【無(wú)線(xiàn)射頻通信】-Wi-Fi HaLow與傳統(tǒng)Wi-Fi有何不同

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----Wi-FiHaLow與傳統(tǒng)Wi-Fi有何不同？：ShaharFeldman，MorseMicro營(yíng)銷(xiāo)副總裁

Wi-FiHaLow很快就會(huì)消失在人們?nèi)粘Ｉ畹闹悄荛T(mén)鎖、安保攝像頭、可穿戴設(shè)備和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)上。什么是Wi-FiHaLow，與傳統(tǒng)的Wi-Fi（4/5/6）有何不同，是什么讓W(xué)i-FiHaLow成為物聯(lián)網(wǎng)的抱負(fù)協(xié)議？

Wi-Fi就像是我們互聯(lián)世界的氧氣，是當(dāng)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。"Wi-Fi'是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，指的是經(jīng)過(guò)二十多年進(jìn)展而成的802.11協(xié)議家族。Wi-Fi聯(lián)盟是推動(dòng)Wi-Fi應(yīng)用和進(jìn)展的組織，該組織用數(shù)字命名法，簡(jiǎn)化了常用的幾代Wi-Fi名稱(chēng)，例如，Wi-Fi4=802.11n、Wi-Fi5=802.11ac、Wi-Fi6=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-Fi4/5/6無(wú)處不在，但物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速進(jìn)展，迫使人們重新思索傳統(tǒng)Wi-Fi，揭示技術(shù)差距，重新定義802.11協(xié)議在當(dāng)今超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)連接世界中，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮的作用。物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）應(yīng)用，對(duì)遠(yuǎn)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-FiHaLow（發(fā)音為HEY-low）協(xié)議，通過(guò)供應(yīng)超低功耗的無(wú)線(xiàn)解決方案，填補(bǔ)了這一空白，與傳統(tǒng)Wi-Fi相比，該方案可以在更遠(yuǎn)的距離和更低的功耗下，連接更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。該協(xié)議于2023年得到了IEEE802.11ah任務(wù)組的批準(zhǔn)，被Wi-Fi聯(lián)盟稱(chēng)為Wi-FiHaLow。

Wi-FiHaLow本質(zhì)上是一款低功耗、遠(yuǎn)距離、多用途的Wi-Fi版本，在免許可的1千兆赫頻譜下運(yùn)行。Wi-FiHaLow標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了能效、遠(yuǎn)程連接、低延遲、高清視頻質(zhì)量數(shù)據(jù)速率、平安功能和本地IP支持，是無(wú)線(xiàn)連接、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的抱負(fù)協(xié)議選擇。讓我們認(rèn)真看看Wi-FiHaLow和傳統(tǒng)Wi-Fi之間的一些主要區(qū)分，以及為什么802.11ah協(xié)議特別適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的連接要求。

表1：Wi-Fi4/5/6與Wi-FiHaLow的比較

功能Wi-Fi4/5/6

(IEEE802.11n/ac/ax)Wi-FiHaLow

(IEEE802.11ah)運(yùn)行頻段2.4GHz,5GHz,6GHzSub-1GHz

（為902928MHz）信道寬度選擇20,40,80,160MHz1,2,4,8,(16可選)MHz每個(gè)接入點(diǎn)的最大可尋址站點(diǎn)數(shù)20238191單流MCS數(shù)據(jù)速率范圍6.5Mbps-150Mbps

(.11n,Wi-Fi4)150Kbps86.7Mbps通常范圍約100米1公里以上

10倍遠(yuǎn)的范圍

100倍廣的面積

1000倍大的容量

（與802.11n20MHz相比）鏈路預(yù)算改進(jìn)（1MHz信道）-15-24dBm一種省電的協(xié)議

Wi-FiHaLow為耗電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，供應(yīng)了卓越的能效。IEEE802.11ah規(guī)定的各種簡(jiǎn)單的睡眠模式，使HaLow設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間處于極低功率狀態(tài)，?節(jié)約電池能量：

目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT：Targetwaketime）：這允許站點(diǎn)（STA）和接入點(diǎn)（AP）預(yù)先支配一個(gè)時(shí)間，讓沉睡的站點(diǎn)醒來(lái)并監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)。

受限訪(fǎng)問(wèn)窗口（RAW：Restrictedaccesswindow）：接入點(diǎn)可以授予站點(diǎn)子集傳輸其數(shù)據(jù)的權(quán)限，而其他站點(diǎn)則被迫休眠、緩沖非緊急數(shù)據(jù)或兩者兼而有之。

擴(kuò)展的最大基本服務(wù)集（BSS：BasicServiceSet）空閑期：這將站點(diǎn)的"允許空閑期'延長(zhǎng)至五年。

分層的流量指示映射（TIM：TrafficIndicationMapping）：更有效地分組編碼TIM，節(jié)約信標(biāo)的傳輸時(shí)間。

短MAC報(bào)頭：這削減了報(bào)頭的開(kāi)銷(xiāo)、傳輸時(shí)間和功耗，并釋放了頻譜。

空數(shù)據(jù)PHY協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPD）：這將類(lèi)似MAC的ACKs/NACKs嵌入PHY層，以削減時(shí)間和功耗。

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

BSS著色機(jī)制：顏色安排表示特定接入點(diǎn)的BSS組，而站點(diǎn)可以忽視其他顏色。

雙向TXOP（BDT：Bi-directionalTXOP）（以前稱(chēng)為速度幀）：當(dāng)喚醒站點(diǎn)，發(fā)覺(jué)存在用于傳輸?shù)纳闲墟溌泛拖滦墟溌穾瑫r(shí)，這會(huì)削減介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)的次數(shù)。BDT使用物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）的信號(hào)（SIG）字段中的響應(yīng)指示，以增加對(duì)第三方站點(diǎn)傳輸?shù)腡XOP持續(xù)時(shí)間愛(ài)護(hù)。

該協(xié)議的高效睡眠和電源管理模式，支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用電池運(yùn)行多年，以及多種敏捷的電源和電池大小選擇，從采納紐扣電池的短距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，到傳輸超過(guò)一公里的更高功率、采納更大電池的應(yīng)用。與2.4GHz和5GHz頻段的Wi-Fi協(xié)議相比，該協(xié)議采納的sub-GHz窄帶信號(hào)，傳輸距離更遠(yuǎn)，能耗更低，讓每單位能耗可傳輸更多數(shù)據(jù)。

因此，Wi-FiHaLow芯片所需的功率僅為傳統(tǒng)Wi-Fi芯片的一小部分。雖然傳統(tǒng)Wi-Fi的數(shù)據(jù)速率較高，讓用戶(hù)能夠在2.4GHz、5GHz和6GHz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@些緣由，Wi-FiHaLow是電源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的更好選擇，這些設(shè)備需要達(dá)到更遠(yuǎn)的距離，并能用電池運(yùn)行數(shù)年，同時(shí)仍舊供應(yīng)較高的數(shù)據(jù)吞吐量。

圖1：傳統(tǒng)的Wi-Fi4/5/6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-FiHaLow的sub-1GHz協(xié)議優(yōu)化了滲透率、掩蓋范圍、功率和容量。

掩蓋范圍更廣

802.11標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的頻率范圍特別廣泛，從sub-GHz到毫米波（mmWave）。Wi-FiHaLow是第一個(gè)在免許可的sub-GHz頻段運(yùn)行的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。Wi-FiHaLow供應(yīng)的數(shù)據(jù)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(tǒng)Wi-Fi使用的最窄的20MHz信道相比，Wi-FiHaLow的sub-1GHz信號(hào)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(shù)轉(zhuǎn)化為13dB的鏈路預(yù)算改進(jìn)。與傳統(tǒng)的2.4GHzWi-Fi相比，750MHz-950MHz之間的RF頻率，需要額外增加8dB-9dB的鏈接預(yù)算，從而節(jié)約自由空間傳輸損耗。此外，Wi-FiHaLow協(xié)議增加了一個(gè)范圍優(yōu)化的調(diào)制和編碼方案（MCS10），可供應(yīng)額外的3dB鏈路預(yù)算改進(jìn)。

總之，與傳統(tǒng)的2.4GHzIEEE802.11n（Wi-Fi4）相比，Wi-FiHaLow供應(yīng)了高達(dá)24dB的鏈路預(yù)算改進(jìn)。與頻率更高、帶寬更寬的802.11ac（Wi-Fi5）和802.11ax（Wi-Fi6/6E）協(xié)議相比，Wi-FiHaLow鏈路預(yù)算優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步增加，其使用帶寬更寬的5GHz和6GHz頻譜。這就解釋了為什么Wi-FiHaLow信號(hào)的傳輸距離，是傳統(tǒng)Wi-Fi的十倍，而不需要網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器。例如，電池供電的攝像頭可以放置在家里或車(chē)庫(kù)外墻更便利的地方。照明系統(tǒng)可以從單個(gè)AP掌握，而不管燈具是在室內(nèi)還是室外的花園里。

為終端用戶(hù)供應(yīng)無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，掩蓋數(shù)百米的距離，而無(wú)需額外的擴(kuò)展器或昂貴的蜂窩數(shù)據(jù)套餐，是802.11ah協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。Wi-Fi-HaLow的遠(yuǎn)程掩蓋優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)展了智能家居和智能城市網(wǎng)絡(luò)的范圍，讓用戶(hù)能夠掌握1公里以外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)Wi-Fi協(xié)議的掩蓋范圍。

圖2：比較802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的吞吐量與范圍。

資料來(lái)源：Sensors期刊（Basel）。2023年11月，IEEE802.11ah：一種應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)的技術(shù)，：VictorBaos-Gonzalez,M.ShahwaizAfaqui,ElenaLopez-Aguilera,andEduardGarcia-Villegas

信號(hào)穿透力更強(qiáng)

一般來(lái)說(shuō)：頻率越低，掩蓋范圍越遠(yuǎn)，穿透障礙物的力量越強(qiáng)。Sub-GHz的Wi-FiHaLow信號(hào)可以比傳統(tǒng)Wi-Fi更簡(jiǎn)單穿過(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(duì)sub-GHzHaLow信號(hào)的影響較小。Wi-FiHaLow可以穿透墻壁和建筑物，這有助于削減客戶(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(tǒng)Wi-Fi的產(chǎn)品。

Wi-FiHaLow使用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制，來(lái)校正反射和多徑環(huán)境。無(wú)論設(shè)備制造商的產(chǎn)品是在室內(nèi)還是室外，或者是在地下室還是閣樓，Wi-FiHaLow都可以確保設(shè)備與接入點(diǎn)之間有穩(wěn)健的連接。這種敏捷性消退了供應(yīng)專(zhuān)有集線(xiàn)器或橋接設(shè)備以補(bǔ)償不同家庭架構(gòu)的額外成本和簡(jiǎn)單性。

高度可擴(kuò)展的解決方案

單個(gè)Wi-FiHaLow接入點(diǎn)可以處理多達(dá)8191個(gè)設(shè)備，是傳統(tǒng)Wi-Fi接入點(diǎn)的4倍多。在可預(yù)見(jiàn)的將來(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(cè)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(shè)備。典型的家庭Wi-Fi路由器，通常支持幾十種設(shè)備。當(dāng)寬帶服務(wù)供應(yīng)商在家居中進(jìn)行部署時(shí)，單個(gè)Wi-FiHaLow接入點(diǎn)可以成為一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)，用于供應(yīng)額外的平安和公用事業(yè)管理設(shè)備和服務(wù)。

多種信號(hào)傳遞選項(xiàng)，削減了管理和掌握大量HaLow設(shè)備所需的開(kāi)銷(xiāo)。這樣可以最大限度地削減信號(hào)沖突，并為有源設(shè)備釋放無(wú)線(xiàn)電波，以便以最快的調(diào)制和編碼方案（MCS）速率傳輸更多數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)Wi-Fi一樣，HaLow可以依據(jù)信號(hào)完整性和與接入點(diǎn)的距離，自動(dòng)調(diào)整帶寬。預(yù)定義的MCS級(jí)別支持單流、單天線(xiàn)產(chǎn)品的帶寬從150Kbps到40Mbps，使用的信道寬度從1MHz到8MHz，80Mbps的力量也可通過(guò)使用可選的16MHz寬信道來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Wi-FiHaLow的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、卓越的穿透力、寬闊的掩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

與采納2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統(tǒng)Wi-Fi一樣，Wi-FiHaLow使終端用戶(hù)能夠擁有自己的設(shè)備并使用免許可的sub-GHz無(wú)線(xiàn)電頻譜，范圍從750MHz到950MHz。Wi-FiHaLow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902MHz至928MHz，而在歐洲是863MHz至868MHz）。

Wi-FiHaLow在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段內(nèi)運(yùn)行，可以使用多種信道帶寬：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。帶寬越窄，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)。使用OFDM，以跨多個(gè)子信道的數(shù)據(jù)包形式傳輸數(shù)據(jù)，這可以提高在具有挑戰(zhàn)性的RF環(huán)境中的性能，特殊是當(dāng)有來(lái)自其他無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的強(qiáng)干擾時(shí)。前向糾錯(cuò)（FEC）編碼也為恢復(fù)數(shù)據(jù)包供應(yīng)了額外的愛(ài)護(hù)，確保穩(wěn)健的連接。

平安性和互通性

與其他IEEE802.11Wi-Fi版本一樣，Wi-FiHaLow是一種固有的平安無(wú)線(xiàn)協(xié)議，支持最新的Wi-Fi認(rèn)證要求（WPA3）和空中傳輸（OTA）AES加密，其數(shù)據(jù)速率可以實(shí)現(xiàn)平安的OTA固件升級(jí)。

就像其他類(lèi)型的Wi-Fi一樣，HaLow是一個(gè)全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE802.11ah），定義了連接設(shè)備如何進(jìn)行平安認(rèn)證和通信。采納Wi-FiHaLow的設(shè)備供應(yīng)商，可以保證其產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)，將根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的開(kāi)發(fā)指導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)互通性。由于Wi-FiHaLow是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的一部分，Wi-FiHaLow網(wǎng)絡(luò)也可以與Wi-Fi4、Wi-Fi5和Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)共存，而不影響其RF性能。

實(shí)現(xiàn)本地IP支持

全部物聯(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(xiàn)云連接。由于Wi-FiHaLow是802.11Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，因此它供應(yīng)本地TCP/IP支持。這種內(nèi)置的IP功能，意味著物聯(lián)網(wǎng)連接不需要專(zhuān)有網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋。全部連接到具有Wi-FiHaLow功能的路由器的客戶(hù)端設(shè)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(shù)據(jù)的管理。

HaLow效應(yīng)：延長(zhǎng)范圍，拓展物聯(lián)網(wǎng)的可能性

傳統(tǒng)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(shè)備數(shù)量有限，在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的世界中已不再可行。這些限制阻礙了各行業(yè)消失的以物聯(lián)網(wǎng)為中心的新商業(yè)模式，這些模式需要更遠(yuǎn)的距離、更大的容量、更敏捷的電池和電源選項(xiàng)，同時(shí)最大限度地降低部署成本。

作為一種遠(yuǎn)程協(xié)議