MESH 시리즈 의 이니셜인 이 기사에서는 Bluetooth mesh 1.0 프로토콜 의 아키텍처와 기능을 소개합니다 . Bluetooth Low Energy 프로토콜에 대한 보완 프로토콜인 Bluetooth Mesh 프로토콜은 Bluetooth 5.0과 독립적으로 Bluetooth Low Energy 장치에 개방형 표준 메시 네트워크를 처음으로 도입합니다.

MESH 네트워크는 스마트 홈 및 빌딩 자동화를 위한 저전력 무선 기술입니다.응용 프로그램. 처음에는 SIG가 MESH 네트워크에 대한 지원이 부족하기 때문에 엔지니어는 스마트 홈 애플리케이션 개발을 위해 Bluetooth 저에너지를 다른 기술(예: ZigBee 및 Thread)로 변경해야 합니다. 이런 상황은 2017년 중반 블루투스 메시 규격이 공개될 때까지 지속됐다. 이제 Bluetooth SIG는 Bluetooth 5.0 추가 사양인 Bluetooth mesh network 1.0을 도입하여 MESH 네트워킹의 부족을 해결했습니다. 이 사양은 다른 하드웨어 지원이 필요하지 않으며 펌웨어를 플래시하여 기존 Bluetooth 저에너지 칩(BLE4.0, BLE4.1, BLE4.2 및 BLE5.0)에서 실행할 수 있습니다. 일부 칩 제조업체는 이제 Bluetooth Mesh 1.0 프로토콜을 지원할 수 있습니다.

1. BLE MESH 시장의 현재

현재까지 전 세계 73개 기업이 SIG에서 BLE MESH를 인증했으며 인증 제품 수는 461개에 이른다. 이 데이터에는 단말 제품 및 칩의 총 인증 건수가 포함된다. 다음 표는 인증 회사 및 제품 인증 수를 나열한 것으로, 그 중 중국 인터넷 거대 기업이 인증한 많은 단말기 제품이 있습니다.

2. MESH의 장점

Bluetooth Low Energy는 원래 무선 기술을 배터리 구동 장치로 확장하여 "클래식" Bluetooth의 높은 전력 소비를 보완하도록 설계되었습니다. 예를 들어 심박수 벨트와 무선으로 제어되는 장난감 애플리케이션은 저전력 블루투스 기술을 통해 마스터 장치(예: 휴대폰)와 통신합니다. 마스터 장치도 여러 개의 슬레이브 장치를 제어하여 스타 네트워크 토폴로지를 형성합니다.

Bluetooth 저에너지와 휴대폰의 상호 운용성으로 인해 Bluetooth 저에너지는 조명 제어 , 스마트 홈 등과 같은 다른 애플리케이션으로 빠르게 확장될 수 있습니다. 이러한 유형의 애플리케이션에서는 스타 네트워크의 단점이 나타납니다. 예를 들어 Bluetooth 저에너지 솔루션은 제한된 수의 동시 연결(보통 8개)만 처리할 수 있습니다. 그리고 전구가 8개 이상인 조명 장치는 단일 명령으로 제어할 수 없으므로 제어 지연이 발생합니다. 큰 집에서 멀리 떨어진 전구는 중앙 컨트롤러의 범위 내에 있지 않을 수 있으며 라우팅 기능이 있는 노드로 전환해야 합니다.

Bluetooth Low Energy 출시 이후 버전 4.1, 4.2, 5.0, 5.1 및 5.2를 출시했습니다. 전송 범위, 처리량, 브로드캐스트 데이터 용량, AoA/AoD 포지셔닝 및 공존 개선 과 같은 프로토콜의 많은 기능이 향상되었습니다 . (이러한 새로운 기능 중 일부는 선택적입니다. 선택적이라는 것은 이러한 새로운 기능을 지원하지 않는 칩이 BLE 5.0 칩일 수도 있음을 의미합니다).

Bluetooth Mesh 1.0은 BLE 5의 단순한 업그레이드가 아니라 Bluetooth 프로토콜과 독립적인 프로토콜 집합입니다. 그리고 이전 버전(BLE 4.0, BLE 4.1, BLE 4.2, BLE 5.0) 칩 제품은 업그레이드가 가능합니다. 플래시 및 RAM 리소스가 충분하다는 전제 하에 Bluetooth 메시를 실행하려면 펌웨어만 업그레이드하면 됩니다.

블루투스 MESH 노드는 메시지를 수신하면 블루투스 저에너지 계층에서 얻은 데이터를 베어러 계층으로 전달한 후 베어러 계층을 통해 네트워크 계층으로 데이터를 전달한다. 네트워크 계층은 메시지를 하위 전송 계층으로 전달할지 아니면 폐기할지를 결정하기 위해 다양한 검사를 사용합니다.

Bluetooth MESH 사양은 새로운 핵심 프로토콜을 정의합니다. 일부 핵심 프로토콜 계층은 Bluetooth 저에너지 핵심 프로토콜 계층과 일부 개념을 공유하지만 두 프로토콜은 서로 완전히 호환되지 않습니다. 이것은 ZigBee 및 Thread와 같은 기술과 다릅니다. ZigBee와 Thread는 처음부터 MESH 네트워크로 설계되었습니다. 기본 사양은 802.15.4를 기반으로 하지만 다른 주류 프로토콜의 호환성은 고려되지 않았습니다. (지난 2년 동안 ZigBee는 다른 네트워크 프로토콜과 호환되고 상호 연결을 달성하기 위해 최상위 수준에서 dotdot을 사용하는 것을 고려했습니다. 자세한 내용은 https://zigbeealliance.org/solution/dotdot/ 참조 )

네 가지 유형의 네트워크 노드가 있습니다.

릴레이 노드는 광고 베어러를 사용하여 블루투스 메시 메시지를 수신하고 재전송합니다. 릴레이 노드의 단점은 항상 경고 상태를 유지해야 하므로 전력 소비가 크게 증가한다는 것입니다. 스마트 조명과 같이 주 전원으로 구동되는 애플리케이션에는 거의 영향을 미치지 않지만 네트워크에 통합된 스위치와 같은 배터리 구동 노드에는 큰 문제입니다.

저전력 노드는 Bluetooth Low Energy의 표준 절전 기능(장시간 절전 상태를 유지함)을 사용하므로 배터리 또는 에너지 하베스팅을 통해 장시간 실행할 수 있습니다. LPN은 전력 제한이 없는 Friend 노드와 함께 작동합니다(egit에는 영구 AC 전원이 있음). Friend는 LPN으로 주소 지정된 메시지를 저장하고 LPN이 "대기 메시지"에 대해 Friend 노드를 폴링할 때마다 메시지를 LPN으로 전달합니다. LPN이 수신 모드에 진입하면(미리 정해진 일정에 따라) 저장된 메시지를 수신하고 지시에 따라 절전 모드로 돌아갑니다.

친구 노드
친구 노드는 연결된 저전력 노드로 주소가 지정된 메시지를 저장하고 나중에 전달할 수 있습니다. 저전력 노드가 깨어나 Friend 노드를 폴링하면 Friend는 이러한 메시지를 관련 저전력 노드로 전송합니다. 친구 노드는 하나 이상의 저전력 노드에 대한 메시지를 저장해야 하기 때문에 다른 유형의 노드보다 더 많은 메모리를 차지합니다. 필요한 메모리 크기는 Friend 노드에 저장하고 폴링 작업 중에 저전력 노드로 전송해야 하는 데이터/명령의 양에 따라 다릅니다.

프록시 노드
프록시 노드는 메시가 아닌 Bluetooth 저에너지 장치(예: 휴대폰)를 Bluetooth 메시 네트워크의 일부로 활성화하는 핵심입니다. 프록시 노드는 Bluetooth LE 장치가 메시 네트워크와 상호 작용하는 데 사용할 수 있는 GATT 인터페이스를 노출합니다. 프록시 노드는 하나의 전달자(광고 또는 GATT)를 통해 메시지를 수신하고 다른 전달자(광고 또는 GATT)를 통해 메시지를 재전송할 수 있습니다. 프록시 노드의 기본 목적은 베어러 변환을 수행하는 것입니다. 광고 무기명에서 GATT 무기명으로 또는 그 반대로 변환할 수 있습니다. 따라서 광고 베어러를 지원하지 않는 장치는 대신 GATT 연결을 통해 다양한 유형의 Bluetooth 메시 메시지를 보내고 받을 수 있습니다. 예를 들어, 사용자가 기존의 스마트폰을 사용하여 스마트 조명 네트워크를 제어하고자 할 때 이 기능이 유용합니다.

이 그림은 간단한 Bluetooth 메시 네트워크의 예를 제공합니다. 이 예에서 전구와 같은 대부분의 노드는 주전원으로 전원이 공급되며 들어오는 메시지에 대한 광고 채널을 지속적으로 스캔할 수 있습니다. 이러한 노드 중 일부는 릴레이, 프록시 및 친구 기능도 지원할 수 있습니다. 또한 이 예의 토폴로지에서 저전력 온도 센서는 저전력 기능을 사용하고 친구 기능이 구현된 주전원 노드 중 하나의 지원을 받습니다. 마찬가지로 광고 베어러를 지원하지 않는 스마트폰은 프록시 기능을 지원하는 노드를 통해 메시 네트워크와 통신합니다.

또한 새 장치가 신뢰할 수 있는 장치이고 네트워크의 모든 노드에 액세스할 수 있도록 메시 네트워크에 가입하기 전에 새 노드를 구성해야 합니다. 입력 후 MESH 네트워크는 새 노드에 대한 주소, 장치 유형 및 장치 키를 할당합니다. 그런 다음 장치 키는 새 노드를 구성하기 위한 보안 채널을 설정하는 데 사용됩니다. 이론적으로 Bluetooth MESH 네트워크는 최대 32,000개의 노드를 지원할 수 있습니다.

5. 블루투스 메시 아키텍처

블루투스 메쉬 네트워크는 "플러딩" 기술을 사용하여 네트워크에서 메시지를 보냅니다(바이러스 확산 방식과 유사함). 각 데이터 패킷은 메시지가 대상 노드에 도달할 때까지 네트워크의 다른 노드로 전달됩니다. 메시지 브로드캐스트는 단일 노드, 노드 그룹 및 모든 노드에 대한 것일 수 있습니다. 예를 들어 단일 방의 모든 조명을 그룹 주소로 정의할 수 있습니다. Bluetooth 메시 사양은 "All-Proxies", "All-Friends", "All-Relays" 및 "All-nodes"라는 4개의 고정 그룹 주소를 정의합니다. (LPN은 저전력을 유지해야 하므로 메시지를 전달하는 기능이 없습니다.)

플러딩 메시 아키텍처와 그룹 주소 선택은 스마트 홈 애플리케이션을 위한 Bluetooth 메시 네트워크 지원을 강화합니다. 예를 들어, MESH 네트워크의 게이트웨이 장치가 "ON" 명령을 수신하면 MESH 네트워크를 통해 전체 네트워크에 빠르게 브로드캐스트할 수 있습니다. 네트워크의 각 노드 장치가 명령을 수신하고 그에 따라 조치를 취하면 대상 그룹의 조명을 즉시 켤 수 있습니다.

스타 네트워크와 비교할 때 MESH 네트워크 노드의 평균 수신 데이터의 최소 대기 시간은 스타 네트워크보다 훨씬 낮습니다. 스타 네트워크에 연결된 각 전구에 별도의 명령을 보내려면 중앙 장치가 필요하기 때문입니다. 그리고 CPU는 시간 간격으로 모든 하위 장치에 명령을 보내야 합니다.

Bluetooth MESH와 기존 Bluetooth 간에는 몇 가지 차이점이 있습니다. 모든 메시 데이터는 3개의 광고 채널(37, 38, 39)에서만 전송됩니다. 여기에는 장점과 단점이 있습니다. 장점은 고효율과 간단한 전송 방식입니다. 그리고 단점은 네트워크 대역폭을 줄이고 혼잡의 위험을 증가시킨다는 것입니다.

MESH 네트워크가 혼잡을 처리하는 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째는 TTL(Time To Live) 로, 특정 패킷을 몇 번이나 전달할 수 있는지 정의합니다(일반적으로 3단계). 두 번째는 네트워크 캐시 입니다 . 장치는 전달된 데이터 패킷을 캡처한 후 한 번만 브로드캐스트합니다. 장치는 다음에 다른 장치에서 브로드캐스트하는 동일한 정보 패킷을 수신할 때 더 이상 전달하지 않습니다.

개발자는 선택적 그룹 배송 경로를 사용하고 릴레이 기능을 유지할 수도 있습니다. 설정 후 노드는 데이터 패킷을 수신할 수 있지만 전송할 수는 없습니다. 따라서 노드의 유연성이 저하됩니다.

6. BLE 메쉬 모델

MESH 모델의 개념은 Bluetooth 프로파일의 개념과 유사합니다. 모델은 하나 이상의 서비스를 포함할 수 있는 공용 정보 구조를 지정합니다(모델 개념은 터미널 장치를 정의하는 데 사용됨).

모델에는 노드의 특정 동작과 서비스가 포함되어 있으며 상태에 따라 작동하는 일련의 상태 및 메시지를 정의합니다. 표준 모델은 장치 구성, 센서 판독 및 조명 제어와 같은 일반적인 응용 프로그램에서 작동할 수 있습니다. 또한 개발자는 맞춤형 모델을 만들 수도 있습니다.

노드의 모델은 요소별로 정렬됩니다. 각 요소는 고유한 주소를 가진 메쉬의 가상 엔터티 역할을 하며 들어오는 각 메시지는 요소의 모델에 의해 처리됩니다.

다른 모델은 "게시 및 구독"을 통해 서로 상호 작용합니다. 게시 노드는 메시지를 보내고 구독하도록 구성된 노드는 메시지를 받은 후 처리합니다.

다음 그림에서 "Switch 1" 노드가 그룹 주소 Kitchen에 게시하는 것을 볼 수 있습니다. 노드 Light 1, Light 2 및 Light 3은 각각 Kitchen 주소를 구독하므로 이 주소에 게시된 메시지를 수신하고 처리합니다. 즉, 조명 1, 조명 2, 조명 3은 스위치 1을 사용하여 켜거나 끌 수 있습니다.

스위치 2는 그룹 주소 Dining Room에 게시합니다. Light 3만이 이 주소에 가입했고 Switch 2에 의해 제어되는 유일한 조명도 마찬가지입니다. 이 예는 또한 노드가 하나 이상의 개별 주소로 지정된 메시지에 가입할 수 있다는 사실을 보여줍니다. 이것은 강력하고 유연합니다.

마찬가지로 Switch 5와 Switch 6 노드가 모두 동일한 Garden 주소에 어떻게 게시되는지 확인하십시오.

7. 블루투스 메시 구성 네트워크

다음 그림은 전체 구성 네트워크 구독의 예입니다. 이 프로세스는 Bluetooth MESH 구성 네트워크 등록 장비의 표준 프로세스입니다. 처음에 전구는 MESH 네트워크에 신호를 보내 가입할 네트워크를 찾고 있음을 알립니다. 구성 노드는 전구 비콘을 인증하고 네트워크에 가입하도록 초대합니다. 인증에 성공하면 네트워크에 연결하고 구성을 준비하는 데 필요한 키와 주소가 장치에 제공됩니다. 그런 다음 전구에 "홈 오토메이션" 앱 키가 제공됩니다. "OnOff 서버"(제어 전구)의 게시 상태를 설정하고 마지막으로 "조명 그룹"에 구독을 추가합니다.

8. 블루투스 메시 애플리케이션

SIG 인증 제품의 예비 통계에 따르면 BLE MESH의 애플리케이션은 주로 스마트 홈 및 조명 제어 애플리케이션에 집중되어 있으며 조명 제어가 60%, 스마트 홈이 30%, 마지막 10%를 차지합니다. 원래 제조업체 칩 인증 및 틈새 시장 응용 프로그램에 속합니다. BLE MESH는 의심할 여지 없이 ZigBee 의 가장 큰 경쟁자입니다 .