Wi-Fi HaLow——與眾不同的Wi-Fi體驗

Wi-Fi HaLow很快就會(huì )出現在我們日常生活中的智慧門(mén)鎖、安保攝影機、可穿戴設備和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )上。什么是Wi-Fi HaLow？與傳統的Wi-Fi（4/5/6）有何不同？究竟是什么讓Wi-Fi HaLow成為物聯(lián)網(wǎng)的理想協(xié)議？

Wi-Fi就像是在互聯(lián)世界的氧氣，為當今最普遍的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，承載了超過(guò)一半的因特網(wǎng)流量?！竁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。您正在家中或工作場(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的Wi-Fi協(xié)議，并揭示了技術(shù)上的差異，以及重新定義802.11協(xié)議于當今無(wú)線(xiàn)連接世界的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備上應扮演的角色。由于物聯(lián)網(wǎng)和機器對機器（Machine-to-Machine, M2M）的應用對遠程連接和低功耗性能的要求更高，更需要另一種優(yōu)化的Wi-Fi技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的需求。

Wi-Fi HaLow協(xié)議經(jīng)由提供超低功耗無(wú)線(xiàn)解決方案來(lái)滿(mǎn)足這些需求。相較于傳統Wi-Fi，此一解決方案能在更遠距離以更低功率來(lái)連接大量的物聯(lián)網(wǎng)設備。該協(xié)議于2016年獲得IEEE 802.11ah專(zhuān)業(yè)工作組的批準，并由Wi-Fi聯(lián)盟冠名為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow協(xié)議標準具有出色的能源效率、遠程連接、低延遲、高清視訊質(zhì)量的數據速率、安全功能和支持本地IP的獨特組合，使其成為無(wú)線(xiàn)連接、電池供電物聯(lián)網(wǎng)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(xié)議非常適合且能滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應用的連接要求。

表一 Wi-Fi和Wi-Fi HaLow的差異

適用于電池供電的協(xié)議
Wi-Fi HaLow為功率敏感的物聯(lián)網(wǎng)設備提供卓越的能源效率。IEEE 802.11ah規范各種復雜的睡眠模式，使HaLow設備能夠長(cháng)時(shí)間保持在非常低的功耗狀態(tài)，?節省電池能量：

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

限制存取窗口（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、緩沖非緊急數據，或兩者都受限制。

延長(cháng)最大基本服務(wù)集（basic service set；BSS）的閑置期：允許STA閑置期延長(cháng)至五年。

分層的流量指示圖（Traffic Indication Mapping；TIM）：群組對TIM進(jìn)行更有效的編碼，可以節省信目標傳播時(shí)間。

媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（Medium Access Control；MAC）標頭較短：可以減少標頭消耗、傳播時(shí)間和功耗，并釋出頻譜。

無(wú)數據物理層（PHY）協(xié)議數據單元（Null data PHY protocol data；NPD）：將類(lèi)似MAC的ACK/NAK嵌入到PHY層以減少時(shí)間和功率。

短信標：完整信標發(fā)送頻率較低時(shí)，短（有限制性）信標可頻繁發(fā)送以同步STA。

BSS著(zhù)色：當STA可忽略其他顏色時(shí)，顏色配置會(huì )指定BSS群組給特定的AP。

雙向TXOP（BDT）（昔稱(chēng)為速度幀）：當STA醒來(lái)，發(fā)現要傳輸的上行鏈路和下行鏈路幀存在時(shí)，可減少媒體存取的次數。BDT利用物理層協(xié)議數據單元 （physical-layer protocol data unit；PPDU） 訊號（SIG）字段中的響應指示，增加TXOP保護期間，免于受第三方STA傳輸的干擾。

該協(xié)議的高效睡眠和電源管理模式，可支持物聯(lián)網(wǎng)設備以電池供電多年，并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(lián)網(wǎng)設備到更高功率、更大電池、超過(guò)1公里以上的范圍。與2.4和5 GHz頻段的Wi-Fi協(xié)議相比，該協(xié)議的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數。

低能耗
Wi-Fi HaLow芯片所需功率遠遠低于傳統Wi-Fi芯片。雖然傳統Wi-Fi高數據速率能夠使用2.4 GHz、5 GHz和6 GHz 頻段的寬帶，快速傳輸高清視訊內容并大量下載檔，但這些Wi-Fi連接的有效距離很短，并且會(huì )很快耗盡電池，需要經(jīng)常充電、更換電池或要求理想的主電源連接。有鑒于此，由于這些設備需要到達更遠的距離并仰賴(lài)電池供電運行多年，同時(shí)仍須提供每秒數兆位的數據傳輸量，對受制于電能的物聯(lián)網(wǎng)設備而言，Wi-Fi HaLow是更好的選擇。

更長(cháng)覆蓋范圍
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。由于頻道中的熱噪聲較低，這相差20倍的帶寬因子可轉化為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(xié)定添加了范圍優(yōu)化的調制和編碼設計（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(xié)議使用更高的頻率和更寬的帶寬來(lái)達到最大吞吐量。Wi-Fi HaLow的1 GHz以下協(xié)議優(yōu)化了穿透率、覆蓋范圍、功率和容量。

能為終端使用者提供覆蓋數百米的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)解決方案?，且?無(wú)需額外的中繼設備或昂貴的蜂巢電訊數據規劃?，此為802.11ah協(xié)議的關(guān)鍵競爭優(yōu)勢。憑借其遠程覆蓋能力，Wi-Fi HaLow的優(yōu)勢擴展了智能家庭和智能城市網(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，遠遠超出傳統Wi-Fi協(xié)議的覆蓋范圍。

 
圖二 : 802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的吞吐量與范圍。

更好的訊號穿透力
與傳統Wi-Fi相比，1GHz以下Wi-Fi HaLow訊號可以更輕松穿過(guò)墻壁和其他障礙物。與2.4GHz和5GHz頻段中的Wi-Fi協(xié)議相比，住宅和商業(yè)大樓的建筑材料和平面布局的差異對1GHz以下HaLow訊號的影響較小。傳統Wi-Fi產(chǎn)品有時(shí)會(huì )出現用戶(hù)遇到問(wèn)題而致電客服求助，甚至要求退貨的困擾，而Wi-Fi HaLow能穿透墻壁和建筑物的卓越覆蓋范圍，有助于減少此類(lèi)問(wèn)題。

無(wú)論產(chǎn)品使用時(shí)位于室內還是室外，或者位于家中的地下室還是閣樓，設備制造商都可以確保與存取點(diǎn)（AP）建立可靠的HaLow連接。

可大幅擴展的解決方案
一個(gè)Wi-Fi HaLow AP的設備尋址能力最多可達到8,191臺，是傳統Wi-Fi AP設備數量的4倍之多。在可預見(jiàn)的未來(lái)，這足以連接每個(gè)LED燈泡、電燈開(kāi)關(guān)、智慧門(mén)鎖、電動(dòng)窗簾、恒溫器、煙霧探測器、太陽(yáng)能電池板、安保攝影機或任何可想象的智慧家庭設備。典型的家用Wi-Fi路由器一般可支持數十臺設備。

當寬帶服務(wù)廠(chǎng)商在家中部署一組Wi-Fi HaLow AP時(shí)，即可成為一個(gè)可擴展的平臺，額外提供安全裝置及管理水電設備和服務(wù)。

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并使用從750MHz到950MHz的免許可1GHz以下無(wú)線(xiàn)電頻譜。

在ISM頻段內運行的Wi-Fi HaLow可以使用多種帶寬的通道：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。帶寬越窄，訊號可以傳播的越遠。數據以數據報形式使用OFDM傳輸跨越多個(gè)亞通道時(shí)，可在深具挑戰性的RF環(huán)境中提高性能，尤其是受到其他無(wú)線(xiàn)電設備的強烈干擾時(shí)。前向糾錯（Forward error correction；FEC）編碼還為數據報的復原提供額外的保護，確保連接的穩健性。

安全且具備互操作性
Wi-Fi HaLow與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣，是一種原生的無(wú)線(xiàn)安全協(xié)議，支持最新的Wi-Fi身份驗證要求（WPA3）和空中無(wú)線(xiàn)（over-the-air；OTA）傳輸的AES加密，其數據速率可實(shí)現安全的OTA韌體升級。

與其他類(lèi)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(chǎng)商可以確保他們的產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò )能夠遵照Wi-Fi聯(lián)盟的發(fā)展指南進(jìn)行互操作。由于它是 IEEE 802.11標準的一部分，Wi-Fi HaLow網(wǎng)絡(luò )還可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò )共存，不會(huì )影響他們的射頻性能。

利用IP實(shí)現本地化
所有物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )都需要因特網(wǎng)協(xié)議（Internet protocol；IP）支持來(lái)執行云端連接。 因為Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標準，所以可提供本地TCP/IP支持。這種內置的IP功能意味著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)連接不再需要專(zhuān)有網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋。所有連接支持Wi-Fi HaLow路由器的客戶(hù)端設備，都可以使用IPv4/IPv6傳輸協(xié)議直接存取因特網(wǎng)，以實(shí)現基于云端的物聯(lián)網(wǎng)數據服務(wù)和管理。

延伸覆蓋范圍，擴大物聯(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)內以物聯(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，例如遠程安保攝影機、門(mén)禁網(wǎng)絡(luò )甚至無(wú)人機。其他潛在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存取點(diǎn)可以替代大量的存取點(diǎn)，無(wú)需復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，簡(jiǎn)化了安裝，降低了總體擁有成本。

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、容量和多功能性而勝出。