Silicon Labs 芯科科技

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【无线知识库】探索Thread网状网络性能

2019-08-28
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本文详细介绍了测试 Thread 网状网络性能的方法。随着当今无线市场上可用的网状网络数量不断增加,设计人员必须了解这些网络的使用情况及其预期性能。选择网络或设备时,设计人员需要了解网络的性能和行为特征,如电池寿命、网络吞吐量和延迟,以及网络规模对可扩展性和可靠性的影响。
 
Silicon Labs(亦称“芯科科技”)使用能够运行Thread Mesh 和专有协议的Thread Mesh 软件堆栈和Wireless Gecko SoC 平台进行测试,以介绍Thread 网状网络在性能和行为方面与其他标准的差异。测试环境是一个商业办公大楼,范围内有 Wi-Fi 和 Zigbee 网络。在走廊、会议室、办公室和开放区域部署了无线测试集群。定义了执行基准测试的方法,以便其他人可以运行相同的测试。这些结果主要用于为设计实践和原则以及预期的现场性能结果提供指导。
 
本次针对Thread网状网络的测试项目包括:
  • 吞吐量和延迟

  • Thread 多跳延迟

  • Thread 大型网络测试

  • 大型网络扩展测试

 
详细性能数据欢迎访问Silicon Labs官方网站并下载Thread 网状网络性能”应用文档:https://www.silabs.com/documents/login/application-notes/an1141-thread-mesh-network-performance-cn.pdf
 
有关其他技术的其他性能基准测试信息,请参阅http://www.silabs.com/mesh-performance

基础物理层和数据包结构
网络性能取决于有效荷载的大小,这是因为数据包开销中不包含应用的使用。Thread 使用 IEEE802.15.4 2006,127 字节数据包和 250 kbps 的基础数据速率。Thread 数据包格式如下图所示,产生一个 63 字节的有效荷载。对于 63 字节以上的有效荷载,Thread 堆栈碎片使用 6lowpan。我们的性能数据取决于有效荷载大小,因为这是构建应用时需要考虑的设计参数。


Thread数据包格式
 
网络路由差异
Thread 支持下一跳路由和泛洪。作为正常网络维护的一部分,Thread 维护到所有路由器的下一跳路由,而不是由设备根据路由发现执行泛洪。Thread 还最大限度地减少了活动路由器的数量,从而可以解决大型网络的扩展问题。之前,多播泛洪被认为是嵌入式 802.15.4 网络的限制,因为存在大量路由器的情况下的泛洪限制了多播流量的频率和可靠性。注意 Thread 网络管理活动路由器的数量和间距,因此不需要用户干预或管理。
 
网络将较大的消息分成较小的消息,以适应特定的 PHY 限制。对于 Thread,分段是在 6lowpan 层完成的,方向为源到目的地(不是单个跳频)。
 
对于这些网络中的单播转发,只要设备准备好发送,就会转发该消息。对于多播转发,通常有关于如何转发消息的网络要求。Thread 设备使用 RFC 7731MPL 转发。对于这种方法,涓流计时器设置为 64 毫秒,所以设备在重新传输之前会回退一个最高为此值的随机数。
 
Note: 此性能数据适用于 Silicon Labs 实现这些网状网络堆栈。正如为此测试提供的测试网络和基础设施所显示的那样,未使用其他堆栈或系统执行测试。
 
目标和方法
本应用指南定义了一系列用于评估网状网络性能、可扩展性和可靠性的测试。描述了测试条件和基础设施,以及消息延迟和可靠性。该测试是通过测试网络中的实际无线设备进行的,而不是模拟。
 
此测试主要为了提供不同网格技术之间的对比,以更好地理解和推荐其用途。不同的网络和系统设计对设备和网络有不同的要求。因此,没有一个网络能够满足所有的网络要求。但是,我们要对比的三种网状网络技术都是针对家庭和商业建筑中用于安防监控的低功耗和电池供电网状网络。
 
通常,分析网络性能数据时,我们会考虑可以对网络进行哪些改进以提高性能。因为目前关于大型网络的网状网络性能的公开数据有限,所以很难就可能的改进或变化进行行业讨论。例如,在商业建筑中,人们担心:
  • 其他网络流量,因为可能有许多子网互相干扰。

  • 正常建筑 Wi-Fi 基础设施的 Wi-Fi 干扰,因为这些技术通常在 2.4 GHz ISM 频段中运行。

  • 网络吞吐量和延迟以及大型网络多播延迟和可靠性,这是因为多播常被用于密集办公环境中的照明控制,并且系统用户预期照明控制会有响应性。

 
Note: 这里的测试结果仅限于在正常运行条件下比较系统性能,或者在特定测试中指出的压力下进行比较。本应用指南不提供系统干扰或其他此类影响的解决方案,这可参考其他已公布的结果。不过,测试是在我们的 SiliconLabs R&D 设施进行的,其 RF 范围内有超过 100 个 Wi-Fi 接入点。该设施还有一个 300 节点的 Zigbee 照明网络,该网络不属于本测试的一部分,而是用于普通照明控制。


测试网络和条件
为了最大限度地减少差异,设备测试也可以在固定拓扑结构中执行,其中 RF 路径通过分路器和衰减器连接在一起,以确保拓扑结构不会随时间和测试而发生变化。此方法在 7 跳测试中用以保证网络拓扑。MAC 过滤也可用于实现网络拓扑。
 
大型网络测试最好在露天环境中进行,其中设备行为取决于现有的和变化的 RF 条件。Silicon Labs R&D 设施即被用于此露天测试。
 
Silicon Labs R&D 设施包含一个带电梯井的中央核心,其他服务在大楼西端并有开放式平面图,办公室和会议室位于东端。整个设施占地约 120 英尺乘200 英尺。
 
测试设备安装在设施周围的不同位置。这些设备都有以太网反向信道连接,允许:
  • 固件更新

  • 命令行接口

  • 脚本处理

  • 定时分析

  • 数据包采集

  • 能量测量

 
测试集群分布在整个设施中,包括高低位置、开放区域以及封闭的会议室和办公室。该测试网络会定期添加或移除设备,但在进行此测试时,它包含以下设备:
  • EM35xx 设备

  • EFR32 TMMighty Gecko 设备

 
这个网络代表了网络和软件质量保证团队用于露天测试的设备。所有设备均由中央测试服务器和基础设施控制,可进行脚本式的回归测试或由工程师手动测试。


结论
Thread 表现出优异的可靠性且延迟低于通常人类与设备互动所需的 200 毫秒时间。即使在多播、大型网络条件下,Thread 网络也能每隔 0.5 秒处理流量并保持延迟和可靠性。因为网络层有灵活的路由器配置,所以即使网络规模扩大,Thread 的网络行为也几乎没有变化。
 
与 EM35x 平台相比,EFR32 上运行的 Thread 表现出更好的多跳延迟性能。这是预料中的,因为该设备是更新的架构、以更高的时钟速度运行,并有更多的 RAM 用于数据包处理。随着数据包有效荷载的增加,网络中的延迟也会增加,但这在测试 5、25 和 50 字节的有效荷载时影响较小。

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