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2021-04-06
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低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）是全球最具节能性的短距离无线通信技术之一。其低功耗的特性广受开发者和消费者赞誉。随着蓝牙mesh网络的推出，开发者可能想知道蓝牙mesh网络是否也被设计为低功耗，是否继承了低功耗蓝牙的这一优点？
答案当然是YES！
蓝牙mesh网络采取了多种优化功耗的措施，特别包括一项称为“friendship” (友谊) 的特性。
概述
蓝牙mesh网络中“friendship”（友谊）特性的应用可能非常多样化。一些如照明功能的产品会与主电源（国家电网）相连接，那么相较于照明本身的功耗，蓝牙mesh模块的功耗就可忽略不计。但其他产品，如智能传感器或智能锁，就会在供电方式上功耗受限，这意味着它们需要通过小型电池或能量采集技术来供电。这些产品最有可能利用到蓝牙mesh网络的友谊概念。
如果您阅读过我们蓝牙mesh网络系列之前的文章，那么您就知道节点（Node）是已经启动配置（Provision）并成为mesh网络中一员的设备。节点具有与其产品类型相关的功能，但也可具有与网络本身操作相关的功能并在其中扮演特定角色。而这取决于其所支持的mesh网络特性。所有节点都能够在网络中发送并接收mesh消息，此外还可以选择性地支持一个或多个其他网络特性，如下所列：
中继（Relay）特性：通过广播承载层接收并重新发送mesh消息、以构建更大规模网络的能力。
代理（Proxy）特性：在GATT和广播承载层之间接收并重新发送mesh消息的能力。
低功耗（Low-Power）特性：能够以明显较低的接收端占空比在mesh网络中运行。通过将无线电接收器启用时间最小化可实现节点功耗的降低，只有在绝对必要时才启动接收器。低功耗节点（LPN）通过与好友（friend）节点建立友谊（friendship）关系来实现这一点。
好友（Friend）特性：通过存储发往LPN的消息，仅在LPN明确发出请求时才进行转发来帮助LPN运行的能力。
要了解“友谊”是如何帮助LPN降低功耗的，我们可以先从传感器开始：传感器是一个很好的例子，它可以利用“友谊”，并被用作LPN。它们通常将绝大部分时间用于传输数据，且很少需要接收数据。传感器可能只有在温度超出一系列预设的限制时才会发送温度读数，而这种情况每天可能只会发生两次。正是这种不频繁的数据传输才使得此类设备的能耗使用维持在较低水平。
但如果需要根据季节将这些温度限制修改为不同的值，同时需要通过向传感器发送配置消息来实现这些限制的修改呢？传感器若想直接接收此类消息，就需要开启无线电进行收听。大多数时间它什么也接收不到，却在消耗能量。
因此，与好友节点的合作能够使低功耗节点（LPN）规划对无线电的使用，以适当或更低的频率接收消息而无需一直保持收听。低功耗节点会对好友节点进行轮询（Poll），查看是否有新消息（好友节点只会间或地对新消息进行存储）。功耗就是通过上述步骤得到节省的。
好友（Friend）和低功耗节点（LPN）
低功耗节点（LPN）必须与支持“好友”特性的另一节点建立“友谊”（friend）关系，以减少其接收器占空比（Duty Cycle）并节约能耗。图1来自蓝牙mesh配置文件规格，主要描绘了低功耗节点和好友节点之间的关系，具体如下：
浅蓝色：低功耗节点
深灰色：与特定低功耗节点相关联的好友节点
浅灰色：没有与低功耗节点建立关系的好友节点
图 1 - mesh网络的拓扑结构示例
好友节点P与低功耗节点 I、J和K为“友谊”关系。好友节点O与低功耗节点 L和M为“friendship”关系。因此，寻址到节点I、J或 K的消息将被好友节点P存储并转发。寻址至节点L或M的消息将被好友节点 O存储和转发。好友节点的转发仅在低功耗节点轮询好友节点以获得等待传送的消息时才会发生。
友谊（Friendship）参数
低功耗节点需要找到好友节点，与其建立“友谊”关系。所涉及的流程称为“友谊建立”。我们稍后会探讨此流程。在此之前，先介绍一些有关对LPN行为进行管理的关键参数，这些参数被设定于友谊建立过程中。
1. ReceiveDelay是从LPN向好友节点发送请求，到其开始收听响应中间经过的时间。这让好友节点有时间做好响应的准备，并将响应发回。
2. ReceiveWindow 是LPN用于收听响应的时间。图2描述了涉及ReceiveDelay和ReceiveWindow的时序。
图2 - ReceiveDelay和ReceiveWindow时序
3. PollTimeout设定了LPN发送给其好友节点的两个连续请求之间可能经过的最长时间。如果在PollTimeout计时器到时之前，好友节点未能收到LPN的请求，则友谊关系将被终止。
图 3 – PollTimeout时序
“友谊”建立
如果两个人想建立友谊，可能对视一眼就已足够！
但对于蓝牙mesh网络中“友谊”的建立，还需要经过更多的步骤。
1、LPN发布一个“好友请求”（Friend Request）消息。该消息不会被中继，因此只有处于直接无线电范围内的好友节点才能处理该消息。不具有“好友”特性的节点会将消息丢弃。“好友请求” 消息包括LPN的ReceiveDelay、ReceiveWindow和PollTimeout参数。
2、附近的好友节点若支持“好友请求”消息中特定的要求，将准备一个“Friend Offer”消息，并将其发送回LPN。该消息包括各种参数，包括支持的ReceiveWindow大小、可用的消息队列大小、可用的订阅列表（Subscription List）大小、以及由好友节点测量的RSSI值。
3、LPN接收到“Friend Offer”消息时，通过应用一种实施专用的算法来选择合适的好友节点。该算法可能会考虑到各种各样的情况。某些设备可能会优先考虑ReceiveWindow大小，以尽可能减少功耗；而有些设备则可能会更加关注RSSI值，以确保能够与好友节点保持高质量的链路。所采用的精确算法由产品开发者决定。
4、选择好友节点之后，LPN将向好友节点发送一个“Friend Poll”轮询消息。
5、从LPN收到“好友轮询”（Friend Poll）消息后，好友节点会回复一个“Friend Update”更新消息，完成“好友” 建立流程并提供安全参数。此时“友谊”得以建立。
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