本應用指南詳細介紹了測試 Bluetooth 網(wǎng)狀網(wǎng)絡性能的方法,。隨著當今無線市場上可用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡數(shù)量不斷增加,，設計人員必須了解這些網(wǎng)絡的使用情況及其預期性能,。選擇網(wǎng)絡或設備時,，設計人員需要了解網(wǎng)絡的性能和行為特征，如電池壽命,、網(wǎng)絡吞吐量和延遲,，以及網(wǎng)絡規(guī)模對可擴展性和可靠性的影響。

　　Bluetooth網(wǎng)狀網(wǎng)絡在性能和行為方面與其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡的不同,。我們使用能夠運行 BluetoothMesh 和專有協(xié)議的 Silicon Labs Bluetooth Mesh 軟件和 Wireless Gecko SoC 平臺進行測試,。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,。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)果主要用于為設計實踐和原則以及預期的現(xiàn)場性能結(jié)果提供指導,。有關其他技術(shù)的其他性能基準測試信息,，請參閱http://www.silabs.com/mesh-performance

　　內(nèi)容要點

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

　　評估無線條件和環(huán)境,。

　　說明藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡性能,，包括吞吐量、延遲和大型網(wǎng)絡可擴展性,。

　　基礎物理層和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

　　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)絡的性能測試結(jié)果。系統(tǒng)設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)來定義預期行為,。此前已針對 Zigbee 和 Thread 網(wǎng)絡提出了這種測試，作為基本的 15.4 網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術(shù),。提出這些是因為,，即使兩個系統(tǒng)使用 IEEE802.15.4 定義的相同的底層物理層，性能也會有所不同,。隨著Bluetooth網(wǎng)狀網(wǎng)絡的出現(xiàn),，Bluetooth網(wǎng)狀網(wǎng)絡與這些15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡的預期性能差異相關問題也會很常見。討論測試和性能差異之前,，我們需要回顧這些網(wǎng)絡的基礎技術(shù),，以便更好地理解它們的性能差異。

　　網(wǎng)絡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12或16字節(jié)的有效荷載。對于 12 字節(jié)以上的有效荷載，有一個分段和重組的過程,。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,，因為這是構(gòu)建應用時需要考慮的設計參數(shù),。Bluetooth Mesh 專門設計了網(wǎng)狀配置文件（應用層）以減少數(shù)據(jù)包有效荷載，盡量將其裝到單個數(shù)據(jù)包,。

　　網(wǎng)絡路由差異

　　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、維護和使用定義的路由來發(fā)送消息,，而是使用以下兩條簡單規(guī)則中繼消息：

　　每條消息都有一個獨立的序號,。

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

　　這些消息還有一個生存時間計數(shù)器 (TTL),，每次消息被中繼時，計數(shù)器都會減一,，直到它達到一個值,，表示它不應再被中繼。因為網(wǎng)絡級未使用確認,，所以 Bluetooth Mesh 中繼可配置為多次重復相同的消息,，從而因空中接口數(shù)據(jù)包丟失而實現(xiàn)更高的可靠性。通常這個值設置為3,，因此每個中繼對同一消息重復三次,。另外，使用了可配置的重復延遲來優(yōu)化延遲和網(wǎng)絡性能,。重復之間的最小延遲稱為重傳間隔 =（中繼重傳間隔步長 + 1）* 10ms +0-10ms 隨機延遲,，通常為每跳 15 毫秒。

　　目標和方法

　　本應用指南定義了一系列用于評估網(wǎng)狀網(wǎng)絡性能,、可擴展性和可靠性的測試,。描述了測試條件和基礎設施，以及消息延遲和可靠性,。該測試是通過測試網(wǎng)絡中的實際無線設備進行的,，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)絡和系統(tǒng)設計對設備和網(wǎng)絡有不同的要求。因此，沒有一個網(wǎng)絡能夠滿足所有的網(wǎng)絡要求,。但是，我們要對比的三種網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術(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,。通常,，分析網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)時，我們會考慮可以對網(wǎng)絡進行哪些改進以提高性能,。因為目前關于大型網(wǎng)絡的網(wǎng)狀網(wǎng)絡性能的公開數(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)絡流量，因為可能有許多子網(wǎng)互相干擾,。

　　正常建筑 Wi-Fi 基礎設施的 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)絡吞吐量和延遲以及大型網(wǎng)絡多播延遲和可靠性,，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)用戶預期照明控制會有響應性。

　　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 Silicon Labs R&D 設施進行的，其 RF 范圍內(nèi)有超過 100 個 Wi-Fi 接入點,。該設施還有一個 300 節(jié)點的 Zigbee 照明網(wǎng)絡,，該網(wǎng)絡不屬于本測試的一部分，而是用于普通照明控制,。

　　審查其他基準

　　沒有用于評估和報告大型網(wǎng)絡可靠性,、可擴展性或延遲的具體、已定義方法,。過去,，Silicon Labs 發(fā)表過對比網(wǎng)絡性能的此類論文。測試主要關注設備行為以及對電池壽命,、網(wǎng)絡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、和專有協(xié)議的 Silicon Labs Wireless Gecko SoC 平臺執(zhí)行，以避免測試中設備本身造成的差異,。先前公布的結(jié)果有收發(fā)器,、網(wǎng)絡協(xié)處理器和片上系統(tǒng)設計之間的差異。這些設備全部使用片上系統(tǒng)設計,。

　　測試網(wǎng)絡和條件

　　為了最大限度地減少差異,，設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)絡拓撲。MAC 過濾也可用于實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲,。

　　大型網(wǎng)絡測試最好在露天環(huán)境中進行,，其中設備行為取決于現(xiàn)有的和變化的 RF 條件。Silicon Labs R&D 設施即被用于此露天測試,。

　　Silicon Labs R&D 設施包含一個帶電梯井的中央核心,，其他服務在大樓西端并有開放式平面圖，辦公室和會議室位于東端,。整個設施占地約 120 英尺乘 200 英尺,。下圖顯示了設施布局。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,。

　　測試設備安裝在設施周圍的不同位置。這些設備都有以太網(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

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

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

　　EM35xx 設備

　　EFR32Mighty Gecko 設備

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

　　測試結(jié)果－吞吐量和延遲

　　在受控網(wǎng)絡（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)點和一系列中繼節(jié)點完成的,，以便更改跳頻數(shù)量,。

　　該測試是使用以下配置完成的：

　　測試應用已配置為使用三 (3) 個網(wǎng)絡級重復。所使用的網(wǎng)絡級重復間隔為 10 ms,。

　　測試應用已配置為使用三 (3) 中繼重復,。所使用的中繼重復間隔為 10 ms,。

　　發(fā)送的帶確認的應用消息

　　對于延遲測試，數(shù)據(jù)包有效荷載從 8 字節(jié)到 128 字節(jié)

　　測試使用安全設置

　　從 1 到 6 跳

　　測量往返延遲（源到目的地到源）,，以毫秒為單位

　　在傳輸層使用Bluetooth Mesh時,，我們只能發(fā)送11個字節(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,。

　　測試結(jié)果－Bluetooth Mesh多跳延遲

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

　　測試結(jié)果－Bluetooth Mesh大型網(wǎng)絡

　　因為 Bluetooth Mesh 是泛洪網(wǎng)格,，所以網(wǎng)絡規(guī)模增加后可能會有延遲和可擴展性方面的問題。顯示了各種網(wǎng)絡規(guī)模中的多個數(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數(shù)據(jù)包中,，但所有其他有效荷載都需要多個數(shù)據(jù)包。

　　這些測試顯示了一些有趣的內(nèi)容：

　　隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增加,，即使是 8 字節(jié)包的平均延遲也會增加,。對于 8 字節(jié)數(shù)據(jù)包，即使通過 192 節(jié)點的網(wǎng)絡,，延遲通常也很低,，但部分要接收的消息的尾部確實較長。

　　隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增加,，延遲會增加并且擴散,。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的增加，我們增加了延遲等級,，以更好地顯示數(shù)據(jù),。

　　將數(shù)據(jù)包有效荷載從 8 個增加到 16 個到 32 個字節(jié)時，延遲增加了很多并且擴散,。

　　為了更好地評估網(wǎng)絡規(guī)模和中繼數(shù)量的影響,，使用了一個240節(jié)點的網(wǎng)絡，并使所有或者6分之1的設備作為中繼,。這個測試是用 8 字節(jié)有效荷載完成的,，以便將其保存在單個數(shù)據(jù)包中。

　　結(jié)論

　　將有效荷載包含在單個數(shù)據(jù)包中時,，Bluetooth Mesh性能測試的延遲表現(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,。

　　對于較大的網(wǎng)絡,，隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量的增加或數(shù)據(jù)包有效荷載的增加，延遲也會增加,。相比有效荷載大小,，網(wǎng)絡規(guī)模對延遲的影響較小，后者可能導致延遲大幅增加,。對于大型網(wǎng)絡,，減少網(wǎng)絡中的中繼數(shù)量可以提供更好的結(jié)果。運行這些結(jié)果時這些網(wǎng)絡的可靠性大于 99％,。

　　為了在 Bluetooth Mesh 應用中獲得低延遲和高可靠性：

　　應用有效荷載應適合一個數(shù)據(jù)包,。

　　需要多播消息的應用不應該使用分段消息。

　　網(wǎng)絡規(guī)模和跳頻數(shù)量增加后,，中繼選擇成為網(wǎng)絡性能的關鍵,。

　　后續(xù)測試注意事項

　　本應用指南中描述的測試需要進行后續(xù)測試，以進一步定義設備行為和網(wǎng)絡運行,。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)絡中刪除。

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

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