Performance evaluation of Bluetooth Low Energy mesh network

Abstract

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Konnektivität [21] stark gestiegen. Entwicklungen in Bereichen wie Internet of Things (IOT) erfordern die Vernetzung einer Vielzahl unterschiedlicher Geräte. Viele dieser Geräte kommen auch in Bereichen wie Industrie 4.0, Gesundheitswesen oder Heimautomatisierung zum Einsatz. Für diese Bereiche wurde von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) eine Technologie namens Bluetooth Low Energy (BLE) entwickelt. Diese Technologie hat sich aufgrund ihrer Eigenschaften wie geringer Stromverbrauch, Kosteneffizienz und integrierte Sicherheitselemente durchgesetzt. Um die Leistungs-fähigkeit der Bluetooth Technologie zu bestimmen, untersucht die folgende Arbeit ein Bluetooth Low Energy mesh (BLEM) Netwerk anahnd von zwei Experimenten. Dazu werden zunächst die Grundlagen von IOT, BLE und Mesh-Netzwerken ausführlich diskutiert. Um die Leistungsgrenzen von BLE-Knoten zu verstehen, untersucht das erste Experiment die Übertragungsleistung einer einzelnen BLEM-Quelle mit einer einzelnen BLEM-Senke. In diesem Experiment wird die Leistung des Ein-Hop BLEM-Netzwerks durch Messung der packet delivery ratio (PDR) bei verschiedenen Entfernungen zwischen den BLEMKnoten bewertet. Das zweite Experiment zielt darauf ab, ein BLEM-Netzwerk unter verschiedenen Szenarien zu evaluieren. Es untersucht ein Zwei-Hop BLEM-Netzwerk mit einer variablen Anzahl von gesendeten Nachrichten, einer steigenden Anzahl von sendenden Quell-Senke- Paaren und einer steigenden Anzahl von Weiterleitungs-knoten. Alle Messungen werden sowohl für unidirektionale als auch für bidirektionale Kommunikation wiederholt. Die abschließende Diskussion der Ergebnisse zeigt, dass unterschiedliche Faktoren die Netzwerkleistung beeinflussen, je nachdem, ob es sich um unidirektionale oder bidirektionale Kommunikation handelt. Zusätzlich wird eine Aussage über die Eignung von BLEM Netzwerken, für die beschriebenen Anwendungsfällen getroffen.

In recent years, the demand for connectivity has increased significantly [21]. Due to developments in areas such as the IOT paradigm, the interconnection of many heterogeneous devices is crucial. These devices are found in areas like Industry 4.0, healthcare or home automation. For these areas, a wireless technology called BLE has been established by the Bluetooth SIG [19].Due to its characteristics including low power consumption, cost effectiveness, and built-in security elements, it has established itself. To investigate the performance of BLE technology, the following work examines a BLE mesh network using two consecutive experiments. For this purpose, a detailed examination of the basics of IOT and BLE mesh networks is given. To understand the performance limitations of BLE nodes, the first experiment examines the transmission performance of a single BLE mesh source (SRC) with a single BLE mesh sink (SK). In this experiment, the performance of a single-hop BLEM network is evaluated by measuring the PDR at different distances between the BLEM nodes. The second experiment is designed to evaluate a mesh network under different scenarios. It examines a two-hop mesh network with a varying number of sent messages, an increasing number of sending SRC-SK pairs, and a gradually increasing number of relay nodes. All measurements are also repeated for unidirectional and bidirectional communication. Finally, the results are presented and discussed. These results show that different limiting factors affect network performance depending on whether the chosen communication is unidirectional or bidirectional. Additionally, a statement is made regarding the suitability of BLEM in the described use case.