从您的LPWAN应用中了解HaLow？

技术的不断发展演进是电子行业一个永恒特征，我们每天都会看到电子技术的许多层面都有创新出现，无线协议和通信技术也不例外。本文将讨论当前和新兴的无线规范，以及它们的发展历程。我们也将回顾最近Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow的迭代话题，以及市场流行的物联网低功耗广域网（LPWAN）协议Sigfox和LoRa（远程）。

无线通信：当今互联社会的关键

30年前，第一个Wi-Fi协议标准诞生，但又过了六年，IEEE才批准IEEE 802.11中的Wi-Fi。今天，我们已经离不开Wi-Fi，基于这种无线技术的互联网连接已经变得几乎与电力等基本公用事业一样重要，我们在家里、车里和公共场所都需要连接到Wi-Fi，单在我们家里就可能有几十种联网设备，从智能恒温器、健身追踪器、门铃到媒体播放器等。

当一项无线标准变得越来越普及后，它往往会吸引更多的应用案例。而每一种新应用都会扩展其功能，技术进步有助于使无线协议在作用距离、数据传输速率和最大连接设备数量等方面不断提升。随着无线协议不断适应以容纳更多应用，标准管理机构需要考虑推出标准修订的必要性，以适应新应用案例的特定需求。

让我们开始以Wi-Fi为例来分析一下无线协议。现在，Wi-Fi被认为是一种无处不在的常用服务，而且已经取得了显著进步，遗留的一些不足包括我们可能是第一次遇到的缓冲延迟。当下，Wi-Fi能够为我们的智能电视、智能手机和媒体播放器提供高带宽多种混合媒体流，它可能是我们日常使用的速度最快无线数据通信协议。然而，适应新的应用案例已经成为Wi-Fi技术的常态，因此我们需要凸显一种新的Wi-Fi协议，它的速度并不那么重要。

Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow

Wi-Fi 6

Wi-Fi 6是Wi-Fi联盟推出的最新Wi-Fi协议标准，这也是第一次将标准版本号纳入Wi-Fi标识。以前，早期的Wi-Fi标准使用IEEE规范802.11 b/g/n来表示支持哪个版本（参见图1）。在Wi-Fi 6发布之前，最后一个使用802.11标识的协议是802.11ac，现在被称为Wi-Fi 5，它可以在现有2.4GHz频段和新的5GHz频谱中运行。与日益拥挤的2.4GHz频段相比，Wi-Fi 5能够在5GHz频段提供更可靠连接，但来自墙壁、地板和天花板的衰减会降低其室内作用距离。

图1：IEEE 802.11 Wi-Fi版本号列表。（来源：Wi-Fi联盟）

最新的Wi-Fi版本Wi-Fi 6也被称为IEEE 802.11ax，它增加了一些在技术层面的改进。与Wi-Fi 5的理论最大传输速率6933Mbits/s相比，Wi-Fi 6可以实现9608Mbits/s，这意味着路由器连接到单个设备的带宽提高了40%。为了实现这些理论上的最大速率，路由器和接收设备上都需要设计多个数据流和多个天线。

另一个区别是，与Wi-Fi 5相比，Wi-Fi 6使用了不同的调制技术，即正交频分多址（OFDMA），以实现更高的连接性能和可靠性，特别是在大型体育场和其他公共场所。多用户、多输入和多输出数据流（MU-MIMO）显著增加了路由器或接入点可以服务的连接设备数量。

Wi-Fi 6的一个有趣之处在于，它包含一种专门为支持电池供电设备而设计的节能模式。尽管Wi-Fi具有令人印象深刻的带宽能力，但它一直被认为是一种相当耗电的协议，最好由主电源或线路供电。然而，对于Wi-Fi 6，目标唤醒时间（TWT）功能允许无线收发器在节省电力的睡眠模式和偶尔轮询路由器两者之间切换，而不是不断轮询路由器。Wi-Fi 6E也是首次支持新的6GHz频带。

Wi-Fi 6认证的前端模块目前已经面市，例如Qorvo的QPF4551前端模块和Intel® AX201 Wi-Fi 6模块。

Wi-Fi HaLow

2017年，Wi-Fi联盟推出了Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11ah）标准，以满足不断增长的物联网（IoT）市场对高度可靠以及牢固的无线连接需求。Wi-Fi HaLow更加强调远距离、低功耗和低带宽链路，与早期的提高性能相比，Wi-Fi HaLow的演进转到了一个不同方向（参见图2和图3）。Wi-Fi HaLow专为功率受限、电池供电的物联网设备设计，其中需要配备超低功耗嵌入式无线微控制器和传感器，同时整合Wi-Fi 6的TWT节能模式。

图2：Wi-Fi HaLow在高带宽Wi-Fi版本家族中的特性对比。（来源：Wi-Fi联盟）

图3：Wi-Fi HaLow优势比较。（来源：Wi-Fi联盟）

Wi-Fi HaLow没有使用传统的2.4GHz和5GHz无线频谱，而是使用未经许可的亚GHz工业、医疗和科学（ISM）频带。由于是在较低频率下运行，通常由室内墙壁、建筑物和植被造成的路径损耗显著降低，典型的点对点连接距离可达1公里。数据速率取决于多输入多输出（MIMO）和具有前向纠错（FEC）技术子载波OFDM信道的使用，数据速率从150kbits/s到几十Mbits/s。

低功耗广域网（LPWAN）适用于IIoT/IoT部署

从边缘节点传感器到云端平台，尽管在整个物联网部署中采用Wi-Fi具有很大吸引力，但Wi-Fi HaLow并不是这些能源受限设备可选的唯一无线协议。在HaLow推出之前，两种LPWAN无线协议已经在市场上站稳了阵脚。与Wi-Fi HaLow一样，Sigfox和LoRa运行在亚GHz ISM频谱，它们具有较远作用距离、低功耗和充足的数据速率等特性，使其成为智能农业、公用事业计量和智能城市基础设施等广泛物联网/IIoT应用的理想选择。然而，与使用基于客户路由器的Wi-Fi不同，Sigfox和LoRa需要订阅服务提供商的LPWAN基础设施。

Sigfox

Sigfox协议可提供100bits/s或600bits/s的相当低带宽，以及12字节的总上行链路有效载荷。该协议在欧洲868MHz至868.2MHz频谱中占据了192kHz的超窄带宽，在世界其他地区902MHz至928MHz频谱中也只占据超窄带宽。下载数据包大小固定为仅8个字节，足够用于消息确认，但不能用于实现固件的无线更新。此外，其网络限制每天接收不超过四条消息。12字节的上传数据包通常足以发送常规传感器参数，例如纬度和经度位置坐标、状态条件和传感器读数等。然而，Sigfox网络运营商限制每小时发送不超过6个12字节的数据包，或每天发送140个数据包。

Sigfox的传输拓扑使用广播方式，而不是与单个基站连接的蜂窝技术。因此，Sigfox设备的消息会被发送到作用范围内的所有可用基站。最初，Sigfox设备会在特定地区或国家频谱内随机选择的频率加载上行链路消息，之后，它在不同的频率和时隙上重复两次。这种时间和频率空间分集方法造就了卓越的服务质量水平。图4所示为Sigfox网络基础设施的体系架构，其中包括设备、基站、到运行支持（OSS）和业务支持（BSS）系统。

图4：Sigfox LPWAN网络体系架构。（来源：Sigfox）

Sigfox连接节点具有极低占空比优势，可使其在大部分时间内保持节能睡眠模式，有助于延长纽扣电池多年寿命周期。虽然作用距离通常高达9公里，但与所有其它无线链路一样，这取决于地形、障碍物和可用链路资源。

Sigfox收发器模块的一个示例是来自LPRS的eRIC-SIGFOX，该模块的发射输出功率高达+14dBm，可按1dBm步进编程。onsemi的 EU-Sigfox具有Arduino Uno屏蔽尺寸大小，可为初始项目评估和原型设计提供了一个方便的评估板。

LoRa

尽管Sigfox和LoRa都可提供LPWAN功能，但LoRa能够定义一种专有的通信协议和调制方法。LoRa LPWAN网络基础设施由半导体供应商Semtech（提供LoRa IP许可）开发，并由LoRa联盟管理，该联盟负责在特定地区和国家授权许可网络基础设施服务提供商和社区运营商，而全球社区运营商的一个范例则是广受欢迎的物联网。

LoRa网络设备到网关的作用距离在农村地区可以达到15公里的视距，在人口稠密的城市地区通常不超过5公里。LoRa调制技术采用专有的线性调频扩频（CSS）协议，具有125kHz或500kHz的两个上行链路信道带宽和500kHz的固定下行链路。一组六个扩展码定义了信号频率从标称频率扩展多远，随着比特率增加，作用范围随着扩展码增加而减小。信道宽度、数据速率和链路方面的权衡都会影响电池寿命和可靠的工作范围。图5说明了可能的上行链路和下行链路数据速率。除了在连接设备最大数量和每日消息方面的限制外，可用的125kHz和500kHz信道数量也因不同地区和运营商而异。