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专为物联网而生的Wi-Fi HaLow
录入时间:2022/3/16 12:00:40

物联网和M2M网络的发展在许多市场创造了新的机遇。根据全球领先数据统计公司Statista的数据,物联网设备的数量将从2021年的138亿台增加到2025年的300亿台以上。这些应用中有很多都需要远距离连接设备或传感器,因此要求能效高且电池寿命长。

Wi-Fi(IEEE 802.11)是家庭和小型企业应用的首选互联网连接技术,在Wi-Fi的成功基础上,Wi-Fi联盟推出了另一项新标准——Wi-Fi HaLow。这是一种安全、节能的星型网络拓扑结构,可以实现1公里以上距离通信。Wi-Fi HaLow通过Wi-Fi技术实现了中短程高速视频流以及远距离数据传输的强大性能。

什么是Wi-Fi HaLow?

扩大Wi-Fi技术范围这一想法得到了许多行业先锋的支持,并随着IEEE 802.11ah标准的批准得以巩固。支持者们致力于使用Wi-Fi HaLow并制定了一项认证计划,加速市场采用和普及。这一努力取得了成效。Wi-Fi联盟推出了Wi-Fi CERTIFIED HaLow™计划,以满足日益增长的物联网和工业物联网需求。摩尔斯微电子正在提供首个Wi-Fi HaLow CERTIFIED开发平台以支持该计划的推出。

Wi-Fi联盟总裁兼首席执行官Edgar Figueroa表示:“Wi-Fi CERTIFIED HaLow进一步扩展了Wi-Fi在物联网中的主导作用,以解决一系列需要更远距离和更低功耗的安全互通的新应用。Wi-Fi HaLow是对Wi-Fi产品组合的一个令人惊叹的补充,让全部Wi-Fi功能成为无与伦比的连接产品;在不断增长的物联网市场中,简化连接的机会越来越多,Wi-Fi HaLow建立在普遍信任的Wi-Fi基础上,为新兴物联网应用铺平道路,为家庭、企业和产业带来益处。”  

Wi-Fi HaLow是一种开放标准的无线网络技术,在850-950 MHz范围内运行,通常称为亚GHz范围。在较低频率下运行的优点是,信号可以传播更远的距离,并且可以穿透墙壁和障碍物,而在较高频率下则无法穿透。标准Wi-Fi使用更高频率(2.4 GHz、5 GHz或6GHz)的无线电波,能够在短距离内实现高吞吐量的数据传输。新的Wi-Fi HaLow技术扩展了Wi-Fi的范围,更重要的是,消耗的功率非常低,从而延长了电池寿命。这将大大降低偏远地区或难以到达地区的运营维护成本。

Wi-Fi HaLow的主要优势:

·       基于IEEE 802.11ah的开放标准

·       星型网络拓扑结构亚GHz范围运行

·       支持远距离传输,最远可达1公里;该距离是目前Wi-Fi的10倍

·       信号可以穿透墙壁和障碍物

·       根据不同的应用,电池寿命可达到5年以上

·       无需专有的集线器或网关就能接入互联网

·       基于WPA3和Wi-Fi Enhanced Open™的内置安全性

·       链接数据速率从远距离的150 kbps到近距离的86.7 Mbps不等(图1)。

图1:Wi-Fi HaLow呈现出强大的性能,数据速率从远距离的150 kbps到近距离的86.7 Mbps不等(来源:Wi-Fi联盟白皮书)

安全性

Wi-Fi HaLow利用了“Wi-Fi访问保护”(WPA)安全标准的发展。该技术对用户数据进行加密,以保护无线网络免受外部威胁。该标准现在已经是第三代。包括Wi-Fi HaLow在内的所有新的Wi-Fi认证设备,都需要通过Wi-Fi CERTIFIED WPA3™要求。

WPA3利用“对等实体同时验证”(SAE),修复了漏洞并减轻了旧安全协议的威胁,支持更长的加密密钥和个性化的数据保护,从而确保每个客户端和接入点之间数据流量的各自安全,以防止一个客户端数据被连接到同一网络的另一客户端进行解密。这种最新的安全协议使攻击者更难通过猜测密码侵入网络,即使网络密钥(密码)被破解,也无法解密过去的数据。

对比

Wi-Fi HaLow在市场上众多的其他低功耗广域网(LPWAN)中脱颖而出。如图2所示,Wi-Fi HaLow的数据速率达到数十Mbps,使之成为唯一能够在网络上传输视频的协议。

图2:Wi-Fi HaLow与其他LPWAN技术的比较(来源:摩尔斯微电子)

电池寿命

电池的实际寿命取决于应用程序、传输的数据量和频率。尽管如此,不同的网络特性可以决定网络中的设备如何有效地利用能量。网络数据速率越快,无线电就会越快地传输数据并返回到低功率模式。除了高数据速率,Wi-Fi HaLow还引入了增强的睡眠模式,如“目标唤醒时间”和流量调度器,如“受限访问窗口”,允许每个星型网络设备进入睡眠以节省能量,忽略不相关的网络流量。另一方面,网状网络,如Zigbee、Z-wave或Thread使用的网络,在网络边缘之间传播时,必须由每个节点接收和重传相同的数据。 

Wi-Fi HaLow实现了“先听后说”,以最大限度地减少数据冲突并保持较高的网络利用率。相比之下,网状拓扑结构要求网络中的更多设备覆盖与Wi-Fi HaLow相同的区域(Zigbee/Z-wave/Thread节点覆盖20-30米,而Wi-Fi HaLow的覆盖范围为1公里)。再加上每个节点都需要重传数据,会导致更高的网络拥塞、更多的冲突和更短的电池寿命。

图3显示了IMEC(微电子研究中心)所做的比较,其中Wi-Fi HaLow电池寿命与其他技术在十分钟传输间隔的使用情况下进行了比较。 在这项分析中,Wi-Fi HaLow提供了3.15年的电池寿命,与其他LPWANs相比,电池寿命更长。

图3:电池寿命比较(来源:Wi-Fi联盟白皮书)

Wi-Fi HaLow用例

该技术的应用非常广泛。包括家居和建筑自动化、运输和物流、工业无线通信、汽车、网状网络的带外控制、太阳能管理、医疗保健、Wi-Fi HaLow + 2.4 GHz混合应用等。

扩展范围的用例——户外摄像头

房屋所在的地块大小因位置而异。在城市里,房子可能较小,没有院子或院子很小。然而,当远离市中心时,房子可能较大、位于较大的地块上,这使得远程摄像头的安装和连接成为一个挑战。

Wi-Fi HaLow技术解决了这个问题。低功耗摄像头可以使用电池,安装在广阔土地上的关键区域,信号不会被树木或其他障碍物所阻挡。图像信号或视频信号可以轻松到达接入点进行本地监控或云端访问。事实上,基于Wi-Fi HaLow的摄像头也可以造福于公寓大楼,可以覆盖难以到达的公共区域,如地下停车场或屋顶。

户外摄像头用例也可以应用于畜牧业。例如,可以在关键位置安装摄像头来监控牛群,并帮助识别是否有迹象表明有一头牛或多头牛特别需要注意健康,从而提高生产力。此外,摄像头还可以安装在围栏的外缘,监控靠近的入侵者,如野生动物,以帮助保护牲畜和宠物。

更重要的是,这些远程摄像头的电池可以持续多年,提供了便利,并降低了维护成本。

发展势头增强

Wi-Fi HaLow的发展势头正在增强,Wi-Fi联盟正在采取重大措施来推广上述好处,扩大现有Wi-Fi标准的范围,并鼓励开发者参与其中。关键问题是有什么资源可以支持这项技术的发展。目前,有相当多的公司处于领先地位,包括摩尔斯微电子。该公司的Wi-Fi CERTIFIED HaLow™平台和业界首个8MHz参考设计,将使开发者加快设计周期。

摩尔斯微电子的联合创始人兼首席执行官Michael De Nil表示:“将Wi-Fi已经具有变革性的特性,扩展到1 GHz以下频段的潜力再怎么强调都不为过,Wi-Fi联盟为消费者开启了一个远程、低功耗和高容量的Wi-Fi HaLow体验新时代,我们为Wi-Fi联盟点赞。作为领先的Wi-Fi HaLow创新者,我们在研发方面投入了大量资金,以确保市场准备好了SoC和模块,提供不同于当今任何Wi-Fi或LPWAN技术无可比拟的优势。对于消费者和企业来说,从智能家居、智能城市到工业市场,以及介于两者之间的一切,在Wi-Fi CERTIFIED的产品组合中加入低于1 GHz的Wi-Fi CERTIFIED HaLow将改变行业规则。”


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