Startseite > Kommunikation > Wireless > Zigbee, Thread und Bluetooth Mesh im Vergleich

Funktechniken für Netzwerke

Zigbee, Thread und Bluetooth Mesh im Vergleich

10. September 2018, 11:28 Uhr | Von Tom Pannell

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Leistungsmerkmale

In den zuvor genannten Anwendungsfällen wünscht sich der Entwickler ein robustes Netzwerk. Die zur Beurteilung der Robustheit eines Netzwerks zu messenden Größen sind Durchsatz, Latenz und Zuverlässigkeit. Durch diese drei Messungen lässt sich die Robustheit eines Netzwerks für eine bestimmte Installation genau vorhersagen.

Der Durchsatz definiert die Skalierbarkeit des Netzwerks – wie viele Knoten können normalen Datenverkehr senden – und auch das Verhalten beim Übertragen größerer Datenmengen, wie z.B. dem Übertragen eines Firmware-Updates auf die Geräte.
Die Latenzzeit beschreibt, wie lange es dauert, bis eine Aktion stattfindet. Sie ist ein kritischer Parameter für jede Interaktion mit Menschen – im Gegensatz zur Machine-to-Machine-Kommunikation. Die meisten Menschen können Vorgänge wahrnehmen, die länger als 100 ms dauern. Prozesse, bei denen ein gleichzeitiger Betrieb erwünscht ist, wie z.B. beim Einschalten mehrerer Leuchten, müssen deshalb innerhalb eines Toleranzfensters von kleiner als 100 ms synchron ablaufen, damit dem Endanwender nicht auffällt, dass die Leuchten erst nacheinander hell werden.
Zuverlässigkeit ist eine Selbstverständlichkeit, aber im Umgang mit alltäglichen Geräten wie Leuchten und Schaltern erwartet der Anwender eine nahezu 100-prozentige Zuverlässigkeit. In der Praxis wird die Zuverlässigkeit von ICs z.B. auf 99,999 % getestet.

Dies sind die kritischsten Aspekte eines vermaschten Netzwerks, die es zu messen gilt und die sich stark auf die Entwicklungsziele für Geräte mit Funkschnittstelle beziehen, unabhängig davon, welche Funktechnik verwendet wird.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Testaufbau

Um Schwankungen zu minimieren, kann für den Test ein fester Netzwerkaufbau genutzt werden. Dabei werden die HF-Pfade per Kabel hergestellt und über Verteiler und Dämpfungsglieder verbunden, um sicherzustellen, dass sich die HF-Verhältnisse und -Bedingungen über die Zeit und während der Tests nicht ändern. Dieser Aufbau wurde für den 7-Hop-Test verwendet, um eine konstante Netzwerkstruktur zu gewährleisten. Für eine konstante Netzwerkstruktur kann auch eine MAC-Filterung eingesetzt werden.

Große Netzwerktests werden am besten unter freiem Himmel durchgeführt, wobei das Geräteverhalten auf vorhandenen und variierenden HF-Bedingungen basiert. Für diesen Test wurde das Silicon Labs Labor in Boston, Massachusetts (USA) genutzt. Beim Test unter freiem Himmel ist der typische WiFi- und Zigbee-Funkverkehr als Rauschen vorhanden.

Bild 6 zeigt die durchschnittliche Latenzzeit pro Hop für ein Thread-Netzwerk im Vergleich zu unsegmentierten und segmentierten Bluetooth-Mesh-Paketen. Zigbee-Daten wurden nicht separat eingezeichnet, da sie Thread ähnlich sind. In diesem Diagramm ist zu erkennen, dass bei kleineren Nutzdaten die Latenz bei unsegmentiertem Bluetooth und Thread bei bis zu sechs Hops sehr ähnlich ist.

Für segmentierte Bluetooth-Pakete und auf 16 Byte erhöhte Nutzdaten, erhöht sich die Latenzzeit bei Bluetooth erheblich, da zusätzliche Pakete übertragen werden müssen.

Wird das Verhalten bei vier Hops mit zunehmender Nutzdatengröße betrachtet (Bild 7) fällt die höhere Latenzzeit von Bluetooth Mesh auf, da es segmentierte Nachrichten verwenden muss, um die Datenmenge zu übertragen.

Dies zeigt welche Bedeutung es für Bluetooth-Mesh-Geräte hat, die Nutzdaten so zu begrenzen, dass sie innerhalb eines Pakets übertragen werden können. So lässt sich eine erhöhte Latenz in Anwendungen zu vermeiden.

Viele Faktoren sind zu berücksichtigen

Die Wahl des Funknetzwerks hängt von der Endanwendung oder dem Ökowirtschaftssystem ab. Es gibt viele etablierte Systeme wie Philips Hue, Amazon Echo Plus und Comcast Xfinity. Wenn ein Hersteller möchte, dass seine Geräte mit diesen Systemen interagieren können, ist Zigbee eine gute Wahl.

Sowohl Thread als auch Bluetooth Mesh sind praktikable Alternativen und werden neben Zigbee am häufigsten in Erwägung gezogen.

Die Entwicklungswerkzeuge des IC-Herstellers spielen eine große Rolle dabei, wie schnell ein vermaschtes Funknetzwerk entwickelt werden kann. Tools wie Packet Tracing und Multi-Node Energy Profiling können sicherstellen, dass das gewählte Netzwerk robust ausgelegt ist. Letztendlich werden die Netzwerkgröße, die erforderliche Latenz, der gewünschte Durchsatz und die Gesamtzuverlässigkeit die Wahl der Funkprotokolle bestimmen

Literatur:

[1] Hui, J.; Kelsey, R.: Multicast Protocol for Low-Power and Lossy Networks (MPL). Internet Engineering Task Force (IETF), Request for Comments: 7731, Februar 2016, https://tools.ietf.org/html/rfc7731

[2] Benchmarking Bluetooth Mesh, Thread, and Zigbee Network Performance. Silicon Labs, https://www.silabs.com/products/wireless/learning-center/mesh-performance

Der Autor

Tom Pannell

ist Senior Director of Marketing für die IoT-Produkte von Silicon Labs und überwacht die Produktmarketingstrategien für die 8- und 32-bit-Mikrocontroller, Wireless-SoCs, Funk-Module und -Sensoren sowie Hardware- und Software-Tools und Wireless-Protokollstacks zur Vereinfachung der IoT-Produktentwicklung.

Er kam 2011 zu Silicon Labs und war zuvor als Vertriebsleiter für Mikrocontroller und als Director of Channel Sales für Amerika tätig. Bevor er zu Silicon Labs kam, bekleidete er Positionen im technischen Bereich bei der Altera Corporation und bei Arrow Electronics. Pannell hat Elektrotechnik (B. Sc.) an der Wright State University in Dayton, Ohio, studiert und einen Bachelor-Abschluss in Philosophie und Geisteswissenschaften der John Carroll University in Cleveland, Ohio.

tom.pannell@silabs.com