智能家電設(shè)備通信穩(wěn)定性的影響因素研究

譚安杰 徐振飛 藍(lán)少華 黃子鍇

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著新一代通信、人工智能、云計(jì)算等信息化技術(shù)的大力發(fā)展，家居物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)也飛速發(fā)展。智慧家庭設(shè)備主要依賴Wi-Fi、藍(lán)牙、NB-IoT 等無線技術(shù)進(jìn)行連接，然而市場上產(chǎn)品的無線連接質(zhì)量良莠不齊，以至于消費(fèi)者使用智能家電設(shè)備時(shí)常抱怨，追求智能而智能，用戶體驗(yàn)較差。當(dāng)前智能家居的用戶體驗(yàn)可以從可用性、易用性和智能化三個(gè)方面來考慮，而通信穩(wěn)定性是評估用戶體驗(yàn)的重要指標(biāo)，也是用戶對低延遲、高可靠和強(qiáng)兼容性的基本要求。本文以使用最廣的2.4 GHz 無線局域網(wǎng)[1]智能家電設(shè)備對通信穩(wěn)定性項(xiàng)目測試的影響因素進(jìn)行研究，更具實(shí)際意義。

1 智能設(shè)備的通信機(jī)制

智能家居屬于一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)里的產(chǎn)品之間能夠互聯(lián)互通，邏輯聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全屋家居的智能驅(qū)動(dòng)。

智能家居運(yùn)行的必要條件：智能設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、控制中心。

智能設(shè)備：例如智能開關(guān)面板、燈具、凈化器等，基于家庭傳統(tǒng)電器進(jìn)行改造為智能可控。

網(wǎng)絡(luò)（多為無線）：智能設(shè)備需配網(wǎng)后方可對其進(jìn)行智能管控。

控制中心：用戶通過控制中心對智能家居進(jìn)行集中管控，目前控制中心的形式主要是APP。

智能設(shè)備通過路由器網(wǎng)絡(luò)連接生態(tài)廠商服務(wù)器，再使用移動(dòng)終端APP 進(jìn)行直接控制，而智能設(shè)備與路由器這一過程則因不同使用場景受到不同程度的干擾，從而對設(shè)備通信穩(wěn)定性造成影響，導(dǎo)致設(shè)備操控響應(yīng)慢，乃至設(shè)備控制失效，這是本文研究的重點(diǎn)。

2 測量方法

通信穩(wěn)定性項(xiàng)目采用Ping 包的測試方式，其測試框圖如圖1所示。

圖1 測試框圖

首先使用控制終端（APP）使添加待測設(shè)備，使其通過路由器AP 的2.4 GHz 無線局域網(wǎng)與服務(wù)器云端進(jìn)行通信，測試PC 電腦用網(wǎng)線與路由器AP 連接，對路由器AP 分配給待測樣品唯一IP 地址進(jìn)行Ping 包測試，監(jiān)控待測設(shè)備與路由器AP 間的平均時(shí)延、丟包率。平均時(shí)延是指規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)射數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的均值時(shí)差，丟包率則是丟棄數(shù)據(jù)包數(shù)量與總數(shù)據(jù)數(shù)量的比值，是衡量當(dāng)前智能家電設(shè)備通信質(zhì)量的重要指標(biāo)。

3 通信穩(wěn)定性影響因素

本文基于實(shí)際家庭的無線環(huán)境，在通信穩(wěn)定性測試過程中，從信道干擾、多設(shè)備連接、室內(nèi)穿墻、設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)四個(gè)因素來對通信穩(wěn)定性的測試結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 信道干擾

隨著近年來無線局域網(wǎng)通信的設(shè)備廣泛應(yīng)用，無線局域網(wǎng)已經(jīng)是每個(gè)接入互聯(lián)網(wǎng)家庭的基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)而衍生出無線信道資源缺乏管理的現(xiàn)象。依據(jù)IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)[2]，在2.4 GHz 頻段可使用的頻率帶寬總計(jì)83.5 MHz，在可用的頻段內(nèi)設(shè)置14 個(gè)信道，信道 1、6、11 為正交信道，它們之間沒有信道重疊，其余信道則與它們都存在重疊。在實(shí)際使用過程中，為了避免相鄰信道干擾的情況，通常設(shè)定使用非重疊的信道，這樣就造成只有這三個(gè)正交信道可選，從而導(dǎo)致在每個(gè)正交信道上，常常有多個(gè)智能設(shè)備擁擠在同一信道中，造成嚴(yán)重的信道干擾問題。本次實(shí)驗(yàn)使用同一個(gè)樣品進(jìn)行測試，并保持其他測試環(huán)境條件不變，定義兩個(gè)臨近互相覆蓋的無線局域網(wǎng)A 與B，分別構(gòu)建為同信道共存和非重疊信道共存的情況。無線局域網(wǎng)A 與待測設(shè)備無線連接，無線局域網(wǎng)B 作為干擾網(wǎng)絡(luò)。

具體測試過程如下：

1）僅有無線局域網(wǎng)A 與待測設(shè)備，對待測設(shè)備A進(jìn)行跑Ping 包15 min，時(shí)延為5 ms，丟包率為0 %；

2）存在無線局域網(wǎng)A 與B，均設(shè)定信道為6，手機(jī)連接無線局域網(wǎng)B 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對待測設(shè)備A 進(jìn)行跑Ping 包15 min，時(shí)延為669 ms，丟包率為9 %；

3）存在無線局域網(wǎng)A 設(shè)置信道為6，無線局域網(wǎng)B設(shè)置信道為1，手機(jī)連接無線局域網(wǎng)B 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對待測設(shè)備A 進(jìn)行跑Ping 包15 min，時(shí)延為50 ms，丟包率為2 %。

整理測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同信道干擾的測試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)，表明了信道間干擾對無線局域網(wǎng)性能的影響，通過對比試驗(yàn)，同信道與非重疊信道均存在通信干擾，同信道造成的干擾比非重疊信道造成的干擾更為顯著，平均時(shí)延和丟包率明顯增加。因此，在無線局域網(wǎng)信道分配機(jī)制中，依據(jù)空間內(nèi)無線環(huán)境合理分配信道，可改善智能設(shè)備的通信穩(wěn)定性。

3.2 多設(shè)備連接

依據(jù)主流的IPV4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通信設(shè)備連接路由器網(wǎng)絡(luò)，必須獲得一個(gè)由路由器分配的本地IP，而市面路由器IP 地址通常為192.168.0.1-192.168.0.255，除去主路由地址，理論上可以分配給254 個(gè)終端用戶無線連接。隨著家庭聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入越來越多，從之前的手機(jī)、電腦，到如今攝像頭、電視、冰箱、汽車等等，當(dāng)前路由器無法承載如此多的設(shè)備接入，多設(shè)備同時(shí)連接會(huì)導(dǎo)致其它設(shè)備的連接擁堵或斷連。為此，本次實(shí)驗(yàn)在同一個(gè)路由器下，無線連接多個(gè)通信設(shè)備，評估其智能設(shè)備的通信穩(wěn)定性。

具體測試過程如下：

1）空間內(nèi)僅有待測設(shè)備連接路由器，對待測設(shè)備A進(jìn)行跑Ping 包15 min，時(shí)延為5 ms，丟包率為0 %；

2）含待測設(shè)備在內(nèi)的15 個(gè)設(shè)備無線連接路由器，對待測設(shè)備A 進(jìn)行跑Ping 包15 min，時(shí)延為19 ms，丟包率為0 %；

3）含待測設(shè)備在內(nèi)的30 個(gè)設(shè)備無線連接路由器，對待測設(shè)備A 進(jìn)行跑Ping 包15 min，時(shí)延為177 ms，丟包率為0 %。

整理測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同設(shè)備連接數(shù)量的測試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)，表明多設(shè)備連接對智能設(shè)備通信穩(wěn)定性影響顯著，甚至是斷連。

3.3 室內(nèi)穿墻

人們也已經(jīng)對室內(nèi)無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)的穿墻性能進(jìn)行了很長一段時(shí)間的研究，由于室內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜，無線信號(hào)傳輸信道變得不可控，信號(hào)從發(fā)射天線到接收天線傳輸過程中經(jīng)過家居、墻體、門窗等障礙物的阻擋，使得接收信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱，嚴(yán)重時(shí)信號(hào)中斷。依據(jù)專家對于室內(nèi)環(huán)境下短距傳播特性可知[3,4]，磚混墻體墻體穿透損耗（10～15）dB，混凝土墻體穿透損耗（20～30） dB。

具體測試過程如下：

1）待測設(shè)備距離路由器3 m，連接路由器2.4 GHz頻段網(wǎng)絡(luò)，跑Ping 包15 min，時(shí)延為5 ms，丟包率為0 %

2）將路由器發(fā)射信號(hào)衰減為-50 dBm，跑Ping 包15 min，時(shí)延為7 ms，丟包率為0 %；

3）將路由器發(fā)射信號(hào)衰減為-70 dBm，跑Ping 包15 min，時(shí)延為16 ms，丟包率為0 %。

整理測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同信號(hào)衰減的測試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)，表明隨著發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度衰減，待測設(shè)備平均時(shí)延、丟包率均增加。因此，消費(fèi)者在擺放智能設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)備的減少設(shè)備與路由器信號(hào)路徑上的障礙物，已增加設(shè)備通信穩(wěn)定性。

3.4 設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)

依據(jù)IEEE 802.11n 協(xié)議，2.4 GHz 頻段在多MIMO 天線下最高速率為600 Mbps，單天線（大多數(shù)手機(jī)）下的最高速率為150 Mbps。當(dāng)前居家環(huán)境中逐漸出現(xiàn)高速率傳輸設(shè)備的身影。如辦公類的無線打印機(jī)、掃描儀，影音類的投影儀、電視，圖像類的攝像頭、錄影機(jī)，這些聯(lián)網(wǎng)設(shè)備均需要較高傳輸速率的局域網(wǎng)。本次實(shí)驗(yàn)將投影儀作為待測設(shè)備，使其處于較高傳輸速率工作狀態(tài)下，評估其通信穩(wěn)定性。具體測試過程如下：

1）待測設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)下，跑Ping 包15 min，時(shí)延為5 ms，丟包率為0 %；

2）待測設(shè)備處于720 P 畫質(zhì)視頻播放的工作狀態(tài)中，跑Ping 包15 min，時(shí)延為18 ms，丟包率為0 %；

3）待測設(shè)備處于2 K 畫質(zhì)視頻播放的工作狀態(tài)中，跑Ping 包15 min，時(shí)延為214 ms，丟包率為0 %。

整理測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同傳輸速率的測試結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，待測設(shè)備工作時(shí)所占用數(shù)據(jù)越大，時(shí)延越高，通信穩(wěn)定性也越差。

4 結(jié)論

本文介紹了智能家電通信的概念和穩(wěn)定性的測試方法，同時(shí)對信道干擾、多設(shè)備連接、室內(nèi)穿墻以及設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的原理分析，研究該因素對通信穩(wěn)定性測試影響的程度。由上述結(jié)果可知，信道干擾、多設(shè)備連接和設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)很大程度上影響了智能家電設(shè)備的通信穩(wěn)定性，而室內(nèi)穿墻對于穩(wěn)定性影響不明顯。