非基于IP的无线个人区域网络技术解析

### 非基于 IP 的无线个人局域网技术解析 #### 蓝牙 5 的特性 蓝牙 5 具有诸多显著特性。其消息大小可达 255 字节，新的广告通道被称为二级广告通道。通过在报头中定义特定的蓝牙 5 扩展类型，确保了与旧版蓝牙 4 设备的向后兼容性。若蓝牙主机接收到指示存在二级广告通道的信标广告，便会知晓需在数据通道中查找更多数据。此时，主广告数据包的有效负载不再包含信标数据，而是一个通用的扩展广告有效负载，用于标识数据通道编号和时间偏移。主机随后会在指定的时间偏移从该特定数据通道读取，以检索实际的信标数据，数据还可能指向另一个数据包，即多二级广告链。 这种传输超长信标消息的新方法，能够向客户智能手机发送大量数据。同时，还启用了其他用例和功能，例如广告可用于传输同步数据，如音频流。当游客在博物馆参观艺术品时，信标可以向智能手机发送音频讲座。 广告还可以进行匿名化处理，即广告数据包无需绑定发射器地址。这样，设备发出匿名广告时，不会传输自身设备地址，有助于提高隐私性并降低功耗。 蓝牙 5 还能几乎同时传输多个单独的广告（具有独特数据和不同间隔），这使得蓝牙 5 信标无需重新配置，就能几乎同时传输 Eddystone 和 iBeacon 信号。此外，蓝牙 5 信标可以检测是否被主机扫描，当检测到用户接收到广告后，信标可以停止传输以节省电量。 #### 蓝牙 5 的范围和速度提升 蓝牙信标的强度受到限制，为了延长电池寿命，制造商通常会限制发射器功率。一般来说，为了获得最佳的信标范围和信号强度，需要有视线传播。典型的蓝牙 4.0 视线通信中，信号强度会随距离增加而下降，通常 30 英尺的范围是可用的信标距离。 蓝牙根据设备分类具有不同的功率级别、范围和传输功率，具体如下表所示： | 类别编号 | 最大输出电平 (dBm) | 最大输出功率 (mW) | 最大范围 | 使用场景 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 1 | 20 dBm | 100 mW | 100 m | USB 适配器、接入点 | | 1.2 | 10 dBm | 10 mW | 30 m（典型 5 m） | 信标、可穿戴设备 | | 2 | 4 dBm | 2.5 mW | 10 m | 移动设备、蓝牙适配器、智能卡读取器 | | 3 | 0 dBm | 1 mW | 10 cm | 蓝牙适配器 | 蓝牙 5 在范围和数据速率方面都有显著提升，超越了旧版蓝牙的限制。它引入了一种名为 LE2M 的新无线电物理层（PHY），将蓝牙的原始数据速率从 1M 符号/秒提高到 2M 符号/秒。与蓝牙 4 相比，传输相同数量的数据，蓝牙 5 所需的传输时间更短，这对于使用硬币电池的物联网设备尤为重要。此外，新的 PHY 还将功率从 +10 dBm 提高到 +20 dBm，从而扩大了通信范围。 在范围方面，蓝牙 5 还为低功耗蓝牙（BLE）提供了另一种可选的 PHY，即 LE 编码 PHY。该 PHY 仍使用与蓝牙 4.0 相同的 1M 符号/秒速率，但将数据包编码降低到 125 Kb/s 或 500 Kb/s，并将传输功率提高了 +20dBm。这使得其范围比蓝牙 4.0 增加了 4 倍，并且在建筑物内具有更好的穿透性。不过，LE 编码 PHY 会增加功耗以换取更大的范围。 #### 蓝牙网状网络介绍 蓝牙技术联盟（SIG）在发布蓝牙 5 规范后，专注于规范蓝牙网状网络。2017 年 7 月 13 日，蓝牙 SIG 发布了网状网络配置文件、设备和模型规范 1.0，这是在蓝牙 5.0 规范发布六个月之后。在此之前，已经存在使用旧版蓝牙版本构建网状网络的专有和临时方案。蓝牙 SIG 发布的三个规范如下： - 网状网络配置文件规范 1.0：定义了实现可互操作网状网络解决方案的基本要求。 - 网状网络模型规范 1.0：规定了网状网络中节点的基本功能。 - 网状网络设备属性 1.0：定义了网状网络模型规范所需的设备属性。 目前尚不清楚蓝牙网状网络的规模是否存在限制，但规范中内置了一些限制。截至 1.0 规范，蓝牙网状网络中最多可以有 32,767 个节点和 16,384 个物理组，最大生存时间（TTL）为 127，它表示网状网络的深度。理论上，蓝牙 5 网状网络允许有 2^128 个虚拟组，但实际上，分组会受到更多限制。 蓝牙网状网络基于低功耗蓝牙（BLE），位于之前描述的 BLE 物理层和链路层之上。在此基础上，还有一系列特定于网状网络的层： - 模型层：在一个或多个模型规范上实现行为、状态和绑定。 - 基础模型层：负责网状网络的配置和管理。 - 访问层：定义应用程序数据的格式、加密过程和数据验证。 - 上层传输层：管理进出访问层的数据的认证、加密和解密，传输诸如友谊和心跳等控制消息。 - 下层传输层：必要时对分段的协议数据单元（PDU）进行分段和重组（SAR）。 - 网络层：确定消息输出的网络接口，管理各种地址类型并支持多种承载方式。 - 承载层：定义如何处理网状网络 PDU，支持两种类型的 PDU：广告承载和通用属性配置文件（GATT）承载。广告承载处理网状网络 PDU 的传输和接收，而 GATT 承载为不支持广告承载的设备提供代理。 - BLE 层：完整的蓝牙低功耗规范。 蓝牙网状网络可以集成网状网络或 BLE 功能。支持网状网络和 BLE 的设备可以与智能手机等其他设备通信，或具备信标功能。 #### 蓝牙网状网络拓扑 蓝牙网状网络采用泛洪网络的概念。在泛洪网络中，网状网络中的每个节点接收到传入数据包后，会通过除消息来源链路之外的每个传出链路发送该数据包。泛洪的优点是，如果数据包可以传递，它就会被传递（尽管可能会通过多条路由多次传递），并且会自动找到最短路径（在动态网状网络中，路径可能会因信号质量和距离而变化）。从路由协议的角度来看，这种算法是最简单的实现方式，并且不需要像基于中央路由器的 Wi-Fi 网络那样的中央管理器。 与之相比，其他类型的网状网络路由包括基于树的算法。使用树算法（或簇树算法）时，需要一个协调器来启动网络并成为父节点，但树不一定是真正的网状网络。其他网状网络路由协议包括主动路由（在每个节点上维护最新的路由表）和被动路由（仅在需要通过节点发送数据时更新每个节点的路由表）。Zigbee 是一种主动路由，称为按需自组网距离矢量（AODV）。