物联网产品设计中Wi-Fi连接的四个关键因素

在物联网（IoT）发展势头的推动下，我们过去从未想过可以联网的设备今天正在实现互联。现在煮咖啡也不必您亲自走到咖啡机前，您只需用自己的手机给咖啡机发一条命令即可。咖啡机甚至可以了解您的喜好，每次都按照您的喜好准备咖啡。
互联设备及用户的数量在不停地快速增长。这真是件好事！然而，要实现物联网基础设施的可持续发展，物联网设备必须能在任意环境中运行自如。无法连接到本地接入点（AP）的物联网设备毫无用处。在设计物联网产品时，系统设计人员需要理解各种Wi-Fi参数，例如传输功率、接收灵敏度、共存能力以及吞吐量。本文将介绍成功的物联网产品应具备的一些重要特征。
2.4GHz频段拥挤不堪如今，物联网设备普遍使用的无线技术是工作在2.4GHz频段下的Wi-Fi及蓝牙技术。但是使用Wi-Fi的不止是物联网设备，每个家庭中的电视、笔记本电脑、平板电脑和移动电话也广泛使用Wi-Fi技术。现在，2.4GHz频段就好像一个会议室，好几个人都想同时发言。但是，如果想要让大家理解发言内容，每次就只能允许一个设备"发言" 。
现在想象一下，某个设备无法高效通信，却还喋喋不休。其他设备张不开嘴，会议室内无法进行有意义的通话。过去，Wi-Fi标准并不重视性能和频段利用。随着Wi-Fi设备的密度不断增大，Wi-Fi联盟需要在遵守协议的基础上增加了严格的性能要求，符合性能要求的产品才能通过认证。
物联网设备制造商需要摒弃"唯低成本是瞻"的做法，确保他们设计的Wi-Fi互联设备不会性能低下，或给附近其他Wi-Fi设备造成不利影响。哪怕只有一个设备性能低下，也足以拖垮客户的整个Wi-Fi网络。
为了让物联网网络历久弥新，必须要求系统设计人员使用高可靠性Wi-Fi连接。供应商必须要了解不良设计的后果，因为这会直接关系到产品的成败以及品牌的声誉。无法连接到接入点的物联网产品对客户而言毫无用处。
当客户遇到任何连接问题时，他们很可能退回产品或在线留下产品差评。这些问题会导致产品失败，并对品牌产生负面影响。即便是在产品设计良好的情况下，对于不熟悉物联网的客户而言，同样有必要提供广泛的技术支持。
下面列举几种Wi-Fi连接不良时的典型特征：
? 通信距离短
? 吞吐量低
? 数据包错误率高
? 共存能力差
Wi-Fi不良之一：通信距离短过短的通信距离会限制物联网设备连接接入点的距离。将设备连接到接入点，往往是客户对您产品的初步印象。如果实在无法连接，大多数情况下客户都将退回产品，大笔一挥留下差评。而您的物联网产品无法在一定距离连接到接入点的原因，可能是传输功率低、灵敏度差或不支持波束成形传输，因为Wi-Fi链路需要两个设备之间交换数据包才能建立连接。
? 传输功率
物联网设备的传输功率会影响接入点接收其信号的能力。功率超过一定水平后，Wi-Fi功率放大器的输出开始失真。为了解决这个问题，大多数Wi-Fi设备会限制传输功率。当然，也有别的办法，赛普拉斯就使用专有方法解决Wi-Fi功率放大器的失真问题，增大传输功率。
传输功率的另一大问题在于不同国家设定的监管限制。这就需要根据所在国的要求控制最大传输功率，遵守监管要求。因此，Wi-Fi子系统必须提供便捷或自动化的方法来控制传输功率，这样物联网设备就既能以最大传输功率水平进行传输，同时又避免违反任何监管（FCC、CE等）的规定。
? 接收灵敏度
接收灵敏度指设备接收接入点信号的能力。优异的接收灵敏度加上优异的传输功率是保证通信距离的关键。一些Wi-Fi设备内置算法，能在处理输入信号时提供优于其他设备的信噪比。因此在为物联网产品选择Wi-Fi设备时，应充分考虑接收灵敏度。
? 链路预算

文章插图
链路预算也会对通信距离产生重大影响。
传输功率、接收灵敏度及环境因素共同决定两个Wi-Fi设备间的链路预算。假设某设备的传输功率比另一台设备大+3dBm(分贝毫瓦)，灵敏度高-3dBm 。这样可以将链路预算提升6dBm 。链路预算每提升6dBm，就可以让通信距离翻番（见图）。
? 波束成形传输
波束成形传输用于将传输功率定向聚焦，从而帮助提高聚焦方向上的通信距离。例如，如果物联网设备支持波束成形传输，就能在更远距离上连接到接入点。但是，并非所有Wi-Fi设备都支持波束成形传输。波束成形技术最早出现在802.11n标准中，不过最终如何实行由厂商决定。这就带来了互操作性问题。在802.11ac标准中，这项特性在WLAN规格里得到妥善定义，并且可以实现互操作。因此，要在无需中继器的情况下提高通信距离，11ac成为必需条件。
Wi-Fi不良之二：吞吐量低吞吐量低会对性能产生严重影响，包括：
? 时延：吞吐量越低，时延越长。虽然大多数物联网设备只需要发送几个字节的数据，但时延长也会造成用户体验不佳。此外，时延长还会降低医疗设备、工业设备这些时间关键型应用的可靠性。
? 电池使用寿命：在吞吐量/调制指数低的情况下，设备需要用较长时间来进行传输，会有更长的活动时间，会直接缩短电池的使用寿命。
? 频段利用率差：吞吐量低会增加通信的通话时间。这样会直接造成2.4GHz频段更加拥挤。
设备的吞吐量受链路预算、调制指数和频段可用性等多个因素的影响。Wi-Fi设备通过调节其链路数据速率来适应链路预算。较大的调制指数意味着较高的吞吐量。如果支持较高的调制指数，就需要对信号调节做出改进。因此，某些设备在较低调制指数下的性能，比在较高调制指数下时表现得更为优异。在各种调制、编码方案下都能提供优异的灵敏度和良好的传输功率，才能在各种通信距离下提供优异的数据传输速率。
要想实现优异的吞吐量，必须对设备在所支持的各种调制指数和编码方案下的吞吐量进行考查。与此同时，还需要选择可支持较高调制指数的设备。802.11ac标准可支持256-QAM（正交调幅）。与802.11n标准支持的64-QAM相比，802.11ac设备能实现更高的吞吐量。
此外，特定区域内试图通信的设备数量也会直接影响吞吐量。设备数量越多，每个设备发送/接收数据的时间就越短。这就限制了有效吞吐量。这个问题在2.4GHz频段变得非常严重，因为该频段存在大量试图通信的传统Wi-Fi设备，同时还有蓝牙和Zigbee等其他无线设备。因此，除了使用较高的调制指数提高吞吐量，802.11ac标准也支持拥挤程度较低的5GHz频段，同样有助于提高吞吐量。
Wi-Fi不良之三：数据包错误率高在Wi-Fi通信中，一旦有数据包出错，就需要重新传输。数据包错误率（PER）高的设备会导致网络中的所有设备性能低下，因为它需要花费更长时间才能成功地传输数据包。这样可能会增加冲突数量，导致其他设备也不得不重新传输，进一步劣化PER 。该表显示的是不同PER下通话时间的占用情况。该表体现的是用20个节点、按每秒传输一个数据包的速率、传输1,000字节的数据时，每秒时间里通话时间所占的百分比。

文章插图

根据该表，错误率90%的设备跟错误率10%的设备相比，前者占用的通话时间是后者900% 。此外，PER较高还会增加时延。如果数据包出现错误，就需要重新传输。这对时间关键型应用来说是个致命问题。因此，在为物联网应用选择Wi-Fi设备前，应掌握Wi-Fi设备的PER 。802.11ac标准可起到很大帮助，因为它支持拥挤程度较低的5GHz频段，有助于减少数据包冲突数量。
Wi-Fi不良之四：共存能力差物联网设备往往需要同时使用Wi-Fi无线技术与蓝牙无线技术。难题在于它们工作在相同频段下，如果不进行协调，两者很难相容。共存能力差会严重劣化Wi-Fi吞吐量。
有多种共存方案可以使用，但它们的性能差异较大。创建共存算法需要耗费数百人年的工作量，它可以实时决定是否授予介质访问Wi-Fi和蓝牙的权限。必须理想地控制Wi-Fi和蓝牙无线电的射频链路，才能尽可能降低干扰，实现性能最大化。要实现并存，需要将来自Wi-Fi和蓝牙核心的大量信息提供给性能优异的仲裁器。
某些Wi-Fi和蓝牙组合设备内置共存功能，仲裁器通过并行总线与Wi-Fi和蓝牙核心进行通信。802.11n和802.11ac标准支持Wi-Fi在5GHz频段下工作，这对于同时需要使用Wi-Fi和蓝牙才能工作的应用来说很有帮助。因此，除了具备良好的共存机制之外，还应使用支持5GHz的设备才能实现最理想的共存。
起码要用802.11ac (Wi-Fi 5)良好的Wi-Fi连接是物联网产品取得成功的关键。选择通信距离长、吞吐量大、PER低，且能提供良好共存支持的设备至关重要。802.11ac标准通过波束成形传输、提高吞吐量（通过提高调制指数）、降低PER，加强共存能力（通过支持拥挤程度较轻的5GHz频段），增加通信距离。组合设备具有业经验证的共存能力，能显著提高Wi-Fi的吞吐量，即使需要同时使用蓝牙也毫不影响。在为物联网产品选择连接解决方案时，所有这些因素都应考虑在内。