物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計中Wi-Fi連接的四個關(guān)鍵因素

摘要：Wi-Fi連接的好與壞，對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的使用體驗會產(chǎn)生天上、地下的差別。優(yōu)質(zhì)的Wi-Fi連接，主要取決于四個因素：通信距離長，吞吐量大，數(shù)據(jù)包錯誤率低，具備適當?shù)墓泊婺芰Α６�這一切都可以通過802.11ac來增強，本文為您詳細解讀。

 

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）發(fā)展勢頭的推動下，我們過去從未想過可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備今天正在實現(xiàn)互聯(lián)。現(xiàn)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(fā)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(lián)設(shè)備及用戶的數(shù)量在不停地快速增長。這真是件好事！然而，要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須能在任意環(huán)境中運行自如。無法連接到本地接入點（AP）的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備毫無用處。在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時，系統(tǒng)設(shè)計人員需要理解各種Wi-Fi參數(shù)，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(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)具備的一些重要特征。

 

2.4GHz頻段擁擠不堪

 

如今，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍使用的無線技術(shù)是工作在2.4GHz頻段下的Wi-Fi及藍牙技術(shù)。但是使用Wi-Fi的不止是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shù)。現(xiàn)在，2.4GHz頻段就好像一個會議室，好幾個人都想同時發(fā)言。但是，如果想要讓大家理解發(fā)言內(nèi)容，每次就只能允許一個設(shè)備“發(fā)言”。

 

現(xiàn)在想象一下，某個設(shè)備無法高效通信，卻還喋喋不休。其他設(shè)備張不開嘴，會議室內(nèi)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(shè)備的密度不斷增大，Wi-Fi聯(lián)盟需要在遵守協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了嚴格的性能要求，符合性能要求的產(chǎn)品才能通過認證。

 

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

 

為了讓物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)歷久彌新，必須要求系統(tǒng)設(shè)計人員使用高可靠性Wi-Fi連接。供應(yīng)商必須要了解不良設(shè)計的后果，因為這會直接關(guān)系到產(chǎn)品的成敗以及品牌的聲譽。無法連接到接入點的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(chǎn)品或在線留下產(chǎn)品差評。這些問題會導致產(chǎn)品失敗，并對品牌產(chǎn)生負面影響。即便是在產(chǎn)品設(shè)計良好的情況下，對于不熟悉物聯(lián)網(wǎng)的客戶而言，同樣有必要提供廣泛的技術(shù)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(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)設(shè)備連接接入點的距離。將設(shè)備連接到接入點，往往是客戶對您產(chǎn)品的初步印象。如果實在無法連接，大多數(shù)情況下客戶都將退回產(chǎn)品，大筆一揮留下差評。而您的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(shè)備之間交換數(shù)據(jù)包才能建立連接。

 

Ÿ  傳輸功率

 

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shù)Wi-Fi設(shè)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(shè)定的監(jiān)管限制。這就需要根據(jù)所在國的要求控制較大傳輸功率，遵守監(jiān)管要求。因此，Wi-Fi子系統(tǒng)必須提供便捷或自動化的方法來控制傳輸功率，這樣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(jiān)管（FCC、CE等）的規(guī)定。

 

Ÿ  接收靈敏度

 

接收靈敏度指設(shè)備接收接入點信號的能力。優(yōu)異的接收靈敏度加上優(yōu)異的傳輸功率是保證通信距離的關(guān)鍵。一些Wi-Fi設(shè)備內(nèi)置算法，能在處理輸入信號時提供優(yōu)于其他設(shè)備的信噪比。因此在為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品選擇Wi-Fi設(shè)備時，應(yīng)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(chǎn)生重大影響。

 

傳輸功率、接收靈敏度及環(huán)境因素共同決定兩個Wi-Fi設(shè)備間的鏈路預算。假設(shè)某設(shè)備的傳輸功率比另一臺設(shè)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(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)備都支持波束成形傳輸。波束成形技術(shù)較早出現(xiàn)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(guī)格里得到妥善定義，并且可以實現(xiàn)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(chǎn)生嚴重影響，包括：

 

Ÿ   時延：吞吐量越低，時延越長。雖然大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只需要發(fā)送幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，但時延長也會造成用戶體驗不佳。此外，時延長還會降低醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備這些時間關(guān)鍵型應(yīng)用的可靠性。

 

Ÿ   電池使用壽命：在吞吐量/調(diào)制指數(shù)低的情況下，設(shè)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(shè)備的吞吐量受鏈路預算、調(diào)制指數(shù)和頻段可用性等多個因素的影響。Wi-Fi設(shè)備通過調(diào)節(jié)其鏈路數(shù)據(jù)速率來適應(yīng)鏈路預算。較大的調(diào)制指數(shù)意味著較高的吞吐量。如果支持較高的調(diào)制指數(shù)，就需要對信號調(diào)節(jié)做出改進。因此，某些設(shè)備在較低調(diào)制指數(shù)下的性能，比在較高調(diào)制指數(shù)下時表現(xiàn)得更為優(yōu)異。在各種調(diào)制、編碼方案下都能提供優(yōu)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(yōu)異的數(shù)據(jù)傳輸速率。

 

要想實現(xiàn)優(yōu)異的吞吐量，必須對設(shè)備在所支持的各種調(diào)制指數(shù)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(diào)制指數(shù)的設(shè)備。802.11ac標準可支持256-QAM（正交調(diào)幅）。與802.11n標準支持的64-QAM相比，802.11ac設(shè)備能實現(xiàn)更高的吞吐量。

 

此外，特定區(qū)域內(nèi)試圖通信的設(shè)備數(shù)量也會直接影響吞吐量。設(shè)備數(shù)量越多，每個設(shè)備發(fā)送/接收數(shù)據(jù)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(tǒng)Wi-Fi設(shè)備，同時還有藍牙和Zigbee等其他無線設(shè)備。因此，除了使用較高的調(diào)制指數(shù)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(shù)據(jù)包錯誤率高

 

在Wi-Fi通信中，一旦有數(shù)據(jù)包出錯，就需要重新傳輸。數(shù)據(jù)包錯誤率（PER）高的設(shè)備會導致網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備性能低下，因為它需要花費更長時間才能成功地傳輸數(shù)據(jù)包。這樣可能會增加沖突數(shù)量，導致其他設(shè)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(xiàn)的是用20個節(jié)點、按每秒傳輸一個數(shù)據(jù)包的速率、傳輸1,000字節(jié)的數(shù)據(jù)時，每秒時間里通話時間所占的百分比。

根據(jù)該表，錯誤率90%的設(shè)備跟錯誤率10%的設(shè)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(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯誤，就需要重新傳輸。這對時間關(guān)鍵型應(yīng)用來說是個致命問題。因此，在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選擇Wi-Fi設(shè)備前，應(yīng)掌握Wi-Fi設(shè)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(shù)據(jù)包沖突數(shù)量。

 

Wi-Fi不良之四：共存能力差

 

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備往往需要同時使用Wi-Fi無線技術(shù)與藍牙無線技術(shù)。難題在于它們工作在相同頻段下，如果不進行協(xié)調(diào)，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(chuàng)建共存算法需要耗費數(shù)百人年的工作量，它可以實時決定是否授予介質(zhì)訪問Wi-Fi和藍牙的權(quán)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(xiàn)性能較大化。要實現(xiàn)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(yōu)異的仲裁器。

 

某些Wi-Fi和藍牙組合設(shè)備內(nèi)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(yīng)用來說很有幫助。因此，除了具備良好的共存機制之外，還應(yīng)使用支持5GHz的設(shè)備才能實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)產(chǎn)品取得成功的關(guān)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(shè)備至關(guān)重要。802.11ac標準通過波束成形傳輸、提高吞吐量（通過提高調(diào)制指數(shù)）、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(shè)備具有業(yè)經(jīng)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(lián)網(wǎng)產(chǎn)品選擇連接解決方案時，所有這些因素都應(yīng)考慮在內(nèi)。