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IoT的快速發展迫使人們重新思考傳統Wi-Fi，Wi-Fi HaLow與傳統Wi-Fi有何不同？

TECHSUGARTECHSUGAR 發表於 2021年6月22日 15:00 2021-06-22

Wi-Fi就像是我們互聯世界的氧氣，是當今最普遍的無線網路協議，承載了超過一半的網際網路流量。「Wi-Fi 是一個通用術語，指的是經過二十多年發展而成的802.11協議家族。Wi-Fi聯盟是推動Wi-Fi應用和發展的組織，該組織用數字命名法，簡化了常用的幾代Wi-Fi名稱，例如，Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac 、Wi-Fi 6 = 802.11ax。您正在家裡或工作場所使用的，很有可能就是這些類型的Wi-Fi。

儘管Wi-Fi 4/5/6無處不在，但物聯網（IoT）的快速發展，迫使人們重新思考傳統Wi-Fi，揭示技術差距，重新定義802.11協議在現今超低功耗物聯網設備的無線連接世界中應該發揮的作用。物聯網和機器對機器（M2M）應用，對遠端連接和低功耗的更高要求，促使人們需要另一種為物聯網而最佳化的Wi-Fi。

Wi-Fi HaLow（發音為HEY-low）協議，透過提供超低功耗的無線解決方案，填補了這一空白，與傳統Wi-Fi相比，該方案可以在更遠的距離和更低的功耗下，連接更多的物聯網設備。該協議於2016年得到了IEEE 802.11ah任務組的批准，被Wi-Fi聯盟稱為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow本質上是一款低功耗、遠距離、多用途的Wi-Fi版本，在免許可的1 GHz頻譜下運行。Wi-Fi HaLow標準結合了能效、遠端連接、低延遲、高解析度影片品質數據速率、安全功能和本地IP支持，是無線連接、電池供電的物聯網設備的理想協議選擇。讓我們仔細看看Wi-Fi HaLow和傳統Wi-Fi之間的一些主要分別，以及為什麼802.11ah協議非常適合物聯網應用的連接要求。

一種省電的協議

Wi-Fi HaLow為耗電的物聯網設備，提供了卓越的能效。IEEE 802.11ah規定的各種複雜的休眠模式，使HaLow設備能夠長時間處於極低功率狀態， 節省電池能量：

TWT（Target wake time）：這允許工作站（STA）和存取點（AP）預先安排一個時間，喚醒休眠的節點以存取訊號。

RAW（Restricted access window）：存取點可以授予工作站子集傳輸其資料的權限，而其他工作站則被迫休眠、緩衝非緊急數據或兩者兼而有之。

BSS（Basic Service Set ）空閒期：這將工作站的「允許空閒期」延長至五年。

TIM（Traffic Indication Mapping ）： 更有效地分組編碼TIM，節省信標（Beacon）的傳輸時間。

短MAC標頭：將低標頭傳輸虛耗、傳輸時間和功耗，並釋放無線電波頻段。

空值PHY協議數據單元（NPD）：這將類似MAC的ACKs/NACKs嵌入PHY層，以減少時間和功耗。

短信標：短（有限）信標頻繁發送以同步工作站，而完整信標的發送頻率較低。

BSS著色機制：顏色分配表示特定接入點的BSS組，而站點可以忽略其他顏色。

雙向TXOP（BDT：Bi-directional TXOP）：當喚醒工作站，發現存在用於傳輸的上行和下行訊框（Frame）時，會減少介質的存取次數。BDT使用實體層協議資料單元（PPDU）的訊號（SIG）字段中的響應指示，以增加對第三方工作站傳輸的TXOP持續時間保護。

該協議的高效休眠和電源管理模式，支援物聯網設備使用電池運行多年，以及多種靈活的電源和電池大小選擇，從採用鈕扣電池的短距離物聯網設備，到傳輸超過一公里的更高功率、採用更大電池的應用。與2.4 GHz和5 GHz頻段的Wi-Fi協議相比，該協議採用的sub-GHz窄頻訊號，傳輸距離更遠，能耗更低，讓每單位能耗可傳輸更多數據。

因此，Wi-Fi HaLow晶片所需的功率僅為傳統Wi-Fi晶片的一小部分。雖然傳統Wi-Fi的數據速率較高，讓使用者能夠在2.4 GHz、5 GHz和6 GHz頻段，使用寬頻頻道快速傳輸高解析影片和下載大量檔案，但這些Wi-Fi連接的有效距離很短，電池消耗很快，需要頻繁充電或更換電池，或者最好有一個主電源連接。基於這些原因，Wi-Fi HaLow是電源受限的物聯網設備的更好選擇，這些設備需要達到更遠的距離，並能用電池運行數年，同時仍然提供較高的數據吞吐量。

Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz協議優化了滲透率、覆蓋範圍、功率和容量。

覆蓋範圍更廣

802.11標準涵蓋的頻率範圍非常廣泛，從sub-GHz到毫米波（mmWave）。Wi-Fi HaLow是第一個在免許可的sub-GHz頻段運行的Wi-Fi標準。Wi-Fi HaLow提供的數據速率，從幾百kb/s到幾十Mb/s不等，傳輸距離從幾十公尺到一公里以上。

與傳統Wi-Fi使用的最窄的20MHz頻道相比，Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz訊號使用更窄的頻道，從1MHz到更窄。由於頻道中的熱雜訊較低，這種20倍的頻寬系數轉化為13 dB的link budget改進。與傳統的2.4 GHz Wi-Fi相比，750 MHz – 950 MHz之間的RF頻率，需要額外增加8dB-9 dB的link budget，進而節省自由空間傳輸損耗。此外，Wi-Fi HaLow協議增加了一個範圍最佳化的調變和編碼方案（MCS10），可提供額外的3dBlink budget改進。

總之，與傳統的2.4GHz IEEE 802.11n（Wi-Fi 4）相比，Wi-Fi HaLow提供了高達24dB的link budget改進。與頻率更高、頻寬更寬的802.11ac（Wi-Fi 5）和802.11ax（Wi-Fi 6/6E）協議相比，Wi-Fi HaLowlink budget優勢進一步增強，其使用頻寬更寬的5GHz和6GHz頻譜。這就解釋了為什麼Wi-Fi HaLow訊號的傳輸距離，是傳統Wi-Fi的十倍，而不需要網路擴展器。例如，電池供電的攝影鏡頭可以放置在家裡或車庫外牆更方便的地方。照明系統可以從單個AP控制，而不管燈具是在室內還是室外的花園裡。

為終端使用者提供無線物聯網解決方案，覆蓋數百公尺的距離，而無需額外的擴展器或昂貴的手機行動網路，是802.11ah協議的一個關鍵競爭優勢。Wi-Fi-HaLow的遠端覆蓋優勢，擴展了智慧型家居和智慧型城市網路的範圍，讓使用者能夠控制1公里以外的物聯網設備，遠遠超出了傳統Wi-Fi協議的覆蓋範圍。

訊號穿透力更強

一般來說：頻率越低，覆蓋範圍越遠，穿透障礙物的能力越強。Sub-GHz 的Wi-Fi HaLow訊號可以比傳統Wi-Fi更容易穿過牆壁和其他障礙物。與2.4GHz和5GHz頻段的Wi-Fi協議相比，住宅和商業建築的建築材料和布局的變化，對sub-GHz HaLow訊號的影響較小。Wi-Fi HaLow可以穿透牆壁和建築物，這有助於減少客戶投訴和產品退貨，這些問題有時會困擾使用傳統Wi-Fi的產品。

Wi-Fi HaLow使用正交分頻多工（OFDM）調變，來校正反射和多徑環境。無論設備製造商的產品是在室內還是室外，或者是在地下室還是閣樓，Wi-Fi HaLow都可以確保設備與接入點之間有穩健的連接。這種靈活性消除了提供專有集線器或橋接設備以補償不同家庭架構的額外成本和複雜性。

高度可擴展的解決方案

單個Wi-Fi HaLow接入點可以處理多達8191個設備，是傳統Wi-Fi接入點的4倍多。在可預見的未來，這足夠連接每個LED燈泡、電燈開關、智慧型門鎖、電動窗簾、恆溫器、煙霧探測器、太陽能電池板、監控攝影鏡頭或任何可想像的智慧型家居設備。典型的家庭Wi-Fi路由器，通常支援幾十種設備。當頻寬服務提供商在家居中進行部署時，單個Wi-Fi HaLow接入點可以成為一個可擴展的平台，用於提供額外的安全和公用事業管理設備和服務。

多種訊號傳遞選項，減少了管理和控制大量HaLow設備所需的開銷。這樣可以最大限度地減少訊號衝突，並為有源設備釋放無線電波，以便以最快的調變和編碼方案（MCS）速率傳輸更多數據。與傳統Wi-Fi一樣，HaLow可以根據訊號完整性和與接入點的距離，自動調整頻寬。預定義的MCS級別支持單流、單天線產品的頻寬從150 Kbps到40 Mbps，使用的頻寬從1 MHz到8 MHz，80 Mbps的能力也可通過使用可選的16 MHz寬頻道來實現。

Wi-Fi HaLow的星形網路拓撲結構、卓越的穿透力、廣闊的覆蓋面積和巨大的容量，將無線連接從難以部署和頻寬受限的網狀網路中解放出來，簡化了網路安裝，並將總體持有成本降至最低。

具有抗噪性的免許可頻譜

與採用2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統Wi-Fi一樣，Wi-Fi HaLow使終端使用者能夠擁有自己的設備並使用免許可的sub-GHz無線電頻譜，範圍從750MHz到950MHz。Wi-Fi HaLow的可用頻率範圍、最大傳輸功率和占空比，在世界各地有所不同。（例如，美洲可用的HaLow頻譜是902 MHz至928 MHz，而在歐洲是863 MHz至868 MHz）。

Wi-Fi HaLow在工業、科學和醫療（ISM）頻段內運行，可以使用多種頻段：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。頻寬越窄，訊號傳輸的距離就越遠。使用OFDM，以跨多個子頻道的數據包形式傳輸數據，這可以提高在具有挑戰性的RF環境中的性能，特別是當有來自其他無線電設備的強干擾時。前向錯誤更正（FEC）編碼也為恢復數據包提供了額外的保護，確保穩健的連接。

安全性和互通性

與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣，Wi-Fi HaLow是一種固有的安全無線協議，支援最新的Wi-Fi認證要求（WPA3）和空中傳輸（OTA）AES加密，其數據速率可以實現安全的OTA韌體升級。

就像其他類型的Wi-Fi一樣，HaLow是一個全球公認的標準（IEEE 802.11ah），定義了連接設備如何進行安全認證和通訊。採用Wi-Fi HaLow的設備供應商，可以保證其產品和網路，將按照Wi-Fi聯盟的開髮指導來實現互通性。由於Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標準的一部分，Wi-Fi HaLow網路也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網路共存，而不影響其RF性能。

本地IP支援

所有物聯網路都需要網路協議（IP）支持，以實現雲端連接。由於Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標準，因此它提供本地TCP/IP支持。這種內建的IP功能，意味著物聯網連接不需要專有閘道器或橋接器。所有連接到具有Wi-Fi HaLow功能的路由器的客戶端設備，可以使用IPv4/IPv6傳輸協議，直接連結網際網路，以獲得基於雲端的服務和物聯網數據的管理。

HaLow效應：延伸範圍，拓展物聯網的可能性

傳統Wi-Fi的網路擁塞、範圍限制和較高的功耗，以及可連接到單個AP的設備數量有限，在當今物聯網設備的世界中已不再可行。這些限制阻礙了各行業出現的以物聯網為中心的新商業模式，這些模式需要更遠的距離、更大的容量、更靈活的電池和電源選項，同時最大限度地降低部署成本。

作為一種遠端協議，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達到的室內外物聯網應用，例如遠端監控鏡頭、門禁網路甚至無人機。其他潛在的使用案例包括大型公共場所，如體育場館、購物中心和會議中心，在這些場所，單個Wi-Fi HaLow接入點可以替代大量的接入點，無需複雜的網狀網路，簡化了安裝，降低了總持有成本。

工業物聯網、過程控制感測器、大樓自動化、倉庫和零售店等眾多應用，也將受益於這種遠端、低功耗協議，讓無數設備能夠在日益自動化的世界中保持連接。事實上，Wi-Fi-HaLow在傳統的802.11協議中因其覆蓋範圍、能效、容量和多功能性而脫穎而出。

附圖：▲Wi-Fi 4/5/6與Wi-Fi HaLow的比較
▲ 傳統的Wi-Fi 4/5/6協議，使用更高的頻率和更寬的頻寬來最大化吞吐量。
▲ 比較802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的吞吐量與範圍。（資料來源：Sensors期刊（Basel ）。2016年11月，IEEE 802.11ah：一種應對物聯網挑戰的技術，作者：Victor Baños-Gonzalez, M. Shahwaiz Afaqui, Elena Lopez-Aguilera, and Eduard Garcia-Villegas）

資料來源：https://www.techbang.com/posts/87835-wifi-halow-iot?fbclid=IwAR1P3nR4iV8V3ZhhOO4zX7GZ_9Tz4v5MBzLlCX3aXYbnOCVqPYi58LPFrmQ

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在物聯網中添加【物】的六種方法

【作者： R. Beddor】 2020年07月09日 星期四

物聯網解決方案通常連接成百上千個邊緣設備，隨著更多邊緣設備的加入，成本和電源管理等常見的設計限制也越來越多。本文將概述物聯網應用中最常用的連接方法類型，並可從中權衡選擇及確定如何在物聯網設計時添加「物」。

如果您正在線上閱讀本文，則很可能是透過蜂巢網路、Wi-Fi或乙太網實現網路連接的，儘管這些連接方法在消費性電子產品中應用廣泛，但與物聯網（IoT）邊緣節點並無太多關聯。與消費性產品不同，大多數的邊緣設備不用檢查電子郵件（很幸運）或播放串流電影，因此這些設備無需具備這些產品所使用的高資料速率。

物聯網解決方案通常連接成百上千個邊緣設備，隨著更多邊緣設備的加入，成本和電源管理等常見的設計限制也越來越多。在這種規模下，產品與互聯網的連接方式將決定該解決方案的成功與否。

本文將概述物聯網應用中最常用的連接方法類型。請按照本文權衡選擇及確定如何在物聯網設計中來添加「物」。

[1] 乙太網

乙太網是一種將「物」連接到「網」的快速可靠的方法。乙太網常見於工業和建築自動化行業，尤其適用於在同一網路中包含許多節點的系統。

由於乙太網採用實體接線方式，因此本質上也是一種非常安全的連接方法。還可以使用乙太網電纜，透過乙太網供電（PoE）方式為設備供電，這樣便無需再使用單獨的電源模組來為終端設備供電。

但是，實體接線確實也帶來了巨大的設計挑戰，而且並非適用於所有應用。透過乙太網連接的節點必須靠近路由器，即使在家庭和建築自動化等短距離應用中，乙太網電纜的規模也同樣龐大，如何管理和隱藏纜線是一項重大挑戰。在現代建築中，自動照明系統在施工時使用實體接線方式，但是在未採用相關設計的建築中安裝乙太網物聯網系統通常是不可行的。

[2] Wi-Fi連接

作為網際網路連接的必備工具，Wi-Fi的無線特性極具吸引力。Wi-Fi受到主流設備的廣泛支援，並且不像乙太網一樣存在實體接線限制。

儘管具備普遍性，但是將Wi-Fi功能添加到嵌入式設計中通常很複雜。Wi-Fi之所以有吸引力是因為其無需接線且速度很快，但這種方法也存在安全性漏洞和功耗問題。因此，進行基於Wi-Fi的物聯網設計時，工程師需要在安全性、功耗和成本方面做審慎的權衡。

幸運的是，現在已經有解決方案能夠幫助工程師克服這些障礙。使用針對物聯網優化的Wi-Fi模組，有助於簡化設計並節省開發時間。諸如WINC1500等模組經過全面認證，支援安全協議，而且針對電池供電設備進行了優化，可在不影響成本和功耗的前提下實現Wi-Fi連接。

[3] LPWAN

低功耗廣域網路(LPWAN)在消費性產品中不太常見，因此可能不為人熟悉。物聯網應用的很大一部分是廣域應用，例如環境監控。

使用物聯網進行環境監控的優勢，在於我們可以監控鄉村、近海和通常無法進入的區域，而問題就在於這些地點位於鄉村、近海和通常無法進入的區域，例如無法給漂浮在馬里亞納海溝中的設備快速充電，也無法在撒哈拉沙漠裡連接到Wi-Fi。

典型的LPWAN使用範圍約為10公里左右。資料傳輸速度非常慢，但是，除非物聯網解決方案在檢查電子郵件或播放流媒體視頻，否則不太可能需要高速連接。

儘管常用於農業和偏遠地區，但LPWAN並不局限於此。LPWAN在城市中的利用率正不斷增長，例如用於跟蹤拍賣場中車輛的LPWAN應用，已成為北美最大的商用物聯網部署之一。

有兩種常用的LPWAN協議：LoRaWAN（源自長距離，也稱為LoRa）和Sigfox。兩者之間的一大差異是成本，Sigfox是一項基於訂閱式的服務，其工作方式與蜂巢式網路類似。如果Sigfox在所在的地區可用，則可以透過訂閱本地供應商的服務實現連接。而使用LoRaWAN時，開發人員可以透過創建「自助式」網路省去訂閱費用，但是大多數人仍會選擇使用本地網路供應商的LoRa閘道基礎架構，並且按照使用量付費。

[4] 蜂巢式網路

除了農村深處和偏遠地區，蜂巢式網路可以覆蓋其餘所有地方。對於需要此類覆蓋範圍的嵌入式系統，蜂巢式網路是唯一的選擇。但是蜂巢式網路十分昂貴，必須先選擇網路供應商，而且只有在透過政府監管部門批准後，才能建立自己的網路。對於每個節點來說，嵌入式元件和供應商訂閱的高昂成本，通常會抵消蜂巢式網路廣泛的覆蓋範圍所帶來的優勢。

也就是說，需要權衡使用蜂巢式網路連接「物」和每月為手機服務付費的利弊。物聯網專用的蜂巢式網路正如雨後春筍般興起，與LPWAN形成競爭之勢。LTE CAT-M是一種快速發展的物聯網蜂巢式網路。其中「M」代表「機器」，該網路針對物聯網進行了優化，是一種速度、成本和功耗更低的解決方案。不過，這樣可能會讓手機費用很高，CAT-M計畫的收費標準約為每月7美元，僅提供5 MB的資料。蜂巢式網路物聯網連接的其他選項，還包括CAT-0、CAT-1和新推出的NB-IoT（NB表示「窄頻帶」）。

5G的推出有望推動物聯網領域的創新。儘管5G的價格要比針對物聯網的網路更高，但其更快的速度可以進一步推動尖端物聯網應用（例如自動駕駛汽車）的發展，5G的覆蓋範圍遠遠不及LTE或3G，但仍在不斷擴展。一些行業分析師預測，在未來五年內，5G的使用量將占到全球人口的20%。

[5] 衛星

蜂巢式網路可以覆蓋大多數人口稠密的地區，但是，要如何在偏遠荒涼的地區實現網路連接呢？

衛星連接可用於物聯網應用，例如蜂巢式服務無法覆蓋的地球偏遠地區的運輸物流。雖然隨著衛星技術的發展，情況有望發生變化，但是開發衛星物聯網應用並不像開發其他連接選項那樣容易，許多衛星服務會留作國防用途。

[6] Bluetooth連接

對於藍牙(Bluetooth)，您可能並不陌生。Bluetooth Classic和Bluetooth Low Energy (BLE) 的最大範圍均在100公尺以上，但通常用於相距不超過幾公尺的設備。日常生活中，藍牙在手機和電腦配件中隨處可見，廣泛應用於耳機、鍵盤和顯示技術。

得益於低功耗（BLE的功耗尤其低）、廣受支援並且可以快速配對的特性，藍牙非常適合消費性電子產品。與Wi-Fi不同，藍牙不會直接連接到互聯網，需要設置閘道才能接入互聯網，雖然自行設置閘道聽起來很麻煩，但通常操作起來就像使用手機連接Wi-Fi一樣容易。

最近更新的藍牙5.0版本擴展了藍牙的範圍，可以在家庭網路中使用，儘管Bluetooth Classic和Bluetooth LE通常用於連接僅相距數公尺的設備，但整個家庭都可以透過藍牙5.0實現互聯，應用範圍的擴展幫助藍牙成功進軍家庭自動化、照明和工業應用領域。

建議

這些連接方法的主要變化趨勢是簡化實施過程，Wi-Fi和藍牙等常用網路通常是評估和探索IoT設計的最簡單方法，這些網路無需自行搭建閘道或向供應商付費。

消費者可以使用多種Wi-Fi和藍牙原型模組，其中很多都提供開放原始程式碼和程式設計教程，我們建議使用連接模組，因為這樣會使設計更加靈活，當需要針對不同的網路調整設計時，可以更換模組，而不必從頭開始。

簡化設計流程

連接到網際網路只是物聯網設計流程的一部分，物聯網系統應具備以下三個元素：智慧、連接和安全，這些元素分別對應於三個電子元件：微控制器（MCU）、連接模組和安全元件，物聯網設計的挑戰在於如何整合上述三種元件。

Microchip的AVR-IoT WG開發板是精簡型Wi-Fi開發平台的一個範例，這款開發板經過預先的配置，可以安全連接到Google Cloud的物聯網平台，透過將安全元件、Wi-Fi控制器和MCU整合在同一塊開發板上，可以省去許多瑣碎的設計工作，直抵問題核心：以創新和快速的方式將物聯網產品推向市場。

Arduino Uno WiFi Rev 2同樣能夠提供智慧、連接和安全元素，Arduino擁有一個活躍的原型設計社群，線上提供了許多使用教程和開放的原始程式碼。

MikroElektronika click boards是快速原型設計模組，可直接連接到AVR-IoT WG開發板，或透過Arduino Uno WiFi R2的Shield板實現連接，這款模組提供多個連接click板（包括各種LoRa和藍牙模組），可在原型設計階段向物聯網設計中添加連接。

Arduino和AVR-IoT WG開發板等用戶友好型工具，顯著降低了構建物聯網設備的難度。無論是一位嵌入式設計人員、製造商，或只是一個對此領域感興趣的網路粉絲，都可以建立一個物聯網的網路。這種強大的無障礙性再加上日益緊密的網路世界，確保了連接將持續以前所未有的方式，推動網路世界的進步。

附圖：圖一 : 物聯網（IoT）由連接到同一網路的成百上千個設備組成
圖二 : 作為消費性電子產品優先考慮的互聯網連接選項，Wi-Fi具備高速和無需接線等優勢。
圖三 : LPWAN能夠完美應用於農業領域，因為這些網路能夠以極低的功耗覆蓋大面積區域。
圖四 : 雖然衛星適用於蜂巢式網路服務無法覆蓋的偏遠地區，但目前商用物聯網很少選用。
圖五 : AVR-IoT WG開發板經過預先配置，可以安全連接到Google Cloud。
圖六 : MikroElektronika BLE2 click板可輕鬆整合到許多通用開發平台中。

資料來源：http://www.ctimes.com.tw/DispArt-tw.asp?O=HK4797B951MARASTDC&fbclid=IwAR3_OtyFVmk5i0ZfxLYXWDZUkEiA-BiVsDSQmv9B4LcZnntfyUARsRBeXUI