Wi-Fi HaLow很快就会出现在我们日常生活中的智慧门锁、安保摄影机、可穿戴设备和无线感测器网路上。甚麽是Wi-Fi HaLow?与传统的Wi-Fi(4/5/6)有何不同?究竟是什麽让Wi-Fi HaLow成为物联网的理想协定?
Wi-Fi就像是在互联世界的氧气,为当今最普遍的无线网路通讯协定,承载了超过一半的网际网路流量。「Wi-Fi」是一个通用术语,指的是经过二十多年发展而成的802.11协定家族。Wi-Fi联盟是推动Wi-Fi应用和发展的组织,该组织用数位命名法,简化了常用的几代Wi-Fi名称,例如Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac、Wi-Fi 6 = 802.11ax。您正在家中或工作场所使用的,很有可能就是这些类型的Wi-Fi。
尽管Wi-Fi 4/5/6无处不在,但物联网(IoT)的快速发展迫使人们重新思考传统的Wi-Fi协定,并揭示了技术上的差异,以及重新定义802.11协定於当今无线连接世界的超低功耗物联网设备上应扮演的角色。由於物联网和机器对机器(Machine-to-Machine, M2M)的应用对远端连接和低功耗性能的要求更高,更需要另一种最隹化的Wi-Fi技术来满足物联网的需求。
Wi-Fi HaLow协定经由提供超低功耗无线解决方案来满足这些需求。相较於传统Wi-Fi,此一解决方案能在更远距离以更低功率来连接大量的物联网设备。该协定於2016年获得IEEE 802.11ah专业工作组的批准,并由Wi-Fi联盟冠名为Wi-Fi HaLow。
Wi-Fi HaLow协定标准具有出色的能源效率、远端连接、低延迟、高清视讯品质的资料速率、安全功能和支援本地IP的独特组合,使其成为无线连接、电池供电物联网设备的理想选择。本文将详细分析Wi-Fi HaLow和传统Wi-Fi的主要区别,以及为何802.11ah协定非常适合且能满足物联网应用的连接要求。
表一 Wi-Fi和Wi-Fi HaLow的差异
Wi-Fi和Wi-Fi HaLow的差异
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功能
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Wi-Fi 4/5/6
(IEEE 802.11n/ac/ax)
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Wi-Fi HaLow
(IEEE 802.11ah)
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工作频段
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2.4 GHz,5 GHz,6 GHz
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Sub-1-GHz
(美国902-982 MHz)
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频道宽度选择
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20,40,80,160 MHz
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1,2,4,8(16可选)MHz
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每个接入点的最大可寻址站数
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2007
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8191
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单流MCS数据速率范围
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6.5 Mbps-150 Mbps
(802.11n, Wi-Fi 4)
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150 Kbps-86.7 Mbps
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标准范围
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100公尺
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一公里以上10X 更长距离100X
更大区域1000X更大空间
(相较於20 MHz 802.11n)
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链路预算改善(1-MHz频道)
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-
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15-24 dBm
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适用於电池供电的协定
Wi-Fi HaLow为功率敏感的物联网设备提供卓越的能源效率。IEEE 802.11ah规范各种复杂的睡眠模式,使HaLow设备能够长时间保持在非常低的功耗状态,?节省电池能量:
目标唤醒时间(Target Wake Time;TWT):允许站点(STA)和存取点(access point;AP)预先安排时间唤醒睡眠中的STA,以接听信标。
限制存取视窗(Restricted Access Window;RAW):AP可以授予一部分STA传输资料的权限,而其他则被迫休眠、缓冲非紧急资料,或两者都受限制。
延长最大基本服务集(basic service set;BSS)的闲置期:允许STA闲置期延长至五年。
分层的流量指示图(Traffic Indication Mapping;TIM):群组对TIM进行更有效的编码,可以节省信标的传播时间。
媒体存取控制(Medium Access Control;MAC)标头较短:可以减少标头消耗、传播时间和功耗,并释出频谱。
无资料物理层(PHY)协定资料单元(Null data PHY protocol data;NPD):将类似MAC的ACK/NAK嵌入到PHY层以减少时间和功率。
短信标:完整信标发送频率较低时,短(有限制性)信标可频繁发送以同步STA。
BSS着色:当STA可忽略其他颜色时,颜色配置会指定BSS群组给特定的AP。
双向TXOP(BDT)(昔称为速度帧):当STA醒来,发现要传输的上行链路和下行链路帧存在时,可减少媒体存取的次数。BDT利用物理层协定资料单元 (physical-layer protocol data unit;PPDU) 讯号(SIG)栏位中的回应指示,增加TXOP保护期间,免於受协力厂商STA传输的干扰。
该协定的高效睡眠和电源管理模式,可支援物联网设备以电池供电多年,并具有广泛且灵活的电源和电池尺寸选项,应用可从钮扣电池上运行的短距离物联网设备到更高功率、更大电池、超过1公里以上的范围。与2.4和5 GHz频段的Wi-Fi协定相比,该协定的1GHz以下窄频讯号可传送得更远且能耗更低,每单位能量可传输更多位元数。
低能耗
Wi-Fi HaLow晶片所需功率远远低於传统Wi-Fi晶片。虽然传统Wi-Fi高资料速率能够使用2.4 GHz、5 GHz和6 GHz 频段的宽频,快速传输高清视讯内容并大量下载档,但这些Wi-Fi连接的有效距离很短,并且会很快耗尽电池,需要经常充电、更换电池或要求理想的主电源连接。有监於此,由於这些设备需要到达更远的距离并仰赖电池供电运行多年,同时仍须提供每秒数百万位元的资料传输量,对受制於电能的物联网设备而言,Wi-Fi HaLow是更好的选择。
更长覆盖范围
与传统Wi-Fi最窄的20 MHz频道相比,Wi-Fi HaLow的1GHz以下讯号使用1 MHz(含)以上更窄的频道。由於频道中的热噪声较低,这相差20倍的频宽因数可转化为13dB链路预算的改善。与传统的2.4 GHz Wi-Fi相比,频率在750 MHz-950 MHz之间的射频仅额外增加8-9 dB的链路预算,节省自由空间的传播损耗。此外,Wi-Fi HaLow协定添加了范围最隹化的调制和编码设计(MCS10),可额外提供3dB链路预算的改善。
![图一 : 传统的Wi-Fi 4/5/6协定使用更高的频率和更宽的频宽来达到最大输送量。Wi-Fi HaLow的1 GHz以下协定最隹化了穿透率、覆盖范围、功率和容量。](/art/2022/11/031834332790/p1S.JPG)
图一 : 传统的Wi-Fi 4/5/6协定使用更高的频率和更宽的频宽来达到最大输送量。Wi-Fi HaLow的1 GHz以下协定最隹化了穿透率、覆盖范围、功率和容量。 |
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能为终端使用者提供覆盖数百米的无线物联网解决方案?,且?无需额外的中继设备或昂贵的蜂巢电讯资料规划?,此为802.11ah协定的关键竞争优势。凭藉其远端覆盖能力,Wi-Fi HaLow的优势扩展了智慧家庭和智慧城市网路的范围,让使用者能够控制1公里以外的物联网设备,远远超出传统Wi-Fi协定的覆盖范围。
![图二 : 802.11n/ac(左)和802.11ah(右)的输送量与范围。](/art/2022/11/031834332790/p2S.JPG)
图二 : 802.11n/ac(左)和802.11ah(右)的输送量与范围。 |
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更好的讯号穿透力
与传统Wi-Fi相比,1GHz以下Wi-Fi HaLow讯号可以更轻松穿过墙壁和其他障碍物。与2.4GHz和5GHz频段中的Wi-Fi协定相比,住宅和商业大楼的建筑材料和平面布局的差异对1GHz以下HaLow讯号的影响较小。传统Wi-Fi产品有时会出现使用者遇到问题而致电客服求助,甚至要求退货的困扰,而Wi-Fi HaLow能穿透墙壁和建筑物的卓越覆盖范围,有助於减少此类问题。
无论产品使用时位於室内还是室外,或者位於家中的地下室还是阁楼,设备制造商都可以确保与存取点(AP)建立可靠的HaLow连接。
可大幅扩展的解决方案
一个Wi-Fi HaLow AP的设备寻址能力最多可达到8,191台,是传统Wi-Fi AP设备数量的4倍之多。在可预见的未来,这足以连接每个LED灯泡、电灯开关、智慧门锁、电动窗帘、恒温器、烟雾探测器、太阳能电池板、安保摄影机或任何可想像的智慧家庭设备。典型的家用Wi-Fi路由器一般可支援数十台设备。
当宽频服务厂商在家中部署一组Wi-Fi HaLow AP时,即可成为一个可扩展的平台,额外提供安全装置及管理水电设备和服务。
具备抗噪能力的免许可频谱
与2.4GHz、5GHz和6GHz频段的传统Wi-Fi一样,Wi-Fi HaLow 终端使用者能够拥有自己的设备并使用从750MHz到950MHz的免许可1GHz以下无线电频谱。
在ISM频段内运行的Wi-Fi HaLow可以使用多种频宽的通道:1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。频宽越窄,讯号可以传播的越远。资料以资料包形式使用OFDM传输跨越多个亚通道时,可在深具挑战性的RF环境中提高性能,尤其是受到其他无线电设备的强烈干扰时。前向纠错(Forward error correction;FEC)编码还为资料包的复原提供额外的保护,确保连接的稳健性。
安全且具备互通性
Wi-Fi HaLow与其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一样,是一种原生的无线安全协定,支援最新的Wi-Fi身份验证要求(WPA3)和空中无线(over-the-air;OTA)传输的AES加密,其资料速率可实现安全的OTA韧体升级。
与其他类型的Wi-Fi一样,HaLow是全球公认的标准(IEEE 802.11ah),定义连接设备如何执行身份验证和通讯安全。使用Wi-Fi HaLow的设备厂商可以确保他们的产品和网路能够遵照Wi-Fi联盟的发展指南进行交互操作。由於它是 IEEE 802.11标准的一部分,Wi-Fi HaLow网路还可以与Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6网路共存,不会影响他们的射频性能。
利用IP实现当地语系化
所有物联网网路都需要网际网路协定(Internet protocol;IP)支援来执行云端连接。 因为Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi标准,所以可提供本地TCP/IP支援。这种内置的IP功能意味着物联网连接不再需要专有网关或网桥。所有连接支援Wi-Fi HaLow路由器的客户端设备,都可以使用IPv4/IPv6传输协定直接存取网际网路,以实现基於云端的物联网资料服务和管理。
延伸覆盖范围,扩大物联网的可能性
传统Wi-Fi的网路拥堵、范围限制和较高的功耗,以及可连接到单个AP的设备数量有限,在当今物联网设备的世界中已不再可行。这些限制阻碍了各行业内以物联网为中心的新商业模式,这些模式需要更远的距离、更大的容量、更灵活的电池和电源选项,同时最大限度地降低部署成本。
作为一种远端协定,Wi-Fi HaLow支援那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi无法达到的室内外物联网应用,例如远端安保摄影机、门禁网路甚至无人机。其他潜在使用案例包括大型公共场所,如体育场馆、购物中心和会议中心,在这些场所,单个Wi-Fi HaLow存取点可以替代大量的存取点,无需复杂的网状网路,简化了安装,降低了总体拥有成本。
工业物联网、程序控制感测器、楼宇自动化、仓库和零售店等众多应用,也将受益於这种远端、低功耗协定,让无数设备能够在日益自动化的世界中保持连接。事实上,Wi-Fi-HaLow在传统的802.11协定中因其覆盖范围、能效、容量和多功能性而胜出。