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Wi-Fi HaLow 和传统 Wi-Fi 的区别

2021-06-07

Wi-Fi 就像我们互联世界的氧气。它是当今使用最广泛的无线网络协议，承载了所有互联网一半以上的流量。“Wi

Wi-Fi 就像我们互联世界的氧气。它是当今使用最广泛的无线网络协议，承载了所有互联网一半以上的流量。“Wi-Fi”是一个包罗万象的术语，用于描述不断发展的 802.11 协议家族，这些协议已经发展了超过 20 年。Wi-Fi 联盟是推动 Wi-Fi 采用和发展的组织，它使用数字命名法简化了常用 Wi-Fi 代的名称，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场所使用其中一种 Wi-Fi。

尽管 Wi-Fi 4/5/6 无处不在，但物联网 (IoT) 的快速增长迫使人们重新思考传统 Wi-Fi。这种重新评估揭示了技术差距，并重新定义了 802.11 协议在当今超低功耗物联网设备的无线连接世界中应发挥的作用。物联网和机器对机器 (M2M) 应用对远程连接和低功耗的更高要求正在推动对另一种为物联网优化的 Wi-Fi 的需求。

Wi-Fi HaLow（比如“HEY-low”）协议通过提供超低功耗无线解决方案填补了这些空白，该解决方案以比传统 Wi-Fi 远得多的距离和低得多的功耗连接大量物联网设备。该协议于 2016 年由 IEEE 802.11ah 任务组批准，并被 Wi-Fi 联盟称为 Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow 本质上是在未经许可的 sub-1-GHz 频谱中运行的低功耗、更远距离和更通用的 Wi-Fi 版本。Wi-Fi HaLow 标准独特地结合了能效、远程连接、低延迟、高清视频质量数据速率、安全功能和原生 IP 支持，使其成为无线连接、电池供电的物联网设备的理想协议选择。

让我们仔细看看 Wi-Fi HaLow 和传统 Wi-Fi （见表）之间的一些主要区别，以及为什么 802.11ah 协议非常适合满足物联网应用的连接要求。

电池友好型协议


Wi-Fi HaLow 为功耗敏感的物联网设备提供卓越的能效。IEEE 802.11ah 指定的各种复杂的睡眠模式使 HaLow 设备能够长时间保持极低功耗状态，从而节省电池能量：

目标唤醒时间 (Target wake time ：TWT)：这允许站点 (station：STA) 和接入点 (access point：AP) 预先安排睡眠 STA 唤醒并侦听信标的时间。

受限访问窗口 (Restricted access window：RAW)： AP 可以向一部分 STA 授予权限以传输其数据，而其他人则被迫休眠、缓冲非紧急数据或两者兼而有之。

扩展的最大基本服务集 (basic service set ：BSS) 空闲：这将 STA 的允许空闲时间延长至五年。

分层流量指示映射 (traffic indication mapping：TIM)：按组对 TIM 进行更有效的编码可以节省信标的广播时间。

短 MAC 标头（headers）：这减少了标头开销、广播时间和功耗，并释放了频谱。

空数据 PHY 协议数据单元 (Null data PHY protocol data units：NPD)：这将类似 MAC 的 ACK/NAK 嵌入到 PHY 层以减少时间和功耗。

短信标：频繁发送短（有限）信标以同步 STA，而较少发送完整信标。

BSS 着色：颜色分配指示特定 AP 的 BSS 组，而 STA 可以忽略其他颜色。

双向 TXOP (Bidirectional TXOP：BDT)（以前称为速度帧）： 当 STA 醒来发现存在用于传输的上行链路和下行链路帧时，这会减少介质访问的次数。BDT 在物理层协议数据单元 (PPDU) 的信号 (SIG) 字段中使用响应指示来增加对第三方 STA 传输的 TXOP 持续时间保护。

该协议的高效睡眠和电源管理模式支持物联网设备的多年电池运行，以及各种灵活的电源和电池尺寸选项，从在纽扣电池上运行的短距离物联网设备到更高功率、更远距离（超过 1 公里）的电池应用。与 2.4 GHz 和 5 GHz 频段中的 Wi-Fi 协议相比，该协议的 sub-GHz 窄带信号传输距离更远且能量更少，因此每单位能量传输的比特数更多。

因此，Wi-Fi HaLow 芯片所需的功率仅为传统 Wi-Fi 芯片的一小部分。虽然传统 Wi-Fi 的更高数据速率使用户能够使用 2.4-、5- 和 6-GHz 频段的宽频道流式传输高清视频内容并快速下载大量文件，但这些 Wi-Fi 连接的有效距离很短，它们会很快耗尽电池电量。因此，需要频繁充电或更换电池，或者理想情况下需要连接主电源。由于这些原因，Wi-Fi HaLow 是功率受限的物联网设备的更好选择，这些设备需要达到更长的距离并依靠电池供电运行多年，同时仍能提供每秒数兆比特的数据吞吐量。

覆盖范围更远


802.11 标准涵盖了异常广泛的频率范围，从 sub-GHz 到毫米波 (mmWave)。HaLow 是第一个在未经许可的 sub-GHz 频段中运行的 Wi-Fi 标准。它提供的数据速率从每秒数百千比特到每秒数十兆比特不等，跨越数十米到超过一公里的距离。

与传统 Wi-Fi 使用的最窄 20-MHz 信道相比，Wi-Fi HaLow 的 sub-1-GHz 信号使用 1 MHz 及以上的更窄信道（图 1）。由于通道中的热噪声较低，这 20 倍的带宽因子转化为 13 dB 的链路预算改进。750 至 950 MHz 之间的射频频率与传统的 2.4 GHz Wi-Fi 相比，需要额外增加 8 至 9 dB 的链路预算，从而节省自由空间传播损耗。此外，Wi-Fi HaLow 协议添加了范围优化调制和编码方案 (MCS10)，可提供额外的 3-dB 链路预算提升。


总而言之，与传统的 2.4-GHz IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) 相比，Wi-Fi HaLow 提供高达 24 dB 的链路预算改进。与使用 5-GHz 和 6-GHz 频率的更高频率、更高带宽的 802.11ac (Wi-Fi 5) 和 802.11ax (Wi-Fi 6/6E) 协议相比，HaLow 链路预算优势进一步增强。具有更宽带宽的 GHz 频谱。

这就解释了为什么 Wi-Fi HaLow 信号在不需要网络扩展器的情况下比传统 Wi-Fi 传输的距离远 10 倍。例如，电池供电的相机可以放置在家庭或车库墙壁外更方便的位置。无论灯具是在室内还是室外的花园中，都可以通过单个 AP 控制照明系统。

为最终用户提供覆盖数百米的无线物联网解决方案——无需额外的扩展器或昂贵的蜂窝数据计划——是 802.11ah 协议的关键竞争优势。凭借其长距离覆盖范围，Wi-Fi HaLow 的优势扩展了智能家居和智慧城市网络的范围，使用户能够控制超过 1 公里的物联网设备，远远超出传统 Wi-Fi 协议的范围。

更好的信号穿透


一般规则：频率越低，覆盖范围越长，穿透障碍的效果越好。但与传统 Wi-Fi 相比，Sub-GHz Wi-Fi HaLow 信号可以更轻松地穿过墙壁和其他障碍物。

与 2.4 GHz 和 5 GHz 频段中的 Wi-Fi 协议相比，建筑材料和住宅和商业建筑布局的可变性对 sub-GHz HaLow 信号的影响较小。Wi-Fi HaLow 通过墙壁和建筑物的卓越覆盖范围有助于减少客户服务电话和产品退货，这些问题有时会困扰使用传统 Wi-Fi 的产品（图 2）。


Wi-Fi HaLow 利用正交频分复用 (OFDM) 调制来校正反射和多径环境。设备制造商可以放心与 AP 建立强大的 HaLow 连接，无论他们的产品位于室内还是室外，或者是在地下室还是家中的阁楼。这种灵活性消除了提供专有集线器或桥接设备以补偿不同家庭架构的额外成本和复杂性。

高度可扩展的解决方案


单个 Wi-Fi HaLow AP 最多可寻址 8,191 台设备，是传统 Wi-Fi AP 的四倍多。在可预见的未来，这足以连接每个 LED 灯泡、电灯开关、智能门锁、电动窗帘、恒温器、烟雾探测器、太阳能电池板、安全摄像头或任何可以想象的智能家居设备。

典型的家庭 Wi-Fi 路由器一般支持数十台设备。当宽带服务提供商在家中部署时，单个 Wi-Fi HaLow AP 可以成为一个可扩展的平台，用于提供额外的安全和公用事业管理设备和服务。

多个信令选项减少了管理和控制大量 HaLow 设备所需的开销。这最大限度地减少了信号冲突，并为有源设备释放了无线电波，以尽可能快的 MCS 速率传输更多数据。

与传统 Wi-Fi 一样，HaLow 可以根据信号完整性和与 AP 的距离自动调整带宽。预定义的 MCS 级别支持 150 kb/s 到 40 Mb/s 的带宽，适用于使用 1 到 8 MHz 信道宽度的单流、单天线产品，并且使用可选的 16 -MHz 宽的频道。

Wi-Fi HaLow 的星型网络拓扑结构、卓越的渗透率、广泛的覆盖范围和巨大的容量将连接从难以部署和带宽受限的网状网络中解放出来，简化了网络安装，并最大限度地降低了总拥有成本。

具有抗噪能力的免许可频谱


与 2.4-、5- 和 6-GHz 频段中的传统 Wi-Fi 一样，Wi-Fi HaLow 使最终用户能够拥有他们的设备并使用免许可的 sub-GHz 无线电频谱，范围从 750 到 950 MHz。Wi-Fi HaLow 的可用频率范围、最大发射功率和占空比在世界各地各不相同（例如，美洲的可用 HaLow 频谱为 902 至 928 MHz，而欧洲为 863 至 868 MHz）。

Wi-Fi HaLow 在工业、科学和医疗 (ISM) 频段内运行，可以使用多种信道带宽：1 MHz、2 MHz、4 MHz、8 MHz 和 16 MHz。带宽越窄，信号传输的距离就越远。使用 OFDM 以跨多个子信道的数据包形式传输数据，这可以提高具有挑战性的 RF 环境中的性能，尤其是在存在来自其他无线电设备的强烈干扰时。前向纠错 (FEC) 编码还为恢复数据包提供了额外的保护，确保了稳健的连接。

安全且可互操作


Wi-Fi HaLow 与其他 IEEE 802.11 Wi-Fi 版本一样，是一种本质上安全的无线协议。它支持最新的 Wi-Fi 认证 (WPA3) 要求和无线 (OTA) 流量的 AES 加密，其数据速率可实现安全的 OTA 固件升级。

与其他类型的 Wi-Fi 一样，HaLow 是全球公认的标准 (IEEE 802.11ah)，它定义了连接设备如何安全地进行身份验证和通信。使用 Wi-Fi HaLow 的设备供应商可以放心，他们的产品和网络将按照 Wi-Fi 联盟的开发指南进行互操作。因为它是 IEEE 802.11 标准的一部分，所以 Wi-Fi HaLow 网络也可以与 Wi-Fi 4、Wi-Fi 5 和 Wi-Fi 6 网络共存，而不会影响它们的射频性能。

使用 IP 实现原生


所有物联网网络都需要互联网协议 (IP) 支持云连接。由于 Wi-Fi HaLow 是 802.11 Wi-Fi 标准，因此它提供本地 TCP/IP 支持。这种内置 IP 功能意味着物联网连接不需要专有网关或网桥。连接到支持 Wi-Fi HaLow 的路由器的所有客户端设备都可以使用 IPv4/IPv6 传输协议直接访问互联网以获取基于云的服务和物联网数据的管理。

HaLow Effect：扩大影响范围，扩大物联网的可能性


传统 Wi-Fi 的网络拥塞、范围限制和更高的功耗，以及可连接到单个 AP 的设备数量有限，对于当今的物联网设备连接世界不再可行。这些限制阻碍了新的以物联网为中心的商业模式出现在需要更长距离、更大容量和更灵活的电池和电源管理选项的行业中，同时最大限度地降低部署成本。

作为一种远程协议，Wi-Fi HaLow 支持超出 2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 范围的室内和室外物联网应用，例如远程安全摄像头、访问控制网络，甚至无人机。其他潜在用例包括体育场馆、购物中心和会议中心等大型公共场所，在这些场所，单个 Wi-Fi HaLow AP 可以替代许多传统 Wi-Fi AP，无需复杂的网状网络，简化安装，并且降低总拥有成本。

工业物联网、过程控制传感器、楼宇自动化、仓库和零售店等众多其他应用也将从这种远程、低功耗协议中受益，使无数设备能够在日益自动化的世界中保持连接。事实上，Wi-Fi HaLow 因其扩展的覆盖范围、能效、容量和多功能性而在传统 802.11 协议中脱颖而出。
说明：本文转自半导体行业观察，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。

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珠海泰芯半导体有限公司成立于2016年，是一家以集成电路设计、无线智能通信解决方案为一体的高新技术企业。我们先后推出了远距离低功耗远距离物联网WIFI芯片、低功耗电机控制器芯片及产品方案。公司坚持以市场为导向、以技术为核心，为客户提供优质的芯片及产品技术方案。

公司核心产品：远距离低功耗物联网的WIFI通信芯片。该芯片可运用于智能家居、安防监控、无人机图传、智能抄表、智能门锁、智能电网、智能医院、物流机器人等产品领域。