为什么选择 Wi-Fi HaLow? 两个很好的理由,一个是物联网

博客

Kevin Walsh
战略执行副总裁 Mark等
Palma Ceia SemiDesign

现在是查看 Wi-Fi HaLow 与早期无线技术相比如何的好时机,并评估它如何提高物联网网络的弹性和稳健性。

Wi-Fi HaLow是 Wi-Fi联盟IEEE 802.11ah 标准的名称。 该标准于 2016 年获得批准并于 2017 年发布,定义了专门针对物联网设备的无线电和协议标准。 特别是,工业 4.0 出现的大量多样的用例可以从这些功能中受益,比当今可用的任何其他无线标准都多。

“Wi-Fi HaLow 实现了各种物联网应用所需的低功耗连接,解决方案已开始进入市场,” Kevin 罗宾逊,高级副总裁 Mark在 Wi-Fi 联盟。 “作为 Wi-Fi 产品组合的一部分,Wi-Fi HaLow 提供了用户对当今 Wi-Fi 所期望的许多好处,包括多供应商互操作性、易于设置和最新的 Wi-Fi 安全性。”

我们可能还没有看到大量 Wi-Fi HaLow 设备进入市场,但从很多方面来看,Wi-Fi HaLow 的采用已经加速。那么让我们来回答这个问题……

为什么选择 Wi-Fi HaLow?

两个基本属性使 Wi-Fi HaLow 比其他标准更适合物联网工业应用:

  • 更远的距离:它是一种亚千兆赫无线电标准,通过可扩展性和效率增加了更远的距离。
  • 为物联网量身定制:Wi-Fi HaLow 专门设计为物联网处理协议。 它专为管理和优化设备之间的无线通信而设计。

1. 远距离可靠连接

Wi-Fi HaLow 具有比传统 Wi-Fi 更好的传播特性,这要归功于其在亚千兆赫无线电标准(低于 1 GHz)下运行。 简而言之,亚 GHz 无线电可以更好地穿越障碍物和远距离传输——您体验到的信号损失更少。 Wi-Fi HaLow 设备比以 2.4G 和 5G 以及新的 6G 频率运行的 Wi-Fi 标准传输得更远。

Wi-Fi HaLow - 范围和稳健性
图 1:改进的范围和稳健性

在工业环境中,在保持稳定连接的同时进行远距离传输是很困难的。 这对于室内工业区域尤其麻烦,这些区域通常挤满了会产生电磁干扰 (EMI) 的设备,这会对无线连接,尤其是蓝牙和 Zigbee 连接造成严重破坏。

远距离传输和保持稳定连接的能力取决于一组复杂的因素,这些因素决定了无线电信号是否会从发射器传输到接收器,以及是否有足够的信号可供可靠地检测和解码(见图 1) )。 最大耦合损耗 (MCL) 或最大路径损耗 (MPL) 量(以 dBm 为单位)提供了一个指标,用于确定信号将传播多远以保持正确连接。 当信号穿过空气或障碍物时,信号会逐渐减弱和衰减(以 dBm 为单位的功率损耗)。

最大耦合损耗和最大路径损耗
表 1:Wi-Fi HaLow 的 MCL 不及最佳 LPWAN 标准,但提供了更高的吞吐量

表 1 显示了各种无线电技术的 MCL。 Wi-Fi HaLow 提供距离和数据速率的独特组合,使其成为基于 Wi-Fi 的物联网应用的最佳选择。

Wi-Fi HaLow 不仅使用 Sub-GHz 频率,而且它具有一组稳健的调制和编码方案,这些方案也提高了信道连接的范围和稳健性。

表 1 还显示,Wi-Fi HaLow 的 MCL 与最佳 LPWAN 标准相去甚远,同时提供了显着更高的吞吐量。 范围和吞吐量之间的这种平衡填补了涉及视频和遥测数据的物联网应用的重要用例空白。


2. 为物联网量身定制

物联网网络通常需要支持数千台设备,管理这些大型网络会带来多个问题。 为每个设备打开一个通信通道会产生问题——谁可以说话,什么时候可以说话。 管理此通道争用是确保与每个设备的通信成功的唯一方法。

物联网网络流量
图 2:物联网网络

Wi-Fi HaLow 是为物联网而开发的,包括管理典型物联网网络中不同类型流量的特定功能(参见图 2)。 物联网网络有一组不同的流量配置文件,通常都存在于同一个网络中。 这些不同的流量模式需要机制来确保以有序和有效的方式处理设备通信。

处理数以千计的设备

Wi-Fi HaLow 扩展了接入点(网关或热点)的能力,通过定义关联标识符 (AID) 层次结构来支持密集网络。 这种方法使用页、块、子块结构,如图 3 所示。

关联标识符层次结构
图 3:Wi-Fi HaLow 支持物联网网络中的数千台设备

设备(STA-Station)通过 13 位标识符与接入点 (AP) 相关联。 与传统的 IEEE 4 标准(例如 Wi-Fi 802.11 和 5)相比,这种结构不仅允许 Wi-Fi HaLow 支持 6 倍的 STA 数量,而且页面结构允许组织网络以提高效率(通过页或组/类型)。 每个组可以包含类似类型的设备,或位于一个区域与另一个区域的设备。 分组允许 AP 通过依次与每个组通信来更有效地管理网络设备。 这样的层次结构最多可以支持 8191 个设备(213-1) 每个 AP。

竞争预防

Wi-Fi HaLow - 资源分配窗口
图 4:Wi-Fi HaLow 的资源分配窗口功能
Wi-Fi HaLow - 目标唤醒时间
图 5:Wi-Fi HaLow 的目标唤醒时间功能可延长电池寿命

Wi-Fi HaLow 引入了一种新方法来处理与密集网络中的设备 (STA) 的通信,以减少信道争用。 首先使用它们的 AID 将设备组织成组。 一个新的资源分配窗口 (RAW) 机制然后管理每个设备并以有序的方式唤醒它们。 这意味着大多数其他设备可以保持睡眠状态而不争用信道,从而创建清晰可靠的连接。 设备组可以进一步分配到不同长度的时隙。 只有各自插槽中的设备才能竞争通道,从而进一步减少争用(参见图 4)。

其他几项协议功能可帮助 Wi-Fi HaLow AP 更好地管理争用。 减少争用还可以延长电池供电设备的使用寿命。 设备保持休眠状态,直到它们知道轮到它们说话或收听为止,首先按组,然后按时隙。 在最低功耗模式下保持睡眠状态可延长电池寿命。

需要注意的是,RAW 功能是通过 Wi-Fi 协议新提供的,在早期的连接标准 Wi-Fi 4、5 甚至 6 中不可用。

Wi-Fi HaLow 中首次定义的另一个功能是目标唤醒时间 (TWT),它独立于 RAW 运行。 热点(一个接入点)和设备(一个站)可以协商一个预定义的唤醒时间。 这些设备可以保持睡眠状态,直到它们指定的唤醒时间,此时会发送一个指示设备可以唤醒的触发信号(参见图 5)。 这一新功能还降低了 IoT 设备的功耗,因为设备在不活动时保持睡眠状态。

我以前写过 Wi-Fi HaLow 的优缺点,Wi-Fi HaLow vs. Lora、Wi-Fi 6、蓝牙等连接技术. 因此,当您查看所有连接标准的范围、吞吐量、密度和低功耗操作时,Wi-Fi HaLow 看起来是物联网的最佳选择。

Kevin Walsh 加盟 Palma Ceia SemiDesign 于 2016 年加入该公司,在半导体、IP 和 EDA 领域拥有超过 25 年的经验。他在营销方面拥有丰富的经验,包括战略和战术规划、并购、建立分销渠道和联合营销伙伴关系。最近,他担任 Faraday Technology 的战略副总裁 Mark等。 他曾是Sapphire Design Automation的执行副总裁兼创始人,以及Sapphire Design Automation的副总裁。 Mark在Simplex Solutions上进行操作。 此前的其他职务包括担任 Marketing和主任 Mark如Gennum,Semtech,inSilicon,Arasan Chip Systems和Synopsys。 他拥有加州大学伯克利分校的电机工程和计算机科学理学学士学位和佩珀代因大学的MBA学位。