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作者：賽普拉斯半導體 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(huì )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(gè)因素：通信距離長(cháng)，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(guò)802.11ac來(lái)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(dòng)下，我們過(guò)去從未想過(guò)可以聯(lián)網(wǎng)的設備今天正在實(shí)現互聯(lián)�，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(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)設備及用戶(hù)的數量在不停地快速增長(cháng)。這真是件好事！然而，要實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)基礎設施的可持續發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設備必須能在任意環(huán)境中運行自如。無(wú)法連接到本地接入點(diǎn)（AP）的物聯(lián)網(wǎng)設備毫無(wú)用處。在設計物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)，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(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應具備的一些重要特征。 2.4GHz頻段擁擠不堪 如今，物聯(lián)網(wǎng)設備普遍使用的無(wú)線(xiàn)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(huà)也廣泛使用Wi-Fi技術(shù)�，F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?xún)热�，每次就只能允許一個(gè)設備“發(fā)言”。 現在想象一下，某個(gè)設備無(wú)法高效通信，卻還喋喋不休。其他設備張不開(kāi)嘴，會(huì )議室內無(wú)法進(jìn)行有意義的通話(huà)。過(guò)去，Wi-Fi標準并不重視性能和頻段利用。隨著(zhù)Wi-Fi設備的密度不斷增大，Wi-Fi聯(lián)盟需要在遵守協(xié)議的基礎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(guò)認證。 物聯(lián)網(wǎng)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(lián)設備不會(huì )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(gè)設備性能低下，也足以拖垮客戶(hù)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(huì )直接關(guān)系到產(chǎn)品的成敗以及品牌的聲譽(yù)。無(wú)法連接到接入點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品對客戶(hù)而言毫無(wú)用處。 當客戶(hù)遇到任何連接問(wèn)題時(shí)，他們很可能退回產(chǎn)品或在線(xiàn)留下產(chǎn)品差評。這些問(wèn)題會(huì )導致產(chǎn)品失敗，并對品牌產(chǎn)生負面影響。即便是在產(chǎn)品設計良好的情況下，對于不熟悉物聯(lián)網(wǎng)的客戶(hù)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 數據包錯誤率高 共存能力差 Wi-Fi不良之一：通信距離短 過(guò)短的通信距離會(huì )限制物聯(lián)網(wǎng)設備連接接入點(diǎn)的距離。將設備連接到接入點(diǎn)，往往是客戶(hù)對您產(chǎn)品的初步印象。如果實(shí)在無(wú)法連接，大多數情況下客戶(hù)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(wú)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，因為Wi-Fi鏈路需要兩個(gè)設備之間交換數據包才能建立連接。 傳輸功率 物聯(lián)網(wǎng)設備的傳輸功率會(huì )影響接入點(diǎn)接收其信號的能力。功率超過(guò)一定水平后，Wi-Fi功率放大器的輸出開(kāi)始失真。為了解決這個(gè)問(wèn)題，大多數Wi-Fi設備會(huì )限制傳輸功率。當然，也有別的辦法，賽普拉斯就使用專(zhuān)有方法解決Wi-Fi功率放大器的失真問(wèn)題，增大傳輸功率。 傳輸功率的另一大問(wèn)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最大傳輸功率，遵守監管要求。因此，Wi-Fi子系統必須提供便捷或自動(dòng)化的方法來(lái)控制傳輸功率，這樣物聯(lián)網(wǎng)設備就既能以最大傳輸功率水平進(jìn)行傳輸，同時(shí)又避免違反任何監管（FCC、CE等）的規定。 接收靈敏度 接收靈敏度指設備接收接入點(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設備內置算法，能在處理輸入信號時(shí)提供優(yōu)于其他設備的信噪比。因此在為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品選擇Wi-Fi設備時(shí)，應充分考慮接收靈敏度。 鏈路預算 
鏈路預算也會(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(jiàn)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)設備支持波束成形傳輸，就能在更遠距離上連接到接入點(diǎn)。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(shù)最早出現在802.11n標準中，不過(guò)最終如何實(shí)行由廠(chǎng)商決定。這就帶來(lái)了互操作性問(wèn)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(shí)現互操作。因此，要在無(wú)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)生嚴重影響，包括： 時(shí)延：吞吐量越低，時(shí)延越長(cháng)。雖然大多數物聯(lián)網(wǎng)設備只需要發(fā)送幾個(gè)字節的數據，但時(shí)延長(cháng)也會(huì )造成用戶(hù)體驗不佳。此外，時(shí)延長(cháng)還會(huì )降低醫療設備、工業(yè)設備這些時(shí)間關(guān)鍵型應用的可靠性。 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(cháng)時(shí)間來(lái)進(jìn)行傳輸，會(huì )有更長(cháng)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(huà)時(shí)間。這樣會(huì )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(gè)因素的影響。Wi-Fi設備通過(guò)調節其鏈路數據速率來(lái)適應鏈路預算。較大的調制指數意味著(zhù)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(jìn)。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(shí)表現得更為優(yōu)異。在各種調制、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)異的數據傳輸速率。 要想實(shí)現優(yōu)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(jìn)行考查。與此同時(shí)，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(shí)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(huì )直接影響吞吐量。設備數量越多，每個(gè)設備發(fā)送/接收數據的時(shí)間就越短。這就限制了有效吞吐量。這個(gè)問(wèn)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(shí)還有藍牙和Zigbee等其他無(wú)線(xiàn)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(huì )導致網(wǎng)絡(luò )中的所有設備性能低下，因為它需要花費更長(cháng)時(shí)間才能成功地傳輸數據包。這樣可能會(huì )增加沖突數量，導致其他設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(huà)時(shí)間的占用情況。該表體現的是用20個(gè)節點(diǎn)、按每秒傳輸一個(gè)數據包的速率、傳輸1,000字節的數據時(shí)，每秒時(shí)間里通話(huà)時(shí)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(huà)時(shí)間是后者900%。此外，PER較高還會(huì )增加時(shí)延。如果數據包出現錯誤，就需要重新傳輸。這對時(shí)間關(guān)鍵型應用來(lái)說(shuō)是個(gè)致命問(wèn)題。因此，在為物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)設備往往需要同時(shí)使用Wi-Fi無(wú)線(xiàn)技術(shù)與藍牙無(wú)線(xiàn)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，兩者很難相容。共存能力差會(huì )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百人年的工作量，它可以實(shí)時(shí)決定是否授予介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)Wi-Fi和藍牙的權限。必須理想地控制Wi-Fi和藍牙無(wú)線(xiàn)電的射頻鏈路，才能盡可能降低干擾，實(shí)現性能最大化。要實(shí)現并存，需要將來(lái)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和藍牙組合設備內置共存功能，仲裁器通過(guò)并行總線(xiàn)與Wi-Fi和藍牙核心進(jìn)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(shí)需要使用Wi-Fi和藍牙才能工作的應用來(lái)說(shuō)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(shí)現最理想的共存。 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(cháng)、吞吐量大、PER低，且能提供良好共存支持的設備至關(guān)重要。802.11ac標準通過(guò)波束成形傳輸、提高吞吐量（通過(guò)提高調制指數）、降低PER，加強共存能力（通過(guò)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(yè)經(jīng)驗證的共存能力，能顯著(zhù)提高Wi-Fi的吞吐量，即使需要同時(shí)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(shí)，所有這些因素都應考慮在內。 |
