Zigbee、线程和蓝牙网状网络在性能基准测试中如何叠加

许多无线协议选项可供智能家居和楼宇自动化产品的开发人员使用。Zigbee，Z-Wave和专有无线控制在当今的市场中占据主导地位，新进入者包括螺纹和蓝牙网状网络。虽然低功耗蓝牙（BLE）和Wi-Fi在这些市场中也很受欢迎，但它们不支持网状网络。无论底层协议如何，为物联网部署的网络都必须是健壮的，这种健壮性可以通过测量吞吐量、延迟和可靠性来量化。这些测量取决于安装尺寸和其他系统级要求。

在网状网络协议方面，“一刀切并不适合所有人”。每种无线协议都具有独特的特性和优势，具体取决于用例和最终应用。了解网格技术的内部工作原理超出了关键功能的列表。更重要的是，开发人员需要了解这些网络协议在功耗、吞吐量、延迟、可扩展性、安全性和 Internet 协议 （IP） 连接等关键领域的性能。Zigbee、Thread 和蓝牙网状网络的设计都从头开始不同，每个网状网络的实现方式都会对系统性能和稳健性产生影响。

丰富的无线连接选项

无线片上系统（SoC）设备已经变得足够具有成本效益，可以添加到无数的“东西”中，为我们的日常生活提供便利，安全和舒适。当添加无线连接时，“事物”就变成了物联网设备。今天的许多物联网设备以前都是没有无线互联网连接的东西。不断变化的法规和消费者的期望迫使产品制造商为无数产品和系统添加无线连接，以保持竞争力或创造新收入流的潜力。当开发人员选择构建物联网设备时，他们必须考虑如何使用最终产品以及这些产品将在其中运行的生态系统。

无线网络的类型

在许多相互竞争的物联网无线技术中存在两种基本拓扑结构：网状和星形。在家庭和楼宇自动化中，Mesh通常比星形网络更受欢迎，因为它能够扩展到多个节点并覆盖长距离。星形网络依赖于终端节点和中央设备之间的点对点连接。如果安装网络后环境发生变化，星形网络可能会失败。另一方面，网格是分布式和自我修复的。如果部署网络后环境发生变化或节点发生故障，网状网络可以自我修复。

哪种网络最适合家庭和楼宇自动化？

Zigbee通常用于建筑和家庭自动化。最近，Thread和蓝牙网状网络正在考虑用于这些应用。Z-wave是另一种网状技术，在智能家居和家庭安全应用中也很受欢迎。我们没有将Z-Wave纳入我们最初的网状网络性能分析中，因为它专注于使用硅实验室的无线壁虎SoC作为测试的设备平台的2.4 GHz频段的协议比较。此外，在测试时，我们无法访问可比较的测试网络来验证Z-Wave结果。

家庭和楼宇自动化包括能量收集设备、电池供电设备和线路供电设备的组合。照明和恒温器通常是线路供电的，因为它们是基础设施的一部分，但这并不意味着功耗可以忽略不计。作为基础设施一部分并由交流供电的设备必须仔细管理，因为新的政府法规限制了“吸血鬼电源”。电池通常为远程传感器和控制元件供电。这意味着网格必须从功率角度理解两个根本不同的用例。

使用案例

网状网络在家庭和楼宇自动化中有许多潜在的用例。

安慰

例如，考虑剧院或博物馆的照明和环境控制。这些安装通常具有数百到数千个节点。灯光、窗帘电机和百叶窗需要以精确和精心设计的方式进行控制。所有的灯都需要同时调暗，控制窗帘的电机应该协同工作。细微的差异是显而易见的，会减损观众的体验。

家庭有类似的要求。如果您正在创建具有灯光和窗帘的场景，则用户期望获得无缝且精心设计的体验，其中所有灯光同时变暗，所有窗帘齐齐移动。

安全

像仓库这样的工业环境可能与剧院有不同的照明需求。通常，一个部分中的灯同时打开。但是，这些灯是否一起打开或者是否需要几秒钟才能全部亮起并不重要。用户体验和期望是不同的。另一方面，如果某些灯由于停电而需要快速打开，那么突然间时间确实很重要。

方便

例如，开发人员可能希望为仓库中的无线控制灯添加其他服务。在装置中，如果每盏灯都同时亮起，这可能并不重要。但是，如果开发人员想要添加其他服务，则网络的稳健程度可能很重要。

在网格安装中越来越受欢迎的一项服务是资产跟踪。在这种情况下，设计人员依靠控制网络来传输有关已安装基础设施所跟踪的资产的数据。在此示例中，吞吐量和延迟对于资产信息在网络中传播的速度很重要。

哪种网格协议最好？

没有简单的答案。Zigbee、螺纹和蓝牙网状网络之间存在根本的架构差异。Zigbee 和 Thread 可以在需要时使用泛洪，但通常使用路由网格来最小化可能干扰消息传递的网络开销。蓝牙网状网络使用泛洪网状网络，但允许将设备配置为路由器，以减少泛洪的影响。蓝牙特别兴趣小组（SIG）称之为“管理洪水”。

Zigbee 和线程网络包括路由节点和终端节点。路由节点通常由线路供电，并充当网格的骨干。终端节点通常由电池供电，在网格的外围运行，并使用路由器为其中继消息。路由表是在创建网格时建立的。路由表是一个目录，用于告诉每个设备如何与网格中的其他设备进行通信。通过这种方式，一个节点可以通过网格以精确的路由发送消息，从而有效地与另一个节点进行通信。这对网格的吞吐量有积极影响，并且可以随着网格的增长减少延迟。

路由网格历来优于泛洪网格，因为它提供更高效的通信和可预测的性能。另一方面，对于堆栈的开发人员来说，路由更难实现。

数据包结构

齐格比和螺纹包结构

Zigbee 和线程都使用 IEEE 802.15.4 和 127 字节数据包和 250 kbps 的基础数据速率。虽然 PHY 报头相同，但数据包结构不同，导致有效负载大小略有不同。Zigbee 数据包格式如图 2 所示，并产生 68 字节的有效负载。对于超过 68 字节的有效负载，Zigbee 会分段为多个数据包。线程数据包格式如图 3 所示，并产生 63 字节的有效负载。对于超过 63 字节的有效负载，线程堆栈将使用 6LoWPAN 进行分段。Silicon Labs 的网格性能数据基于有效负载大小，因为这是构建应用程序时关注的设计参数。

图 2.Zigbee 数据包格式

图 3.线程数据包格式

这些网络中的每一个都将较大的消息分成较小的消息。对于 Zigbee，碎片发生在应用程序层，并从源到目标进行端到端执行。对于线程，碎片在 6LoWPAN 层以及从源到目标的层完成。

对于这些网络中的单播转发，只要设备准备好发送，就会转发消息。对于多播转发，对于如何转发消息有网络要求：

对于 Zigbee 设备，只有在发生长达 64 毫秒的抖动后，设备才会转发多播消息。但是，在重新传输初始消息之前，启动设备有 500 毫秒的间隔。

RFC 7731 MPL 转发用于线程设备。涓流计时器设置为 64 毫秒，因此设备在重新传输之前会随机回退到此时间。

蓝牙 LE 数据包结构

低功耗蓝牙具有以下数据包结构，以最大限度地减少空中时间和能耗。蓝牙网状网络进一步完善了这种数据包结构，增加了网状网络和安全功能。

图 4. 蓝牙网状网络数据包格式

这意味着蓝牙网状网络只有 12 或 16 个字节可用于有效负载，除此之外，数据包被分割成单独的数据包并在目的地重新组装。此分段数据包携带一个标识分段的标头和 12 个字节的应用程序有效负载，但最后一个分段除外，后者可以更短。但是，蓝牙网状网络规范中的额外退缩要求会超出这些分段数据包，从而增加延迟并降低吞吐量。由于我们所有的吞吐量和延迟分析都基于应用程序有效负载，我们可以看到蓝牙网状网络需要比Zigbee或Thread更多的数据包，因为数据包有效负载大小较小。

路由与泛洪网格

Zigbee、螺纹和蓝牙网状网络专为家庭和楼宇自动化而设计。Zigbee支持多种路由技术，包括用于路由发现或组消息的网格泛洪;网格中受控消息的下一跳路由;和到网关的多对一路由，然后网关使用源路由到设备。Zigbee网络同时使用所有这些方法是正常的。

Thread 还支持下一跃点路由以及泛洪。但是，Thread 网络维护到所有路由器的下一跃点路由作为正常网络维护的一部分，而不是执行路由发现的设备。Thread 还最大限度地减少了活动路由器的数量，以解决大型网络的可扩展性问题。以前，这被视为嵌入式 802.15.4 网络的限制，因为在存在大量路由器的情况下，网络泛滥限制了多播流量的频率和可靠性。请注意，线程网络管理活动路由器的数量和间距，不需要用户干预或管理。

蓝牙网状网络支持托管泛洪。这是对泛洪网格的轻微旋转，因为用户可以指定哪些供电设备参与泛洪。这将减少洪水的影响，但需要用户确定其网络中路由器的适当密度和拓扑，这可能很困难。随着网络条件随时间而变化，哪些设备参与洪水可能也需要改变，这需要用户干预。

蓝牙还具有类似于Zigbee或Thread的终端设备，称为“友谊”设备。友谊设备与相邻的供电节点耦合，朋友的数据包由线路供电节点存储。朋友会定期醒来，询问邻居是否有任何数据包。用电节点仅将数据包保存一段定义的时间段，因此“朋友”需要签入其配对的中继节点。

我们对网状拓扑的研究分析了小型和大型网络。这些网络的行为可能非常不同，在考虑 10 节点网络或 200 节点网络时，路由和管理技术通常需要更改。

通常，在小型网络中，设备位于一个或两个跃点内，并且非常简单的路由或泛洪可能是合适的。随着网络规模的增长，它增加了复杂性，例如设备之间的跃点更多;设备的密度，在发送消息时可能会相互干扰;以及对延迟和可靠性的更多担忧。如果使用泛光类型消息打开 100 盏灯，则通常不能让 100 盏灯中的 98 盏或 99 盏灯打开或关闭。这种类型的问题在 10 节点网络中很少见，但在 100 节点网络中可能会变得很常见。

功绩数字

在前面提到的用例中，设计人员需要一个强大的应用网络。在评估网络的稳健性时要衡量的品质因数是吞吐量、延迟和可靠性。这三个测量可以准确地预测给定安装的网络鲁棒性。

吞吐量定义了网络的可扩展性（可以发送正常流量的设备数量），以及更高数据操作（例如将固件更新推送到设备）的行为。

延迟描述操作发生所需的时间。对于任何涉及最终用户的交互（而不是机器对机器通信），它都是一个关键参数，因为大多数人可以检测到耗时超过100毫秒的操作。对于需要同时操作的过程，例如打开多个灯，定时必须小于100 ms，以便最终用户不会在灯连续打开时抱怨“爆米花”效应。

可靠性被认为是理所当然的，但是当与日常设备（如灯和开关）交互时，用户期望接近100%的可靠性。在实践中，硅实验室测试的可靠性达到99.999%。无论使用何种底层无线技术，这些都是网状网络最关键的方面，需要测量并与设备和无线系统的设计目标密切相关。

测试设置

为了最大限度地减少器件测试的可变性，可以在固定拓扑中执行测试，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变化。这用于七跃点测试，以确保网络拓扑。MAC 滤波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，其中设备行为基于现有和不同的RF条件。位于马萨诸塞州波士顿的硅实验室实验室用于这种露天测试过程。

露天测试环境中的无线条件具有典型的Wi-Fi和Zigbee流量作为噪声存在。这不是测试网络的一部分，而是用作典型的楼宇控制系统，独立于正在执行的任何测试。

图 6. 延迟与跃点

图 6 显示了线程网络与蓝牙网状网络未分段和分段数据包的每次跃点平均延迟。不包括 Zigbee 数据，因为它类似于线程。在此示例中，我们可以看到对于这些较小的有效负载，蓝牙未分段和线程延迟与六个跃点非常相似。当我们添加蓝牙分段数据包并将有效负载增加到 16 字节时，由于传输了额外的数据包，延迟会大大增加。

图 7.线程与蓝牙网状网络延迟

如图 7 所示，查看有效负载不断增加的四跃点数据，蓝牙网状网络具有更高的延迟，因为它必须使用分段消息。这表明了蓝牙网状网络设备试图将有效载荷保持在一个数据包内的重要性，以避免在作为重要因素的应用中增加延迟。

结论

网状网络的选择取决于最终应用或生态系统。有许多已建立的生态系统，例如飞利浦Hue，亚马逊Echo Plus和康卡斯特X无限。如果设备制造商希望与这些生态系统进行互操作，Zigbee是最佳选择。如果尚未为应用程序指定生态系统，则可以使用许多其他协议选择。

线程和蓝牙网状网络都是可行的选择，也是除了Zigbee之外最常考虑的选择。IC供应商提供的开发工具对于网状网络的开发速度非常重要。数据包跟踪和多节点能量分析等工具可以确保所选网状网络的设计稳健。最终，网络规模、所需的延迟、期望的吞吐量和整体可靠性将推动网状协议的选择。

审核编辑：郭婷