Nordic Semiconductor Wi-Fi6 物聯網 AP TWT STA

大量上傳/降低能耗/TWT升級 Wi-Fi 6 R2突破物聯網瓶頸

Wi-Fi 6 Release 2升級多用戶上傳功能並提高電源效率,讓開發人員能夠設計出更優異的Wi-Fi物聯網產品。IEEE 802.11ax標準開始採用不過三年時間,相關產品以「Wi-Fi 6」品牌標示進行銷售。新版Wi-Fi的其中一個功能為增強物聯網應用的無線技術,包括改善電源消耗,以及改善難以處理的密集部署問題。

Wi-Fi 6以提高傳輸速度和頻譜效率解決這些難題。事實證明,這不僅有益於消費者,希望部署Wi-Fi物聯網感測器的智慧家庭、智慧建築和智慧工廠也能受惠。

Wi-Fi 6採用的隔年,新冠疫情爆發,在一定程度上導致Wi-Fi 6 Release 2版本更新。這次升級發表於2022年1月於美國拉斯維加斯舉行的CES 2022活動。

上行鏈路傳輸能力增強

隨著越來越多人開始在家工作,下行鏈路端和上行鏈路端的流量比例產生重大轉變。下行鏈路端的資料從雲端移動到用戶電腦,而上行鏈路端則相反。疫情前,下行和上行的鏈路流量比例為10:1,隨著人們在疫情消退後恢復工作,該比例已降至6:1。Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)預計,這一比例在未來幾年內將接近2:1。

這種使用上的變化,說明了Wi-Fi 6 Release 2決定增強資料上傳功能的原因。此外,Release 2版本還提高電源效率,使該技術更適用於由電池供電的IoT設備。這些新功能可跨用2.4、5和6GHz等Wi-Fi頻段。

Wi-Fi 6 Release 2提供上行鏈路端多用戶-多輸入多輸出(MU-MIMO)功能,以滿足日益成長的多量資料上傳需求。這項功能從該標準早已擁有的下行鏈路端MU-MIMO功能自然延伸而來,允許多個網路設備從不同的串流連接同時上傳。

延長電池使用壽命及範圍

Wi-Fi 6 Release 2延長IoT設備電池壽命的第一個功能稱為「上載多用戶資料停用操作模式指示(OMI)」。最初Wi-Fi 6版本提供兩種操作模式選擇,可讓多位用戶同時使用上載傳輸功能。第一種是同步模式,網路連接設備(STA)的上載傳輸由無線存取點(AP)執行同步和控制;第二種是非同步模式,STA與其他設備競爭上傳自己的資料封包到AP的發送操作。STA可以使用發送模式(TOM)訊號切換傳送模式。

Release 2版本的新增功能允許STA停用它們發送實際資料封包到AP的同步模式,而對Wi-Fi訊框的控制和管理則維持同步模式。這可以視為同步模式和非同步模式之間的混合模式,其主要優點是在不影響同步下載效率的情況下提升設備的靈活性。 

第二個增強功能為「上傳高效擴展範圍單一用戶物理層協定資料單元(PPDU)」,增強對象是STA和AP之間的上載傳輸。通常,AP的傳輸功率高於STA,在較差的通道傳播條件下,可能導致處於AP範圍邊緣的STA可以聽到AP的傳輸,AP卻聽不到STA的上載傳輸。在這種上下鏈路不平衡的情況下,STA可能無法與AP連接。

Release 2具有擴展範圍,AP在不良通道傳播情況下,也能聽到最大範圍內的STA,因此這些STA可以持續與AP保持連接。實施這項功能的STA通常可以擴大範圍。

Release 2的第三項增強功能為基本服務集(BSS)最長待機週期的延長休眠時間。BSS最長待機週期是STA保持連接不中斷前提下,可停止向所連接AP發送資訊的時間。在BSS最長待機週期的延長休眠時間內,STA可以保持完全待機狀態以節省電力,並減少不必要的「保持連接」訊框,且不會與AP斷開連接。設備的待機期間橫跨1秒到18小時。

TWT功能升級

定時喚醒機制(TWT)是Wi-Fi 6最初發布時導入的節電功能,可編排STA和AP之間的流量交換,使STA利用流量交換週期的間隔返回待機模式來節電。工作週期的效率由TWT服務週期控制,而TWT服務週期經由AP和STA進行協商。

在Release 2版本中,TWT訊息訊框可用於暫停或恢復現有的TWT(經協商的)協議或服務週期,這為STA實施TWT提供了更大的靈活性;STA現在可以較輕易地更新TWT協議,並在它認為合適的時候最佳化TWT參數。這項功能消除與暫停和重啟TWT協商的消耗,因此提高能源效率。

Wi-Fi 6 Release 2的最後一項增強功能是廣播TWT機制。廣播TWT是不同形式的TWT功能,由AP負責宣告廣播TWT時間表,分配操作參數,並透過發送攜帶TWT訊息單元的廣播管理訊框來宣告時間表的存在。接收到這些廣播管理訊框的STA可參加廣播TWT時間表,至於是否明確加入操作,取決於廣播TWT ID的值是否為零。

對AP來說,和需要一一與各個STA協商時間的單獨TWT模式相比,廣播TWT時間表模式更容易管理,因為AP負責決定時間表,而STA無法協商被提供的時間表。單獨的TWT協商較難就TWT的實際參數達成共識,使用廣播TWT模式可增加希望節電STA使用TWT功能的可能性。

Wi-Fi打造物聯未來

看見Wi-Fi潛力,各家廠商積極投入,例如Nordic在2020年底收購Imagination Technologies的Wi-Fi開發團隊和相關IP技術資產,在產品加入Wi-Fi功能,包括部分或全部Release 2功能的晶片已進入開發階段。Nordic nRF Connect SDK支援Wi-Fi產品開發,為統一的軟體開發套件。

Wi-Fi對物聯網的主要優勢在於其原生IP互通性,讓感測器連接到雲端,而不用支付額外的資料傳輸費用,並且由於AP早已無所不在,不需要建構新的基礎設施。

(本文由Nordic Semiconductor提供)

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