# Wi-Fi 性能与节能

[English]

## 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-S2 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-S2 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-S2 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：

\[p = (b_{rx} * m_{rx}) + (b_{tx} * m_{tx})\]

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-S2 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 | 70 MBit/s | iperf example | 15575346
> UDP 发送数据 | 30 MBit/s | 50 MBit/s | iperf example | 15575346
> TCP 接收数据 | 20 MBit/s | 32 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.esp32s2。

## 如何提高 Wi-Fi 性能

ESP32-S2 Wi-Fi 的性能受许多参数的影响，各参数之间存在相互制约。如果配置得合理，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-S2 数据路径

ESP32-S2 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：

> - CONFIG_ESP_WIFI_IRAM_OPT

>     如果使能该选项，一些 Wi-Fi 功能将被移至 IRAM，从而提高吞吐量，IRAM 使用量将增加 15 kB。

> - CONFIG_ESP_WIFI_RX_IRAM_OPT

>     如果使能该选项，一些 Wi-Fi 接收数据功能将被移至 IRAM，从而提高吞吐量，IRAM 使用量将增加 16 kB。

- CONFIG_LWIP_IRAM_OPTIMIZATION

    如果使能该选项，一些 LWIP 功能将被移至 IRAM，从而提高吞吐量，IRAM 使用量将增加 13 kB。

缓存：

> - CONFIG_ESP32S2_INSTRUCTION_CACHE_SIZE

>     配置指令缓存的大小。

> - CONFIG_ESP32S2_INSTRUCTION_CACHE_LINE_SIZE

>     配置指令缓存总线的宽度。

备注

上述的缓冲区大小固定为 1.6 KB。

### 如何配置参数

ESP32-S2 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 | 高性能 | 默认 | 节省内存 | 最小
--- | --- | --- | --- | --- | ---
可用内存 (KB) | 4.1 | 24.2 | 78.4 | 86.5 | 116.4
WIFI_STATIC_RX_BUFFER_NUM | 8 | 6 | 6 | 4 | 3
WIFI_DYNAMIC_RX_BUFFER_NUM | 24 | 18 | 12 | 8 | 6
WIFI_DYNAMIC_TX_BUFFER_NUM | 24 | 18 | 12 | 8 | 6
WIFI_RX_BA_WIN | 12 | 9 | 6 | 4 | 3
TCP_SND_BUF_DEFAULT (KB) | 24 | 18 | 12 | 8 | 6
TCP_WND_DEFAULT (KB) | 24 | 18 | 12 | 8 | 6
WIFI_IRAM_OPT | 开启 | 开启 | 开启 | 开启 | 关闭
WIFI_RX_IRAM_OPT | 开启 | 开启 | 开启 | 关闭 | 关闭
LWIP_IRAM_OPTIMIZATION | 开启 | 开启 | 关闭 | 关闭 | 关闭
INSTRUCTION_CACHE | 16 | 16 | 16 | 16 | 8
INSTRUCTION_CACHE_LINE | 16 | 16 | 16 | 16 | 16
TCP 发送数据吞吐量 (Mbit/s) | 37.6 | 33.1 | 22.5 | 12.2 | 5.5
TCP 接收数据吞吐量 (Mbit/s) | 31.5 | 28.1 | 20.1 | 13.1 | 7.2
UDP 发送数据吞吐量 (Mbit/s) | 58.1 | 57.3 | 28.1 | 22.6 | 8.7
UDP 接收数据吞吐量 (Mbit/s) | 78.1 | 66.7 | 65.3 | 53.8 | 28.5

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-S2 的 CPU 为单核，频率为 240 MHz，flash 为 QIO 模式，频率为 80 MHz。

等级：

> - Iperf 等级

>     ESP32-S2 极端性能等级，用于测试极端性能。

> - 高性能等级

>     ESP32-S2 的高性能配置等级，适用于应用程序占用内存较少且有高性能要求的场景。

> - 默认等级

>     ESP32-S2 的默认配置等级、兼顾可用内存和性能。

> - 节省内存等级

>     该等级适用于应用程序需要大量内存的场景，在这一等级下，收发器的性能会有所降低。

> - 最小等级

>     ESP32-S2 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。

### 使用 PSRAM

PSRAM 一般在应用程序占用大量内存时使用。在该模式下，CONFIG_ESP_WIFI_TX_BUFFER 被强制为静态。CONFIG_ESP_WIFI_STATIC_TX_BUFFER_NUM 表示硬件层 DMA 缓冲区数量，提高这一参数可以增强性能。 以下是使用 PSRAM 时的推荐等级。

等级 | Iperf | 默认 | 节省内存 | 最小
--- | --- | --- | --- | ---
可用内存 (KB) | 70.6 | 96.4 | 118.8 | 148.2
WIFI_STATIC_RX_BUFFER_NUM | 8 | 8 | 6 | 4
WIFI_DYNAMIC_RX_BUFFER_NUM | 64 | 64 | 64 | 64
WIFI_STATIC_TX_BUFFER_NUM | 16 | 8 | 6 | 4
WIFI_RX_BA_WIN | 16 | 6 | 6 | 禁用
TCP_SND_BUF_DEFAULT (KB) | 32 | 32 | 32 | 32
TCP_WND_DEFAULT (KB) | 32 | 32 | 32 | 32
WIFI_IRAM_OPT | 开启 | 开启 | 开启 | 关闭
WIFI_RX_IRAM_OPT | 开启 | 开启 | 关闭 | 关闭
LWIP_IRAM_OPTIMIZATION | 开启 | 关闭 | 关闭 | 关闭
INSTRUCTION_CACHE | 16 | 16 | 16 | 8
INSTRUCTION_CACHE_LINE | 16 | 16 | 16 | 16
DATA_CACHE | 8 | 8 | 8 | 8
DATA_CACHE_LINE | 32 | 32 | 32 | 32
TCP 发送数据吞吐量 (Mbit/s) | 40.1 | 29.2 | 20.1 | 8.9
TCP 接收数据吞吐量 (Mbit/s) | 21.9 | 16.8 | 14.8 | 9.6
UDP 发送数据吞吐量 (Mbit/s) | 50.1 | 25.7 | 22.4 | 10.2
UDP 接收数据吞吐量 (Mbit/s) | 45.3 | 43.1 | 28.5 | 15.1

备注

达到性能的峰值可能会触发任务看门狗，由于 CPU 可能没有时间处理低优先级的任务，这是一个正常现象。

## ESP32-S2 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-S2 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。

默认的 Modem-sleep 模式是 WIFI_PS_MIN_MODEM。

### AP 睡眠

目前，ESP32-S2 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-S2 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-S2 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-S2 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。

不同 Window 与 Interval 组合下的 RF, PHY and BB 使用情况
| Interval
`ESP_WIFI_CONNECTIONLESS_INTERVAL_DEFAULT_MODE` | 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。

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