Стек сетки Bluetooth

Спецификация ядра Bluetooth [1] включает версию с низким энергопотреблением для низкоскоростных беспроводных персональных сетей, называемых Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) или Bluetooth Smart. Стек BLE состоит из: общего профиля атрибутов (GATT), протокола атрибутов (ATT), протокола диспетчера безопасности (SMP), протокола управления и адаптации логического канала (L2CAP), канального уровня (LL) и физического уровня (PHY). BLE был добавлен в стандарт для устройств с низким энергопотреблением, генерирующих небольшие объемы данных, таких как уведомления, используемые в таких приложениях, как домашняя автоматизация, здравоохранение, фитнес и Интернет вещей (IoT).

Профиль сетки Bluetooth [2] определяет фундаментальные требования к реализации сетевых решений ячеистой сети для BLE. Сетчатый стек расположен поверх спецификации ядра Bluetooth и состоит из: уровня модели, уровня базовой модели, уровня доступа, верхнего транспортного уровня, нижнего транспортного уровня, сетевого уровня и уровня носителя. Сетевая сеть Bluetooth обеспечивает сквозную связь в крупномасштабных сетях для поддержки таких приложений, как интеллектуальное освещение, промышленная автоматизация, сети датчиков, отслеживание активов и многие другие решения для Интернета вещей.

Сетчатый стек

На этом рисунке показан набор сеток Bluetooth над рекламным носителем.

Основной стек BLE

В этом примере моделируются следующие уровни стека ядра BLE:

Моделирование дискретных событий

DES - тип моделирования, моделирующий функционирование системы как дискретную последовательность событий во временной области. Каждое событие происходит в определенную временную эпоху и впоследствии знаменует смену состояния в системе. В результате моделирование может непосредственно переходить от события к событию во временной области. Основными преимуществами использования DES в этом примере являются:

Проверка установки пакета поддержки

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

Модель многоузловой ячеистой сети Bluetooth

В этом примере моделируется ячеистая сеть Bluetooth с 21 узлом. Модель выводит PDR сети вместе с различными статистическими данными, такими как количество переданных, принятых и отброшенных пакетов на физическом, канальном и сетевом уровнях, а также график, визуализирующий сетевой сценарий. Моделирование включает в себя:

Чтобы настроить конкретный сценарий, выполните одно из следующих действий:

Узел Bluetooth

Каждый узел моделируется как подсистема с сетевым стеком, который включает генератор и приемник пакетов ячеистой сети Bluetooth, сетевой уровень, LL и PHY.

Прикладной уровень

Прикладной уровень реализован для генерации и приема прикладного трафика. Он разделен на два подблока:

Сетевой уровень

Сетевой уровень моделируется как блок DES. Этот блок отвечает за передачу сообщений нижнего транспортного уровня по рекламному носителю и ретрансляцию сообщений ячеистой сети, когда функция «Ретрансляция» включена. Когда принимается сетевой PDU, этот блок декодирует принятый PDU. Если PDU успешно декодирован, то декодированная информация передается на нижний транспортный уровень.

С помощью параметров маски блока сетевого уровня можно сконфигурировать функцию ретрансляции, интервал передачи сети, счетчик передачи сети, интервал повторной передачи ретрансляции и счетчик повторной передачи ретрансляции.

Канальный уровень

Канальный уровень моделируется как блок DES. Этот блок поддерживает конечный автомат для ролей LL Broadcaster и Observer. Этот блок отвечает за передачу и прием ячеистых рекламных пакетов с помощью bleLLAdvertisingChannelPDU и bleLLAdvertisingChannelPDUDecode функции.

Интервалы сканирования и рекламы можно настроить с помощью параметров маски блока канального уровня.

Физический уровень

Функциональные возможности PHY включают в себя:

LL инициирует передачу пакета посредством посылки LL-пакета и индикации Tx в блок PHY Tx. Этот блок генерирует форму сигнала для принятого пакета LL с использованием bleWaveformGenerator функция. Он также масштабирует выборки формы сигнала BLE с помощью сконфигурированной мощности передачи (при условии, что коэффициент усиления передачи равен 0). Сгенерированный сигнал BLE передается по совместно используемому каналу. Общий канал моделируется с помощью многоадресной очереди SimEvents.

Мощность передачи (dBm) можно сконфигурировать с помощью параметров маски блока PHY Tx.

Модель потерь в тракте свободного пространства добавляется к передаваемой форме сигнала BLE в качестве ухудшения канала. Можно включить или отключить это ухудшение. В дополнение к этой модели ухудшения, диапазон приема сигнала также может быть ограничен с использованием необязательной модели потерь распространения диапазона. Для моделирования любой из этих опций ослабления канала модель канала должна содержать положение как отправителя, так и получателя. Канал моделируется внутри каждого принимающего узла перед передачей сигнала BLE в блок PHY Rx.

Можно настроить ухудшение канала с помощью параметров маски блока канала BLE.

Этот блок применяет тепловой шум и помехи к принятой форме сигнала BLE (предполагая, что коэффициент усиления Rx равен 0). Тепловой шум моделируется с помощью comm.ThermalNoise функция с сконфигурированным значением показателя шума. Помехи моделируются путем добавления IQ выборок как интерференционных, так и фактических сигналов. После применения теплового шума и помех блок PHY Rx декодирует результирующий сигнал. Если пакет LL успешно декодирован, то он передается в LL.

Можно сконфигурировать показатель шума (в дБ) с помощью параметров маски блока PHY Rx.

Node position allocator (NPA) Назначает местоположение узлов в ячеистой сети. Этот блок поддерживает линейные стратегии, стратегии распределения позиций по сеткам и спискам.

Визуализатор Этот блок используется для визуализации сценария ячеистой сети в моделировании. Этот блок можно настроить для визуализации указанной конфигурации. Можно включить или отключить визуализацию с помощью параметров маски этого блока.

Результаты моделирования

Результаты, полученные в этом моделировании:

PDR представляет собой отношение количества принятых пакетов в пункте назначения к количеству пакетов, переданных источником, и задается следующим образом:

Эта модель выводит PDR для этой многоузловой ячеистой сети и сохраняется в базовой переменной рабочего пространства с именем PDR.

Эта модель выводит статистику каждого узла в переменной рабочей области. statisticsAtEachNode. Статистика, собираемая на каждом узле:

График с визуальным представлением сценария ячеистой сети показан в моделировании. Статистику каждого узла можно просмотреть, наведя на него курсор.

В этом примере показано, как настроить и смоделировать многоузловую ячеистую сеть Bluetooth с помощью DES. Модель ячеистой сети в этом примере выводит PDR как переменную рабочего пространства с визуальным представлением ячеистой сети.

Дальнейшие исследования

Для наблюдения за изменениями в сетевом PDR можно изменять параметры конфигурации генератора пакетов ячеистой сети, сетевого уровня, LL и PHY. В этих результатах моделирования можно увидеть влияние повторов сетевого уровня (NLR) на сетевой PDR.

NLR включает в себя повторы как сетевых сообщений, так и ретранслируемых сообщений. Принцип работы сетей, основанных на потоках, гарантирует, что сообщение достигнет узла назначения. Поэтому важно повторно передавать сеть и сообщения ретрансляции. Количество NLR зависит от конфигурации сети данной топологии сети. Увеличение числа NLR обеспечивает высокую вероятность того, что сообщения достигнут требуемого узла назначения. Однако определение высокого значения NLR может оказывать неблагоприятное влияние на рабочие параметры сети, такие как служебные данные, потребление энергии и рабочий цикл. В результате важно настроить значение NLR для данной топологии сети и достичь эффективного компромисса между PDR и производительностью сети.

На предыдущем рисунке показано, что PDR увеличивается с NLR и уменьшается с количеством исходных узлов в сети. Для конкретного значения NLR значение PDR достигает 1 и после этого стабилизируется. Это конкретное значение NLR может изменяться в зависимости от параметров конфигурации сети, таких как общее количество узлов, местоположение узлов, количество исходных узлов, количество ретрансляционных узлов и т.д. Можно запустить helperBLEMeshDESPDRCalculation, чтобы воспроизвести эти результаты с помощью трех исходных узлов. Для получения соответствующих результатов установите число исходных узлов равным двум и пяти. Можно выполнить моделирование для любого пользовательского сценария сетевого графика и получить оптимальное значение NLR.

Кроме NLR, PDR изменяется в отношении множества параметров конфигурации, указанных в helperBLEMeshDESPDRCalculation. Для дальнейшего изучения модели ячеистой сети можно изменить любой из этих параметров.

Приложение

В примере используются следующие функции:

В примере используются следующие помощники:

Ссылки