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物联网连接——Wi-Fi HaLow与Zigbee对比
录入时间:2023/8/23 10:32:37

随着物联网(IoT)的不断创新,联网设备正在处理越来越多的智能任务。对于物联网开发人员来说,部署远距离、低功耗的可靠网络来监控不断增加的物联网设备套件变得越来越重要。

什么是 Zigbee?

Zigbee 诞生于 1998 年(2006 年修订),旨在解决无线机器对机器 (M2M) 和物联网网络的问题。Zigbee利用 IEEE 802.15.4 规范中的介质访问控制层(MAC)和物理层(PHY),在 2.4 GHz 和 sub-1 GHz 频段的免许可和类许可的无线电频谱中运行。

Zigbee 的原始数据吞吐率在 2.4 GHz(16 个信道)时为 250 Kbps,在 915 Mhz(10 个信道)时为 40 Kbps,在 868 Mhz(1 个信道)时为 20 Kbps。根据不同的功率输出和环境特性,2.4 GHz 频段的传输距离从 10 米到 100 米不等,根据监管限制,sub-1 GHz 频段的传输距离可达 1 公里。

Zigbee与 Wi-Fi HaLow 比较

Wi-Fi HaLow 是经 Wi-Fi 联盟认证的基于 IEEE 802.11 MAC/PHY(介质访问控制/物理层)的最新协议。Wi-Fi HaLow 结合了 IEEE 802.11ah,可实现各种应用所需的低功耗连接,包括摄像头、传感器网络和可穿戴设备。

Wi-Fi HaLow 可提供当今消费者对Wi-Fi 的所有期望,包括多厂商互操作性、无需中断现有 Wi-Fi 网络的简易设置以及 WPA3TM最新 Wi-Fi 安全性。Wi-Fi HaLow 可增强其他 Wi-Fi 技术,提供远距离、低功耗、高性能和安全的 Wi-Fi,为各种物联网环境提供不断扩展的产品组合。

技术对比

Wi-Fi HaLow旨在满足室内外物联网连接的需求,这就是为什么许多开发人员想知道Wi-Fi HaLow与 Zigbee 等“类似”协议相比有何优势。

我们来比较一下Wi-Fi HaLow和Zigbee的主要功能。此次比较的是 2.4 GHz 频率的 Zigbee,因为绝大多数 Zigbee 设备都在此频率下运行。

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连接范围

Wi-Fi HaLow 使用 1 GHz 以下频段(850 MHz - 950 MHz 之间)和窄信道(1 MHz 及以上),这使得 Wi-Fi HaLow 设备能够进行远距离通信。此外,与 2.4 GHz 信号相比,1 GHz 频段以下的信号能更有效地穿透墙壁、天花板等障碍物。

Zigbee 运行在 IEEE 802.15.4 MAC 层和 PHY 层之上,是一种主要为2.4 GHz频带的室内应用而设计的网状协议。虽然 Zigbee 各个设备之间的传输距离较短(10 - 100 米),但供电充足的 Zigbee 设备可作为中继器创建网状网络,将传输距离扩展到 100 米以外。然而,作为中继器运行的 Zigbee 设备功率并不低,因此在实际应用中,这些设备需要由主电源供电。此外,随着网状网路跳数的增加,数据包延迟也会增加,从而降低支持实时应用的可能性。Zigbee 适用于低功耗、低数据速率和短距离设备,在照明控制等短距离智能家居应用中很受欢迎。

容量

单个 Wi-Fi HaLow 接入点(AP)可处理数千个不同类型的设备。这使得Wi-Fi HaLow可以轻松扩展到需要大量设备的应用中,例如工业控制和楼宇自动化。例如,在智能家居环境中,由宽带服务提供商安装的单个 Wi-Fi HaLow 接入点可轻松满足任何家居设备的需求。在企业中,可将多个 Wi-Fi HaLow 接入点添加到网络中,使设备容量远远超过 8,191 台设备。

Zigbee 的网状网络功能支持每个网络中的大量设备,单个网络中最多可达 65,000 个节点。这是一个理论极限,需要特定的设备充当中继器来扩展网状网络,但并非所有 Zigbee 设备都能做到这一点。例如,飞利浦 Hue 网桥(一系列智能灯泡)使用 Zigbee。不过,这将设备数量限制在 50 台左右。如上所述,额外的网状网路跳数,会对数据包延迟产生不利影响。

安全性

Wi-Fi HaLow 采用 IEEE 802.11ah,这意味着Wi-Fi HaLow遵循全球公认的 802.11 安全认证和通信标准。WPA3-Personal 和 WPA3-Enterprise 安全性支持 AES-128 和 AES-256 两种不同计数器模式的加密。Wi-Fi HaLow的安全性是强制的,该安全性对Wi-Fi HaLow 的吞吐量和延迟影响很小。网络安全威胁在不断演变,Wi-Fi HaLow 可以轻松适应新的更高安全级别。

根据 IEEE 802.15.4 的规定,Zigbee 支持计数器模式下的 AES-128 位加密,网络中的所有设备都使用单个对称网络密钥。网络密钥在提供给新设备时由链路密钥加密,但链接密钥可能使用已知的默认值,这可能会导致网络密钥的泄露。对于 Zigbee 来说,安全性是一个可选项,使用时应注意确保安全性,并妥善保管网络密钥。Zigbee 数据包大小为 127 字节(无安全性)和 68 字节(有安全性)。这意味着为了换来安全性的付出,会严重影响 Zigbee 网络的功耗、吞吐量和延迟性。Zigbee 数据包的大小很难适应未来新的安全威胁。

能源效率

Wi-Fi HaLow 的设计目的是为远距离、低功耗的物联网应用提供高能效的 Wi-Fi 版本。Wi-Fi HaLow 芯片或模块所需的功率仅为传统 Wi-Fi 的一小部分。

Zigbee 同样是为低能耗设备而设计的,比传统的 Wi-Fi 协议功耗更低,非常适合传感器等数据量相对较小的应用。虽然Zigbee对于只需要较小数据包的物联网应用来说是一个很好的低功耗选择,但Wi-Fi HaLow在更远范围内为各种物联网应用提供了更优的能效,例如在较远距离使用的摄像机和传感器。此外,Wi-Fi HaLow能够更好地支持固件和安全性的远程升级。

应用的多功能性

Wi-Fi HaLow 在 850 MHz 至 950 MHz 的免许可或类许可 sub-1 GHz 无线电频谱内运行。只要各厂商的Wi-Fi HaLow 产品获得 Wi-Fi 认证,消费者就可以放心地使用来自不同厂商的 Wi-Fi HaLow 产品。Wi-Fi HaLow与Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6在不同的频谱中运行,因此所有这些技术都可以共存并相互补充,而不会影响RF性能。

Zigbee 为用户提供从不同厂商选择设备的灵活性,并获得了连接标准联盟(Connectivity Standards Alliance)的行业互操作性认证。作为一种利用 IEEE 802.15.4 规范的互操作协议,Zigbee 已广泛应用于众多智能家居、商业和工业应用中。不过,Zigbee 可能无法与 2.4 GHz 频段的高速 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 6 设备很好地共存。

作为一种 IEEE 802.11 标准,Wi-Fi HaLow 与 Zigbee 相比还有一个显著优势:对互联网协议(IP)版本4和版本6的本地支持。所有类型的 Wi-Fi 本身都支持 IPv4 和 IPv6,这意味着基于 Wi-Fi 的物联网设备可以直接连接到互联网和云服务,而无需通过专用网关。Zigbee 的数据包非常小,支持压缩版 IPv6,即 6LowWPAN。要让 Zigbee 设备与互联网和云服务通信,必须使用特殊的网关。

可变数据速率与固定数据速率

Wi-Fi HaLow 提供多种调制与编码方案(MCS)速率,可支持同一网络中的不同物联网应用。例如,较高的速率(如 8 MHz 信道中高达 43.3 Mbps 的单流传输速率)可支持视频应用,而较低的速率(如 1 MHz 信道中低至 150 Kbps 的速率)可支持远距离传感器。由于功耗通常由无线电发射器或接收器的开启时间决定,因此较高的速率可使无线电更快关闭,从而有助于节省功耗。

结论

总之,Wi-Fi HaLow 和 Zigbee 都是无线通信技术,但用途不同,功能各异。Wi-Fi HaLow 在许多关键领域都优于 Zigbee,包括覆盖范围、穿透力、功耗、安全性和吞吐量,而 Zigbee 则更适合专用传感器网络。这两种技术各有优势和局限。但是,当Wi-Fi HaLow 和 Zigbee结合使用时,可以互为补充,为物联网世界提供全面的解决方案。请继续关注,了解这些技术如何挑战现状,并在 2023 年为互联互通带来两全其美的解决方案。


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