WiFi無處不在，它是使用非授權(quán)頻譜的最流行的通信協(xié)議。但是作為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的通用協(xié)議，它由于擁塞和消耗的能量而面臨挑戰(zhàn)。

有兩種新方法可以解決這些問題。一種是一次使用多個(gè)通道。第二個(gè)涉及新的802.11 ah HaLow標(biāo)準(zhǔn)。兩者都將對(duì)擴(kuò)展幾乎無所不在的無線通信技術(shù)大有幫助。

“目前全球有超過80億個(gè)WiFi設(shè)備，” Edgewater Wireless首席執(zhí)行官Andrew Skafel說。“沒有人能想到WiFi會(huì)那么成功。隨著越來越多的設(shè)備嘗試通過WiFi連接，這種成功也帶來了挑戰(zhàn)。如果連接性能下降，那大部分的下降是由于干擾和競爭。”

未來，WiFi將在新的5G生態(tài)系統(tǒng)中扮演重要角色。Synopsys的高級(jí)員工產(chǎn)品經(jīng)理Rita Horner表示：“ 5G對(duì)于短距離而言太昂貴了?！耙虼耍梢詫?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/藍(lán)牙/" target="_blank">藍(lán)牙從計(jì)算機(jī)或電話連接到耳機(jī)， WiFi連接范圍要比藍(lán)牙大，而5G則比WiFi更大?！?/p>

雖然WiFi可以增強(qiáng)5G，但如果WiFi覆蓋范圍或容量滯后，則會(huì)反過來拖累5G。“美國的5G毫米波使用較高的S頻段，而在世界其他地區(qū)，它們使用較低的毫米波頻段，可以用來替代或增強(qiáng)手機(jī)和WiFi上的頻段”，Arteris IP營銷副總裁Kurt Shuler說。

可用WiFi帶寬的更有效利用可以減少WiFi流量的擁塞。同時(shí)，使用新的WiFi HaLow（IEEE 802.11ah）標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的引入可以以更少的功率傳輸更遠(yuǎn)的距離。它們?cè)谝黄?，就有潛力更有效地服?wù)于物聯(lián)網(wǎng)市場。

WiFi爆炸性的增長

當(dāng)WiFi最初的設(shè)計(jì)與應(yīng)用并不是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)。Skafel說：“ WiFi是蜂窩電話的近親?！?當(dāng)初只是為了“在地下室中將笨重的筆記本電腦連接到調(diào)制解調(diào)器?！?/p>

然而，從此之后，希望借助WiFi進(jìn)行通信的設(shè)備數(shù)量激增。他說：“突然之間，WiFi應(yīng)用不斷增加，現(xiàn)在它已經(jīng)出現(xiàn)在每臺(tái)筆記本電腦和智能手機(jī)中，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的主要機(jī)制?！?其他使用相同的未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段的協(xié)議的可能無法與WiFi完全競爭，而且這些協(xié)議會(huì)使接收的信號(hào)不太干凈。

這帶來了兩個(gè)主要挑戰(zhàn)-干擾和競爭。干擾僅僅是多個(gè)發(fā)射機(jī)使用相同的頻率范圍并降低信號(hào)質(zhì)量的事實(shí)，而與信號(hào)的性質(zhì)無關(guān)。在WiFi中，通過在傳輸之前先檢查是否有人在說話，可以避免干擾。如果有人在講話，則存在爭用，新的發(fā)送器必須退出，然后再試一次。使用相同頻率的設(shè)備越多，它們?cè)诫y獲得對(duì)信道的訪問權(quán)限。

隨著連接設(shè)備數(shù)量的增加，WiFi變得越來越擁擠。某些連接使用的帶寬很少，例如IoT和智能家居設(shè)備。其他視頻流如高清視頻流則占用大量帶寬，并且它們對(duì)延遲非常敏感。隨著太多設(shè)備爭奪相同頻率，傳輸性能會(huì)下降。

WiFi的結(jié)構(gòu)

主流WiFi（今天稱為802.11n或802.11ac）使用兩個(gè)主要頻段。一個(gè)集中在2.4 GHz附近，另一個(gè)集中在5 GHz附近。期望5 GHz范圍可提供更高的帶寬，但要權(quán)衡的是信號(hào)覆蓋范圍和穿墻的能力。

“ 5 GHz頻率太高，” Skafel說?！八詡鞑ゾ嚯x很短，也不能很好地穿過墻壁，因此連接非常不穩(wěn)定。例如將手放在接入點(diǎn)的前面，就會(huì)發(fā)現(xiàn)性能下降?！?在這些頻帶內(nèi)是信道，實(shí)際傳輸發(fā)生在給定連接的那些信道之一上。

多個(gè)通道的可用性意味著多個(gè)設(shè)備應(yīng)該能夠使用WiFi，而不必彼此競爭。但是，實(shí)際上，給定的WiFi接入點(diǎn)（AP）將使用一個(gè)通道。他說：“在2.4 GHz頻段中，有11個(gè)信道，可能多達(dá)13個(gè)，具體取決于您所在的位置?！?“傳統(tǒng)的WiFi一次只能使用其中一個(gè)信道?！?/p>

接入點(diǎn)將使用哪個(gè)通道通常是在工廠設(shè)置的，并且永遠(yuǎn)不會(huì)改變。大多數(shù)接入點(diǎn)只是打開電源，然后進(jìn)入某個(gè)信道，盡管有些接入點(diǎn)會(huì)嗅探一下那個(gè)時(shí)刻沒有干擾，然后選擇該信道。但是，如果整個(gè)社區(qū)碰巧都具有來自同一制造商的固定通道訪問點(diǎn)，則它們都將爭奪同一信道，而所有其他信道都將不使用。

他說：“可能發(fā)生的最糟糕的事情是有人在一個(gè)頻段內(nèi)觸發(fā)了另一個(gè)接入點(diǎn)?！?“然后發(fā)生的事情是這兩個(gè)無線電相互干擾，并且性能下降。”

一種本能是對(duì)時(shí)間切片進(jìn)行訪問以允許所有人加入。但是，據(jù)Skafel所說，這是不允許的。他說：“如果要進(jìn)行時(shí)間切片，實(shí)際上就破壞了WiFi協(xié)議?！?/p>

下一個(gè)顯而易見的答案是，接入點(diǎn)將使用多個(gè)通道，甚至在條件發(fā)生變化時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。盡管這種動(dòng)態(tài)適應(yīng)可能會(huì)成為未來，但就目前而言，僅使用多個(gè)通道的能力將是緩解擁塞的重要一步。但是大多數(shù)通道重疊，從而限制了可以同時(shí)激活的通道數(shù)量。在2.4 GHz頻段中，只有通道0、6和11是不重疊的。

圖1：2.4 GHz WiFi頻段的信道結(jié)構(gòu)。

使用三個(gè)活動(dòng)信道，仍然可以按照避免接入點(diǎn)集合中相鄰信道干擾的方式進(jìn)行分配，具體取決于它們的布局方式。從理論上講，完全覆蓋是可能的，沒有重疊。這就是Edgewater在所謂的頻譜切片技術(shù)中提供的內(nèi)容。

圖2：每個(gè)區(qū)域使用不同的信道，相鄰區(qū)域使用不同的信道，如此處所示，用于2.4 GHz頻帶。在5 GHz頻段中可能會(huì)出現(xiàn)類似情況。

頻譜切片是一個(gè)簡單的想法，但實(shí)現(xiàn)不一定容易。接入點(diǎn)的最大問題是限制其自身傳輸?shù)母蓴_，這可能擠占它正在接收的信號(hào)。這是因?yàn)樵诙鄠€(gè)通道上接收信號(hào)的資源效率更高的方法是使用單個(gè)寬帶接收器。本質(zhì)上，它將接收正在傳輸?shù)男盘?hào)。

“我們必須能夠取消我們的傳輸，” Skafel說。“因此，如果我們?cè)谝粋€(gè)通道上進(jìn)行傳輸，則必須確保該傳輸不會(huì)淹沒接收通道。” 為了解決這個(gè)問題，該公司使用了獨(dú)立的發(fā)射和接收天線以及許多其他技術(shù)，其中許多技術(shù)已獲得專利。

使用寬帶接收器（而不是每個(gè)通道一個(gè)接收器），就可以接收正在使用的所有通道上的所有流。該混合信號(hào)成為混合數(shù)字基帶RF信號(hào)，并且通過降低本底噪聲，濾波和其他技術(shù)將不同的流拉開。然后在協(xié)議棧中獨(dú)立處理三個(gè)流（或正在播放的許多通道）。盡管他們使用單個(gè)處理器來執(zhí)行此操作，但他們有空間來“同時(shí)”處理多達(dá)12個(gè)通道。

5 GHz頻段比較棘手。“ 在美國，5 GHz頻段分為U-NII-1，-2和-3，” Skafel說?！霸赨-NII-2中，WiFi必須避免干擾天氣雷達(dá)和軍事應(yīng)用。因此，在使用U-NII-2中的任何信道之前，AP必須進(jìn)行掃描以檢測這些應(yīng)用中的任何一個(gè)。如果發(fā)現(xiàn)干擾，則AP必須關(guān)閉指定的時(shí)間段。取決于調(diào)節(jié)器，這可能是1分鐘或30分鐘。最終結(jié)果是，在許多地方，U-NII-2的使用時(shí)間超過80%以上。也就是說，無法使用26個(gè)信道?！?/p>

已經(jīng)嘗試在5 GHz頻帶中使用多個(gè)信道。高端的WiFi應(yīng)用處理器的現(xiàn)在支持5 GHz頻帶中的兩個(gè)無線電。但是它們確實(shí)需要濾波器，并且它們?cè)谠擃l帶的最邊緣工作。因此，5 GHz頻譜的大部分未被使用。

當(dāng)接收使用一個(gè)接收器時(shí)，傳輸必須更加精確。每個(gè)通道都有自己的窄帶發(fā)射機(jī)。由于每對(duì)通道之間都有間隔，因此可以在相鄰?fù)ǖ郎线M(jìn)行傳輸，而不會(huì)在通道之間泄漏信號(hào)。

擁有多個(gè)信道意味著可以將不同的流量分配給不同的信道?！拔以试S將其中一個(gè)信道用于IoT設(shè)備，因此我的門禁警報(bào)與恒溫器都在同一通道上，” Skafel說?！八麄儾恍枰芏鄮?，他們不需要特別頻繁地聯(lián)系，而且速度很慢。然后，我為孩子們提供了一個(gè)用于在家遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的信道，為我的妻子在工作中提供了另一個(gè)信道，因?yàn)樗诩夜ぷ?。然后，我再拿一個(gè) ，保證4K視頻傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

取決于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（在AP“屬于”運(yùn)營商的情況下），用戶可能看不到不同的頻道。有些人喜歡保留一個(gè)SSID，這意味著在用戶級(jí)別，您看不到頻道。其他人可以為每個(gè)頻道分配不同的SSID。

在后一種情況下，用戶可以輕松選擇所需的頻道。但是，如果所有頻道都在一個(gè)SSID下，那么頻道分配就變得更具挑戰(zhàn)性，這是普通用戶不想做的事情?！拔沂羌夹g(shù)專家，” Skafel說。“我絕對(duì)不是最聰明的技術(shù)人員，但是我確實(shí)關(guān)聯(lián)了我的警報(bào)系統(tǒng)。這花了點(diǎn)功夫。但是，普通消費(fèi)者獲得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)，會(huì)這樣做嗎？沒有。” 因此，他說正在進(jìn)一步努力提供協(xié)議以使分配變得容易和無縫。

降低功耗

導(dǎo)致對(duì)WiFi容量需求增長的部分因素是IoT，但這通常意味著設(shè)備不依靠電池供電的智能家居或工業(yè)應(yīng)用。這就留下了一組依賴電池的應(yīng)用-通常是不可充電的電池，耗盡時(shí)必須更換。WiFi一直無法滿足這些應(yīng)用的電源需求，因此它們不得不轉(zhuǎn)向其他低功耗協(xié)議進(jìn)行連接。但是，這些協(xié)議中的許多協(xié)議都具有低帶寬。新的WiFi HaLow標(biāo)準(zhǔn)旨在滿足需要更高帶寬的低功耗IoT市場的需求。

許多電池供電的IoT設(shè)備傳輸?shù)亩际情g歇性、低頻和少量的數(shù)據(jù)，不頻繁的數(shù)據(jù)包。低功耗藍(lán)牙（BLE）可以在短距離內(nèi)做到這一點(diǎn);SIGFOX和LoRa可以在很長的距離上實(shí)現(xiàn)。即使有了HaLow，WiFi也無法在這種類型的應(yīng)用中在功耗上競爭。但是有些應(yīng)用需要更多的帶寬，同時(shí)仍然要合理地消耗能量，HaLow可以在其中提供幫助。在睡眠或閑置狀態(tài)下，HaLow的能耗比傳統(tǒng)WiFi少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

“ 802.11ah具有一種稱為TWT（目標(biāo)喚醒時(shí)間）的獨(dú)特節(jié)能模式，它允許接入點(diǎn)和連接的設(shè)備協(xié)商何時(shí)以及喚醒設(shè)備以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的頻率，”Morse Micro公司的首席運(yùn)營官Vahid Manian說。 “這使802.11ah可以有效地增加設(shè)備的睡眠時(shí)間并減少頻譜爭用?！?他進(jìn)一步指出，“ TWT在802.11n無線電中不存在”

與更常見的WiFi變體不同，HaLow在1 GHz以下運(yùn)行，從750到950 MHz。較低的頻率意味著它可以更輕松地穿透障礙并傳播得更遠(yuǎn)-取決于數(shù)據(jù)速率，它的傳輸距離是傳統(tǒng)WiFi的10倍之多。以150 kbps的速度，信號(hào)可以傳播近一公里。在80 Mbps的速度下，覆蓋范圍大大減小。“一個(gè)接入點(diǎn)可以支持1公里范圍內(nèi)的8000個(gè)設(shè)備，” Manian說。

圖3：不同版本的WiFi提供的不同范圍。

對(duì)于低功率協(xié)議，由于它們的吞吐量較低，因此無線電必須保持更長的時(shí)間，從而有可能放棄其中的部分節(jié)能措施。如果節(jié)電小于數(shù)據(jù)速率下降（例如，一半的功率但為數(shù)據(jù)速率的1/10），那么功率更高的無線電將僅因?yàn)橥瓿伤俣雀觳⒎祷厮郀顟B(tài)而消耗較少的能量。

圖4：HaLow具有比其他遠(yuǎn)程協(xié)議更高的數(shù)據(jù)速率，而覆蓋范圍卻較小。

WiFi設(shè)備制造商還大肆宣傳WiFi提供的更高安全性-特別是HaLow。“ WiFi確實(shí)有安全性的黃金標(biāo)準(zhǔn)，所以在WPA3中，HaLow比Zigbee等其他［長距離或低功率］協(xié)議要安全得多，” Manian說。

圖5：典型的WiFi HaLow系統(tǒng)框圖。

HaLow的主要市場是監(jiān)控?cái)z像機(jī)市場。有線供電的攝像機(jī)可能會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)的WiFi、USB或以太網(wǎng)（甚至通過以太網(wǎng)供電）。但是，電池供電的攝像機(jī)面臨更大的挑戰(zhàn)?！半姵厥綌z像機(jī)的目標(biāo)是6個(gè)月的電池壽命，” Manian說。因此，HaLow對(duì)于此類攝像機(jī)的消費(fèi)版和工業(yè)版都具有吸引力。“吞吐量低于常規(guī)WiFi，但優(yōu)于任何其他低于GHz的標(biāo)準(zhǔn)，” Manian說。

其他應(yīng)用包括工業(yè)和汽車通信、酒店或其他較大設(shè)施中的訪問控制（例如門鎖）以及移動(dòng)電話。在后一種情況下，不是取代標(biāo)準(zhǔn)的WiFi，而是從長遠(yuǎn)來看，即使沒有蜂窩信號(hào)，也提供對(duì)等功能-本質(zhì)上是對(duì)講機(jī)功能。

當(dāng)互連需要彼此發(fā)送信息的設(shè)備時(shí)，某些訪問點(diǎn)可能專用于HaLow。其他公司將把HaLow和傳統(tǒng)WiFi集成到一個(gè)接入點(diǎn)中?！拔覀兿嘈盼磥淼慕尤朦c(diǎn)將在當(dāng)前的Wi-Fi中采用HaLow，” Manian說。設(shè)計(jì)靈活性在這里很關(guān)鍵，而軟件可能是其中的一部分?！叭藗円恢痹谘芯寇浖椒?，您擁有芯片上的大多數(shù)功能，但是您可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)重新定位目標(biāo)，或者最終也可以采用雙重模式。”

與傳統(tǒng)的WiFi一樣，HaLow被細(xì)分為多個(gè)信道?！?WiFi HaLow確實(shí)有多個(gè)通道：1、2、4和8 MHz（寬），” Manian說。通道的確切數(shù)量取決于其中一個(gè)?！懊绹试S從902到928兆赫，然后可以適合26個(gè)不同的1-MHz信道，或可以適合13 2兆赫通道，” “在大多數(shù)關(guān)鍵地區(qū)，您都可以找到不重疊的部分?！?/p>

人們可以使用較窄的信道發(fā)送更遠(yuǎn)的信號(hào)?！皩?duì)于更長距離而言，該標(biāo)準(zhǔn)將使用較窄的信道帶寬（例如1 MHz），并且自然而然地將具有比較寬的信道帶寬（例如8 MHz）更低的吞吐量，” Manian說。

至少，這允許接入點(diǎn)選擇一個(gè)不太忙的信道。“我們（提供）動(dòng)態(tài)選擇頻道，” Djumic說?！?［我們］監(jiān)視多個(gè)信道，然后我們可以給［每個(gè)］等級(jí)從1到5。如果您有5個(gè)，則這是最佳信道，干擾最低，而您擁有最大可用容量，然后我們可以將網(wǎng)絡(luò)流量移至該頻道?！?Morse Micro確認(rèn)他們也可以執(zhí)行動(dòng)態(tài)頻道分配。

使用HaLow，您還可以將連接的設(shè)備分為幾組，然后分時(shí)共享這些組–這是傳統(tǒng)WiFi無法實(shí)現(xiàn)的。Djumic說：“有一種機(jī)制建立在頂部，其作用類似于受限制的訪問窗口?！?“一個(gè)接入點(diǎn)可以說，‘我有1000個(gè)站點(diǎn)，然后將它們分成100個(gè)組，然后隨時(shí)間分配［組］?！?然后只有100個(gè)［競爭］ ［渠道］，而不是數(shù)千個(gè)?！?/p>

目前，沒有HaLow制造商計(jì)劃使用多個(gè)信道。但是Djumic認(rèn)為這是將來可能發(fā)生的事情。他說：“例如，如果要停車，則所有這些攝像機(jī)都將位于一個(gè)通道上，例如4MHz通道?！?“然后，您到處都有泊車傳感器，以檢查哪些地方被占用。例如，它們來自1-MHz ［寬］的不同通道。然后，就可以使用付款系統(tǒng)…［也］通過WiFi ［通道］。

WiFi HaLow將于明年上市。Methods2Business首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Marlene Boonen表示：“ 2021年將是WiFi HaLow上市并推出產(chǎn)品的一年。” 它還將在即將到來的5G時(shí)代發(fā)揮作用。”

Skafel補(bǔ)充說：“向5G過渡的部分原因是，在后臺(tái)，手機(jī)將選擇最適合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無論是WiFi 2.4還是5 GHz，6 GHz，無論是1800 MHz，還是其他，用戶不會(huì)知道?！?br /> 責(zé)任編輯:pj