物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中Wi-Fi連接的四個(gè)關(guān)鍵因素

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）發(fā)展勢頭的推動(dòng)下，我們過去從未想過可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備今天正在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。現(xiàn)在煮咖啡也不必您親自走到咖啡機(jī)前，您只需用自己的手機(jī)給咖啡機(jī)發(fā)一條命令即可。咖啡機(jī)甚至可以了解您的喜好，每次都按照您的喜好準(zhǔn)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(shí)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(yùn)行自如。無法連接到本地接入點(diǎn)（AP）的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備毫無用處。在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lán)牙技術(shù)。但是使用Wi-Fi的不止是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，每個(gè)家庭中的電視、筆記本電腦、平板電腦和移動(dòng)電話也廣泛使用Wi-Fi技術(shù)。現(xiàn)在，2.4GHz頻段就好像一個(gè)會(huì)議室，好幾個(gè)人都想同時(shí)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(gè)設(shè)備“發(fā)言”。

現(xiàn)在想象一下，某個(gè)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(huì)議室內(nèi)無法進(jìn)行有意義的通話。過去，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格的性能要求，符合性能要求的產(chǎn)品才能通過認(rèn)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(jì)的Wi-Fi互聯(lián)設(shè)備不會(huì)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(gè)設(shè)備性能低下，也足以拖垮客戶的整個(gè)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(jì)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(jì)的后果，因?yàn)檫@會(huì)直接關(guān)系到產(chǎn)品的成敗以及品牌的聲譽(yù)。無法連接到接入點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品對客戶而言毫無用處。

當(dāng)客戶遇到任何連接問題時(shí)，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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失敗，并對品牌產(chǎn)生負(fù)面影響。即便是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)的典型特征：

• 通信距離短
• 吞吐量低
• 數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率高
• 共存能力差

Wi-Fi不良之一：通信距離短

過短的通信距離會(huì)限制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接接入點(diǎn)的距離。將設(shè)備連接到接入點(diǎn)，往往是客戶對您產(chǎn)品的初步印象。如果實(shí)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(diǎn)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?yàn)閃i-Fi鏈路需要兩個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)包才能建立連接。

• 傳輸功率

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的傳輸功率會(huì)影響接入點(diǎn)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(gè)問題，大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備會(huì)限制傳輸功率。當(dāng)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)所在國的要求控制最大傳輸功率，遵守監(jiān)管要求。因此，Wi-Fi子系統(tǒng)必須提供便捷或自動(dòng)化的方法來控制傳輸功率，這樣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備就既能以最大傳輸功率水平進(jìn)行傳輸，同時(shí)又避免違反任何監(jiān)管（FCC、CE等）的規(guī)定。

• 接收靈敏度

接收靈敏度指設(shè)備接收接入點(diǎn)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(shí)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(shí)，應(yīng)充分考慮接收靈敏度。

• 鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算也會(huì)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(gè)Wi-Fi設(shè)備間的鏈路預(yù)算。假設(shè)某設(shè)備的傳輸功率比另一臺(tái)設(shè)備大+3dBm(分貝毫瓦)，靈敏度高-3dBm。這樣可以將鏈路預(yù)算提升6dBm。鏈路預(yù)算每提升6dBm，就可以讓通信距離翻番（見圖）。

• 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(yuǎn)距離上連接到接入點(diǎn)。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)最早出現(xiàn)在802.11n標(biāo)準(zhǔn)中，不過最終如何實(shí)行由廠商決定。這就帶來了互操作性問題。在802.11ac標(biāo)準(zhǔn)中，這項(xiàng)特性在WLAN規(guī)格里得到妥善定義，并且可以實(shí)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(huì)對性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，包括：

• 時(shí)延：吞吐量越低，時(shí)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，但時(shí)延長也會(huì)造成用戶體驗(yàn)不佳。此外，時(shí)延長還會(huì)降低醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備這些時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用的可靠性。

• 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(shí)間來進(jìn)行傳輸，會(huì)有更長的活動(dòng)時(shí)間，會(huì)直接縮短電池的使用壽命。

• 頻段利用率差：吞吐量低會(huì)增加通信的通話時(shí)間。這樣會(huì)直接造成2.4GHz頻段更加擁擠。

設(shè)備的吞吐量受鏈路預(yù)算、調(diào)制指數(shù)和頻段可用性等多個(gè)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(yù)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(jìn)。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(shí)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(shí)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(jìn)行考查。與此同時(shí)，還需要選擇可支持較高調(diào)制指數(shù)的設(shè)備。802.11ac標(biāo)準(zhǔn)可支持256-QAM（正交調(diào)幅）。與802.11n標(biāo)準(zhǔn)支持的64-QAM相比，802.11ac設(shè)備能實(shí)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(huì)直接影響吞吐量。設(shè)備數(shù)量越多，每個(gè)設(shè)備發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的時(shí)間就越短。這就限制了有效吞吐量。這個(gè)問題在2.4GHz頻段變得非常嚴(yán)重，因?yàn)樵擃l段存在大量試圖通信的傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備，同時(shí)還有藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤率高

在Wi-Fi通信中，一旦有數(shù)據(jù)包出錯(cuò)，就需要重新傳輸。數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率（PER）高的設(shè)備會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備性能低下，因?yàn)樗枰ㄙM(fèi)更長時(shí)間才能成功地傳輸數(shù)據(jù)包。這樣可能會(huì)增加沖突數(shù)量，導(dǎo)致其他設(shè)備也不得不重新傳輸，進(jìn)一步劣化PER。該表顯示的是不同PER下通話時(shí)間的占用情況。該表體現(xiàn)的是用20個(gè)節(jié)點(diǎn)、按每秒傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的速率、傳輸1,000字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，每秒時(shí)間里通話時(shí)間所占的百分比。

根據(jù)該表，錯(cuò)誤率90%的設(shè)備跟錯(cuò)誤率10%的設(shè)備相比，前者占用的通話時(shí)間是后者900%。此外，PER較高還會(huì)增加時(shí)延。如果數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯(cuò)誤，就需要重新傳輸。這對時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用來說是個(gè)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(biāo)準(zhǔn)可起到很大幫助，因?yàn)樗С謸頂D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(shí)使用Wi-Fi無線技術(shù)與藍(lán)牙無線技術(shù)。難題在于它們工作在相同頻段下，如果不進(jìn)行協(xié)調(diào)，兩者很難相容。共存能力差會(huì)嚴(yán)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(fèi)數(shù)百人年的工作量，它可以實(shí)時(shí)決定是否授予介質(zhì)訪問Wi-Fi和藍(lán)牙的權(quán)限。必須理想地控制Wi-Fi和藍(lán)牙無線電的射頻鏈路，才能盡可能降低干擾，實(shí)現(xiàn)性能最大化。要實(shí)現(xiàn)并存，需要將來自Wi-Fi和藍(lán)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(lán)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(lán)牙核心進(jìn)行通信。802.11n和802.11ac標(biāo)準(zhǔn)支持Wi-Fi在5GHz頻段下工作，這對于同時(shí)需要使用Wi-Fi和藍(lán)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(jī)制之外，還應(yīng)使用支持5GHz的設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)最理想的共存。

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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(yàn)證的共存能力，能顯著提高Wi-Fi的吞吐量，即使需要同時(shí)使用藍(lán)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(shí)，所有這些因素都應(yīng)考慮在內(nèi)。

責(zé)編：Yvonne Geng