物聯網產品設計中Wi-Fi連接的四個關鍵因素

2019年12月05日12:16:58 本網站我要評論(2)字號：T | T | T

摘要：Wi-Fi連接的好與壞，對物聯網產品的使用體驗會產生天上、地下的差別。優質的Wi-Fi連接，主要取決于四個因素：通信距離長，吞吐量大，數據包錯誤率低，具備適當的共存能力。而這一切都可以通過802.11ac來增強，本文為您詳細解讀。

在物聯網（IoT）發展勢頭的推動下，我們過去從未想過可以聯網的設備今天正在實現互聯�，F在煮咖啡也不必您親自走到咖啡機前，您只需用自己的手機給咖啡機發一條命令即可�？Х葯C甚至可以了解您的喜好，每次都按照您的喜好準備咖啡。

互聯設備及用戶的數量在不停地快速增長。這真是件好事！然而，要實現物聯網基礎設施的可持續發展，物聯網設備必須能在任意環境中運行自如。無法連接到本地接入點（AP）的物聯網設備毫無用處。在設計物聯網產品時，系統設計人員需要理解各種Wi-Fi參數，例如傳輸功率、接收靈敏度、共存能力以及吞吐量。本文將介紹成功的物聯網產品應具備的一些重要特征。

2.4GHz頻段擁擠不堪

如今，物聯網設備普遍使用的無線技術是工作在2.4GHz頻段下的Wi-Fi及藍牙技術。但是使用Wi-Fi的不止是物聯網設備，每個家庭中的電視、筆記本電腦、平板電腦和移動電話也廣泛使用Wi-Fi技術�，F在，2.4GHz頻段就好像一個會議室，好幾個人都想同時發言。但是，如果想要讓大家理解發言內容，每次就只能允許一個設備“發言”。

現在想象一下，某個設備無法高效通信，卻還喋喋不休。其他設備張不開嘴，會議室內無法進行有意義的通話。過去，Wi-Fi標準并不重視性能和頻段利用。隨著Wi-Fi設備的密度不斷增大，Wi-Fi聯盟需要在遵守協議的基礎上增加了嚴格的性能要求，符合性能要求的產品才能通過認證。

物聯網設備制造商需要摒棄“唯低成本是瞻”的做法，確保他們設計的Wi-Fi互聯設備不會性能低下，或給附近其他Wi-Fi設備造成不利影響。哪怕只有一個設備性能低下，也足以拖垮客戶的整個Wi-Fi網絡。

為了讓物聯網網絡歷久彌新，必須要求系統設計人員使用高可靠性Wi-Fi連接。供應商必須要了解不良設計的后果，因為這會直接關系到產品的成敗以及品牌的聲譽。無法連接到接入點的物聯網產品對客戶而言毫無用處。

當客戶遇到任何連接問題時，他們很可能退回產品或在線留下產品差評。這些問題會導致產品失敗，并對品牌產生負面影響。即便是在產品設計良好的情況下，對于不熟悉物聯網的客戶而言，同樣有必要提供廣泛的技術支持。

下面列舉幾種Wi-Fi連接不良時的典型特征：

Ÿ 通信距離短

Ÿ 吞吐量低

Ÿ 數據包錯誤率高

Ÿ 共存能力差

Wi-Fi不良之一：通信距離短

過短的通信距離會限制物聯網設備連接接入點的距離。將設備連接到接入點，往往是客戶對您產品的初步印象。如果實在無法連接，大多數情況下客戶都將退回產品，大筆一揮留下差評。而您的物聯網產品無法在一定距離連接到接入點的原因，可能是傳輸功率低、靈敏度差或不支持波束成形傳輸，因為Wi-Fi鏈路需要兩個設備之間交換數據包才能建立連接。

Ÿ 傳輸功率

物聯網設備的傳輸功率會影響接入點接收其信號的能力。功率超過一定水平后，Wi-Fi功率放大器的輸出開始失真。為了解決這個問題，大多數Wi-Fi設備會限制傳輸功率。當然，也有別的辦法，賽普拉斯就使用專有方法解決Wi-Fi功率放大器的失真問題，增大傳輸功率。

傳輸功率的另一大問題在于不同國家設定的監管限制。這就需要根據所在國的要求控制較大傳輸功率，遵守監管要求。因此，Wi-Fi子系統必須提供便捷或自動化的方法來控制傳輸功率，這樣物聯網設備就既能以較大傳輸功率水平進行傳輸，同時又避免違反任何監管（FCC、CE等）的規定。

Ÿ 接收靈敏度

接收靈敏度指設備接收接入點信號的能力。優異的接收靈敏度加上優異的傳輸功率是保證通信距離的關鍵。一些Wi-Fi設備內置算法，能在處理輸入信號時提供優于其他設備的信噪比。因此在為物聯網產品選擇Wi-Fi設備時，應充分考慮接收靈敏度。

Ÿ 鏈路預算

鏈路預算也會對通信距離產生重大影響。

傳輸功率、接收靈敏度及環境因素共同決定兩個Wi-Fi設備間的鏈路預算。假設某設備的傳輸功率比另一臺設備大+3dBm(分貝毫瓦)，靈敏度高-3dBm。這樣可以將鏈路預算提升6dBm。鏈路預算每提升6dBm，就可以讓通信距離翻番（見圖）。

Ÿ 波束成形傳輸

波束成形傳輸用于將傳輸功率定向聚焦，從而幫助提高聚焦方向上的通信距離。例如，如果物聯網設備支持波束成形傳輸，就能在更遠距離上連接到接入點。但是，并非所有Wi-Fi設備都支持波束成形傳輸。波束成形技術較早出現在802.11n標準中，不過較終如何實行由廠商決定。這就帶來了互操作性問題。在802.11ac標準中，這項特性在WLAN規格里得到妥善定義，并且可以實現互操作。因此，要在無需中繼器的情況下提高通信距離，11ac成為必需條件。

Wi-Fi不良之二：吞吐量低

吞吐量低會對性能產生嚴重影響，包括：

Ÿ 時延：吞吐量越低，時延越長。雖然大多數物聯網設備只需要發送幾個字節的數據，但時延長也會造成用戶體驗不佳。此外，時延長還會降低醫療設備、工業設備這些時間關鍵型應用的可靠性。

Ÿ 電池使用壽命：在吞吐量/調制指數低的情況下，設備需要用較長時間來進行傳輸，會有更長的活動時間，會直接縮短電池的使用壽命。

Ÿ 頻段利用率差：吞吐量低會增加通信的通話時間。這樣會直接造成2.4GHz頻段更加擁擠。

設備的吞吐量受鏈路預算、調制指數和頻段可用性等多個因素的影響。Wi-Fi設備通過調節其鏈路數據速率來適應鏈路預算。較大的調制指數意味著較高的吞吐量。如果支持較高的調制指數，就需要對信號調節做出改進。因此，某些設備在較低調制指數下的性能，比在較高調制指數下時表現得更為優異。在各種調制、編碼方案下都能提供優異的靈敏度和良好的傳輸功率，才能在各種通信距離下提供優異的數據傳輸速率。

要想實現優異的吞吐量，必須對設備在所支持的各種調制指數和編碼方案下的吞吐量進行考查。與此同時，還需要選擇可支持較高調制指數的設備。802.11ac標準可支持256-QAM（正交調幅）。與802.11n標準支持的64-QAM相比，802.11ac設備能實現更高的吞吐量。

此外，特定區域內試圖通信的設備數量也會直接影響吞吐量。設備數量越多，每個設備發送/接收數據的時間就越短。這就限制了有效吞吐量。這個問題在2.4GHz頻段變得非常嚴重，因為該頻段存在大量試圖通信的傳統Wi-Fi設備，同時還有藍牙和Zigbee等其他無線設備。因此，除了使用較高的調制指數提高吞吐量，802.11ac標準也支持擁擠程度較低的5GHz頻段，同樣有助于提高吞吐量。

Wi-Fi不良之三：數據包錯誤率高

在Wi-Fi通信中，一旦有數據包出錯，就需要重新傳輸。數據包錯誤率（PER）高的設備會導致網絡中的所有設備性能低下，因為它需要花費更長時間才能成功地傳輸數據包。這樣可能會增加沖突數量，導致其他設備也不得不重新傳輸，進一步劣化PER。該表顯示的是不同PER下通話時間的占用情況。該表體現的是用20個節點、按每秒傳輸一個數據包的速率、傳輸1,000字節的數據時，每秒時間里通話時間所占的百分比。

根據該表，錯誤率90%的設備跟錯誤率10%的設備相比，前者占用的通話時間是后者900%。此外，PER較高還會增加時延。如果數據包出現錯誤，就需要重新傳輸。這對時間關鍵型應用來說是個致命問題。因此，在為物聯網應用選擇Wi-Fi設備前，應掌握Wi-Fi設備的PER。802.11ac標準可起到很大幫助，因為它支持擁擠程度較低的5GHz頻段，有助于減少數據包沖突數量。

Wi-Fi不良之四：共存能力差

物聯網設備往往需要同時使用Wi-Fi無線技術與藍牙無線技術。難題在于它們工作在相同頻段下，如果不進行協調，兩者很難相容。共存能力差會嚴重劣化Wi-Fi吞吐量。

有多種共存方案可以使用，但它們的性能差異較大。創建共存算法需要耗費數百人年的工作量，它可以實時決定是否授予介質訪問Wi-Fi和藍牙的權限。必須理想地控制Wi-Fi和藍牙無線電的射頻鏈路，才能盡可能降低干擾，實現性能較大化。要實現并存，需要將來自Wi-Fi和藍牙核心的大量信息提供給性能優異的仲裁器。

某些Wi-Fi和藍牙組合設備內置共存功能，仲裁器通過并行總線與Wi-Fi和藍牙核心進行通信。802.11n和802.11ac標準支持Wi-Fi在5GHz頻段下工作，這對于同時需要使用Wi-Fi和藍牙才能工作的應用來說很有幫助。因此，除了具備良好的共存機制之外，還應使用支持5GHz的設備才能實現較理想的共存。

起碼要用802.11ac (Wi-Fi 5)

良好的Wi-Fi連接是物聯網產品取得成功的關鍵。選擇通信距離長、吞吐量大、PER低，且能提供良好共存支持的設備至關重要。802.11ac標準通過波束成形傳輸、提高吞吐量（通過提高調制指數）、降低PER，加強共存能力（通過支持擁擠程度較輕的5GHz頻段），增加通信距離。組合設備具有業經驗證的共存能力，能顯著提高Wi-Fi的吞吐量，即使需要同時使用藍牙也毫不影響。在為物聯網產品選擇連接解決方案時，所有這些因素都應考慮在內。

物聯網產品設計中Wi-Fi連接的四個關鍵因素

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