本應(yīng)用指南詳細(xì)介紹了測(cè)試 Bluetooth 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能的方法。隨著當(dāng)今無(wú)線市場(chǎng)上可用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)數(shù)量不斷增加，設(shè)計(jì)人員必須了解這些網(wǎng)絡(luò)的使用情況及其預(yù)期性能。選擇網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要了解網(wǎng)絡(luò)的性能和行為特征，如電池壽命、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延遲，以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)可擴(kuò)展性和可靠性的影響。

　　Bluetooth網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在性能和行為方面與其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的不同。我們使用能夠運(yùn)行 BluetoothMesh 和專有協(xié)議的 Silicon Labs Bluetooth Mesh 軟件和 Wireless Gecko SoC 平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試環(huán)境是一個(gè)商業(yè)辦公大樓，范圍內(nèi)有 Wi-Fi 和 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。在走廊、會(huì)議室、辦公室和開放區(qū)域部署了無(wú)線測(cè)試集群。定義了執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試的方法，以便其他人可以運(yùn)行相同的測(cè)試。這些結(jié)果主要用于為設(shè)計(jì)實(shí)踐和原則以及預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)性能結(jié)果提供指導(dǎo)。有關(guān)其他技術(shù)的其他性能基準(zhǔn)測(cè)試信息，請(qǐng)參閱http://www.silabs.com/mesh-performance

　　內(nèi)容要點(diǎn)

　　介紹Silicon Labs 研發(fā) (R&D) 辦公室中的無(wú)線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。

　　評(píng)估無(wú)線條件和環(huán)境。

　　說明藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能，包括吞吐量、延遲和大型網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。

　　基礎(chǔ)物理層和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

　　在開發(fā)人員會(huì)議和行業(yè)白皮書中，Silicon Labs 提供了嵌入式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用吞吐量、延遲和安全影響等基本性能數(shù)據(jù)來定義預(yù)期行為。此前已針對(duì) Zigbee 和 Thread 網(wǎng)絡(luò)提出了這種測(cè)試，作為基本的 15.4 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。提出這些是因?yàn)?，即使兩個(gè)系統(tǒng)使用 IEEE802.15.4 定義的相同的底層物理層，性能也會(huì)有所不同。隨著Bluetooth網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，Bluetooth網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與這些15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期性能差異相關(guān)問題也會(huì)很常見。討論測(cè)試和性能差異之前，我們需要回顧這些網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)，以便更好地理解它們的性能差異。

　　網(wǎng)絡(luò)性能取決于有效荷載的大小，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包開銷中不包含應(yīng)用的使用。Bluetooth低功耗使用的是 BT 4.x 規(guī)范，33字節(jié)數(shù)據(jù)包和1Mbps的底層數(shù)據(jù)速率。Bluetooth Mesh 數(shù)據(jù)包大小如下圖所示，產(chǎn)生一個(gè)12或16字節(jié)的有效荷載。對(duì)于 12 字節(jié)以上的有效荷載，有一個(gè)分段和重組的過程。Bluetooth Mesh 有更高的數(shù)據(jù)速率，但數(shù)據(jù)包有效荷載較小；因此，它需要更多的數(shù)據(jù)包才能發(fā)送相同數(shù)量的數(shù)據(jù)。我們的性能數(shù)據(jù)取決于有效荷載大小，因?yàn)檫@是構(gòu)建應(yīng)用時(shí)需要考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)。Bluetooth Mesh 專門設(shè)計(jì)了網(wǎng)狀配置文件（應(yīng)用層）以減少數(shù)據(jù)包有效荷載，盡量將其裝到單個(gè)數(shù)據(jù)包。

　　網(wǎng)絡(luò)路由差異

　　Bluetooth Mesh 使用托管的泛洪技術(shù)中繼消息代替路由。這意味著 Bluetooth Mesh 不是構(gòu)建、維護(hù)和使用定義的路由來發(fā)送消息，而是使用以下兩條簡(jiǎn)單規(guī)則中繼消息：

　　每條消息都有一個(gè)獨(dú)立的序號(hào)。

　　中繼跟蹤最近看到的序列號(hào)，不中繼它們之前看到或轉(zhuǎn)發(fā)過的消息。

　　這些消息還有一個(gè)生存時(shí)間計(jì)數(shù)器 (TTL)，每次消息被中繼時(shí)，計(jì)數(shù)器都會(huì)減一，直到它達(dá)到一個(gè)值，表示它不應(yīng)再被中繼。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)級(jí)未使用確認(rèn)，所以 Bluetooth Mesh 中繼可配置為多次重復(fù)相同的消息，從而因空中接口數(shù)據(jù)包丟失而實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。通常這個(gè)值設(shè)置為3，因此每個(gè)中繼對(duì)同一消息重復(fù)三次。另外，使用了可配置的重復(fù)延遲來優(yōu)化延遲和網(wǎng)絡(luò)性能。重復(fù)之間的最小延遲稱為重傳間隔 =（中繼重傳間隔步長(zhǎng) + 1）* 10ms +0-10ms 隨機(jī)延遲，通常為每跳 15 毫秒。

　　目標(biāo)和方法

　　本應(yīng)用指南定義了一系列用于評(píng)估網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能、可擴(kuò)展性和可靠性的測(cè)試。描述了測(cè)試條件和基礎(chǔ)設(shè)施，以及消息延遲和可靠性。該測(cè)試是通過測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際無(wú)線設(shè)備進(jìn)行的，而不是模擬。此測(cè)試主要為了提供不同網(wǎng)格技術(shù)之間的對(duì)比，以更好地理解和推薦其用途。

　　不同的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)有不同的要求。因此，沒有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠滿足所有的網(wǎng)絡(luò)要求。但是，我們要對(duì)比的三種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是針對(duì)家庭和商業(yè)建筑中用于安防監(jiān)控的低功耗和電池供電網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。通常，分析網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)時(shí)，我們會(huì)考慮可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行哪些改進(jìn)以提高性能。因?yàn)槟壳瓣P(guān)于大型網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能的公開數(shù)據(jù)有限，所以很難就可能的改進(jìn)或變化進(jìn)行行業(yè)討論。例如，在商業(yè)建筑中，人們擔(dān)心：

　　其他網(wǎng)絡(luò)流量，因?yàn)榭赡苡性S多子網(wǎng)互相干擾。

　　正常建筑 Wi-Fi 基礎(chǔ)設(shè)施的 Wi-Fi 干擾，因?yàn)檫@些技術(shù)通常在 2.4 GHz ISM 頻段中運(yùn)行。

　　網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延遲以及大型網(wǎng)絡(luò)多播延遲和可靠性，這是因?yàn)槎嗖コ１挥糜诿芗k公環(huán)境中的照明控制，并且系統(tǒng)用戶預(yù)期照明控制會(huì)有響應(yīng)性。

　　Note: 這里的測(cè)試結(jié)果僅限于在正常運(yùn)行條件下比較系統(tǒng)性能，或者在特定測(cè)試中指出的壓力下進(jìn)行比較。本應(yīng)用指南不提供系統(tǒng)干擾或其他此類影響的解決方案，這可參考其他已公布的結(jié)果。不過，測(cè)試是在我們的 Silicon Labs R&D 設(shè)施進(jìn)行的，其 RF 范圍內(nèi)有超過 100 個(gè) Wi-Fi 接入點(diǎn)。該設(shè)施還有一個(gè) 300 節(jié)點(diǎn)的 Zigbee 照明網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)不屬于本測(cè)試的一部分，而是用于普通照明控制。

　　審查其他基準(zhǔn)

　　沒有用于評(píng)估和報(bào)告大型網(wǎng)絡(luò)可靠性、可擴(kuò)展性或延遲的具體、已定義方法。過去，Silicon Labs 發(fā)表過對(duì)比網(wǎng)絡(luò)性能的此類論文。測(cè)試主要關(guān)注設(shè)備行為以及對(duì)電池壽命、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延遲的影響。大規(guī)模多播測(cè)試還需要從大型分布式網(wǎng)絡(luò)中采集準(zhǔn)確的時(shí)間和可靠性信息。所有測(cè)試均使用能夠運(yùn)行 Zigbee、Thread、Bluetooth Mesh、和專有協(xié)議的 Silicon Labs Wireless Gecko SoC 平臺(tái)執(zhí)行，以避免測(cè)試中設(shè)備本身造成的差異。先前公布的結(jié)果有收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器和片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的差異。這些設(shè)備全部使用片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　測(cè)試網(wǎng)絡(luò)和條件

　　為了最大限度地減少差異，設(shè)備測(cè)試也可以在固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中執(zhí)行，其中 RF 路徑通過分路器和衰減器連接在一起，以確保拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會(huì)隨時(shí)間和測(cè)試而

　　發(fā)生變化。此方法在 7 跳測(cè)試中用以保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。MAC 過濾也可用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

　　大型網(wǎng)絡(luò)測(cè)試最好在露天環(huán)境中進(jìn)行，其中設(shè)備行為取決于現(xiàn)有的和變化的 RF 條件。Silicon Labs R&D 設(shè)施即被用于此露天測(cè)試。

　　Silicon Labs R&D 設(shè)施包含一個(gè)帶電梯井的中央核心，其他服務(wù)在大樓西端并有開放式平面圖，辦公室和會(huì)議室位于東端。整個(gè)設(shè)施占地約 120 英尺乘 200 英尺。下圖顯示了設(shè)施布局。較深的線代表堅(jiān)硬的墻壁，其他所有部分都使用立方體分隔。

　　測(cè)試設(shè)備安裝在設(shè)施周圍的不同位置。這些設(shè)備都有以太網(wǎng)反向信道連接，以允許：

　　固件更新

　　命令行接口

　　腳本處理

　　定時(shí)分析

　　數(shù)據(jù)包采集

　　能量測(cè)量

　　測(cè)試集群分布在整個(gè)設(shè)施中，包括高低位置、開放區(qū)域及封閉的會(huì)議室和辦公室。

　　該測(cè)試網(wǎng)絡(luò)會(huì)定期添加或移除設(shè)備，但在進(jìn)行此測(cè)試時(shí)，它包含以下設(shè)備：

　　EM35xx 設(shè)備

　　EFR32Mighty Gecko 設(shè)備

　　這個(gè)網(wǎng)絡(luò)代表了網(wǎng)絡(luò)和軟件質(zhì)量保證團(tuán)隊(duì)用于露天測(cè)試的設(shè)備。所有設(shè)備均由中央測(cè)試服務(wù)器和基礎(chǔ)設(shè)施控制，可進(jìn)行腳本式的回歸測(cè)試或由工程師手動(dòng)測(cè)試。

　　測(cè)試結(jié)果－吞吐量和延遲

　　在受控網(wǎng)絡(luò)（有線配置）中測(cè)試了吞吐量和延遲，以測(cè)試各種數(shù)據(jù)包有效荷載下的跳頻。正常配置是測(cè)試6個(gè)跳頻。測(cè)試是使用一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和一系列中繼節(jié)點(diǎn)完成的，以便更改跳頻數(shù)量。

　　該測(cè)試是使用以下配置完成的：

　　測(cè)試應(yīng)用已配置為使用三 (3) 個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)重復(fù)。所使用的網(wǎng)絡(luò)級(jí)重復(fù)間隔為 10 ms。

　　測(cè)試應(yīng)用已配置為使用三 (3) 中繼重復(fù)。所使用的中繼重復(fù)間隔為 10 ms。

　　發(fā)送的帶確認(rèn)的應(yīng)用消息

　　對(duì)于延遲測(cè)試，數(shù)據(jù)包有效荷載從 8 字節(jié)到 128 字節(jié)

　　測(cè)試使用安全設(shè)置

　　從 1 到 6 跳

　　測(cè)量往返延遲（源到目的地到源），以毫秒為單位

　　在傳輸層使用Bluetooth Mesh時(shí)，我們只能發(fā)送11個(gè)字節(jié)或更小有效荷載的未分段數(shù)據(jù)包。高于11字節(jié)的結(jié)果使用分段消息。使用較大的數(shù)據(jù)包大小取決于應(yīng)用層，但我們?cè)诖颂峁┍容^數(shù)據(jù)，以說明發(fā)生分段時(shí)的相對(duì)性能。

　　測(cè)試結(jié)果－Bluetooth Mesh多跳延遲

　　以下圖表中顯示的時(shí)間是測(cè)量的往返時(shí)間。請(qǐng)注意，未分段的消息只能用于較小的載荷，而分段的消息已測(cè)試到 128 字節(jié)的有效荷載。這些差異導(dǎo)致圖形的格式不同。

　　測(cè)試結(jié)果－Bluetooth Mesh大型網(wǎng)絡(luò)

　　因?yàn)?Bluetooth Mesh 是泛洪網(wǎng)格，所以網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加后可能會(huì)有延遲和可擴(kuò)展性方面的問題。顯示了各種網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中的多個(gè)數(shù)據(jù)包有效荷載的延遲情況。注意 8 字節(jié)有效荷載可裝到一個(gè)數(shù)據(jù)包中，但所有其他有效荷載都需要多個(gè)數(shù)據(jù)包。

　　這些測(cè)試顯示了一些有趣的內(nèi)容：

　　隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，即使是 8 字節(jié)包的平均延遲也會(huì)增加。對(duì)于 8 字節(jié)數(shù)據(jù)包，即使通過 192 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，延遲通常也很低，但部分要接收的消息的尾部確實(shí)較長(zhǎng)。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，延遲會(huì)增加并且擴(kuò)散。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，我們?cè)黾恿搜舆t等級(jí)，以更好地顯示數(shù)據(jù)。

　　將數(shù)據(jù)包有效荷載從 8 個(gè)增加到 16 個(gè)到 32 個(gè)字節(jié)時(shí)，延遲增加了很多并且擴(kuò)散。

　　為了更好地評(píng)估網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和中繼數(shù)量的影響，使用了一個(gè)240節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，并使所有或者6分之1的設(shè)備作為中繼。這個(gè)測(cè)試是用 8 字節(jié)有效荷載完成的，以便將其保存在單個(gè)數(shù)據(jù)包中。

　　結(jié)論

　　將有效荷載包含在單個(gè)數(shù)據(jù)包中時(shí)，Bluetooth Mesh性能測(cè)試的延遲表現(xiàn)出色。吞吐量結(jié)果顯示，如果有效荷載小于16字節(jié)，延遲可在6跳內(nèi)維持在200毫秒以下。

　　對(duì)于較大的網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加或數(shù)據(jù)包有效荷載的增加，延遲也會(huì)增加。相比有效荷載大小，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)延遲的影響較小，后者可能導(dǎo)致延遲大幅增加。對(duì)于大型網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)中的中繼數(shù)量可以提供更好的結(jié)果。運(yùn)行這些結(jié)果時(shí)這些網(wǎng)絡(luò)的可靠性大于 99％。

　　為了在 Bluetooth Mesh 應(yīng)用中獲得低延遲和高可靠性：

　　應(yīng)用有效荷載應(yīng)適合一個(gè)數(shù)據(jù)包。

　　需要多播消息的應(yīng)用不應(yīng)該使用分段消息。

　　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和跳頻數(shù)量增加后，中繼選擇成為網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。

　　后續(xù)測(cè)試注意事項(xiàng)

　　本應(yīng)用指南中描述的測(cè)試需要進(jìn)行后續(xù)測(cè)試，以進(jìn)一步定義設(shè)備行為和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。為后續(xù)測(cè)試記錄了以下具體項(xiàng)目：

　　這些測(cè)試中可以添加故障測(cè)試以評(píng)估恢復(fù)時(shí)間和對(duì)可靠性的影響，方法是將節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中刪除。

　　測(cè)試應(yīng)使用在片上系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器 (NCP) 模式下運(yùn)行的不同設(shè)備類型執(zhí)行。先前的測(cè)試發(fā)現(xiàn)這些運(yùn)行模式之間的一些差異，因此應(yīng)進(jìn)一步表征。

　　下載閱讀完整的Bluetooth Mesh性能測(cè)試報(bào)告：https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/an1137-bluetooth-mesh-network-performance-cn.pdf