物聯(lián)網(wǎng)和M2M網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展在許多市場創(chuàng)造了新的機(jī)遇。根據(jù)全球領(lǐng)先數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)公司Statista的數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將從2021年的138億臺增加到2025年的300億臺以上。這些應(yīng)用中有很多都需要遠(yuǎn)距離連接設(shè)備或傳感器，因此要求能效高且電池壽命長。

Wi-Fi(IEEE 802.11)是家庭和小型企業(yè)應(yīng)用的首選互聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)，在Wi-Fi的成功基礎(chǔ)上，Wi-Fi聯(lián)盟推出了另一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)——Wi-Fi HaLow。這是一種安全、節(jié)能的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)1公里以上距離通信。Wi-Fi HaLow通過Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)了中短程高速視頻流以及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?qiáng)大性能。

什么是Wi-Fi HaLow?

擴(kuò)大Wi-Fi技術(shù)范圍這一想法得到了許多行業(yè)先鋒的支持，并隨著IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)的批準(zhǔn)得以鞏固。支持者們致力于使用Wi-Fi HaLow并制定了一項(xiàng)認(rèn)證計(jì)劃，加速市場采用和普及。這一努力取得了成效。Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi CERTIFIED HaLow?計(jì)劃，以滿足日益增長的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需求。摩爾斯微電子正在提供首個Wi-Fi HaLow CERTIFIED開發(fā)平臺以支持該計(jì)劃的推出。

Wi-Fi聯(lián)盟總裁兼首席執(zhí)行官埃德加?菲格羅阿(Edgar Figueroa)表示：“Wi-Fi CERTIFIED HaLow進(jìn)一步擴(kuò)展了Wi-Fi在物聯(lián)網(wǎng)中的主導(dǎo)作用，以解決一系列需要更遠(yuǎn)距離和更低功耗的安全互通的新應(yīng)用。Wi-Fi HaLow是對Wi-Fi產(chǎn)品組合的一個令人驚嘆的補(bǔ)充，讓全部Wi-Fi功能成為無與倫比的連接產(chǎn)品;在不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)市場中，簡化連接的機(jī)會越來越多，Wi-Fi HaLow建立在普遍信任的Wi-Fi基礎(chǔ)上，為新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用鋪平道路，為家庭、企業(yè)和產(chǎn)業(yè)帶來益處?！?/p>

Wi-Fi HaLow是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在850-950 MHz范圍內(nèi)運(yùn)行，通常稱為亞GHz范圍。在較低頻率下運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)是，信號可以傳播更遠(yuǎn)的距離，并且可以穿透墻壁和障礙物，而在較高頻率下則無法穿透。標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi使用更高頻率(2.4 GHz、5 GHz或6GHz)的無線電波，能夠在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)高吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸。新的Wi-Fi HaLow技術(shù)擴(kuò)展了Wi-Fi的范圍，更重要的是，消耗的功率非常低，從而延長了電池壽命。這將大大降低偏遠(yuǎn)地區(qū)或難以到達(dá)地區(qū)的運(yùn)營維護(hù)成本。

Wi-Fi HaLow的主要優(yōu)勢

• 基于IEEE 802.11ah的開放標(biāo)準(zhǔn)
• 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)亞GHz范圍運(yùn)行
• 支持遠(yuǎn)距離傳輸，最遠(yuǎn)可達(dá)1公里;該距離是目前Wi-Fi的10倍
• 信號可以穿透墻壁和障礙物
• 根據(jù)不同的應(yīng)用，電池壽命可達(dá)到5年以上
• 無需專有的集線器或網(wǎng)關(guān)就能接入互聯(lián)網(wǎng)
• 基于WPA3和Wi-Fi Enhanced Open?的內(nèi)置安全性
• 鏈接數(shù)據(jù)速率在遠(yuǎn)距離(>1Km)上從150Kbps不等，在短距離上高達(dá)86.7Mbps(圖1)。

圖1：Wi-Fi HaLow呈現(xiàn)出強(qiáng)大的性能，數(shù)據(jù)速率從遠(yuǎn)距離的150 kbps到近距離的86.7 Mbps不等(來源：Wi-Fi聯(lián)盟白皮書)

安全性

Wi-Fi HaLow利用了“Wi-Fi訪問保護(hù)”(WPA)安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。該技術(shù)對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以保護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)免受外部威脅。該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)是第三代。包括Wi-Fi HaLow在內(nèi)的所有新的Wi-Fi認(rèn)證設(shè)備，都需要通過Wi-Fi CERTIFIED WPA3?要求。

WPA3利用“對等實(shí)體同時驗(yàn)證”(SAE)，修復(fù)了漏洞并減輕了舊安全協(xié)議的威脅，支持更長的加密密鑰和個性化的數(shù)據(jù)保護(hù)，從而確保每個客戶端和接入點(diǎn)之間數(shù)據(jù)流量的各自安全，以防止一個客戶端數(shù)據(jù)被連接到同一網(wǎng)絡(luò)的另一客戶端進(jìn)行解密。這種最新的安全協(xié)議使攻擊者更難通過猜測密碼侵入網(wǎng)絡(luò)，即使網(wǎng)絡(luò)密鑰(密碼)被破解，也無法解密過去的數(shù)據(jù)。

對比

Wi-Fi HaLow在市場上眾多的其他低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)中脫穎而出。如圖2所示，Wi-Fi HaLow的數(shù)據(jù)速率達(dá)到數(shù)十Mbps，使之成為唯一能夠在網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻的協(xié)議。

圖2：Wi-Fi HaLow與其他LPWAN技術(shù)的比較(來源：摩爾斯微電子)

電池壽命

電池的實(shí)際壽命取決于應(yīng)用程序、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和頻率。盡管如此，不同的網(wǎng)絡(luò)特性可以決定網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備如何有效地利用能量。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率越快，無線電就會越快地傳輸數(shù)據(jù)并返回到低功率模式。除了高數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi HaLow還引入了增強(qiáng)的睡眠模式，如“目標(biāo)喚醒時間”和流量調(diào)度器，如“受限訪問窗口”，允許每個星型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入睡眠以節(jié)省能量，忽略不相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)流量。另一方面，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如Zigbee、Z-wave或Thread使用的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣之間傳播時，必須由每個節(jié)點(diǎn)接收和重傳相同的數(shù)據(jù)。

Wi-Fi HaLow實(shí)現(xiàn)了“先聽后說”，以最大限度地減少數(shù)據(jù)沖突并保持較高的網(wǎng)絡(luò)利用率。相比之下，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求網(wǎng)絡(luò)中的更多設(shè)備覆蓋與Wi-Fi HaLow相同的區(qū)域(Zigbee/Z-wave/Thread節(jié)點(diǎn)覆蓋20-30米，而Wi-Fi HaLow的覆蓋范圍為1公里)。再加上每個節(jié)點(diǎn)都需要重傳數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致更高的網(wǎng)絡(luò)擁塞、更多的沖突和更短的電池壽命。

圖3顯示了IMEC(微電子研究中心)所做的比較，其中Wi-Fi HaLow電池壽命與其他技術(shù)在十分鐘傳輸間隔的使用情況下進(jìn)行了比較。 在這項(xiàng)分析中，Wi-Fi HaLow提供了3.15年的電池壽命，與其他LPWANs相比，電池壽命更長。

技術(shù)

圖3：電池壽命比較(來源：Wi-Fi聯(lián)盟白皮書)

Wi-Fi HaLow用例

該技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。包括家居和建筑自動化、運(yùn)輸和物流、工業(yè)無線通信、汽車、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的帶外控制、太陽能管理、醫(yī)療保健、Wi-Fi HaLow + 2.4 GHz混合應(yīng)用等。

擴(kuò)展范圍的用例——戶外攝像頭

房屋所在的地塊大小因位置而異。在城市里，房子可能較小，沒有院子或院子很小。然而，當(dāng)遠(yuǎn)離市中心時，房子可能較大、位于較大的地塊上，這使得遠(yuǎn)程攝像頭的安裝和連接成為一個挑戰(zhàn)。

Wi-Fi HaLow技術(shù)解決了這個問題。低功耗攝像頭可以使用電池，安裝在廣闊土地上的關(guān)鍵區(qū)域，信號不會被樹木或其他障礙物所阻擋。圖像信號或視頻信號可以輕松到達(dá)接入點(diǎn)進(jìn)行本地監(jiān)控或云端訪問。事實(shí)上，基于Wi-Fi HaLow的攝像頭也可以造福于公寓大樓，可以覆蓋難以到達(dá)的公共區(qū)域，如地下停車場或屋頂。

戶外攝像頭用例也可以應(yīng)用于畜牧業(yè)。例如，可以在關(guān)鍵位置安裝攝像頭來監(jiān)控牛群，并幫助識別是否有跡象表明有一頭?；蚨囝^牛特別需要注意健康，從而提高生產(chǎn)力。此外，攝像頭還可以安裝在圍欄的外緣，監(jiān)控靠近的入侵者，如野生動物，以幫助保護(hù)牲畜和寵物。

更重要的是，這些遠(yuǎn)程攝像頭的電池可以持續(xù)多年，提供了便利，并降低了維護(hù)成本。

發(fā)展勢頭增強(qiáng)

Wi-Fi HaLow的發(fā)展勢頭正在增強(qiáng)，Wi-Fi聯(lián)盟正在采取重大措施來推廣上述好處，擴(kuò)大現(xiàn)有Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的范圍，并鼓勵開發(fā)者參與其中。關(guān)鍵問題是有什么資源可以支持這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。