大型測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的藍(lán)牙 PAwR

2024 年 8 月 21 日 | Sai Bharadwaj Balaji | 閱讀本文需要 5 分鐘

在藍(lán)牙連接智能設(shè)備不斷發(fā)展的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，高效的互連和可靠的通信對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能至關(guān)重要。隨著對(duì)富有洞察力和多樣化數(shù)據(jù)的需求不斷增長(zhǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也越來越大。對(duì)于藍(lán)牙低功耗 (LE)，由于基于連接的通信支持的連接太少，而無連接的通信仍然是單向的，因此對(duì)具有數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)容量的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的需求仍然沒有得到滿足。此外，基于連接的通信需要連續(xù)的專用通話時(shí)間和內(nèi)存，這給可用的能源資源帶來了相當(dāng)大的壓力。工業(yè)自動(dòng)化和資產(chǎn)跟蹤等實(shí)時(shí)應(yīng)用也面臨不可靠的同步導(dǎo)致的延遲問題。由于這些技術(shù)不適合用于大型集中式網(wǎng)絡(luò)，因此必須開發(fā)一種新的系統(tǒng)。

進(jìn)入帶響應(yīng)的周期性廣播 (PAwR)

在 2023 年 1 月發(fā)布的藍(lán)牙核心規(guī)范 5.4 版中，通過結(jié)合擴(kuò)展廣播和周期性廣播功能，引入了一項(xiàng)名為 PAwR（帶響應(yīng)的周期性廣播）的新功能。現(xiàn)在，我們可以在預(yù)定時(shí)隙中的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，無需設(shè)備始終在線，也消除了由此產(chǎn)生的能源浪費(fèi)。此功能允許在可能超過 10,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)中使用低功耗設(shè)備形成大規(guī)模、集中式、雙向藍(lán)牙 LE 通信。同步數(shù)據(jù)包傳輸和更少的干擾也意味著整體延遲大大減少，允許用戶構(gòu)建兼容 PAwR 的設(shè)備，確保整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的無縫互操作性，以滿足苛刻的實(shí)時(shí)應(yīng)用需求。

與在實(shí)際應(yīng)用中按計(jì)劃部署新系統(tǒng)一樣，PAwR 系統(tǒng)也需要經(jīng)過穩(wěn)健性、效率和可靠運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試這些大型無線網(wǎng)絡(luò)面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰罅抠Y源來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的測(cè)試。

測(cè)試大型 PAwR 網(wǎng)絡(luò)

盡管有多種潛在應(yīng)用，但藍(lán)牙 5.4 的 PAwR 功能仍主要由電子貨架標(biāo)簽 (ESL) 市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)*。在典型的 ESL 網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)接入點(diǎn) (AP) 可能會(huì)與數(shù)千個(gè)標(biāo)簽通信。因此，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性和性能至關(guān)重要，必須在應(yīng)用開發(fā)過程中優(yōu)先考慮。為確保開發(fā)朝著正確的方向發(fā)展，應(yīng)用應(yīng)在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，理想情況下，還應(yīng)在現(xiàn)實(shí)的規(guī)模上進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于包含數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)實(shí)規(guī)模上進(jìn)行測(cè)試可能會(huì)給個(gè)人利益相關(guān)者帶來后勤和財(cái)務(wù)方面的挑戰(zhàn)。在 Silicon Labs，我們希望最大限度地減少客戶在這些挑戰(zhàn)上花費(fèi)的資源，從而實(shí)現(xiàn)從開發(fā)到生產(chǎn)的高效進(jìn)展，甚至對(duì)大規(guī)模應(yīng)用也是如此。

為了確保我們的產(chǎn)品能夠用于這些要求苛刻的應(yīng)用，我們?cè)诜姨m埃斯波的辦公室建立了一個(gè)大型測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)能夠支持多達(dá) 1500 個(gè)節(jié)點(diǎn)，迄今為止已用于執(zhí)行性能、研究和基于集成的 PAwR 測(cè)試。然而，該網(wǎng)絡(luò)也可用于其他技術(shù)測(cè)試，如藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和 Zigbee。

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

我們的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)在開發(fā)時(shí)充分考慮了靈活性，因此利用服務(wù)器機(jī)架以容納 6-12 個(gè)定制的木制模塊。每個(gè)模塊包含 15 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)市售的 Silicon Labs 無線入門套件，并與 MG22 或 MG24 收音機(jī)板相結(jié)合。通過使用入門套件，我們可以輕松更換收音機(jī)板，從而測(cè)試我們產(chǎn)品組合中的任何技術(shù)。

圖 1 - 大型測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的一部分。服務(wù)器機(jī)架支持模塊化和靈活的設(shè)置。

圖 2 - 形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的板。

我們正在測(cè)試與網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)無線通信，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)仍可以通過 USB 或以太網(wǎng)連接進(jìn)行訪問。這使我們能夠?qū)崟r(shí)管理和調(diào)試任何單個(gè)節(jié)點(diǎn)。我們使用內(nèi)部工具的組合以管理測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)，所有這些工具都通過我們自己的測(cè)試框架捆綁在一起。利用該框架，我們實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)的協(xié)作式內(nèi)部開發(fā)。

測(cè)試大型網(wǎng)絡(luò)

大型測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)是能夠在現(xiàn)實(shí)和苛刻的環(huán)境中分析無線網(wǎng)絡(luò)單個(gè)節(jié)點(diǎn)或更大部分的性能和集成。這使我們有機(jī)會(huì)將開發(fā)重點(diǎn)放在測(cè)試期間檢測(cè)到的特定限制上，從而針對(duì)這些用例優(yōu)化我們的產(chǎn)品。

目前，ESL 是低功耗藍(lán)牙中要求最苛刻的應(yīng)用之一。大規(guī)模測(cè)試這些網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，因?yàn)樗梢宰屛覀兒涂蛻袅私獯罅康?RF 活動(dòng)如何影響網(wǎng)絡(luò)性能和穩(wěn)定性。為了演示如何使用大型測(cè)試網(wǎng)絡(luò)來分析應(yīng)用，我們準(zhǔn)備了一份在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)開發(fā)過程中收集的示例測(cè)試結(jié)果。該測(cè)試測(cè)量了 ESL 示例應(yīng)用在部署包含 1,100 個(gè)標(biāo)簽的 ESL 網(wǎng)絡(luò)時(shí)的性能。

ESL 網(wǎng)絡(luò)部署

ESL 網(wǎng)絡(luò)部署程序可以概括如下：

接入點(diǎn) (AP) 啟動(dòng) PAwR 訓(xùn)練并掃描廣播 ESL 標(biāo)簽。
AP 連接到可用標(biāo)簽，該標(biāo)簽停止廣播。在此階段，可以使用多連接來同時(shí)配置多個(gè)標(biāo)簽。
AP 為每個(gè)標(biāo)簽分配了一個(gè)組和標(biāo)簽 ID。接下來，標(biāo)簽將通過其組和標(biāo)簽 ID 進(jìn)行標(biāo)識(shí)。
標(biāo)簽將在周期性廣播同步傳輸 (PAST) 過程中同步到 PAwR 訓(xùn)練。
標(biāo)簽同步后，它將與 AP 斷開連接，并開始偵聽來自 AP 的同步數(shù)據(jù)包。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有標(biāo)簽都執(zhí)行此程序，然后部署 ESL 網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，PAwR 訓(xùn)練需要在所有條件下運(yùn)行，以保持已配置標(biāo)簽的同步。

ESL 網(wǎng)絡(luò)部署 - 測(cè)試示例

此測(cè)試涵蓋了使用一個(gè) AP 且包含 1,100 個(gè) ESL 標(biāo)簽的網(wǎng)絡(luò)的 ESL 網(wǎng)絡(luò)部署。為此，我們使用了 ESL 示例應(yīng)用，該應(yīng)用配置為僅支持單個(gè)連接。因此，AP 每次完全配置一個(gè)標(biāo)簽，然后再繼續(xù)下一個(gè)標(biāo)簽。我們將此配置作為測(cè)試的基準(zhǔn)，我們可以在比較不同的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法時(shí)使用它。例如，與基準(zhǔn)結(jié)果相比，使用多連接時(shí)，ESL 網(wǎng)絡(luò)部署性能提高了 50% 以上。

生成的散點(diǎn)圖單獨(dú)顯示了每個(gè) ESL 標(biāo)簽的網(wǎng)絡(luò)部署情況。圖中的每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)標(biāo)簽，Y 軸代表配置時(shí)間，X 軸代表每個(gè) ESL 組的開始和結(jié)束。對(duì)于包含 1,100 個(gè)標(biāo)簽的網(wǎng)絡(luò)，前 47 組包含 23 個(gè)標(biāo)簽，最后一組包含 19 個(gè)標(biāo)簽。

數(shù)據(jù)集中的離群值使用 (組, 標(biāo)記) 格式單獨(dú)標(biāo)記。通過這種方式，我們可以輕松識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中需要進(jìn)一步分析的行為。

一般來說，較大的無線網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致更多的網(wǎng)絡(luò)擁塞。在測(cè)試開始時(shí)，有 1,100 個(gè)標(biāo)簽同時(shí)廣播，導(dǎo)致不可避免的數(shù)據(jù)包沖突。這會(huì)減慢網(wǎng)絡(luò)配置過程，因?yàn)樵?AP 和標(biāo)簽之間建立連接需要重新傳輸數(shù)據(jù)包。

在上面的示例中可以直接看到網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響。在網(wǎng)絡(luò)配置開始時(shí)，存在離群值。但隨著配置的進(jìn)行，廣播的標(biāo)簽減少，從而減少擁塞和離群值。

自從藍(lán)牙 5.4 中引入了 PAwR 并改進(jìn)了對(duì)大型星型網(wǎng)絡(luò)的支持以來，藍(lán)牙 LE 已被集成到新的用例中。到目前為止，這種集成主要由 ESL 驅(qū)動(dòng)。然而，其他用例正在出現(xiàn)。為了支持新 PAwR 應(yīng)用的開發(fā)和集成，Silicon Labs 開發(fā)了一個(gè)包含 1,500 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，可用于測(cè)試各種技術(shù)。如測(cè)試結(jié)果示例所示，大型測(cè)試網(wǎng)絡(luò)可以深入了解無線網(wǎng)絡(luò)的行為，并能夠針對(duì)各種用例更有效地開發(fā)可靠的應(yīng)用。