Leistungsvergleich von Mesh-Netzen Kein Mesh für alle Fälle

Auf Basis der eignen Hardware testete Silicon Labs die Perfomance der einzelnen Stacks
Auf Basis der eignen Hardware testete Silicon Labs die Perfomance der einzelnen Stacks

Wie jeder IoT-Entwicklungsingenieur weiß, gibt es bei drahtlosen Netzwerkprotokollen keine Einheitslösung. Und das gilt in gleichem Maße auch für Mesh-Stacks, wie ausführliche Messungen von Silicon Labs ergaben.

Die Auswahl des richtigen Mesh-Protokolls für eine IoT-Anwendung kann problematisch sein. Jedes Protokoll weist sein eigenes, einzigartiges Bündel von Eigenschaften und Vorteilen auf, abhängig von den Anwendungsfällen sowie von den Anforderungen der Anwendung. Entwickler müssen verstehen, wie sich jedes Protokoll in den Schlüsselbereichen Stromverbrauch, Durchsatz, Latenz, Skalierbarkeit, Sicherheit und Internet-Protocol- (IP-) Konnektivität verhält.

Silicon Labs hat kürzlich die ersten Ergebnisse eines Performance-Benchmarks für Zigbee, ­Thread und Bluetooth Mesh veröffentlicht. Darin wird verglichen, welche Leistung jedes Protokoll unter verschiedenen Testbedingungen und Netzwerkkonfigurationen erbringt.

»Es ist wohl wenig überraschend, dass die Ergebnisse der Mesh-Performance höchst unterschiedlich sind«, erklärt Tom Pannell, Senior Marketing Director, IoT Products von Silicon Labs. »Gleichwohl haben wir einige wichtige Erkenntnisse aus den Tests gewonnen, die wir über einen Zeitraum von 12 Monaten in einem kommerziellen Bürogebäude in Boston mit erreichbaren aktiven WiFi- und Zigbee-Netzwerken durchgeführt haben.« Die drahtlosen Test-Cluster wurden in Fluren, Besprechungsräumen, Büros und Freiflächen eingesetzt.

 

Die Kernpunkte und Erfahrungen des Tests:

  • Thread, Zigbee und Bluetooth Mesh funktionieren in kleinen Netzwerken bei kleinen Nutzlasten sehr ähnlich.
  • Thread und Zigbee übertreffen Bluetooth Mesh, wenn höhere Nutzlasten und ein höherer Durchsatz erforderlich sind. Die Bluetooth-Mesh-Leistung kann sich nach der Installation verbessern, wenn der Installateur das Netzwerk manuell optimiert, indem er einige Routing-Knoten deaktiviert.
  • Die Latenz erhöht sich bei allen drei Protokollen mit zunehmender Netzwerkgröße, wobei Blue­tooth Mesh die größte Zunahme erfährt.
  • Für große Bluetooth-Mesh-Netzwerke kann eine Relais-Optimierung verwendet werden, um die Leistung zu steigern.
  • Bluetooth Mesh funktioniert am besten
  • bei Verwendung von Kurznachrichten (≤11 Byte), insbesondere bei Multicast-Nachrichten.

 

Bilder: 3

Leistungsvergleich

von Zigbee, Thread und Bluetooth Mesh

 

»Tatsache ist, dass keines der Mesh-Protokolle als absoluter Sieger dasteht« betont Tom Pannell. »Die Leistung hängt stark von den Anforderungen der Anwendung ab.« Die Testergebnisse unterstrichen mehrere Faktoren, die für die Wahl des richtigen Protokolls entscheidend sind. Die Wahl der Ökosysteme hat zum Beispiel tiefgreifende Auswirkungen auf die Protokoll-Performance. »Wenn ein Gerätehersteller mit bereits vorhandenen Ökosystemen wie Amazon Echo Plus, Philips Hue oder Comcast Xfinity zusammenarbeiten möchte, ist Zigbee die optimale Wahl«, rät Tom Pannell. »Wenn das Ökosystem nicht spezifiziert wurde, stehen andere Mesh-Optionen zur Verfügung. Thread und Bluetooth Mesh sind neuere Protokolloptionen, die immer beliebter werden und ihre eigenen IoT-Vorteile bieten.« Um einen Vergleich von „Äpfeln mit Äpfeln“ sicherzustellen, wurden alle Mesh-Leistungstests mit der Wireless-Gecko-SoC-Plattform von Silicon Labs durchgeführt, die sowohl Zigbee, Thread und Bluetooth Mesh als auch proprietäre Protokolle unterstützt.

Der Anwendungsfall spielte ebenfalls eine zentrale Rolle bei den Performance-Ergebnissen. Wird die Anwendung aus Gründen der Sicherheit, der Bedienerfreundlichkeit oder des Komforts eingesetzt? Beispielsweise kann die Möglichkeit, sämtliche Beleuchtungskörper in einem Lagerhaus gleichzeitig einzuschalten, weniger wichtig sein als der Stromverbrauch des Beleuchtungssystems oder die Fähigkeit, das Ökosystem des Lagers um weitere Dienste auszubauen.

Der Stromverbrauch ist ein weiterer Faktor, der bei der Bewertung von Protokollen nicht übersehen werden sollte. In der Haus- und Gebäudeautomatisierung wird häufig eine Kombination aus batteriebetriebenen, netzbetriebenen und sogar Energy-Harvesting-Geräten eingesetzt, die oft sehr unterschiedliche Anwendungsfälle für Mesh-Protokolle darstellen.

Die Ergebnisse der Studie unterstreichen, dass die Wahl der Netzwerkprotokolle von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird. Obwohl das Mesh-Benchmarking bisher nicht verfügbare Daten zur Unterstützung dieses Entscheidungsprozesses aufzeigt, bedeuten die Performance-Daten nicht, dass die Entwickler die Testphase umgehen können. Glücklicherweise stehen die neuen Benchmark-Ergebnisse als eine Reihe von Applikationsberichten zur Verfügung, die die Methodik für die Durchführung der Benchmark-Tests erläutern und es Entwicklern ermöglichen, ähnliche Tests zu wiederholen und auszuführen, ohne dass sie neue eigene erfinden müssen.

»Insgesamt kam die Mesh-Performance-Studie zu dem Schluss, dass Netzwerkgröße, erforderliche Latenz, gewünschter Durchsatz und Zuverlässigkeit Schlüsselfaktoren bei der Auswahl des geeigneten Protokolls sind«, erläutert Tom Pannell. Hier sei anzumerken, dass die Entwicklungs-Tools des Herstellers von drahtlosen Systems-on-a-Chip (SoCs) einen großen Unterschied in der Entwicklungsfreundlichkeit und der Time-to-Market ausmachen. »Die Fülle der Protokollauswahl in Kombination mit den Kriterien, die für deren Auswahl erforderlich sind, mag zunächst entmutigend erscheinen, aber wenn der Entwickler ein klares Verständnis für den Anwendungsfall hat, wird sich das ideale Mesh-Protokoll für die jeweilige Anwendung herauskristallisieren«, resümiert Tom Pannell.

Silicon Labs auf der electronica 2018: Halle C4, Stand 112