大型测试网络中的蓝牙 PAwR
在蓝牙连接智能设备不断发展的动态环境中，高效的互连和可靠的通信对于成功实现产品性能至关重要。随着对富有洞察力和多样化数据的需求不断增长，无线网络的规模也越来越大。对于蓝牙低功耗 (LE)，由于基于连接的通信支持的连接太少，而无连接的通信仍然是单向的，因此对具有数千个节点容量的大规模网络日益增长的需求仍然没有得到满足。此外，基于连接的通信需要连续的专用通话时间和内存，这给可用的能源资源带来了相当大的压力。工业自动化和资产跟踪等实时应用也面临不可靠的同步导致的延迟问题。由于这些技术不适合用于大型集中式网络，因此必须开发一种新的系统。
进入带响应的周期性广播 (PAwR)
在 2023 年 1 月发布的蓝牙核心规范 5.4 版中，通过结合扩展广播和周期性广播功能，引入了一项名为 PAwR（带响应的周期性广播）的新功能。现在，我们可以在预定时隙中的节点之间进行通信，无需设备始终在线，也消除了由此产生的能源浪费。此功能允许在可能超过 10,000 个节点的星型网络中使用低功耗设备形成大规模、集中式、双向蓝牙 LE 通信。同步数据包传输和更少的干扰也意味着整体延迟大大减少，允许用户构建兼容 PAwR 的设备，确保整个生态系统的无缝互操作性，以满足苛刻的实时应用需求。
与在实际应用中按计划部署新系统一样，PAwR 系统也需要经过稳健性、效率和可靠运行测试。测试这些大型无线网络面临着挑战，因为它需要大量资源来实现现实的测试。
测试大型 PAwR 网络
尽管有多种潜在应用，但蓝牙 5.4 的 PAwR 功能仍主要由电子货架标签 (ESL) 市场驱动*。在典型的 ESL 网络中，一个接入点 (AP) 可能会与数千个标签通信。因此，网络稳健性和性能至关重要，必须在应用开发过程中优先考虑。为确保开发朝着正确的方向发展，应用应在现实的环境中进行测试，理想情况下，还应在现实的规模上进行测试。
对于包含数千个节点的大型物联网网络，在现实规模上进行测试可能会给个人利益相关者带来后勤和财务方面的挑战。在 Silicon Labs，我们希望最大限度地减少客户在这些挑战上花费的资源，从而实现从开发到生产的高效进展，甚至对大规模应用也是如此。
为了确保我们的产品能够用于这些要求苛刻的应用，我们在芬兰埃斯波的办公室建立了一个大型测试网络。该网络能够支持多达 1500 个节点，迄今为止已用于执行性能、研究和基于集成的 PAwR 测试。然而，该网络也可用于其他技术测试，如蓝牙网状网络和 Zigbee。
测试网络设置
我们的测试网络在开发时充分考虑了灵活性，因此利用服务器机架以容纳 6-12 个定制的木制模块。每个模块包含 15 个网络节点，每个节点都是一个市售的 Silicon Labs 无线入门套件，并与 MG22 或 MG24 收音机板相结合。通过使用入门套件，我们可以轻松更换收音机板，从而测试我们产品组合中的任何技术。
图 1 - 大型测试网络的一部分。服务器机架支持模块化和灵活的设置。
图 2 - 形成网络协议栈的板。
我们正在测试与网络的真实无线通信，但每个节点仍可以通过 USB 或以太网连接进行访问。这使我们能够实时管理和调试任何单个节点。我们使用内部工具的组合以管理测试和网络，所有这些工具都通过我们自己的测试框架捆绑在一起。利用该框架，我们实现了全球范围内的协作式内部开发。
测试大型网络
大型测试网络的主要优势是能够在现实和苛刻的环境中分析无线网络单个节点或更大部分的性能和集成。这使我们有机会将开发重点放在测试期间检测到的特定限制上，从而针对这些用例优化我们的产品。
目前，ESL 是低功耗蓝牙中要求最苛刻的应用之一。大规模测试这些网络至关重要，因为它可以让我们和客户了解大量的 RF 活动如何影响网络性能和稳定性。为了演示如何使用大型测试网络来分析应用，我们准备了一份在测试网络开发过程中收集的示例测试结果。该测试测量了 ESL 示例应用在部署包含 1,100 个标签的 ESL 网络时的性能。
ESL 网络部署
ESL 网络部署程序可以概括如下：
- 接入点 (AP) 启动 PAwR 训练并扫描广播 ESL 标签。
- AP 连接到可用标签，该标签停止广播。在此阶段，可以使用多连接来同时配置多个标签。
- AP 为每个标签分配了一个组和标签 ID。接下来，标签将通过其组和标签 ID 进行标识。
- 标签将在周期性广播同步传输 (PAST) 过程中同步到 PAwR 训练。
- 标签同步后，它将与 AP 断开连接，并开始侦听来自 AP 的同步数据包。
对网络中的所有标签都执行此程序，然后部署 ESL 网络。需要注意的是，PAwR 训练需要在所有条件下运行，以保持已配置标签的同步。
ESL 网络部署 - 测试示例
此测试涵盖了使用一个 AP 且包含 1,100 个 ESL 标签的网络的 ESL 网络部署。为此，我们使用了 ESL 示例应用，该应用配置为仅支持单个连接。因此，AP 每次完全配置一个标签，然后再继续下一个标签。我们将此配置作为测试的基准，我们可以在比较不同的网络优化方法时使用它。例如，与基准结果相比，使用多连接时，ESL 网络部署性能提高了 50% 以上。
生成的散点图单独显示了每个 ESL 标签的网络部署情况。图中的每个点代表一个标签，Y 轴代表配置时间，X 轴代表每个 ESL 组的开始和结束。对于包含 1,100 个标签的网络，前 47 组包含 23 个标签，最后一组包含 19 个标签。
数据集中的离群值使用 (组, 标记) 格式单独标记。通过这种方式，我们可以轻松识别网络中需要进一步分析的行为。
一般来说，较大的无线网络会导致更多的网络拥塞。在测试开始时，有 1,100 个标签同时广播，导致不可避免的数据包冲突。这会减慢网络配置过程，因为在 AP 和标签之间建立连接需要重新传输数据包。
在上面的示例中可以直接看到网络拥塞的影响。在网络配置开始时，存在离群值。但随着配置的进行，广播的标签减少，从而减少拥塞和离群值。
自从蓝牙 5.4 中引入了 PAwR 并改进了对大型星型网络的支持以来，蓝牙 LE 已被集成到新的用例中。到目前为止，这种集成主要由 ESL 驱动。然而，其他用例正在出现。为了支持新 PAwR 应用的开发和集成，Silicon Labs 开发了一个包含 1,500 个节点的大型测试网络。网络硬件采用模块化设计，可用于测试各种技术。如测试结果示例所示，大型测试网络可以深入了解无线网络的行为，并能够针对各种用例更有效地开发可靠的应用。
参考
*蓝牙 SiG ESL 配置文件和服务是运行 ESL 核心功能的标准化方法。
