Стек BLE

Спецификация ядра Bluetooth [1] включает версию с низким энергопотреблением (LE) для низкоскоростных беспроводных персональных вычислительных сетей, называемых BLE или Bluetooth Smart. Стек BLE состоит из: профиля типовых атрибутов (GATT), протокола атрибутов (ATT), протокола диспетчера безопасности (SMP), протокола логического управления Ссылки и адаптации (L2CAP), Ссылки Слоя (LL) и физического слоя (PHY). BLE был добавлен в стандарт Bluetooth Special Interest Group (SIG) [1] для устройств с низким энергопотреблением, генерирующих небольшое количество данных, таких как оповещения об уведомлениях, используемые в приложениях, таких как домашняя автоматизация, здравоохранение, фитнес и Интернет вещей (IoT).

BLE работает в полосе ISM 2,4 ГГц на частоте 2400 - 2483,5 МГц. Он использует 40 каналов RF и каждый канал имеет ширину 2 МГц.

BLE классифицирует эти 40 каналов РФ по трем рекламным каналам (индексы каналов: 37, 38, 39) и 37 каналам данных (индексы каналов: 0 - 36). Рекламные каналы в основном используются для создания соединения между устройствами BLE путем передачи рекламных пакетов, пакетов запроса/ответа сканирования и пакетов индикации соединения. Каналы данных в основном используются после установления соединения для обмена пакетами данных.

Проверка на установку пакета поддержки

Модель конечного компьютера слоя ссылки

Модель в этом примере демонстрирует процесс установления соединения между двумя устройствами BLE, где одно устройство выступает в качестве ведущего, а другое - в качестве ведомого. Устройство Master начинает сканирование рекламных пакетов на рекламных каналах. Устройство Slave начинает отправлять рекламные пакеты по рекламным каналам. После выбора рекламодателя Мастер инициирует соединение с ним с помощью пакета 'Connection indication'. Соединение устанавливается, когда ведомый сервер получает этот пакет. После этого ведущие и ведомые устройства могут обмениваться пакетами данных.

Ссылки слоя

Конечный автомат слоя реализован с использованием Stateflow ®, как показано ниже.

Слой ссылки поддерживает конечный автомат, состоящий из этих пяти состояний:

После установления соединения инициатор становится главным (центральным) устройством, а рекламодатель - ведомым (периферийным) устройством.

Ссылки слоя

Рекламное устройство передает рекламные пакеты по трем рекламным каналам циклически (начиная с индекса 37 канала). Каждый цикл рекламы называется рекламным событием. Та же процедура используется сканированием или инициирующим устройством, которое слушает три рекламных канала циклически, называемым событием скана.

Подключенное устройство изменяется на новый канал данных для каждого события подключения. Событие соединения является временным системой координат для обмена последовательностью пакетов данных между двумя подключенными устройствами, которое повторяется с регулярными интервалами. Все пакеты в пределах события соединения передаются по одному и тому же каналу данных. Новое событие подключения использует новый канал данных. Два альтернативных алгоритма выбора канала заданы спецификацией ядра Bluetooth (см. Раздел 4.5.8, Часть B, Vol-6 из [1]). Эти алгоритмы используются, чтобы выбрать канал данных для каждого события соединения.

Этот рисунок иллюстрирует процесс установления соединения между двумя устройствами BLE, использующими ссылку слоя события:

Моделирование Строения

В модели конечного автомата канального слоя, продемонстрированной в этом примере, используются эти два библиотечных блоков: Device и Wireless Medium.

Вы можете обновить строение устройства через маскирующие параметры блока Device в модели. На основе выбранной роли GAP (центральная/периферийная) маска будет обновлена с соответствующими свойствами.

Можно также сконфигурировать помехи статистически для каждого рекламного канала (37, 38 и 39) в блоке Wireless Medium.

Результаты симуляции

Результаты, полученные в этой симуляции:

Эта модель выводит время, затраченное, в миллисекундах, на установление соединения. Это значение времени сохраняется в переменном базовом рабочем пространстве timeTakenToEstablishConnection.

Последовательность скачков каналов, используемых ведущими и ведомыми устройствами, отдельно показана на схеме возможностей.

Пакеты, которыми обмениваются Ведущий и Ведомый, записываются в файл формата PCAP с именем BLEPacketExchange.pcap. Этот файл PCAP можно открыть с помощью любого стороннего программного обеспечения для анализа пакетов.

Включить или отключить журнал сообщений можно с помощью настроек блока Device.

Дальнейшие исследования

В симуляции можно варьировать интервалы и интерференцию, чтобы наблюдать изменение времени установления соединения. Ниже показаны результаты симуляции:

Этот график показывает, как время установления соединения изменяется с рекламным интервалом. Здесь окно скана составляет 10 миллисекунд с интервалом скана 100 миллисекунд, то есть 10% от активного периода сканирования.

Запустите helperBLEPlotConnectionTimeWithoutInterference скрипта (симуляция длинного запуска) для генерации вышеуказанных результатов.

Этот график показывает, как среднее время установления соединения изменяется при различных уровнях интерференции. График также показывает изменение для нескольких значений рекламных интервалов. Здесь окно скана составляет 100 миллисекунд с интервалом скана 100 миллисекунд, то есть 100% активного периода в сканировании. Эти значения времени установления соединения усредняются за 100 запуски симуляции для различных значений рекламных интервалов и уровней интерференции.

Запустите helperBLEPlotConnectionTimeWithInterference скрипта (симуляция длинного запуска) для генерации вышеуказанных результатов.

Кроме рекламного интервала, время учреждения связи варьируется относительно нескольких параметров, таких как интервал скана, окно скана, длительность скана, рекламная длительность и вмешательство. Можно дополнительно исследовать, варьируя любой из этих параметров. Обе вышеописанные симуляции выполняются с скана и рекламной длительности 1 и 10 секунд соответственно.

Заключение

Этот пример иллюстрирует модель ссылки слоя состояния машины, чтобы установить соединение между двумя устройствами BLE, а именно: Master и Slave. Эта модель дает подробную информацию о различных ссылках слоя состояниях и событиях. Диаграммы переходов состояний, представленные в этом примере, четко объясняют процесс установления связи между Мастером и Рабом. Полученные результаты симуляции отображают время, необходимое для установления соединения между устройствами BLE. Кроме того, полученные графики также показывают, что время установления соединения изменяется с параметрами конфигурации, такими как интервал рекламы и помехи.

Приложение

В примере используются следующие функции:

В примере используются следующие помощники:

Избранная библиография