Migliorare la comunicazione nelle reti BLE Mesh

Il Bluetooth Low Energy (BLE) Mesh sta diventando sempre più popolare nel mondo delle applicazioni Internet of Things (IoT). Permette a molti dispositivi di comunicare tra di loro in modalità wireless, rendendolo ideale per vari usi, come case intelligenti, trasporti e sanità. Tuttavia, un grande problema con BLE Mesh è che non dà priorità ai dati che invia. Questo significa che messaggi importanti possono subire ritardi o andare persi a favore di quelli meno importanti.

Questo articolo spiegherà un nuovo modo per migliorare le reti BLE Mesh aggiungendo un sistema che dà priorità ai messaggi. Questo aggiornamento può aiutare a garantire che informazioni critiche, come allerta mediche o dati importanti dai sensori, vengano inviate in modo rapido ed efficiente.

#La Necessità di Qualità del Servizio (Qos)

Nel campo della sanità, molti dispositivi sono connessi per monitorare i segni vitali dei pazienti e inviare avvisi quando necessario. In un ospedale affollato, è fondamentale che questi messaggi importanti arrivino a destinazione senza ritardi. Ad esempio, la richiesta di aiuto di un'infermiera dovrebbe sempre avere la precedenza su un segnale inviato da un tracker di beni.

Purtroppo, le attuali reti BLE Mesh non danno priorità ai messaggi, portando a potenziali problemi in situazioni urgenti. Ecco perché c'è una crescente necessità di un sistema di Qualità del Servizio (QoS) all'interno delle reti BLE Mesh. Implementando il QoS, diversi tipi di messaggi possono essere prioritizzati in base alla loro importanza.

#Come Funziona BLE Mesh

I sistemi BLE Mesh funzionano consentendo a più dispositivi di comunicare tra loro in una rete. Usano un metodo chiamato flooding controllato, il che significa che i messaggi vengono inviati a tutti i dispositivi vicini. Questi dispositivi poi rilanciano i messaggi fino a raggiungere la loro destinazione finale. È un po' come un gioco del Telefono, ma con molti dispositivi coinvolti.

BLE Mesh può supportare molti dispositivi-fino a 32.767-attraverso una serie di "hops," che sono semplicemente passaggi del messaggio da un dispositivo all'altro. Ogni dispositivo nella rete può avere ruoli diversi, come inviare messaggi o aiutare a rilanciarli.

Nonostante i suoi vantaggi, BLE Mesh invia tutti i pacchetti senza considerare la loro importanza. Qui entra in gioco la necessità di un sistema QoS.

#Implementazione QoS Proposta

Il nuovo sistema QoS che proponiamo mira ad aggiungere un livello di priorità ai messaggi BLE Mesh. Invece di trattare tutti i messaggi allo stesso modo, il sistema assegna livelli di priorità diversi. Per esempio, utilizza una parte della struttura del messaggio per indicare quanto sia cruciale il messaggio. Questo consente una trasmissione più efficiente in base all'importanza di ogni messaggio.

Aggiungendo solo una piccola modifica a come sono strutturati i messaggi, questo metodo QoS può integrarsi senza problemi nelle reti BLE Mesh esistenti. Non richiede modifiche significative allo standard BLE Mesh, rendendolo facile da adottare per gli utenti attuali.

#Test dell'Implementazione QoS

Per testare quanto bene funzioni questo nuovo sistema QoS, abbiamo impostato una rete in un ambiente sanitario simulato. Abbiamo utilizzato 15 nodi BLE Mesh, che fungevano da sensori che raccoglievano dati. Ogni nodo poteva inviare tre diversi tipi di messaggi prioritari. Il primo tipo era il più alto in priorità, che includeva informazioni critiche, mentre il secondo e il terzo tipo erano meno importanti.

Abbiamo condotto due serie di esperimenti per valutare le prestazioni. Il primo esperimento ha testato le prestazioni della rete in condizioni di bassa Congestione, cioè solo una fonte di traffico stava inviando messaggi. Il secondo esperimento ha esaminato come si comportava la rete sotto una maggiore congestione, con più fonti che inviavano messaggi.

Durante i test, abbiamo misurato tre fattori chiave:

1. Tempo di Consegna del Pacchetto (PDT): Quanto ci metteva il messaggio a passare dal mittente al destinatario.
2. Tasso di Consegna del Pacchetto (PDR): La percentuale di messaggi che raggiungevano la loro destinazione.
3. Numero di Hops: Quante volte un messaggio è stato rilanciato prima di arrivare a destinazione.

Gli esperimenti hanno confermato che il nostro sistema QoS funzionava bene. Nel test a bassa congestione, abbiamo trovato che i messaggi ad alta priorità avevano un tempo di consegna molto più breve rispetto ai messaggi a bassa priorità. Infatti, l'80% dei messaggi di massima priorità sono stati consegnati in meno di 20 millisecondi.

#Risultati degli Esperimenti

#Scenario a Bassa Congestione

In questo scenario, con un canale di comunicazione, le differenze di prestazioni tra le priorità si sono mostrate chiaramente. I messaggi di massima priorità impiegavano in media circa 20 ms per arrivare, mentre i messaggi di seconda priorità venivano consegnati in circa 100 ms. Nel frattempo, i messaggi di terza priorità impiegavano circa 300 ms.

I risultati hanno anche mostrato che tutti i messaggi ad alta priorità sono stati consegnati con successo, mentre c'era una piccola diminuzione nella consegna per i messaggi a bassa priorità. In questo esperimento, il numero medio di hops necessari per i messaggi variava anche in base alla loro priorità, con i messaggi ad alta priorità che richiedevano meno hops.

#Scenario ad Alta Congestione

In condizioni più affollate, i risultati mostrano una tendenza simile. Anche se il tempo medio di consegna era più alto rispetto alla situazione di bassa congestione, la differenza cruciale nelle prestazioni rimaneva chiara. I messaggi ad alta priorità continuavano ad essere consegnati più velocemente rispetto a quelli a bassa priorità.

In questo esperimento, il PDR è rimasto al 100% per i messaggi ad alta priorità su entrambi i canali, indicando che tutti erano stati inviati con successo. Tuttavia, per i messaggi a bassa priorità, il sistema ha comunque funzionato bene, assicurando che la maggior parte dei messaggi fosse consegnata, anche se con tempi di consegna più lunghi.

#Conclusione

La nuova implementazione QoS che abbiamo introdotto mostra notevoli promesse per migliorare le reti BLE Mesh, in particolare in settori come la sanità, dove una comunicazione tempestiva può essere critica. Dando priorità ai messaggi, il sistema aiuta a garantire che le informazioni più importanti raggiungano rapidamente la loro destinazione.

I risultati dei nostri esperimenti dimostrano che non solo questo metodo è efficace, ma si integra anche senza problemi con i sistemi BLE Mesh attuali. Anche in reti affollate, i messaggi ad alta priorità sono stati costantemente consegnati più velocemente rispetto a quelli a bassa priorità, confermando il valore del sistema.

Guardando al futuro, possono essere esplorati ulteriori miglioramenti, come l'uso dell'apprendimento automatico per ottimizzare come vengono gestiti i parametri per i diversi tipi di messaggi. In generale, il nostro studio getta una solida base per una comunicazione più affidabile ed efficiente nelle reti BLE Mesh.