BLE多连接技术对比与应用

ble多连接技术在现实生活场景中其实有很多应用,例如在电表中,蓝牙支持多主多从的工作模式,能被采集器、自动化终端设备、手持设备主机连接的同时,与多个从机(外置负荷开关、报警装置、各类传感器)建立并发数据连接。这只是其中一个用例,在运动器械、冷链系统、中央控制系统等等应用中都有很多ble多连接技术的应用。
ble多连接网络与其他多节点网络对比
ble多连接与ble mesh
可以先对比一下二者的拓扑结构。ble多连接是星型网络,中心节点可以同时和主节点以及从节点连接,当然也能够和别的中心节点连接。ble mesh的拓扑结构相对来说更冗杂一些,普通节点、低功耗节点、中继节点等等。ble mesh主要通过广播和扫描传输,对于一些不支持mseh的设备也能通过代理的方式连接。
(ble多连接与ble mesh拓扑结构,st)
对于短距离无线通信领域的低功耗,我们这里是不考虑各家芯片公司的实际工艺来做对比,有的做法是通过固定时序来降低功耗,有的做法是通过其他节点帮忙缓存消息来降低功耗。从功耗上看,ble多连接不管是主节点还是从节点都可以做到很低的功耗,相对来说ble mesh主要在低功耗节点才会有相对低一些的功耗,其他节点的功耗表现则比较一般。
多连接在功耗这块能做得比较低,本质原因是ble数据传输基于固定周期时序的连接事件,mesh则是传统的广播机制,唤醒时间的降低意味着功耗能维持在很好的水平。这种传输模式也决定了ble多连接的传输速率可以很快,相对来说mesh就较低。但是,在对于8个字节以内的响应速度,mesh还是很快的,这是与ble多连接不同的地方。不管是8字节以内的响应速率还是100字节以上的响应速率,ble多连接都取决于连接间隔,对数据包大小相对并不太敏感。
对于单个信息网络,从协议栈的角度来看并没有限制连接个数,mesh能够较为轻易地组建数千个节点网络,ble虽然没有协议栈上的限制,但是考虑到其他制约因素(诸如速率),目前市面上最多是有128个节点数。对于节点与节点之间的单级通信距离,如果芯片本身支持long range,可以使用long range提升通信距离。
ble多连接与zigbee(2.4g)
zigbee的拓扑结构分三种,终端节点的功耗同样属于比较低一类,对比ble多连接高一点而已。这里补充一下的是,zigbee只有在终端节点才能实现功耗较低,这与ble多连接在中心节点同样能实现低功耗是不太一样的。传输速率和响应速率二者差不多,差别不是很明显。相比于ble多连接,zigbee的节点数会多很多(但是没有mesh那么多)。通信距离上,zigbee可以通过路由节点转发实现较远的通信距离。
对比这三种多节点网络,数据吞吐量上ble多连接有很明显的优势,而且功耗也是三者中最低的,它不仅在终端节点能实现低功耗,在中心节点上同样能实现低功耗。ble多连接相对弱势的地方在于目前其节点规模较少,互联互通的生态要差一些。从芯片成本上来看,ble多连接与mesh差不多,比zigbee更容易让人接受。
ble多连接的多重访问与时基
在ble时基上有几个主要的ble时间,广播间隔单位为0.625ms,连接间隔单位为1.25ms,扫描窗口与间隔为0.625ms。ble多连接能够实现的通信是很快的,在3通道广播31字节的数据中,目前最快能在2.7ms内就完成(bluenrg系列芯片)。
ble多连接在信道上有40个物理信道,分为3个广播通道和37个数据通道。在无线通信的同一个rf覆盖的物理区域内,共同拥有的资源有时间和频率。先进的设备可能能同时连接或同步到多个物理通道,但是通常来说,ble多连接只使用一个信道,实现多重访问的方案有两种,tdma和fdma。基于tdma,ble多连接设备能同时存在于多个piconests中。
ble多连接到底能连接多少个设备呢,上面说过理论上是128个,但是实际使用时受制于ram资源、应用速率以及响应速度的需求,大概在50个节点左右(连接间隔在350ms时)。
(bluenrg,st)
小结
在ble多连接应用上,关键参数的权衡是必不可少的。首先连接个数是要先考虑的,每增加一个连接就需要更多ram;另外在广播参数、连接参数上尽可能选择同一倍周期;phy层的选用也需要考虑速率以及通信距离;另外,如果ram资源不够,可以考虑选用协处理器的模式进行ble多连接。

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