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物联网的未来与Wi-Fi HaLow互联

2021年09月22日 10:34 次阅读

作者:Shahar Feldman,摩尔斯微电子营销副总裁

Wi-Fi HaLow即将出现在您周围的智能门锁、恒温器、安全摄像头、可穿戴设备、电子货架标签和无线传感器网络中。什么是Wi-Fi HaLow,是什么让其成为未来物联网IoT)连接的理想无线协议?

传统的Wi-Fi是当今使用的最普及的无线网络协议,承载了一半以上的互联网流量。根据Wi-Fi联盟的数据,2019年售出的Wi-Fi设备超过40亿台,全球Wi-Fi安装量扩大到130亿台以上。全球著名信息技术市场研究机构Strategy AnalyTIcs预测,到2030年,支持Wi-Fi的智能家居设备的数量将增加三成以上,达到170亿台。美国普通家庭现在平均拥有10多台连接设备,大多数使用Wi-Fi通过接入点连接到互联网。

物联网(IoT)的快速增长和智能设备的激增,引发了人们对Wi-Fi连接的重新思考,揭示了众多技术差距,以及Wi-Fi在我们的互联世界中应该扮演什么角色。许多物联网环境要求无线信号能够穿透墙壁并延伸数百米,同时使低功耗设备能够靠小型电池运行数月或数年。我们的家庭、办公室和公共场所对远程连接的需求不断增长,加上电池驱动的物联网设备和机对机(M2M)应用的低功耗限制,需要一种针对物联网优化的新型Wi-Fi。

Wi-Fi联盟推出了Wi-Fi HaLow(发音为HAY-Low),这是一种新型、低功耗、远程的Wi-Fi版本,旨在满足物联网的独特要求。基于IEEE 802.11ah标准,Wi-Fi HaLow以Wi-Fi的市场成功为基础,提供一种毫不妥协的无线解决方案,提供物联网开发者所寻求的能效、扩展范围、障碍物穿透性、本地IP支持、易用性和最领先的安全特性。

Wi-Fi HaLow以Wi-Fi的市场成功为基础,增加Wi-Fi连接设备的范围和续航时间。Wi-Fi HaLow还满足了应对最具挑战性的物联网环境所需的可扩展性、稳健性和安全性要求。 虽然没有适用于所有物联网场景的“万能”无线协议,但Wi-Fi HaLow是第一个解决物联网应用最紧迫需求的协议,使其成为我们互联世界的理想选择。Wi-Fi HaLow的应用不胜枚举,从无线传感器、执行器和安全摄像头到门锁、电器和恒温器,所有这些都旨在改善用户的体验和生产力,同时降低安装和运营成本。

传统Wi-Fi与Wi-Fi HaLow的比较

传统Wi-Fi让终端用户能够在2.4GHz、5GHz和6GHz频段的各种无线电频率上,快速传输电影和下载文件。这些较高频率Wi-Fi连接的有效范围很短,而且会迅速耗尽电池,需要经常充电、更换电池或插电。例如,虽然Wi-Fi 6是4K视频流和增强现实等带宽密集型应用的理想选择,但对于必须长时间依靠电池运行的联网设备来说,Wi-Fi 6就不是一个很好的选择。

传统Wi-Fi网络较高的功耗、距离限制和流量拥堵,以及可连接到单个无线接入点(AP)的设备数量有限,在智能设备的互联世界中已不再可行。这种限制阻碍了各行业正在出现的以物联网为中心的新商业模式,这些模式需要更大的容量、范围和续航时间,以及更低的部署成本和更短的安装时间。

Wi-Fi HaLow旨在降低功耗、增加无线范围和数据速率,而不会限制性能,并支持网络中的更多设备。通过利用新的省电睡眠模式,Wi-Fi HaLow让新型物联网产品成为可能,这些产品可以依靠电池运行数年,同时仍然提供许多Mbps的数据吞吐量。Wi-Fi HaLow非常适合大规模物联网,因为可以支持来自单个接入点的8,000多个连接。

Wi-Fi HaLow建立在传统Wi-Fi强大的安全性和频谱效率高的OFDM基础上,同时使用低于1GHz的较窄无线电频率通道,以更好地穿透障碍物。通过在sub-GHz范围内运行,Wi-Fi HaLow还避免了高度拥挤的2.4GHz频段。

表1:Wi-Fi 4/5/6与Wi-Fi HaLow比较

扩展物联网连接的范围

802.11标准涵盖的频率范围异常广泛,从1千兆赫以下(GHz)到毫米波(mmWave)。Wi-Fi HaLow是第一个在免许可的sub-1 GHz频段运行的Wi-Fi标准。一般规则:频率越低,覆盖范围越广,穿透障碍物的能力越强。作为一种sub-1 GHz协议,Wi-Fi HaLow信号比2.4GHz选项更容易穿过墙壁和其他障碍。此外,Wi-Fi HaLow使用的频段较窄,是传统Wi-Fi的十分之一。低于1GHz的频率和较窄频段的结合,让W-Fi HaLow设备能够达到10倍的距离,覆盖100倍的区域,并通过单个接入点支持1,000倍的容量,同时更容易克服信号障碍。

凭借其sub-1 GHz信号的远程覆盖,Wi-Fi HaLow的好处是扩大了智能家居或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。这远远超出了蓝牙Zigbee或Z-Wave等其他短程协议的范围。虽然LTE-M和NB-IoT等移动物联网技术支持远程连接,但使用特许频谱,要求终端用户为潜在的昂贵数据套餐付费。其他远程无线网络,如LoRaSigfox,其小数据包的数据率非常低,而Wi-Fi HaLow的数据率从几百Kb/s到几十Mb/s不等,使其成为扩大物联网覆盖范围的最佳选择。

单个Wi-Fi HaLow接入点还可以覆盖星形网络中的数千个连接设备,绕过复杂、难以部署和带宽受限的网状网络,从而简化了网络安装,最大限度地降低了总拥有成本。

图1:Wi-Fi跨越多个频段,满足各种连接挑战。

(来源:Wi-Fi HaLow:为物联网应用扩展Wi-Fi,Wi-Fi联盟白皮书)

一种省电的协议

Wi-Fi HaLow协议为经常长时间睡眠的电源敏感型物联网设备,提供了卓越的能效。这实现了灵活的电源和电池选项,从使用纽扣电池运行的短程物联网设备,到延伸至1公里的更高功率、采用更大电池的应用。Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz窄带信号传输距离更远,能耗更低,与2.4GHz频段的无线选项相比,每单位能量可传输更多数据。

Wi-Fi HaLow支持新的睡眠和电源管理模式,以实现物联网设备更长的续航时间。此外,当与摩尔斯微电子的专有电路设计优化相结合时,Wi-Fi HaLow提供了可与许多其他无线技术媲美的低空功耗。

面向物联网的一种安全、基于标准的方法

虽然无线技术的差距已经刺激了专有解决方案的开发,以满足市场需求,但这些差距可以在广泛的IEEE 802.11标准下得到解决。系统集成商可以利用已经为传统Wi-Fi应用开发的相同硬件和软件资产,享受多厂商生态系统的支持,并从Wi-Fi联盟广泛的互操作性测试和认证计划中受益。随着Wi-Fi HaLow的出现,开发者和终端用户不再需要在范围、吞吐量、功耗、网络容量、复杂的网状网络设置或月费上做出妥协。

所有物联网网络都需要互联网协议(IP)支持,以实现云连接。因为Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi标准,它提供本地TCP/IP支持。与其他短程协议选项(如蓝牙或Zigbee)不同,这种内置的IP功能,意味着无需专有网关或网桥即可连接到云端进行软件更新或物联网应用管理。

与其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一样,Wi-Fi HaLow本身就是一种安全的无线协议。采用最新的Wi-Fi Protected Access 3(WPA3)安全协议,以及用于安全启动实施的加密信息和唯一ID技术。Wi-Fi HaLow的高数据速率,还支持安全无线(OTA)固件升级,同时加速云连接。由于Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11标准的一部分,所以Wi-Fi HaLow网络也可以与Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6网络共存,而不影响其射频性能。

Wi-Fi HaLow用例

Wi-Fi HaLow因其多功能性而脱颖而出。Wi-Fi HaLow能满足物联网在智能家居、楼宇自动化、智能城市以及工业和农业环境中的各种用例要求。过程控制传感器、建筑和工业自动化、仓库和零售店等许多应用,将受益于Wi-Fi HaLow技术,让众多远程、对电源敏感的设备在日益自动化的世界中保持连接。

在部署的初始阶段,Wi-Fi HaLow预计将用于标准Wi-Fi无法到达的室内外应用,如电池操作的监控系统、无线摄像头和动作传感器。大型场馆,如音乐厅、购物中心、仓库、酒店和体育场馆,是另一种用例,单个Wi-Fi HaLow接入点可以替代大量的接入点,避免了在有限范围内实施复杂网状网络的需要。

Wi-Fi HaLow网络的潜在用例跨越物联网:

  • 智能家居设备
  • 监控系统
  • 访问控制
  • 工业过程控制
  • 物流和资产管理
  • 零售标签、指示牌和扫描仪
  • 楼宇自动化
  • 可穿戴设备和移动设备
  • 智能城市基础设施
  • 农业和环境传感器

带有Wi-Fi HaLow的物联网设备将在免许可的sub-1 GHz频段提供新的选项,以支持PC生态系统中广泛使用的IP网络和OFDM调制方案。从长远来看,Wi-Fi HaLow可用于扩展移动设备、PC以及物联网网络的应用范围。

Wi-Fi HaLow蓄势待发

Wi-Fi HaLow技术的商业推广正在进行中,该技术的创新正在获得市场的关注。例如,摩尔斯微电子正在投资,通过提供业界最小的系统芯片(SoC)和模块解决方案,加快市场向Wi-Fi HaLow的转变。主要的物联网设备制造商对在下一代互联产品中使用Wi-Fi HaLow SoC和模块很感兴趣。Wi-Fi联盟已经宣布,HaLow认证计划将于2021年推出。

随着物联网的不断成熟和多样化,当今天高度分散的无线领域围绕几个协议进行合并,以满足物联网最关键应用的需求时,市场将得到更快的发展。Wi-Fi HaLow是物联网发展中这一拐点的最佳无线技术。市场对Wi-Fi HaLow的采用,将有助于推动物联网进入一个可扩展、安全、低功耗和远程连接的新时代。

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