BLMesh：用于公共安全通信的实用Mesh网络开发框架外文翻译资料

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BLMesh：用于公共安全通信的实用Mesh网络开发框架

摘要

由于当今先进的存储和通信能力，智能设备已成为个人与周围环境的基本接口。特别是，大型设备直接连接到邻近区域的另一个设备，从而实现了丰富的邻近服务(散文)，这可以分为两类：公共安全通信和社会发现。然而，两个挑战阻碍了散文应用的快速开发和部署。从网络的角度来看，没有多跳连接功能组件可以直接在商业上现成的设备上操作，而从编程的角度来看，对于对底层通信技术和连接了解最少的开发人员来说，缺乏一个易于重用的开发框架。考虑到这两个问题，本文做出了两方面的贡献。首先，实现了一种基于蓝牙低能量(BLE)的多跳Mesh网络，设计了一种具有链路质量(即接收信号强度指示)辅助的主动路由机制。其次，设计并实现了一个名为BLE Mesh的散文开发框架，它可以为应用程序开发人员、框架维护专业人员和最终用户提供显著的好处。Richapply编程接口可以帮助开发人员轻松、快速地构建散文应用程序。Dependency倒置原理和模板方法模式允许BLE网格中的模块松散耦合，易于建模和更新。回调机制使模块能够顺利地协同工作，并且使用诸如注册、节点发现和消息传递等自动化流程为终端用户提供几乎零配置。最后，基于设计的散文开发工具包，构建了一个名为QuoteSendAppis的公共安全通信应用程序，用于在没有互联网接入的近距离区域分发紧急信息。这个过程说明了BLE网格开发散文应用程序的易用性。

关键词：公共安全通信；设备对设备；蓝牙低能；网状网络；开发框架

1. 介绍

最近，邻近服务已经成为一个很有前途的移动行业，它的目标是发现在设备上运行的应用程序的有价值的实例-彼此之间的接近，并最终交换与应用程序相关的内容。人们在ProSec中的互动本质上是以位置为中心的，并与他们当前的物理邻居联系在一起。散文纯粹的局部、短暂和分散的特点可以促进分享用户之间在实时和特定地点的体验。散文为用户提供了额外的空间和时间语义，即这里和现在的感觉，可以很容易地构建非常接近的应用程序。用来为散文服务的现有技术可以大致分为多个部分。-顶层(OTT)和设备对设备(D2D)解决方案[1].在OTT模型中，服务器(通常位于云中)从用户移动设备(通常使用GPS)接收定期的位置更新，然后服务器根据位置更新和兴趣确定邻近性。由于GPS的功耗和蜂窝连接的周期性建立，不断更新的位置不仅会对电池造成严重的影响，而且还会引起严重的隐私问题。此外，许多情况的特点是缺乏足够的移动通信接入，因为异常普通的事件会使移动通信基础设施瘫痪或瘫痪。在这些情况下，D2D通信是实现近距离通信的唯一途径。

与OTT不同，D2D方案在识别关联匹配时放弃集中处理，而是通过发送和监视相关属性来自主地确定设备级别的相关性。根据使用D2D通信的频谱频带，D2D可分为许可的D2D(利用蜂窝频谱进行D2D和蜂窝链路，例如LTEDirect)和未经许可的D2D通信(利用工业、科学和医学波段，或所谓的ISM波段)[2]。考虑到大量商业上可用的移动设备和D2D应用程序被部署在一个未经许可的频谱中，部分原因是为了从许可的频谱所有者那里获得使用许可的繁琐过程，本研究的重点是无牌频谱中的开发框架的设计和实现，这种框架可以部署到广泛的商业移动设备上，无牌频谱中支持D2D的典型通信技术包括蓝牙(包括蓝牙经典和蓝牙低能或BLE)和Wi-Fi Direct。

一般情况下，大多数近距离服务应用可分为两类：公共安全通信和社会发现。特别是，公共安全通信意味着D2D连接可以在所有bss瘫痪的受灾地区不受阻碍地运行。事实上，LTE-高级标准的3 GPP(第三代合作伙伴关系)第12版指定了基于邻近的服务(散文)的一般概念。允许物理关闭设备发现它们自己，并通过直接链接进行通信[3]。散文是为了公众安全、沟通和商业应用而写的-尽管第12版只强调公共安全。公共安全通信涵盖各种情况，包括：

(A)战争或恐怖袭击，其中基础设施可能是蓄意攻击的目标；

(B)可能扰乱后勤供应链、移动通信基础设施的天气，如能源供应，或影响基础设施本身，或两者兼而有之；

(C)可能通过各种手段破坏、淹没或隔离移动通信资产的地震、洪水、丛林火灾或火灾风暴，包括切断连接资产与网络其他部分的回拖能力，从而减少移动信号的有效范围，例如，由于火灾-风暴产生的热量和烟雾；

(D)因需求激增而导致基础设施无法提供服务的民事或其他紧急情况。

1.1研究动机

1. 随着邻近服务的日益普及，提出了几种邻近解决方案或应用程序。然而，市场上缺乏切实可行的邻近解决方案是一个令人关切的问题。阿姆 在其他问题上，两个挑战阻碍了散文服务的快速开发和部署：从网络的角度来看，没有多跳网格连接功能组件可以直接实现。 在商业上现成的设备上操作(即，没有定制/生根这些设备)，从编程的角度来看，缺乏易于使用和可重用的开发框架。 这使得应用程序开发人员能够利用邻近服务的潜在优势，同时对底层通信技术和连接性知之甚少。传统上，D2D网工作主要包括本地通信、机会通信和单跳通信，而扩展散文应用的覆盖范围通常需要多跳消息转发方案。典型 ，有两类多跳支援计划：

（1）存储转发多跳方案(或异步方案)，其中，单跳直接网络技术被内在地利用.即用户在单跳接触区交换和存储数据，通过用户移动性可以传播数据，这些方案基于单跳直接网络(而不是网状网络)。

（2）无线Mesh方案(或同步方案)，其中每个移动终端同时连接到多个其他终端，并以同步方式中继数据以扩大通信范围。

虽然利用用户移动性并利用存储转发模式，基于单跳网络的ProSe应用程序可以在更大的本地地区传播内容，但是静态场景(例如公共交通系统、校园、酒吧、音乐会等)也是散文应用的普及。因此，基于D2D的网络组网也是必要的。然而，在实践中，创建基于d2D的网格网络是一项挑战-因为典型的移动设备没有实现在特殊情况下操作所需的配置、路由和名称解析功能。现代移动操作系统上的软件，如android和ios，甚至阻止移动设备在没有绕过厂商障碍的情况下积极参与adhoc网络。当然，rooting可以访问高级功能，但是我们没有考虑到这种可能性，因为根进程需要超出普通用户所拥有的技能，并且该过程使得保证Nulland无效。因此，我们只对应用层功能采取行动，即不能在传输层或网络层执行任何更改。

除了多跳网络问题之外，从编程的角度来看，开发人员要创建散文应用程序，首先必须决定如何处理不同层次的散文需求，包括通信技术、对等发现、连接维护、路由策略、ProFi迁移和各种特定的应用需求。如果开发人员决定从头到尾实现应用程序，这个过程可能非常复杂。一个合适的散文开发框架可以帮助应用程序设计者解决这些需求，并通过在中间框架中实现所需的功能来突出满足特定应用的需求，这些功能可以被散文开发人员高效、稳定地重用。

1.2主要贡献

我们的研究有两方面的贡献.首先，提出了一种基于BLE的多跳网格网络.具体来说，除了传统的跳数路由标准，d2d链路质量代表。 由于RSSI被合并到路由选择中而引起了不满。然后，设计并实现了一个散文开发框架ble网，为各种散文提供了显著的效益。 接收者，如应用程序开发人员、框架维护人员和最终用户。

大多数API帮助开发人员轻松、快速地构建散文应用程序。依赖反转原理和模板方法模式使模块松散耦合，易于维护和更新BLE网格。 框架。回调机制使模块能够有效地协同工作，并利用注册、节点发现和消息传递等自动化流程向最终用户提供几乎为零的conf。 申请书的填写。最后，基于设计的散文开发工具包，构建了一个名为QuoteSendApp的公共安全通信应用程序(用于在邻近地区分发应急信息)。 它说明了BLE Mesh开发散文应用程序的易用性。

本文其余部分的结构如下。在第二节中，我们简要讨论了几个典型的开发散文框架，现有的散文网格网络方案，以及它们的弱点。塞蒂 在第三章中，描述了所设计的基于ble的散文开发框架ble网，包括基本组件和它们的实现，以及所提出的链路质量辅助路由路径选择。 文中还给出了有关方法。第4节提供了建立在BLE网格框架上的公共安全通信服务，称为QuoteSendApp，它演示了BLE网格用于开发pr的易用性。 OSE应用程序。最后，对本文进行了总结。

1. 相关工作

2.1现有的多跳网状组网方案

如上一节所述，通过利用用户的移动性和存储转发模式，基于SingleHop网络的散文服务可以在大型本地ar中传播内容。 EA。然而，静态场景在散文应用程序中也很流行。此外，大多数痕迹都强调节点在很长一段时间内由于移动事件而处于静止状态。特瑞夫 矿石，网状网络计划也是必要的。

WiFi是无牌频段的主要用户之一，它实际上是所有商业移动设备不可或缺的组成部分。基于WiFi的直接连接解决方案包括WiFi广告。 -特设和WiFi Direct。但是，如果不对设备和操作系统进行生根/定制，就不能直接使用它们来构建网格网络。

具体来说，adhoc模式是wifi的两种标准模式之一，但几乎没有商业移动终端和移动操作系统支持这种模式，部分原因是由于缺乏安全性和功能缺陷。 Y将与基础设施模式并行使用，以及其他问题。基于WiFi的虚拟化技术，参考文献。[5]提出了一种wifi基础设施模式adhoc网络的方法，其中移动设备同时作为app和一个站点与其他暴徒连接在一起。 扮演这两种角色的ile设备，从而在WiFi基础设施模式下建立多跳通信网络。

WiFi Direct基于成功的ieee 802.11基础架构模式，使设备能够协商谁将接管类似AP的功能(即p2p组所有者(P2p2go)和p)的角色。 2P客户。虽然Wi-Fi Direct规范指出，这两个逻辑角色可以通过多个物理/虚拟接口(例如，由我们)同时由同一设备执行。 使用不同的频率(如果设备有多个物理无线电)或通过虚拟化来分时信道，这可以方便建立网状网络结构，它不能实际使用。 到目前为止支持同步连接。详细地说，在选择GO之后，每个对等方的角色在整个组会话期间保持不变。只有当Go离开组时，才执行 节点变得断开，必须创建一个新的组；在实践中，还不支持已形成的P2P组中的客户端之间的直接通信(不通过P2P Go进行中继)。

虽然可用的WiFi Direct不能同时设想两个虚拟接口，参考文献。[6，7]基于以下思想，在android移动设备上设计了一种多跳通信技术 WiFi设备可以实现两个网络接口：传统标准WiFi接口和用于WiFi直接连接的P2P Go接口。因此，集成这两个接口可以创建一个 多组物理拓扑(即桥接节点)，允许移动设备上的这两个接口，并允许Go(在WiFi直接模式下)成为另一个组中的遗留客户端。事实上，每一组 提供一套不同的WiFi基本服务。

代替连续的多跳网络，一种由Ref引入的方法。[8]使用Wi-Fi DirectTechnolog实现开源、无根android设备之间的间歇多跳通信。 y。具体而言，这种方法使所有设备在没有发生数据传输时成为Go。这样，所有的设备都可以被发现和连接。如果设备试图启动数据传输 它必须首先删除其Go状态，并作为WiFi P2P客户端连接到目标设备。一旦连接完成，设备就可以发送数据；在目标设备h之后 当接收到数据时，它将断开与组的连接，并移除客户端状态。然后，该设备再次成为组所有者，并为下一个传输周期做准备。

为了支持商业智能手机上的同时和多跳连接，将蓝牙和WiFi Direct技术相结合，提出了一种称为bwmesh的多跳连接框架。 其中，具有这两个无线接口的设备可以充当网状网的桥梁[9]。

所有这些基于虚拟化和/或多个物理接口的工作都是复杂和不稳定的。此外，移动设备中所有基于wifi的d2D技术都受到省电功能的限制。 图斯。基本上，发布服务的设备必须保持广播有关服务的信息，即使附近没有客户端，而搜索服务的设备必须保留列表。 虽然周围没有人提供必要的服务。在最坏的情况下，电池耗尽将永远不会得到回报，从而使技术不满意的最终用户。

最近，BLE获得了显著的发展势头。然而，BLE最初的设计集中在星型拓扑网络上，这限制了网络的覆盖范围，排除了端到端的路径分集。SCA tternet[10]，其中蓝牙主设备也是不同网络中的从设备，是标准化的，但是单个设备在扫描和建立连接时仍然遇到困难。 就一次。蓝牙4.1和更高版本已经被修改，以便能够连接到多个中心，以标准化BLE网格网络[11]。也就是说，BLE设备可以同时充当中央(即主I)的角色。 n传统BLE)在Piconet和外围(即在传统BLE中的从属)在另一个Piconet，这自然使网状网络，即散射网拓扑[12]。

BLEMesh网络(BMN)是在蓝牙4.1上设计的一种基于有向无环图(DAG)的路由解决方案，其运行分为三个阶段：构建、维护和优化[13] ]。构建阶段的目标是在相邻设备之间建立链路层连接，确定节点的父级，并创建路由表。维修阶段的目的是改善 BMN参数设置和将数据包转发到其预定目的地。优化阶段的目的是实现节点权重平衡，从而使网络中的所有节点都与DAF有几乎相等的距离。

文献[14]提出了一种基于蓝牙4.1的散射网和按需路由形成算法，该算法由两个阶段组成：散射网形成阶段和路由发现阶段。在散射网中 在信息阶段，主人创建了他们连接的列表，反之亦然。节点执行这两个角色，详细说明从列表和主列表。为了允许在新节点及其邻居之间建立连接，节点交替扫描和广告状态。节点作为 在连接建立时，根据其作为扫描器或广告客户的角色，合并主从角色。在路由发现中，源节点首先向其主节点发送路由请求。如果 目标目的地不在主程序的从属列表中，后者通过将路由请求转发给参与另一个pic

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