物联网(IoT)的发展势头正在为我们从未想过会连接的设备带来连通性。现在你不用走到咖啡机前就可以准备咖啡了。你只需用手机向制造商发送一个命令。它甚至会了解你的喜好，每次都按你喜欢的方式煮咖啡。
连接设备和用户的数量继续快速增长。那太好了!但是，对于一个可持续的物联网基础设施来说，物联网设备必须在每个环境中都表现良好。无法连接到AP (local access point)的IoT设备是无用的。在设计物联网产品时，系统设计师需要了解各种Wi-Fi参数，如传输功率、接收灵敏度、共存和吞吐量。本文将介绍成功的物联网产品所必需的一些重要方面。
2.4 GHz是一个庞大的群体
如今，物联网设备中最常用的无线技术是使用2.4 ghz频谱的Wi-Fi和蓝牙。Wi-Fi不仅由物联网设备实现，而且被广泛用于每个家庭的电视、笔记本电脑、平板电脑和移动电话。2.4-GHz的频谱已经变成了一个会议室，几个人都试图在同一时间进行对话。然而，要想听懂一段对话，同一时间只能有一个设备在说话。
现在想象一下，一个设备不能有效地交流，并且试图不停地交谈。其他人不能说话，所以在房间的任何地方都不能进行有意义的对话。Wi-Fi规范中几乎没有强调性能和频谱利用率。随着Wi-Fi设备密度的增加，Wi-Fi联盟需要在遵守协议的基础上增加对良好性能的严格要求，以通过认证过程。
物联网设备制造商需要克服低成本的方法，以确保他们设计的Wi-Fi连接设备不会性能差，不会成为其他Wi-Fi设备的坏邻居。只要一台坏的设备就足以让客户的整个Wi-Fi网络瘫痪。
对于一个面向未来的物联网网络，系统设计师使用健壮的Wi-Fi连接是很重要的。对于公司来说，最重要的是要了解糟糕设计的后果，因为它直接关系到产品的成功和品牌的声誉。无法连接到AP的物联网产品对客户来说是无用的。
当客户遇到任何连接问题时，他们可能会退回产品或在网上写一个不好的评论。这些都会导致不成功的产品和对品牌的负面影响。即使产品设计良好，也有必要为刚接触物联网的客户提供广泛的技术支持。
以下是Wi-Fi连接不良的主要症状:
- 可怜的范围
- 低吞吐量
- 分组错误率高
- 坏的共存
可怜的范围
较差的范围限制了您的物联网产品可以连接到AP的距离。这是您的客户对您的产品的首次体验。如果连上不了，在大多数情况下，客户会退回产品并猛烈抨击差评。由于传输功率低、灵敏度差或缺乏传输波束形成支持，您的物联网产品可能无法在一定距离上连接到AP。
Wi-Fi连接需要两台设备交换报文才能建立连接。设备可以连接到AP的距离由以下因素决定。
传输能量
物联网设备的传输功率影响AP的收听能力。超过一定的水平，Wi-Fi的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设备都会限制Tx的功率。例如,柏树的Wi-Fi设备使用专有的方法来处理这种失真，并提供更高的Tx功率。Tx功率的另一个挑战是不同国家实施的监管限制。这意味着，为了避免违反规定，需要根据国家来控制最大的Tx功率。因此，Wi-Fi子系统必须提供一种简单或自动化的方法来控制发射功率，以便物联网设备可以在最大发射功率水平上传输，同时避免任何法规(FCC、CE等)违规。
接收灵敏度
接收灵敏度是设备听到AP的能力。良好的接收灵敏度与良好的发射功率是良好距离的关键。一些Wi-Fi设备的算法可以处理比其他设备更小的信噪比输入。因此，在为物联网产品选择设备时，需要考虑接收灵敏度规范。
链路预算
线路预算会对线路范围产生重大影响。
发射功率、接收灵敏度和环境因素决定了两台Wi-Fi设备之间的链路预算。假设一个设备的发射功率比另一个多+3 dBm，灵敏度比−3 dBm。这导致了6 dbm链路预算的改善。链路预算每增加6 dbm，范围就增加一倍(见图)．
传输波束形成
发射波束形成将发射功率集中在一个给定的方向上——它有助于增加该方向上的距离。例如，如果物联网设备支持传输波束形成，则可以以较长的距离与AP连接。然而，并不是所有的Wi-Fi设备都支持传输波束形成。波束形成在802.11n中首次引入。然而，它的实现是留给供应商的。这使得互操作性成为一个挑战。在802.11ac中，WLAN规范中定义了该特性，并允许实现互操作。考虑到这一事实，11ac成为在不需要中继器的情况下增加距离的必要条件。
低吞吐量
低吞吐量会严重影响性能，包括:
•时延:吞吐量越低，时延越高。虽然大多数物联网设备只需要发送几个字节的数据，但较高的延迟可能会导致糟糕的用户体验。低延迟还意味着使用传感器(如医疗和工业设备)的时间关键应用程序的可靠性降低。
•电池寿命:如果吞吐量/调制指数低，设备需要更长的传输时间，因此，有更长的活动时间。这直接导致电池寿命缩短。
•频谱利用率低:低吞吐量增加了通信所需的通话时间。这直接导致了2.4 ghz频段更加拥塞。
设备的吞吐量受到几个因素的影响，如链路预算、调制指数和频谱可用性。Wi-Fi设备调整其链路数据速率以适应链路预算。更高的调制指数意味着更高的吞吐量。更高的调制指数支持要求改善信号调理。因此，一些设备在较低的调制指数下比在较高的调制指数下性能更好。在各种调制和编码方案中，良好的灵敏度和良好的Tx功率转换成良好的速率与距离。
为了获得良好的吞吐量，重要的是要研究设备在所有支持的调制指数和编码方案下的吞吐量。另外，选择支持更高调制指数的设备也是很重要的。802.11ac支持256-QAM(正交振幅调制)，与802.11n支持64-QAM相比，256-QAM使802.11ac设备的吞吐量更高。
在给定区域中尝试通信的设备数量也会直接影响吞吐量。设备越多，每个设备发送/接收数据的时间就越少。这限制了有效吞吐量。这个问题在2.4 ghz频段变得更加严重，大多数传统Wi-Fi设备都试图与其他无线设备(如蓝牙和Zigbee)进行通信。因此，除了提高调制指数以提高吞吐量外，802.11ac对不太拥挤的频段5 ghz的支持也有助于提高吞吐量。
高分组错误率
在Wi-Fi中，只要出现包错误，就需要重新发送。如果设备的PER (packet error rate)过高，则报文的成功传输时间会变长，导致网络中所有设备的性能下降。它可能会增加冲突的数量，因此也需要其他设备重新传输，这将进一步影响PER。的表格显示基于不同PER的广播时间使用情况。它显示了每秒钟传输1000字节数据所花费的通话时间百分比，20个节点每秒传输一个数据包。
看表格例如，与PER值为10%的设备相比，一个错误率为90%的设备占用的通话时间约为900%。高PER也会增加延迟;如果出现包错误，则需要重传包。在时间紧迫的应用程序中，这是一个挑战。因此，在选择Wi-Fi设备作为物联网应用之前，了解它的PER是很重要的。802.11ac非常有用——它支持5-GHz频带，这可以减少拥塞和导致更少的包碰撞。
坏的共存
物联网设备通常需要Wi-Fi和蓝牙无线技术并存。挑战在于它们在同一频段工作，所以如果它们不协调，就会互相攻击。糟糕的共存状态意味着Wi-Fi吞吐量显著下降。
共存方案有几种，它们的性能差异很大。它花了数百人的时间来创建一个共存算法，该算法可以实时决定是否授予Wi-Fi和蓝牙的媒体访问权限。必须对Wi-Fi和蓝牙无线电的射频链进行优化控制，使干扰最小化，性能最大化。一个好的仲裁者需要大量来自Wi-Fi和蓝牙核心的信息来实现共存。
还有一些Wi-Fi和蓝牙的组合设备集成共存，它允许仲裁者通过并行总线与Wi-Fi和蓝牙核心通信。在802.11n和802.11ac中对Wi-Fi的5-GHz支持在需要Wi-Fi和蓝牙同时运行的应用程序中非常有用。因此，除了良好的共存机制外，还应使用5 GHz的设备实现最佳共存。
良好的Wi-Fi连接是成功物联网产品的支柱。选择具有良好范围、高吞吐量、低PER和良好共存支持的设备是很重要的。802.11ac通过传输波束形成，提高了吞吐量(由于改进了调制指数)，以及低PER和共存(由于支持拥塞程度较低的5-GHz频带)，有助于提高距离。即使在存在蓝牙的情况下，经过验证的共存组合设备也可以提供更好的Wi-Fi吞吐量。在为物联网产品选择连接性解决方案时，应该考虑所有这些因素。
Sachin Gupta是物联网业务部门的产品营销工程师柏树半导体．
