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《Wi-Fi HaLow 技术概述》
原创 芯知汇 芯知汇

本文翻译来自Wi-Fi联盟2020年5月发布的《Wi-Fi HaLow™ Technology Overview》

                                                简介

Wi-Fi®连接加速了物联网应用的发展,从帮助跟踪仓库设备位置的传感器,到健康监测器,再到气候控制传感器。Wi-Fi Alliance®推出了Wi-Fi HaLow™以满足不断增长的物联网市场的独特需求。Wi-Fi 4是一种成熟的技术,基于IEEE 802.11n标准,可提供电子邮件、网上购物和智能电视流媒体所需的数据速率和距离。Wi-Fi CERTIFIED 6™是最新一代的基础性Wi-Fi连接,可提供改进的设备节省电能支持某些环境的物联网功能,同时还可以处理带宽要求较高的应用。然而,许多物联网环境需要更远距离的连接,能够穿透多重墙壁,以及设备电池一次充电就可以运行数月或数年。

Wi-Fi HaLow基于IEEE 802.11ah标准,提供了物联网配置期望的距离、数据速率、穿透性和低功耗配置文件。这些包括用于工业、农业、智慧城市环境以及家庭和楼宇自动化产品。Wi-Fi HaLow工作在sub-1GHz频段,可提高Wi-Fi普遍性和安全性,以应对更多的物联网环境。其原生IP支持简化了对互联网和基于云应用程序的访问,而无需额外昂贵的基础设施,如集线器、中继器或网关等。

这个技术概述文档详细阐述了《Wi-Fi HaLow™:Wi-Fi®物联网应用”》白皮书中的要点,并提供了有关Wi-Fi HaLow成为不断增长的物联网市场优秀解决方案更多的背景知识,包括:

底层无线技术特性,如sub-1GHz频率、网络带宽、调制和编码方案Wi-Fi HaLow定义的创新的新节能功能,如目标唤醒时间(TWT)、受限访问窗口(RAW)和更长的最长空闲周期Wi-Fi HaLow安全方法

此外,本概述还介绍了Wi-Fi HaLow与其他免授权的低功率广域网(LPWAN)、授权广域网(WAN)、无线个人区域网络(PAN)和局域网(LAN)技术在电池寿命、覆盖范围、数据速率和扩展性等重要特性上的比较。读者将了解为什么Wi-Fi HaLow被认为是许多不同物联网环境的首选。

技术概述

Sub-1GHz和窄带

电磁定律和通信理论规定了功率、距离和射频(RF)信号可靠性之间的相对权衡。一般来说,在任何特定频率上达到更远的距离需要使用较高的信号传输功率或较低的数据速率。对于任何给定的发射放大功率而言,在2.4 GHz和5 GHz频段传输的无线电波不像低频无线电波传播得那么远,如915MHz。因此,Wi-Fi HaLow主要工作在sub-1GHz频谱。

预测远距离射频信号传输成功的另一个因素是能量集中的信道宽度。在给定频率范围内的较窄频带信道可以进行集中传输,比在相同频率上的较宽信道到达更远的距离。如图1所示,工作在sub-1GHz频率的较窄信道模式提供了更大的覆盖范围,超过了2.4GHz频率的较宽信道。

准确地说,Wi-Fi HaLow使用那部分sub-1GHz频段因市场法规要求而有所不同。美国目前使用902MHz至928MHz。澳大利亚和新西兰使用915MHz至928MHz。欧洲在800MHz和900MHz频段间划分了7MHz频谱。设备制造商应咨询当地监管机构确认sub-1GHz哪部分频段被批准使用。为支持全球部署的产品开发,Wi-Fi联盟积极倡导Wi-Fi HaLow的全球统一接入频谱在915MHz至925MHz范围内。

较低的频率和较窄信的道可改善链接预算

确定哪种物联网无线电技术最能满足应用程序需求的一种方法是评估可用的链路预算。基本上链路预算使用传输功率和传输增益和损耗(以分贝(DB)为单位)来确定给定距离的传输的接收功率。IEEE 802.11ah标准规定了1、2、4、8和16MHz的有效通道宽度选项。以美国为例,在将Wi-Fi作为物联网无线电选项的场景中,Wi-Fi Halow利用sub-1GHz的工作频率和窄的信道宽度,与使用20MHz宽信道的2.4GHz频段的Wi-Fi相比,可实现8至12 dB的优势。

Wi-Fi HaLow在sub-1GHz的频段内可以进行更远距离的数据传输,从而有效地解决了大量物联网和工业物联网应用的问题,同时释放了Wi-Fi工作的其他频段的容量。这使Wi-Fi HaLow成为Wi-Fi产品组合的绝佳补充,使各种形式的Wi-Fi几乎可以处理任何的用途,从低带宽物联网网络需求到高带宽密集应用。

信标(Beacons)是由接入点(AP)广播同步其服务的客户端设备的数据包,设置了网络范围的上限。尽管Wi-Fi HaLow在1MHz信道中使用调制编码方案0(MCS0)1或300Kbps工作,但Wi-Fi HaLow信标比在20MHz信道中以6Mbps速率发送信标具有10dB的优势。这些效应的结合创造了约20分贝的连接预算优势,与2.4GHz Wi-Fi相比,可大致有10倍的距离优势。

在最远距离处(约1公里左右),Wi-Fi HaLow在MCS 10模式工作,数据以300kbps的速率在1MHz信道中复制,有效地达150kbps的数据速率。这种有意义的冗余为接收设备提供了额外的纠正数据错误的机会,并为Wi-Fi HaLow链路预算提供了另一种改进。这种数据速率和距离组合超过了许多可替代无线物联网技术选项。

正交频分复用(OFDM)调制和前向纠错(FEC)

Wi-Fi HaLow使用OFDM调制,该调制从802.11g开始就在以前的Wi-Fi版本中使用。如图2所示,要传输的数据使用强大的前向纠错(FEC)码进行编码,该码增加了有价值的冗余校验信息,并且编流可以在分布在工作信道上的26个或更多子载波上同时发送。跨多个子载波能够在信道失真的情况下实现稳健地接收,而冗余则改善了在干扰和噪声的情况下接收信号的链路预算。OFDM和强大的FEC相结合,提供了一种比简单频移键控(FSK)类型无线电更强大的解决方案。使用OFDM并结合相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM),Wi-Fi HaLow在给定时间段内比其他无线电技术携带更多的数据。Wi-Fi HaLow提供的这种频谱效率在没有广泛提供sub-1GHz的工业、科学和医学(ISM)频段的国家/地区尤为重要,其传感器设备的占空比有一定的限制。在许多国家/地区,使用ISM频段不需要许可证。Wi-Fi HaLow在此频谱内提供的数据速率比Sigfox、LoRaWAN、Zigbee、Z-Wave、Bluetooth Low Energy、NB-IoT和其他专用的频移键控(FSK)无线电系统等竞争性物联网技术高出几个数量级,如下表所示。

调制和编码方案(MCS)

Wi-Fi HaLow的MCS表源自IEEE 802.11ah规范。该表描述了调制类型排列、通道宽度、符号间保护间隔(GI)以及通信导致的数据吞吐量。接入点(AP)和客户端设备会自动调整两个支持的最佳MCS,以最大限度地提高当前信道条件下的数据吞吐量。这样的MCS表存在于Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi6。IEEE 802.11ah表的数据速率通常规定为IEEE 802.11ac MCS表速率的十分之一,并且最多可用于四个空间流。虽然最初的Wi-Fi HaLow实现可能针对单流设备,但将来会有一个四流多输入多输出(4x4 MIMO)Wi-Fi HaLow解决方案的途径。

MCS选项考虑到了两个设备之间的距离和射频条件可能会发生变化。与其他Wi-Fi技术一样,Wi-Fi HaLow可以适应不断变化的条件。接入点(AP)和客户端设备在加入网络时会广播通知其功能。他们可以根据需要自动调整到最佳MCS。例如,如果接入点(AP)有个关联的客户端,其以300kbps的速率在1MHz信道上以MCS 0运行,并且两个设备都确定它们之间的射频信道条件适合在4MHz的信道上支持MCS 4,则它们可以同意更改其MCS和通道带宽,以便以9 Mbps的速率传输数据。

多种MCS选项的好处在于管理员可以根据特定应用调整数据速率,并允许混合设备类型自动优化以改善条件。例如,一个远程仅需要150 kbps数据速率的传感器可以由附近需要10Mbps的视频摄像头的同一个接入点(AP)来提供服务。靠近接入点(AP)的设备通常会以更快的MCS速率运行,传输其数据并节省能源。

下表显示了单流连接的MCS。注意,MCS 10支持远距离连接的最低有效速率,然后MCS 0至MCS 9具有依次较高的数据速率。

介质访问控制(MAC)效率和节能

Wi-Fi HaLow技术的关键设计标准之一是低功耗,使电池供电的物联网设备能够运行多年。新的MAC功能使Wi-Fi HaLow网络中的设备能够节省能源、减少拥塞、增加容量和设备密度。发射无线电信号通常比接收信号消耗更多的功率。设备传输的任何减少通常都会节省能源。低功耗的关键因素是确保无线电能够长时间可靠地保持休眠状态,而不会被接入点(AP)掉线或断开连接。通过让Wi-Fi设备更多时间休眠,可以大大降低这类设备的平均能耗。处于休眠或被动监听状态的设备将释放可用频谱,以便活跃的客户端设备传输其数据。下面列出了Wi-Fi HaLow效率和节能的主要特性。

非流量指示图(Non-traffic indication map,TIM)模式选项

在一些无线局域网(WLAN)中,设备必须频繁唤醒,每秒多次监视和响应接入点(AP)在信标帧中发送的流量指示图(TIM)。TIM用于指示哪些客户端设备应该期待入站数据。Wi-Fi HaLow设备可以通过在可选的非TIM模式下节省电能,而他们无需保持运行状态即可主动监视信标帧。此功能无需Wi-Fi客户端设备定期检查信标消息。Wi-Fi HaLow从TIM模式中释放出来使其能够节约能源,从而与其他物联网传感器网络技术竞争。

注意,非TIM模式是一个选项,取决于设备和网络所需的功能。Wi-Fi HaLow也支持TIM模式。Wi-Fi HaLow AP可以同时支持两种设备的混合。

目标唤醒时间 (Target Wake Time,TWT)

希望长时间休眠的客户端设备可以与接入点(AP)协商TWT约定。接入点(AP)会存储发往客户端的所有流量,直到达到约定的唤醒时间为止。当客户端设备在规定的时间唤醒时,它会监听其信标,并使接入点(AP)在返回到其休眠状态之前接收和发送所需的任何数据。唤醒时间间隔,由客户端和AP协商,可以从很短(微秒)到很长(年)不等。

受限接入窗口(Restricted Access Window,RAW)

RAW是一组客户端设备通信时的另一种规划方法。对于可预测活动周期的系统,接入点(AP)可以授予一部分具有RAW特权的客户端传输其数据,而其他客户端可以强制休眠、缓冲非紧急数据或同时执行这两种操作。客户端设备可以节省电能,并为其他对时间要求严格的流量保留更多的网络容量。

通过将TWT和RAW功能结合起来,网络设计者可以最大程度地减少信道争用并节省整个系统的功耗。

扩展最长空闲周期

扩展最大空闲时间功能延长了在接入点(AP)解除关联客户端之前允许客户端设备进入休眠状态的时间。这种保留的状态使功率敏感传感器可以避免浪费能量,如果它们掉线,则必须重新进行身份验证。该功能提供超过五年的最长空闲时间。实际上,空闲时间取决于实现和应用要求。

分层流量指示映射(TIM)

分层TIM是一种更有效地对上述TIM进行编码的方法,以减少其广播时间并容纳更多客户端。定义了不同的编码模式,以便有效地管理处于休眠模式的大量客户端设备。

短MAC报头

删除数据包开头的不必要的报头字段将减少发送和接收的占用时间以及相关的功耗。例如,一个100字节小数据包传输的开销减少8%,将从40%减少到32%。

空数据PHY协议数据单元(NDP帧)

Null Data PHY协议数据单元(称为NDP帧)将MAC层信息合并到了PHY层信号字段中。相对于传统管理和控制帧,这减少了数据包大小和传输时间。例如,在1MHz信道上,MCS10用于NDP确认的广播时间约为0.56毫秒(ms),而传统方式确认将花费1.34ms。

短信标选项

信标通常以最低的MCS速率发送到覆盖区域中最远的客户端设备,但是它们的传输时间很长。Wi-Fi HaLow可以识别AP发送的两种信标:发送频率较低的完整信标和发送信息最少保持同步的短信标,使用较少的传输时间,但发送频率更高。较短的信标可减少了监听设备的功耗,并释放了频谱中宝贵的广播时间。

基本服务集(BSS)颜色

BSS着色为每个接入点(AP)或接入点(AP)上的每个BSS分配不同的“颜色”。这个颜色编码是一个简单的指示符,它使客户端设备关注与其BSS颜色匹配的传输,而忽略不打算用于其BSS的相邻网络的传输,即那些与其相关联的BSS颜色不匹配的传输。这旨在减少介质争用开销并增加总体容量,尤其是在密集的物联网网络中。

安全

身份验证和加密

Wi-Fi HaLow支持最新的和最先进的Wi-Fi安全技术:Wi-Fi CERTIFIED WPA3™和Wi-Fi CERTIFIED Enhanced Open™,基于机会性无线加密(Opportunistic Wireless Encryption,OWE)技术。例如,后者在设备需要访问云服务器的公共环境中提供隐私。随着时间的推移,Wi-Fi HaLow将采用未来的Wi-Fi Alliance的安全改进。

空中固件更新的高速对称数据吞吐量

Wi-Fi HaLow的最低有效的MCS 10速率为150kbps,适用于更远距离使用。附近的设备可以使用支持每秒数十兆比特的更高速率。如果设备需要新固件才能继续有效且安全地运行,那么Wi-Fi HaLow可以快速提供信息并减少停机时间。这与PAN和无线WAN相比更有优势,PAN和WAN的数据速率低得多,低至每秒100位。这些网络的数据速率如此低,无法提供快速应对威胁的能力,需要将安全更新通过空中推送到现场数千台设备。使用这些技术的设备可能需要较长的停机时间,或者派人到每个设备现场执行手动更新而产生更高的维护成本。Wi-Fi Halow具有安全性、容量、覆盖范围和数据速率,能够在最短的停机时间内支持空中更新。

物联网技术竞争分析

Wi-Fi联盟对Wi-Fi HaLow和其他物联网技术选项进行了比较,分析了数据速率、覆盖范围、电池寿命、IP网络集成的简易性、能源效率和可扩展性。这些属性在下表中定义。

分析的技术包括:

非授权LPWAN: LoRaWAN、Sigfox和Wi-SUNPAN和LAN:Zigbee、Bluetooth Low Energy、Z-Wave和2.4 GHz Wi-Fi授权WAN:NB-IoT、LTE-M

在Wi-Fi HaLow之前,无线物联网系统通常是围绕着满足关键运行参数(如长的电池寿命)进行设计,而牺牲了其他参数(如更远的距离、简单性或高数据吞吐量)。使用Bluetooth、Zigbee、Z-Wave或专用无线电等PAN技术实现的低功耗系统牺牲了距离、速度或网络的简单性。

下面的信息显示了Wi-Fi Halow与其他使用这些属性的物联网技术选项的比较。对于这个分析,线越靠近中心,技术的这一方面就越不有效。属性线离中心越远,效果越好。

低功耗WAN系统

如图3所示,LoRaWAN和Sigfox等LPWAN系统提供远距离连接,但在数据速率、规模、能效、IP集成简易性或安全性方面表现不佳。

在分析中,LoRaWAN用浅蓝色线条表示,它是唯一一个在距离、电池寿命和扩展性方面接近Wi-Fi HaLow的技术。然而,它在数据速率和IP网络集成方面仍有许多不尽人意的地方。同样,Sigfox在距离上也表现非常好,但与在这种情况下的其竞争对手相比,它在其他方面都表现不佳。

与其他LPWAN技术相比,Wi-Fi HaLow在六个方面有五个表现出色。历史上,人们一直认为Wi-Fi不能用于物联网,因为它能效比不高。Wi-Fi HaLow已不再是这样了。Wi-Fi HaLow是专门为提高设备效率而开发的,它具有前面描述的专门用于设备节能的功能,从而使设备电池(包括硬币大小的电池)能够使用多年。

PAN和LAN网络

许多类型的PAN网络是为短距离连接而设计的。他们试图通过网状架构达到更远的距离。网状架构要在设备间创建多条通信路径。虽然网状架构可以简化用户的初始安装,但它们增加了物联网环境中的复杂性、延迟和成本。网状网内中继其他节点流量的Zigbee设备会消耗更多的电池能量,并被限制到250kbps数据吞吐量。网格体系结构的瓶颈和延迟会阻碍这些系统实现Wi-Fi的简单性。Z-Wave网状网络最大限制232个设备。Wi-Fi HaLow每个接入点(AP)允许有8,191台设备,并且不需要专有网关即可访问IP网络。

如图4所示,虽然PAN/LAN的每种技术在安装和运行效率方面均表现良好,但在其他类别的技术中唯一与Wi-Fi HaLow竞争的技术是在2.4GHz的Wi-Fi。这是管理者需要评估物联网环境主要目标的地方。当最重要的因素是更远的距离和更长的电池寿命,穿透墙壁,安装方便以及可扩展更多客户端设备时,Wi-Fi HaLow是明确的选择。IP网络集成容易和接入点(AP)范围内的数据吞吐量更有利于2.4GHz Wi-Fi,因为该技术已经成熟并且已存在于当今的许多接入点(AP)中。将Wi-Fi HaLow添加到Wi-Fi 4、Wi-Fi 5或Wi-Fi 6网络使用户几乎可以满足在相同IT基础架构上的任何需求,而不会受到干扰。

授权的WAN技术

NB-IoT或LTE-M等WAN技术使用运营商或移动电话服务提供商的授权频谱。尽管有泛在网络覆盖的承诺,但这些系统增加了物联网网络的经常性成本负担,通过要求数据计划订阅才能使用移动蜂窝基础设施。

与LTE-M相比,Wi-Fi HaLow在接入点(AP)范围内的客户端实现了显著更高的数据速率,使用5MHz的带宽达到了4Mbps的最大下行链路数据速率;与NB-IoT相比,使用180kHz的带宽达到了127kbps的数据速率。在这项分析中,除覆盖范围这一项之外,Wi-Fi HaLow在其他方面都胜过了其他技术(请参见图5)。1公里的覆盖范围,Wi-Fi HaLow满足企业内许多物联网用例的要求是可能的。

Wi-Fi HaLow为设备在接入点(AP)范围内的应用提供了一种低成本解决方案,还有电池续航时间更长、IP网络集成容易以及更高数据速率的优势。Wi-Fi HaLow是一个在低功耗客户端设备密集的情况下聚合流量比较好的选择,然后可以将其路由到互联网。如果运营商网络不可用,Wi-Fi HaLow网络可以继续作为LAN运行。

物联网设备能效比较

IMEC研究小组进行了一项研究:比较sub-1GHz的无线技术能耗。该小组进行了两种不同的实验。一种实验是比较了远距离技术NB-IoT、LoRaWAN和Sigfox;另一种实验比较了基于IEEE 802.15.4 Zigbee技术的Wi-SUN和Wi-Fi HaLow。

为了对这五种解决方案进行公正客观的比较,研究假设每10分钟发送一次12字节的数据包。在每个系统运行期间测量功耗。注意,因在比较中包括了Sigfox,本研究选择了12字节数据包,这对于Wi-Fi HaLow来说非常小。在实际应用中,Wi-Fi HaLow传输长达1500字节的数据包,传输速率是Sigfox的15倍。

IMEC研究假设

下表列出了在IMEC仿真结果中显示的用于计算电池寿命的假设。它们基于10分钟传输间隔的能量消耗:每600秒发送一条消息,选择使用了无线电+微控制器(MCU)半导体解决方案示例。注意,其他Wi-Fi HaLow技术供应商可能会显示出不同的结果。

能量效率(位/焦耳)

这项研究是通过使用1焦耳的能量可以发送或接收多少位数据来定义能源效率。如图6所示,在比较关键的物联网技术选项并假设10分钟的传输间隔时,就每焦耳的比特数而言,Wi-Fi HaLow的能源效率要高得多,因为其传输时间相对较短。在这项研究中,其他技术传输相同长度的数据包所需的时间要长得多。例如,Wi-Fi HaLow每焦耳发送22.4kb,而NB-IoT则每焦耳3.7kb。Wi-Fi Halow的这各六倍优势转化为更长的设备电池续航时间。

研究还表明,对于简单的网络,Wi-Fi HaLow的能源效率是LoRaWAN和Wi-SUN的四倍。随着更多节点加入到网状网络中,Wi-SUN能源效率略有下降,而Wi-Fi HaLow能源效率保持相对不变。

事实证明,在本项研究中Wi-Fi HaLow比其他技术选项更节能。



基于电池容量

通过了解每种技术的能耗,可以预测每种物联网技术不同容量的电池寿命。储存在电池中的能量焦耳与其额定容量有关,通常以毫安时(mAh)表示。

图7左边的图显示了不同电池容量Wi-Fi HaLow的电池续航时间。许多常见的3V纽扣电池容量为250mAh。典型的AA 1.5V碱性电池平均额定容量为2,000mAh,可用于较大型的设备。研究结果表明,在这种具有挑战性的物联网用例情况下,Wi-Fi HaLow使用纽扣电池可以工作超过一年半的时间,每10分钟传输一次。不论电池大小如何,研究表明Wi-Fi HaLow可以支持纽扣电池供电的小型物联网设备,并在许多应用中均优于其他技术











基于传输频率

该项研究的重点是用10分钟的传输间隔来比较技术。需要在数据传输间进行更频繁通信的技术将受到电池寿命缩短的影响。Wi-Fi HaLow显示可以将休眠时间延长到更长的时间。TWT和BSS Extended Max Idle等功能使Wi-Fi HaLow设备可以在两次唤醒操作间休眠数小时、数天、数月甚至数年。

研究结论

在比较带宽、数据速率和拓扑结构时,Wi-Fi HaLow表现出明显优于Sigfox、NB-IoT、LoRaWAN和Wi-SUN的优势。在类似的用例中,与这些其他技术相比,Wi-Fi HaLow是最节能的。IMEC研究小组的评估确定,Wi-Fi HaLow不仅比其他广泛认为的远距离技术能效高四倍以上,而且还提供了比其他物联网技术选项更高的数据吞吐量。该小组还确定,使用典型碱性AA电池的Wi-Fi HaLow设备可以使用10年以上,比典型的电池保质期更长。

总结

Wi-Fi HaLow显然满足并且在很多情况下超过了物联网连接和应用的关键要求。能够适应在距离、数据速率和能效方面的大量的物联网用例对于物联网技术的成功至关重要。

Wi-Fi HaLow sub-1GHz的工作频率和窄的信道可实现更长的距离(约1公里),并提高了穿透墙壁和障碍物的能力。独特的节能功能套件可降低设备能耗,提高能源效率,多年的电池运行并支持纽扣电池。它支持各种数据速率,适应从低数据传感器网络到高数据速率视频系统的用例。新的Wi-Fi HaLow PHY和MAC功能使每个接入点(AP)支持数千个设备,同时提高了无线电频谱利用率。

由于Wi-Fi Halow是IEEE 802.11和Wi-Fi产品组合的一部分,因此它是一个开放标准,无需专有控制器、集线器或网关即可提供更高效的安装和运营成本。Wi-Fi Halow网络可以在现有Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6网络存在的情况下部署,而不会影响其射频性能。本地IP支持和WPA3™的高级安全性使得访问基于云的应用程序和空中更新变得更加简单和安全。

相关比较研究表明,Wi-Fi HaLow的能源效率比其他无线技术高出数倍。每焦耳能量可以传输更多数据,确保设备电池寿命更长。其面向星型架构具有远程的连接,消除了网状网络带来的数据瓶颈和延迟。作为完整Wi-Fi产品组合的一部分,Wi-Fi HaLow提供了一种更全面的连接方法,并将当前的Wi-Fi覆盖范围扩大到难以到达的地方,例如车库、地下室、阁楼、仓库、工厂和大型室外区域。Wi-Fi HaLow使网络设计者能够使用单一的,基于标准的、支持IP-ready的、可靠架构来部署物联网网络,而不必牺牲简单和效率。

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