雙頻加持速度與覆蓋兼顧　物聯網Wi-Fi連線升級

在快速發展的物聯網(IoT)世界中，Wi-Fi頻段的選擇不僅僅是一個技術細節；這是直接影響網路效能、可靠性、延遲、覆蓋範圍和功耗的策略決策。隨著Wi-Fi在2.4GHz、5GHz和6GHz頻段(透過Wi-Fi 6E)上運行，了解每種頻段的優勢和權衡對於設計強大的物聯網系統至關重要。

單頻到雙頻連線演進

Wi-Fi 4建構的，僅依賴2.4GHz頻段。雖然該頻段提供廣泛的覆蓋範圍和更好的穿透牆壁，但由於通道可用性有限，它存在擁擠和干擾。如今，支援雙頻可在2.4GHz和5GHz上運行，是現代物聯網生態體系的基本設計原則。

雙頻連接使設備能夠根據覆蓋範圍、頻寬和功率限制智慧地選擇最佳頻段，確保彈性覆蓋、高效頻譜利用以及不同部署場景的共存。透過利用兩個頻段的互補優勢，物聯網網路可以實現在不斷發展的數位環境中維持大規模關鍵任務連接所需的覆蓋範圍、可靠性和響應能力的平衡。

5GHz頻段效能優勢

為了展現5GHz的實際優勢，模擬了智慧建築Wi-Fi環境。多個網路同時運行，揭示了兩個頻段之間的明顯差異：

• 2.4GHz頻段：僅限於三個主頻道，導致擁擠和干擾。
• 5GHz頻段：提供11個或更多頻道，降低干擾並提升資料傳輸效率。

在連線裝置眾多的環境中，更乾淨的頻譜可提供實際效益，包括更高的資料傳輸速率、更低延遲與更穩定的連線。

吞吐量、延遲與功耗測試

典型擁擠環境中，使用連接到固定距離放置的被測設備(Device Under Test, DUT)的存取點進行一系列測試。對2.4GHz和5GHz頻段進行了測量。

測量設置

EK-RA6W1評估套件透過Wi-Fi連接到配置軟體AP的Android手機，實現兩個裝置之間的無線資料交換(圖1)。

測試在一個開放的辦公空間中進行，該辦公空間具有多個活躍的Wi-Fi網路和在同一頻段運作的電子設備。測試目的在於評估裝置在實際環境下的性能表現(圖2)。

測量環境範圍

Wi-Fi分析儀應用程式用於檢查所描述環境中存在的頻譜。

如圖3所示，由於網路重疊，2.4GHz頻譜出現嚴重擁擠，這可能導致更高的延遲和效能下降。

相較之下，圖4顯示5GHz頻譜在頻道上分布更均勻，減少了干擾並改善了連線品質。

吞吐量

儘管2.4GHz和5GHz頻段都使用相同的20MHz頻道頻寬進行了測試，但5GHz頻段始終提供更高的吞吐量。此效能提升主要來自於5GHz頻段中更乾淨、更不擁擠的頻譜。

• 減少重傳：在2.4GHz頻段，有限的頻道可用性和高設備密度通常會導致干擾和封包衝突。
• 更多可用頻道：5GHz頻段提供了更廣泛的非重疊頻道選擇。
• 較低的干擾：由於與藍牙、Zigbee和微波爐等其他技術的重疊較少，5GHz頻段的環境噪音較小。
• 高效率的頻譜利用：在5GHz下運作的裝置可以利用先進的Wi-Fi 6功能，例如多用戶多輸入多輸出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output, MU-MIMO)和正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)。

在現實世界中，這意味著更快的資料下載、更流暢的串流服務和響應更快的物聯網應用程式，尤其是在具有許多連線裝置的環境中。從圖5和圖6中描述的使用者資料報協定(User Datagram Protocol, UDP)測量值可以清楚地看到這一點。

延遲

在效能測試中，與2.4GHz相比，5GHz頻段的ping往返時間減少了2.5倍。延遲的顯著改善是由幾個關鍵因素推動的：管理幀的更快傳輸減少了通道占用時間，更低的干擾導致更少的重傳和更流暢的通訊，更小的覆蓋範圍減少了終端裝置爭用，以及先進的MAC/PHY功能，例如OFDMA和MU-MIMO，允許多個設備同時更高效地傳輸(圖7)。

功耗

物聯網設備旨在節省能源，同時保持雲端連線。為了保持連接，這些設備會持續監控網路信標並定期發送保持活動訊號，以確認其存在並準備好進行通訊。在這種情況下，5GHz頻段具有明顯的優勢，信標和其他管理幀的傳輸速率更快，干擾的減少使設備能夠更快地完成活動會話並享受更長的低功耗睡眠時間。這導致功耗降低約20%，如圖6所示，2.4GHz的電流消耗平均為40mA，而5GHz測量的平均電流消耗為34mA(圖8)。

雙頻架構平衡效能與覆蓋

雖然5GHz頻段在資料吞吐量效能、訊號完整性和降低功耗方面表現出色，但其較短的波長限制了範圍和穿牆能力。相較之下，2.4GHz頻段具有卓越的傳播特性，適合智慧電錶和環境感測器等遠端應用，但吞吐量效能和高功耗受到限制。

支援這兩個頻段提供了滿足現代物聯網部署的多樣化要求所需的靈活性，平衡了吞吐量、覆蓋範圍和能源效率。

(本文作者皆任職於瑞薩電子，Rossella Guiot為連線事業群行銷經理、Ture Nielsen為產品行銷經理、Lior Weiss為連線與Wi-Fi資深總監)