本應用指南詳細介紹了測試 Zigbee 網狀網絡性能的方法。隨著當今無線市場上可用的網狀網絡數量不斷增加，設計人員必須了解這些網絡的使用情況及其預期性能。選擇網絡或設備時，設計人員需要了解網絡的性能和行為特征，如電池壽命、網絡吞吐量和延遲，以及網絡規模對可擴展性和可靠性的影響。
本應用指南介紹了 Zigbee 網狀網絡在性能和行為方面與其他網狀網絡的不同。使用能夠運行 Zigbee Mesh 和專有協議的 Silicon Labs Zigbee Mesh 軟件堆棧和Silicon Labs Wireless Gecko SoC 平臺進行了測試。測試環境是一個商業辦公大樓，范圍內有 Wi-Fi 和 Zigbee 網絡。在走廊、會議室、辦公室和開放區域部署了無線測試集群。定義了執行基準測試的方法，以便其他人可以運行相同的測試。這些結果主要用于為設計實踐和原則以及預期的現場性能結果提供指導。
內容要點
說明了 Silicon Labs 研發 (R&D) 中的無線測試網絡。
評估了無線條件和環境。
介紹了網狀網絡性能，包括吞吐量、延遲和大型網絡可擴展性。
閱讀完整的Zigbee網狀網絡性能測試報告：https://www.silabs.com/documents/login/application-notes/an1138-zigbee-mesh-network-performance-cn.pdf
有關其他技術的性能基準測試信息，請參閱http://www.silabs.com/mesh-performance
介紹和背景
在開發人員會議和行業白皮書中，Silicon Labs 提供了嵌入式網狀網絡的性能測試結果。系統設計人員可以使用吞吐量、延遲和安全影響等基本性能數據來定義預期行為。測試是通過我們的各種網狀網絡技術完成的 – Zigbee、Thread 和 Bluetooth，每種都單獨做了介紹。本應用指南介紹了Zigbee 網絡的性能。
基礎物理層和數據包結構
網絡性能取決于有效荷載的大小，這是因為數據包開銷中不包含應用的使用。
Zigbee 使用 IEEE 802.15.4 2006，127 字節數據包和250 kbps 的基礎數據速率。Zigbee 數據包格式顯示如下，結果為 68 字節有效荷載。對于 68 字節以上的有效荷載，Zigbee 會分成多個數據包。我們的性能數據取決于有效荷載大小，因為這是構建應用時需要考慮的設計參數。
Zigbee數據包格式
網絡路由差異
Zigbee 專為家庭和建筑自動化設計。Zigbee 支持多種路由技術，包括用于路由發現或組消息的網狀網絡泛洪、用于網狀網絡中受控消息的下一跳路由、以及到網關后再使用源路由發送到設備的多對一路由。Zigbee 網絡通常會同時使用這些方法。
網絡將較大的消息分成較小的消息。對于 Zigbee，分段是在應用層完成的，并且從源到目標是端到端。
對于這些網絡中的單播轉發，只要設備準備好發送，就會轉發該消息。對于多播轉發，通常有關于如何轉發消息的網絡要求。對于 Zigbee 設備，只有在抖動達到 64 毫秒后才能通過設備轉發多播消息。但是，在重發初始消息之前，發起設備有 500 毫秒的時間差。
Note: 此性能數據適用于 Silicon Labs 實現這些網狀網絡堆棧。正如為此測試提供的測試網絡和基礎設施所顯示的那樣，未使用其他堆棧或系統執行測試。
目標和方法
本應用指南定義了一系列用于評估網狀網絡性能、可擴展性和可靠性的測試。描述了測試條件和基礎設施，以及消息延遲和可靠性。該測試是通過測試網絡中的實際無線設備進行的，而不是模擬。
此測試主要為了提供不同網格技術之間的對比，以更好地理解和推薦其用途。不同的網絡和系統設計對設備和網絡有不同的要求。因此，沒有一個網絡能夠滿足所有的網絡要求。但是，我們要對比的三種網狀網絡技術都是針對家庭和商業建筑中用于安防監控的低功耗和電池供電網狀網絡。
通常，分析網絡性能數據時，我們會考慮可以對網絡進行哪些改進以提高性能。因為目前關于大型網絡的網狀網絡性能的公開數據有限，所以很難就可能的改進或變化進行行業討論。例如，在商業建筑中，人們擔心：
其他網絡流量，因為可能有許多子網互相干擾。
正常建筑 Wi-Fi 基礎設施的 Wi-Fi 干擾，因為這些技術通常在 2.4 GHz ISM 頻段中運行。
網絡吞吐量和延遲以及大型網絡多播延遲和可靠性，這是因為多播常被用于密集辦公環境中的照明控制，并且系統用戶預期照明控制會有響應性。
Note: 這里的測試結果僅限于在正常運行條件下比較系統性能，或者在特定測試中指出的壓力下進行比較。本應用指南不提供系統干擾或其他此類影響的解決方案，這可參考其他已公布的結果。不過，測試是在我們的SiliconLabs R&D 設施進行的，其RF范圍內有超過100個Wi-Fi接入點。該設施還有一個 300 節點的Zigbee照明網絡，該網絡不屬于本測試的一部分，而是用于普通照明控制。
其他性能測試回顧
沒有用于評估和報告大型網絡可靠性、可擴展性或延遲的具體、已定義方法。過去，Silicon Labs 發表了多篇論文，根據網絡測試對比網絡性能。測試主要關注設備行為以及對電池壽命、網絡吞吐量和延遲的影響。大規模多播測試還需要從大型分布式網絡中采集準確的時間和可靠性信息。所有測試均使用能夠運行 Zigbee、Thread、Bluetooth Mesh、和專有 RF 協議的 Silicon Labs Wireless Gecko SoC 平臺執行，以避免測試中設備本身造成的差異。先前公布的結果有收發器、網絡協處理器和片上系統設計之間的差異。這些設備全部使用片上系統設計。
其他關于性能的論文有 Kui Liu 編寫的關于 Zigbee 網絡性能的碩士畢業論文“嵌入式電表的 Zigbee 網絡性能評估”，由瑞典皇家理工學院電氣工程系出版。對于單跳內的露天往返時間，他們測試了不同的范圍，結果如下：
距離和平均往返行程的數據包丟失
該測試使用100毫秒間隔的50字節有效荷載單播，安全關閉。請注意，Zigbee 不允許關閉安全。結果顯示1跳測試一直需要約18毫秒的往返時間。在室內使用各種干擾條件重復進行該測試，發現1跳的往返時間與18毫秒相差不大。未提供多跳測試結果。
測試網絡和條件
為了最大限度地減少差異，設備測試也可以在固定拓撲結構中執行，其中 RF 路徑通過分路器和衰減器連接在一起，以確保拓撲結構不會隨時間和測試而發生變化。此方法在 7 跳測試中用以保證網絡拓撲。MAC 過濾也可用于實現網絡拓撲。
大型網絡測試最好在露天環境中進行，其中設備行為取決于現有的和變化的 RF 條件。Silicon Labs R&D 設施即被用于此露天測試。
設施和測試網絡條件
Silicon Labs R&D 設施包含一個帶電梯井的中央核心，其他服務在大樓西端并有開放式平面圖，辦公室和會議室位于東端。整個設施占地約 120 英尺乘 200 英尺。下圖顯示了設施布局。較深的線代表堅硬的墻壁，其他所有部分都使用立方體分隔。
測試設備安裝在設施周圍的不同位置。這些設備都有以太網反向信道連接，以允許：
固件更新
命令行接口
腳本處理
定時分析
數據包采集
能量測量
典型測試集群
測試集群分布在整個設施中，包括高低位置、開放區域以及封閉的會議室和辦公室。
該測試網絡會定期添加或移除設備，但在進行此測試時，它包含以下設備：
EM35xx 設備
EFR32 Mighty Gecko 設備
這個網絡代表了網絡和軟件質量保證團隊用于露天測試的設備。所有設備均由中央測試服務器和基礎設施控制，可進行腳本式的回歸測試或由工程師手動測試。
測試和結果
吞吐量和延遲
在受控網絡（有線配置）中測試了吞吐量和延遲，以測試各種數據包有效荷載下的跳頻。正常配置是測試 6 個跳頻。
測試是使用一個源節點和一系列路由節點完成的，以便更改跳頻數量。
測試使用以下配置：
Zigbee 應用層消息
延遲測試使用的數據包有效荷載為 50 字節到 300 字節，50 字節為增量
測試時開啟安全
從 1 到 6 跳
飛行模式下使用 2 個數據包（第 3 個在收到第 1 個確認時發送…）
在給定確認時間的情況下盡可能快地發送
測量往返延遲（源到目的地到源），以毫秒為單位
對于各個網狀網絡，當我們如上所述增加有效荷載大小時，數據包分段行為不同。使用較大的數據包大小取決于應用層，但我們在此提供比較數據，以說明發生分段時的相對性能。
Zigbee 多跳延遲
在這個多跳延遲測試中有多個值得注意的地方：
對于高達 250 字節的 1 跳有效荷載，我們看到延遲非常低 (60 毫秒)。
對于 50 字節的有效荷載（包含在 1 個數據包內），Zigbee 在 6 跳內保持了 140 毫秒以下的延遲。
在載荷超過 150 字節且跳數超過 5 之前，延遲保持在 200 毫秒以下。
Zigbee 大型網絡測試結果
Zigbee 測試是使用最新版本的 Zigbee 堆棧完成的。Zigbee 網絡測試使用 5、25 和 50 字節的載荷完成，正常廣播傳輸間隔為 3 秒。
測試時有以下值得注意的地方：
隨著數據包有效荷載的增加，設備的延遲也增加。這是預料中的正常的行為，因為傳輸較大的數據包需要更多時間。
我們看到所有測試的可靠性都是 100%。注意這些是 100 個廣播測試。對于低于 100 廣播的測試，可以使用較大的測試以更好地測量可靠性。
隨著網絡規模的增長，我們看到延遲也會增加和擴散，這是因為它需要多跳才能發送完所有消息。在較大的網絡中，因為所有設備都在嘗試重復消息，所以廣播中競爭也更多。
該測試使用 3 秒的廣播間隔，即在發送下一條消息之前，給網絡一些恢復時間。下面分別顯示了各個測試中當廣播間隔減少時發生的情況。
縮短間隔的 Zigbee 網絡測試
眾所周知，應該盡量避免在 15.4 網絡中使用廣播，因為它們會導致網絡暫時泛洪。Zigbee 網絡有廣播交易記錄，可以防止重復處理設備轉發的廣播。該廣播表必須包含至少 9 個條目，并且它們會在 9 秒后失效，這意味著平均每秒只支持 1 個廣播。因為上述測試使用的是 3 秒的廣播間隔，所以又使用 2 秒和 1 秒的間隔進行了其他測試，以分析相對網絡規模的影響。
小結
Zigbee 表現出優異的可靠性且延遲低于通常人類與設備互動所需的 200 毫秒時間。Zigbee 網絡在我們測試的 192 節點的網絡中表現良好，但如果廣播頻率太高，Zigbee 也會顯示延遲增加。
隨著網絡規模的增加，增加的跳數和廣播擁塞會導致延遲有一定程度的增加。隨著數據包有效荷載的增加，網絡中的延遲也會增加，但這在測試 5、25 和50字節的有效荷載時影響較小。廣播間隔降低到 1 秒時，最大延遲會增加，這對于某些應用可能會不太理想。
后續測試注意事項
本應用指南中描述的測試需要進行后續測試，以進一步定義設備行為和網絡運行。為后續測試記錄了以下具體項目：
這些測試中可以添加故障測試以評估恢復時間和對可靠性的影響，方法是將節點從網絡中刪除。
測試應使用在片上系統和網絡協處理器 (NCP) 模式下運行的不同設備類型執行。先前的測試發現這些運行模式之間的一些差異，因此應進一步表征。