Mesh Bluetooth

Спецификация ядра Bluetooth [1] включает версию с низким энергопотреблением для низкоскоростных беспроводных персональных сетей, называемую Bluetooth low energy (BLE) или Bluetooth Smart. Стек BLE состоит из: типового профиля атрибута (GATT), протокола атрибута (ATT), протокола менеджера безопасности (SMP), протокола управления логической ссылкой и адаптации (L2CAP), канального слоя (LL) и физического слоя (PHY). BLE был добавлен к стандарту для низкоэнергетических устройств, генерирующих небольшие объемы данных, таких как уведомления, используемые в таких приложениях, как домашняя автоматизация, здравоохранение, фитнес и Интернет вещей (IoT).

Профиль сетки Bluetooth Mesh [2] определяет основные требования к реализации сетевых решений mesh для BLE. Mesh stack расположен поверх спецификации Bluetooth Core и состоит из слоя: model, слоя foundation model, слоя доступа, верхнего транспортного уровня, нижнего транспортного уровня, слоя сети и слоя носителя. Bluetooth mesh networking позволяет сквозную связь в крупномасштабных сетях поддерживать такие приложения, как интеллектуальные подсветки, промышленная автоматизация, сенсорная сеть, отслеживание активов и многие другие решения для Интернета вещей.

Сетчатый стек

Этот рисунок показывает сетчатый стек Bluetooth поверх рекламного носителя.

Стек BLE

Этот пример моделирует эти слои ядра BLE стека:

Симуляция дискретных событий

DES является типом симуляции, который моделирует функционирование системы как дискретный ряд событий во временном интервале. Каждое событие происходит в определенную эпоху времени и впоследствии помечает изменение состояния в системе. В результате симуляция может непосредственно перескочить от события к событию во временном интервале. Фундаментальными преимуществами использования DES в этом примере являются:

Проверка на установку пакета поддержки

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

Многоузловая модель сетевого Mesh Bluetooth

Этот пример моделирует mesh сеть Bluetooth с 21 узлами. 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 сценарий сети. Моделирование включает в себя:

Чтобы сконфигурировать определенный сценарий, выполните одно из следующих действий:

Узел Bluetooth

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

Прикладной слой

Прикладной слой реализован, чтобы генерировать и принимать трафик приложения. Она разделена на два подблока:

Слой сети

Слой сети моделируется как блок DES. Этот блок отвечает за передачу сообщений нижнего транспортного слоя по рекламному носителю и ретрансляцию сообщений сетки, когда включена функция 'Relay'. Когда принимается сетевой PDU, этот блок декодирует принятый PDU. Если PDU декодирован успешно, декодированная информация передается на нижний транспортный слой.

Можно сконфигурировать функцию ретрансляции, сетевой интервал передачи, подсчет сетевой передачи, интервал ретрансляции ретрансляции и отсчет ретрансляции ретрансляции с помощью масочных параметров блока слоя сети.

Канальный слой

Ссылка моделируется как блок DES. Этот блок поддерживает конечный автомат для ролей LL Broadcaster и Observer. Этот блок отвечает за передачу и прием mesh-рекламных пакетов при помощи bleLLAdvertisingChannelPDU и bleLLAdvertisingChannelPDUDecode функций.

Можно настроить сканы и рекламы с помощью параметров маски блока слоя ссылка.

Физический слой

Функциональность PHY включает в себя:

LL инициирует передачу пакета путем отправки пакета LL и индикации Tx в блок PHY Tx. Этот блок генерирует форму волны для полученного пакета LL при помощи bleWaveformGenerator функция. Он также масштабирует выборки формы сигнала BLE с сконфигурированной степенью Tx (при условии, что коэффициент усиления Tx равен 0). Сгенерированный сигнал BLE передается через общий канал. Общий канал моделируется с помощью очереди многоадресной передачи SimEvents.

Можно сконфигурировать степень Tx (dBm) с помощью масочных параметров блока PHY Tx.

Модель потерь при распространении в свободном пространстве добавляется к переданной форме волны BLE как нарушения канала. Вы можете принять решение включить или отключить это обесценение. В дополнение к этой модели обесценения область значений приема сигнала также может быть ограничен с помощью опционной модели потерь распространения области значений. Чтобы смоделировать любой из этих опций обесценения канала, модель канала должна содержать положение и отправителя, и приемник. Канал моделируется внутри каждого приемного узла, перед передачей формы волны BLE в блок PHY Rx.

Можно сконфигурировать нарушения канала при помощи масочных параметров блока канала BLE.

Этот блок применяет тепловой шум и помехи к принятой форме волны BLE (принимая, что коэффициент усиления Rx равен 0). Тепловой шум моделируется при помощи comm.ThermalNoise функция с сконфигурированным значением шумового рисунка. Интерференция моделируется путем добавления выборок IQ как интерференционных, так и фактических сигналов. После применения теплового шума и интерференции, блок PHY Rx декодирует полученную форму волны. Если пакет LL декодирован успешно, то он передается в LL.

Можно сконфигурировать шумовой рисунок (в дБ), используя маскирующие параметры блока PHY Rx.

Node position allocator (NPA) Назначает местоположение узлов в mesh. Этот блок поддерживает линейные, сетчатые и перечисленные стратегии распределения позиций.

Визуализатор Этот блок используется, чтобы визуализировать сценарий ячеистой сети в симуляции. Можно настроить этот блок, чтобы визуализировать указанное строение. Вы можете включить или отключить визуализацию с помощью параметров маски этого блока.

Результаты симуляции

Результаты, полученные в этой симуляции:

PDR является отношением количества принятых пакетов в пункте назначения к количеству пакетов, переданных источником, и определяется:

Эта модель выходов PDR для этого мультиузла mesh сети и сохраняется в переменном базовом рабочем пространстве с именем PDR.

Эта модель выводит статистику каждого узла в переменной рабочей области statisticsAtEachNode. Статистические данные, полученные на каждом узле:

График с визуальным представлением сценария сетки mesh показан в симуляции. Вы можете увидеть статистику каждого узла, поместив курсор на него.

В этом примере показов, как сконфигурировать и симулировать мультиузел сеть Bluetooth mesh с помощью DES. Модель mesh сети в этом примере выходов PDR как переменную рабочей области с визуальным представлением mesh сети.

Дальнейшие исследования

Чтобы наблюдать изменения в сетевом PDR, можно варьировать параметры конфигурации на генераторе mesh-пакетов, слое сети, LL и PHY. В этих результатах симуляции можно увидеть влияние повторов слоя сети (NLR) на PDR сети.

NLR включает в себя повторения как сетевых сообщений, так и ретрансляционных сообщений. Принцип работы сетей, основанных на наводнении, гарантирует, что сообщение достигает узла назначения. Поэтому важно повторно передать сеть и ретрансляционные сообщения. Количество NLR зависит от строения сети данной топологии сети. Увеличение количества NLR гарантирует, что вероятность того, что сообщения достигнут требуемого узла назначения, высока. Однако установка высокого значения NLR может иметь неблагоприятные эффекты для параметров эффективности сети, таких как накладные расходы, потребление энергии и коэффициент заполнения. В результате важно настроить значение NLR для данной топологии сети и достичь эффективного компромисса между PDR и эффективностью сети.

На предыдущем рисунке можно увидеть, что PDR увеличивается с NLR и уменьшается с количеством исходных узлов в сети. Для определенного значения NLR значение PDR достигает 1, а затем стабилизируется. Это конкретное значение NLR может варьироваться в зависимости от параметров конфигурации сети, таких как общее число узлов, местоположение узлов, количество исходных узлов, количество узлов ретрансляции и так далее. Можно запустить helperBLEMeshDESDRCalculation, чтобы воспроизвести эти результаты с помощью трех исходных узлов. Установите количество исходных узлов в два и пять, чтобы получить соответствующие результаты. Можно запустить симуляции для любого пользовательского сетевого сценария и получить оптимальное значение NLR.

Помимо NLR, PDR изменяется относительно нескольких параметров конфигурации, указанных в helperBLEMeshDESDRCalculation. Можно дополнительно исследовать модель ячеистой сети, варьируя любой из этих параметров.

Приложение

В примере используются следующие функции:

В примере используются следующие помощники:

Ссылки