BLE吞吐量测试

介绍

本章分别测试了TI CC2640R2F LuanchPad和LECONIOT CC2640R2F Evaluation Board开发板吞吐量。我们提供了两个例程供大家参考测试，分别是ble5_throughput_peripheral和ble5_throughput_central。本文最后提供了测试程序下载链接。

该工程中进行了一些修改以方便进行吞吐量测试:

• 改变项目MTU大小
• 通过消息计数器发送通知
• 增加Throughput配置文件
• 增加按键菜单

硬件环境

使用USB连接CC2640R2F Evaluation Board。确保跳线帽正确连接，如下图所示

参数修改

基本思想是不断发送GATT通知，尽可能减少开销，尽可能减少停机时间。以下参数在增加吞吐量时必须加以考虑。

ATT_MTU大小

有关最大传输单元（ATT_MTU）的说明，请参见LE Data Length Extension和 Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol (L2CAP)。

这里定义6个Tx缓冲区，每个缓冲区251字节。用户应用程序应该根据自身堆栈情况进行分配。如果没有足够的堆栈，可以通过减少MAX_NUM_PDU，这样可能导致吞吐量的损失。实际使用中的最坏情况是MAX_NUM_PDU和MAX_PDU_SIZE的乘积。设计人员应该根据设备的可用内存来平衡这些参数。

#define MAX_NUM_PDU                   6
#define MAX_PDU_SIZE                  251

注意：最好在options->C/C++ Compiler->Defined symbols里进行修改。

注意：MTU更新过程在连接之后主机自动发起和从机进行协商。选择双方支持最大MTU。

LE 2M PHY

这里使用2M PHY，使每个连接事件期间从PHY发送的数据增加一倍（需要连接之后通过按键菜单自行选择）。

LE数据长度拓展

在蓝牙4.2规范中允许控制器发送最多251个字节的单个数据包。这与以前的27个字节相比大大增加了吞吐量。此功能称为数据长度拓展。有关这方面详细介绍请参考LE Data Length Extension以及 BLE一次能传多少数据（ATT_MTU设置/LE Data扩展）。
下面的PDU更新过程的代码片段可以在throughput_peripheral.c文件中找到

//examples\rtos\CC2640R2_LAUNCHXL\ble5apps\throughput_peripheral\src\app\throughput_peripheral.c SimpleBLEPeripheral_doSetDLEPDU line 1213
bool SimpleBLEPeripheral_doSetDLEPDU(uint8 index)
{
  switch (index)
  {
  case 0:
    txOctets = DEFAULT_PDU_SIZE;
    txTime = DEFAULT_TX_TIME;
    break;
  case 1:
    txOctets = DLE_MAX_PDU_SIZE;
    txTime = DLE_MAX_TX_TIME;
    break;
  }
 HCI_LE_SetDataLenCmd(connectionHandle, txOctets, txTime);
}

连接间隔

根据前后处理数量，控制器需要2-3ms来准备下一个连接事件。因此更长的连接间隔可以提高吞吐量。由于使用notify方式传输，更高的连接间隔意味着连接事件减少。此示例将使用100ms的连接间隔，请注意，在实际情况下更高的连接间隔有着明显的缺点：由于射频干扰导致的连接事件将大大降低吞吐量。因此用户需要根据所需吞吐量进行权衡。当连接间隔大于100ms后，吞吐量将不会增加。

通知排队

这段代码设计能保证队列中始终有需要发送的数据，以便在通知开始时不会处于饥饿状态。

//examples\rtos\CC2640R2_LAUNCHXL\ble5apps\throughput_peripheral\src\app\throughput_peripheral.c SimpleBLEPeripheral_blastData line 1329
static void blastData()
{
  uint16 len = MAX_PDU_SIZE-7;
  attHandleValueNoti_t noti;
  bStatus_t status;
  noti.handle = 0x1E;
  noti.len = len;

  while(1)
  {
    //attempt to allocate payload
    noti.pValue = (uint8 *)GATT_bm_alloc( 0, ATT_HANDLE_VALUE_NOTI, GATT_MAX_MTU, &len );

    if ( noti.pValue != NULL ) //if allocated
    {
      //place index
      noti.pValue[0] = (msg_counter >> 24) & 0xFF;
      noti.pValue[1] = (msg_counter >> 16) & 0xFF;
      noti.pValue[2] = (msg_counter >> 8) & 0xFF;
      noti.pValue[3] = msg_counter & 0xFF;
      status = GATT_Notification( 0, &noti, 0 );    //attempt to send
      if ( status != SUCCESS ) //if noti not sent
      {
        GATT_bm_free( (gattMsg_t *)&noti, ATT_HANDLE_VALUE_NOTI );
      }
      else //noti sent, increment counter
      {
        msg_counter++;
      }
    }
    else
    {
      //bleNoResources
      asm("NOP");
    }
  }
}

本代码仅为最大吞吐量测试，在实际应用中，由于其他处理需求，应用程序可能无法维持此吞吐量（例如必须通过串口传输有效数据负载）。此外blastData函数最大限度的增加了数据的排队，因此GATT_Notification会返回非SUCCESS状态，例如队列已满时的blePending。Tx队列的深度由上面定义的MAX_NUM_PDU决定。

分组开销

主机和从机的有效数据载荷已经被优化为251字节。这是吞吐量的最大值。然后，由于ATT和L2CAP级别的开销，并不是所有251个字节都可以用作应用程序数据。这是蓝牙规范说必须的，对此的简要说明如下：

ATT通知头

所有ATT通知包具有标识
发送通知的属性的操作码和句柄所需的3字节头。
发送ATT通知有3字节开销。

L2CAP头

在L2CAP层，需要类似的开销来设置分组的长度
和适当的信道标识符（CID）。
这些字段中的每一个都是16位（2字节），导致4个字节的L2CAP 开销。
结合L2CAP和ATT数据包开销产生：

TOTAL_PACKET_OVERHEAD = 7 bytes

测试结果

分别对PDU为27 Bytes和251 Bytes以及PHY为1 Mbps、2 Mbps、Coded:S2、Coded:S8.模式进行测试。下面给出表格方便查阅。

TI CC2640R2F LaunchPad

CC2640R2F Evaluation Board

可以看出我们的开发板和TI CC2640R2F LaunchPad在不同模式下速率是一致的。读者可以自行下载例程测试。下图展示了在2 Mbps/251bytes模式下的传输速率。

测试用例下载

下载 BLE Throughput 测试例程.

注意:需要配合CC2640RF SDK使用，笔者目前使用的是simplelink_cc2640r2_sdk_1_35_00_33。文件解压后放在该SDK同级目录，即C:\ti。

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