实测蓝牙Mesh 1.1性能更新 深入理解并彻底优化

蓝牙Mesh 1.1版本中引入了远程配置和无线装置韧体更新（OTA DFU）的功能。本文将透过广泛部署基于Silicon Labs（芯科科技）的xG24和xG21无线SoC开发板的节点并组成网络，来分析在多个测试节点上进行的一系列实验结果，进一步探索蓝牙Mesh 1.1网络的性能，包括网络等待时间、远程配置和OTA、DFU性能的详细测试设置和结果等实用资料。

测试网络及条件
随着网络中节点数量的增加或数据报负载的增加，延迟也会相应增加。相比于有效负载，网络对延迟的影响较小，但后者可能导致延迟大幅增加。
测试环境是位于布达佩斯的Silicon Labs商业办公楼，其范围内有Wi-Fi和低功耗蓝牙网络，本实验相关的无线测试功能集（wireless test clusters）分别部署在走廊、会议室、办公室和开放区域。由于测试是在真实环境中进行的，背景噪讯声一直存在。这些噪声来自员工在办公室使用的蓝牙与Wi-Fi装置，以及办公室的其他测试台。不过，测试过程还是采取了一些降噪措施。这些测试是在工作日的晚上和周末进行的，目的是消除办公室的一些噪声来源。

在位于办公室的大型网络测试装置上，进行了多播延迟（multicast latency）和OTA DFU测试。总共有43个盒子分散在地板上，每个盒子包含4～6个设备，在网络中自然发生跳跃的大面积上创建一个256个节点的网络。每个盒子包含6个Silicon Labs的无线入门套件（WSTK），除了其中的一个盒子仅包含四个WSTK。

前27个盒子有4个EFR32xG24和2个无线电板（Wireless Gecko Starter Kit）。盒子28～42号则有3个EFR32xG24和3个EFR32xG21无线电板。43号箱有4块EFR32xG24射频板和1块EFR32xG21射频板。办公室呈矩形，边长分别为38公尺和19公尺。由于楼梯、电梯、浴室和不同的空间设置，有18.5m x 7.5m的区域没有放置设备。



 
图一 : 网络测试环境的设置布局


 
图二 : 本实验在办公楼里测试所设置的网络盒子

延迟测试和远程发送测试都是在一个射频屏蔽多跳测试网络上进行的。8个射频隔离箱通过SMA和衰减桶（attenuation barrels）连接在一起，每个隔离箱至少包含一个EFR32xG24射频板，用于蓝牙Mesh测试用例。我们进行了以下几项主要测试和分析，以实际掌握蓝牙Mesh 1.1网络的性能。
延迟测试（Latency Test）
在露天和射频屏蔽环境中测试了延迟，其中包括了单播测试（Unicast Test）与多播测试（Multicast Test）。

单播测试（Unicast Test）
在这个测试中，以定义的速率发送单播一对一有效负载讯息并测量数据报往返时间，方法是让客户端模型以两种方式之一确认服务器模式发送的数据报：包括分段PDU（Packet Data Unit）的较低传输层确认，以及未分段PDU的客户端模型层确认。

多播测试（Multicast Test）
对于此测试，有一个服务器节点和多个客户端节点订阅了一个网络地址。服务器将数据封包传送到该地址，并分别测量每个客户端在给定客户端上发送和接收之间的时间。该测试在大型露天网络上运行。

单播和多播延迟测试的推理
随着有效负载大小从 8 字节增加到 32 字节，由于网络需要传输更多的封包，所以延迟时间也随之增加。我们可以发现，透过向网络添加更多封包，延迟会线性增加。单一网格数据封包只能传输 12 字节的有效负载。随着节点数量从10增加到256，我们也可以观察到，更高比例的高负载大小的讯息（16位和32位）被接收节点成功接收。
在所有情况下，大多数 8 字节有效负载都会在发送后 10 毫秒内收到。即使有 6 跳数，大多数 8 字节有效负载也会在 120 毫秒内发送。这表明数据封包通常必须较小，才能更快地发送并成功接收。分段会增加一些延迟，但在 8 位PDU大小下，即使我们强制分段，这种延迟也几乎无法测量。

广告扩展测试结果
广告扩展（Advertising Extension）是一种非标准蓝牙功能，可透过广告「数据封包」忠实传输更大的数据有效负载，其大小比没有AE传输的数据大得多。AE使网格讯息大小从 29 位增加到最大 236 位。
从上图可以看出，对于给定的节点网络规模（256 个节点），与不使用 AE 时相比，使用广告扩展功能可以成功传输和接收更大比例的各种大小数据封包。还可以观察到延迟显着改善，因为在所有测量的 PDU 大小中，大多数数据报在 40 毫秒内到达，因为不需要分段和重组。

远程配置测试
对于远程配置效能测试（Remote Provisioning Test），使用多跳设置，根据网络中的跳数测量效能。建立了射频屏蔽环境，以滤除办公区域持续存在的干扰。现有且不断变化的射频条件使该环境接近现实生活场景。这种设定确保没有射频干扰影响测试，最大限度地减少变异性，同时还在网络中创建六跳。随着跳数的增加，配置时间也会增加，这是可以预料的，因为讯息封包会出现更多的来回冲突，特别是当讯息封包被接收方确认时的节点上。

无线装置韧体更新测试
对于无线装置韧体更新（OTA DFU Test）效能测试，由于节点数量较多，无法形成屏蔽环境，因此测试是在办公室无人存在的时段进行的，整个楼层的测试台都处于关闭状态。这使得测试能够在稍微更规范的环境中进行。OTA DFU 的效能方面在未分配中继的 60 节点设定中进行了测试。在启用广告扩充（AE）功能的情况下也测量了分发时间。

测试设定
在这次的大规模网络设置中，使用了GSDK中现成的范例应用程序来配置分发器和启动器节点，并只更改了一些参数。分发器运行的是Bluetooth Mesh - SoC DFU分发器范例应用程序，而启动器则在EFR32xG24板上运行Bluetooth Mesh NCP Empty v1.1范例应用程序。目标节点运行在ER32xG21和EFR32xG24板上，运行的是Bluetooth Mesh - SoC Sensor Server范例应用程序。分发器和启动器的选择方式是使它们靠近网络的中心，并且彼此相近。测试是在网络PDU大小增加（广告扩展）的情况下或不增加的情况下运行的。
过程中使用了两个GBL文件作为更新目标。一个是节点无法验证的虚拟图像，另一个是节点在分发后成功应用的真实SOC sensor server GBL文件。在虚拟图像的情况下，预期的测试结果是节点会在最后报告一个『验证失败』的状态。
在图三中，橙色圆圈表示启动器和分发器节点的位置。淡蓝色区域是用来形成网络的群集（每个包含六个设备），并用实心蓝色框表示。这种设置方式提供了一个有效的测试环境，能够准确地评估和优化网络性能。

 
图三 : 60节点网络平面图

结语
蓝牙Mesh的性能测试结果显示，当有效负载能够包含在单个资料封包中时，其延迟表现极佳。如果有效负载小于16位，即使在6跳的情况下，延迟也可以保持在200毫秒以下。
然而，对于较大的网络，随着网络中节点数量的增加或数据报负载的增加，延迟也会相应增加。相比于有效负载大小，网络大小对延迟的影响较小，但后者可能导致延迟的大幅增加。
在进行这些测试时，这些网络的可靠性均超过99%。因此，为了在蓝牙Mesh应用中实现低延迟和高可靠性，我们建议应用程序的有效负载应适合单个数据封包，并且需要多播消息传递的应用程序应避免使用分段消息。
此外，我们还需要进行更多的测试来进一步定义装置行为和网络操作。例如，我们可以进行长时间的稳定性测试，以观察网络性能是否会随着时间的推移而下降。在进行测试时，我们应该注意，在测试期间删除网络中的节点，以进行故障测试，并评估其对恢复时间和可靠性的影响。
当然，还应该在不同类型的设备上进行测试，包括在系统单芯片和网络协处理器（NCP）模式下运行的设备。以前的测试已经揭示了这些操作模式之间的一些差异，因此应该进一步描述这些差异。这些都是在进行后续测试时需要注意的事项。透过这些测试，就可以更深入地理解蓝牙Mesh的性能，并找出优化其性能的方法。