Bluetooth mesh biedt nieuwe mogelijkheden voor bluetooth

Marco den Teuling
0

Inhoudsopgave

bluetooth meshDe Special Interest Group achter bluetooth heeft aan de specificaties gesleuteld, waarmee het bereik en de betrouwbaarheid van Bluetooth Low Energy toenemen. Met bluetooth mesh kan het energiezuinige protocol een nieuwe concurrent worden in de wereld van home automation.

Bij IoT (Internet of Things) kun je niet meer om het energiezuinige Bluetooth Low Energy (BLE) heen. Dit wordt gebruikt om vanuit je mobiele telefoon of tablet (met welk besturingssysteem dan ook) alle mogelijke IoT-apparaten aan te spreken. Van je smartwatch en slimme lamp tot medische technologie en intelligent speelgoed. Ook eenvoudige bluetooth key finders vallen hier bijvoorbeeld onder. Daarnaast wordt BLE steeds vaker ingezet bij kleine zenders (beacons) voor bijvoorbeeld lokalisatiediensten of doelgerichte reclame-uitingen op mobiele apparaten.

De Special Interest Group (non-profit organisatie achter bluetooth) heeft nu zijn zendprotocol uitgebreid met een set specificaties voor mesh-netwerken. Dit zorgt dat in de toekomst bluetooth-apparaten tot een samenwerkend geheel zijn samen te knopen. De aanpassing volgt zo’n tweeënhalf jaar na de eerste aankondiging.

Bij een mesh-netwerk zijn alle knooppunten (nodes) onderling met elkaar verbonden. Dit zorgt voor meer bereik en werkt om geblokkeerde verbindingen heen. Voor de al bestaande protocollen zoals ZigBee en Z-Wave bestaan hier al langer specificaties voor.

De basis van bluetooth mesh

Het Bluetooth Mesh-network vult het Low Energy-deel van het bluetooth-protocol aan. Hierbij gaat het om het zo zuinig mogelijk overzetten van kleine datapakketten. De mesh-ontwikkeling speelt geen rol bij de klassieke bluetooth (Basic Rate/Enchanced Data Rate, BR/EDR), wat vooral voor continue audiostreams wordt gebruikt. In het begin had de SIG het daarom over Smart Mesh, maar aangezien de marketingtermen Bluetooth Smart en Bluetooth Smart Ready voor BLE inmiddels vervallen zijn is deze naam van tafel geveegd.

bluetooth versies

De SIG gaat ervan uit dat de tijd tussen de aankondiging van de specificatie en het beschikbaar worden van de eerste apparaten niet zo lang zal duren als bij eerdere versiesprongen (zes tot twaalf maanden). Een van de redenen is dat Bluetooth Mesh niets verandert aan de BLE-techniek zelf. Het is meer een pure software-oplossing voor LE-apparaten die minimaal Bluetooth 4.0 ondersteunen. Een andere reden is dat een hele reeks bekende fabrikanten aan de specificatie heeft bijgedragen, waaronder Broadcomm, Ericsson, Google, Intel, Mediatek, Motorola, Qualcomm, NXP, Silvair (het eerdere Seed) en ST-Microelectronics. Deze bedrijven zijn dus snel in staat om de wijzigingen door te voeren.

Datastroom in het mesh-netwerk

Bluetooth Mesh is volgens de SIG een Managed Flooding Network. Flooding houdt in dat elk inkomend pakket naar alle knooppunten (behalve de zender) wordt doorgestuurd. Net als bij systemen van de concurrenten nemen de repeaters op netstroom (relay-nodes is een technisch correctere term) het doorsturen voor hun rekening. Alle knooppunten moeten wel een cache hebben waarin ze alle recent ontvangen berichten verzamelen. Als er een bericht binnenkomt dat al eerder is ontvangen en verwerkt, wordt dit zonder pardon verworpen. Data die niet zijn bedoeld voor het bewuste subnet waarin de nodes zelf zitten, worden net zo hard aan de kant geschoven.

bluetooth mesh datastroom

Deze manier van werken herken je ook aan het feit dat de nodes binnen Bluetooth Mesh regelmatig een ‘hartslag’ oftewel Heartbeat-bericht versturen. Zo vertellen ze de andere nodes binnen het netwerk dat ze actief zijn. Dit bericht bevat ook data waarmee de ontvangende nodes kunnen achterhalen hoeveel hops ze van de zender af zitten, oftewel hoeveel nodes tussen de zender en de ontvanger de informatie doorgeven. Dit kan de zender gebruiken om via een Time To Live (TTL) aan te geven hoe ver het bericht binnen het netwerk wordt verspreid. Een TTL van 3 houdt in dat de data maximaal 3 hops verder wordt gestuurd. Een TTL van 0 houdt in dat een node alleen zijn naburige nodes binnen direct bereik (Neighbors) de data stuurt en het verspreiden van de informatie daarna stopt.

Energiebesparing

NXP presenteerde midden 2015 een eigen variant van Bluetooth Mesh met routing, maar inmiddels is het bedrijf overgestapt op ZigBee. Dit protocol wordt ook gebruikt voor de lampen van het Philips Hue-systeem. De apparaten bespreken met elkaar welke rol binnen het netwerk ze voor hun rekening nemen. Aan de hand hiervan wordt bepaald wanneer een apparaat repeater moet spelen. De rest van de tijd vallen de apparaten in een stroombesparende slaapmodus. NXP meldde ons toen dat de oplossing van het bedrijf tien keer zo zuinig was als de overige Bluetooth Mesh-kandidaten. Toen was er nog geen sprake van functies als TTL.

bluetooth mesh mediatorDe SIG-VP Ken Kolderop, verantwoordelijk voor de marketing, noemde in een interview als argument voor de Flooding-methode dat het zorgde voor hoge snelheid en een lage latentie van het netwerk. Dit komt door de simpele opbouw en doordat datapakketten op meerdere manieren (Multipath) hun doel bereiken. Bij de demo van NXP viel het op dat de apparaten een paar seconden nodig hadden om klaar voor gebruik te zijn. In het begin heeft de SIG nog overwogen om een routing-versie toe te voegen. Deze plannen zijn van tafel. Er was volgens Kolderup geen manier om zo’n netwerk op te schalen zonder dat de snelheid inzakte.

De voorvechters van de Flooding-versie geven toe dat de permanente ontvangstbereidheid een negatief effect heeft op het stroomverbruik. Bluetooth Mesh heeft daar de Friendship-functie voor. Dankzij deze functie kunnen de apparaten jarenlang draaien op een enkele knoopcel. Zo’n low power-node maakt gebruik van een Friend-node in de buurt die voldoende power heeft. Deze speelt dan buffer voor alle inkomende gegevens, inclusief security-updates. Pas als er om wordt gevraagd, worden deze data doorgespeeld. Zodra de low power-node alle data van zijn verzoek binnen heeft en heeft verwerkt, of er geen data klaarstaat, gaat deze direct weer in slaapstand.

Toekomstperspectief

SIG wil de voorsprong van de concurrenten vooral inhalen door een mesh-netwerk te bieden dat vanaf versie 1.0 al voldoet aan de eisen vanuit de industrie. Dit begint bij de beveiliging. De ontwikkelaars hebben volgens SIG aan alle denkbare aanvalsscenario’s gedacht, waaronder Man-in-the-Middle, Replay- of Brute Force-aanvallen, maar ook zogenaamde Trash Can-aanvallen. De laatste soort is een creatieve omschrijving voor een simpele techniek waarbij weggegooide onderdelen van een netwerk weer uit de prullenbak worden gevist en de elektronica voor hacks wordt misbruikt.

bluetooth meshOverige punten op dit gebied zijn de robuustheid van de dataoverdracht en de schaalbaarheid van het netwerk. Bluetooth Mesh biedt volgens de officiële getallen de optie tot 32.000 nodes aan te spreken en dit is behoorlijk wat meer dan de concurrentie biedt. De SIG gaat er niet vanuit dat zulke grote vertakte netwerken in de redelijk nabije toekomst worden gebouwd, maar geeft wel aan dat er al mesh-netwerken zijn die meer dan 1000 nodes hebben.

Sensornetwerken die via Bluetooth Mesh zijn opgezet, kunnen bijvoorbeeld de veiligheid bij productielijnen verbeteren. In het begin ligt de nadruk vooral op industriële en commerciële verlichtingssystemen. Op dit gebied gebeurt er momenteel erg veel, omdat veel productie- en magazijnvoorzieningen overgaan op led-verlichtingssystemen. Verlichting onderling met elkaar verbinden speelt een steeds belangrijkere rol. Kort voordat de specificatie werd bekendgemaakt heeft de SIG nog een topman van Phlips Lightning aan boord gehaald: Ruud van Bokhorst.

Bij connected lightning kan Bluetooth Mesh perfect zijn grootste voordeel laten zien: de zendtechniek is parallel te gebruiken. In de praktijk houdt dit in dat connected bluetooth-lampen geïnstalleerd kunnen worden die ook de bluetooth zendtechniek voor het gebruik van beacons ondersteunen. Dit soort lampen kan in ziekenhuizen regelen dat patiënten en apparatuur gapless te tracken zijn of bezoekers via hun smartphone makkelijk de weg naar de juiste kamer kunnen vinden.

Bluetooth en Smart Home

bluetooth smart homeDe uitspraken van de SIG over eisen vanuit de industrie geven aan dat de groep inmiddels niet meer de nadruk legt op Smart Home. Het betekent echter niet dat Bluetooth Mesh op dat gebied niet groot zou kunnen worden. Een van de sterke punten van Bluetooth Mesh is namelijk de optie om smartphones en tablets direct in het ecosysteem op te nemen. Ze sturen commando’s binnen het netwerk of worden zelf onderdeel van het netwerk. Er wordt al langer overwogen om oudere mobiele apparaten in de toekomst als internet-gateways voor Bluetooth Mesh-netwerken in te zetten.

Om tegen ZigBee, Z-Wave en dergelijke op te kunnen boksen, moet je wel een connected netwerk bieden. Prototypes van BLE Smart Home apparatuur hadden last van connectieproblemen binnen een vrij grote woning.

Bluetooth Mesh kan echter een aantal concurrenten voorbijstreven als de SIG zijn belofte nakomt: apparaten van verschillende fabrikanten werken samen. De groep hostte de afgelopen twee jaar al vijftien events waarbij zo’n 1300 gebruiksscenario’s met producten en tientallen platformen van verschillende fabrikanten werden getest. De SIG heeft de testprocedures ook gespecificeerd om de goede samenwerking te kunnen bewijzen. De beperkte samenwerking tussen producten van verschillende fabrikanten is bijvoorbeeld bij Z-Wave een veel voorkomend probleem.

(Nico Jurran / Alieke van Sommeren, c’t 11/2017)

Meer over

Bluetooth

Deel dit artikel

Lees ook

Online vakantie plannen – tips en trucs

Op internet kun je zelf je vakantie plannen en de beste vlucht, het fijnste hotel en een geschikte huurauto uitzoeken. Je kunt nu al gaan kijken voor ...

U.2-ssd: super-ssd voor servers en workstations

SATA-ssd’s zijn wel snel, maar vaak niet snel genoeg. PCIe-ssd’s zijn sneller, maar bieden dan weer niet genoeg opslagruimte. Er is een alternatief: s...

Interessant voor jou

0 Praat mee

avatar
  Abonneer  
Laat het mij weten wanneer er