Wi-Fi HaLow很快就會出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ畹闹悄荛T鎖、安保攝像頭、可穿戴設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上。什么是Wi-Fi HaLow，與傳統(tǒng)的Wi-Fi（4/5/6）有何不同，是什么讓W(xué)i-Fi HaLow成為物聯(lián)網(wǎng)的理想?yún)f(xié)議？

 

Wi-Fi就像是我們互聯(lián)世界的氧氣，是當(dāng)今最普遍的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，承載了超過一半的互聯(lián)網(wǎng)流量。“Wi-Fi ”是一個通用術(shù)語，指的是經(jīng)過二十多年發(fā)展而成的802.11協(xié)議家族。Wi-Fi聯(lián)盟是推動Wi-Fi應(yīng)用和發(fā)展的組織，該組織用數(shù)字命名法，簡化了常用的幾代Wi-Fi名稱，例如，Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac、Wi-Fi 6 = 802.11ax。您正在家里或工作場所使用的，很有可能就是這些類型的Wi-Fi。

 

盡管Wi-Fi 4/5/6無處不在，但物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速發(fā)展，迫使人們重新思考傳統(tǒng)Wi-Fi，揭示技術(shù)差距，重新定義802.11協(xié)議在當(dāng)今超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線連接世界中，應(yīng)該發(fā)揮的作用。物聯(lián)網(wǎng)和機器對機器（M2M）應(yīng)用，對遠(yuǎn)程連接和低功耗的更高要求，促使人們需要另一種為物聯(lián)網(wǎng)而優(yōu)化的Wi-Fi。

 

Wi-Fi HaLow（發(fā)音為HEY-low）協(xié)議，通過提供超低功耗的無線解決方案，填補了這一空白，與傳統(tǒng)Wi-Fi相比，該方案可以在更遠(yuǎn)的距離和更低的功耗下，連接更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。該協(xié)議于2016年得到了IEEE 802.11ah任務(wù)組的批準(zhǔn)，被Wi-Fi聯(lián)盟稱為Wi-Fi HaLow。

 

Wi-Fi HaLow本質(zhì)上是一款低功耗、遠(yuǎn)距離、多用途的Wi-Fi版本，在免許可的1千兆赫頻譜下運行。Wi-Fi HaLow標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了能效、遠(yuǎn)程連接、低延遲、高清視頻質(zhì)量數(shù)據(jù)速率、安全功能和本地IP支持，是無線連接、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想?yún)f(xié)議選擇。讓我們仔細(xì)看看Wi-Fi HaLow和傳統(tǒng)Wi-Fi之間的一些主要區(qū)別，以及為什么802.11ah協(xié)議非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的連接要求。

 

表1：Wi-Fi 4/5/6與Wi-Fi HaLow的比較

 

 

一種省電的協(xié)議

 

Wi-Fi HaLow為耗電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，提供了卓越的能效。IEEE 802.11ah規(guī)定的各種復(fù)雜的睡眠模式，使HaLow設(shè)備能夠長時間處于極低功率狀態(tài)，?節(jié)省電池能量：

 

●目標(biāo)喚醒時間（TWT：Target wake time）：這允許站點（STA）和接入點（AP）預(yù)先安排一個時間，讓沉睡的站點醒來并監(jiān)聽信標(biāo)。

●受限訪問窗口（RAW：Restricted access window）：接入點可以授予站點子集傳輸其數(shù)據(jù)的權(quán)限，而其他站點則被迫休眠、緩沖非緊急數(shù)據(jù)或兩者兼而有之。

●擴展的最大基本服務(wù)集（BSS：Basic Service Set）空閑期：這將站點的“允許空閑期”延長至五年。

●分層的流量指示映射（TIM ：Traffic Indication Mapping）： 更有效地分組編碼TIM，節(jié)省信標(biāo)的傳輸時間。

●短MAC報頭：這減少了報頭的開銷、傳輸時間和功耗，并釋放了頻譜。

●空數(shù)據(jù)PHY協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPD）：這將類似MAC的ACKs/NACKs嵌入PHY層，以減少時間和功耗。

●短信標(biāo)：短（有限）信標(biāo)頻繁發(fā)送以同步站點，而完整信標(biāo)的發(fā)送頻率較低。

●BSS著色機制：顏色分配表示特定接入點的BSS組，而站點可以忽略其他顏色。

●雙向TXOP（BDT：Bi-directional TXOP）（以前稱為速度幀）：當(dāng)喚醒站點，發(fā)現(xiàn)存在用于傳輸?shù)纳闲墟溌泛拖滦墟溌穾瑫r，這會減少介質(zhì)訪問的次數(shù)。BDT使用物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）的信號（SIG）字段中的響應(yīng)指示，以增加對第三方站點傳輸?shù)?TXOP 持續(xù)時間保護。 

 

該協(xié)議的高效睡眠和電源管理模式，支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用電池運行多年，以及多種靈活的電源和電池大小選擇，從采用紐扣電池的短距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，到傳輸超過一公里的更高功率、采用更大電池的應(yīng)用。與2.4 GHz和5 GHz頻段的Wi-Fi協(xié)議相比，該協(xié)議采用的sub-GHz窄帶信號，傳輸距離更遠(yuǎn)，能耗更低，讓每單位能耗可傳輸更多數(shù)據(jù)。

 

因此，Wi-Fi HaLow芯片所需的功率僅為傳統(tǒng)Wi-Fi芯片的一小部分。雖然傳統(tǒng)Wi-Fi的數(shù)據(jù)速率較高，讓用戶能夠在2.4 GHz、5 GHz和6 GHz頻段，使用寬頻信道快速傳輸高清視頻和下載大量文件，但這些Wi-Fi連接的有效距離很短，電池消耗很快，需要頻繁充電或更換電池，或者最好有一個主電源連接。基于這些原因，Wi-Fi HaLow是電源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的更好選擇，這些設(shè)備需要達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，并能用電池運行數(shù)年，同時仍然提供較高的數(shù)據(jù)吞吐量。

 

圖1：傳統(tǒng)的Wi-Fi 4/5/6協(xié)議，使用更高的頻率和更寬的帶寬來最大化吞吐量。

 

Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz協(xié)議優(yōu)化了滲透率、覆蓋范圍、功率和容量。

 

覆蓋范圍更廣

 

802.11標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的頻率范圍非常廣泛，從sub-GHz到毫米波（mmWave）。Wi-Fi HaLow是第一個在免許可的sub-GHz頻段運行的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。Wi-Fi HaLow提供的數(shù)據(jù)速率，從幾百kb/s到幾十Mb/s不等，傳輸距離從幾十米到一公里以上。

 

與傳統(tǒng)Wi-Fi使用的最窄的20MHz信道相比，Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz信號使用更窄的信道，從1MHz到更窄。由于信道中的熱噪聲較低，這種20倍的帶寬系數(shù)轉(zhuǎn)化為13 dB的鏈路預(yù)算改進。與傳統(tǒng)的2.4 GHz Wi-Fi相比，750 MHz - 950 MHz之間的RF頻率，需要額外增加8dB-9 dB的鏈接預(yù)算，從而節(jié)省自由空間傳輸損耗。此外，Wi-Fi HaLow協(xié)議增加了一個范圍優(yōu)化的調(diào)制和編碼方案（MCS10），可提供額外的3dB鏈路預(yù)算改進。

 

總之，與傳統(tǒng)的2.4GHz IEEE 802.11n（Wi-Fi 4）相比，Wi-Fi HaLow提供了高達(dá)24dB的鏈路預(yù)算改進。與頻率更高、帶寬更寬的802.11ac（Wi-Fi 5）和802.11ax（Wi-Fi 6/6E）協(xié)議相比，Wi-Fi HaLow鏈路預(yù)算優(yōu)勢進一步增強，其使用帶寬更寬的5GHz和6GHz頻譜。這就解釋了為什么Wi-Fi HaLow信號的傳輸距離，是傳統(tǒng)Wi-Fi的十倍，而不需要網(wǎng)絡(luò)擴展器。例如，電池供電的攝像頭可以放置在家里或車庫外墻更方便的地方。照明系統(tǒng)可以從單個AP控制，而不管燈具是在室內(nèi)還是室外的花園里。

 

為終端用戶提供無線物聯(lián)網(wǎng)解決方案，覆蓋數(shù)百米的距離，而無需額外的擴展器或昂貴的蜂窩數(shù)據(jù)套餐，是802.11ah協(xié)議的一個關(guān)鍵競爭優(yōu)勢。Wi-Fi-HaLow的遠(yuǎn)程覆蓋優(yōu)勢，擴展了智能家居和智能城市網(wǎng)絡(luò)的范圍，讓用戶能夠控制1公里以外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)Wi-Fi協(xié)議的覆蓋范圍。

 

圖2：比較802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的吞吐量與范圍。

 

資料來源：Sensors期刊（Basel）。2016年11月，IEEE 802.11ah：一種應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)的技術(shù)，作者：Victor Baños-Gonzalez, M. Shahwaiz Afaqui, Elena Lopez-Aguilera, and Eduard Garcia-Villegas

 

信號穿透力更強

 

一般來說：頻率越低，覆蓋范圍越遠(yuǎn)，穿透障礙物的能力越強。Sub-GHz 的Wi-Fi HaLow信號可以比傳統(tǒng)Wi-Fi更容易穿過墻壁和其他障礙物。與2.4GHz和5GHz頻段的Wi-Fi協(xié)議相比，住宅和商業(yè)建筑的建筑材料和布局的變化，對sub-GHz HaLow信號的影響較小。Wi-Fi HaLow可以穿透墻壁和建筑物，這有助于減少客戶投訴和產(chǎn)品退貨，這些問題有時會困擾使用傳統(tǒng)Wi-Fi的產(chǎn)品。

 

Wi-Fi HaLow使用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制，來校正反射和多徑環(huán)境。無論設(shè)備制造商的產(chǎn)品是在室內(nèi)還是室外，或者是在地下室還是閣樓，Wi-Fi HaLow都可以確保設(shè)備與接入點之間有穩(wěn)健的連接。這種靈活性消除了提供專有集線器或橋接設(shè)備以補償不同家庭架構(gòu)的額外成本和復(fù)雜性。

 

高度可擴展的解決方案

 

單個Wi-Fi HaLow接入點可以處理多達(dá)8191個設(shè)備，是傳統(tǒng)Wi-Fi接入點的4倍多。在可預(yù)見的未來，這足夠連接每個LED燈泡、電燈開關(guān)、智能門鎖、電動窗簾、恒溫器、煙霧探測器、太陽能電池板、安保攝像頭或任何可想象的智能家居設(shè)備。典型的家庭Wi-Fi路由器，通常支持幾十種設(shè)備。當(dāng)寬帶服務(wù)提供商在家居中進行部署時，單個Wi-Fi HaLow接入點可以成為一個可擴展的平臺，用于提供額外的安全和公用事業(yè)管理設(shè)備和服務(wù)。

 

多種信號傳遞選項，減少了管理和控制大量HaLow設(shè)備所需的開銷。這樣可以最大限度地減少信號沖突，并為有源設(shè)備釋放無線電波，以便以最快的調(diào)制和編碼方案（MCS）速率傳輸更多數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)Wi-Fi一樣，HaLow可以根據(jù)信號完整性和與接入點的距離，自動調(diào)整帶寬。預(yù)定義的MCS級別支持單流、單天線產(chǎn)品的帶寬從150 Kbps到40 Mbps，使用的信道寬度從1 MHz到8 MHz，80 Mbps的能力也可通過使用可選的16 MHz寬信道來實現(xiàn)。

 

Wi-Fi HaLow的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、卓越的穿透力、廣闊的覆蓋面積和巨大的容量，將無線連接從難以部署和帶寬受限的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中解放出來，簡化了網(wǎng)絡(luò)安裝，并將總體持有成本降至最低。

 

具有抗噪性的免許可頻譜

 

與采用2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統(tǒng)Wi-Fi一樣，Wi-Fi HaLow使終端用戶能夠擁有自己的設(shè)備并使用免許可的sub-GHz無線電頻譜，范圍從750MHz到950MHz。 Wi-Fi HaLow的可用頻率范圍、最大傳輸功率和占空比，在世界各地有所不同。（例如，美洲可用的HaLow頻譜是902 MHz至928 MHz，而在歐洲是863 MHz至868 MHz）。

 

Wi-Fi HaLow在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段內(nèi)運行，可以使用多種信道帶寬：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。帶寬越窄，信號傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)。使用OFDM，以跨多個子信道的數(shù)據(jù)包形式傳輸數(shù)據(jù)，這可以提高在具有挑戰(zhàn)性的RF環(huán)境中的性能，特別是當(dāng)有來自其他無線電設(shè)備的強干擾時。前向糾錯（FEC）編碼也為恢復(fù)數(shù)據(jù)包提供了額外的保護，確保穩(wěn)健的連接。

 

安全性和互通性

 

與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣，Wi-Fi HaLow是一種固有的安全無線協(xié)議，支持最新的Wi-Fi認(rèn)證要求（WPA3）和空中傳輸（OTA）AES加密，其數(shù)據(jù)速率可以實現(xiàn)安全的OTA固件升級。

 

就像其他類型的Wi-Fi一樣，HaLow是一個全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11ah），定義了連接設(shè)備如何進行安全認(rèn)證和通信。采用Wi-Fi HaLow的設(shè)備供應(yīng)商，可以保證其產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)，將按照Wi-Fi聯(lián)盟的開發(fā)指導(dǎo)來實現(xiàn)互通性。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的一部分，Wi-Fi HaLow網(wǎng)絡(luò)也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)共存，而不影響其RF性能。

 

實現(xiàn)本地IP支持

 

所有物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)都需要互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）支持，以實現(xiàn)云連接。由于Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，因此它提供本地TCP/IP支持。這種內(nèi)置的IP功能，意味著物聯(lián)網(wǎng)連接不需要專有網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋。所有連接到具有Wi-Fi HaLow功能的路由器的客戶端設(shè)備，可以使用IPv4/IPv6傳輸協(xié)議，直接訪問互聯(lián)網(wǎng)，以獲得基于云的服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理。

 

HaLow效應(yīng)：延伸范圍，拓展物聯(lián)網(wǎng)的可能性

 

傳統(tǒng)Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)擁堵、范圍限制和較高的功耗，以及可連接到單個AP的設(shè)備數(shù)量有限，在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的世界中已不再可行。這些限制阻礙了各行業(yè)出現(xiàn)的以物聯(lián)網(wǎng)為中心的新商業(yè)模式，這些模式需要更遠(yuǎn)的距離、更大的容量、更靈活的電池和電源選項，同時最大限度地降低部署成本。

 

作為一種遠(yuǎn)程協(xié)議，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達(dá)到的室內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如遠(yuǎn)程安保攝像頭、門禁網(wǎng)絡(luò)甚至無人機。其他潛在的使用案例包括大型公共場所，如體育場館、購物中心和會議中心，在這些場所，單個Wi-Fi HaLow接入點可以替代大量的接入點，無需復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，簡化了安裝，降低了總持有成本。

 

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、過程控制傳感器、樓宇自動化、倉庫和零售店等眾多應(yīng)用，也將受益于這種遠(yuǎn)程、低功耗協(xié)議，讓無數(shù)設(shè)備能夠在日益自動化的世界中保持連接。事實上，Wi-Fi-HaLow在傳統(tǒng)的802.11協(xié)議中因其覆蓋范圍、能效、容量和多功能性而脫穎而出。