Wi-Fi HaLow——與眾不同的Wi-Fi體驗(yàn)

Wi-Fi HaLow很快就會(huì)出現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ钪械闹腔坶T鎖、安保攝影機(jī)、可穿戴設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上。什么是Wi-Fi HaLow？與傳統(tǒng)的Wi-Fi（4/5/6）有何不同？究竟是什么讓Wi-Fi HaLow成為物聯(lián)網(wǎng)的理想?yún)f(xié)議？

Wi-Fi就像是在互聯(lián)世界的氧氣，為當(dāng)今最普遍的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，承載了超過一半的因特網(wǎng)流量。「Wi-Fi」是一個(gè)通用術(shù)語，指的是經(jīng)過二十多年發(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。您正在家中或工作場(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)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(dāng)今無線連接世界的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上應(yīng)扮演的角色。由于物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine-to-Machine, M2M）的應(yīng)用對(duì)遠(yuǎn)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)來滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求。

Wi-Fi HaLow協(xié)議經(jīng)由提供超低功耗無線解決方案來滿足這些需求。相較于傳統(tǒng)Wi-Fi，此一解決方案能在更遠(yuǎn)距離以更低功率來連接大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。該協(xié)議于2016年獲得IEEE 802.11ah專業(yè)工作組的批準(zhǔn)，并由Wi-Fi聯(lián)盟冠名為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有出色的能源效率、遠(yuǎn)程連接、低延遲、高清視訊質(zhì)量的數(shù)據(jù)速率、安全功能和支持本地IP的獨(dú)特組合，使其成為無線連接、電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想選擇。本文將詳細(xì)分析Wi-Fi HaLow和傳統(tǒng)Wi-Fi的主要區(qū)別，以及為何802.11ah協(xié)議非常適合且能滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shè)備提供卓越的能源效率。IEEE 802.11ah規(guī)范各種復(fù)雜的睡眠模式，使HaLow設(shè)備能夠長時(shí)間保持在非常低的功耗狀態(tài)，?節(jié)省電池能量：

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

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(quán)限，而其他則被迫休眠、緩沖非緊急數(shù)據(jù)，或兩者都受限制。

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

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

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

無數(shù)據(jù)物理層（PHY）協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Null data PHY protocol data；NPD）：將類似MAC的ACK/NAK嵌入到PHY層以減少時(shí)間和功率。

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

BSS著色：當(dāng)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）（昔稱為速度幀）：當(dāng)STA醒來，發(fā)現(xiàn)要傳輸?shù)纳闲墟溌泛拖滦墟溌穾嬖跁r(shí)，可減少媒體存取的次數(shù)。BDT利用物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （physical-layer protocol data unit；PPDU） 訊號(hào)（SIG）字段中的響應(yīng)指示，增加TXOP保護(hù)期間，免于受第三方STA傳輸?shù)母蓴_。

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(shè)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(xiàng)，應(yīng)用可從鈕扣電池上運(yùn)行的短距離物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到更高功率、更大電池、超過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(hào)可傳送得更遠(yuǎn)且能耗更低，每單位能量可傳輸更多位數(shù)。

低能耗
Wi-Fi HaLow芯片所需功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)Wi-Fi芯片。雖然傳統(tǒng)Wi-Fi高數(shù)據(jù)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(nèi)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(shè)備需要到達(dá)更遠(yuǎn)的距離并仰賴電池供電運(yùn)行多年，同時(shí)仍須提供每秒數(shù)兆位的數(shù)據(jù)傳輸量，對(duì)受制于電能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，Wi-Fi HaLow是更好的選擇。

更長覆蓋范圍
與傳統(tǒng)Wi-Fi最窄的20 MHz頻道相比，Wi-Fi HaLow的1GHz以下訊號(hào)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(zhuǎn)化為13dB鏈路預(yù)算的改善。與傳統(tǒng)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(yù)算，節(jié)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(diào)制和編碼設(shè)計(jì)（MCS10），可額外提供3dB鏈路預(yù)算的改善。

 
圖一 : 傳統(tǒng)的Wi-Fi 4/5/6協(xié)議使用更高的頻率和更寬的帶寬來達(dá)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(shù)百米的無線物聯(lián)網(wǎng)解決方案?，且?無需額外的中繼設(shè)備或昂貴的蜂巢電訊數(shù)據(jù)規(guī)劃?，此為802.11ah協(xié)議的關(guān)鍵競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。憑借其遠(yuǎn)程覆蓋能力，Wi-Fi HaLow的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展了智能家庭和智能城市網(wǎng)絡(luò)的范圍，讓用戶能夠控制1公里以外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)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(hào)穿透力
與傳統(tǒng)Wi-Fi相比，1GHz以下Wi-Fi HaLow訊號(hào)可以更輕松穿過墻壁和其他障礙物。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(duì)1GHz以下HaLow訊號(hào)的影響較小。傳統(tǒng)Wi-Fi產(chǎn)品有時(shí)會(huì)出現(xiàn)用戶遇到問題而致電客服求助，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，有助于減少此類問題。

無論產(chǎn)品使用時(shí)位于室內(nèi)還是室外，或者位于家中的地下室還是閣樓，設(shè)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(kuò)展的解決方案
一個(gè)Wi-Fi HaLow AP的設(shè)備尋址能力最多可達(dá)到8,191臺(tái)，是傳統(tǒng)Wi-Fi AP設(shè)備數(shù)量的4倍之多。在可預(yù)見的未來，這足以連接每個(gè)LED燈泡、電燈開關(guān)、智慧門鎖、電動(dòng)窗簾、恒溫器、煙霧探測(cè)器、太陽能電池板、安保攝影機(jī)或任何可想象的智慧家庭設(shè)備。典型的家用Wi-Fi路由器一般可支持?jǐn)?shù)十臺(tái)設(shè)備。

當(dāng)寬帶服務(wù)廠商在家中部署一組Wi-Fi HaLow AP時(shí)，即可成為一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)，額外提供安全裝置及管理水電設(shè)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(tǒng)Wi-Fi一樣，Wi-Fi HaLow 終端使用者能夠擁有自己的設(shè)備并使用從750MHz到950MHz的免許可1GHz以下無線電頻譜。

在ISM頻段內(nèi)運(yùn)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(hào)可以傳播的越遠(yuǎn)。數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)報(bào)形式使用OFDM傳輸跨越多個(gè)亞通道時(shí)，可在深具挑戰(zhàn)性的RF環(huán)境中提高性能，尤其是受到其他無線電設(shè)備的強(qiáng)烈干擾時(shí)。前向糾錯(cuò)（Forward error correction；FEC）編碼還為數(shù)據(jù)報(bào)的復(fù)原提供額外的保護(hù)，確保連接的穩(wěn)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，是一種原生的無線安全協(xié)議，支持最新的Wi-Fi身份驗(yàn)證要求（WPA3）和空中無線（over-the-air；OTA）傳輸?shù)腁ES加密，其數(shù)據(jù)速率可實(shí)現(xiàn)安全的OTA韌體升級(jí)。

與其他類型的Wi-Fi一樣，HaLow是全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11ah），定義連接設(shè)備如何執(zhí)行身份驗(yàn)證和通訊安全。使用Wi-Fi HaLow的設(shè)備廠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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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）支持來執(zhí)行云端連接。 因?yàn)閃i-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，所以可提供本地TCP/IP支持。這種內(nèi)置的IP功能意味著物聯(lián)網(wǎng)連接不再需要專有網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋。所有連接支持Wi-Fi HaLow路由器的客戶端設(shè)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(xiàn)基于云端的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)和管理。

延伸覆蓋范圍，擴(kuò)大物聯(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)內(nèi)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、更靈活的電池和電源選項(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，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達(dá)到的室內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如遠(yuǎn)程安保攝影機(jī)、門禁網(wǎng)絡(luò)甚至無人機(jī)。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)，無需復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，簡化了安裝，降低了總體擁有成本。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、過程控制傳感器、樓宇自動(dòng)化、倉庫和零售店等眾多應(yīng)用，也將受益于這種遠(yuǎn)程、低功耗協(xié)議，讓無數(shù)設(shè)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(tǒng)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。