Wi-Fi HaLow的真相

了解Wi-Fi HaLow，一種用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的遠(yuǎn)距離、低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE802.11ah，更為人熟知的名字是Wi-Fi HaLow，是一種專門為滿足物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備需求而設(shè)計(jì)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于2016年推出，多年來一直相對鮮為人知。然而，智能設(shè)備市場的不斷增長導(dǎo)致人們對這種以物聯(lián)網(wǎng)為中心的無線技術(shù)重新產(chǎn)生了興趣。

當(dāng)然，說Wi-Fi HaLow是“專為物聯(lián)網(wǎng)需求而設(shè)計(jì)的”很容易。我們真正需要知道的是，它如何以及在多大程度上滿足了這些需求。在本文中，我們將介紹Wi-Fi HaLow的基礎(chǔ)知識，以及它與其他無線選項(xiàng)的比較。最后，我們將回顧一些Wi-Fi HaLow可能非常適合的實(shí)際應(yīng)用。

首先，圖1提供了Wi-Fi HaLow功能和優(yōu)勢的快速列表。

Wi-Fi HaLow功能和優(yōu)勢概述。

圖1 Wi-Fi HaLow 及其優(yōu)勢概覽。圖片由 Wi-Fi Alliance 提供

除了上述功能外，值得注意的是，一個(gè)Wi-Fi HaLow接入點(diǎn)一次最多可連接8191臺設(shè)備。至于列表中的項(xiàng)目，其中一些（例如使用Wi-Fi安全）可以應(yīng)用于任何Wi-Fi認(rèn)證產(chǎn)品。我們將忽略這些項(xiàng)目，轉(zhuǎn)而討論Wi-Fi HaLow的獨(dú)特之處，從其工作頻率開始。

Wi-Fi HaLow與傳統(tǒng)Wi-Fi：工作頻率

根據(jù)具體標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)Wi-Fi的工作頻率范圍在2 GHz到6 GHz之間。相比之下，Wi-Fi HaLow的工作頻率在1 GHz以下。確切的頻率范圍因國家而異——在美國，頻率范圍在902 MHz到928 MHz之間。

與高頻操作相比，在1 GHz以下操作具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一個(gè)不那么擁擠的頻譜。

最大傳輸距離更大。

信號穿透性更好。

降低功耗。

該頻段的缺點(diǎn)是限制了帶寬，這也意味著數(shù)據(jù)速率有限。Wi-Fi HaLow 的數(shù)據(jù)吞吐量確實(shí)比 LoRaWan 高，我們將在下一節(jié)中看到。盡管如此，它可能更適合作為傳統(tǒng) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，而不是替代品。Wi-Fi HaLow 和其他 Wi-Fi 類型之間的頻率差異降低了它們并排使用時(shí)發(fā)生干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

Wi-Fi HaLow與LoRaWAN：范圍和數(shù)據(jù)速率

理論上，LoRaWan可以覆蓋數(shù)百公里的距離。實(shí)際上，它用于覆蓋約5公里的距離。Wi-Fi HaLow的設(shè)計(jì)工作范圍為1公里，但可以通過以網(wǎng)狀配置部署網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋范圍。即使考慮到這一點(diǎn)，LoRaWAN仍然具有更大的范圍。

另一方面，Wi-Fi HaLow 代表了速度的大幅提升。LoRaWAN 的工作范圍從 250 bps 到 22 Kbps。如圖 2 所示，Wi-Fi HaLow 的數(shù)據(jù)吞吐量范圍從長距離的 150 Kbps 到短距離的 78 Mbps。請注意，這些數(shù)字假設(shè)了單個(gè)空間流——Wi-Fi HaLow 最多可以使用四個(gè)空間流。

Wi-Fi HaLow和其他物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率與距離。

圖2:Wi-Fi HaLow和其他物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率與距離。圖片由Wi-Fi聯(lián)盟提供

數(shù)據(jù)速率的差異對潛在應(yīng)用產(chǎn)生了影響：與LoRaWAN不同，Wi-Fi HaLow可用于傳輸視頻。它通常在無線安全攝像頭的背景下進(jìn)行討論。

數(shù)據(jù)速率和調(diào)制

前兩節(jié)將Wi-Fi HaLow與其他無線技術(shù)進(jìn)行了比較?，F(xiàn)在，讓我們從更詳細(xì)地了解數(shù)據(jù)吞吐量開始，根據(jù)其自身的優(yōu)點(diǎn)來對其進(jìn)行檢查。

Wi-Fi HaLow使用以下類型的數(shù)據(jù)調(diào)制：

二進(jìn)制和正交相移鍵控（BPSK和QPSK）。

16、64和256正交幅度調(diào)制（QAM）。

Wi-Fi HaLow的調(diào)制和編碼方案（MCS）索引包括總共11個(gè)選項(xiàng)。其中，MCS 0到MCS 8可以使用1 MHz、2 MHz、4 MHz、8 MHz或16 MHz的信道。MCS 9提供了最高的數(shù)據(jù)速率，適用于除2 MHz信道外的任何帶寬。最后，MCS 10（代表最低數(shù)據(jù)速率和最大傳輸范圍）僅適用于1 MHz信道。

需要理解的關(guān)鍵一點(diǎn)是，數(shù)據(jù)速率和最大傳輸距離之間存在權(quán)衡，數(shù)據(jù)速率和功耗之間也存在權(quán)衡。Wi-Fi HaLow 的數(shù)據(jù)速率和調(diào)制選項(xiàng)范圍廣泛，并且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行調(diào)整，使用戶能夠自定義這些權(quán)衡，以滿足不同應(yīng)用的需求。

電力消耗

對于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，功耗是一個(gè)主要考慮因素。設(shè)備的無線連接消耗的功率越多，更換電池的頻率就越高。這既是一個(gè)成本問題，也是一個(gè)可靠性問題——如果電池沒電了，設(shè)備就無法傳輸，數(shù)據(jù)就會丟失。此外，必須不斷前往傳感器所在位置更換電池，這根本不是一件有趣的事情。

Wi-Fi HaLow旨在用于這些類型的設(shè)備，因此它試圖降低功耗。它做得很好。我們在文章開頭附近提到了一個(gè)原因——它的低工作頻率。

然而，不僅僅是頻段會產(chǎn)生影響。圖3比較了五種不同的1GHz以下無線技術(shù)的設(shè)備電池壽命，包括Wi-Fi HaLow（IEEE802.11ah）。此圖來自IMEC關(guān)于該主題的研究報(bào)告，其幻燈片可在此處獲得。

不同亞1 GHz無線技術(shù)的電池壽命比較。

圖3 不同低于1 GHz的無線技術(shù)的電池壽命比較。圖片由Jeroen Famaey提供

如您所見，Wi-Fi HaLow提供了五個(gè)選項(xiàng)中最好的電池壽命。

Wi-Fi HaLow的多種節(jié)能模式有助于提高性能。這些模式減少了設(shè)備必須保持喚醒狀態(tài)的時(shí)間，以避免被接入點(diǎn)丟棄并需要重新進(jìn)行身份驗(yàn)證。有關(guān)Wi-Fi HaLow節(jié)能功能的詳細(xì)信息，請參閱上一節(jié)中鏈接的Wi-Fi聯(lián)盟白皮書。

Wi-Fi HaLow：它有什么好處？

至此，我們應(yīng)該對Wi-Fi HaLow的優(yōu)勢有了相當(dāng)?shù)牧私?。概括來說，它提供了：

低功耗；延長連接設(shè)備的電池壽命。

中長距離數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)吞吐量足夠高，可以在相對較長的距離上傳輸視頻。

根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)整數(shù)據(jù)速率的選項(xiàng)。

從一個(gè)接入點(diǎn)同時(shí)連接到具有不同需求的多個(gè)設(shè)備。

信號穿透力強(qiáng)，適用于節(jié)點(diǎn)之間無直接視線的網(wǎng)絡(luò)。

在同一區(qū)域內(nèi)，不會干擾高速Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行頻率。

那么，這如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用呢？我們在文章前面提到了遠(yuǎn)程安全攝像頭，但Wi-Fi HaLow也有潛力用于智能建筑和智能農(nóng)業(yè)。

工業(yè)建筑和農(nóng)業(yè)設(shè)施都使用廣泛的遠(yuǎn)程傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi HaLow提供了良好的可擴(kuò)展性，傳感器和執(zhí)行器受益于其能效。同時(shí)，長距離和高信號穿透意味著與不僅遠(yuǎn)離接入點(diǎn)，而且被墻壁或密集植被隔開的節(jié)點(diǎn)有更好的連接。