本應用指南詳細介紹了測試 Zigbee 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。
本應用指南介紹了 Zigbee 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。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。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。
內(nèi)容要點
說明了 Silicon Labs 研發(fā) (R&D) 中的無線測試網(wǎng)絡。
評估了無線條件和環(huán)境。
介紹了網(wǎng)狀網(wǎng)絡性能，包括吞吐量、延遲和大型網(wǎng)絡可擴展性。
閱讀完整的Zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡性能測試報告：https://www.silabs.com/documents/login/application-notes/an1138-zigbee-mesh-network-performance-cn.pdf
有關其他技術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。測試是通過我們的各種網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術完成的 – Zigbee、Thread 和 Bluetooth，每種都單獨做了介紹。本應用指南介紹了Zigbee 網(wǎng)絡的性能。
基礎物理層和數(shù)據(jù)包結(jié)構
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。
Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 2006，127 字節(jié)數(shù)據(jù)包和250 kbps 的基礎數(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，因為這是構建應用時需要考慮的設計參數(shù)。
Zigbee數(shù)據(jù)包格式
網(wǎng)絡路由差異
Zigbee 專為家庭和建筑自動化設計。Zigbee 支持多種路由技術，包括用于路由發(fā)現(xiàn)或組消息的網(wǎng)狀網(wǎng)絡泛洪、用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡中受控消息的下一跳路由、以及到網(wǎng)關后再使用源路由發(fā)送到設備的多對一路由。Zigbee 網(wǎng)絡通常會同時使用這些方法。
網(wǎng)絡將較大的消息分成較小的消息。對于 Zigbee，分段是在應用層完成的，并且從源到目標是端到端。
對于這些網(wǎng)絡中的單播轉(zhuǎn)發(fā)，只要設備準備好發(fā)送，就會轉(zhuǎn)發(fā)該消息。對于多播轉(zhuǎn)發(fā)，通常有關于如何轉(zhuǎn)發(fā)消息的網(wǎng)絡要求。對于 Zigbee 設備，只有在抖動達到 64 毫秒后才能通過設備轉(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)絡堆棧。正如為此測試提供的測試網(wǎng)絡和基礎設施所顯示的那樣，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SiliconLabs 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。
其他性能測試回顧
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)表了多篇論文，根據(jù)網(wǎng)絡測試對比網(wǎng)絡性能。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 RF 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。
其他關于性能的論文有 Kui Liu 編寫的關于 Zigbee 網(wǎng)絡性能的碩士畢業(yè)論文“嵌入式電表的 Zigbee 網(wǎng)絡性能評估”，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，安全關閉。請注意，Zigbee 不允許關閉安全。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。
設施和測試網(wǎng)絡條件
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
典型測試集群
測試集群分布在整個設施中，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
EFR32 Mighty 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。
測試和結(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，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，設備的延遲也增加。這是預料中的正常的行為，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)絡中，因為所有設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)絡測試
眾所周知，應該盡量避免在 15.4 網(wǎng)絡中使用廣播，因為它們會導致網(wǎng)絡暫時泛洪。Zigbee 網(wǎng)絡有廣播交易記錄，可以防止重復處理設備轉(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備互動所需的 200 毫秒時間。Zigbee 網(wǎng)絡在我們測試的 192 節(jié)點的網(wǎng)絡中表現(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，這對于某些應用可能會不太理想。
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。