實(shí)測(cè)藍(lán)牙Mesh 1.1性能更新 深入理解并徹底優(yōu)化

藍(lán)牙Mesh 1.1版本中引入了遠(yuǎn)程配置和無(wú)線裝置韌體更新（OTA DFU）的功能。本文將透過(guò)廣泛部署基于Silicon Labs（芯科科技）的xG24和xG21無(wú)線SoC開(kāi)發(fā)板的節(jié)點(diǎn)并組成網(wǎng)絡(luò)，來(lái)分析在多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步探索藍(lán)牙Mesh 1.1網(wǎng)絡(luò)的性能，包括網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間、遠(yuǎn)程配置和OTA、DFU性能的詳細(xì)測(cè)試設(shè)置和結(jié)果等實(shí)用資料。

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)及條件
隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加或數(shù)據(jù)報(bào)負(fù)載的增加，延遲也會(huì)相應(yīng)增加。相比于有效負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)對(duì)延遲的影響較小，但后者可能導(dǎo)致延遲大幅增加。
測(cè)試環(huán)境是位于布達(dá)佩斯的Silicon Labs商業(yè)辦公樓，其范圍內(nèi)有Wi-Fi和低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的無(wú)線測(cè)試功能集（wireless test clusters）分別部署在走廊、會(huì)議室、辦公室和開(kāi)放區(qū)域。由于測(cè)試是在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行的，背景噪訊聲一直存在。這些噪聲來(lái)自員工在辦公室使用的藍(lán)牙與Wi-Fi裝置，以及辦公室的其他測(cè)試臺(tái)。不過(guò)，測(cè)試過(guò)程還是采取了一些降噪措施。這些測(cè)試是在工作日的晚上和周末進(jìn)行的，目的是消除辦公室的一些噪聲來(lái)源。

在位于辦公室的大型網(wǎng)絡(luò)測(cè)試裝置上，進(jìn)行了多播延遲（multicast latency）和OTA DFU測(cè)試。總共有43個(gè)盒子分散在地板上，每個(gè)盒子包含4～6個(gè)設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)中自然發(fā)生跳躍的大面積上創(chuàng)建一個(gè)256個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)盒子包含6個(gè)Silicon Labs的無(wú)線入門(mén)套件（WSTK），除了其中的一個(gè)盒子僅包含四個(gè)WSTK。

前27個(gè)盒子有4個(gè)EFR32xG24和2個(gè)無(wú)線電板（Wireless Gecko Starter Kit）。盒子28～42號(hào)則有3個(gè)EFR32xG24和3個(gè)EFR32xG21無(wú)線電板。43號(hào)箱有4塊EFR32xG24射頻板和1塊EFR32xG21射頻板。辦公室呈矩形，邊長(zhǎng)分別為38公尺和19公尺。由于樓梯、電梯、浴室和不同的空間設(shè)置，有18.5m x 7.5m的區(qū)域沒(méi)有放置設(shè)備。



 
圖一 : 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境的設(shè)置布局


 
圖二 : 本實(shí)驗(yàn)在辦公樓里測(cè)試所設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)盒子

延遲測(cè)試和遠(yuǎn)程發(fā)送測(cè)試都是在一個(gè)射頻屏蔽多跳測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的。8個(gè)射頻隔離箱通過(guò)SMA和衰減桶（attenuation barrels）連接在一起，每個(gè)隔離箱至少包含一個(gè)EFR32xG24射頻板，用于藍(lán)牙Mesh測(cè)試用例。我們進(jìn)行了以下幾項(xiàng)主要測(cè)試和分析，以實(shí)際掌握藍(lán)牙Mesh 1.1網(wǎng)絡(luò)的性能。
延遲測(cè)試（Latency Test）
在露天和射頻屏蔽環(huán)境中測(cè)試了延遲，其中包括了單播測(cè)試（Unicast Test）與多播測(cè)試（Multicast Test）。

單播測(cè)試（Unicast Test）
在這個(gè)測(cè)試中，以定義的速率發(fā)送單播一對(duì)一有效負(fù)載訊息并測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)往返時(shí)間，方法是讓客戶端模型以兩種方式之一確認(rèn)服務(wù)器模式發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)：包括分段PDU（Packet Data Unit）的較低傳輸層確認(rèn)，以及未分段PDU的客戶端模型層確認(rèn)。

多播測(cè)試（Multicast Test）
對(duì)于此測(cè)試，有一個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)訂閱了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址。服務(wù)器將數(shù)據(jù)封包傳送到該地址，并分別測(cè)量每個(gè)客戶端在給定客戶端上發(fā)送和接收之間的時(shí)間。該測(cè)試在大型露天網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。

單播和多播延遲測(cè)試的推理
隨著有效負(fù)載大小從 8 字節(jié)增加到 32 字節(jié)，由于網(wǎng)絡(luò)需要傳輸更多的封包，所以延遲時(shí)間也隨之增加。我們可以發(fā)現(xiàn)，透過(guò)向網(wǎng)絡(luò)添加更多封包，延遲會(huì)線性增加。單一網(wǎng)格數(shù)據(jù)封包只能傳輸 12 字節(jié)的有效負(fù)載。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量從10增加到256，我們也可以觀察到，更高比例的高負(fù)載大小的訊息（16位和32位）被接收節(jié)點(diǎn)成功接收。
在所有情況下，大多數(shù) 8 字節(jié)有效負(fù)載都會(huì)在發(fā)送后 10 毫秒內(nèi)收到。即使有 6 跳數(shù)，大多數(shù) 8 字節(jié)有效負(fù)載也會(huì)在 120 毫秒內(nèi)發(fā)送。這表明數(shù)據(jù)封包通常必須較小，才能更快地發(fā)送并成功接收。分段會(huì)增加一些延遲，但在 8 位PDU大小下，即使我們強(qiáng)制分段，這種延遲也幾乎無(wú)法測(cè)量。

廣告擴(kuò)展測(cè)試結(jié)果
廣告擴(kuò)展（Advertising Extension）是一種非標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙功能，可透過(guò)廣告「數(shù)據(jù)封包」忠實(shí)傳輸更大的數(shù)據(jù)有效負(fù)載，其大小比沒(méi)有AE傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大得多。AE使網(wǎng)格訊息大小從 29 位增加到最大 236 位。
從上圖可以看出，對(duì)于給定的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（256 個(gè)節(jié)點(diǎn)），與不使用 AE 時(shí)相比，使用廣告擴(kuò)展功能可以成功傳輸和接收更大比例的各種大小數(shù)據(jù)封包。還可以觀察到延遲顯著改善，因?yàn)樵谒袦y(cè)量的 PDU 大小中，大多數(shù)數(shù)據(jù)報(bào)在 40 毫秒內(nèi)到達(dá)，因?yàn)椴恍枰侄魏椭亟M。

遠(yuǎn)程配置測(cè)試
對(duì)于遠(yuǎn)程配置效能測(cè)試（Remote Provisioning Test），使用多跳設(shè)置，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的跳數(shù)測(cè)量效能。建立了射頻屏蔽環(huán)境，以濾除辦公區(qū)域持續(xù)存在的干擾?，F(xiàn)有且不斷變化的射頻條件使該環(huán)境接近現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景。這種設(shè)定確保沒(méi)有射頻干擾影響測(cè)試，最大限度地減少變異性，同時(shí)還在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建六跳。隨著跳數(shù)的增加，配置時(shí)間也會(huì)增加，這是可以預(yù)料的，因?yàn)橛嵪⒎獍鼤?huì)出現(xiàn)更多的來(lái)回沖突，特別是當(dāng)訊息封包被接收方確認(rèn)時(shí)的節(jié)點(diǎn)上。

無(wú)線裝置韌體更新測(cè)試
對(duì)于無(wú)線裝置韌體更新（OTA DFU Test）效能測(cè)試，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，無(wú)法形成屏蔽環(huán)境，因此測(cè)試是在辦公室無(wú)人存在的時(shí)段進(jìn)行的，整個(gè)樓層的測(cè)試臺(tái)都處于關(guān)閉狀態(tài)。這使得測(cè)試能夠在稍微更規(guī)范的環(huán)境中進(jìn)行。OTA DFU 的效能方面在未分配中繼的 60 節(jié)點(diǎn)設(shè)定中進(jìn)行了測(cè)試。在啟用廣告擴(kuò)充（AE）功能的情況下也測(cè)量了分發(fā)時(shí)間。

測(cè)試設(shè)定
在這次的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中，使用了GSDK中現(xiàn)成的范例應(yīng)用程序來(lái)配置分發(fā)器和啟動(dòng)器節(jié)點(diǎn)，并只更改了一些參數(shù)。分發(fā)器運(yùn)行的是Bluetooth Mesh - SoC DFU分發(fā)器范例應(yīng)用程序，而啟動(dòng)器則在EFR32xG24板上運(yùn)行Bluetooth Mesh NCP Empty v1.1范例應(yīng)用程序。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在ER32xG21和EFR32xG24板上，運(yùn)行的是Bluetooth Mesh - SoC Sensor Server范例應(yīng)用程序。分發(fā)器和啟動(dòng)器的選擇方式是使它們靠近網(wǎng)絡(luò)的中心，并且彼此相近。測(cè)試是在網(wǎng)絡(luò)PDU大小增加（廣告擴(kuò)展）的情況下或不增加的情況下運(yùn)行的。
過(guò)程中使用了兩個(gè)GBL文件作為更新目標(biāo)。一個(gè)是節(jié)點(diǎn)無(wú)法驗(yàn)證的虛擬圖像，另一個(gè)是節(jié)點(diǎn)在分發(fā)后成功應(yīng)用的真實(shí)SOC sensor server GBL文件。在虛擬圖像的情況下，預(yù)期的測(cè)試結(jié)果是節(jié)點(diǎn)會(huì)在最后報(bào)告一個(gè)『驗(yàn)證失敗』的狀態(tài)。
在圖三中，橙色圓圈表示啟動(dòng)器和分發(fā)器節(jié)點(diǎn)的位置。淡藍(lán)色區(qū)域是用來(lái)形成網(wǎng)絡(luò)的群集（每個(gè)包含六個(gè)設(shè)備），并用實(shí)心藍(lán)色框表示。這種設(shè)置方式提供了一個(gè)有效的測(cè)試環(huán)境，能夠準(zhǔn)確地評(píng)估和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

 
圖三 : 60節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)平面圖

結(jié)語(yǔ)
藍(lán)牙Mesh的性能測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)有效負(fù)載能夠包含在單個(gè)資料封包中時(shí)，其延遲表現(xiàn)極佳。如果有效負(fù)載小于16位，即使在6跳的情況下，延遲也可以保持在200毫秒以下。
然而，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)報(bào)負(fù)載的增加，延遲也會(huì)相應(yīng)增加。相比于有效負(fù)載大小，網(wǎng)絡(luò)大小對(duì)延遲的影響較小，但后者可能導(dǎo)致延遲的大幅增加。
在進(jìn)行這些測(cè)試時(shí)，這些網(wǎng)絡(luò)的可靠性均超過(guò)99%。因此，為了在藍(lán)牙Mesh應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低延遲和高可靠性，我們建議應(yīng)用程序的有效負(fù)載應(yīng)適合單個(gè)數(shù)據(jù)封包，并且需要多播消息傳遞的應(yīng)用程序應(yīng)避免使用分段消息。
此外，我們還需要進(jìn)行更多的測(cè)試來(lái)進(jìn)一步定義裝置行為和網(wǎng)絡(luò)操作。例如，我們可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性測(cè)試，以觀察網(wǎng)絡(luò)性能是否會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們應(yīng)該注意，在測(cè)試期間刪除網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)行故障測(cè)試，并評(píng)估其對(duì)恢復(fù)時(shí)間和可靠性的影響。
當(dāng)然，還應(yīng)該在不同類(lèi)型的設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，包括在系統(tǒng)單芯片和網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器（NCP）模式下運(yùn)行的設(shè)備。以前的測(cè)試已經(jīng)揭示了這些操作模式之間的一些差異，因此應(yīng)該進(jìn)一步描述這些差異。這些都是在進(jìn)行后續(xù)測(cè)試時(shí)需要注意的事項(xiàng)。透過(guò)這些測(cè)試，就可以更深入地理解藍(lán)牙Mesh的性能，并找出優(yōu)化其性能的方法。