Wi-Fi HaLow與傳統Wi-Fi有何不同?

作者 : Shahar Feldman,Morse Micro行銷副總裁

Wi-Fi HaLow很快將出現在人們日常生活的智慧門鎖、安全監控攝影機、穿戴式裝置和無線感測器網路上。但什麼是Wi-Fi HaLow,與傳統的Wi-Fi (4/5/6)有何不同?Wi-Fi HaLow如何成為物聯網的理想協議?

Wi-Fi就像是在連網世界中的氧氣,是當今最普遍的無線網路協議,承載了超過一半的網際網路流量。‘Wi-Fi ’是一個通用術語,指的是經過二十多年發展而成的802.11協議家族。Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance;WFA)是推動Wi-Fi應用和發展的組織,該組織用數字命名法,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所使用的,很可能就是這些類型的Wi-Fi。

儘管Wi-Fi 4/5/6無處不在,但物聯網(IoT)的快速發展,迫使人們重新思考傳統Wi-Fi,揭示技術差距,重新定義802.11協議在當今超低功耗物聯網裝置之無線連接世界應該發揮的作用。物聯網和機器對機器(M2M)應用不斷地提升對於遠程連接和低功耗的更高要求,促使人們需要另一種為物聯網而最佳化的Wi-Fi。

Wi-Fi HaLow(發音為HEY-low)協議,透過提供超低功耗的無線解決方案,填補了這一空白,與傳統Wi-Fi相比,該方案可以在更遠的距離和更低的功耗下,連接更多的物聯網裝置。該協議於2016年得到了IEEE 802.11ah任務小組的批准,被Wi-Fi聯盟稱為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow本質上是一款低功耗、遠距離、多用途的Wi-Fi版本,在免授權的1GHz頻譜下運行。Wi-Fi HaLow標準結合了能效、遠程連接、低延遲、高解析視訊品質的數據速率、安全功能以及本地IP支持,是無線連接、電池供電的物聯網裝置之理想協議選擇。讓我們仔細看看Wi-Fi HaLow和傳統Wi-Fi之間的一些主要區別,以及為什麼802.11ah協議非常適合物聯網應用的連接要求。

1Wi-Fi 4/5/6Wi-Fi HaLow的比較

一種省電的協議

Wi-Fi HaLow為耗電的物聯網裝置提供了卓越的能效。IEEE 802.11ah規定的各種複雜的睡眠模式,使HaLow裝置能夠長時間處於極低功率狀態, 節省電池能量:

目標喚醒時間(TWT:Target wake time):這允許站點(STA)和接取點(AP)預先安排一個時間,讓沉睡的站點醒來並監聽信標。

限制存取窗口(RAW:Restricted access window):接取點可以授予站點子集傳輸其數據的權限,而其他站點則被迫休眠、緩衝非緊急數據或兩者兼而有之。

擴展的最大基本服務集(BSS:Basic Service Set)空閒期:這將站點的「允許空閒期」延長至五年。

分層的流量指示映射(TIM :Traffic Indication Mapping): 更有效地分組編碼TIM,節省信標的傳輸時間。

短MAC標頭:這減少了標頭的開銷、傳輸時間和功耗,並釋放了頻譜。

空數據PHY協議數據單元(NPD):這將類似MAC的ACKs/NACKs嵌入PHY層,以減少時間和功耗。

短信標:短(有限)信標頻繁發送以同步站點,而完整信標的發送頻率較低。

BSS著色機制:顏色分配表示特定接取點的BSS組,而站點可以忽略其他顏色。

雙向TXOP(BDT:Bi-directional TXOP)(以前稱為速度幀):當喚醒站點,發現存在用於傳輸的上行鏈路和下行鏈路訊框時,將會減少介質存取的次數。BDT使用實體層協議數據單元(PPDU)的訊號(SIG)字段之響應指示,以增加對第三方站點傳輸的TXOP持續時間保護。

該協議的高效睡眠和電源管理模式,可支援物聯網裝置使用電池運行多年,以及多種靈活的電源和電池大小選擇,從採用鈕扣電池的短距離物聯網裝置,到傳輸超過1公里的更高功率、採用更大電池的應用。與2.4GHz和5GHz頻段的Wi-Fi協議相比,該協議採用的sub-GHz窄頻訊號傳輸距離更遠、能耗更低,讓每單位能耗可傳輸更多數據。

因此,Wi-Fi HaLow晶片所需的功率僅為傳統Wi-Fi晶片的一小部份。雖然傳統Wi-Fi的數據速率較高,讓用戶能夠在2.4GHz、5GHz和6GHz頻段,使用寬頻通道快速傳輸高解析視訊和下載大量檔案,但這些Wi-Fi連接的有效距離很短,電池消耗很快,需要頻繁充電或更換電池,或者最好有一個主電源連接。基於這些原因,Wi-Fi HaLow是電源受限的物聯網裝置之更佳選擇,這些裝置需要達到更遠的距離,並能用電池運行數年,同時仍然提供較高的數據吞吐量。

1:傳統的Wi-Fi 4/5/6協議,使用更高的頻率和更寬的頻寬以實現最大傳輸速率。

Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz協議實現了最佳化的滲透率、覆蓋範圍、功率和容量。

覆蓋範圍更廣

802.11標準涵蓋的頻率範圍非常廣泛,從sub-GHz到毫米波(mmWave)。Wi-Fi HaLow是第一個在免授權的sub-GHz頻段運行的Wi-Fi標準。Wi-Fi HaLow提供的數據速率,從幾百kb/s到幾十Mb/s不等,傳輸距離從幾十公尺到1公里以上。

與傳統Wi-Fi使用的最窄的20MHz通道相比,Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz訊號使用更窄的通道,從1MHz到更窄。由於通道中的熱雜訊較低,這種20倍的頻寬係數轉化為13dB的鏈路預算改善。與傳統的2.4GHz Wi-Fi相比,750MHz – 950MHz之間的RF頻率,需要額外增加8dB-9dB的鏈接預算,從而節省自由空間傳輸損耗。此外,Wi-Fi HaLow協議增加了一個範圍最佳化的調變和編碼方案(MCS10),可提供額外的3dB鏈路預算改進。

總之,與傳統的2.4GHz IEEE 802.11n (Wi-Fi 4)相比,Wi-Fi HaLow提供了高達24dB的鏈路預算改進。與頻率更高、頻寬更寬的802.11ac (Wi-Fi 5)和802.11ax (Wi-Fi 6/6E)協議相比,Wi-Fi HaLow鏈路預算優勢進一步增強,其使用頻寬更寬的5GHz和6GHz頻譜。這就解釋了為什麼Wi-Fi HaLow訊號的傳輸距離,是傳統Wi-Fi的10倍,而不需要網路擴展器。例如,電池供電的攝影機可以放置在家中或車庫外牆更方便的地方。照明系統可以從單個AP控制,而不管燈具是在室內還是戶外的花園裡。

為終端用戶提供無線物聯網解決方案,覆蓋數百公尺的距離,而無需額外的擴展器或昂貴的蜂巢式數據套餐,是802.11ah協議的一個關鍵競爭優勢。 Wi-Fi-HaLow的遠程覆蓋優勢,擴展了智慧家庭和智慧城市網路的範圍,讓用戶能夠控制1公里以外的物聯網裝置,遠遠超出了傳統Wi-Fi協議的覆蓋範圍。

2:比較802.11n/ac ()802.11ah ()的傳輸速率與範圍。

(資料來源:Sensors期刊(Basel)。2016年11月,IEEE 802.11ah:一種因應物聯網挑戰的技術,作者:Victor Baños-Gonzalez, M. Shahwaiz Afaqui, Elena Lopez-Aguilera, & Eduard Garcia-Villegas)

訊號穿透力更強

一般來說,頻率越低,覆蓋範圍越遠,穿透障礙物的能力越強。Sub-GHz的Wi-Fi HaLow訊號可以比傳統Wi-Fi更容易穿過牆壁和其他障礙物。與2.4GHz和5GHz頻段的Wi-Fi協議相比,住宅和商業建築的建築材料和佈局的變化,對sub-GHz HaLow訊號的影響較小。Wi-Fi HaLow可以穿透牆壁和建築物,這有助於減少客戶投訴和產品退貨,這些問題有時會困擾使用傳統Wi-Fi的產品。

Wi-Fi HaLow使用正交頻分多工(OFDM)調變,以校正反射和多徑環境。無論裝置製造商的產品是在室內還是室外,或者是在地下室還是閣樓,Wi-Fi HaLow都可以確保裝置與接取點之間有穩健的連接。這種靈活性消除了提供專有集線器或橋接裝置以補償不同家庭架構的額外成本和複雜度。

高度可擴展的解決方案

單個Wi-Fi HaLow接取點可以處理多達8,191個裝置,是傳統Wi-Fi接取點的4倍多。在可預見的未來,這足夠連接每個LED燈泡、電燈開關、智慧門鎖、電動窗簾、恆溫器、煙霧探測器、太陽能電池板、安全攝影機或任何可想像的智慧家庭裝置;典型的家庭Wi-Fi路由器通常支援幾十種裝置。當寬頻服務供應商在家庭中進行部署時,單個Wi-Fi HaLow接取點可以成為一個可擴展的平台,用於提供額外的安全和公用事業管理裝置和服務。

多種訊號傳遞選項,減少了管理和控制大量HaLow裝置所需的開銷。這樣可以最大限度地減少訊號衝突,並為主動裝置釋放無線電波,從而能以最快的調變和編碼方案(MCS)速率傳輸更多數據。與傳統Wi-Fi一樣,HaLow可以根據訊號完整性和與接取點的距離,自動調整頻寬。預定義的MCS級支援單流、單天線產品的頻寬從150Kbps到40Mbps,使用的通道寬度從1MHz到8MHz,80Mbps的能力也可透過使用可選的16MHz更寬通道來實現。

Wi-Fi HaLow的星形網路拓撲結構、卓越的穿透力、廣闊的覆蓋面積和巨大的容量,將無線連接從難以部署和頻寬受限的網狀網路中釋放出來,簡化了網路安裝,並將總體持有成本降至最低。

具有抗噪性的免授權頻譜

與採用2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統Wi-Fi一樣,Wi-Fi HaLow讓終端用戶能夠擁有自己的裝置,並使用免授權的sub-GHz無線電頻譜,範圍從750MHz到950MHz。Wi-Fi HaLow的可用頻率範圍、最大傳輸功率和工作週期在世界各地有所不同。(例如,美洲可用的HaLow頻譜是902MHz至928MHz,而在歐洲是863MHz至868MHz)。

Wi-Fi HaLow在工業、科學和醫療(ISM)頻段內運行,可以使用多種通道頻寬:1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。頻寬越窄,訊號傳輸的距離就越遠。使用OFDM,以跨多個子通道的數據封包形式傳輸數據,可以在具有挑戰性的RF環境中提高性能,特別是當有來自其他無線電裝置的強干擾時。前向糾錯(FEC)編碼也為恢復數據封包提供了額外的保護,確保穩健的連接。

安全性和互通性

與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣,Wi-Fi HaLow是一種固有的安全無線協議,支援最新的Wi-Fi認證要求(WPA3)和空中傳輸(OTA) AES加密,其數據速率可以實現安全的OTA韌體升級。

就像其他類型的Wi-Fi一樣,HaLow是一項全球公認的標準(IEEE 802.11ah),定義了連接裝置如何進行安全認證和通訊。採用Wi-Fi HaLow的裝置供應商可以保證其產品和網路,並按照Wi-Fi聯盟的開發指導方針來實現互通性。由於Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標準的一部份,Wi-Fi HaLow網路也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網路共存,而不影響其RF性能。

實現本地IP支持

所有物聯網網路都需要網際網路協議(IP)的支持,以實現雲端連接。由於Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標準,因此它提供了本地TCP/IP支持。這種內建的IP功能,意味著物聯網連接不需要專有閘道器或網路橋接器。所有客戶端裝置連接到具有Wi-Fi HaLow功能的路由器時,可以使用IPv4/IPv6傳輸協議,直接存取網際網路,以獲得基於雲端的服務和物聯網數據管理。

HaLow效應:延伸範圍,拓展物聯網的可能性

傳統Wi-Fi的網路擁堵、範圍限制和較高的功耗,以及可連接到單個AP的裝置數量有限,在當今物聯網裝置的世界中已不再可行。這些限制阻礙了各產業出現了以物聯網為中心的新商業模式,這些模式需要更遠的距離、更大的容量、更靈活的電池和電源選項,同時最大限度地降低部署成本。

作為一種遠程協議,Wi-Fi HaLow支援那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達到的戶內外物聯網應用,例如遠程安全攝影機、門禁網路甚至無人機。其他潛在的使用案例包括大型公共場所,如體育場館、購物中心和會議中心,在這些場所中,單個Wi-Fi HaLow接取點可以替代大量的接取點,無需複雜的網狀網路,簡化了安裝,降低了總持有成本。

工業物聯網、過程控制感測器、建築物自動化、倉庫和零售店等眾多應用,也將受益於這種遠程、低功耗協議,讓無數裝置能夠在日益自動化的世界中保持連接。事實上,Wi-Fi-HaLow在傳統的802.11協議中因其覆蓋範圍、能效、容量和多功能性而脫穎而出。

本文原刊登於EDN China網站

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