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、可穿戴設備和無線傳感器網(wǎng)絡上。什么是Wi-Fi HaLow，與傳統(tǒng)的Wi-Fi(4/5/6)有何不同，是什么讓Wi-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，是當今最普遍的無線網(wǎng)絡協(xié)議，承載了超過一半的互聯(lián)網(wǎng)流量?！癢i-Fi ”是一個通用術語，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，揭示技術差距，重新定義802.11協(xié)議在當今超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備的無線連接世界中，應該發(fā)揮的作用。物聯(lián)網(wǎng)和機器對機器(M2M)應用，對遠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，該方案可以在更遠的距離和更低的功耗下，連接更多的物聯(lián)網(wǎng)設備。該協(xié)議于2016年得到了IEEE 802.11ah任務組的批準，被Wi-Fi聯(lián)盟稱為Wi-Fi HaLow。
Wi-Fi HaLow本質上是一款低功耗、遠距離、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標準結合了能效、遠程連接、低延遲、高清視頻質量數(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)設備的理想?yún)f(xié)議選擇。讓我們仔細看看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)設備，提供了卓越的能效。IEEE 802.11ah規(guī)定的各種復雜的睡眠模式，使HaLow設備能夠長時間處于極低功率狀態(tài)，?節(jié)省電池能量：
● 目標喚醒時間(TWT：Target wake time)：這允許站點(STA)和接入點(AP)預先安排一個時間，讓沉睡的站點醒來并監(jiān)聽信標。
● 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：短(有限)信標頻繁發(fā)送以同步站點，而完整信標的發(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)設備，到傳輸超過一公里的更高功率、采用更大電池的應用。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，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)設備的更好選擇，這些設備需要達到更遠的距離，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標準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標準。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)轉化為13 dB的鏈路預算改進。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)化的調制和編碼方案(MCS10)，可提供額外的3dB鏈路預算改進。
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24dB的鏈路預算改進。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)議的一個關鍵競爭優(yōu)勢。Wi-Fi-HaLow的遠程覆蓋優(yōu)勢，擴展了智能家居和智能城市網(wǎng)絡的范圍，讓用戶能夠控制1公里以外的物聯(lián)網(wǎng)設備，遠遠超出了傳統(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：一種應對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)的技術，作者：Victor Ba?os-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，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使用正交頻分復用(OFDM)調制，來校正反射和多徑環(huán)境。無論設備制造商的產(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備以補償不同家庭架構的額外成本和復雜性。
高度可擴展的解決方案
單個Wi-Fi HaLow接入點可以處理多達8191個設備，是傳統(tǒng)Wi-Fi接入點的4倍多。在可預見的未來，這足夠連接每個LED燈泡、電燈開關、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備。典型的家庭Wi-Fi路由器，通常支持幾十種設備。當寬帶服務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)管理設備和服務。
多種信號傳遞選項，減少了管理和控制大量HaLow設備所需的開銷。這樣可以最大限度地減少信號沖突，并為有源設備釋放無線電波，以便以最快的調制和編碼方案(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，自動調整帶寬。預定義的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)絡拓撲結構、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)絡中解放出來，簡化了網(wǎng)絡安裝，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。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，特別是當有來自其他無線電設備的強干擾時。前向糾錯(FEC)編碼也為恢復數(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是一個全球公認的標準(IEEE 802.11ah)，定義了連接設備如何進行安全認證和通信。采用Wi-Fi HaLow的設備供應商，可以保證其產(chǎn)品和網(wǎng)絡，將按照Wi-Fi聯(lián)盟的開發(fā)指導來實現(xiàn)互通性。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標準的一部分，Wi-Fi HaLow網(wǎng)絡也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網(wǎng)絡共存，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標準，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和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理。
HaLow效應：延伸范圍，拓展物聯(lián)網(wǎng)的可能性
傳統(tǒng)Wi-Fi的網(wǎng)絡擁堵、范圍限制和較高的功耗，以及可連接到單個AP的設備數(shù)量有限，在當今物聯(lián)網(wǎng)設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。
作為一種遠程協(xié)議，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達到的室內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)應用，例如遠程安保攝像頭、門禁網(wǎng)絡甚至無人機。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，無需復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，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用，也將受益于這種遠程、低功耗協(xié)議，讓無數(shù)設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。
作者：Shahar Feldman，Morse Micro營銷副總裁
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