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 логическим каналом и адаптации (L2CAP), канального уровня (LL) и физического уровня. 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). Дополнительные сведения о стеке протоколов BLE см. в разделе Стек протоколов Bluetooth.

Профиль ячеистой сети Bluetooth [2] определяет основные требования к реализации сетевого решения ячеистой сети для BLE. Сетчатый стек расположен поверх спецификации ядра BLE и состоит из уровня модели, уровня базовой модели, уровня доступа, верхнего транспортного уровня, нижнего транспортного уровня, сетевого уровня и уровня переноса. Сетка Bluetooth позволяет создавать крупномасштабные сети устройств в таких приложениях, как интеллектуальное освещение, промышленная автоматизация, сети датчиков, отслеживание активов и многие другие решения для Интернета вещей. Дополнительные сведения о сетевом стеке Bluetooth см. в разделе Сетевая сеть Bluetooth.

Уровень ячеистой сети Bluetooth выполняет эти основные операции.

Дополнительные сведения об этих операциях на уровне ячеистой сети см. в разделе Bluetooth Mesh Networking.

В этом примере носитель рекламы используется для демонстрации переполнения сетки Bluetooth в беспроводной сети датчиков.

Основными целями этого примера являются:

Проверка установки пакета поддержки

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

Создание и настройка сценариев ячеистой сети Bluetooth

В этом примере можно создать и настроить два сценария ячеистой сети Bluetooth. Каждый сценарий представляет собой сеть с 50 узлами. Узлы в сети классифицируются как ретрансляторы, исходные, целевые и конечные узлы. Укажите соответствующие значения времени жизни (TTL) исходного и целевого узлов. В первом сценарии в примере определяются пути между исходным и целевым узлами. Поток сообщений в сети можно визуализировать с помощью статистики сетевого уровня. Во втором сценарии пример отключает некоторые узлы ретрансляции и конечные узлы. В этом случае моделирование показывает, что сеть имеет вероятность установления пути между указанной парой источника и назначения.

Чтобы создать и визуализировать ячеистую сеть, используйте функции helperBLEMeshStartNode и helperBLEMeshVisualityNetwork. Укажите количество узлов (totalNodes) и тип позиции узла (NodePositionType) в функции helperBLEMeshVisualityNetwork. По умолчанию используется позиция узла «Grid». Чтобы указать собственную сеть, задайте значение NodePositionType в «UserInput» и позиции узлов в Positions.

% Set random number generator seed to 'default'
sprev = rng('default');

% Specify the number of nodes in the mesh network
totalNodes = 50;

% Initialize 'bleMeshNodes' vector with objects of type
% helperBLEMeshNetworkNode
bleMeshNodes(1, totalNodes) = helperBLEMeshNetworkNode;

% Configure each mesh node with unique identifier
for idx = 1:totalNodes
    meshNode = helperBLEMeshNetworkNode;
    meshNode.Identifier = idx;
    meshNode.NetworkLayer.ElementAddresses = dec2hex(idx, 4);
    bleMeshNodes(idx) = meshNode;
end

% Load node positions from the MAT file
load('bleMeshNetworkNodePositions.mat');

% Number of scenarios simulated in this examples
numberOfScenarios = 2;

% Initialize 'meshNetworkPlots' vector with objects of type
% helperBLEMeshVisualizeNetwork
meshNetworkPlots(1, numberOfScenarios) = helperBLEMeshVisualizeNetwork;

for idx = 1:numberOfScenarios
    meshNetworkPlots(idx) = helperBLEMeshVisualizeNetwork;
    meshNetworkPlots(idx).NumberOfNodes = totalNodes;
    % Set the type of the node position allocation as 'Grid' or
    % 'UserInput'
    meshNetworkPlots(idx).NodePositionType = 'UserInput';

    % Set node positions based on number of nodes (applicable for
    % 'UserInput'), in meters
    meshNetworkPlots(idx).Positions = bleMeshNetworkNodePositions;

    % Set vicinity range based on node positions, in meters
    meshNetworkPlots(idx).VicinityRange = 25;

    % Set title to the network visualization
    meshNetworkPlots(idx).Title = ...
        ['Scenario ' num2str(idx) ': Bluetooth Mesh Flooding'];
end

Укажите количество пар источника и назначения в ячеистой сети с помощью srcDstPairs параметр. Укажите значения TTL для пакета, инициированного на каждом исходном узле.

% Specify the simulation time in milliseconds
simulationTime = 600;

% Enable or disable visualization
enableVisualization = true;

% Specify the source and destination pairs
srcDstPairs = [1 7; 13 29];

% Specify TTL values for packet originated at each source node
ttl = [25; 25];

Моделирования

Для запуска моделирования и получения результатов используйте функции helperBLEMeshFloodingSimulation и helperBLEMeshFloodingResults соответственно.

% Specify the 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];

% Specify the failed nodes (nodes that are out of network)
failedNodeIDs = [];

На этом графике показаны соответствующие пути между каждой исходной и целевой парой. scenarioOneResults переменная рабочей области сохраняет результаты, содержащие полученные пути в сценарии 1.

% Run the simulation with scenario 1 configuration
pathScenarioOne = helperBLEMeshFloodingSimulation(totalNodes, bleMeshNodes, meshNetworkPlots(1), ...
    simulationTime, srcDstPairs, ttl, relayNodeIDs, failedNodeIDs, ...
    enableVisualization);

% Display the results of the scenario 1
scenarioOneResults = helperBLEMeshFloodingSimulationResults(srcDstPairs, pathScenarioOne)

scenarioOneResults =

  2x4 table

    Source    Destination               Path                NumberOfHops
    ______    ___________    ___________________________    ____________

       1           7         {[1 46 19 4 39 41 48 23 7]}         8      
      13          29         {[     13 5 3 28 36 44 29]}         6      

% Specify the relay nodes
relayNodeIDs = [4 5 8 10 11 15 19 20 21 23 25 28 30 32 34 36 37 38 39 42 ...
    44 45 46 47 48 49];

% Specify the failed nodes (nodes that are out of network)
failedNodeIDs = [3, 43];

На этом графике показаны соответствующие пути между каждой исходной и целевой парой. scenarioTwoResults переменная рабочей области сохраняет результаты, содержащие полученные пути в сценарии 2.

% Run the simulation with scenario 2 configuration
pathScenarioTwo = helperBLEMeshFloodingSimulation(totalNodes, bleMeshNodes, meshNetworkPlots(2), ...
    simulationTime, srcDstPairs, ttl, relayNodeIDs, failedNodeIDs, ...
    enableVisualization);

% Display the results of the scenario 2
scenarioTwoResults = helperBLEMeshFloodingSimulationResults(srcDstPairs, pathScenarioTwo)

scenarioTwoResults =

  2x4 table

    Source    Destination                  Path                  NumberOfHops
    ______    ___________    ________________________________    ____________

       1           7         {[1 46 19 4 8 20 37 45 34 23 7]}         10     
      13          29         {[     13 30 45 34 28 36 44 29]}          7     

Статистика сетевого уровня

В каждом узле в примере регистрируется статистика сетевого уровня.

statisticsAtEachNode переменная рабочей области содержит кумулятивную сетевую статистику всех узлов в сценарии 1 и сценарии 2. Для определенного прогона моделирования можно просмотреть статистику сети только для первых пяти узлов. Это сетевая статистика для первых пяти узлов в сети.

statisticsAtEachNode = helperBLEMeshFloodingSimulationResults(bleMeshNodes);
statisticsForFirstFiveNodes = statisticsAtEachNode(1:min(5, totalNodes), :)

statisticsForFirstFiveNodes =

  5x6 table

    NodeID    TotalTxMsgs    TotalRxMsgs    TotalAppRxMsgs    TotalRelayedMsgs    TotalDroppedMsgs
    ______    ___________    ___________    ______________    ________________    ________________

      1            2              4               0                  0                   4        
      2            0              8               0                  0                   8        
      3            0              5               0                  2                   3        
      4            0             10               0                  4                   6        
      5            0              9               0                  4                   5        

Дальнейшие исследования

Для получения численных результатов, усредненных по нескольким моделированиям, в примере реализован метод Монте-Карло [3]. Чтобы проанализировать вероятность доставки сообщения от исходного узла к узлу назначения после включения или отключения узлов ретрансляции в ячеистой сети, используйте сценарий helperBLEMeshMonteCarloSimulations. Каждый прогон моделирования выполняется следующим образом.

Моделирование Монте-Карло выводит эти статистические данные.

В примере выполняется моделирование Монте-Карло с использованием этих параметров конфигурации.

% Source and destination nodes
srcDstPair = [16 12];

% TTL value for the message originated at the above source node
ttl = 25;

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

% Failed nodes (nodes that are out of network)
failedNodeIDs = [];

В примере выполняется 10000 имитаций с использованием вышеописанной конфигурации. Для просмотра результатов моделирования см. раздел bleMeshMonteCarloResults.mat Файл MAT.

load('bleMeshMonteCarloResults.mat');
disp(['Probability of having a path between nodes Node ' num2str(srcDstPair(1)) ...
    ' and Node ' num2str(srcDstPair(2)) ' is ' ...
    num2str(probabilityOfSuccess) '%.']);
disp(['Average hop count between nodes Node ' num2str(srcDstPair(1)) ' and Node ' ...
    num2str(srcDstPair(2)) ' is ' ...
    num2str(averageHopCount) '.']);
disp(['Critical relay nodes required to derive a path between Node ' num2str(srcDstPair(1)) ...
    ' and Node ' num2str(srcDstPair(2)) ' are [' num2str(criticalRelaysInfo{1:5, 1}') ...
    '].']);
% Restore the previous setting of random number generation
rng(sprev);

Probability of having a path between nodes Node 16 and Node 12 is 88.6428%.
Average hop count between nodes Node 16 and Node 12 is 8.
Critical relay nodes required to derive a path between Node 16 and Node 12 are [39  37   8  38   4].

Чтобы выполнить моделирование Monte Carlo для пользовательских параметров конфигурации, измените и запустите сценарий helperBLEMeshMonteCarloSimulations.

В этом примере можно создать и настроить многорежимную ячеистую сеть Bluetooth и проанализировать лавинную передачу сетевого уровня. Для изучения поведения затопления в примере рассматриваются два сценария моделирования. В первом сценарии путь между исходным и целевым узлами идентифицируется и визуализируется путем выбора некоторых промежуточных узлов в качестве узлов ретрансляции. Во втором сценарии некоторые узлы (Relay и End) отбрасываются, и функция ретрансляции для некоторых узлов ретрансляции отключена. Полученные результаты показывают, что существует путь между исходным и целевым узлами, даже если узлы (Relay и End) случайно отказывают в сети.

В этом примере можно создать собственную ячеистую сеть Bluetooth и визуализировать лавинную передачу и сетевую статистику. Для получения численных результатов, усредненных по нескольким итерациям, можно выполнить моделирование Монте-Карло в ячеистой сети Bluetooth.

Приложение

В примере используются следующие помощники:

Избранная библиография