【经验】INGCHIPS BLE芯片如何获得最大吞吐量？

本文基于INGCHIPS开发板及SDK开发包介绍吞吐率测试。文章第一部分先公布结论，第二部分是1M PHY吞吐率的实测过程与理论分析，第三部分是2M PHY的实测数据，第四部分是实操部分，喜欢BLE的朋友可以按照此部分的说明自己动手进行测试。

一、结论

使用INGCHIPS SDK中测试吞吐率的例程peripheral_throughput和central_throughput，使用两个开发板进行测试。

1M phy吞吐率≥93KBps；

2M phy吞吐率≥152KBps。

二、1M PHY
1、实测

为了最小化包头、包尾、校验等无法避免的数据开销，每一包数据MTU设置为247。除去3bytes的ATT Header，则实际的ATT payload为244。在central端连接参数使用默认值的情况下：

对于1M phy来说，由主设备统计的吞吐率为：687104bps。

使用蓝盒（ellisys）抓包：

一包间隔为62.5ms(即50*1.25ms)，观察其中的数据包发现，一个间隔有23包数据发出去。实际发出的有效数据=23x244bytes=23x244x8bits=44896bits。吞吐率=44896/0.0625=718336bps.比串口统计的略大，仔细观察Ellisys窗口，发现每个连接间隔发满时，都有一次retry。在连接间隔的末尾，从设备没有回复主设备连接包，主设备进行了一次重传。

也就是一个连接间隔实际只发了22包。

吞吐率=22x244x8/0.0625=687104，与串口的统计对应上了。

想要提升吞吐率，从上面的分析可以看到，有两个可以调整的地方，一个是每次重传的那一包，一个是连接间隔中空闲的6.116ms。

6.116ms足够传2包数据（具体传送一包的时长，参照下面的理论分析部分）。

调整连接间隔

            .interval_min = 51,              
            .interval_max = 51,

可以看到，每个连接间隔变成了63.75ms，比刚才多传了一包，24包（由于依然有一个retry包，有效包23包），连接间隔中浪费的时间4.89ms，比刚才的6.116ms少，本次吞吐率理论上比上次高。

23x244x8/0.06375=704205

串口显示基本上两次718336，一次673440，(718336x2+673440)/3=703370，基本一致。参数设置为

每个连接间隔125ms，传输有效包48包。

48x244x8/0.125=749568bps=93696Bps≈93KBps，

此时连接间隔的空闲时间为4.447ms，

基本上已经达到极限。

2、理论分析

BLE连接数据包分解如下：

当ATT payload设置为244，传输一包数据需额外传输的bytes数为：

1（preamble）+4（access address）+2（LL Header）+4（L2CAP Header）+3（ATT Header）+3（CRC）=17（因为不加密，所以没有MIC）。

一包总的数据长度为17+244=261bytes=261x8bits=2088bits。

对于1Mphy来说，传输1bit时间为1μs，传输一包数据就需要2088μs，即2.088ms。

数据传输还有另外两个无法避免的时间开销：1）传输完一个数据包后，需要另一个设备回一个空包来保持数据传输；2）数据包之间需要有一个空闲时间来让协议栈完成数据处理，这个时间即T_IFS，150μs。

空包的长度为1（preamble）+4（Access Address）+2（PDU）+3（crc）=10Bytes=80bits。

也就是说传输一个空包时间为80μs，加上两个T_IFS，总共380μs。

也就是说，传输244Bytes数据，实际花费的总时间=2088μs+380μs=2468μs=2.468ms.如果可以保持不间断地发送，吞吐率=244/0.002468=98865Bytes≈98KBps。但是实际必然无法达到这个速度，就是由于上面说的，每一个连接间隔无法全部用于发送数据，即便让连接间隔是2.468ms的整数倍，协议栈也会留出一些空隙用于内部业务处理，对于Ingchips来说，这个间隙大约在4-6ms。因此实测的93KBps已接近理论吞吐量的极限。根据上面的分析，合理猜测如果把连接间隔无限拉长，可以最小化每个连接间隔空隙4-6ms的影响。但实际上，协议栈总需要时间来处理自己的事务，如果把连接间隔设的过长，且全部用于发送数据，协议栈就会在一定时间停止发送，且此连接间隔剩下的时间也不再用于发送数据，因此数据速率还会下降。

三、2M PHY
1、Ellisys抓包2M PHY方法

如下图所示，勾选2M PHY

2、实测

在连接间隔设为60，152kBps以上。

具体过程不再赘述。

四、实操
1、环境准备，硬件：

INGCHIPS开发板两套，可以咨询INGCHIPS代理商世强购买（上面的胶棒天线需要自备）。

Micro USB线两条。

软件：

INGCHIPS SDK，下载最新版本。

串口调试工具，比如SSCOM。

2、测试过程

说明：             
             
关于INGCHIPS SDK的下载和安装、开发软件环境的配置、例程的编译和固件下载等具体问题，桃芯官网提供了丰富的由浅入深的开发资料，前期搭建环境过程中可以参照。             
             
http://www.ingchips.cn/intro/25.html              
             
https://ingchips.github.io/docs/application-notes/ 

                   
过程中遇到问题也可以咨询桃芯科技的代理商或原厂支持。

SDK安装好后，在两块开发板分别下载SDK提供的专门用于吞吐量测试的主从例程。

连接主设备的串口，主设备上电会有打印，有相关调试指令的说明。

主设备扫描到从设备后，会自动进行连接。

之后发送测试指令（start m->s表示主设备发，从设备收），主设备的串口就会1秒钟发送一次实时吞吐率测试结果。

可以参照第二部分中，调整连接参数的配置，观察吞吐率的变化。如果有条件，也可以用Ellisys实时抓取连接过程，观察空中包的发送情况。注意：测试时把两套开发板放在靠近的位置上，保证二者有稳定的信号连接，信号不稳或者太差会影响吞吐率，信号强度对吞吐率的影响欢迎小伙伴们自行测试。