智能家電設備通信穩定性的影響因素研究

譚安杰 徐振飛 藍少華 黃子鍇

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

隨著新一代通信、人工智能、云計算等信息化技術的大力發展，家居物聯網行業也飛速發展。智慧家庭設備主要依賴Wi-Fi、藍牙、NB-IoT 等無線技術進行連接，然而市場上產品的無線連接質量良莠不齊，以至于消費者使用智能家電設備時常抱怨，追求智能而智能，用戶體驗較差。當前智能家居的用戶體驗可以從可用性、易用性和智能化三個方面來考慮，而通信穩定性是評估用戶體驗的重要指標，也是用戶對低延遲、高可靠和強兼容性的基本要求。本文以使用最廣的2.4 GHz 無線局域網[1]智能家電設備對通信穩定性項目測試的影響因素進行研究，更具實際意義。

1 智能設備的通信機制

智能家居屬于一個生態系統，系統里的產品之間能夠互聯互通，邏輯聯動，實現全屋家居的智能驅動。

智能家居運行的必要條件：智能設備、網絡、控制中心。

智能設備：例如智能開關面板、燈具、凈化器等，基于家庭傳統電器進行改造為智能可控。

網絡（多為無線）：智能設備需配網后方可對其進行智能管控。

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

智能設備通過路由器網絡連接生態廠商服務器，再使用移動終端APP 進行直接控制，而智能設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，從而對設備通信穩定性造成影響，導致設備操控響應慢，乃至設備控制失效，這是本文研究的重點。

2 測量方法

通信穩定性項目采用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）使添加待測設備，使其通過路由器AP 的2.4 GHz 無線局域網與服務器云端進行通信，測試PC 電腦用網線與路由器AP 連接，對路由器AP 分配給待測樣品唯一IP 地址進行Ping 包測試，監控待測設備與路由器AP 間的平均時延、丟包率。平均時延是指規定時間內發射數據與接收數據的均值時差，丟包率則是丟棄數據包數量與總數據數量的比值，是衡量當前智能家電設備通信質量的重要指標。

3 通信穩定性影響因素

本文基于實際家庭的無線環境，在通信穩定性測試過程中，從信道干擾、多設備連接、室內穿墻、設備傳輸數據四個因素來對通信穩定性的測試結果進行分析。

3.1 信道干擾

隨著近年來無線局域網通信的設備廣泛應用，無線局域網已經是每個接入互聯網家庭的基礎設施，進而衍生出無線信道資源缺乏管理的現象。依據IEEE 802.11系列標準[2]，在2.4 GHz 頻段可使用的頻率帶寬總計83.5 MHz，在可用的頻段內設置14 個信道，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。在實際使用過程中，為了避免相鄰信道干擾的情況，通常設定使用非重疊的信道，這樣就造成只有這三個正交信道可選，從而導致在每個正交信道上，常常有多個智能設備擁擠在同一信道中，造成嚴重的信道干擾問題。本次實驗使用同一個樣品進行測試，并保持其他測試環境條件不變，定義兩個臨近互相覆蓋的無線局域網A 與B，分別構建為同信道共存和非重疊信道共存的情況。無線局域網A 與待測設備無線連接，無線局域網B 作為干擾網絡。

具體測試過程如下：

1）僅有無線局域網A 與待測設備，對待測設備A進行跑Ping 包15 min，時延為5 ms，丟包率為0 %；

2）存在無線局域網A 與B，均設定信道為6，手機連接無線局域網B 進行數據傳輸，對待測設備A 進行跑Ping 包15 min，時延為669 ms，丟包率為9 %；

3）存在無線局域網A 設置信道為6，無線局域網B設置信道為1，手機連接無線局域網B 進行數據傳輸，對待測設備A 進行跑Ping 包15 min，時延為50 ms，丟包率為2 %。

整理測試結果如表1所示。

表1 不同信道干擾的測試結果

通過上述實驗，表明了信道間干擾對無線局域網性能的影響，通過對比試驗，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，平均時延和丟包率明顯增加。因此，在無線局域網信道分配機制中，依據空間內無線環境合理分配信道，可改善智能設備的通信穩定性。

3.2 多設備連接

依據主流的IPV4 網絡協議，通信設備連接路由器網絡，必須獲得一個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 個終端用戶無線連接。隨著家庭聯網設備接入越來越多，從之前的手機、電腦，到如今攝像頭、電視、冰箱、汽車等等，當前路由器無法承載如此多的設備接入，多設備同時連接會導致其它設備的連接擁堵或斷連。為此，本次實驗在同一個路由器下，無線連接多個通信設備，評估其智能設備的通信穩定性。

具體測試過程如下：

1）空間內僅有待測設備連接路由器，對待測設備A進行跑Ping 包15 min，時延為5 ms，丟包率為0 %；

2）含待測設備在內的15 個設備無線連接路由器，對待測設備A 進行跑Ping 包15 min，時延為19 ms，丟包率為0 %；

3）含待測設備在內的30 個設備無線連接路由器，對待測設備A 進行跑Ping 包15 min，時延為177 ms，丟包率為0 %。

整理測試結果如表2所示。

表2 不同設備連接數量的測試結果

通過上述實驗，表明多設備連接對智能設備通信穩定性影響顯著，甚至是斷連。

3.3 室內穿墻

人們也已經對室內無線局域網通信系統的穿墻性能進行了很長一段時間的研究，由于室內環境較為復雜，無線信號傳輸信道變得不可控，信號從發射天線到接收天線傳輸過程中經過家居、墻體、門窗等障礙物的阻擋，使得接收信號強度逐漸減弱，嚴重時信號中斷。依據專家對于室內環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）待測設備距離路由器3 m，連接路由器2.4 GHz頻段網絡，跑Ping 包15 min，時延為5 ms，丟包率為0 %

2）將路由器發射信號衰減為-50 dBm，跑Ping 包15 min，時延為7 ms，丟包率為0 %；

3）將路由器發射信號衰減為-70 dBm，跑Ping 包15 min，時延為16 ms，丟包率為0 %。

整理測試結果如表3所示。

表3 不同信號衰減的測試結果

通過上述實驗，表明隨著發射信號強度衰減，待測設備平均時延、丟包率均增加。因此，消費者在擺放智能設備時，應當考慮設備的減少設備與路由器信號路徑上的障礙物，已增加設備通信穩定性。

3.4 設備傳輸數據

依據IEEE 802.11n 協議，2.4 GHz 頻段在多MIMO 天線下最高速率為600 Mbps，單天線（大多數手機）下的最高速率為150 Mbps。當前居家環境中逐漸出現高速率傳輸設備的身影。如辦公類的無線打印機、掃描儀，影音類的投影儀、電視，圖像類的攝像頭、錄影機，這些聯網設備均需要較高傳輸速率的局域網。本次實驗將投影儀作為待測設備，使其處于較高傳輸速率工作狀態下，評估其通信穩定性。具體測試過程如下：

1）待測設備處于待機狀態下，跑Ping 包15 min，時延為5 ms，丟包率為0 %；

2）待測設備處于720 P 畫質視頻播放的工作狀態中，跑Ping 包15 min，時延為18 ms，丟包率為0 %；

3）待測設備處于2 K 畫質視頻播放的工作狀態中，跑Ping 包15 min，時延為214 ms，丟包率為0 %。

整理測試結果如表4所示。

表4 不同傳輸速率的測試結果

通過上述實驗可知，待測設備工作時所占用數據越大，時延越高，通信穩定性也越差。

4 結論

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