Wi-Fi HaLow與LoRaWAN對(duì)比

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的智能互聯(lián)設(shè)備繼續(xù)成倍增長。一些預(yù)測(cè)認(rèn)為，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將在2030年達(dá)到290多億臺(tái)；另一些預(yù)測(cè)說這個(gè)數(shù)字將接近1290億。無論大家選擇相信哪個(gè)數(shù)字，確定的是，物聯(lián)網(wǎng)正在迅速增長。而且，隨著這一增長，人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的期望也隨之增長。

LoRaWAN

LoRaWAN于2015年發(fā)布，LoRa聯(lián)盟將其描述為“一種低功耗的廣域網(wǎng)（LPWA）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，旨在將電池供電的設(shè)備無線連接到各個(gè)地區(qū)、國家或全球網(wǎng)絡(luò)中……”。LoRa聯(lián)盟是一個(gè)開放的非營利組織，致力于推廣LoRaWAN。

LPWA網(wǎng)絡(luò)（LPWANs）通常在開放的郊區(qū)環(huán)境提供0.3 Kbps到50 Kbps的數(shù)據(jù)速率，連接范圍可達(dá)十公里1，并且通常由服務(wù)提供商管理。LoRaWAN和其他LPWAN一樣，為電池供電的傳感器設(shè)備提供低帶寬連接。LoRaWAN通常有足夠的帶寬用于通信少量的傳感器數(shù)據(jù)，但不足以支持遠(yuǎn)程升級(jí)。盡管物聯(lián)網(wǎng)安全是世界各國政府關(guān)注的重點(diǎn)，但低數(shù)據(jù)速率也嚴(yán)重制約了LPWANs的安全性。

新型協(xié)議

Wi-Fi HaLow是為直接應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)激增而從頭開始設(shè)計(jì)的。作為Wi-Fi聯(lián)盟發(fā)布的最新MAC/PHY（介質(zhì)訪問控制/物理層）認(rèn)證，Wi-Fi HaLow結(jié)合了IEEE 802.11ah，并為遠(yuǎn)距離、低功耗、安全的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，提供了當(dāng)今最全面、功能最豐富的協(xié)議。根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的說法，Wi-Fi HaLow是“提供連接范圍、吞吐量、密度、低功耗操作、低部署成本最佳組合的物聯(lián)網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)”。

Wi-Fi HaLow與LoRaWAN概覽

Wi-Fi HaLow與LoRaWAN對(duì)比情況如何？

無與倫比的可擴(kuò)展性

單個(gè)Wi-Fi HaLow接入點(diǎn)（AP）可以處理成千上萬的設(shè)備，這為部署大量連接設(shè)備的企業(yè)提供了卓越的可擴(kuò)展性，以實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化、通信和設(shè)施維護(hù)的便利。

另一方面，根據(jù)英國蘭卡斯特大學(xué)（Lancaster University）最近的一項(xiàng)研究，一個(gè)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)可以支持120個(gè)終端設(shè)備（基于每個(gè)終端設(shè)備每16.7分鐘傳輸20個(gè)字節(jié)的假設(shè)）。

守護(hù)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的安全性

作為IEEE 802.11 Wi-Fi協(xié)議，Wi-Fi HaLow遵守全球公認(rèn)的連接設(shè)備安全認(rèn)證和通信標(biāo)準(zhǔn)，支持最新的Wi-Fi認(rèn)證要求（WPA3）和遠(yuǎn)程升級(jí)（OTA）的AES加密，其數(shù)據(jù)速率能夠?qū)崿F(xiàn)安全的遠(yuǎn)程固件升級(jí)。此外，Wi-Fi HaLow可以輕松適應(yīng)未來物聯(lián)網(wǎng)安全要求和變化。由于這被視為最佳實(shí)踐，Wi-Fi聯(lián)盟在開發(fā)任何安全相關(guān)協(xié)議（例如Easy Connect）時(shí)都會(huì)采用正式的外部安全審查2。

然而，LoRaWAN并沒有提供同等的安全保證，似乎也沒有經(jīng)過安全專家的正式外部審查。LoRa聯(lián)盟聲稱，“LoRaWAN在設(shè)計(jì)上非常安全，而且身份驗(yàn)證和加密是強(qiáng)制性的”，但隨后承認(rèn)，“如果安全密鑰沒有得到安全保護(hù)，如果沒有在不同設(shè)備之間進(jìn)行隨機(jī)化，或者如果曾經(jīng)使用過的加密數(shù)字（nonces）被重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備可能會(huì)受到損害?！?一些安全研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些漏洞，例如在《物聯(lián)網(wǎng)》（Internet of Things）雜志上發(fā)表的一篇文章中，該文章發(fā)現(xiàn)“[LoRaWAN]存在一些安全和隱私漏洞，這些漏洞可能會(huì)危及可用性、身份驗(yàn)證和隱私。”還請(qǐng)注意，雖然使用了AES加密，但LoRaWAN使用的計(jì)數(shù)器模式存在嚴(yán)重缺陷3。此外，由于數(shù)據(jù)包較小，LoRaWAN無法解決當(dāng)前的安全問題或適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)未來的安全要求。

優(yōu)異的連接范圍

使用Wi-Fi HaLow的設(shè)備能夠在超過1公里的范圍內(nèi)使用sub-1 GHz頻段與另一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，并且有相對(duì)較高的數(shù)據(jù)速率4。Sub-1 GHz信號(hào)在穿過墻壁和其他障礙物方面也表現(xiàn)卓越。

相比之下，使用相同頻段的LoRaWAN在郊區(qū)環(huán)境中的覆蓋范圍可達(dá)10公里，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低，而且只有在障礙物較少的地方才能傳輸。這使LoRaWAN成為郊區(qū)環(huán)境部署的理想選擇，例如，大型農(nóng)場(chǎng)希望在幾十公里內(nèi)連接不同的傳感器。然而，在城市環(huán)境中，LoRaWAN的覆蓋范圍可能會(huì)減少，并且在高樓大廈的環(huán)境中可能會(huì)失去連接，因?yàn)長oRaWAN上行鏈路使用低效的純Aloha MAC協(xié)議5。

卓越的能源效率

Wi-Fi HaLow只需要其他版本W(wǎng)i-Fi的一小部分功率。相比之下，LoRaWAN是一種低功耗協(xié)議，將設(shè)備分為三個(gè)等級(jí)（A、B和C），其中A級(jí)設(shè)備主要是為了提高能效而設(shè)計(jì)的。對(duì)于希望擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模并發(fā)送超過幾個(gè)字節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)的企業(yè)來說，LoRaWAN無法與Wi-Fi HaLow網(wǎng)絡(luò)的能源效率（傳輸一個(gè)單位的信息所需的能量）相提并論。

免許可且可互操作

Wi-Fi HaLow和LoRaWAN都使用免許可和類許可的sub-1頻段，范圍在850 MHz至950 MHz。Wi-Fi聯(lián)盟的認(rèn)證計(jì)劃讓消費(fèi)者相信，所有Wi-Fi CERTIFIED HaLowTM品牌的產(chǎn)品都可以互操作。LoRa聯(lián)盟為LoRaWAN產(chǎn)品提供針對(duì)LoRaWAN規(guī)范的認(rèn)證，而不是互操作性測(cè)試。

較快的數(shù)據(jù)速率

Wi-Fi HaLow提供一系列非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)速率。在1MHz的最窄帶寬下使用單一空間流，可提供從使用具有BPSK調(diào)制的MCS 10的150Kbps的數(shù)據(jù)速率，到使用MCS 9的4.4Mbps的最高速率。在8 MHz操作信道中，單流Wi-Fi HaLow 接入點(diǎn)可以支持各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，從以低至150 Kbps的速率發(fā)送1 MHz數(shù)據(jù)包的極低功率傳感器，到以高達(dá)43 Mbps的速率發(fā)送8 MHz數(shù)據(jù)包。這一吞吐量大大超過了LoRaWAN的數(shù)據(jù)傳輸速率（0.3Kbps-50Kbps）。LoRaWAN的低數(shù)據(jù)速率只能用于傳輸極小數(shù)據(jù)包的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

未來走向

雖然LoRaWAN經(jīng)常被奉為一種用于遠(yuǎn)距離、低功耗網(wǎng)絡(luò)的通用協(xié)議，但現(xiàn)實(shí)往往達(dá)不到物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者的期望。大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要比LoRaWAN目前或未來能夠提供的更高的網(wǎng)絡(luò)容量、更快的數(shù)據(jù)速率和更強(qiáng)大的安全性。這些現(xiàn)實(shí)世界的需求指向一個(gè)更優(yōu)的無線解決方案：Wi-Fi HaLow，首個(gè)為物聯(lián)網(wǎng)需求優(yōu)化的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。

1 https://en.wikipedia.org/wiki/Low-power_wide-area_network

2 https://www.wi-fi.org/discover-wi-fi/wi-fi-easy-connect

3 https://www.cyber-threat-intelligence.com/publications/IoTDI2018-LoraWAN.pdf

4 https://www.wi-fi.org/beacon/neil-weste/the-future-of-farming-testing-the-rural-range-of-wi-fi-certified-halow

5  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140366422002444