本應(yīng)用指南詳細介紹了測試 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能的方法,。隨著當今無線市場上可用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)數(shù)量不斷增加,，設(shè)計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，設(shè)計人員需要了解網(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)模對可擴展性和可靠性的影響,。

　　本應(yīng)用指南介紹了 Zigbee 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,。使用能夠運行 Zigbee Mesh 和專有協(xié)議的 Silicon Labs Zigbee Mesh 軟件堆棧和Silicon Labs Wireless Gecko SoC 平臺進行了測試。測試環(huán)境是一個商業(yè)辦公大樓,，范圍內(nèi)有 Wi-Fi 和 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。在走廊,、會議室,、辦公室和開放區(qū)域部署了無線測試集群。定義了執(zhí)行基準測試的方法,，以便其他人可以運行相同的測試,。這些結(jié)果主要用于為設(shè)計實踐和原則以及預(yù)期的現(xiàn)場性能結(jié)果提供指導。

　　內(nèi)容要點

　　說明了 Silicon Labs 研發(fā) (R&D) 中的無線測試網(wǎng)絡(luò)。

　　評估了無線條件和環(huán)境,。

　　介紹了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能,，包括吞吐量、延遲和大型網(wǎng)絡(luò)可擴展性,。

　　閱讀完整的Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能測試報告：https://www.silabs.com/documents/login/application-notes/an1138-zigbee-mesh-network-performance-cn.pdf

　　有關(guān)其他技術(shù)的性能基準測試信息,，請參閱http://www.silabs.com/mesh-performance

　　介紹和背景

　　在開發(fā)人員會議和行業(yè)白皮書中，Silicon Labs 提供了嵌入式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的性能測試結(jié)果,。系統(tǒng)設(shè)計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。測試是通過我們的各種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成的 – Zigbee,、Thread 和 Bluetooth,，每種都單獨做了介紹。本應(yīng)用指南介紹了Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的性能,。

　　基礎(chǔ)物理層和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)性能取決于有效荷載的大小,，這是因為數(shù)據(jù)包開銷中不包含應(yīng)用的使用。

　　Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 2006,，127 字節(jié)數(shù)據(jù)包和250 kbps 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)速率,。Zigbee 數(shù)據(jù)包格式顯示如下，結(jié)果為 68 字節(jié)有效荷載,。對于 68 字節(jié)以上的有效荷載,，Zigbee 會分成多個數(shù)據(jù)包。我們的性能數(shù)據(jù)取決于有效荷載大小,，因為這是構(gòu)建應(yīng)用時需要考慮的設(shè)計參數(shù),。

　　Zigbee數(shù)據(jù)包格式

　　網(wǎng)絡(luò)路由差異

　　Zigbee 專為家庭和建筑自動化設(shè)計。Zigbee 支持多種路由技術(shù),，包括用于路由發(fā)現(xiàn)或組消息的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)泛洪,、用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中受控消息的下一跳路由、以及到網(wǎng)關(guān)后再使用源路由發(fā)送到設(shè)備的多對一路由,。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)通常會同時使用這些方法,。

　　網(wǎng)絡(luò)將較大的消息分成較小的消息。對于 Zigbee,，分段是在應(yīng)用層完成的,，并且從源到目標是端到端。

　　對于這些網(wǎng)絡(luò)中的單播轉(zhuǎn)發(fā),，只要設(shè)備準備好發(fā)送,，就會轉(zhuǎn)發(fā)該消息。對于多播轉(zhuǎn)發(fā),，通常有關(guān)于如何轉(zhuǎn)發(fā)消息的網(wǎng)絡(luò)要求,。對于 Zigbee 設(shè)備,，只有在抖動達到 64 毫秒后才能通過設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)多播消息。但是,，在重發(fā)初始消息之前,，發(fā)起設(shè)備有 500 毫秒的時間差。

　　Note: 此性能數(shù)據(jù)適用于 Silicon Labs 實現(xiàn)這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)堆棧,。正如為此測試提供的測試網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施所顯示的那樣,，未使用其他堆棧或系統(tǒng)執(zhí)行測試,。

　　目標和方法

　　本應(yīng)用指南定義了一系列用于評估網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)性能,、可擴展性和可靠性的測試。描述了測試條件和基礎(chǔ)設(shè)施,，以及消息延遲和可靠性,。該測試是通過測試網(wǎng)絡(luò)中的實際無線設(shè)備進行的，而不是模擬,。

　　此測試主要為了提供不同網(wǎng)格技術(shù)之間的對比,，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)計對設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)有不同的要求,。因此,，沒有一個網(wǎng)絡(luò)能夠滿足所有的網(wǎng)絡(luò)要求。但是,，我們要對比的三種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是針對家庭和商業(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,，我們會考慮可以對網(wǎng)絡(luò)進行哪些改進以提高性能,。因為目前關(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或變化進行行業(yè)討論,。例如,，在商業(yè)建筑中，人們擔心：

　　其他網(wǎng)絡(luò)流量,，因為可能有許多子網(wǎng)互相干擾,。

　　正常建筑 Wi-Fi 基礎(chǔ)設(shè)施的 Wi-Fi 干擾，因為這些技術(shù)通常在 2.4 GHz ISM 頻段中運行,。

　　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,，這是因為多播常被用于密集辦公環(huán)境中的照明控制，并且系統(tǒng)用戶預(yù)期照明控制會有響應(yīng)性,。

　　Note: 這里的測試結(jié)果僅限于在正常運行條件下比較系統(tǒng)性能,，或者在特定測試中指出的壓力下進行比較。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，測試是在我們的SiliconLabs R&D 設(shè)施進行的,，其RF范圍內(nèi)有超過100個Wi-Fi接入點,。該設(shè)施還有一個 300 節(jié)點的Zigbee照明網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)不屬于本測試的一部分,，而是用于普通照明控制,。

　　其他性能測試回顧

　　沒有用于評估和報告大型網(wǎng)絡(luò)可靠性、可擴展性或延遲的具體,、已定義方法,。過去，Silicon Labs 發(fā)表了多篇論文,，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)測試對比網(wǎng)絡(luò)性能,。測試主要關(guān)注設(shè)備行為以及對電池壽命、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延遲的影響,。大規(guī)模多播測試還需要從大型分布式網(wǎng)絡(luò)中采集準確的時間和可靠性信息,。所有測試均使用能夠運行 Zigbee、Thread,、Bluetooth Mesh,、和專有 RF 協(xié)議的 Silicon Labs Wireless Gecko SoC 平臺執(zhí)行，以避免測試中設(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)計之間的差異。這些設(shè)備全部使用片上系統(tǒng)設(shè)計,。

　　其他關(guān)于性能的論文有 Kui Liu 編寫的關(guān)于 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)性能的碩士畢業(yè)論文“嵌入式電表的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)性能評估”,，由瑞典皇家理工學院電氣工程系出版。對于單跳內(nèi)的露天往返時間,，他們測試了不同的范圍,，結(jié)果如下：

　　距離和平均往返行程的數(shù)據(jù)包丟失

　　該測試使用100毫秒間隔的50字節(jié)有效荷載單播，安全關(guān)閉,。請注意,，Zigbee 不允許關(guān)閉安全。結(jié)果顯示1跳測試一直需要約18毫秒的往返時間,。在室內(nèi)使用各種干擾條件重復進行該測試,，發(fā)現(xiàn)1跳的往返時間與18毫秒相差不大。未提供多跳測試結(jié)果,。

　　測試網(wǎng)絡(luò)和條件

　　為了最大限度地減少差異,，設(shè)備測試也可以在固定拓撲結(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,，以確保拓撲結(jié)構(gòu)不會隨時間和測試而發(fā)生變化,。此方法在 7 跳測試中用以保證網(wǎng)絡(luò)拓撲,。MAC 過濾也可用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲。

　　大型網(wǎng)絡(luò)測試最好在露天環(huán)境中進行,，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試。

　　設(shè)施和測試網(wǎng)絡(luò)條件

　　Silicon Labs R&D 設(shè)施包含一個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,，辦公室和會議室位于東端。整個設(shè)施占地約 120 英尺乘 200 英尺,。下圖顯示了設(shè)施布局,。較深的線代表堅硬的墻壁，其他所有部分都使用立方體分隔,。

　　測試設(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

　　定時分析

　　數(shù)據(jù)包采集

　　能量測量

　　典型測試集群

　　測試集群分布在整個設(shè)施中,，包括高低位置,、開放區(qū)域以及封閉的會議室和辦公室。

　　該測試網(wǎng)絡(luò)會定期添加或移除設(shè)備,，但在進行此測試時,，它包含以下設(shè)備：

　　EM35xx 設(shè)備

　　EFR32 Mighty Gecko 設(shè)備

　　這個網(wǎng)絡(luò)代表了網(wǎng)絡(luò)和軟件質(zhì)量保證團隊用于露天測試的設(shè)備。所有設(shè)備均由中央測試服務(wù)器和基礎(chǔ)設(shè)施控制,，可進行腳本式的回歸測試或由工程師手動測試,。

　　測試和結(jié)果

　　吞吐量和延遲

　　在受控網(wǎng)絡(luò)（有線配置）中測試了吞吐量和延遲，以測試各種數(shù)據(jù)包有效荷載下的跳頻,。正常配置是測試 6 個跳頻,。

　　測試是使用一個源節(jié)點和一系列路由節(jié)點完成的，以便更改跳頻數(shù)量,。

　　測試使用以下配置：

　　Zigbee 應(yīng)用層消息

　　延遲測試使用的數(shù)據(jù)包有效荷載為 50 字節(jié)到 300 字節(jié),，50 字節(jié)為增量

　　測試時開啟安全

　　從 1 到 6 跳

　　飛行模式下使用 2 個數(shù)據(jù)包（第 3 個在收到第 1 個確認時發(fā)送…）

　　在給定確認時間的情況下盡可能快地發(fā)送

　　測量往返延遲（源到目的地到源），以毫秒為單位

　　對于各個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),，當我們?nèi)缟纤鲈黾佑行Ш奢d大小時,，數(shù)據(jù)包分段行為不同。使用較大的數(shù)據(jù)包大小取決于應(yīng)用層,，但我們在此提供比較數(shù)據(jù),，以說明發(fā)生分段時的相對性能。

　　Zigbee 多跳延遲

　　在這個多跳延遲測試中有多個值得注意的地方：

　　對于高達 250 字節(jié)的 1 跳有效荷載,，我們看到延遲非常低 (60 毫秒),。

　　對于 50 字節(jié)的有效荷載（包含在 1 個數(shù)據(jù)包內(nèi)），Zigbee 在 6 跳內(nèi)保持了 140 毫秒以下的延遲。

　　在載荷超過 150 字節(jié)且跳數(shù)超過 5 之前,，延遲保持在 200 毫秒以下,。

　　Zigbee 大型網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

　　Zigbee 測試是使用最新版本的 Zigbee 堆棧完成的。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)測試使用 5,、25 和 50 字節(jié)的載荷完成,，正常廣播傳輸間隔為 3 秒。

　　測試時有以下值得注意的地方：

　　隨著數(shù)據(jù)包有效荷載的增加,，設(shè)備的延遲也增加。這是預(yù)料中的正常的行為,，因為傳輸較大的數(shù)據(jù)包需要更多時間,。

　　我們看到所有測試的可靠性都是 100%。注意這些是 100 個廣播測試,。對于低于 100 廣播的測試,，可以使用較大的測試以更好地測量可靠性。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長,，我們看到延遲也會增加和擴散,，這是因為它需要多跳才能發(fā)送完所有消息。在較大的網(wǎng)絡(luò)中,，因為所有設(shè)備都在嘗試重復消息,，所以廣播中競爭也更多。

　　該測試使用 3 秒的廣播間隔,，即在發(fā)送下一條消息之前,，給網(wǎng)絡(luò)一些恢復時間。下面分別顯示了各個測試中當廣播間隔減少時發(fā)生的情況,。

　　縮短間隔的 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)測試

　　眾所周知,，應(yīng)該盡量避免在 15.4 網(wǎng)絡(luò)中使用廣播，因為它們會導致網(wǎng)絡(luò)暫時泛洪,。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)有廣播交易記錄,，可以防止重復處理設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的廣播。該廣播表必須包含至少 9 個條目,，并且它們會在 9 秒后失效,，這意味著平均每秒只支持 1 個廣播。因為上述測試使用的是 3 秒的廣播間隔,，所以又使用 2 秒和 1 秒的間隔進行了其他測試,，以分析相對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響。

　　小結(jié)

　　Zigbee 表現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性且延遲低于通常人類與設(shè)備互動所需的 200 毫秒時間,。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)在我們測試的 192 節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)良好,，但如果廣播頻率太高，Zigbee 也會顯示延遲增加,。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加,，增加的跳數(shù)和廣播擁塞會導致延遲有一定程度的增加,。隨著數(shù)據(jù)包有效荷載的增加，網(wǎng)絡(luò)中的延遲也會增加,，但這在測試 5,、25 和50字節(jié)的有效荷載時影響較小。廣播間隔降低到 1 秒時,，最大延遲會增加,，這對于某些應(yīng)用可能會不太理想。

　　后續(xù)測試注意事項

　　本應(yīng)用指南中描述的測試需要進行后續(xù)測試,，以進一步定義設(shè)備行為和網(wǎng)絡(luò)運行,。為后續(xù)測試記錄了以下具體項目：

　　這些測試中可以添加故障測試以評估恢復時間和對可靠性的影響，方法是將節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)中刪除,。

　　測試應(yīng)使用在片上系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器 (NCP) 模式下運行的不同設(shè)備類型執(zhí)行,。先前的測試發(fā)現(xiàn)這些運行模式之間的一些差異，因此應(yīng)進一步表征,。