物聯(lián)網(wǎng)的未來與Wi-Fi HaLow互聯(lián)

作者：Shahar Feldman，摩爾斯微電子營銷副總裁

Wi-Fi HaLow即將出現(xiàn)在您周圍的智能門鎖、恒溫器、安全攝像頭、可穿戴設(shè)備、電子貨架標(biāo)簽和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。什么是Wi-Fi HaLow，是什么讓其成為未來物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接的理想無線協(xié)議？

傳統(tǒng)的Wi-Fi是當(dāng)今使用的最普及的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，承載了一半以上的互聯(lián)網(wǎng)流量。根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，2019年售出的Wi-Fi設(shè)備超過40億臺，全球Wi-Fi安裝量擴(kuò)大到130億臺以上。全球著名信息技術(shù)市場研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics預(yù)測，到2030年，支持Wi-Fi的智能家居設(shè)備的數(shù)量將增加三成以上，達(dá)到170億臺。美國普通家庭現(xiàn)在平均擁有10多臺連接設(shè)備，大多數(shù)使用Wi-Fi通過接入點連接到互聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的快速增長和智能設(shè)備的激增，引發(fā)了人們對Wi-Fi連接的重新思考，揭示了眾多技術(shù)差距，以及Wi-Fi在我們的互聯(lián)世界中應(yīng)該扮演什么角色。許多物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境要求無線信號能夠穿透墻壁并延伸數(shù)百米，同時使低功耗設(shè)備能夠靠小型電池運(yùn)行數(shù)月或數(shù)年。我們的家庭、辦公室和公共場所對遠(yuǎn)程連接的需求不斷增長，加上電池驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和機(jī)對機(jī)（M2M）應(yīng)用的低功耗限制，需要一種針對物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的新型Wi-Fi。

Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi HaLow（發(fā)音為HAY-Low），這是一種新型、低功耗、遠(yuǎn)程的Wi-Fi版本，旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)的獨特要求?；贗EEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi HaLow以Wi-Fi的市場成功為基礎(chǔ)，提供一種毫不妥協(xié)的無線解決方案，提供物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者所尋求的能效、擴(kuò)展范圍、障礙物穿透性、本地IP支持、易用性和最領(lǐng)先的安全特性。

Wi-Fi HaLow以Wi-Fi的市場成功為基礎(chǔ)，增加Wi-Fi連接設(shè)備的范圍和續(xù)航時間。Wi-Fi HaLow還滿足了應(yīng)對最具挑戰(zhàn)性的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境所需的可擴(kuò)展性、穩(wěn)健性和安全性要求。 雖然沒有適用于所有物聯(lián)網(wǎng)場景的“萬能”無線協(xié)議，但Wi-Fi HaLow是第一個解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最緊迫需求的協(xié)議，使其成為我們互聯(lián)世界的理想選擇。Wi-Fi HaLow的應(yīng)用不勝枚舉，從無線傳感器、執(zhí)行器和安全攝像頭到門鎖、電器和恒溫器，所有這些都旨在改善用戶的體驗和生產(chǎn)力，同時降低安裝和運(yùn)營成本。

傳統(tǒng)Wi-Fi與Wi-Fi HaLow的比較

傳統(tǒng)Wi-Fi讓終端用戶能夠在2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的各種無線電頻率上，快速傳輸電影和下載文件。這些較高頻率Wi-Fi連接的有效范圍很短，而且會迅速耗盡電池，需要經(jīng)常充電、更換電池或插電。例如，雖然Wi-Fi 6是4K視頻流和增強(qiáng)現(xiàn)實等帶寬密集型應(yīng)用的理想選擇，但對于必須長時間依靠電池運(yùn)行的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，Wi-Fi 6就不是一個很好的選擇。

傳統(tǒng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)較高的功耗、距離限制和流量擁堵，以及可連接到單個無線接入點（AP）的設(shè)備數(shù)量有限，在智能設(shè)備的互聯(lián)世界中已不再可行。這種限制阻礙了各行業(yè)正在出現(xiàn)的以物聯(lián)網(wǎng)為中心的新商業(yè)模式，這些模式需要更大的容量、范圍和續(xù)航時間，以及更低的部署成本和更短的安裝時間。

Wi-Fi HaLow旨在降低功耗、增加無線范圍和數(shù)據(jù)速率，而不會限制性能，并支持網(wǎng)絡(luò)中的更多設(shè)備。通過利用新的省電睡眠模式，Wi-Fi HaLow讓新型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品成為可能，這些產(chǎn)品可以依靠電池運(yùn)行數(shù)年，同時仍然提供許多Mbps的數(shù)據(jù)吞吐量。Wi-Fi HaLow非常適合大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，因為可以支持來自單個接入點的8，000多個連接。

Wi-Fi HaLow建立在傳統(tǒng)Wi-Fi強(qiáng)大的安全性和頻譜效率高的OFDM基礎(chǔ)上，同時使用低于1GHz的較窄無線電頻率通道，以更好地穿透障礙物。通過在sub-GHz范圍內(nèi)運(yùn)行，Wi-Fi HaLow還避免了高度擁擠的2.4GHz頻段。

表1：Wi-Fi 4/5/6與Wi-Fi HaLow比較

擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)連接的范圍

802.11標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的頻率范圍異常廣泛，從1千兆赫以下（GHz）到毫米波（mmWave）。Wi-Fi HaLow是第一個在免許可的sub-1 GHz頻段運(yùn)行的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。一般規(guī)則：頻率越低，覆蓋范圍越廣，穿透障礙物的能力越強(qiáng)。作為一種sub-1 GHz協(xié)議，Wi-Fi HaLow信號比2.4GHz選項更容易穿過墻壁和其他障礙。此外，Wi-Fi HaLow使用的頻段較窄，是傳統(tǒng)Wi-Fi的十分之一。低于1GHz的頻率和較窄頻段的結(jié)合，讓W(xué)-Fi HaLow設(shè)備能夠達(dá)到10倍的距離，覆蓋100倍的區(qū)域，并通過單個接入點支持1，000倍的容量，同時更容易克服信號障礙。

憑借其sub-1 GHz信號的遠(yuǎn)程覆蓋，Wi-Fi HaLow的好處是擴(kuò)大了智能家居或智能城市網(wǎng)絡(luò)的范圍，讓用戶能夠控制1公里以外的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了藍(lán)牙、Zigbee或Z-Wave等其他短程協(xié)議的范圍。雖然LTE-M和NB-IoT等移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持遠(yuǎn)程連接，但使用特許頻譜，要求終端用戶為潛在的昂貴數(shù)據(jù)套餐付費。其他遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)，如LoRa和Sigfox，其小數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)率非常低，而Wi-Fi HaLow的數(shù)據(jù)率從幾百Kb/s到幾十Mb/s不等，使其成為擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的最佳選擇。

單個Wi-Fi HaLow接入點還可以覆蓋星形網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)千個連接設(shè)備，繞過復(fù)雜、難以部署和帶寬受限的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，從而簡化了網(wǎng)絡(luò)安裝，最大限度地降低了總擁有成本。

圖1：Wi-Fi跨越多個頻段，滿足各種連接挑戰(zhàn)。

（來源：Wi-Fi HaLow：為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用擴(kuò)展Wi-Fi，Wi-Fi聯(lián)盟白皮書）

一種省電的協(xié)議

Wi-Fi HaLow協(xié)議為經(jīng)常長時間睡眠的電源敏感型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，提供了卓越的能效。這實現(xiàn)了靈活的電源和電池選項，從使用紐扣電池運(yùn)行的短程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，到延伸至1公里的更高功率、采用更大電池的應(yīng)用。Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz窄帶信號傳輸距離更遠(yuǎn)，能耗更低，與2.4GHz頻段的無線選項相比，每單位能量可傳輸更多數(shù)據(jù)。

Wi-Fi HaLow支持新的睡眠和電源管理模式，以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更長的續(xù)航時間。此外，當(dāng)與摩爾斯微電子的專有電路設(shè)計優(yōu)化相結(jié)合時，Wi-Fi HaLow提供了可與許多其他無線技術(shù)媲美的低空功耗。

面向物聯(lián)網(wǎng)的一種安全、基于標(biāo)準(zhǔn)的方法

雖然無線技術(shù)的差距已經(jīng)刺激了專有解決方案的開發(fā)，以滿足市場需求，但這些差距可以在廣泛的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)下得到解決。系統(tǒng)集成商可以利用已經(jīng)為傳統(tǒng)Wi-Fi應(yīng)用開發(fā)的相同硬件和軟件資產(chǎn)，享受多廠商生態(tài)系統(tǒng)的支持，并從Wi-Fi聯(lián)盟廣泛的互操作性測試和認(rèn)證計劃中受益。隨著Wi-Fi HaLow的出現(xiàn)，開發(fā)者和終端用戶不再需要在范圍、吞吐量、功耗、網(wǎng)絡(luò)容量、復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)置或月費上做出妥協(xié)。

所有物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)都需要互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）支持，以實現(xiàn)云連接。因為Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，它提供本地TCP/IP支持。與其他短程協(xié)議選項（如藍(lán)牙或Zigbee）不同，這種內(nèi)置的IP功能，意味著無需專有網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)橋即可連接到云端進(jìn)行軟件更新或物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用管理。

與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣，Wi-Fi HaLow本身就是一種安全的無線協(xié)議。采用最新的Wi-Fi Protected Access 3（WPA3）安全協(xié)議，以及用于安全啟動實施的加密信息和唯一ID技術(shù)。Wi-Fi HaLow的高數(shù)據(jù)速率，還支持安全無線（OTA）固件升級，同時加速云連接。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的一部分，所以Wi-Fi HaLow網(wǎng)絡(luò)也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網(wǎng)絡(luò)共存，而不影響其射頻性能。

Wi-Fi HaLow用例

Wi-Fi HaLow因其多功能性而脫穎而出。Wi-Fi HaLow能滿足物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、樓宇自動化、智能城市以及工業(yè)和農(nóng)業(yè)環(huán)境中的各種用例要求。過程控制傳感器、建筑和工業(yè)自動化、倉庫和零售店等許多應(yīng)用，將受益于Wi-Fi HaLow技術(shù)，讓眾多遠(yuǎn)程、對電源敏感的設(shè)備在日益自動化的世界中保持連接。

在部署的初始階段，Wi-Fi HaLow預(yù)計將用于標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi無法到達(dá)的室內(nèi)外應(yīng)用，如電池操作的監(jiān)控系統(tǒng)、無線攝像頭和動作傳感器。大型場館，如音樂廳、購物中心、倉庫、酒店和體育場館，是另一種用例，單個Wi-Fi HaLow接入點可以替代大量的接入點，避免了在有限范圍內(nèi)實施復(fù)雜網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的需要。

Wi-Fi HaLow網(wǎng)絡(luò)的潛在用例跨越物聯(lián)網(wǎng)：

• 智能家居設(shè)備
• 監(jiān)控系統(tǒng)
• 訪問控制
• 工業(yè)過程控制
• 物流和資產(chǎn)管理
• 零售標(biāo)簽、指示牌和掃描儀
• 樓宇自動化
• 可穿戴設(shè)備和移動設(shè)備
• 智能城市基礎(chǔ)設(shè)施
• 農(nóng)業(yè)和環(huán)境傳感器

帶有Wi-Fi HaLow的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將在免許可的sub-1 GHz頻段提供新的選項，以支持PC生態(tài)系統(tǒng)中廣泛使用的IP網(wǎng)絡(luò)和OFDM調(diào)制方案。從長遠(yuǎn)來看，Wi-Fi HaLow可用于擴(kuò)展移動設(shè)備、PC以及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

Wi-Fi HaLow蓄勢待發(fā)

Wi-Fi HaLow技術(shù)的商業(yè)推廣正在進(jìn)行中，該技術(shù)的創(chuàng)新正在獲得市場的關(guān)注。例如，摩爾斯微電子正在投資，通過提供業(yè)界最小的系統(tǒng)芯片（SoC）和模塊解決方案，加快市場向Wi-Fi HaLow的轉(zhuǎn)變。主要的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商對在下一代互聯(lián)產(chǎn)品中使用Wi-Fi HaLow SoC和模塊很感興趣。Wi-Fi聯(lián)盟已經(jīng)宣布，HaLow認(rèn)證計劃將于2021年推出。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷成熟和多樣化，當(dāng)今天高度分散的無線領(lǐng)域圍繞幾個協(xié)議進(jìn)行合并，以滿足物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵應(yīng)用的需求時，市場將得到更快的發(fā)展。Wi-Fi HaLow是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中這一拐點的最佳無線技術(shù)。市場對Wi-Fi HaLow的采用，將有助于推動物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入一個可擴(kuò)展、安全、低功耗和遠(yuǎn)程連接的新時代。