Wi-Fi HaLow很快就會出現在我們日常生活中的智慧門鎖、安保攝影機、可穿戴設備和無線感測器網路上。什麼是Wi-Fi HaLow？與傳統的Wi-Fi（4/5/6）有何不同？究竟是什麼讓Wi-Fi HaLow成為物聯網的理想協定？

Wi-Fi就像是在互聯世界的氧氣，為當今最普遍的無線網路通訊協定，承載了超過一半的網際網路流量。「Wi-Fi」是一個通用術語，指的是經過二十多年發展而成的802.11協定家族。Wi-Fi聯盟是推動Wi-Fi應用和發展的組織，該組織用數位命名法，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。您正在家中或工作場所使用的，很有可能就是這些類型的Wi-Fi。

儘管Wi-Fi 4/5/6無處不在，但物聯網（IoT）的快速發展迫使人們重新思考傳統的Wi-Fi協定，並揭示了技術上的差異，以及重新定義802.11協定於當今無線連接世界的超低功耗物聯網設備上應扮演的角色。由於物聯網和機器對機器（Machine-to-Machine, M2M）的應用對遠端連接和低功耗性能的要求更高，更需要另一種最佳化的Wi-Fi技術來滿足物聯網的需求。

Wi-Fi HaLow協定經由提供超低功耗無線解決方案來滿足這些需求。相較於傳統Wi-Fi，此一解決方案能在更遠距離以更低功率來連接大量的物聯網設備。該協定於2016年獲得IEEE 802.11ah專業工作組的批准，並由Wi-Fi聯盟冠名為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow協定標準具有出色的能源效率、遠端連接、低延遲、高清視訊品質的資料速率、安全功能和支援本地IP的獨特組合，使其成為無線連接、電池供電物聯網設備的理想選擇。本文將詳細分析Wi-Fi HaLow和傳統Wi-Fi的主要區別，以及為何802.11ah協定非常適合且能滿足物聯網應用的連接要求。

適用於電池供電的協定

Wi-Fi HaLow為功率敏感的物聯網設備提供卓越的能源效率。IEEE 802.11ah規範各種複雜的睡眠模式，使HaLow設備能夠長時間保持在非常低的功耗狀態，?節省電池能量：

目標喚醒時間（Target Wake Time；TWT）：允許站點（STA）和存取點（access point；AP）預先安排時間喚醒睡眠中的STA，以接聽信標。

限制存取視窗（Restricted Access Window；RAW）：AP可以授予一部分STA傳輸資料的權限，而其他則被迫休眠、緩衝非緊急資料，或兩者都受限制。

延長最大基本服務集（basic service set；BSS）的閒置期：允許STA閒置期延長至五年。

分層的流量指示圖（Traffic Indication Mapping；TIM）：群組對TIM進行更有效的編碼，可以節省信標的傳播時間。

媒體存取控制（Medium Access Control；MAC）標頭較短：可以減少標頭消耗、傳播時間和功耗，並釋出頻譜。

無資料物理層（PHY）協定資料單元（Null data PHY protocol data；NPD）：將類似MAC的ACK/NAK嵌入到PHY層以減少時間和功率。

短信標：完整信標發送頻率較低時，短（有限制性）信標可頻繁發送以同步STA。

BSS著色：當STA可忽略其他顏色時，顏色配置會指定BSS群組給特定的AP。

雙向TXOP（BDT）（昔稱為速度幀）：當STA醒來，發現要傳輸的上行鏈路和下行鏈路幀存在時，可減少媒體存取的次數。BDT利用物理層協定資料單元 （physical-layer protocol data unit；PPDU） 訊號（SIG）欄位中的回應指示，增加TXOP保護期間，免於受協力廠商STA傳輸的干擾。

該協定的高效睡眠和電源管理模式，可支援物聯網設備以電池供電多年，並具有廣泛且靈活的電源和電池尺寸選項，應用可從鈕扣電池上運行的短距離物聯網設備到更高功率、更大電池、超過1公里以上的範圍。與2.4和5 GHz頻段的Wi-Fi協定相比，該協定的1GHz以下窄頻訊號可傳送得更遠且能耗更低，每單位能量可傳輸更多位元數。

低能耗

Wi-Fi HaLow晶片所需功率遠遠低於傳統Wi-Fi晶片。雖然傳統Wi-Fi高資料速率能夠使用2.4 GHz、5 GHz和6 GHz 頻段的寬頻，快速傳輸高清視訊內容並大量下載檔，但這些Wi-Fi連接的有效距離很短，並且會很快耗盡電池，需要經常充電、更換電池或要求理想的主電源連接。有鑑於此，由於這些設備需要到達更遠的距離並仰賴電池供電運行多年，同時仍須提供每秒數百萬位元的資料傳輸量，對受制於電能的物聯網設備而言，Wi-Fi HaLow是更好的選擇。

更長覆蓋範圍

與傳統Wi-Fi最窄的20 MHz頻道相比，Wi-Fi HaLow的1GHz以下訊號使用1 MHz（含）以上更窄的頻道。由於頻道中的熱噪聲較低，這相差20倍的頻寬因數可轉化為13dB鏈路預算的改善。與傳統的2.4 GHz Wi-Fi相比，頻率在750 MHz–950 MHz之間的射頻僅額外增加8-9 dB的鏈路預算，節省自由空間的傳播損耗。此外，Wi-Fi HaLow協定添加了範圍最佳化的調製和編碼設計（MCS10），可額外提供3dB鏈路預算的改善。

圖一 : 傳統的Wi-Fi 4/5/6協定使用更高的頻率和更寬的頻寬來達到最大輸送量。Wi-Fi HaLow的1 GHz以下協定最佳化了穿透率、覆蓋範圍、功率和容量。

能為終端使用者提供覆蓋數百米的無線物聯網解決方案?，且?無需額外的中繼設備或昂貴的蜂巢電訊資料規劃?，此為802.11ah協定的關鍵競爭優勢。憑藉其遠端覆蓋能力，Wi-Fi HaLow的優勢擴展了智慧家庭和智慧城市網路的範圍，讓使用者能夠控制1公里以外的物聯網設備，遠遠超出傳統Wi-Fi協定的覆蓋範圍。

圖二 : 802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的輸送量與範圍。

更好的訊號穿透力

與傳統Wi-Fi相比，1GHz以下Wi-Fi HaLow訊號可以更輕鬆穿過牆壁和其他障礙物。與2.4GHz和5GHz頻段中的Wi-Fi協定相比，住宅和商業大樓的建築材料和平面佈局的差異對1GHz以下HaLow訊號的影響較小。傳統Wi-Fi產品有時會出現使用者遇到問題而致電客服求助，甚至要求退貨的困擾，而Wi-Fi HaLow能穿透牆壁和建築物的卓越覆蓋範圍，有助於減少此類問題。

無論產品使用時位於室內還是室外，或者位於家中的地下室還是閣樓，設備製造商都可以確保與存取點（AP）建立可靠的HaLow連接。

可大幅擴展的解決方案

一個Wi-Fi HaLow AP的設備尋址能力最多可達到8,191台，是傳統Wi-Fi AP設備數量的4倍之多。在可預見的未來，這足以連接每個LED燈泡、電燈開關、智慧門鎖、電動窗簾、恆溫器、煙霧探測器、太陽能電池板、安保攝影機或任何可想像的智慧家庭設備。典型的家用Wi-Fi路由器一般可支援數十台設備。

當寬頻服務廠商在家中部署一組Wi-Fi HaLow AP時，即可成為一個可擴展的平臺，額外提供安全裝置及管理水電設備和服務。

具備抗噪能力的免許可頻譜

與2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統Wi-Fi一樣，Wi-Fi HaLow 終端使用者能夠擁有自己的設備並使用從750MHz到950MHz的免許可1GHz以下無線電頻譜。

在ISM頻段內運行的Wi-Fi HaLow可以使用多種頻寬的通道：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。頻寬越窄，訊號可以傳播的越遠。資料以資料包形式使用OFDM傳輸跨越多個亞通道時，可在深具挑戰性的RF環境中提高性能，尤其是受到其他無線電設備的強烈干擾時。前向糾錯（Forward error correction；FEC）編碼還為資料包的復原提供額外的保護，確保連接的穩健性。

安全且具備互通性

Wi-Fi HaLow與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣，是一種原生的無線安全協定，支援最新的Wi-Fi身份驗證要求（WPA3）和空中無線（over-the-air；OTA）傳輸的AES加密，其資料速率可實現安全的OTA韌體升級。

與其他類型的Wi-Fi一樣，HaLow是全球公認的標準（IEEE 802.11ah），定義連接設備如何執行身份驗證和通訊安全。使用Wi-Fi HaLow的設備廠商可以確保他們的產品和網路能夠遵照Wi-Fi聯盟的發展指南進行交互操作。由於它是 IEEE 802.11標準的一部分，Wi-Fi HaLow網路還可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網路共存，不會影響他們的射頻性能。

利用IP實現當地語系化

所有物聯網網路都需要網際網路協定（Internet protocol；IP）支援來執行雲端連接。 因為Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標準，所以可提供本地TCP/IP支援。這種內置的IP功能意味著物聯網連接不再需要專有網關或網橋。所有連接支援Wi-Fi HaLow路由器的客戶端設備，都可以使用IPv4/IPv6傳輸協定直接存取網際網路，以實現基於雲端的物聯網資料服務和管理。

延伸覆蓋範圍，擴大物聯網的可能性

傳統Wi-Fi的網路擁堵、範圍限制和較高的功耗，以及可連接到單個AP的設備數量有限，在當今物聯網設備的世界中已不再可行。這些限制阻礙了各行業內以物聯網為中心的新商業模式，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。

作為一種遠端協定，Wi-Fi HaLow支援那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達到的室內外物聯網應用，例如遠端安保攝影機、門禁網路甚至無人機。其他潛在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存取點可以替代大量的存取點，無需複雜的網狀網路，簡化了安裝，降低了總體擁有成本。

工業物聯網、程序控制感測器、樓宇自動化、倉庫和零售店等眾多應用，也將受益於這種遠端、低功耗協定，讓無數設備能夠在日益自動化的世界中保持連接。事實上，Wi-Fi-HaLow在傳統的802.11協定中因其覆蓋範圍、能效、容量和多功能性而勝出。