Wi-Fi HaLow與傳統Wi-Fi有何不同？

Wi-Fi就像是我們互聯(lián)世界的氧氣，是當今最普遍的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，承載了超過(guò)一半的互聯(lián)網(wǎng)流量?！癢i-Fi ”是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，指的是經(jīng)過(guò)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(dòng)Wi-Fi應用和發(fā)展的組織，該組織用數字命名法，簡(jiǎn)化了常用的幾代Wi-Fi名稱(chēng)，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(chǎng)所使用的，很有可能就是這些類(lèi)型的Wi-Fi。

盡管Wi-Fi 4/5/6無(wú)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Wi-Fi，揭示技術(shù)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(wú)線(xiàn)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(guò)提供超低功耗的無(wú)線(xiàn)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(lián)網(wǎng)設備。該協(xié)議于2016年得到了IEEE 802.11ah任務(wù)組的批準，被Wi-Fi聯(lián)盟稱(chēng)為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow本質(zhì)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(zhì)量數據速率、安全功能和本地IP支持，是無(wú)線(xiàn)連接、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設備的理想協(xié)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(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規定的各種復雜的睡眠模式，使HaLow設備能夠長(cháng)時(shí)間處于極低功率狀態(tài)，?節省電池能量：

●   目標喚醒時(shí)間：這允許站點(diǎn)（STA）和接入點(diǎn)（AP）預先安排一個(gè)時(shí)間，讓沉睡的站點(diǎn)醒來(lái)并監聽(tīng)信標。

●   受限訪(fǎng)問(wèn)窗口：接入點(diǎn)可以授予站點(diǎn)子集傳輸其數據的權限，而其他站點(diǎn)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(wù)集空閑期：這將站點(diǎn)的“允許空閑期”延長(cháng)至五年。

●   分層的流量指示映射： 更有效地分組編碼TIM，節省信標的傳輸時(shí)間。

●   短MAC報頭：這減少了報頭的開(kāi)銷(xiāo)、傳輸時(shí)間和功耗，并釋放了頻譜。

●   空數據PHY協(xié)議數據單元（NPD）：這將類(lèi)似MAC的ACKs/NACKs嵌入PHY層，以減少時(shí)間和功耗。

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

●   BSS著(zhù)色機制：顏色分配表示特定接入點(diǎn)的BSS組，而站點(diǎn)可以忽略其他顏色。

●   雙向TXOP（以前稱(chēng)為速度幀）：當喚醒站點(diǎn)，發(fā)現存在用于傳輸的上行鏈路和下行鏈路幀時(shí)，這會(huì )減少介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)的次數。BDT使用物理層協(xié)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(diǎn)傳輸的 TXOP 持續時(shí)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(guò)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(hù)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(gè)主電源連接?；谶@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，并能用電池運行數年，同時(shí)仍然提供較高的數據吞吐量。

圖1 傳統的Wi-Fi 4/5/6協(xié)議，使用更高的頻率和更寬的帶寬來(lái)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(gè)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(jìn)。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(xié)議增加了一個(gè)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(jìn)。

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(jìn)。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(jìn)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(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(chē)庫外墻更方便的地方。照明系統可以從單個(gè)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(hù)提供無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，覆蓋數百米的距離，而無(wú)需額外的擴展器或昂貴的蜂窩數據套餐，是802.11ah協(xié)議的一個(gè)關(guān)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(luò )的范圍，讓用戶(hù)能夠控制1公里以外的物聯(lián)網(wǎng)設備，遠遠超出了傳統Wi-Fi協(xié)議的覆蓋范圍。

圖2 比較802.11n/ac（上）和802.11ah（下）的吞吐量與范圍

資料來(lái)源：Sensors期刊（Basel）。2016年11月，IEEE 802.11ah：一種應對物聯(lián)網(wǎng)挑戰的技術(shù)，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(lái)說(shuō)：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(guò)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(hù)投訴和產(chǎn)品退貨，這些問(wèn)題有時(shí)會(huì )困擾使用傳統Wi-Fi的產(chǎn)品。

Wi-Fi HaLow使用正交頻分復用（OFDM）調制，來(lái)校正反射和多徑環(huán)境。無(wú)論設備制造商的產(chǎn)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(diǎn)之間有穩健的連接。這種靈活性消除了提供專(zhuān)有集線(xiàn)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(gè)Wi-Fi HaLow接入點(diǎn)可以處理多達8191個(gè)設備，是傳統Wi-Fi接入點(diǎn)的4倍多。在可預見(jiàn)的未來(lái)，這足夠連接每個(gè)LED燈泡、電燈開(kāi)關(guān)、智能門(mén)鎖、電動(dòng)窗簾、恒溫器、煙霧探測器、太陽(yáng)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(wù)提供商在家居中進(jìn)行部署時(shí)，單個(gè)Wi-Fi HaLow接入點(diǎn)可以成為一個(gè)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(wù)。

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(kāi)銷(xiāo)。這樣可以最大限度地減少信號沖突，并為有源設備釋放無(wú)線(xiàn)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(diǎn)的距離，自動(dòng)調整帶寬。預定義的MCS級別支持單流、單天線(xiàn)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(guò)使用可選的16 MHz寬信道來(lái)實(shí)現。

Wi-Fi HaLow的星形網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)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(lái)，簡(jiǎn)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Wi-Fi一樣，Wi-Fi HaLow使終端用戶(hù)能夠擁有自己的設備并使用免許可的sub-GHz無(wú)線(xiàn)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(gè)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(huán)境中的性能，特別是當有來(lái)自其他無(wú)線(xiàn)電設備的強干擾時(shí)。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(wú)線(xiàn)協(xié)議，支持最新的Wi-Fi認證要求（WPA3）和空中傳輸（OTA）AES加密，其數據速率可以實(shí)現安全的OTA固件升級。

就像其他類(lèi)型的Wi-Fi一樣，HaLow是一個(gè)全球公認的標準（IEEE 802.11ah），定義了連接設備如何進(jìn)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(luò )，將按照Wi-Fi聯(lián)盟的開(kāi)發(fā)指導來(lái)實(shí)現互通性。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標準的一部分，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(shí)現本地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(shí)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(zhù)物聯(lián)網(wǎng)連接不需要專(zhuān)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(hù)端設備，可以使用IPv4/IPv6傳輸協(xié)議，直接訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，以獲得基于云的服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)數據的管理。

HaLow效應：延伸范圍，拓展物聯(lián)網(wǎng)的可能性

傳統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(gè)AP的設備數量有限，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(shí)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(wú)法達到的室內外物聯(lián)網(wǎng)應用，例如遠程安保攝像頭、門(mén)禁網(wǎng)絡(luò )甚至無(wú)人機。其他潛在的使用案例包括大型公共場(chǎng)所，如體育場(chǎng)館、購物中心和會(huì )議中心，在這些場(chǎng)所，單個(gè)Wi-Fi HaLow接入點(diǎn)可以替代大量的接入點(diǎn)，無(wú)需復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，簡(jiǎn)化了安裝，降低了總持有成本。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、過(guò)程控制傳感器、樓宇自動(dòng)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(wú)數設備能夠在日益自動(dòng)化的世界中保持連接。事實(shí)上，Wi-Fi-HaLow在傳統的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。