高密集可移植源之無線跳點傳輸應用優化研究與實作

前言

藍牙網格(Bluetooth Mesh, BM)是物聯網的一個新通訊協定，利用它可以建立多對多的裝置通訊，適合於分散多處的資料蒐集應用場合。藍牙網格利用BLE 協定堆，讓多對多的裝置可以透過藍牙無線電進行通訊[1]，BM 利用管理型洪流(managed flooding)傳輸機制來達到資料傳播至整個網路端點，即每個節點負責把相同封包僅轉發一次給鄰近的裝置，藉由此方法一個緊接一個複誦，直到訊息蔓延至整個網路的各個角落為止。為了確保封包可以到達目的地，並增加可靠度，藍牙網格標準預設每個點都具備中繼節點轉送功能。然而，由於管理型洪流的傳輸模式，當中繼節點聚集較為集中情況下，密度較高且資料生成速度較快時，管理型洪流傳輸機制可能導致封包碰撞率提高、延遲增加，當所有資料流超過無線通道可容納上限情況時甚至可能癱瘓整個無線網路，導致資料完全無法傳遞出去。

為了因應這些挑戰，已有多種策略被用來最佳化藍牙網格的效能。其中之一，是動態調整資料生成傳送的節奏，根據網路的負載狀況與實體層的狀態，於較高解析度與傳輸成功率之間取得一個平衡。由於BM 於資料蒐集仍屬於新技術應用，因此相關研究至今仍有限。在[2][3]中，針對BM 協定以封包延遲與可靠度進行概述與實驗評估，而在[4]中，則對BM的能量消耗提出模型。在[5]中的研究則強調由於洪流模型所產生的可擴充性問題，並說明廣播風暴對網路效能的影響，這些訊息傳播模式的缺點，可藉由適時選擇中繼節點來緩解。

相關文獻檢視

關於無線感測網路(Wireless Sensor Networks, WSNs)的中繼節點選擇演算法，已在許多論文中被探討過，例如[6][7][8][9]，然而對於BM 網路的中繼節點選擇，則較少著墨。舉例來說，[10]一文提出3種選擇演算法，即貪婪連接(K-Greedy)、K2 Pruning、以及Dominator的評估，該論文著重在容錯機制的討論，例如被選取的中繼節點數、如果移除一個隨機的中繼節點時，未連接的節點數、移除中繼節點前，網路斷開的中繼節點數、以及封包遺失數。基於連結主導集(Connected Dominating Set, CDS)的選擇機制，是決定應擔任中繼節點裝置的可行方法。在WSNs(Wireless Sensor Networks)中，主導集(Dominating Set, DS)是定義為網路節點的子集，其中每個節點要不是在DS中，就是與DS中的節點相鄰。若由DS中的節點所得到的圖是連通的，則這個DS稱為CDS。CDS確保整個網路的涵蓋性(即沒有被切離的區域)。在BM 網路的脈絡下，CDS中的節點被選取為中繼節點。

本研究論文旨在評估多種圖論演算法後，以CDS為基礎的中繼節點選擇演算法作加值開發成為最小生成樹(Minimum Spanning Tree, MST)，並進一步完成優化演算(MST_MIN)，並於實際載具環境導入演算法進行效能驗證。從實驗結果可看出節點數量從5-30之間於提出的演算法取得之效益。以下章節包含系統架構與設計、實驗方法、實驗結果分析與總結。

系統架構與設計

本章詳細闡述了我們所開發的轉遞決策演算法，這是系統的關鍵組成部分，旨在優化藍牙低功耗網格(Bluetooth Low Energy Mesh, BLE Mesh)網路中的封包轉發機制。通過控制某些BLE節點的中繼(以下功能描述與實驗過程稱之為relay)功能開啟或關閉，減少不必要的封包轉發，以避免碰撞和資料丟失。

1. 整體系統架構

為了驗證所開發的轉遞決策演算法，我們建構了一套BLE Mesh自適應無線跳點系統(如下圖1)作為演算法的實驗平台。系統硬體角色分為BLE Server、BLE Client和工業電腦(Industrial PC, IPC)。其中，BLE Server 主要負責終端資料的收集、生成與轉發；BLE Client 則負責接收來自所有BLE Server 的資料，並傳送控制指令給BLE Server；IPC作為資料中心，存放所有BLE Client 接收到的資料，並定期啟動轉遞決策演算法，將決策結果轉換為控制指令，經由BLE Client分發至網路各處。