Automatic dynamic tuning of Bluetooth mesh networks for optimal performance

Abstract

Denne rapporten introduserer de grunnleggende konseptene for Bluetooth mesh nettverksteknologien og diskuterer dens målte ytelse når det gjelder latens og pålitelighet gjennom publiserte artikler og, gjennom uavhengig forskning, foreslår en ny algoritme for dynamisk og automatisk å regulere noen av de protokollspesifikke parametrene som er tilgjengelige for innstilling for Bluetooth mesh i sanntid. latens- og pålitelighetstesting har blitt utført på et fullskala Bluetooth mesh-nettverk lokalisert ved Nordic Semiconductors kontorlokaler i Trondheim, Norge. Målet var å teste Bluetooth mesh nettverksytelse og sammenligne resultatene ved bruk av den foreslåtte algoritmen med tidligere funnet optimale statiske parameterverdier for samme nettverk. Algoritmen regulerer de protokollspesifikke parameterne, Network Transmit Count og Relay Re-transmit Count, så vel som den ikke-protokollspesifikke parameterenhetens radiosendeeffekt (eng. transmit power). Resultatene viser at energiforbruket til enhetene som brukes i testoppsettet kan reduseres med 93% ved å bruke den foreslåtte algoritmen sammenlignet med å bruke standard innstillingene for radiosendeeffekt for nRF52840-brikken til Nordic Semiconductor. Nettverkspåliteligheten, som nådde 99,73%, var noe lavere sammenlignet med resultatene ved å bruke de optimalt innstilte statiske parameterne foreslått i rapporten Optimalisert innstilling av Bluetooth-mesh-parametere for trådløse lysstyringsnettverk som ga perfekt pålitelighet med 100% meldingssuksess. Latensresultatene ved bruk av algoritmen viste seg å være nær det dobbelte av de registrerte verdiene til dens statiske konkurrent. Dette indikerer at algoritmen, selv om den fungerer bra med tanke på strømforbruk og pålitelighet, gir et høyere antall meldingstap ved første sendingsforsøk. Denne effekten skyldes mest sannsynlig enhetens reduserte radiosendeeffekt. Algoritmen oppnår en trade-off mellom nettverkstrafikk, strømforbruk, pålitelighet og latens. Derfor vil tuning av algoritmeparametrene kunne forbedres for å balansere ytelsen bedre eller justeres for å tilpasse spesifikke applikasjonsprioriteter. I andre applikasjoner der noe ventetid er akseptert, men pålitelighet og batterilevetid er viktigere, slik som for eksempel i datainnsamlings- eller sensornettverk, kan algoritmen være et nyttig støtteverktøy.

This report introduces the basic concepts of the Bluetooth mesh network technology and discusses its measured performance in terms of latency and reliability through published papers and, through independent research, proposes a novel algorithm to dynamically and automatically regulate some of the protocol-specific parameters available for tuning in Bluetooth mesh in real-time. Latency and reliability tests have been conducted on a large-scale Bluetooth mesh network located at Nordic Semiconductor office space in Trondheim, Norway. The goal was to test the Bluetooth mesh network performance and compare the results when using the proposed algorithm with previously found optimal static parameter values for the same network. The algorithm regulates the protocol-specific parameters, Network Transmit Count and Relay Re-transmit Count, as well as the non-protocol-specific parameter device radio transmit power. The results reveal that the energy consumption of the devices used in the test-bed was reduced by 93% using the proposed algorithm compared with using the default transmit power settings for the Nordic Semiconductor nRF52840 chip. The network reliability, reaching only 99,73%, was slightly lower compared with the results using the optimally tuned static parameters suggested in the report Optimized tuning of Bluetooth mesh parameters for wireless lighting control networks which gave perfect reliability at 100%. Network latency results using the algorithm came out to be almost twice the recorded values of its static competitor. This indicates that the algorithm, although performing well considering power usage and reliability, gives a higher first-transmit message loss count. This effect is most likely caused due to the restricted device radio transmit power. The algorithm achieves a trade-off between network traffic, power usage, reliability, and latency. Hence, tuning of the algorithm parameters could be improved to balance the performance better or be adjusted to fit specific application priorities. As is, the algorithm may be a helpful support tool for applications where some latency is accepted but reliability and battery life are more important, such as in data gathering- or sensor networks.