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 типового профиля атрибута (GATT), протокол атрибута (ATT), протокол менеджера безопасности (SMP), управление логической ссылкой и протокол (L2CAP) адаптации, слой ссылки (LL) и физический уровень. BLE был добавлен к стандарту для низких энергетических устройств, генерирующих небольшие количества данных, такие как предупреждения уведомления, используемые в таких приложениях как домашняя автоматизация, здравоохранение, фитнес и Интернет вещей (IoT). Для получения дополнительной информации о стеке протокола BLE, смотрите Стек Протокола Bluetooth.

Профиль mesh Bluetooth [2] задает основные требования, чтобы реализовать сетевое решение mesh для BLE. Стек mesh расположен сверху базовой спецификации BLE и состоит из слоя модели, слоя модели основы, слоя доступа, верхнего транспортного уровня, более низкого транспортного уровня, слоя сети и слоя несущей. Организация сети mesh Bluetooth включает крупномасштабные сети устройства в приложениях, таких как умная подсветка, промышленная автоматизация, организация сети датчика, отслеживание актива и много других решений IoT. Для получения дополнительной информации о стеке mesh Bluetooth, смотрите, что Mesh Bluetooth Объединяется в сеть.

Слой сети mesh Bluetooth выполняет эти первичные операции.

Для получения дополнительной информации об этих операциях слоя сети mesh, смотрите, что Mesh Bluetooth Объединяется в сеть.

Этот пример использует рекламную несущую, чтобы продемонстрировать лавинную рассылку mesh Bluetooth в беспроводной сети датчика.

Основные цели этого примера:

Проверяйте на установку пакета поддержки

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

Создайте и сконфигурируйте сценарии сети Mesh Bluetooth

Этот пример позволяет вам создать и сконфигурировать два сценария сети mesh Bluetooth. Каждый сценарий является сетью с 50 узлами. Узлы в сети классифицируются как реле, источник, место назначения и конечные узлы. Задайте соответствующие значения времени, чтобы жить (TTL) источника и целевых узлов. В первом сценарии пример идентифицирует пути между источником и целевыми узлами. Можно визуализировать поток сообщений в сети со статистикой слоя сети. Во втором сценарии пример отключает некоторые релейные узлы и конечные узлы. В этом случае симуляции показывают, что сеть имеет вероятность установления пути между заданным источником и целевой парой.

Чтобы создать и визуализировать сеть mesh, используйте функции helperBLEMeshVisualizeNetwork и helperBLEMeshNetworkNode. Задайте количество узлов (totalNodes) и тип положения узла (NodePositionType) в функции helperBLEMeshVisualizeNetwork. Типом по умолчанию положения узла является 'Сетка'. Чтобы задать вашу собственную сеть, установите значение NodePositionType к 'UserInput' и положениям узла к 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

Задайте количество источника и целевых пар в сети mesh использование srcDstPairs параметр. Задайте значения TTL для пакета, порожденного в 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];

Симуляции

Чтобы запустить симуляцию и получить результаты, используйте helperBLEMeshFloodingSimulation и функции helperBLEMeshFloodingSimulationResults, 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 = [];

Этот график показывает соответствующие пути между каждым источником и целевой парой. scenarioOneResults переменная рабочей области хранит 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];

Этот график показывает соответствующие пути между каждым источником и целевой парой. scenarioTwoResults переменная рабочей области хранит 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 слоя сети

В каждом узле пример получает эти статистические данные слоя сети.

statisticsAtEachNode переменная рабочей области содержит совокупную сетевую статистику всех узлов в сценарии 1 и сценарии 2. Для определенной запущенной симуляции вы видите сетевую статистику для только сначала 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        

Дальнейшее исследование

Чтобы получить числовые результаты, усредненные по нескольким симуляциям, пример реализует Метод Монте-Карло [3]. Чтобы анализировать вероятность доставки сообщений от исходного узла до целевого узла после включения или отключения релейных узлов в сети mesh, используйте helperBLEMeshMonteCarloSimulations скрипт. Каждая запущенная симуляция выполняет эти шаги.

Симуляции Монте-Карло выводят эти статистические данные.

Пример выполняет симуляции Монте-Карло при помощи 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 = [];

Пример выполняет 10 000 симуляций при помощи вышеупомянутой настройки. Чтобы просмотреть результаты симуляции, смотрите bleMeshMonteCarloResults.mat Matfile.

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 симуляции Монте-Карло для параметров пользовательской конфигурации, измените и запустите helperBLEMeshMonteCarloSimulations скрипт.

Этот пример позволяет вам создать и сконфигурировать мультиузел сеть mesh Bluetooth и анализировать лавинную рассылку слоя сети. Чтобы изучить поведение лавинной рассылки, пример рассматривает два сценария симуляции. В первом сценарии путь между источником и целевыми узлами идентифицируется и визуализируется путем выбора некоторых промежуточных узлов как релейных узлов. Во втором сценарии пропущены некоторые узлы (Реле и Конец), и релейная опция некоторых релейных узлов отключена. Полученные результаты показывают, что там существует путь между источником и целевыми узлами, даже если узлы (Реле и Конец) перестали работать случайным образом в сети.

Этот пример позволяет вам создать свою собственную сеть mesh Bluetooth и визуализировать лавинную рассылку mesh и сетевую статистику. Получить числовые результаты составило в среднем по нескольким итерациям, можно выполнить симуляции Монте-Карло в сети mesh Bluetooth.

Приложение

Пример использует этих помощников:

Выбранная библиография