藍牙Mesh強勢登場　網狀網路標準雲風再起

在點對點或星狀網路中，訊號範圍是輸出功率的函數。為了確保裝置可以使用電池運行足夠長的時間或提高能源效率，理想的情況是降低功耗和輸出功率。但是，儘管功耗降低，裝置仍須能夠與其他裝置進行通訊與互動。而網狀網路(Mesh Network)中每台裝置的傳輸距離更短，因此功耗降低。由於通訊是透過網狀網路上的裝置中繼，因此系統的總體通訊距離可以得到改善。 

網狀網路還具有其他通訊益處，例如它們能夠進行動態自癒。舉例來說，如果網狀網路中的一個節點發生故障，通訊能夠重新路由，進而改善可靠性。網狀網路的另一重要益處是裝置能夠直接相互通訊。在很多情況下，例如燈泡對開關進行回應，這可以實現消費者期望的回應性。 

網狀網路應用層面影響 

使用網狀網路，可以使總體系統性能和最終用戶體驗得到顯著改善。借助於建築物和家庭自動化，裝置能夠直接相互通訊。燈泡開關的操作可直接透過本地網狀網路發送至燈泡，無須透過閘道與雲端進行路由通訊。 

這種即時響應能夠改善消費者體驗。此外，對於一些用例，例如HVAC系統在發生火災警報的情況下關閉通風，網狀網路上的本地通訊能夠確保正確的系統運行，無須依賴雲端連線。 

照明系統的部署和管理可得到簡化。網狀網路提供的長距離連線性意味著互聯電燈可部署在距離集線器和星狀網路較遠的地方。集線器或閘道可部署在一地，然後再部署互聯電燈。在部署每一盞燈時，通訊距離擴大，使得一個閘道能夠有效覆蓋更大面積。 

管理用於零售行銷或資產追蹤的信標會變得更加輕鬆，因為無須每個信標都在手機範圍內。此外，還可以在這些區域和裝置類型上結合功能。例如，互聯電燈不僅可實現自動化，還可用作信標。這種方法能夠透過增加位置服務和廣告等功能改善電燈的功能和價值。 

多重無線協定案例 

必須與產品交互操作的已部署系統是必須考慮的重要因素。以住宅為例，大量裝置可能使用ZigBee或Thread構成網狀網路。閘道或集線器與閘道的組合很可能已將這些裝置連接到雲端以實現更多服務。電話也可能與雲端通訊，然後返回裝置。 

為了支援電話與裝置直接通訊，或支援Apple HomeKit等生態系統，需要藍牙(Bluetooth)連線。如果所有裝置都支援該協定，則藍牙可以與另一網狀網路結合使用，或獨自用作網狀網路。在裝置中添加對多種協定的支援也可帶來諸多益處，例如使用手機設定或調試裝置，而無須ZigBee或Thread網路上的顯示。 

借助於多協定軟體和硬體，可以設計出支援多種無線連線性協定的單一產品。這可以是能夠在現場連接到多種協定的同一裝置，也可以是能夠在現場或工廠配置到多種不同無線協定之一的裝置。透過使用支援多種協定的同一系統單晶片(SoC)或針對特定協定的引腳相容SoC，公司用戶可以靈活地調整自己的市場策略。而借助於安全的更新機制，這些裝置能夠在現場進行更新以增加其他功能，或對市場上的任何變化作出反應，例如需要特定網狀網路技術的特定生態系統人氣飆升。 

選擇適當網狀網路技術 

對於大多數現有家庭自動化和照明系統，必須考慮現有生態系統和部署。例如，為了能夠相容Apple HomeKit，即使裝置透過網狀網路連接到其他裝置，裝置也必須支援藍牙連接進行通訊以支援Apple HomeKit。 

許多現有裝置使用ZigBee，對於基於藍牙Mesh等技術的新裝置，必須考慮透過終端裝置或支援多種協定的閘道所實現的互通性策略。同樣，不同服務提供者對特定協定或多協定支援有要求，在選擇合適的連線性解決方案時必須予以考慮。 連線性要求應考慮整個生態系統，從終端裝置到任何閘道或集線器，再到應用層和服務提供者。本身不支援IP的網路技術，例如ZigBee和藍牙Mesh，必須首先在閘道處適應IP。該過程涉及到本地網路位址的映射以及將網路級有效負載重新封裝成IP數數據封包。相反，本身支援IP的本地網路，如Thread，能不受影響地轉發和路由應用程式有效負載。在本地網路中加密的數據封包在端對端傳輸過程中仍能保持安全。 

比較網狀網路標準 

每個網狀網路標準為不同的裝置類型和應用提供了基於標準的支援。ZigBee為家庭自動化、照明和電表提供了成熟的應用層支援，而第一個藍牙Mesh規範主要側重於照明和一些家庭自動化支援。Thread是三種網狀網路技術中唯一一種基於IPv6的網狀網路技術。這提供了一些獨特的益處，例如同一網路或跨網路的端對端路由和可定址性，而無須實施其他轉換層(表1)。 

 

表1 網狀網路標準比較

  大多數連接裝置得益於到雲端的連接，從而實現資料聚合等用例。支援低功耗藍牙(BLE)的藍牙Mesh裝置能夠透過智慧手機或平板電腦提供雲端連線。這當然是一種臨時連接，因為裝置在手機或平板電腦不存在時將無法連接到雲端以發送或接收資訊，因此需要閘道提供始終連接的體驗。ZigBee需要用於雲端連線的閘道，而Thread具有基於IP的連線性，因此不需要全閘道來在網狀網路之間進行橋接。借助於Thread，邊界路由器能夠以更輕量的方式透過IP實現裝置與雲端的直接通訊。 

基於所用定址方案的理論網路規模不能準確反映網路在實際實現中所需的節點數量。實際限制取決於許多因素，包括網路拓撲、數據封包大小和性能要求，如輸送量和延遲。例如，裝置的ZigBee子網的實際限制為100台裝置，然而它可以部署極大的商業系統；又如位於拉斯維加斯的Aria Hotel的商業系統，它擁有超過80,000台聯網ZigBee裝置和多個子網。Thread 1.1協定針對每個網路大約250個節點的性能進行了優化，但是由於Thread基於IP，因此邊界路由器能夠使網路輕鬆得到擴展和分布。 

借助於藍牙Mesh中的受控泛洪式模型，裝置能夠向許多裝置進行廣播而無須管理路由表，這樣就變得非常簡單，有利於網狀節點可移動或頻繁變化的動態用例。但是，對於大型網路，受控型中繼須要在安裝期間進行網路規畫，因為並非每個節點都能配置為中繼裝置，那會導致網路性能下降。ZigBee和Thread等技術具有路由和自動路由表管理功能，從而實現更高效的網路通訊並自動形成網路和節點角色。 

協定的全面能力還取決於相應的應用層。雖然Thread協定不包括應用層，但可以使用任何基於IP的應用層，例如Dotdot或OCF。藍牙Mesh包括一個被稱為網狀網路模型的本地應用層，它是一種全新的應用層，對不同裝置類型的支援比對ZigBee或Thread的支援更有限。藍牙Mesh能夠良好地支援照明模型，還能支援通用控制，例如開/關、感測器、滑動條、電源和電池狀態，但缺少許多家居配件的專用模型，例如門鎖、HVAC或包含為互通性定義的特定功能的窗戶。 

除了支援多種網狀網路通訊協定外，ZigBee等網狀網路通訊協定還能與BLE相結合，從而使用針對ZigBee裝置的智慧手機透過藍牙調試來簡化裝置設定，或提供支援Apple Homekit所需的藍牙連線性(表2)。藍牙Mesh與BLE相結合，提供了將信標融入網狀系統的獨特方式；藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)目前正在構建專用的信標管理模型。 

表2 藍牙Mesh/Thread/ZigBee相應的應用層

  當然可以擴展和構建自訂實現以支援特定的裝置類型，但是在選擇協定和應用層之前，必須意識到這樣做所需的工作量和未來對裝置互通性的影響，這一點至關重要。 

每個網狀網路通訊協定都具有其技術優勢，但須要考慮它們在市場上的成熟度和已建立的部署，一種協定將可能無法滿足所有產品或市場的需求。對於無線協定還必須考慮許多因素，尤其是已部署的系統，它們需要透過終端裝置或支援多種協定的閘道所實現的互通性策略。一般來說，連線性要求應始終考慮整個生態系統，從終端裝置到任何閘道或集線器，再到應用層和服務供應商。 

目前的大量選擇能夠解決當前市場需求，同時也有助於規畫未來。如果在設計過程中使用多協定軟體和硬體，將能設計支援多種無線連線性和協定的單一產品，使最終使用者能夠根據即時業務需求，在現場自由調整和更新裝置連接與設定。