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

　　Bluetooth網狀網絡在性能和行為方面與其他網狀網絡的不同。我們使用能夠運行 BluetoothMesh 和專有協議的 Silicon Labs Bluetooth Mesh 軟件和 Wireless Gecko SoC 平臺進行測試。測試環境是一個商業辦公大樓，范圍內有 Wi-Fi 和 Zigbee 網絡。在走廊、會議室、辦公室和開放區域部署了無線測試集群。定義了執行基準測試的方法，以便其他人可以運行相同的測試。這些結果主要用于為設計實踐和原則以及預期的現場性能結果提供指導。有關其他技術的其他性能基準測試信息，請參閱http://www.silabs.com/mesh-performance

　　內容要點

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

　　評估無線條件和環境。

　　說明藍牙網狀網絡性能，包括吞吐量、延遲和大型網絡可擴展性。

　　基礎物理層和數據包結構

　　在開發人員會議和行業白皮書中，Silicon Labs 提供了嵌入式網狀網絡的性能測試結果。系統設計人員可以使用吞吐量、延遲和安全影響等基本性能數據來定義預期行為。此前已針對 Zigbee 和 Thread 網絡提出了這種測試，作為基本的 15.4 網狀網絡技術。提出這些是因為，即使兩個系統使用 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網狀網絡的出現，Bluetooth網狀網絡與這些15.4網狀網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絡的基礎技術，以便更好地理解它們的性能差異。

　　網絡性能取決于有效荷載的大小，這是因為數據包開銷中不包含應用的使用。Bluetooth低功耗使用的是 BT 4.x 規范，33字節數據包和1Mbps的底層數據速率。Bluetooth Mesh 數據包大小如下圖所示，產生一個12或16字節的有效荷載。對于 12 字節以上的有效荷載，有一個分段和重組的過程。Bluetooth Mesh 有更高的數據速率，但數據包有效荷載較??；因此，它需要更多的數據包才能發送相同數量的數據。我們的性能數據取決于有效荷載大小，因為這是構建應用時需要考慮的設計參數。Bluetooth Mesh 專門設計了網狀配置文件（應用層）以減少數據包有效荷載，盡量將其裝到單個數據包。

　　網絡路由差異

　　Bluetooth Mesh 使用托管的泛洪技術中繼消息代替路由。這意味著 Bluetooth Mesh 不是構建、維護和使用定義的路由來發送消息，而是使用以下兩條簡單規則中繼消息：

　　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發過的消息。

　　這些消息還有一個生存時間計數器 (TTL)，每次消息被中繼時，計數器都會減一，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，從而因空中接口數據包丟失而實現更高的可靠性。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化延遲和網絡性能。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狀網絡性能、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格技術之間的對比，以更好地理解和推薦其用途。

　　不同的網絡和系統設計對設備和網絡有不同的要求。因此，沒有一個網絡能夠滿足所有的網絡要求。但是，我們要對比的三種網狀網絡技術都是針對家庭和商業建筑中用于安防監控的低功耗和電池供電網狀網絡。通常，分析網絡性能數據時，我們會考慮可以對網絡進行哪些改進以提高性能。因為目前關于大型網絡的網狀網絡性能的公開數據有限，所以很難就可能的改進或變化進行行業討論。例如，在商業建筑中，人們擔心：

　　其他網絡流量，因為可能有許多子網互相干擾。

　　正常建筑 Wi-Fi 基礎設施的 Wi-Fi 干擾，因為這些技術通常在 2.4 GHz ISM 頻段中運行。

　　網絡吞吐量和延遲以及大型網絡多播延遲和可靠性，這是因為多播常被用于密集辦公環境中的照明控制，并且系統用戶預期照明控制會有響應性。

　　Note: 這里的測試結果僅限于在正常運行條件下比較系統性能，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果。不過，測試是在我們的 Silicon Labs R&D 設施進行的，其 RF 范圍內有超過 100 個 Wi-Fi 接入點。該設施還有一個 300 節點的 Zigbee 照明網絡，該網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絡可靠性、可擴展性或延遲的具體、已定義方法。過去，Silicon Labs 發表過對比網絡性能的此類論文。測試主要關注設備行為以及對電池壽命、網絡吞吐量和延遲的影響。大規模多播測試還需要從大型分布式網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、和專有協議的 Silicon Labs Wireless Gecko SoC 平臺執行，以避免測試中設備本身造成的差異。先前公布的結果有收發器、網絡協處理器和片上系統設計之間的差異。這些設備全部使用片上系統設計。

　　測試網絡和條件

　　為了最大限度地減少差異，設備測試也可以在固定拓撲結構中執行，其中 RF 路徑通過分路器和衰減器連接在一起，以確保拓撲結構不會隨時間和測試而

　　發生變化。此方法在 7 跳測試中用以保證網絡拓撲。MAC 過濾也可用于實現網絡拓撲。

　　大型網絡測試最好在露天環境中進行，其中設備行為取決于現有的和變化的 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

　　數據包采集

　　能量測量

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

　　該測試網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

　　這個網絡代表了網絡和軟件質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。

　　測試結果－吞吐量和延遲

　　在受控網絡（有線配置）中測試了吞吐量和延遲，以測試各種數據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點和一系列中繼節點完成的，以便更改跳頻數量。

　　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) 個網絡級重復。所使用的網絡級重復間隔為 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。

　　發送的帶確認的應用消息

　　對于延遲測試，數據包有效荷載從 8 字節到 128 字節

　　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，我們只能發送11個字節或更小有效荷載的未分段數據包。高于11字節的結果使用分段消息。使用較大的數據包大小取決于應用層，但我們在此提供比較數據，以說明發生分段時的相對性能。

　　測試結果－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 字節的有效荷載。這些差異導致圖形的格式不同。

　　測試結果－Bluetooth Mesh大型網絡

　　因為 Bluetooth Mesh 是泛洪網格，所以網絡規模增加后可能會有延遲和可擴展性方面的問題。顯示了各種網絡規模中的多個數據包有效荷載的延遲情況。注意 8 字節有效荷載可裝到一個數據包中，但所有其他有效荷載都需要多個數據包。

　　這些測試顯示了一些有趣的內容：

　　隨著網絡規模的增加，即使是 8 字節包的平均延遲也會增加。對于 8 字節數據包，即使通過 192 節點的網絡，延遲通常也很低，但部分要接收的消息的尾部確實較長。

　　隨著網絡規模的增加，延遲會增加并且擴散。隨著網絡規模的增加，我們增加了延遲等級，以更好地顯示數據。

　　將數據包有效荷載從 8 個增加到 16 個到 32 個字節時，延遲增加了很多并且擴散。

　　為了更好地評估網絡規模和中繼數量的影響，使用了一個240節點的網絡，并使所有或者6分之1的設備作為中繼。這個測試是用 8 字節有效荷載完成的，以便將其保存在單個數據包中。

　　結論

　　將有效荷載包含在單個數據包中時，Bluetooth Mesh性能測試的延遲表現出色。吞吐量結果顯示，如果有效荷載小于16字節，延遲可在6跳內維持在200毫秒以下。

　　對于較大的網絡，隨著網絡中節點數量的增加或數據包有效荷載的增加，延遲也會增加。相比有效荷載大小，網絡規模對延遲的影響較小，后者可能導致延遲大幅增加。對于大型網絡，減少網絡中的中繼數量可以提供更好的結果。運行這些結果時這些網絡的可靠性大于 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據包。

　　需要多播消息的應用不應該使用分段消息。

　　網絡規模和跳頻數量增加后，中繼選擇成為網絡性能的關鍵。

　　后續測試注意事項

　　本應用指南中描述的測試需要進行后續測試，以進一步定義設備行為和網絡運行。為后續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，方法是將節點從網絡中刪除。

　　測試應使用在片上系統和網絡協處理器 (NCP) 模式下運行的不同設備類型執行。先前的測試發現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