистику для максимума первых пяти узлов. Сетевые статистические данные для первых пяти узлов в сети:

% Statistics of each node
statisticsAtEachNode = helperBLEMeshNodesStatistics(meshNodes);
statisticsForFirstFiveNodes = statisticsAtEachNode(1:min(totalNodes, 5), :)

statisticsForFirstFiveNodes =

  5x14 table

              NodeType    TransmittedMsgs    ReceivedMsgs    ReceivedMsgsFromLPN    ReceivedApplicationMsgs    RelayedMsgs    DroppedMsgs    CRCFailedMsgs    TotalTransmittedBytes    TotalReceivedBytes    SleepTime (milliseconds)    IdleTime (milliseconds)    ListenTime (milliseconds)    TransmissionTime (milliseconds)
              ________    _______________    ____________    ___________________    _______________________    ___________    ___________    _____________    _____________________    __________________    ________________________    _______________________    _________________________    _______________________________

    Node_1     End               6                10                  0                        1                    0              9               0                   171                    284                       0                         123.5                        5871                           1.368             
    Node_2     Relay            15                 6                  0                        0                    5              1               0                   426                    170                       0                           187                        5800                           3.408             
    Node_3     Relay            15                24                  0                        0                    5             19               0                   426                    685                       0                           178                        5809                           3.408             
    Node_4     Relay            12                20                  0                        0                    4             14               2                   339                    566                       0                           168                      5821.5                           2.712             
    Node_5     Relay            12                10                  0                        0                    4              4               2                   339                    285                       0                           168                      5821.5                           2.712             

Среднее время, проведенное каждым типом узла в различных состояниях, вычислено и построено ниже. Результаты приходят к заключению, что узлы Малой мощности тратят наиболее часто в состоянии сна, приводящем к энергосбережению и увеличенное время жизни.

fprintf('Average time statistics of different Bluetooth mesh nodes are:\n');
meshNodesAvgStats = helperBLEMeshNodeAverageTime(meshNodes)

Average time statistics of different Bluetooth mesh nodes are:

meshNodesAvgStats =

  4x5 table

    Type of Bluetooth mesh node    Transmission time (milliseconds)    Listen time (milliseconds)    Idle time (milliseconds)    Sleep time (milliseconds)
    ___________________________    ________________________________    __________________________    ________________________    _________________________

          Low Power node                         2.304                              720                         103                       5166.5          
          Friend node                            6.192                           5771.5                       205.5                            0          
          Relay node                            3.3869                           5801.4                       185.7                            0          
          End node                              0.4836                           5907.4                        90.3                            0          

Этот пример моделирует одну передачу сообщения от исходного узла до целевого узла. Однако можно сконфигурировать трафик приложения в исходном узле путем вызывания pushModelMessage функции периодически. Время передачи в Конечном узле зависит от трафика приложения. Точно так же время передачи в узле Малой мощности под влиянием сконфигурированного значения тайм-аута опроса.

Дальнейшее исследование

Вычислите время жизни узла малой мощности:

Можно использовать helperBLEMeshNodeLifetime, чтобы вычислить время жизни узла в сети mesh Bluetooth в конце симуляции. Объект узла mesh типа helperBLEMeshNode дан как вход к helperBLEMeshNodeLifetime наряду с simulationTime вычислить время жизни узла. Энергетические параметры аппаратно-зависимы, которые используются, чтобы вычислить время жизни узла. Можно обновить соответствующие аппаратные параметры в функции helperBLEMeshNodeLifetime.

% Fetch one of the Low Power nodes for calculating the lifetime
meshNode = meshNodes(52);
lifeTime = helperBLEMeshNodeLifetime(meshNode, simulationTime);
fprintf('Lifetime of the node %d is: %.4f days.\n', meshNode.Identifier, lifeTime);

Configured hardware parameters for the battery capacity of 1200 mAh are:

hardwareParameters =

  7x2 table

       Hardware parameters        Configured values (mA)
    __________________________    ______________________

    Self-discharge                      0.0013699       
    Transmission on channel 37               7.57       
    Transmission on channel 38               7.77       
    Transmission on channel 39                7.7       
    Listening                                10.3       
    Sleep                                     0.2       
    Idle                                     1.19       

Statistics at node "52" are:

statisticsAtNode =

  4x2 table

     Time variables      Time (ms)
    _________________    _________

    Transmission time      2.304  
    Listen time              720  
    Sleep time            5166.5  
    Idle time                103  

Lifetime of the node 52 is: 34.8927 days.

Время жизни узла малой мощности путем варьирования тайм-аута опроса

Время жизни узла Малой мощности зависит от времени, в течение которого узел находится в, слушают состояние. Наиболее часто узел Малой мощности находится в, слушают или состояние сна для данного тайм-аута опроса. Время, в течение которого узел находится в, слушает, состояние определяется получить окном для каждого запроса опроса, выполненного узлом Малой мощности. Узел Малой мощности проводит остающееся время во сне, неактивном и состояние передачи. Однако время, проведенное в состоянии передачи, незначительно.

Этот результат показывает график времени жизни узла Малой мощности, когда функция тайм-аута опроса для получает значения окна 120 миллисекунд, 200 миллисекунд и 255 миллисекунд.

Результаты в выведенном графике приходят к заключению, что время жизни узла Малой мощности прямо пропорционально тайм-ауту опроса. Этот график может быть воспроизведен с помощью скрипта helperBLEMeshLPNLifetimeVSPolltimeout.

В этом примере показано, как создать и сконфигурировать мультиузел сеть mesh Bluetooth и затем анализировать обмен сообщениями mesh через статистические данные, собранные в каждом узле в сети. Этот пример также позволяет вам анализировать поведение и преимущества Дружбы. Сеть mesh Bluetooth симулирована с несколькими Друг и пары узла Малой мощности, чтобы вычислить время, проведенное каждым узлом на различных состояниях. Выведенный график среднего времени, проведенного каждым узлом в различных состояниях, показывает, что узлы Малой мощности всегда расходуют меньше энергии путем проведения большего количества времени в состоянии сна. Кроме того, можно также экспериментировать путем варьирования различных настроек, таких как получить окно и опросить значения тайм-аута как показано в 'Узле Малой мощности: Время жизни по сравнению с графиком' Тайм-аута Опроса.

Приложение

Функции, использованные в этом примере:

Помощники, используемые в этом примере:

Выбранная библиография