Wi-Fi HaLow與傳統Wi-Fi有何不同？

作者：Shahar Feldman，Morse Micro營銷副總裁

Wi-Fi HaLow很快就會出現在人們日常生活的智能門鎖、安保攝像頭、可穿戴設備和無線傳感器網絡上。什么是Wi-Fi HaLow，與傳統的Wi-Fi（4/5/6）有何不同，是什么讓Wi-Fi HaLow成為物聯網的理想協議？

Wi-Fi就像是我們互聯世界的氧氣，是當今最普遍的無線網絡協議，承載了超過一半的互聯網流量?！癢i-Fi ”是一個通用術語，指的是經過二十多年發展而成的802.11協議家族。Wi-Fi聯盟是推動Wi-Fi應用和發展的組織，該組織用數字命名法，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，但物聯網（IoT）的快速發展，迫使人們重新思考傳統Wi-Fi，揭示技術差距，重新定義802.11協議在當今超低功耗物聯網設備的無線連接世界中，應該發揮的作用。物聯網和機器對機器（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網而優化的Wi-Fi。

Wi-Fi HaLow（發音為HEY-low）協議，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，連接更多的物聯網設備。該協議于2016年得到了IEEE 802.11ah任務組的批準，被Wi-Fi聯盟稱為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、高清視頻質量數據速率、安全功能和本地IP支持，是無線連接、電池供電的物聯網設備的理想協議選擇。讓我們仔細看看Wi-Fi HaLow和傳統Wi-Fi之間的一些主要區別，以及為什么802.11ah協議非常適合物聯網應用的連接要求。

表1：Wi-Fi 4/5/6與Wi-Fi HaLow的比較

一種省電的協議

Wi-Fi HaLow為耗電的物聯網設備，提供了卓越的能效。IEEE 802.11ah規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，?節省電池能量：

·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據的權限，而其他站點則被迫休眠、緩沖非緊急數據或兩者兼而有之。

·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。

·空數據PHY協議數據單元（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）信標頻繁發送以同步站點，而完整信標的發送頻率較低。

·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，發現存在用于傳輸的上行鏈路和下行鏈路幀時，這會減少介質訪問的次數。BDT使用物理層協議數據單元（PPDU）的信號（SIG）字段中的響應指示，以增加對第三方站點傳輸的 TXOP 持續時間保護。

該協議的高效睡眠和電源管理模式，支持物聯網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網設備，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協議相比，該協議采用的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據。

因此，Wi-Fi HaLow芯片所需的功率僅為傳統Wi-Fi芯片的一小部分。雖然傳統Wi-Fi的數據速率較高，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?；谶@些原因，Wi-Fi HaLow是電源受限的物聯網設備的更好選擇，這些設備需要達到更遠的距離，并能用電池運行數年，同時仍然提供較高的數據吞吐量。

圖1：傳統的Wi-Fi 4/5/6協議，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協議優化了滲透率、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提供的數據速率，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倍的帶寬系數轉化為13 dB的鏈路預算改進。與傳統的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，從而節省自由空間傳輸損耗。此外，Wi-Fi HaLow協議增加了一個范圍優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）協議相比，Wi-Fi HaLow鏈路預算優勢進一步增強，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Wi-Fi的十倍，而不需要網絡擴展器。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。照明系統可以從單個AP控制，而不管燈具是在室內還是室外的花園里。

為終端用戶提供無線物聯網解決方案，覆蓋數百米的距離，而無需額外的擴展器或昂貴的蜂窩數據套餐，是802.11ah協議的一個關鍵競爭優勢。Wi-Fi-HaLow的遠程覆蓋優勢，擴展了智能家居和智能城市網絡的范圍，讓用戶能夠控制1公里以外的物聯網設備，遠遠超出了傳統Wi-Fi協議的覆蓋范圍。

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：一種應對物聯網挑戰的技術，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協議相比，住宅和商業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品退貨，這些問題有時會困擾使用傳統Wi-Fi的產品。

Wi-Fi HaLow使用正交頻分復用（OFDM）調制，來校正反射和多徑環境。無論設備制造商的產品是在室內還是室外，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）速率傳輸更多數據。與傳統Wi-Fi一樣，HaLow可以根據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。

Wi-Fi HaLow的星形網絡拓撲結構、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狀網絡中解放出來，簡化了網絡安裝，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、科學和醫療（ISM）頻段內運行，可以使用多種信道帶寬：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。帶寬越窄，信號傳輸的距離就越遠。使用OFDM，以跨多個子信道的數據包形式傳輸數據，這可以提高在具有挑戰性的RF環境中的性能，特別是當有來自其他無線電設備的強干擾時。前向糾錯（FEC）編碼也為恢復數據包提供了額外的保護，確保穩健的連接。

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議，支持最新的Wi-Fi認證要求（WPA3）和空中傳輸（OTA）AES加密，其數據速率可以實現安全的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，可以保證其產品和網絡，將按照Wi-Fi聯盟的開發指導來實現互通性。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標準的一部分，Wi-Fi HaLow網絡也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網絡共存，而不影響其RF性能。

實現本地IP支持

所有物聯網網絡都需要互聯網協議（IP）支持，以實現云連接。由于Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標準，因此它提供本地TCP/IP支持。這種內置的IP功能，意味著物聯網連接不需要專有網關或網橋。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傳輸協議，直接訪問互聯網，以獲得基于云的服務和物聯網數據的管理。

HaLow效應：延伸范圍，拓展物聯網的可能性

傳統Wi-Fi的網絡擁堵、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出現的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。

作為一種遠程協議，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達到的室內外物聯網應用，例如遠程安保攝像頭、門禁網絡甚至無人機。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，無需復雜的網狀網絡，簡化了安裝，降低了總持有成本。

工業物聯網、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、低功耗協議，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協議中因其覆蓋范圍、能效、容量和多功能性而脫穎而出。