在藍牙連接智慧設備不斷發展的動態環境中，高效的互連和可靠的通訊對於成功實現產品性能至關重要。隨著對富有洞察力和多樣化資料的需求不斷成長，無線網路的規模也越來越大。對於低功耗藍牙(Bluetooth LE)，由於基於連接的通訊支援的連接節點太少，而不需連線的通訊仍然是單向的，因此對具有數千個節點容量的大規模網路日益成長的需求仍然沒有得到滿足。此外，基於連接的通訊需要連續的專用通話時間和記憶體，這給可用的能源資源帶來了相當大的壓力。工業自動化和資產追蹤等即時應用也面臨不可靠的同步導致的延遲問題。由於這些技術不適合用於大型集中式網路，因此必須開發一種新的系統。
帶響應的週期性廣播PAwR
在2023年1月發布的藍牙核心規範5.4版中，透過結合擴展廣播和週期性廣播功能，導入了一項名為帶響應的週期性廣播(PAwR)新功能。現在，使用者可以在預定時隙中的節點之間進行通訊，而無需設備始終在線上(Always-on)，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個節點的星狀網路中使用低功耗設備形成大規模、集中式、雙向低功耗藍牙通訊。同步資料包傳輸和更少的干擾也意味著整體延遲大幅減少，允許用戶建構相容PAwR的設備，確保整個生態系統的無縫互通性，以滿足嚴苛的即時應用需求。
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路面臨著挑戰，因為它需要大量資源來實現現實的測試。
測試大型PAwR網路
儘管有多種潛在應用，但藍牙5.4的PAwR功能仍主要由電子貨架標籤(ESL)市場驅動。在典型的ESL網路中，一個接入點(AP)可能會與數千個標籤通訊。因此，網路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。
對於包含數千個節點的大型物聯網網路，在現實規模上進行測試可能會給個人利益相關者帶來後勤和財務方面的挑戰。廠商如芯科科技(Silicon Labs)，希望減少客戶在這些挑戰上花費的資源，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。
為確保產品能夠用於這些要求嚴苛的應用，芯科科技在芬蘭埃斯波的辦公室建立了一個大型測試網路(圖1)。該網路能夠支援多達1,500個節點，迄今為止已用於執行性能、研究和基於整合的PAwR測試。然而，該網路也可用於其他技術測試，如藍牙網狀網路和Zigbee。
測試網路設置
測試網路在開發時考慮了靈活性，因此利用伺服器機架以容納6~12個客製的木制模組。每個模組包含15個網路節點，每個節點都是一個市售的Silicon Labs無線入門套件，並與MG22或MG24開發板相結合(圖2)。透過使用入門套件，可以輕鬆更換開發板，以測試產品組合中的任何技術。
該架構測試與網路的真實無線通訊，但每個節點仍可以透過USB或乙太網路連接進行訪問。能夠即時管理和調試任何單個節點。使用內部工具的組合以管理測試和網路，所有這些工具都經由測試框架捆綁在一起。利用該框架，實現全球性的協作式內部開發。
測試大型網路
大型測試網路的主要優勢是能夠在現實和嚴苛的環境中分析無線網路單個節點或更大部分的性能和整合。而將開發重點放在測試期間檢測到的特定限制上，以針對這些案例提升產品效能。
目前，ESL是低功耗藍牙中要求最嚴苛的應用之一。大規模測試這些網路至關重要，因為它可以讓廠商和客戶瞭解大量的RF活動如何影響網路性能和穩定性。為了演示如何使用大型測試網路來分析應用，在測試網路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個標籤的ESL網路時的性能(圖3)。
ESL網路部署
ESL網路部署程式可以概括如下：
・接入點(AP)啟動PAwR訓練並掃描廣播ESL標籤。
・AP連接到可用標籤，該標籤停止廣播。在此階段，可以使用多連接來同時配置多個標籤。
・AP為每個標籤分配了一個組和標籤ID。接下來，標籤將透過其組和標籤ID進行標識。
・標籤將在週期性廣播同步傳輸(PAST)過程中同步到PAwR訓練。
・標籤同步後，它將與AP斷開連接，並開始偵聽來自AP的同步資料包。
對網路中的所有標籤都執行此程式，然後部署ESL網路。需要注意的是，PAwR訓練需要在所有條件下運行，以保持已配置標籤的同步。
ESL網路部署測試示例
此測試涵蓋了使用一個AP且包含1,100個ESL標籤的網路ESL網路部署。為此，廠商使用了ESL示例應用，該應用配置為僅支援單個連接。因此，AP每次完全配置一個標籤，然後再繼續下一個標籤。將此配置作為測試的基準，可以在比較不同的網路優化方法時使用它。例如，與基準結果相比，使用多連接時，ESL網路部署性能提高了50%以上。
生成的散點圖單獨顯示了每個ESL標籤的網路部署情況。圖3中的每個點代表一個標籤，Y軸代表配置時間，X軸代表每個ESL組的開始和結束。對於包含1,100個標籤的網路，前47組包含23個標籤，最後一組包含19個標籤。
資料集中的離群值使用(組,標記)格式單獨標記。透過這種方式，可以輕鬆識別網路中需要進一步分析的行為。
一般來說，較大的無線網路會導致更多的網路雍塞。在測試開始時，有1,100個標籤同時廣播，導致不可避免的資料包衝突。這會減慢網路配置過程，因為在AP和標籤之間建立連接需要重新傳輸資料包。
在圖3的示例中可以直接看到網路雍塞的影響。在網路配置開始時，存在離群值。但隨著配置的進行，廣播的標籤減少，而減少壅塞和離群值。
自從藍牙5.4中導入了PAwR並改進了對大型星狀網路的支援以來，低功耗藍牙已被整合到新的應用中。到目前為止，這種整合主要由ESL驅動。然而，其他應用正在出現。為了支援新PAwR應用的開發和整合，Silicon Labs開發了一個包含1,500個節點的大型測試網路。網路硬體採用模組化設計，可用於測試各種技術。如測試結果所示，大型測試網路可以深入瞭解無線網路的行為，並能夠針對各種應用更有效地開發可靠的應用。
(本文作者為芯科科技產品行銷經理)
