Die Kommunikation in BLE-Mesh-Netzwerken verbessern

Bluetooth Low Energy (BLE) Mesh wird in der Welt der Internet der Dinge (IoT) Anwendungen immer beliebter. Es ermöglicht vielen Geräten, kabellos miteinander zu kommunizieren, was es ideal für verschiedene Anwendungen macht, wie smarte Häuser, Transport und Gesundheitswesen. Ein grosses Problem bei BLE Mesh ist jedoch, dass es die Daten, die es sendet, nicht priorisiert. Das bedeutet, dass wichtige Nachrichten verzögert oder verloren gehen können zugunsten von weniger wichtigen.

Dieser Artikel erklärt eine neue Möglichkeit, BLE Mesh-Netzwerke zu verbessern, indem ein System hinzugefügt wird, das Nachrichten priorisiert. Dieses Upgrade kann dafür sorgen, dass kritische Informationen, wie medizinische Warnungen oder wichtige Daten von Sensoren, schnell und effizient gesendet werden.

#Der Bedarf an Qualität des Service (Qos)

Im Gesundheitswesen sind viele Geräte verbunden, um die Vitalzeichen der Patienten zu überwachen und bei Bedarf Warnungen zu senden. In einem belebten Krankenhaus ist es entscheidend, dass diese wichtigen Nachrichten ihr Ziel ohne Verzögerung erreichen. Zum Beispiel sollte der Hilferuf einer Krankenschwester immer Vorrang vor einem Signal haben, das von einem Asset-Tracker gesendet wird.

Leider priorisieren die aktuellen BLE Mesh-Netzwerke keine Nachrichten, was in dringenden Situationen zu Problemen führen kann. Deshalb gibt es einen wachsenden Bedarf an einem Qualität des Service (QoS) System innerhalb der BLE Mesh-Netzwerke. Durch die Implementierung von QoS können verschiedene Nachrichtenarten basierend auf ihrer Wichtigkeit priorisiert werden.

#Wie BLE Mesh funktioniert

BLE Mesh-Systeme funktionieren, indem sie mehreren Geräten erlauben, in einem Netzwerk miteinander zu kommunizieren. Sie verwenden eine Methode namens kontrollierte Flutung, was bedeutet, dass Nachrichten an alle nahegelegenen Geräte gesendet werden. Diese Geräte leiten die Nachrichten dann weiter, bis sie ihr endgültiges Ziel erreichen. Es ist ein bisschen wie ein Spiel von Telefon, aber mit vielen Geräten.

BLE Mesh kann viele Geräte unterstützen – bis zu 32.767 – durch eine Reihe von "Hops", die einfach Relais der Nachricht von einem Gerät zum anderen sind. Jedes Gerät im Netzwerk kann unterschiedliche Rollen spielen, wie Nachrichten senden oder beim Weiterleiten helfen.

Trotz der Vorteile sendet BLE Mesh alle Pakete, ohne ihre Wichtigkeit zu berücksichtigen. Hier kommt die Notwendigkeit eines QoS-Systems ins Spiel.

#Vorgeschlagene QoS-Implementierung

Das neue QoS-System, das wir vorschlagen, zielt darauf ab, eine Prioritätsebene zu den BLE Mesh-Nachrichten hinzuzufügen. Anstatt alle Nachrichten gleich zu behandeln, weist das System unterschiedliche Prioritätsstufen zu. Zum Beispiel wird ein Teil der Nachrichtenstruktur verwendet, um anzuzeigen, wie wichtig die Nachricht ist. Das ermöglicht eine effizientere Übertragung basierend auf der Wichtigkeit jeder Nachricht.

Durch nur eine kleine Änderung an der Struktur der Nachrichten kann diese QoS-Methode nahtlos in bestehende BLE Mesh-Netzwerke integriert werden. Es sind keine grossen Änderungen am BLE Mesh-Standard erforderlich, was es den aktuellen Nutzern erleichtert, es zu übernehmen.

#Test der QoS-Implementierung

Um zu testen, wie gut dieses neue QoS-System funktioniert, haben wir ein Netzwerk in einer simulierten Gesundheitsumgebung eingerichtet. Wir verwendeten 15 BLE Mesh-Knoten, die wie Sensoren Daten sammelten. Jeder Knoten konnte drei verschiedene Arten von Prioritätsnachrichten senden. Die erste Art war die höchste Priorität, die kritische Informationen enthielt, während die zweite und dritte Art weniger wichtig waren.

Wir führten zwei Experimentreihen durch, um die Leistung zu bewerten. Das erste Experiment testete die Leistungsfähigkeit des Netzwerks unter geringer Überlastung, das heisst, dass nur eine Traffic-Quelle Nachrichten sendete. Das zweite Experiment betrachtete, wie gut das Netzwerk unter höherer Überlastung funktionierte, wo mehrere Quellen Nachrichten sendeten.

Während der Tests massen wir drei wichtige Faktoren:

1. Paketlieferzeit (PDT): Wie lange es dauerte, bis Nachrichten vom Sender zum Empfänger gelangten.
2. Paketlieferquote (PDR): Der Prozentsatz der Nachrichten, die ihr Ziel erreichten.
3. Anzahl der Hops: Wie oft eine Nachricht weitergeleitet wurde, bevor sie am Ziel ankam.

Die Experimente bestätigten, dass unser QoS-System gut funktionierte. Im Test mit geringer Überlastung stellten wir fest, dass hochpriorisierte Nachrichten eine deutlich kürzere Lieferzeit hatten im Vergleich zu Nachrichten mit niedrigerer Priorität. Tatsächlich wurden 80% der hochpriorisierten Nachrichten in weniger als 20 Millisekunden zugestellt.

#Ergebnisse der Experimente

#Szenario mit geringer Überlastung

In diesem Szenario, mit einem Kommunikationskanal, zeigten sich die Leistungsunterschiede zwischen den Prioritäten deutlich. Die hochpriorisierten Nachrichten benötigten im Durchschnitt etwa 20 ms, um anzukommen, während Nachrichten der zweiten Priorität in etwa 100 ms zugestellt wurden. Nachrichten der dritten Priorität benötigten etwa 300 ms.

Die Ergebnisse zeigten auch, dass alle hochpriorisierten Nachrichten erfolgreich zugestellt wurden, während es bei niedrigpriorisierten Nachrichten einen kleinen Rückgang in der Zustellung gab. In diesem Experiment variierte auch die durchschnittliche Anzahl der benötigten Hops für die Nachrichten je nach Priorität, wobei hochpriorisierte Nachrichten weniger Hops benötigten.

#Szenario mit hoher Überlastung

Unter belebteren Bedingungen zeigten die Ergebnisse einen ähnlichen Trend. Während die durchschnittliche Lieferzeit höher war im Vergleich zur Situation mit geringer Überlastung, blieb der entscheidende Unterschied in der Leistung klar. Hochpriorisierte Nachrichten wurden weiterhin schneller geliefert als Nachrichten mit niedrigerer Priorität.

In diesem Experiment blieb die PDR für hochpriorisierte Nachrichten über beide Kanäle hinweg bei 100%, was bedeutet, dass alle erfolgreich gesendet wurden. Bei niedrigpriorisierten Nachrichten funktionierte das System jedoch ebenfalls gut und stellte sicher, dass die meisten Nachrichten zugestellt wurden, wenn auch mit längeren Lieferzeiten.

#Fazit

Die neue QoS-Implementierung, die wir vorgestellt haben, zeigt vielversprechendes Potenzial zur Verbesserung von BLE Mesh-Netzwerken, insbesondere in Bereichen wie Gesundheitswesen, wo zeitnahe Kommunikation entscheidend sein kann. Durch die Priorisierung von Nachrichten hilft das System, sicherzustellen, dass die wichtigeren Informationen schnell ihr Ziel erreichen.

Die Ergebnisse unserer Experimente zeigen, dass diese Methode nicht nur effektiv ist, sondern sich auch nahtlos in aktuelle BLE Mesh-Systeme integriert. Selbst in überfüllten Netzwerken wurden hochpriorisierte Nachrichten konsequent schneller geliefert als niedrigpriorisierte, was den Wert des Systems bestätigt.

Für die Zukunft können weitere Verbesserungen erkundet werden, wie zum Beispiel den Einsatz von maschinellem Lernen, um zu optimieren, wie Parameter für verschiedene Nachrichtentypen verwaltet werden. Insgesamt legt unsere Studie eine solide Grundlage für zuverlässigere und effizientere Kommunikation in BLE Mesh-Netzwerken.