INGCHIPS BLE芯片如何獲得最大吞吐量

概述：文章第一部分先公布結(jié)論，第二部分是1M PHY吞吐率的實測過程與理論分析，第三部分是2M PHY的實測數(shù)據(jù)，第四部分是實操部分，喜歡BLE的朋友可以按照此部分的說明自己動手進(jìn)行測試。

一、結(jié)論

使用INGCHIPS SDK中測試吞吐率的例程peripheral_throughput和central_throughput，使用兩個開發(fā)板進(jìn)行測試。

1M phy吞吐率≥93KBps；

2M phy吞吐率≥152KBps。

二、1MPHY

01 實測

為了最小化包頭、包尾、校驗等無法避免的數(shù)據(jù)開銷，每一包數(shù)據(jù)MTU設(shè)置為247。 除去3bytes的ATT Header，則實際的ATT payload為244。 在central端連接參數(shù)使用默認(rèn)值的情況下：

static initiating_phy_config_t phy_configs[] =              
{              
    {              
        .phy = PHY_1M,              
        .conn_param =              
        {              
            .scan_int = 200,              
            .scan_win = 180,              
            .interval_min = 50,              
            .interval_max = 50,              
            .latency = 0,              
            .supervision_timeout = 600,              
            .min_ce_len = 90,              
            .max_ce_len = 90              
        }              
    }              
};

對于1M phy來說，由主設(shè)備統(tǒng)計的吞吐率為：687104bps。 ? ??

使用藍(lán)盒（ellisys）抓包：

一包間隔為62.5ms(即50*1.25ms)，觀察其中的數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)，一個間隔有23包數(shù)據(jù)發(fā)出去。 實際發(fā)出的有效數(shù)據(jù)=23x244bytes=23x244x8bits=44896bits。 吞吐率=44896/0.0625=718336bps. 比串口統(tǒng)計的略大，仔細(xì)觀察Ellisys窗口，發(fā)現(xiàn)每個連接間隔發(fā)滿時，都有一次retry。在連接間隔的末尾，從設(shè)備沒有回復(fù)主設(shè)備連接包，主設(shè)備進(jìn)行了一次重傳。

也就是一個連接間隔實際只發(fā)了22包。

吞吐率=22x244x8/0.0625=687104，與串口的統(tǒng)計對應(yīng)上了。

想要提升吞吐率，從上面的分析可以看到，有兩個可以調(diào)整的地方，一個是每次重傳的那一包，一個是連接間隔中空閑的6.116ms。

6.116ms足夠傳2包數(shù)據(jù)（具體傳送一包的時長，參照下面的理論分析部分）。

調(diào)整連接間隔

.interval_min = 51,
.interval_max = 51,

可以看到，每個連接間隔變成了63.75ms，比剛才多傳了一包，24包（由于依然有一個retry包，有效包23包），連接間隔中浪費的時間4.89ms，比剛才的6.116ms少，本次吞吐率理論上比上次高。

23x244x8/0.06375=704205

串口顯示基本上兩次718336，一次673440， (718336x2+673440)/3=703370，基本一致。 參數(shù)設(shè)置為

.conn_param =              
       {              
            .scan_int = 200,              
            .scan_win = 180,              
            .interval_min = 100,              
            .interval_max = 100,              
            .latency = 0,              
            .supervision_timeout = 600,              
            .min_ce_len = 200,              
            .max_ce_len = 200              
        }

每個連接間隔125ms，傳輸有效包48包。

48x244x8/0.125=749568bps=93696Bps≈93KBps，

此時連接間隔的空閑時間為4.447ms，

基本上已經(jīng)達(dá)到極限。

02 理論分析

BLE連接數(shù)據(jù)包分解如下：

當(dāng)ATT payload設(shè)置為244，傳輸一包數(shù)據(jù)需額外傳輸?shù)腷ytes數(shù)為：

1（preamble）+4（access address）+2（LL Header）+4（L2CAP Header）+3（ATT Header）+3（CRC）=17（因為不加密，所以沒有MIC）。

一包總的數(shù)據(jù)長度為17+244=261bytes=261x8bits=2088bits。

對于1Mphy來說，傳輸1bit時間為1us，傳輸一包數(shù)據(jù)就需要2088us，即2.088ms。

數(shù)據(jù)傳輸還有另外兩個無法避免的時間開銷：1）傳輸完一個數(shù)據(jù)包后，需要另一個設(shè)備回一個空包來保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸；2）數(shù)據(jù)包之間需要有一個空閑時間來讓協(xié)議棧完成數(shù)據(jù)處理，這個時間即T_IFS，150us。

空包的長度為1（preamble）+4（Access Address）+2（PDU）+3（crc）=10Bytes=80bits。

也就是說傳輸一個空包時間為80us，加上兩個T_IFS，總共380us。

也就是說，傳輸244Bytes數(shù)據(jù)，實際花費的總時間=2088us+380us=2468us=2.468ms. 如果可以保持不間斷地發(fā)送，吞吐率=244/0.002468=98865Bytes≈98KBps。 但是實際必然無法達(dá)到這個速度，就是由于上面說的，每一個連接間隔無法全部用于發(fā)送數(shù)據(jù)，即便讓連接間隔是2.468ms的整數(shù)倍，協(xié)議棧也會留出一些空隙用于內(nèi)部業(yè)務(wù)處理，對于Ingchips來說，這個間隙大約在4-6ms。 因此實測的93KBps已接近理論吞吐量的極限。 根據(jù)上面的分析，合理猜測如果把連接間隔無限拉長，可以最小化每個連接間隔空隙4-6ms的影響。但實際上，協(xié)議棧總需要時間來處理自己的事務(wù)，如果把連接間隔設(shè)的過長，且全部用于發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)議棧就會在一定時間停止發(fā)送，且此連接間隔剩下的時間也不再用于發(fā)送數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)速率還會下降。

三、2MPHY

01 Ellisys抓包2M PHY 方法

如下圖所示，勾選2M PHY

02 實測

在連接間隔設(shè)為60，152kBps以上。

具體過程不再贅述。

四、實操

01 環(huán)境準(zhǔn)備

硬件：

INGCHIPS開發(fā)板兩套，可以咨詢INGCHIPS代理商購買（上面的膠棒天線需要自備）。

Micro USB線兩條。

軟件：

INGCHIPS SDK，下載最新版本。

串口調(diào)試工具，比如SSCOM。

02 測試過程

說明：

關(guān)于INGCHIPS SDK的下載和安裝、開發(fā)軟件環(huán)境的配置、例程的編譯和固件下載等具體問題，桃芯官網(wǎng)提供了豐富的由淺入深的開發(fā)資料，前期搭建環(huán)境過程中可以參照。

http://www.ingchips.cn/intro/25.html

https://ingchips.github.io/docs/application-notes/
過程中遇到問題也可以咨詢桃芯科技的代理商或原廠支持。

SDK安裝好后，在兩塊開發(fā)板分別下載SDK提供的專門用于吞吐量測試的主從例程。

連接主設(shè)備的串口，主設(shè)備上電會有打印，有相關(guān)調(diào)試指令的說明。

主設(shè)備掃描到從設(shè)備后，會自動進(jìn)行連接。

之后發(fā)送測試指令（start m->s表示主設(shè)備發(fā)，從設(shè)備收），主設(shè)備的串口就會1秒鐘發(fā)送一次實時吞吐率測試結(jié)果。

可以參照第二部分中，調(diào)整連接參數(shù)的配置，觀察吞吐率的變化。如果有條件，也可以用Ellisys實時抓取連接過程，觀察空中包的發(fā)送情況。 注意：測試時把兩套開發(fā)板放在靠近的位置上，保證二者有穩(wěn)定的信號連接，信號不穩(wěn)或者太差會影響吞吐率，信號強度對吞吐率的影響歡迎小伙伴們自行測試。