В чем разница между Wi-Fi HaLow и традиционным Wi-Fi?

Wi-Fi — это «кислород» для нашего подключенного мира. Это наиболее распространенный протокол беспроводной сети, используемый сегодня, на него приходится более половины всего интернет-трафика. «Wi-Fi» — это универсальный термин для растущего семейства протоколов 802.11, которые развивались более двух десятилетий. Wi-Fi Alliance, организация, которая способствует внедрению и развитию Wi-Fi, упростила названия часто используемых поколений Wi-Fi с помощью числовой номенклатуры, например, Wi-Fi 4 = 802.11n, Wi-Fi 5 = 802.11ac и Wi-Fi 6 = 802.11ax. Скорее всего, вы используете одну из этих разновидностей Wi-Fi дома или на работе.

Несмотря на повсеместное распространение Wi-Fi 4/5/6, быстрый рост интернет вещей (IoT) заставил переосмыслить традиционный Wi-Fi. Эта переоценка выявила технологические пробелы и изменила роль, которую протоколы 802.11 должны играть в сегодняшнем мире беспроводных подключений устройств IoT со сверхнизким энергопотреблением. Повышенные требования к подключению на большие расстояния и требования к низкому энергопотреблению приложений IoT и межмашинного взаимодействия (M2M) вызывают потребность в другом типе Wi-Fi, оптимизированном для IoT.

Протокол Wi-Fi HaLow (скажем, «HEY-low») заполняет эти пробелы, предоставляя беспроводное решение со сверхнизким энергопотреблением, которое подключает большее количество устройств IoT на гораздо больших расстояниях и с гораздо меньшей мощностью, чем традиционный Wi-Fi. Протокол был ратифицирован рабочей группой IEEE 802.11ah в 2016 году и получил название Wi-Fi HaLow от Wi-Fi Alliance.

Wi-Fi HaLow — это, по сути, маломощная, дальнобойная и более универсальная версия Wi-Fi, работающая в нелицензируемом спектре ниже 1 ГГц. Уникальное сочетание стандарта Wi-Fi HaLow с энергоэффективностью, возможностью подключения на большие расстояния, низкой задержкой, скоростью передачи данных с качеством HD-видео, функциями безопасности и встроенной поддержкой IP делает его идеальным выбором протокола для беспроводных устройств интернет вещей с питанием от батарей.

Давайте подробнее рассмотрим некоторые из основных различий между Wi-Fi HaLow и традиционным Wi-Fi (таблица ниже) и почему протокол 802.11ah идеально подходит для удовлетворения требований к подключению приложений (IoT).

Таблица сравнения обычного Wi-Fi и Wi-Fi HaLow

«Батарейный протокол»

Wi-Fi HaLow обеспечивает исключительную энергоэффективность для чувствительных к энергопотреблению устройств интернет вещей. Различные сложные режимы сна, определенные IEEE 802.11ah, позволяют устройствам HaLow оставаться в состояниях с очень низким энергопотреблением в течение длительных периодов времени, экономя энергию батареи:

  • Целевое время пробуждения (TWT): позволяет станции (STA) и точке доступа (AP) заранее назначить время, когда спящая STA будет просыпаться и прислушиваться к сигналам маяков.
  • Окно ограниченного доступа (RAW): AP может предоставлять привилегии подмножеству STA для передачи своих данных, в то время как другие вынуждены переходить в спящий режим, буферизовать несрочные данные или и то, и другое.
  • Расширенный максимальный базовый набор услуг (BSS) в режиме ожидания: это увеличивает допустимый период простоя STA до пяти лет.
  • Отображение иерархической индикации трафика (TIM): более эффективное кодирование TIM по группам позволяет экономить эфирное время радиомаяков.
  • Короткие заголовки MAC: это сокращает накладные расходы заголовка, эфирное время и энергопотребление, а также освобождает спектр.
  • Блоки данных протокола PHY с нулевыми данными (NPD): они встраивают MAC-подобные ACK / NAK в уровень PHY (физический уровень) для уменьшения времени и мощности.
  • Короткие радиомаяки: короткие (ограниченные) радиомаяки часто отправляются для синхронизации STA, в то время как полные радиомаяки отправляются реже.
  • Раскраска BSS: присвоенные цвета указывают группы BSS для конкретной точки доступа, в то время как STA может игнорировать другие цвета.
  • Двунаправленный TXOP (BDT) (ранее известный как скоростные кадры): это уменьшает количество обращений к среде передачи, когда STA просыпается, чтобы обнаружить наличие кадров восходящей и нисходящей линии связи для передачи. BDT использует индикацию ответа в поле сигнала (SIG) блока данных протокола физического уровня (PPDU), чтобы увеличить защиту продолжительности TXOP от сторонних передач STA.

Эффективные режимы сна и управления питанием протокола обеспечивают многолетнюю работу от батареи для устройств IoT, а также широкий спектр гибких вариантов питания и размера батареи, от устройств IoT с малым радиусом действия, работающих на батареях типа «таблетка», до более мощных и больших -батареи на расстояние более 1 км. Узкополосные сигналы протокола с частотой менее ГГц проходят дальше и с меньшим энергопотреблением, что позволяет передавать больше битов на единицу энергии, чем протоколы Wi-Fi в диапазонах 2,4 и 5 ГГц.

В результате для чипа Wi-Fi HaLow требуется небольшая часть мощности по сравнению с обычным чипом Wi-Fi. В то время как более высокая скорость передачи данных традиционного Wi-Fi позволяет пользователям передавать потоковую передачу видео высокой четкости и быстро загружать большие файлы, используя широкие каналы в диапазонах 2,4, 5 и 6 ГГц, эффективное расстояние для этих подключений Wi-Fi невелико и они быстро разряжают батареи. Таким образом, потребность в частой зарядке или замене батарей, а в идеале — в подключении к электросети. По этим причинам Wi-Fi HaLow является лучшим выбором для устройств IoT с ограниченным энергопотреблением, которым необходимо достигать больших расстояний и работать от батареи в течение многих лет, при этом обеспечивая пропускную способность данных до нескольких мегабит в секунду.

Более длинный диапазон

Стандарт 802.11 охватывает необычно широкий диапазон частот, от субГГц до миллиметрового диапазона (mmWave). HaLow — это первый стандарт Wi-Fi, работающий в нелицензируемом суб-ГГц диапазоне. Он предлагает скорости передачи данных от сотен килобит в секунду до десятков мегабит в секунду и на расстояниях от десятков метров до более километра.

Сигналы с частотой ниже 1 ГГц Wi-Fi HaLow используют более узкие каналы от 1 МГц и выше по сравнению с самыми узкими каналами 20 МГц, используемыми в традиционном Wi-Fi (рисунок ниже). Этот 20-кратный коэффициент ширины полосы приводит к увеличению запаса канала на 13 дБ благодаря более низкому тепловому шуму в канале. Радиочастотные частоты от 750 до 950 МГц по сравнению с традиционным Wi-Fi 2,4 ГГц составляют дополнительные 8–9 дБ запаса канала, сохраняя потери при распространении в свободном пространстве. Кроме того, в протокол Wi-Fi HaLow добавлена оптимизированная по диапазону схема модуляции и кодирования (MCS10), которая обеспечивает дополнительное увеличение бюджета канала на 3 дБ.

Традиционные протоколы Wi-Fi 4/5/6 используют более высокую частоту и более широкую полосу пропускания для максимальной пропускной способности. Протокол Wi-Fi HaLow с частотой менее 1 ГГц оптимизирует проникновение, охват, мощность и емкость.

В целом Wi-Fi HaLow обеспечивает улучшение запаса канала до 24 дБ по сравнению с традиционным 2,4 ГГц IEEE 802.11n (Wi-Fi 4). Преимущество запаса канала связи HaLow еще больше увеличивается по сравнению с протоколами 802.11ac (Wi-Fi 5) и 802.11ax (Wi-Fi 6 / 6E) с еще более высокой частотой и пропускной способностью, которые используют 5 ГГц и 6 ГГц спектр с более широкой полосой пропускания.

Это объясняет, почему сигналы Wi-Fi HaLow проходят в 10 раз дальше, чем традиционный Wi-Fi, без использования сетевых расширителей. Например, камеры с питанием от батареи можно разместить в более удобных местах за пределами стен дома или гаража. Системами освещения можно управлять с одной точки доступа, независимо от того, находится ли светильник в помещении или на улице в саду.

Предоставление конечным пользователям беспроводного решения IoT, которое достигает сотен метров — без дополнительных расширителей или дорогостоящих тарифных планов сотовой связи — является ключевым конкурентным преимуществом для протокола 802.11ah. Благодаря дальности действия преимущества Wi-Fi HaLow расширяют диапазон умных домов и сетей умных городов, позволяя пользователям управлять устройствами IoT на расстоянии более 1 км, что выходит за рамки досягаемости традиционных протоколов Wi-Fi.

Лучшее проникновение сигнала

Общее правило: чем ниже частота, тем длиннее досягаемость и лучше проникает сквозь преграды. Сигналы Wi-Fi HaLow с частотой менее ГГц могут проходить сквозь стены и другие препятствия легче, чем это возможно при использовании традиционного Wi-Fi.

Разнообразие строительных материалов и планировок домов и коммерческих зданий оказывает меньшее влияние на сигналы HaLow в диапазоне ниже sub-ГГц, чем протоколы Wi-Fi в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Превосходная досягаемость Wi-Fi HaLow через стены и здания может помочь сократить количество обращений в службу поддержки и возвратов продуктов, которые иногда мешают продуктам, использующим обычный Wi-Fi (рисунок ниже).

Сравнение пропускной способности 802.11n  ac (слева) и 802.11ah (справа) в зависимости от дальности действия

Wi-Fi HaLow использует модуляцию мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) для коррекции отражений и многолучевых сред. Производители устройств могут быть уверены в надежном подключении HaLow к точке доступа, независимо от того, расположены ли их продукты внутри или снаружи, в подвале или на чердаке дома. Эта гибкость устраняет дополнительные затраты и сложность поставки проприетарных концентраторов или мостовых устройств для компенсации разнообразия домашних архитектур.

Масштабируемое решение

Одна точка доступа Wi-Fi HaLow может адресовать до 8 191 устройства, что более чем в четыре раза больше устройств, чем традиционная точка доступа Wi-Fi. Этого достаточно для подключения каждой светодиодной лампы, переключателя света, интеллектуального дверного замка, моторизованной оконной шторы, термостата, датчика дыма, солнечной панели, камеры видеонаблюдения или любого мыслимого устройства умного дома в обозримом будущем.

Типичные домашние маршрутизаторы Wi-Fi обычно поддерживают десятки устройств. При развертывании дома поставщиком услуг широкополосного доступа одна точка доступа Wi-Fi HaLow может стать масштабируемой платформой для предоставления дополнительных устройств и служб безопасности и управления коммунальными услугами.

Несколько вариантов сигнализации сокращают накладные расходы, необходимые для управления и контроля большого количества устройств HaLow. Это сводит к минимуму коллизии сигналов и освобождает эфир для активных устройств, чтобы передавать больше данных с максимально возможной скоростью MCS.

Как и в случае с традиционным Wi-Fi, HaLow может автоматически масштабировать полосу пропускания в зависимости от целостности сигнала и расстояния от точки доступа. Предварительно определенные уровни MCS поддерживают полосу пропускания от 150 кбит / с до 40 Мбит / с для однопоточных продуктов с одной антенной с использованием ширины канала от 1 до 8 МГц, а пропускная способность 80 Мбит / с также достижима с использованием дополнительного 16 -МГц-широкого канала.

Топология сети Wi-Fi HaLow «звезда», превосходное проникновение, широкое покрытие и огромная емкость освобождают возможности подключения из сложных в развертывании и ограниченной пропускной способности ячеистых сетей, упрощают установку сети и сводят к минимуму совокупную стоимость владения.

Безлицензионный спектр с помехоустойчивостью

Как и традиционный Wi-Fi в диапазонах 2,4; 5 и 6 ГГц, Wi-Fi HaLow позволяет конечным пользователям владеть своим оборудованием и использовать безлицензионный радиоспектр субгигагерца в диапазоне от 750 до 950 МГц, максимальная мощность передачи и рабочие циклы для Wi-Fi HaLow варьируются в зависимости от страны (например, доступный спектр HaLow для Северной и Южной Америки составляет от 902 до 928 МГц, а в Европе — от 863 до 868 МГц).

Wi-Fi Halow убивает традиционный Wi-Fi

Работая в промышленном, научном и медицинском (ISM) диапазоне, Wi-Fi HaLow может использовать различные полосы пропускания каналов: 1 МГц, 2 МГц, 4 МГц, 8 МГц и 16 МГц. Чем уже полоса пропускания, тем дальше могут распространяться сигналы. Данные передаются пакетами, распределенными по множеству подканалов с использованием OFDM, что повышает производительность в сложных радиочастотных средах, особенно при сильных помехах от других радиоустройств. Кодирование с прямым исправлением ошибок (FEC) также обеспечивает дополнительную защиту для восстановления пакетов, обеспечивая надежные соединения.

Безопасность и совместимость

Wi-Fi HaLow, как и другие версии IEEE 802.11 Wi-Fi, по своей сути является безопасным беспроводным протоколом. Он поддерживает новейшие требования Wi-Fi для аутентификации (WPA3) и шифрование AES беспроводного трафика (OTA) со скоростями передачи данных, которые обеспечивают безопасное обновление прошивки OTA.

Как и другие типы Wi-Fi, HaLow является всемирно признанным стандартом (IEEE 802.11ah), который определяет, как подключенные устройства аутентифицируются и безопасно обмениваются данными. Поставщики оборудования, использующие Wi-Fi HaLow, уверены, что их продукты и сети будут взаимодействовать в соответствии с рекомендациями по развитию Wi-Fi Alliance, поскольку это часть стандарта IEEE 802.11, сеть Wi-Fi HaLow может сосуществовать с сетями Wi-Fi 4, Wi-Fi 5 и Wi-Fi 6, не влияя на их РЧ-характеристики.

Переход на родной язык с IP

Все сети IoT требуют поддержки интернет-протокола (IP) для подключения к облаку. Поскольку Wi-Fi HaLow является стандартом Wi-Fi 802.11, он обеспечивает встроенную поддержку TCP / IP. Эта встроенная возможность IP означает, что для подключения к IoT не требуются проприетарные шлюзы или мосты. Все клиентские устройства, подключенные к маршрутизатору с поддержкой Wi-Fi HaLow, могут использовать транспортные протоколы IPv4 / IPv6 для прямого доступа в интернет для облачных служб и управления данными IoT.

Эффект HaLow: расширение диапазона, расширение возможностей IoT

Перегрузка сети, ограничения диапазона и более высокое энергопотребление традиционного Wi-Fi, а также ограниченное количество устройств, которые могут быть подключены к одной точке доступа, больше не являются приемлемым для современного мира подключенных устройств IoT. Эти ограничения препятствуют появлению новых бизнес-моделей, ориентированных на интернет вещей, в различных отраслях, которые требуют большего диапазона, большей емкости и более гибких вариантов управления аккумуляторами и питанием при минимизации затрат на развертывание.

В качестве протокола большой дальности Wi-Fi HaLow поддерживает приложения IoT как внутри, так и вне помещений, за пределами досягаемости Wi-Fi 2,4 и 5 ГГц, такие как удаленные камеры видеонаблюдения, сети контроля доступа и даже дроны. Другие потенциальные варианты использования включают в себя крупные общественные места, такие как спортивные арены, торговые центры и конференц-центры, где одна точка доступа Wi-Fi HaLow может заменить многие традиционные точки доступа Wi-Fi, устраняя необходимость в сложных ячеистых сетях, упрощая установку и снижение совокупной стоимости владения.

Промышленный интернет вещей (IIoT), датчики управления процессами, автоматизация зданий, склады и магазины розничной торговли также входят в число многих других приложений, которые извлекают выгоду из этого протокола с малым энергопотреблением и передачей данных на большие расстояния, позволяющего бесчисленному количеству устройств оставаться подключенными во все более автоматизированном мире. Действительно, Wi-Fi HaLow выделяется среди традиционных протоколов 802.11 своей расширенной зоной действия, энергоэффективностью, емкостью и универсальностью.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *