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工业无线网络的蓝牙低功耗实时协议
Gaetano Patti, Luca Leonardi, Lucia Lo Bello
Department of Electrical, Electronics and Computer Engineering University of Catania
Catania, Italy
e-mail: {gaetano.patti, lobello}@unict.it
摘要
低能耗和低成本是工业无线传感器网络（IWSN）必须解决的一些主要问题。这种网络越来越多地被用来获取需要实时处理的传感器数据。蓝牙低能耗（BLE）协议是实现低成本I WSN的一种有吸引力的解决方案，具有较低的能耗和较高的灵活性。然而，目前的BLE标准并不提供数据包的实时支持，仅限于星型拓扑结构。本文提出了一种基于BLE的工业无线网格网络实时协议，克服了这些局限性。本文描述了该协议，并提供了分析和实验结果。
关键词 蓝牙低能耗；工业无线网格网络；工业无线传感器网络；实时
1 引言
蓝牙低能耗（BLE）是一种用于低功耗、低成本和低复杂度通信的短程无线传输技术[1]，为工业无线传感器网络（IWSNs）提供了有趣的特性。大大降低了通信堆栈的功耗，从而保证了比其他无线协议更长的寿命。然而，BLE不适合支持实时流量，因为消息延迟不能精确地被界定。此外，BLE还受到其他限制（例如节点之间的距离和网络拓扑），使得难以构建具有多跳的BLE网格网络。这些限制降低了BLE网络的覆盖范围可以扩大的程度。为了克服这些限制，同时保持低能量和低成本通信的优点，本文提出了实时BLE（RT-BLE），一种在BLE之上开发的工业无线网格网络的实时协议。该协议利用时分多址（TDMA）方法进行优化传输分配，为数据包提供实时支持，同时在最大保证延迟和吞吐量之间保持良好的权衡。
该文件提供了两方面贡献。a）用于BLE标准的一种配置方法，它保证具有星型拓扑的有界消息延迟；b）在BLE之上工作的协议，它允许网格拓扑，同时保持有界的延迟。
论文组织如下。第二节概述了相关工作，而第三节描述了BLE和建议的配置方法，以实现星型拓扑的有界延迟。第四节介绍了RT-BLE协议设计，第五节提供了协议分析， 第六节给出了一些实验结果，最后，第七节给出了我们的结论和对未来工作的提示。
2 相关工作
许多论文研究了基于蓝牙的工业通信案例，并提出了改进和新的特性[2]。最近，BLE引起了科学界的一些兴趣。本文[3]分析了BLE包的最大对等吞吐量和最小周转时间，指出了与分析结果相比，现成收发器所取得的结果的一些局限性。在[4]中提出了另一种计算BLE最大吞吐量的分析模型，而[5]中的工作分析并使用模拟工具来估计BLE通信的速度和延迟。在[6]和[7]中讨论了BLE能耗，[6]中的结果表明，BLE收发器的能耗比基于IEEE802.15.4协议的收发器低2.5倍。所有上述工作的结果表明，研究BLE的新扩展是值得的。特别是，通过专门为工业环境优化的配置来提高实际设备上的BLE性能是很有趣的。
允许多个通信堆栈共存的新收发器使开发双协议成为可能。在[8]中，提出了一种在双协议环境下使用BLE来支持实时通信的方法。然而，[8]中的方法只为实现所寻址的特定双协议的节点之间的通信提供实时行为。相反，本文提出的RT-BLE协议适用于标准的BLE设备..
BLE标准仅限于星型拓扑结构。为了提高通信覆盖率，可以使用具有树拓扑的网络，因为它提供了多跳中继。文[9]中的工作提出了一种利用BLE网络实现基于可伸缩树的网络的方法，其目的是扩大BLE网络的覆盖范围，从而提高其可伸缩性。然而，[9]中的方法没有提供数据具有实时支持的数据包，因为它是用于物联网（IoT）应用程序的。相反，在本工作中提出的RT-BLE在支持实时通信量的同时增加了BLE网络的可伸缩性。
3 双网络基础设施的实现
- 关于BLE的概述
在BLE中，一旦建立了连接，就定义了设备的两个链接层（L L）角色，即主机和从机。主机协调介质访问，采用基于TDMA的轮询机制，在该机制中定期轮询从机。在BLE[1]中，时间被划分为称为连接事件（CE）的单位。在每个CE上实现跳频，即在每个CE中使用不同的信道。连接事件以数据包从主机传输到从服务器开始。CE的开始时间称为锚点（AP）。连接事件的开始时间有规律地间隔，可配置的间隔称为连接间隔（C I）。在连接事件期间，主机和从机交替发送和接收数据包。只要设备继续发送数据包，连接事件就被认为是开放的。如果没有任何设备要传输数据，则从设备切换到睡眠模式，直到下一个AP。此时，主机开始与另一个从机的通信，并且过程重复，直到所有的从机都传输了。此时，主机也进入休眠状态，直到下一个连接事件开始。这样，主机基本上把连接间隔分成同样多的连接事件作为连接的数量。连续分组传输由帧间空间（IFS）分隔，其持续时间为150mu;s。图1一个例子显示了有两个从机（S1和S2）和一个主机（M）。图1的底线表示从机S1和S2的连接事件，这些事件周期性地重复，周期等于CI。图1的顶端线提供每个连接事件的详细信息。在S1的锚点（APS1）主机向S1发送数据包，从而启动轮询和交替传输序列（M-gt;S1、S1-gt;M等）。在CES1结束时，主机启动S2（CES2）的连接事件，周期性地重复，周期等于CI。虽然CI对于所有连接到同一主服务器的从机都是相同的，但相关的锚点被移动，因为主服务器一次轮询一个从机。BLE规范还定义了一个参数，称为Connection从站延迟，它指定从站在睡眠模式下必须跳过的连续CES的数量。
图1 BLE媒体接入机制的例子
从站应始终为接收到的任何数据包发送回复[1]。前一个数据包的ack在应答的头内传输给主机。
几个BLE实现[12]要求连接事件之间有一个保护带（GB），以满足同步精度，此外，它们还提供了可配置的参数来设置每个连接事件的最大大小。
- 配置BLE以获得有界延迟
本节解释如何设置主要配置参数，以便在具有星型拓扑的BLE网络上强制执行有界消息延迟。给出并讨论了一个数学公式。
可在物理层传输的最大分组长度（L）为47字节[1]，因此以1Mbps为传输它所需的时间，这里称为TL，等于376mu;s。因此，连接事件j（Ts j）的持续时间可以嵌入Mj的传输最大长度数据包可计算为
方程（1）考虑了Mj的时间主/从-从/主传输在j-th CE加上IFS之间的传输间隔。考虑到方程（1），主机处理S连接事件所需的最长时间Ttrx（S是连接的数目）可计算为
其中（S-1）表示连接事件之间的GB间隔数。该标准规定，连接间隔可以配置为1.25ms的倍数，范围从7.5ms到4s[1]。因此，我们必须计算1.25ms的最小倍数，它高于或等于Ttrx所以对于S连接事件最小连接间隔（CImin）可以计算如下
具有适当配置（即有界连接事件）的BLE协议允许当网络具有星型拓扑时有界延迟，因此主机可以对所有网络节点的定时和同步进行规则。一些问题出现在从机连接到多个主机的网络中（即，一个从机与多个BLE网络保持连接）。事实上，由于有多个主服务器，并且每个主服务器向相关的从服务器提供同步，因此可能会发生由不同的主服务器分配给同一个从服务器的CE重叠。这可能会发生，例如，在图2中所示的拓扑中。
图2 具有CE重叠可能的拓扑示例
事实上，节点D3可能会遇到CE重叠问题，因为这样一个节点连接到两个不同的主节点，即节点D2和D4。在最坏的情况下，两个主服务器同时向节点D3发送数据包，从而确定CE的全部或部分重叠。特别是，图中描述的四种情况之一，可能发生3起。
图3 连接事件可能重叠
在图3中A和B部分重叠，而在图3中，C完全重叠的。在图3中D无重叠发生.
第四节提出了一个解决这个问题的方法，它允许在BLE上进行实时通信，并为网格网络拓扑提供支持。
4 议定书（设计）
本文提出的RT-BLE协议使BLE实现有界消息延迟，从而为实时通信提供支持，并引入多跳数据传输，从而允许创建网格网络。实现这一结果的主要思想是创建多个网络（这里称为子网络），每个网络由一个主网络协调。子网络反过来共享一个或多个从机，充当子网络之间的“桥梁”。图4给出了一个网络拓扑的例子，其中有三个子网络，分别由节点2、4和6协调。
图4 网络拓扑的例子
在图4中，节点3是节点2（即子网0主机）和节点4（即子网1主机）的从机。节点6是节点5和节点7的主节点，而它是节点4的从节点。在图4的例子中。节点3必须与两个互不同步的主节点通信。因此，由于CE重叠的可能，无法保证向节点3的传输。
为了部署避免CE重叠的网格网络，节点必须按照以下规则配置：
- 一个节点不作为一个主节点，可以与多达两个主节点建立连接。
- 一个节点（A）充当主节点，最多可以与另一个主节点（B）建立连接.. 在这方面，节点A应发挥从属作用。
请注意，根据BLE规范[1]，一个设备可以作为不同连接的主从，也可以与几个主从建立连接。几种设备，如[12]，同时支持不同的角色。
为了使从节点在正确的时间出现在正确的子网络上，不同子网络的连接间隔必须相同。为了达到这个目的，并避免CE重叠，必须使用方程（3）计算每个子网络的连接间隔。然后选择任何子网络的CI，因此称CI*等于CImin在所有子网络中的最大值。
本文提出的解决方案，以解决CE重叠问题，并使实时通信的基于BLE的网格网络，通过案例研究如图7所示,其中两个主节点与四个从节点连接。
图5 拓扑的RT-BLE方法的案例研究
节点D5是连接节点D3和D7的从节点，因此节点D5的连接事件可能重叠。 这里提出的解决方案是一次交替节点D5与主机的连接。这意味着在给定的连接间隔中，节点D5将禁用与节点D3的连接，而对于下一个节点，它将启用与节点D3的连接，并禁用与节点D7的连接。这可以很容易地实现，因为在BLE堆栈的较高级别上，提供了一种机制来启用/禁用设置客户端特性配置描述符（CCCD）的连接。这是一个两位域，工作起来就像一个真正的开关。它允许两个节点中的一个启用或禁用连接，并将连接的新状态通知两个节点。图5中的从节点D5可以随时修改这些位，每个主程序在发送数据之前，必须检查连接是否启用了。如果不是这样，则主程序将数据包插入队列并在下一个连接事件中传输。这样就避免了CE重叠。
图6显示主节点D3和D7的时间。半透明较大的矩形表示节点D5禁用与两个主程序之一的连接的间隔。
图6 解决连接重叠问题的方法
由图6可知，节点D5最初是作为从连接到节点D3..随后，主节点D7，在初始阶段只有两个连接（分别与节点D6和D8），与节点D5（以及随后与节点D9）建立连接。主节点D7为与节点D5的连接分配一个CE，节点D5是具有两个连接的共享从机..一旦与节点D7建立连接，立即禁用（半透明矩形）。一旦节点D5与节点D3完成传输，节点D5将禁用与节点D3的连接，时间等于连接间隔，并启用与节点D7的连接，用于连接间隔。这种机制随着时间的推移而重复。
在所提出的方法中，网络是脱机配置的，动态配置将今后的工作中进行调查。
5 计量分析和分析评估
本节提供了一个定时分析，以确定端到端最坏情况的延迟。我们考虑到一个由N个节点组成的网络。每个节点生成属于不同流（f）的多个消息。消息定期以Pf期传送。路由路径（Rf）对于每个流都是固定的并且被脱机配置。为了提高容错性，每个节点必须维护一个具有每个流的备份路径的路由表（这样可以对每个路径重复分析）。因此，每个流都以这对路径为特征（Pf，Rf ），其中Rf=（n0 f，....，nh f）为节点（n）的向量。流f必须遍历才能到达目的地（nh），而h是跳频数。
为了简单起见，这里假设每个节点在连接间隔内分配了一个CE。大小为CES，以便在每个连接间隔中为节点发送和/或转发的所有消息提供空间。这样，节点的传输队列中的所有消息都在一个CE内传输。
根据第4节提出的方法，节点有机会每两个连接间隔发送其消息，并且通过配置设计o连接
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