大型測試網絡中的藍牙 PAwR

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

在藍牙連接智能設備不斷發展的動態環境中，高效的互連和可靠的通信對于成功實現產品性能至關重要。隨著對富有洞察力和多樣化數據的需求不斷增長，無線網絡的規模也越來越大。對于藍牙低功耗 (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，因此對具有數千個節點容量的大規模網絡日益增長的需求仍然沒有得到滿足。此外，基于連接的通信需要連續的專用通話時間和內存，這給可用的能源資源帶來了相當大的壓力。工業自動化和資產跟蹤等實時應用也面臨不可靠的同步導致的延遲問題。由于這些技術不適合用于大型集中式網絡，因此必須開發一種新的系統。

進入帶響應的周期性廣播 (PAwR)

在 2023 年 1 月發布的藍牙核心規范 5.4 版中，通過結合擴展廣播和周期性廣播功能，引入了一項名為 PAwR（帶響應的周期性廣播）的新功能。現在，我們可以在預定時隙中的節點之間進行通信，無需設備始終在線，也消除了由此產生的能源浪費。此功能允許在可能超過 10,000 個節點的星型網絡中使用低功耗設備形成大規模、集中式、雙向藍牙 LE 通信。同步數據包傳輸和更少的干擾也意味著整體延遲大大減少，允許用戶構建兼容 PAwR 的設備，確保整個生態系統的無縫互操作性，以滿足苛刻的實時應用需求。

與在實際應用中按計劃部署新系統一樣，PAwR 系統也需要經過穩健性、效率和可靠運行測試。測試這些大型無線網絡面臨著挑戰，因為它需要大量資源來實現現實的測試。

測試大型 PAwR 網絡

盡管有多種潛在應用，但藍牙 5.4 的 PAwR 功能仍主要由電子貨架標簽 (ESL) 市場驅動*。在典型的 ESL 網絡中，一個接入點 (AP) 可能會與數千個標簽通信。因此，網絡穩健性和性能至關重要，必須在應用開發過程中優先考慮。為確保開發朝著正確的方向發展，應用應在現實的環境中進行測試，理想情況下，還應在現實的規模上進行測試。

對于包含數千個節點的大型物聯網網絡，在現實規模上進行測試可能會給個人利益相關者帶來后勤和財務方面的挑戰。在 Silicon Labs，我們希望最大限度地減少客戶在這些挑戰上花費的資源，從而實現從開發到生產的高效進展，甚至對大規模應用也是如此。

為了確保我們的產品能夠用于這些要求苛刻的應用，我們在芬蘭埃斯波的辦公室建立了一個大型測試網絡。該網絡能夠支持多達 1500 個節點，迄今為止已用于執行性能、研究和基于集成的 PAwR 測試。然而，該網絡也可用于其他技術測試，如藍牙網狀網絡和 Zigbee。

測試網絡設置

我們的測試網絡在開發時充分考慮了靈活性，因此利用服務器機架以容納 6-12 個定制的木制模塊。每個模塊包含 15 個網絡節點，每個節點都是一個市售的 Silicon Labs 無線入門套件，并與 MG22 或 MG24 收音機板相結合。通過使用入門套件，我們可以輕松更換收音機板，從而測試我們產品組合中的任何技術。

圖 1 - 大型測試網絡的一部分。服務器機架支持模塊化和靈活的設置。

圖 2 - 形成網絡協議棧的板。

我們正在測試與網絡的真實無線通信，但每個節點仍可以通過 USB 或以太網連接進行訪問。這使我們能夠實時管理和調試任何單個節點。我們使用內部工具的組合以管理測試和網絡，所有這些工具都通過我們自己的測試框架捆綁在一起。利用該框架，我們實現了全球范圍內的協作式內部開發。

測試大型網絡

大型測試網絡的主要優勢是能夠在現實和苛刻的環境中分析無線網絡單個節點或更大部分的性能和集成。這使我們有機會將開發重點放在測試期間檢測到的特定限制上，從而針對這些用例優化我們的產品。

目前，ESL 是低功耗藍牙中要求最苛刻的應用之一。大規模測試這些網絡至關重要，因為它可以讓我們和客戶了解大量的 RF 活動如何影響網絡性能和穩定性。為了演示如何使用大型測試網絡來分析應用，我們準備了一份在測試網絡開發過程中收集的示例測試結果。該測試測量了 ESL 示例應用在部署包含 1,100 個標簽的 ESL 網絡時的性能。

ESL 網絡部署

ESL 網絡部署程序可以概括如下：

接入點 (AP) 啟動 PAwR 訓練并掃描廣播 ESL 標簽。
AP 連接到可用標簽，該標簽停止廣播。在此階段，可以使用多連接來同時配置多個標簽。
AP 為每個標簽分配了一個組和標簽 ID。接下來，標簽將通過其組和標簽 ID 進行標識。
標簽將在周期性廣播同步傳輸 (PAST) 過程中同步到 PAwR 訓練。
標簽同步后，它將與 AP 斷開連接，并開始偵聽來自 AP 的同步數據包。

對網絡中的所有標簽都執行此程序，然后部署 ESL 網絡。需要注意的是，PAwR 訓練需要在所有條件下運行，以保持已配置標簽的同步。

ESL 網絡部署 - 測試示例

此測試涵蓋了使用一個 AP 且包含 1,100 個 ESL 標簽的網絡的 ESL 網絡部署。為此，我們使用了 ESL 示例應用，該應用配置為僅支持單個連接。因此，AP 每次完全配置一個標簽，然后再繼續下一個標簽。我們將此配置作為測試的基準，我們可以在比較不同的網絡優化方法時使用它。例如，與基準結果相比，使用多連接時，ESL 網絡部署性能提高了 50% 以上。

生成的散點圖單獨顯示了每個 ESL 標簽的網絡部署情況。圖中的每個點代表一個標簽，Y 軸代表配置時間，X 軸代表每個 ESL 組的開始和結束。對于包含 1,100 個標簽的網絡，前 47 組包含 23 個標簽，最后一組包含 19 個標簽。

數據集中的離群值使用 (組, 標記) 格式單獨標記。通過這種方式，我們可以輕松識別網絡中需要進一步分析的行為。

一般來說，較大的無線網絡會導致更多的網絡擁塞。在測試開始時，有 1,100 個標簽同時廣播，導致不可避免的數據包沖突。這會減慢網絡配置過程，因為在 AP 和標簽之間建立連接需要重新傳輸數據包。

在上面的示例中可以直接看到網絡擁塞的影響。在網絡配置開始時，存在離群值。但隨著配置的進行，廣播的標簽減少，從而減少擁塞和離群值。

自從藍牙 5.4 中引入了 PAwR 并改進了對大型星型網絡的支持以來，藍牙 LE 已被集成到新的用例中。到目前為止，這種集成主要由 ESL 驅動。然而，其他用例正在出現。為了支持新 PAwR 應用的開發和集成，Silicon Labs 開發了一個包含 1,500 個節點的大型測試網絡。網絡硬件采用模塊化設計，可用于測試各種技術。如測試結果示例所示，大型測試網絡可以深入了解無線網絡的行為，并能夠針對各種用例更有效地開發可靠的應用。