智能家电设备通信稳定性的影响因素研究

谭安杰 徐振飞 蓝少华 黄子锴

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着新一代通信、人工智能、云计算等信息化技术的大力发展，家居物联网行业也飞速发展。智慧家庭设备主要依赖Wi-Fi、蓝牙、NB-IoT 等无线技术进行连接，然而市场上产品的无线连接质量良莠不齐，以至于消费者使用智能家电设备时常抱怨，追求智能而智能，用户体验较差。当前智能家居的用户体验可以从可用性、易用性和智能化三个方面来考虑，而通信稳定性是评估用户体验的重要指标，也是用户对低延迟、高可靠和强兼容性的基本要求。本文以使用最广的2.4 GHz 无线局域网[1]智能家电设备对通信稳定性项目测试的影响因素进行研究，更具实际意义。

1 智能设备的通信机制

智能家居属于一个生态系统，系统里的产品之间能够互联互通，逻辑联动，实现全屋家居的智能驱动。

智能家居运行的必要条件：智能设备、网络、控制中心。

智能设备：例如智能开关面板、灯具、净化器等，基于家庭传统电器进行改造为智能可控。

网络（多为无线）：智能设备需配网后方可对其进行智能管控。

控制中心：用户通过控制中心对智能家居进行集中管控，目前控制中心的形式主要是APP。

智能设备通过路由器网络连接生态厂商服务器，再使用移动终端APP 进行直接控制，而智能设备与路由器这一过程则因不同使用场景受到不同程度的干扰，从而对设备通信稳定性造成影响，导致设备操控响应慢，乃至设备控制失效，这是本文研究的重点。

2 测量方法

通信稳定性项目采用Ping 包的测试方式，其测试框图如图1所示。

图1 测试框图

首先使用控制终端（APP）使添加待测设备，使其通过路由器AP 的2.4 GHz 无线局域网与服务器云端进行通信，测试PC 电脑用网线与路由器AP 连接，对路由器AP 分配给待测样品唯一IP 地址进行Ping 包测试，监控待测设备与路由器AP 间的平均时延、丢包率。平均时延是指规定时间内发射数据与接收数据的均值时差，丢包率则是丢弃数据包数量与总数据数量的比值，是衡量当前智能家电设备通信质量的重要指标。

3 通信稳定性影响因素

本文基于实际家庭的无线环境，在通信稳定性测试过程中，从信道干扰、多设备连接、室内穿墙、设备传输数据四个因素来对通信稳定性的测试结果进行分析。

3.1 信道干扰

随着近年来无线局域网通信的设备广泛应用，无线局域网已经是每个接入互联网家庭的基础设施，进而衍生出无线信道资源缺乏管理的现象。依据IEEE 802.11系列标准[2]，在2.4 GHz 频段可使用的频率带宽总计83.5 MHz，在可用的频段内设置14 个信道，信道 1、6、11 为正交信道，它们之间没有信道重叠，其余信道则与它们都存在重叠。在实际使用过程中，为了避免相邻信道干扰的情况，通常设定使用非重叠的信道，这样就造成只有这三个正交信道可选，从而导致在每个正交信道上，常常有多个智能设备拥挤在同一信道中，造成严重的信道干扰问题。本次实验使用同一个样品进行测试，并保持其他测试环境条件不变，定义两个临近互相覆盖的无线局域网A 与B，分别构建为同信道共存和非重叠信道共存的情况。无线局域网A 与待测设备无线连接，无线局域网B 作为干扰网络。

具体测试过程如下：

1）仅有无线局域网A 与待测设备，对待测设备A进行跑Ping 包15 min，时延为5 ms，丢包率为0 %；

2）存在无线局域网A 与B，均设定信道为6，手机连接无线局域网B 进行数据传输，对待测设备A 进行跑Ping 包15 min，时延为669 ms，丢包率为9 %；

3）存在无线局域网A 设置信道为6，无线局域网B设置信道为1，手机连接无线局域网B 进行数据传输，对待测设备A 进行跑Ping 包15 min，时延为50 ms，丢包率为2 %。

整理测试结果如表1所示。

表1 不同信道干扰的测试结果

通过上述实验，表明了信道间干扰对无线局域网性能的影响，通过对比试验，同信道与非重叠信道均存在通信干扰，同信道造成的干扰比非重叠信道造成的干扰更为显著，平均时延和丢包率明显增加。因此，在无线局域网信道分配机制中，依据空间内无线环境合理分配信道，可改善智能设备的通信稳定性。

3.2 多设备连接

依据主流的IPV4 网络协议，通信设备连接路由器网络，必须获得一个由路由器分配的本地IP，而市面路由器IP 地址通常为192.168.0.1-192.168.0.255，除去主路由地址，理论上可以分配给254 个终端用户无线连接。随着家庭联网设备接入越来越多，从之前的手机、电脑，到如今摄像头、电视、冰箱、汽车等等，当前路由器无法承载如此多的设备接入，多设备同时连接会导致其它设备的连接拥堵或断连。为此，本次实验在同一个路由器下，无线连接多个通信设备，评估其智能设备的通信稳定性。

具体测试过程如下：

1）空间内仅有待测设备连接路由器，对待测设备A进行跑Ping 包15 min，时延为5 ms，丢包率为0 %；

2）含待测设备在内的15 个设备无线连接路由器，对待测设备A 进行跑Ping 包15 min，时延为19 ms，丢包率为0 %；

3）含待测设备在内的30 个设备无线连接路由器，对待测设备A 进行跑Ping 包15 min，时延为177 ms，丢包率为0 %。

整理测试结果如表2所示。

表2 不同设备连接数量的测试结果

通过上述实验，表明多设备连接对智能设备通信稳定性影响显著，甚至是断连。

3.3 室内穿墙

人们也已经对室内无线局域网通信系统的穿墙性能进行了很长一段时间的研究，由于室内环境较为复杂，无线信号传输信道变得不可控，信号从发射天线到接收天线传输过程中经过家居、墙体、门窗等障碍物的阻挡，使得接收信号强度逐渐减弱，严重时信号中断。依据专家对于室内环境下短距传播特性可知[3,4]，砖混墙体墙体穿透损耗（10～15）dB，混凝土墙体穿透损耗（20～30） dB。

具体测试过程如下：

1）待测设备距离路由器3 m，连接路由器2.4 GHz频段网络，跑Ping 包15 min，时延为5 ms，丢包率为0 %

2）将路由器发射信号衰减为-50 dBm，跑Ping 包15 min，时延为7 ms，丢包率为0 %；

3）将路由器发射信号衰减为-70 dBm，跑Ping 包15 min，时延为16 ms，丢包率为0 %。

整理测试结果如表3所示。

表3 不同信号衰减的测试结果

通过上述实验，表明随着发射信号强度衰减，待测设备平均时延、丢包率均增加。因此，消费者在摆放智能设备时，应当考虑设备的减少设备与路由器信号路径上的障碍物，已增加设备通信稳定性。

3.4 设备传输数据

依据IEEE 802.11n 协议，2.4 GHz 频段在多MIMO 天线下最高速率为600 Mbps，单天线（大多数手机）下的最高速率为150 Mbps。当前居家环境中逐渐出现高速率传输设备的身影。如办公类的无线打印机、扫描仪，影音类的投影仪、电视，图像类的摄像头、录影机，这些联网设备均需要较高传输速率的局域网。本次实验将投影仪作为待测设备，使其处于较高传输速率工作状态下，评估其通信稳定性。具体测试过程如下：

1）待测设备处于待机状态下，跑Ping 包15 min，时延为5 ms，丢包率为0 %；

2）待测设备处于720 P 画质视频播放的工作状态中，跑Ping 包15 min，时延为18 ms，丢包率为0 %；

3）待测设备处于2 K 画质视频播放的工作状态中，跑Ping 包15 min，时延为214 ms，丢包率为0 %。

整理测试结果如表4所示。

表4 不同传输速率的测试结果

通过上述实验可知，待测设备工作时所占用数据越大，时延越高，通信稳定性也越差。

4 结论

本文介绍了智能家电通信的概念和稳定性的测试方法，同时对信道干扰、多设备连接、室内穿墙以及设备传输数据的原理分析，研究该因素对通信稳定性测试影响的程度。由上述结果可知，信道干扰、多设备连接和设备传输数据很大程度上影响了智能家电设备的通信稳定性，而室内穿墙对于稳定性影响不明显。