Wi-Fi 性能与节能
Wi-Fi 缓冲区使用情况
本节只介绍动态缓冲区配置。
缓冲区配置的重要性
为了获得一个具有强健、高性能的系统，我们需要非常谨慎地考虑内存的使用或配置情况，因为：
ESP32-C3 的可用内存有限。
目前，LwIP 和 Wi-Fi 驱动程序中默认的缓冲区类型是“动态”，意味着 LwIP 和 Wi-Fi 都与应用程序共享内存。程序员应该时刻牢记这一点，否则将面临如“堆内存耗尽”等的内存问题。
“堆耗尽”情况非常危险，会导致 ESP32-C3 出现“未定义行为”。因此，应该为应用程序预留足够的堆内存，防止耗尽。
Wi-Fi 的吞吐量很大程度上取决于与内存相关的配置，如 TCP 窗口大小、Wi-Fi 接收/发送数据动态缓冲区数量等。
ESP32-C3 LwIP/Wi-Fi 可能使用的堆内存峰值取决于许多因素，例如应用程序可能拥有的最大 TCP/UDP 连接等。
在考虑内存配置时，应用程序所需的总内存也是一个重要因素。
由于这些原因，不存在一个适合所有应用程序的配置。相反，我们必须为每个不同的应用程序考虑不同的内存配置。
动态与静态缓冲区
Wi-Fi 驱动程序中默认的缓存类型是“动态”。大多数情况下，动态缓冲区可以极大地节省内存。但是因为应用程序需要考虑 Wi-Fi 的内存使用情况，会给应用程序编程造成一定的难度。
lwIP 还在 TCP/IP 层分配缓冲区，这种缓冲区分配也是动态的。具体内容，见 lwIP 文档内存使用和性能部分。
Wi-Fi 动态缓冲区峰值
Wi-Fi 驱动程序支持多种类型的缓冲区（参考 Wi-Fi 缓冲区配置 ）。但本节只介绍 Wi-Fi 动态缓冲的使用方法 Wi-Fi 使用的堆内存峰值是 Wi-Fi 驱动程序 理论上消耗的最大内存。通常，该内存峰值取决于：
\(b_{rx}\) 配置的动态接收数据缓冲区数
\(b_{tx}\) 配置的动态发送数据缓冲区数
\(m_{rx}\) Wi-Fi 驱动程序可以接收的最大数据包
\(m_{tx}\) Wi-Fi 驱动程序可以发送的最大数据包
因此，Wi-Fi 驱动程序消耗的内存峰值（\(p\)）可以用下面的公式计算：
一般情况下，不需要关心动态发送数据长缓冲区和超长缓冲区，因为它们是管理帧，对系统的影响很小。
ESP32-C3 Wi-Fi 吞吐量
下表是我们在 Espressif 实验室和屏蔽箱中获得的最佳吞吐量结果。
类型/吞吐量
实验室空气状况
屏蔽箱
测试工具
IDF 版本 (commit ID)
原始 802.11 数据包接收数据
N/A
130 MBit/s
内部工具
N/A
原始 802.11 数据包发送数据
N/A
130 MBit/s
内部工具
N/A
UDP 接收数据
30 MBit/s
50 MBit/s
iperf example
15575346
UDP 发送数据
30 MBit/s
40 MBit/s
iperf example
15575346
TCP 接收数据
20 MBit/s
35 MBit/s
iperf example
15575346
TCP 发送数据
20 MBit/s
37 MBit/s
iperf example
15575346
使用 iperf example 测试吞吐量时，sdkconfig 是 examples/wifi/iperf/sdkconfig.defaults.esp32c3。
如何提高 Wi-Fi 性能
ESP32-C3 Wi-Fi 的性能受许多参数的影响，各参数之间存在相互制约。如果配置地合理，不仅可以提高性能，还可以增加应用程序的可用内存，提高稳定性。
在本节中，我们将简单介绍 Wi-Fi/LWIP 协议栈的工作模式，并说明各个参数的作用。我们将推荐几种配置等级，你可以根据使用场景选择合适的等级。
协议栈工作模式
ESP32-C3 数据路径
ESP32-C3 协议栈分为四层，分别为应用层、LWIP 层、Wi-Fi 层和硬件层。
在接收过程中，硬件将接收到的数据包放入 DMA 缓冲区，然后依次传送到 Wi-Fi 的接收数据缓冲区、LWIP 的接收数据缓冲区进行相关协议处理，最后传送到应用层。Wi-Fi 的接收数据缓冲区和 LWIP 的接收数据缓冲区默认共享同一个缓冲区。也就是说，Wi-Fi 默认将数据包转发到 LWIP 作为参考。
在发送过程中，应用程序首先将要发送的消息复制到 LWIP 层的发送数据缓冲区，进行 TCP/IP 封装。然后将消息发送到 Wi-Fi 层的发送数据缓冲区进行 MAC 封装，最后等待发送。
参数
适当增加上述缓冲区的大小或数量，可以提高 Wi-Fi 性能，但同时，会减少应用程序的可用内存。下面我们将介绍你需要配置的参数：
接收数据方向：
- CONFIG_ESP_WIFI_STATIC_RX_BUFFER_NUM
该参数表示硬件层的 DMA 缓冲区数量。提高该参数将增加发送方的一次性接收吞吐量，从而提高 Wi-Fi 协议栈处理突发流量的能力。
- CONFIG_ESP_WIFI_DYNAMIC_RX_BUFFER_NUM
该参数表示 Wi-Fi 层中接收数据缓冲区的数量。提高该参数可以增强数据包的接收性能。该参数需要与 LWIP 层的接收数据缓冲区大小相匹配。
- CONFIG_ESP_WIFI_RX_BA_WIN
该参数表示接收端 AMPDU BA 窗口的大小，应配置为 CONFIG_ESP_WIFI_STATIC_RX_BUFFER_NUM 和 CONFIG_ESP_WIFI_DYNAMIC_RX_BUFFER_NUM 的二倍数值中较小的数值。
- CONFIG_LWIP_TCP_WND_DEFAULT
该参数表示 LWIP 层用于每个 TCP 流的的接收数据缓冲区大小，应配置为 WIFI_DYNAMIC_RX_BUFFER_NUM (KB) 的值，从而实现高稳定性能。同时，在有多个流的情况下，应相应降低该参数值。
发送数据方向：
- CONFIG_ESP_WIFI_TX_BUFFER
该参数表示发送数据缓冲区的类型，建议配置为动态缓冲区，该配置可以充分利用内存。
- CONFIG_ESP_WIFI_DYNAMIC_TX_BUFFER_NUM
该参数表示 Wi-Fi 层发送数据缓冲区数量。提高该参数可以增强数据包发送的性能。该参数值需要与 LWIP 层的发送数据缓冲区大小相匹配。
- CONFIG_LWIP_TCP_SND_BUF_DEFAULT
该参数表示 LWIP 层用于每个 TCP 流的的发送数据缓冲区大小，应配置为 WIFI_DYNAMIC_TX_BUFFER_NUM (KB) 的值，从而实现高稳定性能。在有多个流的情况下，应相应降低该参数值。
通过在 IRAM 中放置代码优化吞吐量：
备注
上述的缓冲区大小固定为 1.6 KB。
如何配置参数
ESP32-C3 的内存由协议栈和应用程序共享。
在这里，我们给出了几种配置等级。在大多数情况下，应根据应用程序所占用内存的大小，选择合适的等级进行参数配置。
下表中未提及的参数应设置为默认值。
等级 |
Iperf |
默认 |
最小 |
|---|---|---|---|
可用内存 (KB) |
59 |
160 |
180 |
WIFI_STATIC_RX_BUFFER_NUM |
20 |
8 |
3 |
WIFI_DYNAMIC_RX_BUFFER_NUM |
40 |
16 |
6 |
WIFI_DYNAMIC_TX_BUFFER_NUM |
40 |
16 |
6 |
WIFI_RX_BA_WIN |
32 |
16 |
6 |
TCP_SND_BUF_DEFAULT (KB) |
40 |
16 |
6 |
TCP_WND_DEFAULT (KB) |
40 |
16 |
6 |
LWIP_IRAM_OPTIMIZATION |
开启 |
开启 |
关闭 |
TCP 发送数据吞吐量 (Mbit/s) |
38.1 |
27.2 |
20.4 |
TCP 接收数据吞吐量 (Mbit/s) |
35.3 |
24.2 |
17.4 |
UDP 发送数据吞吐量 (Mbit/s) |
40.6 |
38.9 |
34.1 |
UDP 接收数据吞吐量 (Mbit/s) |
52.4 |
44.5 |
44.2 |
备注
以上结果使用华硕 RT-N66U 路由器，在屏蔽箱中进行单流测试得出。 ESP32-C3 的 CPU 为单核，频率为 160 MHz，flash 为 QIO 模式，频率为 80 MHz。
等级：
- Iperf 等级
ESP32-C3 极端性能等级，用于测试极端性能。
- 默认等级
ESP32-C3 的默认配置等级、兼顾可用内存和性能。
- 最小等级
ESP32-C3 的最小配置等级。协议栈只使用运行所需的内存。适用于对性能没有要求，而应用程序需要大量内存的场景。
ESP32-C3 Wi-Fi 节能模式
本小节将简单介绍 Wi-Fi 节能模式相关的概念和使用方式，更加详细的介绍请参考 低功耗模式使用指南。
Station 睡眠
目前， ESP32-C3 Wi-Fi 支持 Modem-sleep 模式，该模式是 IEEE 802.11 协议中的传统节能模式。仅 station 模式支持该模式，且 station 必须先连接到 AP。如果使能了 Modem-sleep 模式，station 将定期在活动状态和睡眠状态之间切换。在睡眠状态下，RF、PHY 和 BB 处于关闭状态，以减少功耗。Modem-sleep 模式下，station 可以与 AP 保持连接。
Modem-sleep 模式包括最小和最大节能模式。在最小节能模式下，每个 DTIM 间隔，station 都将唤醒以接收 beacon。广播数据在 DTIM 之后传输，因此不会丢失。但是，由于 DTIM 间隔长短由 AP 决定，如果该间隔时间设置较短，则省电效果不大。
在最大节能模式下，每个监听间隔，station 都将唤醒以接收 beacon。可以设置该监听间隔长于 AP 的 DTIM 周期。在 DTIM 期间内，station 可能处于睡眠状态，广播数据会丢失。如果监听间隔较长，则可以节省更多电量，但广播数据更容易丢失。连接 AP 前，可以通过调用 API esp_wifi_set_config() 配置监听间隔。
调用 esp_wifi_init() 后，调用 esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MIN_MODEM) 可使能 Modem-sleep 最小节能模式。调用 esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_MAX_MODEM) 可使能 Modem-sleep 最大节能模式。station 连接到 AP 时，Modem-sleep 模式将启动。station 与 AP 断开连接时，Modem-sleep 模式将停止。
调用 esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_NONE) 可以完全禁用 Modem-sleep 模式。禁用会增大功耗，但可以最大限度减少实时接收 Wi-Fi 数据的延迟。使能 Modem-sleep 模式时，接收 Wi-Fi 数据的延迟时间可能与 DTIM 周期（最小节能模式）或监听间隔（最大节能模式）相同。
注意在共存模式下, 即使调用 esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_NONE), Wi-Fi 也仅会在 Wi-Fi 时间片内保持活动状态, 非 Wi-Fi 时间片内仍然睡眠。请参照 共存策略。
默认的 Modem-sleep 模式是 WIFI_PS_MIN_MODEM。
AP 睡眠
目前，ESP32-C3 AP 不支持 Wi-Fi 协议中定义的所有节能功能。具体来说，AP 只缓存所连 station 单播数据，不缓存组播数据。如果 ESP32-C3 AP 所连的 station 已使能节能功能，可能发生组播数据包丢失。
未来，ESP32-C3 AP 将支持所有节能功能。
非连接状态下的休眠
非连接状态指的是 esp_wifi_start() 至 esp_wifi_stop() 期间内，没有建立 Wi-Fi 连接的阶段。
目前, ESP32-C3 Wi-Fi 支持以 station 模式运行时，在非连接状态下休眠。可以通过选项 CONFIG_ESP_WIFI_STA_DISCONNECTED_PM_ENABLE 配置该功能。
如果打开配置选项 CONFIG_ESP_WIFI_STA_DISCONNECTED_PM_ENABLE，则在该阶段内，RF, PHY and BB 将在空闲时被关闭，电流将会等同于 Modem-sleep 模式下的休眠电流。
配置选项 CONFIG_ESP_WIFI_STA_DISCONNECTED_PM_ENABLE 默认情况下将会被打开，共存模式下被 Menuconfig 强制打开。
非连接模块功耗管理
非连接模块指的是一些不依赖于 Wi-Fi 连接的 Wi-Fi 模块，例如 ESP-NOW，DPP，FTM。这些模块从 esp_wifi_start() 开始工作至 esp_wifi_stop() 结束。
目前，ESP-NOW 以 station 模式工作时，既支持在连接状态下休眠，也支持在非连接状态下休眠。
非连接模块发包
对于任何非连接模块，在开启了休眠的任何时间点都可以发包，不需要进行任何额外的配置。
此外，esp_wifi_80211_tx() 也在休眠时被支持。
非连接模块收包
对于非连接模块，在开启休眠时如果需要进行收包，需要配置两个参数，分别为 Window 和 Interval。
在每个 Interval 开始时，RF, PHY and BB 将会被打开并保持 Window 的时间。非连接模块可以在此时间内收包。
Interval
全局只有一个 Interval 参数，所有非连接模块共享它。其数值由 API
esp_wifi_set_connectionless_interval()配置，单位为毫秒。Interval 的默认值为 ESP_WIFI_CONNECTIONLESS_INTERVAL_DEFAULT_MODE 。
在 Interval 开始时，将会给出 WIFI_EVENT_CONNECTIONLESS_MODULE_WAKE_INTERVAL_START 事件，由于 Window 将在此时开始，可以在此事件内布置发包动作。
在连接状态下，Interval 开始的时间点将会与 TBTT 时间点对齐。可以通过将非连接模块的接收端和发送端连接在同一路由器下，并在 WIFI_EVENT_CONNECTIONLESS_MODULE_WAKE_INTERVAL_START 事件内进行发包，以同步非连接模块的传输窗口，达到提高接收端收包成功率的效果。
Window
每个非连接模块在启动后都有其自身的 Window 参数，休眠模块将取所有模块 Window 的最大值运作。
其数值由 API
module_name_set_wake_window()配置，单位为毫秒。模块 Window 的默认值为最大值。
Interval |
|||
|
1 - maximum |
||
Window |
0 |
not used |
|
1 - maximum |
default mode |
used periodically (Window < Interval) / used all time (Window ≥ Interval) |
|
默认模式
当 Interval 参数被配置为 ESP_WIFI_CONNECTIONLESS_INTERVAL_DEFAULT_MODE ，且有非零的 Window 参数时，非连接模块功耗管理将会按默认模式运行。
在没有与非 Wi-Fi 协议共存时，RF、PHY 和 BB 将会在默认模式下被一直打开。
在与非 Wi-Fi 协议共存时，RF、PHY 和 BB 资源被共存模块分时划给 Wi-Fi 非连接模块和非 Wi-Fi 协议使用。在默认模式下，Wi-Fi 非连接模块被允许周期性使用 RF、PHY 和 BB，并且具有稳定性能。
推荐在与非 Wi-Fi 协议共存时将非连接模块功耗管理配置为默认模式。