Wi-Fi HaLow很快就会出现在人们日常生活的智能门锁、安保摄像头、可穿戴设备和无线传感器网络上。什么是Wi-Fi HaLow,与传统的Wi-Fi(4/5/6)有何不同,是什么让Wi-Fi HaLow成为物联网的理想协议?

 

Wi-Fi就像是我们互联世界的氧气,是当今最普遍的无线网络协议,承载了超过一半的互联网流量。“Wi-Fi ”是一个通用术语,指的是经过二十多年发展而成的802.11协议家族。Wi-Fi联盟是推动Wi-Fi应用和发展的组织,该组织用数字命名法,简化了常用的几代Wi-Fi名称,例如,Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac、Wi-Fi 6 = 802.11ax。您正在家里或工作场所使用的,很有可能就是这些类型的Wi-Fi。

 

尽管Wi-Fi 4/5/6无处不在,但物联网(IoT)的快速发展,迫使人们重新思考传统Wi-Fi,揭示技术差距,重新定义802.11协议在当今超低功耗物联网设备的无线连接世界中,应该发挥的作用。物联网和机器对机器(M2M)应用,对远程连接和低功耗的更高要求,促使人们需要另一种为物联网而优化的Wi-Fi。

 

Wi-Fi HaLow(发音为HEY-low)协议,通过提供超低功耗的无线解决方案,填补了这一空白,与传统Wi-Fi相比,该方案可以在更远的距离和更低的功耗下,连接更多的物联网设备。该协议于2016年得到了IEEE 802.11ah任务组的批准,被Wi-Fi联盟称为Wi-Fi HaLow。

 

Wi-Fi HaLow本质上是一款低功耗、远距离、多用途的Wi-Fi版本,在免许可的1千兆赫频谱下运行。Wi-Fi HaLow标准结合了能效、远程连接、低延迟、高清视频质量数据速率、安全功能和本地IP支持,是无线连接、电池供电的物联网设备的理想协议选择。让我们仔细看看Wi-Fi HaLow和传统Wi-Fi之间的一些主要区别,以及为什么802.11ah协议非常适合物联网应用的连接要求。

 

表1:Wi-Fi 4/5/6与Wi-Fi HaLow的比较

 

 

一种省电的协议

Wi-Fi HaLow为耗电的物联网设备,提供了卓越的能效。IEEE 802.11ah规定的各种复杂的睡眠模式,使HaLow设备能够长时间处于极低功率状态, 节省电池能量:

 

  • 目标唤醒时间(TWT:Target wake time):这允许站点(STA)和接入点(AP)预先安排一个时间,让沉睡的站点醒来并监听信标。 

 

  • 受限访问窗口(RAW:Restricted access window):接入点可以授予站点子集传输其数据的权限,而其他站点则被迫休眠、缓冲非紧急数据或两者兼而有之。 

 

  • 扩展的最大基本服务集(BSS:Basic Service Set)空闲期:这将站点的“允许空闲期”延长至五年。

 

  • 分层的流量指示映射(TIM :Traffic Indication Mapping): 更有效地分组编码TIM,节省信标的传输时间。

 

  • 短MAC报头:这减少了报头的开销、传输时间和功耗,并释放了频谱。

 

  • 空数据PHY协议数据单元(NPD):这将类似MAC的ACKs/NACKs嵌入PHY层,以减少时间和功耗。

 

  • 短信标:短(有限)信标频繁发送以同步站点,而完整信标的发送频率较低。

 

  • BSS着色机制:颜色分配表示特定接入点的BSS组,而站点可以忽略其他颜色。

 

  • 双向TXOP(BDT:Bi-directional TXOP)(以前称为速度帧):当唤醒站点,发现存在用于传输的上行链路和下行链路帧时,这会减少介质访问的次数。BDT使用物理层协议数据单元(PPDU)的信号(SIG)字段中的响应指示,以增加对第三方站点传输的 TXOP 持续时间保护。  


该协议的高效睡眠和电源管理模式,支持物联网设备使用电池运行多年,以及多种灵活的电源和电池大小选择,从采用纽扣电池的短距离物联网设备,到传输超过一公里的更高功率、采用更大电池的应用。与2.4 GHz和5 GHz频段的Wi-Fi协议相比,该协议采用的sub-GHz窄带信号,传输距离更远,能耗更低,让每单位能耗可传输更多数据。

 

因此,Wi-Fi HaLow芯片所需的功率仅为传统Wi-Fi芯片的一小部分。虽然传统Wi-Fi的数据速率较高,让用户能够在2.4 GHz、5 GHz和6 GHz频段,使用宽频信道快速传输高清视频和下载大量文件,但这些Wi-Fi连接的有效距离很短,电池消耗很快,需要频繁充电或更换电池,或者最好有一个主电源连接。基于这些原因,Wi-Fi HaLow是电源受限的物联网设备的更好选择,这些设备需要达到更远的距离,并能用电池运行数年,同时仍然提供较高的数据吞吐量。

 

图1:传统的Wi-Fi 4/5/6协议,使用更高的频率和更宽的带宽来最大化吞吐量。


Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz协议优化了渗透率、覆盖范围、功率和容量。


覆盖范围更广

802.11标准涵盖的频率范围非常广泛,从sub-GHz到毫米波(mmWave)。Wi-Fi HaLow是第一个在免许可的sub-GHz频段运行的Wi-Fi标准。Wi-Fi HaLow提供的数据速率,从几百kb/s到几十Mb/s不等,传输距离从几十米到一公里以上。


与传统Wi-Fi使用的最窄的20MHz信道相比,Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz信号使用更窄的信道,从1MHz到更窄。由于信道中的热噪声较低,这种20倍的带宽系数转化为13 dB的链路预算改进。与传统的2.4 GHz Wi-Fi相比,750 MHz - 950 MHz之间的RF频率,需要额外增加8dB-9 dB的链接预算,从而节省自由空间传输损耗。此外,Wi-Fi HaLow协议增加了一个范围优化的调制和编码方案(MCS10),可提供额外的3dB链路预算改进。 


总之,与传统的2.4GHz IEEE 802.11n(Wi-Fi 4)相比,Wi-Fi HaLow提供了高达24dB的链路预算改进。与频率更高、带宽更宽的802.11ac(Wi-Fi 5)和802.11ax(Wi-Fi 6/6E)协议相比,Wi-Fi HaLow链路预算优势进一步增强,其使用带宽更宽的5GHz和6GHz频谱。这就解释了为什么Wi-Fi HaLow信号的传输距离,是传统Wi-Fi的十倍,而不需要网络扩展器。例如,电池供电的摄像头可以放置在家里或车库外墙更方便的地方。照明系统可以从单个AP控制,而不管灯具是在室内还是室外的花园里。


为终端用户提供无线物联网解决方案,覆盖数百米的距离,而无需额外的扩展器或昂贵的蜂窝数据套餐,是802.11ah协议的一个关键竞争优势。Wi-Fi-HaLow的远程覆盖优势,扩展了智能家居和智能城市网络的范围,让用户能够控制1公里以外的物联网设备,远远超出了传统Wi-Fi协议的覆盖范围。

 

图2:比较802.11n/ac(左)和802.11ah(右)的吞吐量与范围。


资料来源:Sensors期刊(Basel)。2016年11月,IEEE 802.11ah:一种应对物联网挑战的技术,作者:Victor Baños-Gonzalez, M. Shahwaiz Afaqui, Elena Lopez-Aguilera, and Eduard Garcia-Villegas


信号穿透力更强
一般来说:频率越低,覆盖范围越远,穿透障碍物的能力越强。Sub-GHz 的Wi-Fi HaLow信号可以比传统Wi-Fi更容易穿过墙壁和其他障碍物。与2.4GHz和5GHz频段的Wi-Fi协议相比,住宅和商业建筑的建筑材料和布局的变化,对sub-GHz HaLow信号的影响较小。Wi-Fi HaLow可以穿透墙壁和建筑物,这有助于减少客户投诉和产品退货,这些问题有时会困扰使用传统Wi-Fi的产品。


Wi-Fi HaLow使用正交频分复用(OFDM)调制,来校正反射和多径环境。无论设备制造商的产品是在室内还是室外,或者是在地下室还是阁楼,Wi-Fi HaLow都可以确保设备与接入点之间有稳健的连接。这种灵活性消除了提供专有集线器或桥接设备以补偿不同家庭架构的额外成本和复杂性。


高度可扩展的解决方案
单个Wi-Fi HaLow接入点可以处理多达8191个设备,是传统Wi-Fi接入点的4倍多。在可预见的未来,这足够连接每个LED灯泡、电灯开关、智能门锁、电动窗帘、恒温器、烟雾探测器、太阳能电池板、安保摄像头或任何可想象的智能家居设备。典型的家庭Wi-Fi路由器,通常支持几十种设备。当宽带服务提供商在家居中进行部署时,单个Wi-Fi HaLow接入点可以成为一个可扩展的平台,用于提供额外的安全和公用事业管理设备和服务。


多种信号传递选项,减少了管理和控制大量HaLow设备所需的开销。这样可以最大限度地减少信号冲突,并为有源设备释放无线电波,以便以最快的调制和编码方案(MCS)速率传输更多数据。与传统Wi-Fi一样,HaLow可以根据信号完整性和与接入点的距离,自动调整带宽。预定义的MCS级别支持单流、单天线产品的带宽从150 Kbps到40 Mbps,使用的信道宽度从1 MHz到8 MHz,80 Mbps的能力也可通过使用可选的16 MHz宽信道来实现。


Wi-Fi HaLow的星形网络拓扑结构、卓越的穿透力、广阔的覆盖面积和巨大的容量,将无线连接从难以部署和带宽受限的网状网络中解放出来,简化了网络安装,并将总体持有成本降至最低。


具有抗噪性的免许可频谱
与采用2.4GHz、5GHz和6GHz频段的传统Wi-Fi一样,Wi-Fi HaLow使终端用户能够拥有自己的设备并使用免许可的sub-GHz无线电频谱,范围从750MHz到950MHz。 Wi-Fi HaLow的可用频率范围、最大传输功率和占空比,在世界各地有所不同。(例如,美洲可用的HaLow频谱是902 MHz至928 MHz,而在欧洲是863 MHz至868 MHz)。 


Wi-Fi HaLow在工业、科学和医疗(ISM)频段内运行,可以使用多种信道带宽:1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。带宽越窄,信号传输的距离就越远。使用OFDM,以跨多个子信道的数据包形式传输数据,这可以提高在具有挑战性的RF环境中的性能,特别是当有来自其他无线电设备的强干扰时。前向纠错(FEC)编码也为恢复数据包提供了额外的保护,确保稳健的连接。


安全性和互通性
与其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一样,Wi-Fi HaLow是一种固有的安全无线协议,支持最新的Wi-Fi认证要求(WPA3)和空中传输(OTA)AES加密,其数据速率可以实现安全的OTA固件升级。


就像其他类型的Wi-Fi一样,HaLow是一个全球公认的标准(IEEE 802.11ah),定义了连接设备如何进行安全认证和通信。采用Wi-Fi HaLow的设备供应商,可以保证其产品和网络,将按照Wi-Fi联盟的开发指导来实现互通性。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11标准的一部分,Wi-Fi HaLow网络也可以与Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6网络共存,而不影响其RF性能。

 

实现本地IP支持

所有物联网网络都需要互联网协议(IP)支持,以实现云连接。由于Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi标准,因此它提供本地TCP/IP支持。这种内置的IP功能,意味着物联网连接不需要专有网关或网桥。所有连接到具有Wi-Fi HaLow功能的路由器的客户端设备,可以使用IPv4/IPv6传输协议,直接访问互联网,以获得基于云的服务和物联网数据的管理。

 

HaLow效应:延伸范围,拓展物联网的可能性

传统Wi-Fi的网络拥堵、范围限制和较高的功耗,以及可连接到单个AP的设备数量有限,在当今物联网设备的世界中已不再可行。这些限制阻碍了各行业出现的以物联网为中心的新商业模式,这些模式需要更远的距离、更大的容量、更灵活的电池和电源选项,同时最大限度地降低部署成本。


作为一种远程协议,Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi无法达到的室内外物联网应用,例如远程安保摄像头、门禁网络甚至无人机。其他潜在的使用案例包括大型公共场所,如体育场馆、购物中心和会议中心,在这些场所,单个Wi-Fi HaLow接入点可以替代大量的接入点,无需复杂的网状网络,简化了安装,降低了总持有成本。

 

工业物联网、过程控制传感器、楼宇自动化、仓库和零售店等众多应用,也将受益于这种远程、低功耗协议,让无数设备能够在日益自动化的世界中保持连接。事实上,Wi-Fi-HaLow在传统的802.11协议中因其覆盖范围、能效、容量和多功能性而脱颖而出。