新的WiFi HaLow標(biāo)準(zhǔn)滿足需要更高帶寬的低功耗IoT市場的需求

WiFi無處不在，它是使用非授權(quán)頻譜的最流行的通信協(xié)議。但是作為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的通用協(xié)議，它由于擁塞和消耗的能量而面臨挑戰(zhàn)。

有兩種新方法可以解決這些問題。一種是一次使用多個通道。第二個涉及新的802.11 ah HaLow標(biāo)準(zhǔn)。兩者都將對擴展幾乎無所不在的無線通信技術(shù)大有幫助。

“目前全球有超過80億個WiFi設(shè)備，” Edgewater Wireless首席執(zhí)行官Andrew Skafel說?！皼]有人能想到WiFi會那么成功。隨著越來越多的設(shè)備嘗試通過WiFi連接，這種成功也帶來了挑戰(zhàn)。如果連接性能下降，那大部分的下降是由于干擾和競爭?！?/p>

未來，WiFi將在新的5G生態(tài)系統(tǒng)中扮演重要角色。Synopsys的高級員工產(chǎn)品經(jīng)理Rita Horner表示：“ 5G對于短距離而言太昂貴了?！耙虼耍梢詫?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/藍牙/" target="_blank">藍牙從計算機或電話連接到耳機， WiFi連接范圍要比藍牙大，而5G則比WiFi更大?！?/p>

雖然WiFi可以增強5G，但如果WiFi覆蓋范圍或容量滯后，則會反過來拖累5G?！懊绹?G毫米波使用較高的S頻段，而在世界其他地區(qū)，它們使用較低的毫米波頻段，可以用來替代或增強手機和WiFi上的頻段”，Arteris IP營銷副總裁Kurt Shuler說。

可用WiFi帶寬的更有效利用可以減少WiFi流量的擁塞。同時，使用新的WiFi HaLow（IEEE 802.11ah）標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的引入可以以更少的功率傳輸更遠的距離。它們在一起，就有潛力更有效地服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)市場。

WiFi爆炸性的增長

當(dāng)WiFi最初的設(shè)計與應(yīng)用并不是針對物聯(lián)網(wǎng)。Skafel說：“ WiFi是蜂窩電話的近親?！?當(dāng)初只是為了“在地下室中將笨重的筆記本電腦連接到調(diào)制解調(diào)器?！?/p>

然而，從此之后，希望借助WiFi進行通信的設(shè)備數(shù)量激增。他說：“突然之間，WiFi應(yīng)用不斷增加，現(xiàn)在它已經(jīng)出現(xiàn)在每臺筆記本電腦和智能手機中，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的主要機制?！?其他使用相同的未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段的協(xié)議的可能無法與WiFi完全競爭，而且這些協(xié)議會使接收的信號不太干凈。

這帶來了兩個主要挑戰(zhàn)-干擾和競爭。干擾僅僅是多個發(fā)射機使用相同的頻率范圍并降低信號質(zhì)量的事實，而與信號的性質(zhì)無關(guān)。在WiFi中，通過在傳輸之前先檢查是否有人在說話，可以避免干擾。如果有人在講話，則存在爭用，新的發(fā)送器必須退出，然后再試一次。使用相同頻率的設(shè)備越多，它們越難獲得對信道的訪問權(quán)限。

隨著連接設(shè)備數(shù)量的增加，WiFi變得越來越擁擠。某些連接使用的帶寬很少，例如IoT和智能家居設(shè)備。其他視頻流如高清視頻流則占用大量帶寬，并且它們對延遲非常敏感。隨著太多設(shè)備爭奪相同頻率，傳輸性能會下降。

WiFi的結(jié)構(gòu)

主流WiFi（今天稱為802.11n或802.11ac）使用兩個主要頻段。一個集中在2.4 GHz附近，另一個集中在5 GHz附近。期望5 GHz范圍可提供更高的帶寬，但要權(quán)衡的是信號覆蓋范圍和穿墻的能力。

“ 5 GHz頻率太高，” Skafel說?！八詡鞑ゾ嚯x很短，也不能很好地穿過墻壁，因此連接非常不穩(wěn)定。例如將手放在接入點的前面，就會發(fā)現(xiàn)性能下降?！?在這些頻帶內(nèi)是信道，實際傳輸發(fā)生在給定連接的那些信道之一上。

多個通道的可用性意味著多個設(shè)備應(yīng)該能夠使用WiFi，而不必彼此競爭。但是，實際上，給定的WiFi接入點（AP）將使用一個通道。他說：“在2.4 GHz頻段中，有11個信道，可能多達13個，具體取決于您所在的位置?！?“傳統(tǒng)的WiFi一次只能使用其中一個信道?！?/p>

接入點將使用哪個通道通常是在工廠設(shè)置的，并且永遠不會改變。大多數(shù)接入點只是打開電源，然后進入某個信道，盡管有些接入點會嗅探一下那個時刻沒有干擾，然后選擇該信道。但是，如果整個社區(qū)碰巧都具有來自同一制造商的固定通道訪問點，則它們都將爭奪同一信道，而所有其他信道都將不使用。

他說：“可能發(fā)生的最糟糕的事情是有人在一個頻段內(nèi)觸發(fā)了另一個接入點?！?“然后發(fā)生的事情是這兩個無線電相互干擾，并且性能下降。”

一種本能是對時間切片進行訪問以允許所有人加入。但是，據(jù)Skafel所說，這是不允許的。他說：“如果要進行時間切片，實際上就破壞了WiFi協(xié)議?！?/p>

下一個顯而易見的答案是，接入點將使用多個通道，甚至在條件發(fā)生變化時也可以實現(xiàn)負載平衡。盡管這種動態(tài)適應(yīng)可能會成為未來，但就目前而言，僅使用多個通道的能力將是緩解擁塞的重要一步。但是大多數(shù)通道重疊，從而限制了可以同時激活的通道數(shù)量。在2.4 GHz頻段中，只有通道0、6和11是不重疊的。

圖1：2.4 GHz WiFi頻段的信道結(jié)構(gòu)。

使用三個活動信道，仍然可以按照避免接入點集合中相鄰信道干擾的方式進行分配，具體取決于它們的布局方式。從理論上講，完全覆蓋是可能的，沒有重疊。這就是Edgewater在所謂的頻譜切片技術(shù)中提供的內(nèi)容。

圖2：每個區(qū)域使用不同的信道，相鄰區(qū)域使用不同的信道，如此處所示，用于2.4 GHz頻帶。在5 GHz頻段中可能會出現(xiàn)類似情況。

頻譜切片是一個簡單的想法，但實現(xiàn)不一定容易。接入點的最大問題是限制其自身傳輸?shù)母蓴_，這可能擠占它正在接收的信號。這是因為在多個通道上接收信號的資源效率更高的方法是使用單個寬帶接收器。本質(zhì)上，它將接收正在傳輸?shù)男盘枴?/p>

“我們必須能夠取消我們的傳輸，” Skafel說?！耙虼?，如果我們在一個通道上進行傳輸，則必須確保該傳輸不會淹沒接收通道?！?為了解決這個問題，該公司使用了獨立的發(fā)射和接收天線以及許多其他技術(shù)，其中許多技術(shù)已獲得專利。

使用寬帶接收器（而不是每個通道一個接收器），就可以接收正在使用的所有通道上的所有流。該混合信號成為混合數(shù)字基帶RF信號，并且通過降低本底噪聲，濾波和其他技術(shù)將不同的流拉開。然后在協(xié)議棧中獨立處理三個流（或正在播放的許多通道）。盡管他們使用單個處理器來執(zhí)行此操作，但他們有空間來“同時”處理多達12個通道。

5 GHz頻段比較棘手?！?在美國，5 GHz頻段分為U-NII-1，-2和-3，” Skafel說?！霸赨-NII-2中，WiFi必須避免干擾天氣雷達和軍事應(yīng)用。因此，在使用U-NII-2中的任何信道之前，AP必須進行掃描以檢測這些應(yīng)用中的任何一個。如果發(fā)現(xiàn)干擾，則AP必須關(guān)閉指定的時間段。取決于調(diào)節(jié)器，這可能是1分鐘或30分鐘。最終結(jié)果是，在許多地方，U-NII-2的使用時間超過80%以上。也就是說，無法使用26個信道?！?/p>

已經(jīng)嘗試在5 GHz頻帶中使用多個信道。高端的WiFi應(yīng)用處理器的現(xiàn)在支持5 GHz頻帶中的兩個無線電。但是它們確實需要濾波器，并且它們在該頻帶的最邊緣工作。因此，5 GHz頻譜的大部分未被使用。

當(dāng)接收使用一個接收器時，傳輸必須更加精確。每個通道都有自己的窄帶發(fā)射機。由于每對通道之間都有間隔，因此可以在相鄰?fù)ǖ郎线M行傳輸，而不會在通道之間泄漏信號。

擁有多個信道意味著可以將不同的流量分配給不同的信道。“我允許將其中一個信道用于IoT設(shè)備，因此我的門禁警報與恒溫器都在同一通道上，” Skafel說。“他們不需要很多帶寬，他們不需要特別頻繁地聯(lián)系，而且速度很慢。然后，我為孩子們提供了一個用于在家遠程學(xué)習(xí)的信道，為我的妻子在工作中提供了另一個信道，因為她在家工作。然后，我再拿一個 ，保證4K視頻傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

取決于網(wǎng)絡(luò)運營商（在AP“屬于”運營商的情況下），用戶可能看不到不同的頻道。有些人喜歡保留一個SSID，這意味著在用戶級別，您看不到頻道。其他人可以為每個頻道分配不同的SSID。

在后一種情況下，用戶可以輕松選擇所需的頻道。但是，如果所有頻道都在一個SSID下，那么頻道分配就變得更具挑戰(zhàn)性，這是普通用戶不想做的事情?！拔沂羌夹g(shù)專家，” Skafel說?！拔医^對不是最聰明的技術(shù)人員，但是我確實關(guān)聯(lián)了我的警報系統(tǒng)。這花了點功夫。但是，普通消費者獲得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，會這樣做嗎？沒有?！?因此，他說正在進一步努力提供協(xié)議以使分配變得容易和無縫。

降低功耗

導(dǎo)致對WiFi容量需求增長的部分因素是IoT，但這通常意味著設(shè)備不依靠電池供電的智能家居或工業(yè)應(yīng)用。這就留下了一組依賴電池的應(yīng)用-通常是不可充電的電池，耗盡時必須更換。WiFi一直無法滿足這些應(yīng)用的電源需求，因此它們不得不轉(zhuǎn)向其他低功耗協(xié)議進行連接。但是，這些協(xié)議中的許多協(xié)議都具有低帶寬。新的WiFi HaLow標(biāo)準(zhǔn)旨在滿足需要更高帶寬的低功耗IoT市場的需求。

許多電池供電的IoT設(shè)備傳輸?shù)亩际情g歇性、低頻和少量的數(shù)據(jù)，不頻繁的數(shù)據(jù)包。低功耗藍牙（BLE）可以在短距離內(nèi)做到這一點;SIGFOX和LoRa可以在很長的距離上實現(xiàn)。即使有了HaLow，WiFi也無法在這種類型的應(yīng)用中在功耗上競爭。但是有些應(yīng)用需要更多的帶寬，同時仍然要合理地消耗能量，HaLow可以在其中提供幫助。在睡眠或閑置狀態(tài)下，HaLow的能耗比傳統(tǒng)WiFi少一個數(shù)量級。

“ 802.11ah具有一種稱為TWT（目標(biāo)喚醒時間）的獨特節(jié)能模式，它允許接入點和連接的設(shè)備協(xié)商何時以及喚醒設(shè)備以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的頻率，”Morse Micro公司的首席運營官Vahid Manian說。 “這使802.11ah可以有效地增加設(shè)備的睡眠時間并減少頻譜爭用?！?他進一步指出，“ TWT在802.11n無線電中不存在”

與更常見的WiFi變體不同，HaLow在1 GHz以下運行，從750到950 MHz。較低的頻率意味著它可以更輕松地穿透障礙并傳播得更遠-取決于數(shù)據(jù)速率，它的傳輸距離是傳統(tǒng)WiFi的10倍之多。以150 kbps的速度，信號可以傳播近一公里。在80 Mbps的速度下，覆蓋范圍大大減小?！耙粋€接入點可以支持1公里范圍內(nèi)的8000個設(shè)備，” Manian說。

圖3：不同版本的WiFi提供的不同范圍。

對于低功率協(xié)議，由于它們的吞吐量較低，因此無線電必須保持更長的時間，從而有可能放棄其中的部分節(jié)能措施。如果節(jié)電小于數(shù)據(jù)速率下降（例如，一半的功率但為數(shù)據(jù)速率的1/10），那么功率更高的無線電將僅因為完成速度更快并返回睡眠狀態(tài)而消耗較少的能量。

圖4：HaLow具有比其他遠程協(xié)議更高的數(shù)據(jù)速率，而覆蓋范圍卻較小。

WiFi設(shè)備制造商還大肆宣傳WiFi提供的更高安全性-特別是HaLow?！?WiFi確實有安全性的黃金標(biāo)準(zhǔn)，所以在WPA3中，HaLow比Zigbee等其他［長距離或低功率］協(xié)議要安全得多，” Manian說。

圖5：典型的WiFi HaLow系統(tǒng)框圖。

HaLow的主要市場是監(jiān)控攝像機市場。有線供電的攝像機可能會使用標(biāo)準(zhǔn)的WiFi、USB或以太網(wǎng)（甚至通過以太網(wǎng)供電）。但是，電池供電的攝像機面臨更大的挑戰(zhàn)?！半姵厥綌z像機的目標(biāo)是6個月的電池壽命，” Manian說。因此，HaLow對于此類攝像機的消費版和工業(yè)版都具有吸引力?！巴掏铝康陀诔Ｒ?guī)WiFi，但優(yōu)于任何其他低于GHz的標(biāo)準(zhǔn)，” Manian說。

其他應(yīng)用包括工業(yè)和汽車通信、酒店或其他較大設(shè)施中的訪問控制（例如門鎖）以及移動電話。在后一種情況下，不是取代標(biāo)準(zhǔn)的WiFi，而是從長遠來看，即使沒有蜂窩信號，也提供對等功能-本質(zhì)上是對講機功能。

當(dāng)互連需要彼此發(fā)送信息的設(shè)備時，某些訪問點可能專用于HaLow。其他公司將把HaLow和傳統(tǒng)WiFi集成到一個接入點中?！拔覀兿嘈盼磥淼慕尤朦c將在當(dāng)前的Wi-Fi中采用HaLow，” Manian說。設(shè)計靈活性在這里很關(guān)鍵，而軟件可能是其中的一部分?！叭藗円恢痹谘芯寇浖椒?，您擁有芯片上的大多數(shù)功能，但是您可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)重新定位目標(biāo)，或者最終也可以采用雙重模式?！?/p>

與傳統(tǒng)的WiFi一樣，HaLow被細分為多個信道?！?WiFi HaLow確實有多個通道：1、2、4和8 MHz（寬），” Manian說。通道的確切數(shù)量取決于其中一個。“美國允許從902到928兆赫，然后可以適合26個不同的1-MHz信道，或可以適合13 2兆赫通道，” “在大多數(shù)關(guān)鍵地區(qū)，您都可以找到不重疊的部分。”

人們可以使用較窄的信道發(fā)送更遠的信號。“對于更長距離而言，該標(biāo)準(zhǔn)將使用較窄的信道帶寬（例如1 MHz），并且自然而然地將具有比較寬的信道帶寬（例如8 MHz）更低的吞吐量，” Manian說。

至少，這允許接入點選擇一個不太忙的信道?！拔覀儯ㄌ峁﹦討B(tài)選擇頻道，” Djumic說?！?［我們］監(jiān)視多個信道，然后我們可以給［每個］等級從1到5。如果您有5個，則這是最佳信道，干擾最低，而您擁有最大可用容量，然后我們可以將網(wǎng)絡(luò)流量移至該頻道。” Morse Micro確認他們也可以執(zhí)行動態(tài)頻道分配。

使用HaLow，您還可以將連接的設(shè)備分為幾組，然后分時共享這些組–這是傳統(tǒng)WiFi無法實現(xiàn)的。Djumic說：“有一種機制建立在頂部，其作用類似于受限制的訪問窗口。” “一個接入點可以說，‘我有1000個站點，然后將它們分成100個組，然后隨時間分配［組］?！?然后只有100個［競爭］ ［渠道］，而不是數(shù)千個?！?/p>

目前，沒有HaLow制造商計劃使用多個信道。但是Djumic認為這是將來可能發(fā)生的事情。他說：“例如，如果要停車，則所有這些攝像機都將位于一個通道上，例如4MHz通道?！?“然后，您到處都有泊車傳感器，以檢查哪些地方被占用。例如，它們來自1-MHz ［寬］的不同通道。然后，就可以使用付款系統(tǒng)…［也］通過WiFi ［通道］。

WiFi HaLow將于明年上市。Methods2Business首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Marlene Boonen表示：“ 2021年將是WiFi HaLow上市并推出產(chǎn)品的一年?！?它還將在即將到來的5G時代發(fā)揮作用?！?/p>

Skafel補充說：“向5G過渡的部分原因是，在后臺，手機將選擇最適合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無論是WiFi 2.4還是5 GHz，6 GHz，無論是1800 MHz，還是其他，用戶不會知道。”
責(zé)任編輯:pj