新的WiFi HaLow标准满足需要更高带宽的低功耗IoT市场的需求

WiFi无处不在，它是使用非授权频谱的最流行的通信协议。但是作为物联网（IoT）的通用协议，它由于拥塞和消耗的能量而面临挑战。

有两种新方法可以解决这些问题。一种是一次使用多个通道。第二个涉及新的802.11 ah HaLow标准。两者都将对扩展几乎无所不在的无线通信技术大有帮助。

“目前全球有超过80亿个WiFi设备，” Edgewater Wireless首席执行官Andrew Skafel说。“没有人能想到WiFi会那么成功。随着越来越多的设备尝试通过WiFi连接，这种成功也带来了挑战。如果连接性能下降，那大部分的下降是由于干扰和竞争。”

未来，WiFi将在新的5G生态系统中扮演重要角色。Synopsys的高级员工产品经理Rita Horner表示：“ 5G对于短距离而言太昂贵了。“因此，您可以将蓝牙从计算机或电话连接到耳机， WiFi连接范围要比蓝牙大，而5G则比WiFi更大。”

虽然WiFi可以增强5G，但如果WiFi覆盖范围或容量滞后，则会反过来拖累5G。“美国的5G毫米波使用较高的S频段，而在世界其他地区，它们使用较低的毫米波频段，可以用来替代或增强手机和WiFi上的频段”，Arteris IP营销副总裁Kurt Shuler说。

可用WiFi带宽的更有效利用可以减少WiFi流量的拥塞。同时，使用新的WiFi HaLow（IEEE 802.11ah）标准的设备的引入可以以更少的功率传输更远的距离。它们在一起，就有潜力更有效地服务于物联网市场。

WiFi爆炸性的增长

当WiFi最初的设计与应用并不是针对物联网。Skafel说：“ WiFi是蜂窝电话的近亲。” 当初只是为了“在地下室中将笨重的笔记本电脑连接到调制解调器。”

然而，从此之后，希望借助WiFi进行通信的设备数量激增。他说：“突然之间，WiFi应用不断增加，现在它已经出现在每台笔记本电脑和智能手机中，已经成为物联网的主要机制。” 其他使用相同的未经许可的工业、科学和医学（ISM）频段的协议的可能无法与WiFi完全竞争，而且这些协议会使接收的信号不太干净。

这带来了两个主要挑战-干扰和竞争。干扰仅仅是多个发射机使用相同的频率范围并降低信号质量的事实，而与信号的性质无关。在WiFi中，通过在传输之前先检查是否有人在说话，可以避免干扰。如果有人在讲话，则存在争用，新的发送器必须退出，然后再试一次。使用相同频率的设备越多，它们越难获得对信道的访问权限。

随着连接设备数量的增加，WiFi变得越来越拥挤。某些连接使用的带宽很少，例如IoT和智能家居设备。其他视频流如高清视频流则占用大量带宽，并且它们对延迟非常敏感。随着太多设备争夺相同频率，传输性能会下降。

WiFi的结构

主流WiFi（今天称为802.11n或802.11ac）使用两个主要频段。一个集中在2.4 GHz附近，另一个集中在5 GHz附近。期望5 GHz范围可提供更高的带宽，但要权衡的是信号覆盖范围和穿墙的能力。

“ 5 GHz频率太高，” Skafel说。“所以传播距离很短，也不能很好地穿过墙壁，因此连接非常不稳定。例如将手放在接入点的前面，就会发现性能下降。” 在这些频带内是信道，实际传输发生在给定连接的那些信道之一上。

多个通道的可用性意味着多个设备应该能够使用WiFi，而不必彼此竞争。但是，实际上，给定的WiFi接入点（AP）将使用一个通道。他说：“在2.4 GHz频段中，有11个信道，可能多达13个，具体取决于您所在的位置。” “传统的WiFi一次只能使用其中一个信道。”

接入点将使用哪个通道通常是在工厂设置的，并且永远不会改变。大多数接入点只是打开电源，然后进入某个信道，尽管有些接入点会嗅探一下那个时刻没有干扰，然后选择该信道。但是，如果整个社区碰巧都具有来自同一制造商的固定通道访问点，则它们都将争夺同一信道，而所有其他信道都将不使用。

他说：“可能发生的最糟糕的事情是有人在一个频段内触发了另一个接入点。” “然后发生的事情是这两个无线电相互干扰，并且性能下降。”

一种本能是对时间切片进行访问以允许所有人加入。但是，据Skafel所说，这是不允许的。他说：“如果要进行时间切片，实际上就破坏了WiFi协议。”

下一个显而易见的答案是，接入点将使用多个通道，甚至在条件发生变化时也可以实现负载平衡。尽管这种动态适应可能会成为未来，但就目前而言，仅使用多个通道的能力将是缓解拥塞的重要一步。但是大多数通道重叠，从而限制了可以同时激活的通道数量。在2.4 GHz频段中，只有通道0、6和11是不重叠的。

图1：2.4 GHz WiFi频段的信道结构。

使用三个活动信道，仍然可以按照避免接入点集合中相邻信道干扰的方式进行分配，具体取决于它们的布局方式。从理论上讲，完全覆盖是可能的，没有重叠。这就是Edgewater在所谓的频谱切片技术中提供的内容。

图2：每个区域使用不同的信道，相邻区域使用不同的信道，如此处所示，用于2.4 GHz频带。在5 GHz频段中可能会出现类似情况。

频谱切片是一个简单的想法，但实现不一定容易。接入点的最大问题是限制其自身传输的干扰，这可能挤占它正在接收的信号。这是因为在多个通道上接收信号的资源效率更高的方法是使用单个宽带接收器。本质上，它将接收正在传输的信号。

“我们必须能够取消我们的传输，” Skafel说。“因此，如果我们在一个通道上进行传输，则必须确保该传输不会淹没接收通道。” 为了解决这个问题，该公司使用了独立的发射和接收天线以及许多其他技术，其中许多技术已获得专利。

使用宽带接收器（而不是每个通道一个接收器），就可以接收正在使用的所有通道上的所有流。该混合信号成为混合数字基带RF信号，并且通过降低本底噪声，滤波和其他技术将不同的流拉开。然后在协议栈中独立处理三个流（或正在播放的许多通道）。尽管他们使用单个处理器来执行此操作，但他们有空间来“同时”处理多达12个通道。

5 GHz频段比较棘手。“ 在美国，5 GHz频段分为U-NII-1，-2和-3，” Skafel说。“在U-NII-2中，WiFi必须避免干扰天气雷达和军事应用。因此，在使用U-NII-2中的任何信道之前，AP必须进行扫描以检测这些应用中的任何一个。如果发现干扰，则AP必须关闭指定的时间段。取决于调节器，这可能是1分钟或30分钟。最终结果是，在许多地方，U-NII-2的使用时间超过80%以上。也就是说，无法使用26个信道。”

已经尝试在5 GHz频带中使用多个信道。高端的WiFi应用处理器的现在支持5 GHz频带中的两个无线电。但是它们确实需要滤波器，并且它们在该频带的最边缘工作。因此，5 GHz频谱的大部分未被使用。

当接收使用一个接收器时，传输必须更加精确。每个通道都有自己的窄带发射机。由于每对通道之间都有间隔，因此可以在相邻通道上进行传输，而不会在通道之间泄漏信号。

拥有多个信道意味着可以将不同的流量分配给不同的信道。“我允许将其中一个信道用于IoT设备，因此我的门禁警报与恒温器都在同一通道上，” Skafel说。“他们不需要很多带宽，他们不需要特别频繁地联系，而且速度很慢。然后，我为孩子们提供了一个用于在家远程学习的信道，为我的妻子在工作中提供了另一个信道，因为她在家工作。然后，我再拿一个 ，保证4K视频传输的通道……”

取决于网络运营商（在AP“属于”运营商的情况下），用户可能看不到不同的频道。有些人喜欢保留一个SSID，这意味着在用户级别，您看不到频道。其他人可以为每个频道分配不同的SSID。

在后一种情况下，用户可以轻松选择所需的频道。但是，如果所有频道都在一个SSID下，那么频道分配就变得更具挑战性，这是普通用户不想做的事情。“我是技术专家，” Skafel说。“我绝对不是最聪明的技术人员，但是我确实关联了我的警报系统。这花了点功夫。但是，普通消费者获得物联网设备时，会这样做吗？没有。” 因此，他说正在进一步努力提供协议以使分配变得容易和无缝。

降低功耗

导致对WiFi容量需求增长的部分因素是IoT，但这通常意味着设备不依靠电池供电的智能家居或工业应用。这就留下了一组依赖电池的应用-通常是不可充电的电池，耗尽时必须更换。WiFi一直无法满足这些应用的电源需求，因此它们不得不转向其他低功耗协议进行连接。但是，这些协议中的许多协议都具有低带宽。新的WiFi HaLow标准旨在满足需要更高带宽的低功耗IoT市场的需求。

许多电池供电的IoT设备传输的都是间歇性、低频和少量的数据，不频繁的数据包。低功耗蓝牙（BLE）可以在短距离内做到这一点;SIGFOX和LoRa可以在很长的距离上实现。即使有了HaLow，WiFi也无法在这种类型的应用中在功耗上竞争。但是有些应用需要更多的带宽，同时仍然要合理地消耗能量，HaLow可以在其中提供帮助。在睡眠或闲置状态下，HaLow的能耗比传统WiFi少一个数量级。

“ 802.11ah具有一种称为TWT（目标唤醒时间）的独特节能模式，它允许接入点和连接的设备协商何时以及唤醒设备以发送或接收数据的频率，”Morse Micro公司的首席运营官Vahid Manian说。 “这使802.11ah可以有效地增加设备的睡眠时间并减少频谱争用。” 他进一步指出，“ TWT在802.11n无线电中不存在”

与更常见的WiFi变体不同，HaLow在1 GHz以下运行，从750到950 MHz。较低的频率意味着它可以更轻松地穿透障碍并传播得更远-取决于数据速率，它的传输距离是传统WiFi的10倍之多。以150 kbps的速度，信号可以传播近一公里。在80 Mbps的速度下，覆盖范围大大减小。“一个接入点可以支持1公里范围内的8000个设备，” Manian说。

图3：不同版本的WiFi提供的不同范围。

对于低功率协议，由于它们的吞吐量较低，因此无线电必须保持更长的时间，从而有可能放弃其中的部分节能措施。如果节电小于数据速率下降（例如，一半的功率但为数据速率的1/10），那么功率更高的无线电将仅因为完成速度更快并返回睡眠状态而消耗较少的能量。

图4：HaLow具有比其他远程协议更高的数据速率，而覆盖范围却较小。

WiFi设备制造商还大肆宣传WiFi提供的更高安全性-特别是HaLow。“ WiFi确实有安全性的黄金标准，所以在WPA3中，HaLow比Zigbee等其他［长距离或低功率］协议要安全得多，” Manian说。

图5：典型的WiFi HaLow系统框图。

HaLow的主要市场是监控摄像机市场。有线供电的摄像机可能会使用标准的WiFi、USB或以太网（甚至通过以太网供电）。但是，电池供电的摄像机面临更大的挑战。“电池式摄像机的目标是6个月的电池寿命，” Manian说。因此，HaLow对于此类摄像机的消费版和工业版都具有吸引力。“吞吐量低于常规WiFi，但优于任何其他低于GHz的标准，” Manian说。

其他应用包括工业和汽车通信、酒店或其他较大设施中的访问控制（例如门锁）以及移动电话。在后一种情况下，不是取代标准的WiFi，而是从长远来看，即使没有蜂窝信号，也提供对等功能-本质上是对讲机功能。

当互连需要彼此发送信息的设备时，某些访问点可能专用于HaLow。其他公司将把HaLow和传统WiFi集成到一个接入点中。“我们相信未来的接入点将在当前的Wi-Fi中采用HaLow，” Manian说。设计灵活性在这里很关键，而软件可能是其中的一部分。“人们一直在研究软件方法，您拥有芯片上的大多数功能，但是您可以针对不同的标准重新定位目标，或者最终也可以采用双重模式。”

与传统的WiFi一样，HaLow被细分为多个信道。“ WiFi HaLow确实有多个通道：1、2、4和8 MHz（宽），” Manian说。通道的确切数量取决于其中一个。“美国允许从902到928兆赫，然后可以适合26个不同的1-MHz信道，或可以适合13 2兆赫通道，” “在大多数关键地区，您都可以找到不重叠的部分。”

人们可以使用较窄的信道发送更远的信号。“对于更长距离而言，该标准将使用较窄的信道带宽（例如1 MHz），并且自然而然地将具有比较宽的信道带宽（例如8 MHz）更低的吞吐量，” Manian说。

至少，这允许接入点选择一个不太忙的信道。“我们（提供）动态选择频道，” Djumic说。“ ［我们］监视多个信道，然后我们可以给［每个］等级从1到5。如果您有5个，则这是最佳信道，干扰最低，而您拥有最大可用容量，然后我们可以将网络流量移至该频道。” Morse Micro确认他们也可以执行动态频道分配。

使用HaLow，您还可以将连接的设备分为几组，然后分时共享这些组–这是传统WiFi无法实现的。Djumic说：“有一种机制建立在顶部，其作用类似于受限制的访问窗口。” “一个接入点可以说，‘我有1000个站点，然后将它们分成100个组，然后随时间分配［组］。“ 然后只有100个［竞争］ ［渠道］，而不是数千个。”

目前，没有HaLow制造商计划使用多个信道。但是Djumic认为这是将来可能发生的事情。他说：“例如，如果要停车，则所有这些摄像机都将位于一个通道上，例如4MHz通道。” “然后，您到处都有泊车传感器，以检查哪些地方被占用。例如，它们来自1-MHz ［宽］的不同通道。然后，就可以使用付款系统…［也］通过WiFi ［通道］。

WiFi HaLow将于明年上市。Methods2Business首席执行官兼创始人Marlene Boonen表示：“ 2021年将是WiFi HaLow上市并推出产品的一年。” 它还将在即将到来的5G时代发挥作用。”

Skafel补充说：“向5G过渡的部分原因是，在后台，手机将选择最适合的网络技术，无论是WiFi 2.4还是5 GHz，6 GHz，无论是1800 MHz，还是其他，用户不会知道。”
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