Bluetooth Mesh

Bluetooth Mesh ist eine Betriebsart, die mehrere Bluetooth-Geräte zu einem vermaschten Netzwerk zusammenschließt, in dem alle Knoten untereinander eine Verbindung aufbauen können, auch dann, wenn sie sich nicht direkt zueinander in Reichweite befinden. Dazu reicht es, wenn sich zum Beispiel ein Smartphone oder Tablet in der Nähe befindet und die Datenpakete weiterreicht.

Bluetooth Mesh ergänzt Bluetooth Low Energy, bei dem es darum geht, kurze Datenpakete möglichst energiesparend zu übertragen.
Als reine Software-Lösung lässt sich die Mesh-Betriebsart bei allen BLE-Geräten verwenden, die mindestens Bluetooth Version 4.0 unterstützen. Für die Mesh-Funktionen muss nur ausreichend Speicher und Rechenleistung zur Verfügung stehen.
Beim klassischen Bluetooth spielt die Mesh-Funktion keine Rolle.

Mit Bluetooth Mesh etabliert sich Bluetooth im Bereich der Gebäudeautomation, Heimautomatisierung und dem Internet der Dinge als Konkurrent zu ZigBee und Z-Wave. Hier punktet Bluetooth mit herstellerübergreifender Interoperabilität. Bei Z-Wave ist genau das ein Problem. Zwischen den Produkten verschiedener Hersteller besteht nicht zwangsläufig eine Zusammenarbeit.
Desweiteren kann Bluetooth Smartphones und Tablets ins Mesh Network einzubinden, indem diese Daten weiterleiten oder selbst ein Teil des Netzwerks werden. Bei ZigBee und Z-Wave sind für die selbe Funktionalität spezielle Gateways erforderlich.

Reichweite und Ausfallsicherheit

Wenn Sensoren oder Aktoren per Bluetooth mit dem Internet der Dinge verbunden werden sollen, dann besteht das Problem, dass diese Geräte unter Umständen in einem Bereich betrieben werden, wo keine Basisstation existiert. Durch ein Mesh Network könnte man die Reichweite erhöhen und ausgefallene Verbindungen durch redundante Übertragungswege ersetzen.

Bei einem vermaschten Netz unterhalten möglichst viele Knoten ein loses Netzwerk, über dass alle Knoten untereinander eine Verbindung aufbauen können. Bluetooth hat hierbei die Möglichkeit, vorhandene Smartphones und Tablets in das Mesh Network einzubinden, die sich als Repeater darum kümmern, Datenpakete weiterzuleiten oder selbst ein Teil des Netzwerks zu werden.

Bluetooth Mesh bietet die Möglichkeit bis zu 32.000 Knoten anzusprechen. Das sind weit mehr als Konkurrenzsysteme beherrschen.

Funktionsweise von Bluetooth Mesh: Managed Flooding Network

Das Prinzip hinter Bluetooth Mesh wird als Flooding bezeichnet. Im Gegensatz zu Routing ist es einfach zu implementieren und damit eine schnellere Verbreitung möglich. Leider erhöht Flooding die Latenz bei der Übertragung und den Energiebedarf aller beteiligten Geräte, weil die seltener in den Ruhezustand schalten können. Bluetooth Mesh wirkt also Bluetooth Low Energy entgegen.

Flooding bedeutet, dass in jedem Knoten jedes eintreffende Paket an alle anderen Knoten (bis auf den Sender) weitergeleitet wird. Um diese Weitervermittlung kümmern sich bevorzugt netzstrombetriebene Repeater oder Relay-Knoten, die über eine ausreichende Energieversorgung verfügen.

Damit bereits gesendete Pakete nicht erneut gesendet werden, müssen die Knoten über einen Cache verfügen, in dem sie alle kürzlich empfangenen Pakete sammeln, und bei erneutem Empfang prüfen und gegebenenfalls verwerfen können.

Um über ihre Existenz zu berichten, senden die Knoten regelmäßig einen "Herzschlag". Damit teilen sie anderen Knoten im Mesh mit, dass sie aktiv sind und diese ermitteln können, wie viele Hops (Sprünge) sie entfernt sind. Sender von Paketen müssen über eine "Time To Live" (TTL) mitteilen, über wie viele Hops ein Datenpaket im Netzwerk verbreitet werden darf.

Weil das Flooding eine dauerhafte Empfangsbereitschaft voraussetzt, wirkt sich das negativ auf den Stromverbrauch aus. Deshalb existiert in Bluetooth Mesh die Möglichkeit, dass sich ein Low-Power-Knoten eines Friend-Knotens bedient, der für ihn eintreffende Daten zwischenspeichert und erst auf Anforderung überträgt (Friendship). Hat der Low-Power-Knoten alle Daten empfangen und verarbeitet, legt er sich wieder schlafen.
Desweiteren existieren sogenannte "Proxy-Knoten" mit denen Low-Power-Geräte ohne Mesh-Funktion trotzdem mit dem Netzwerk verbinden werden können.

Anwendungen

Damit eine Funktechnik in der Gebäudeautomation, in der industriellen Fertigung und bei der Nachverfolgung von Gütern zum Einsatz kommen kann, muss sie gewisse Industrieanforderungen erfüllen. Und zwar hinsichtlich der Sicherheit, der Robustheit und der Skalierbarkeit der Datenübertragung.
Mit Bluetooth Mesh erfüllt Bluetooth Low Energy (BLE) diese Anforderungen, was bis dahin Z-Wave und ZigBee vorbehalten war.

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