【经验】利用Zigbee Mesh软件堆栈和Wireless Gecko SoC平台测试Zigbee网状网络性能

时间： 2019-09-28 来源：Silicon Labs

技术问答

本文详细介绍了SILICON LABS测试 Zigbee 网状网络性能的环境、目的、方法和结果。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。

这次测试使用能够运行 Zigbee Mesh 和专有协议的 Silicon Labs Zigbee Mesh软件堆栈和Silicon Labs Wireless Gecko SoC平台进行了测试。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。

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。

Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 2006，127 字节数据包和250 kbps 的基础数据速率。Zigbee 数据包格式显示如下，结果为 68 字节有效荷载。对于 68 字节以上的有效荷载，Zigbee 会分成多个数据包。Silicon Labs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。

Zigbee数据包格式

目标和方法：

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，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。

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。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设备和EFR32 Mighty Gecko设备。

测试和结果：

吞吐量和延迟：

在受控网络（有线配置）中测试了吞吐量和延迟，以测试各种数据包有效荷载下的跳频。正常配置是测试 6 个跳频。测试是使用一个源节点和一系列路由节点完成的，以便更改跳频数量。测试使用以下配置：

Zigbee 应用层消息
延迟测试使用的数据包有效荷载为 50 字节到 300 字节，50 字节为增量
测试时开启安全
从 1 到 6 跳
飞行模式下使用 2 个数据包（第 3 个在收到第 1 个确认时发送）
在给定确认时间的情况下尽可能快地发送
测量往返延迟（源到目的地到源），以毫秒为单位

对于各个网状网络，当如上所述增加有效荷载大小时，数据包分段行为不同。使用较大的数据包大小取决于应用层，但Silicon Labs在此提供比较数据，以说明发生分段时的相对性能。

Zigbee 多跳延迟：

在这个多跳延迟测试中有多个值得注意的地方：

对于高达 250 字节的 1 跳有效荷载，可以看到延迟非常低 (60 毫秒)。
对于 50 字节的有效荷载（包含在 1 个数据包内），Zigbee 在 6 跳内保持了 140 毫秒以下的延迟。
在载荷超过 150 字节且跳数超过 5 之前，延迟保持在 200 毫秒以下。

Zigbee 大型网络测试结果

Zigbee 测试是使用最新版本的 Zigbee 堆栈完成的。Zigbee 网络测试使用 5、25 和 50 字节的载荷完成，正常广播传输间隔为 3 秒。测试时有以下值得注意的地方：

随着数据包有效荷载的增加，设备的延迟也增加。这是预料中的正常的行为，因为传输较大的数据包需要更多时间。
Silicon Labs看到所有测试的可靠性都是 100%。注意这些是 100 个广播测试。对于低于 100 广播的测试，可以使用较大的测试以更好地测量可靠性。
随着网络规模的增长，Silicon Labs看到延迟也会增加和扩散，这是因为它需要多跳才能发送完所有消息。在较大的网络中，因为所有设备都在尝试重复消息，所以广播中竞争也更多。
该测试使用 3 秒的广播间隔，即在发送下一条消息之前，给网络一些恢复时间。

缩短间隔的 Zigbee 网络测试

众所周知，应该尽量避免在 15.4 网络中使用广播，因为它们会导致网络暂时泛洪。Zigbee 网络有广播交易记录，可以防止重复处理设备转发的广播。该广播表必须包含至少 9 个条目，并且它们会在 9 秒后失效，这意味着平均每秒只支持 1 个广播。因为上述测试使用的是 3 秒的广播间隔，所以又使用 2 秒和 1 秒的间隔进行了其他测试，以分析相对网络规模的影响。

小结

Zigbee 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。Zigbee 网络在测试的 192 节点的网络中表现良好，但如果广播频率太高，Zigbee 也会显示延迟增加。

随着网络规模的增加，增加的跳数和广播拥塞会导致延迟有一定程度的增加。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。广播间隔降低到 1 秒时，最大延迟会增加，这对于某些应用可能会不太理想。

后续测试注意事项

本文中描述的测试需要进行后续测试，以进一步定义设备行为和网络运行。为后续测试记录了以下具体项目：

这些测试中可以添加故障测试以评估恢复时间和对可靠性的影响，方法是将节点从网络中删除。
测试应使用在片上系统和网络协处理器 (NCP) 模式下运行的不同设备类型执行。先前的测试发现这些运行模式之间的一些差异，因此应进一步表征。

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