Wi-Fi HaLow——与众不同的Wi-Fi体验

Wi-Fi HaLow很快就会出现在我们日常生活中的智慧门锁、安保摄影机、可穿戴设备和无线传感器网络上。什么是Wi-Fi HaLow？与传统的Wi-Fi（4/5/6）有何不同？究竟是什么让Wi-Fi HaLow成为物联网的理想协议？

Wi-Fi就像是在互联世界的氧气，为当今最普遍的无线网络协议，承载了超过一半的因特网流量。「Wi-Fi」是一个通用术语，指的是经过二十多年发展而成的802.11协议家族。Wi-Fi联盟是推动Wi-Fi应用和发展的组织，该组织用数字命名法，简化了常用的几代Wi-Fi名称，例如Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac、Wi-Fi 6 = 802.11ax。您正在家中或工作场所使用的，很有可能就是这些类型的Wi-Fi。

尽管Wi-Fi 4/5/6无处不在，但物联网（IoT）的快速发展迫使人们重新思考传统的Wi-Fi协议，并揭示了技术上的差异，以及重新定义802.11协议于当今无线连接世界的超低功耗物联网设备上应扮演的角色。由于物联网和机器对机器（Machine-to-Machine, M2M）的应用对远程连接和低功耗性能的要求更高，更需要另一种优化的Wi-Fi技术来满足物联网的需求。

Wi-Fi HaLow协议经由提供超低功耗无线解决方案来满足这些需求。相较于传统Wi-Fi，此一解决方案能在更远距离以更低功率来连接大量的物联网设备。该协议于2016年获得IEEE 802.11ah专业工作组的批准，并由Wi-Fi联盟冠名为Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow协议标准具有出色的能源效率、远程连接、低延迟、高清视讯质量的数据速率、安全功能和支持本地IP的独特组合，使其成为无线连接、电池供电物联网设备的理想选择。本文将详细分析Wi-Fi HaLow和传统Wi-Fi的主要区别，以及为何802.11ah协议非常适合且能满足物联网应用的连接要求。

表一 Wi-Fi和Wi-Fi HaLow的差异

适用于电池供电的协议
Wi-Fi HaLow为功率敏感的物联网设备提供卓越的能源效率。IEEE 802.11ah规范各种复杂的睡眠模式，使HaLow设备能够长时间保持在非常低的功耗状态，?节省电池能量：

目标唤醒时间（Target Wake Time；TWT）：允许站点（STA）和存取点（access point；AP）预先安排时间唤醒睡眠中的STA，以接听信标。

限制存取窗口（Restricted Access Window；RAW）：AP可以授予一部分STA传输资料的权限，而其他则被迫休眠、缓冲非紧急数据，或两者都受限制。

延长最大基本服务集（basic service set；BSS）的闲置期：允许STA闲置期延长至五年。

分层的流量指示图（Traffic Indication Mapping；TIM）：群组对TIM进行更有效的编码，可以节省信目标传播时间。

媒体访问控制（Medium Access Control；MAC）标头较短：可以减少标头消耗、传播时间和功耗，并释出频谱。

无数据物理层（PHY）协议数据单元（Null data PHY protocol data；NPD）：将类似MAC的ACK/NAK嵌入到PHY层以减少时间和功率。

短信标：完整信标发送频率较低时，短（有限制性）信标可频繁发送以同步STA。

BSS着色：当STA可忽略其他颜色时，颜色配置会指定BSS群组给特定的AP。

双向TXOP（BDT）（昔称为速度帧）：当STA醒来，发现要传输的上行链路和下行链路帧存在时，可减少媒体存取的次数。BDT利用物理层协议数据单元 （physical-layer protocol data unit；PPDU） 讯号（SIG）字段中的响应指示，增加TXOP保护期间，免于受第三方STA传输的干扰。

该协议的高效睡眠和电源管理模式，可支持物联网设备以电池供电多年，并具有广泛且灵活的电源和电池尺寸选项，应用可从钮扣电池上运行的短距离物联网设备到更高功率、更大电池、超过1公里以上的范围。与2.4和5 GHz频段的Wi-Fi协议相比，该协议的1GHz以下窄频讯号可传送得更远且能耗更低，每单位能量可传输更多位数。

低能耗
Wi-Fi HaLow芯片所需功率远远低于传统Wi-Fi芯片。虽然传统Wi-Fi高数据速率能够使用2.4 GHz、5 GHz和6 GHz 频段的宽带，快速传输高清视讯内容并大量下载档，但这些Wi-Fi连接的有效距离很短，并且会很快耗尽电池，需要经常充电、更换电池或要求理想的主电源连接。有鉴于此，由于这些设备需要到达更远的距离并仰赖电池供电运行多年，同时仍须提供每秒数兆位的数据传输量，对受制于电能的物联网设备而言，Wi-Fi HaLow是更好的选择。

更长覆盖范围
与传统Wi-Fi最窄的20 MHz频道相比，Wi-Fi HaLow的1GHz以下讯号使用1 MHz（含）以上更窄的频道。由于频道中的热噪声较低，这相差20倍的带宽因子可转化为13dB链路预算的改善。与传统的2.4 GHz Wi-Fi相比，频率在750 MHz–950 MHz之间的射频仅额外增加8-9 dB的链路预算，节省自由空间的传播损耗。此外，Wi-Fi HaLow协定添加了范围优化的调制和编码设计（MCS10），可额外提供3dB链路预算的改善。

 
图一 : 传统的Wi-Fi 4/5/6协议使用更高的频率和更宽的带宽来达到最大吞吐量。Wi-Fi HaLow的1 GHz以下协议优化了穿透率、覆盖范围、功率和容量。

能为终端使用者提供覆盖数百米的无线物联网解决方案?，且?无需额外的中继设备或昂贵的蜂巢电讯数据规划?，此为802.11ah协议的关键竞争优势。凭借其远程覆盖能力，Wi-Fi HaLow的优势扩展了智能家庭和智能城市网络的范围，让用户能够控制1公里以外的物联网设备，远远超出传统Wi-Fi协议的覆盖范围。

 
图二 : 802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的吞吐量与范围。

更好的讯号穿透力
与传统Wi-Fi相比，1GHz以下Wi-Fi HaLow讯号可以更轻松穿过墙壁和其他障碍物。与2.4GHz和5GHz频段中的Wi-Fi协议相比，住宅和商业大楼的建筑材料和平面布局的差异对1GHz以下HaLow讯号的影响较小。传统Wi-Fi产品有时会出现用户遇到问题而致电客服求助，甚至要求退货的困扰，而Wi-Fi HaLow能穿透墙壁和建筑物的卓越覆盖范围，有助于减少此类问题。

无论产品使用时位于室内还是室外，或者位于家中的地下室还是阁楼，设备制造商都可以确保与存取点（AP）建立可靠的HaLow连接。

可大幅扩展的解决方案
一个Wi-Fi HaLow AP的设备寻址能力最多可达到8,191台，是传统Wi-Fi AP设备数量的4倍之多。在可预见的未来，这足以连接每个LED灯泡、电灯开关、智慧门锁、电动窗帘、恒温器、烟雾探测器、太阳能电池板、安保摄影机或任何可想象的智慧家庭设备。典型的家用Wi-Fi路由器一般可支持数十台设备。

当宽带服务厂商在家中部署一组Wi-Fi HaLow AP时，即可成为一个可扩展的平台，额外提供安全装置及管理水电设备和服务。

具备抗噪能力的免许可频谱
与2.4GHz、5GHz和6GHz频段的传统Wi-Fi一样，Wi-Fi HaLow 终端使用者能够拥有自己的设备并使用从750MHz到950MHz的免许可1GHz以下无线电频谱。

在ISM频段内运行的Wi-Fi HaLow可以使用多种带宽的通道：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。带宽越窄，讯号可以传播的越远。数据以数据报形式使用OFDM传输跨越多个亚通道时，可在深具挑战性的RF环境中提高性能，尤其是受到其他无线电设备的强烈干扰时。前向纠错（Forward error correction；FEC）编码还为数据报的复原提供额外的保护，确保连接的稳健性。

安全且具备互操作性
Wi-Fi HaLow与其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一样，是一种原生的无线安全协议，支持最新的Wi-Fi身份验证要求（WPA3）和空中无线（over-the-air；OTA）传输的AES加密，其数据速率可实现安全的OTA韧体升级。

与其他类型的Wi-Fi一样，HaLow是全球公认的标准（IEEE 802.11ah），定义连接设备如何执行身份验证和通讯安全。使用Wi-Fi HaLow的设备厂商可以确保他们的产品和网络能够遵照Wi-Fi联盟的发展指南进行互操作。由于它是 IEEE 802.11标准的一部分，Wi-Fi HaLow网络还可以与Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6网络共存，不会影响他们的射频性能。

利用IP实现本地化
所有物联网网络都需要因特网协议（Internet protocol；IP）支持来执行云端连接。 因为Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi标准，所以可提供本地TCP/IP支持。这种内置的IP功能意味着物联网连接不再需要专有网关或网桥。所有连接支持Wi-Fi HaLow路由器的客户端设备，都可以使用IPv4/IPv6传输协议直接存取因特网，以实现基于云端的物联网数据服务和管理。

延伸覆盖范围，扩大物联网的可能性
传统Wi-Fi的网络拥堵、范围限制和较高的功耗，以及可连接到单个AP的设备数量有限，在当今物联网设备的世界中已不再可行。这些限制阻碍了各行业内以物联网为中心的新商业模式，这些模式需要更远的距离、更大的容量、更灵活的电池和电源选项，同时最大限度地降低部署成本。

作为一种远程协议，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi无法达到的室内外物联网应用，例如远程安保摄影机、门禁网络甚至无人机。其他潜在使用案例包括大型公共场所，如体育场馆、购物中心和会议中心，在这些场所，单个Wi-Fi HaLow存取点可以替代大量的存取点，无需复杂的网状网络，简化了安装，降低了总体拥有成本。

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应用，也将受益于这种远程、低功耗协议，让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在传统的802.11协议中因其覆盖范围、能效、容量和多功能性而胜出。