實測藍牙Mesh 1.1性能更新 深入理解并徹底優(yōu)化

藍牙Mesh 1.1版本中引入了遠程配置和無線裝置韌體更新（OTA DFU）的功能。本文將透過廣泛部署基于Silicon Labs（芯科科技）的xG24和xG21無線SoC開發(fā)板的節(jié)點并組成網(wǎng)絡，來分析在多個測試節(jié)點上進行的一系列實驗結果，進一步探索藍牙Mesh 1.1網(wǎng)絡的性能，包括網(wǎng)絡等待時間、遠程配置和OTA、DFU性能的詳細測試設置和結果等實用資料。

測試網(wǎng)絡及條件
隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量的增加或數(shù)據(jù)報負載的增加，延遲也會相應增加。相比于有效負載，網(wǎng)絡對延遲的影響較小，但后者可能導致延遲大幅增加。
測試環(huán)境是位于布達佩斯的Silicon Labs商業(yè)辦公樓，其范圍內有Wi-Fi和低功耗藍牙網(wǎng)絡，本實驗相關的無線測試功能集（wireless test clusters）分別部署在走廊、會議室、辦公室和開放區(qū)域。由于測試是在真實環(huán)境中進行的，背景噪訊聲一直存在。這些噪聲來自員工在辦公室使用的藍牙與Wi-Fi裝置，以及辦公室的其他測試臺。不過，測試過程還是采取了一些降噪措施。這些測試是在工作日的晚上和周末進行的，目的是消除辦公室的一些噪聲來源。

在位于辦公室的大型網(wǎng)絡測試裝置上，進行了多播延遲（multicast latency）和OTA DFU測試?？偣灿?3個盒子分散在地板上，每個盒子包含4～6個設備，在網(wǎng)絡中自然發(fā)生跳躍的大面積上創(chuàng)建一個256個節(jié)點的網(wǎng)絡。每個盒子包含6個Silicon Labs的無線入門套件（WSTK），除了其中的一個盒子僅包含四個WSTK。

前27個盒子有4個EFR32xG24和2個無線電板（Wireless Gecko Starter Kit）。盒子28～42號則有3個EFR32xG24和3個EFR32xG21無線電板。43號箱有4塊EFR32xG24射頻板和1塊EFR32xG21射頻板。辦公室呈矩形，邊長分別為38公尺和19公尺。由于樓梯、電梯、浴室和不同的空間設置，有18.5m x 7.5m的區(qū)域沒有放置設備。



 
圖一 : 網(wǎng)絡測試環(huán)境的設置布局


 
圖二 : 本實驗在辦公樓里測試所設置的網(wǎng)絡盒子

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

單播測試（Unicast Test）
在這個測試中，以定義的速率發(fā)送單播一對一有效負載訊息并測量數(shù)據(jù)報往返時間，方法是讓客戶端模型以兩種方式之一確認服務器模式發(fā)送的數(shù)據(jù)報：包括分段PDU（Packet Data Unit）的較低傳輸層確認，以及未分段PDU的客戶端模型層確認。

多播測試（Multicast Test）
對于此測試，有一個服務器節(jié)點和多個客戶端節(jié)點訂閱了一個網(wǎng)絡地址。服務器將數(shù)據(jù)封包傳送到該地址，并分別測量每個客戶端在給定客戶端上發(fā)送和接收之間的時間。該測試在大型露天網(wǎng)絡上運行。

單播和多播延遲測試的推理
隨著有效負載大小從 8 字節(jié)增加到 32 字節(jié)，由于網(wǎng)絡需要傳輸更多的封包，所以延遲時間也隨之增加。我們可以發(fā)現(xiàn)，透過向網(wǎng)絡添加更多封包，延遲會線性增加。單一網(wǎng)格數(shù)據(jù)封包只能傳輸 12 字節(jié)的有效負載。隨著節(jié)點數(shù)量從10增加到256，我們也可以觀察到，更高比例的高負載大小的訊息（16位和32位）被接收節(jié)點成功接收。
在所有情況下，大多數(shù) 8 字節(jié)有效負載都會在發(fā)送后 10 毫秒內收到。即使有 6 跳數(shù)，大多數(shù) 8 字節(jié)有效負載也會在 120 毫秒內發(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。分段會增加一些延遲，但在 8 位PDU大小下，即使我們強制分段，這種延遲也幾乎無法測量。

廣告擴展測試結果
廣告擴展（Advertising Extension）是一種非標準藍牙功能，可透過廣告「數(shù)據(jù)封包」忠實傳輸更大的數(shù)據(jù)有效負載，其大小比沒有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，對于給定的節(jié)點網(wǎng)絡規(guī)模（256 個節(jié)點），與不使用 AE 時相比，使用廣告擴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，因為在所有測量的 PDU 大小中，大多數(shù)數(shù)據(jù)報在 40 毫秒內到達，因為不需要分段和重組。

遠程配置測試
對于遠程配置效能測試（Remote Provisioning Test），使用多跳設置，根據(jù)網(wǎng)絡中的跳數(shù)測量效能。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)實生活場景。這種設定確保沒有射頻干擾影響測試，最大限度地減少變異性，同時還在網(wǎng)絡中創(chuàng)建六跳。隨著跳數(shù)的增加，配置時間也會增加，這是可以預料的，因為訊息封包會出現(xiàn)更多的來回沖突，特別是當訊息封包被接收方確認時的節(jié)點上。

無線裝置韌體更新測試
對于無線裝置韌體更新（OTA DFU Test）效能測試，由于節(jié)點數(shù)量較多，無法形成屏蔽環(huán)境，因此測試是在辦公室無人存在的時段進行的，整個樓層的測試臺都處于關閉狀態(tài)。這使得測試能夠在稍微更規(guī)范的環(huán)境中進行。OTA DFU 的效能方面在未分配中繼的 60 節(jié)點設定中進行了測試。在啟用廣告擴充（AE）功能的情況下也測量了分發(fā)時間。

測試設定
在這次的大規(guī)模網(wǎng)絡設置中，使用了GSDK中現(xiàn)成的范例應用程序來配置分發(fā)器和啟動器節(jié)點，并只更改了一些參數(shù)。分發(fā)器運行的是Bluetooth Mesh - SoC DFU分發(fā)器范例應用程序，而啟動器則在EFR32xG24板上運行Bluetooth Mesh NCP Empty v1.1范例應用程序。目標節(jié)點運行在ER32xG21和EFR32xG24板上，運行的是Bluetooth Mesh - SoC Sensor Server范例應用程序。分發(fā)器和啟動器的選擇方式是使它們靠近網(wǎng)絡的中心，并且彼此相近。測試是在網(wǎng)絡PDU大小增加（廣告擴展）的情況下或不增加的情況下運行的。
過程中使用了兩個GBL文件作為更新目標。一個是節(jié)點無法驗證的虛擬圖像，另一個是節(jié)點在分發(fā)后成功應用的真實SOC sensor server GBL文件。在虛擬圖像的情況下，預期的測試結果是節(jié)點會在最后報告一個『驗證失敗』的狀態(tài)。
在圖三中，橙色圓圈表示啟動器和分發(fā)器節(jié)點的位置。淡藍色區(qū)域是用來形成網(wǎng)絡的群集（每個包含六個設備），并用實心藍色框表示。這種設置方式提供了一個有效的測試環(huán)境，能夠準確地評估和優(yōu)化網(wǎng)絡性能。

 
圖三 : 60節(jié)點網(wǎng)絡平面圖

結語
藍牙Mesh的性能測試結果顯示，當有效負載能夠包含在單個資料封包中時，其延遲表現(xiàn)極佳。如果有效負載小于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)報負載的增加，延遲也會相應增加。相比于有效負載大小，網(wǎng)絡大小對延遲的影響較小，但后者可能導致延遲的大幅增加。
在進行這些測試時，這些網(wǎng)絡的可靠性均超過99%。因此，為了在藍牙Mesh應用中實現(xiàn)低延遲和高可靠性，我們建議應用程序的有效負載應適合單個數(shù)據(jù)封包，并且需要多播消息傳遞的應用程序應避免使用分段消息。
此外，我們還需要進行更多的測試來進一步定義裝置行為和網(wǎng)絡操作。例如，我們可以進行長時間的穩(wěn)定性測試，以觀察網(wǎng)絡性能是否會隨著時間的推移而下降。在進行測試時，我們應該注意，在測試期間刪除網(wǎng)絡中的節(jié)點，以進行故障測試，并評估其對恢復時間和可靠性的影響。
當然，還應該在不同類型的設備上進行測試，包括在系統(tǒng)單芯片和網(wǎng)絡協(xié)處理器（NCP）模式下運行的設備。以前的測試已經(jīng)揭示了這些操作模式之間的一些差異，因此應該進一步描述這些差異。這些都是在進行后續(xù)測試時需要注意的事項。透過這些測試，就可以更深入地理解藍牙Mesh的性能，并找出優(yōu)化其性能的方法。