什么是Wi-Fi HaLow，與傳統(tǒng)的Wi-Fi(4/5/6)有何不同

Wi-Fi HaLow很快就會(huì)出現(xiàn)在人們?nèi)粘Ｉ畹闹悄荛T鎖、安保攝像頭、可穿戴設(shè)備和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上。什么是Wi-Fi HaLow，與傳統(tǒng)的Wi-Fi(4/5/6)有何不同，是什么讓W(xué)i-Fi HaLow成為物聯(lián)網(wǎng)的理想?yún)f(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(yīng)用和發(fā)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，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(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)線連接世界中，應(yīng)該發(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-Fi HaLow(發(fā)音為HEY-low)協(xié)議，通過(guò)提供超低功耗的無(wú)線解決方案，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2016年得到了IEEE 802.11ah任務(wù)組的批準(zhǔn)，被Wi-Fi聯(lián)盟稱為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow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-Fi HaLow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、安全功能和本地IP支持，是無(wú)線連接、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想?yún)f(xié)議選擇。讓我們仔細(xì)看看Wi-Fi HaLow和傳統(tǒng)Wi-Fi之間的一些主要區(qū)別，以及為什么802.11ah協(xié)議非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的連接要求。

?Wi-Fi HaLow和傳統(tǒng)Wi-Fi的主要區(qū)別在于運(yùn)行頻段、傳輸距離、功耗和適用場(chǎng)景等方面。?

運(yùn)行頻段

?Wi-Fi HaLow?：運(yùn)行在1GHz以下的頻段，與傳統(tǒng)Wi-Fi使用的2.4GHz、5GHz和6GHz頻段不同?12。

?傳統(tǒng)Wi-Fi?：主要使用2.4GHz和5GHz頻段，部分設(shè)備支持6GHz頻段?23。

傳輸距離和穿透能力

?Wi-Fi HaLow?：能夠提供長(zhǎng)達(dá)一公里的連接距離，并且在視距連接的情況下可以更遠(yuǎn)。此外，由于其低頻特性，Wi-Fi HaLow能夠更好地穿透墻壁和其他障礙物?12。

?傳統(tǒng)Wi-Fi?：傳輸距離相對(duì)較短，通常在幾十米到一百米左右，穿透能力較弱?23。

功耗

?Wi-Fi HaLow?：為低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)，能夠顯著節(jié)省電池能量，支持使用紐扣電池的器件，續(xù)航時(shí)間可達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年?12。

?傳統(tǒng)Wi-Fi?：功耗相對(duì)較高，不適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的低功耗設(shè)備?24。

適用場(chǎng)景

?Wi-Fi HaLow?：適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能城市項(xiàng)目和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等需要長(zhǎng)距離、低功耗連接的場(chǎng)景?12。

?傳統(tǒng)Wi-Fi?：適用于家庭、辦公室等需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景?23。

Wi-Fi 就像我們互聯(lián)世界的氧氣。它是當(dāng)今使用最廣泛的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，承載了所有互聯(lián)網(wǎng)一半以上的流量?！癢i-Fi”是一個(gè)包羅萬(wàn)象的術(shù)語(yǔ)，用于描述不斷發(fā)展的 802.11 協(xié)議家族，這些協(xié)議已經(jīng)發(fā)展了超過(guò) 20 年。Wi-Fi 聯(lián)盟是推動(dòng) Wi-Fi 采用和發(fā)展的組織，它使用數(shù)字命名法簡(jiǎn)化了常用 Wi-Fi 代的名稱，例如 Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac和 Wi-Fi 6 = 802.11ax。您有可能在家中或工作場(chǎng)所使用其中一種 Wi-Fi。

盡管 Wi-Fi 4/5/6 無(wú)處不在，但物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的快速增長(zhǎng)迫使人們重新思考傳統(tǒng) Wi-Fi。這種重新評(píng)估揭示了技術(shù)差距，并重新定義了 802.11 協(xié)議在當(dāng)今超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無(wú)線連接世界中應(yīng)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正在推動(dòng)對(duì)另一種為物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的 Wi-Fi 的需求。

Wi-Fi HaLow(比如“HEY-low”)協(xié)議通過(guò)提供超低功耗無(wú)線解決方案填補(bǔ)了這些空白，該解決方案以比傳統(tǒng) Wi-Fi 遠(yuǎn)得多的距離和低得多的功耗連接大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。該協(xié)議于 2016 年由 IEEE 802.11ah 任務(wù)組批準(zhǔn)，并被 Wi-Fi 聯(lián)盟稱為 Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow 本質(zhì)上是在未經(jīng)許可的 sub-1-GHz 頻譜中運(yùn)行的低功耗、更遠(yuǎn)距離和更通用的 Wi-Fi 版本。Wi-Fi HaLow 標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)特地結(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、安全功能和原生 IP 支持，使其成為無(wú)線連接、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想?yún)f(xié)議選擇。

讓我們仔細(xì)看看 Wi-Fi HaLow 和傳統(tǒng) Wi-Fi (見(jiàn)表)之間的一些主要區(qū)別，以及為什么 802.11ah 協(xié)議非常適合滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的連接要求。

電池友好型協(xié)議

Wi-Fi HaLow 為功耗敏感的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供卓越的能效。IEEE 802.11ah 指定的各種復(fù)雜的睡眠模式使 HaLow 設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間保持極低功耗狀態(tài)，從而節(jié)省電池能量：

目標(biāo)喚醒時(shí)間 (Target wake time ：TWT)：這允許站點(diǎn) (station：STA) 和接入點(diǎn) (access point：AP) 預(yù)先安排睡眠 STA 喚醒并偵聽(tīng)信標(biāo)的時(shí)間。

受限訪問(wèn)窗口 (Restricted access window：RAW)： AP 可以向一部分 STA 授予權(quán)限以傳輸其數(shù)據(jù)，而其他人則被迫休眠、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 (basic service set ：BSS) 空閑：這將 STA 的允許空閑時(shí)間延長(zhǎng)至五年。

分層流量指示映射 (traffic indication mapping：TIM)：按組對(duì) TIM 進(jìn)行更有效的編碼可以節(jié)省信標(biāo)的廣播時(shí)間。

短 MAC 標(biāo)頭(headers)：這減少了標(biāo)頭開(kāi)銷、廣播時(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 (Null data PHY protocol data units：NPD)：這將類似 MAC 的 ACK/NAK 嵌入到 PHY 層以減少時(shí)間和功耗。

短信標(biāo)：頻繁發(fā)送短(有限)信標(biāo)以同步 STA，而較少發(fā)送完整信標(biāo)。

BSS 著色：顏色分配指示特定 AP 的 BSS 組，而 STA 可以忽略其他顏色。

雙向 TXOP (Bidirectional TXOP：BDT)(以前稱為速度幀)： 當(dāng) STA 醒來(lái)發(fā)現(xiàn)存在用于傳輸?shù)纳闲墟溌泛拖滦墟溌穾瑫r(shí)，這會(huì)減少介質(zhì)訪問(wèn)的次數(shù)。BDT 在物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU) 的信號(hào) (SIG) 字段中使用響應(yīng)指示來(lái)增加對(duì)第三方 STA 傳輸?shù)?TXOP 持續(xù)時(shí)間保護(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)備的多年電池運(yùn)行，以及各種靈活的電源和電池尺寸選項(xiàng)，從在紐扣電池上運(yùn)行的短距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到更高功率、更遠(yuǎn)距離(超過(guò) 1 公里)的電池應(yīng)用。與 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段中的 Wi-Fi 協(xié)議相比，該協(xié)議的 sub-GHz 窄帶信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)且能量更少，因此每單位能量傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)更多。

因此，Wi-Fi HaLow 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 的更高數(shù)據(jù)速率使用戶能夠使用 2.4-、5- 和 6-GHz 頻段的寬頻道流式傳輸高清視頻內(nèi)容并快速下載大量文件，但這些 Wi-Fi 連接的有效距離很短，它們會(huì)很快耗盡電池電量。因此，需要頻繁充電或更換電池，或者理想情況下需要連接主電源。由于這些原因，Wi-Fi HaLow 是功率受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的更好選擇，這些設(shè)備需要達(dá)到更長(zhǎng)的距離并依靠電池供電運(yùn)行多年，同時(shí)仍能提供每秒數(shù)兆比特的數(shù)據(jù)吞吐量。

覆蓋范圍更遠(yuǎn)

802.11 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了異常廣泛的頻率范圍，從 sub-GHz 到毫米波 (mmWave)。HaLow 是第一個(gè)在未經(jīng)許可的 sub-GHz 頻段中運(yùn)行的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)。它提供的數(shù)據(jù)速率從每秒數(shù)百千比特到每秒數(shù)十兆比特不等，跨越數(shù)十米到超過(guò)一公里的距離。

與傳統(tǒng) Wi-Fi 使用的最窄 20-MHz 信道相比，Wi-Fi HaLow 的 sub-1-GHz 信號(hào)使用 1 MHz 及以上的更窄信道(圖 1)。由于通道中的熱噪聲較低，這 20 倍的帶寬因子轉(zhuǎn)化為 13 dB 的鏈路預(yù)算改進(jìn)。750 至 950 MHz 之間的射頻頻率與傳統(tǒng)的 2.4 GHz Wi-Fi 相比，需要額外增加 8 至 9 dB 的鏈路預(yù)算，從而節(jié)省自由空間傳播損耗。此外，Wi-Fi HaLow 協(xié)議添加了范圍優(yōu)化調(diào)制和編碼方案 (MCS10)，可提供額外的 3-dB 鏈路預(yù)算提升。

總而言之，與傳統(tǒng)的 2.4-GHz IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) 相比，Wi-Fi HaLow 提供高達(dá) 24 dB 的鏈路預(yù)算改進(jìn)。與使用 5-GHz 和 6-GHz 頻率的更高頻率、更高帶寬的 802.11ac (Wi-Fi 5) 和 802.11ax (Wi-Fi 6/6E) 協(xié)議相比，HaLow 鏈路預(yù)算優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步增強(qiáng)。具有更寬帶寬的 GHz 頻譜。

這就解釋了為什么 Wi-Fi HaLow 信號(hào)在不需要網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器的情況下比傳統(tǒng) Wi-Fi 傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn) 10 倍。例如，電池供電的相機(jī)可以放置在家庭或車庫(kù)墻壁外更方便的位置。無(wú)論燈具是在室內(nèi)還是室外的花園中，都可以通過(guò)單個(gè) AP 控制照明系統(tǒng)。

為最終用戶提供覆蓋數(shù)百米的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)解決方案——無(wú)需額外的擴(kuò)展器或昂貴的蜂窩數(shù)據(jù)計(jì)劃——是 802.11ah 協(xié)議的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。憑借其長(zhǎng)距離覆蓋范圍，Wi-Fi HaLow 的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展了智能家居和智慧城市網(wǎng)絡(luò)的范圍，使用戶能夠控制超過(guò) 1 公里的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng) Wi-Fi 協(xié)議的范圍。

更好的信號(hào)穿透

一般規(guī)則：頻率越低，覆蓋范圍越長(zhǎng)，穿透障礙的效果越好。但與傳統(tǒng) Wi-Fi 相比，Sub-GHz Wi-Fi HaLow 信號(hào)可以更輕松地穿過(guò)墻壁和其他障礙物。

與 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段中的 Wi-Fi 協(xié)議相比，建筑材料和住宅和商業(yè)建筑布局的可變性對(duì) sub-GHz HaLow 信號(hào)的影響較小。Wi-Fi HaLow 通過(guò)墻壁和建筑物的卓越覆蓋范圍有助于減少客戶服務(wù)電話和產(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(圖 2)。

Wi-Fi HaLow 利用正交頻分復(fù)用 (OFDM) 調(diào)制來(lái)校正反射和多徑環(huán)境。設(shè)備制造商可以放心與 AP 建立強(qiáng)大的 HaLow 連接，無(wú)論他們的產(chǎn)品位于室內(nèi)還是室外，或者是在地下室還是家中的閣樓。這種靈活性消除了提供專有集線器或橋接設(shè)備以補(bǔ)償不同家庭架構(gòu)的額外成本和復(fù)雜性。

高度可擴(kuò)展的解決方案

單個(gè) Wi-Fi HaLow AP 最多可尋址 8,191 臺(tái)設(shè)備，是傳統(tǒng) Wi-Fi AP 的四倍多。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這足以連接每個(gè) LED 燈泡、電燈開(kāi)關(guān)、智能門鎖、電動(dòng)窗簾、恒溫器、煙霧探測(cè)器、太陽(yáng)能電池板、安全攝像頭或任何可以想象的智能家居設(shè)備。

典型的家庭 Wi-Fi 路由器一般支持?jǐn)?shù)十臺(tái)設(shè)備。當(dāng)寬帶服務(wù)提供商在家中部署時(shí)，單個(gè) Wi-Fi HaLow AP 可以成為一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)，用于提供額外的安全和公用事業(yè)管理設(shè)備和服務(wù)。