
В чем разница между Wi-Fi HaLow и традиционным Wi-Fi
Wi-Fi — это, можно сказать, кислород для нашего подключенного мира. Это наиболее распространенный протокол беспроводной сети, используемый сегодня, на который приходится более половины всего интернет-трафика. Wi-Fi — универсальный термин для растущего семейства протоколов 802.11, развивающихся более двух десятилетий. Wi-Fi Alliance — организация, способствующая 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, каждый из нас пользуется одной из этих разновидностей Wi-Fi дома или на работе.
Несмотря на повсеместное распространение Wi-Fi 4/5/6, быстрый рост «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT) заставил переосмыслить традиционный Wi-Fi. Эта переоценка выявила технологические пробелы и изменила роль, которую протоколы 802.11 должны играть в сегодняшнем мире беспроводных устройств IoT со сверхмалым энергопотреблением. Повышенные требования к подключению на большие расстояния и одновременно требования к низкому энергопотреблению приложений IoT и межмашинного взаимодействия (machine-to-machine, M2M) вызывают потребность в другом типе Wi-Fi, оптимизированном для приложений IoT.
Протокол Wi-Fi HaLow заполняет эти пробелы, предоставляя беспроводное решение со сверхнизким энергопотреблением, которое подключает множество IoT-устройств на гораздо больших расстояниях и с гораздо меньшим энергопотреблением, чем традиционный Wi-Fi. Протокол ратифицирован рабочей группой IEEE 802.11ah в 2016 году и получил от Wi-Fi Alliance название Wi-Fi HaLow.
По сути, Wi-Fi HaLow — это маломощная, дальнобойная и более универсальная версия Wi-Fi, работающая в нелицензируемом спектре частот, лежащем ниже частоты 1 ГГц (фактически протокол 802.11ah использует лицензионную полосу частот в субгигагерцевом ISM-диапазоне 900 МГц, но конкретная частота будет зависеть от страны и региона. — Прим. пер.). 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 оптимальным протоколом для беспроводных устройств «Интернета вещей» с питанием от батарей.
Рассмотрим подробнее некоторые из основных различий между Wi-Fi HaLow и традиционным Wi-Fi (табл.) и выясним, почему протокол 802.11ah предпочтителен для подключения приложений «Интернета вещей».
Функциональная особенность |
Wi-Fi 4/5/6 (IEEE 802.11 n/ac/ax) |
Wi-Fi HaLow (IEEE 802.11 ah) |
Диапазоны рабочих частот |
2,4, 5, 6 ГГц |
Субдиапазон 1 ГГц (902–928 МГц в США) |
Выбор ширины канала |
20, 40, 80, 160 МГц |
1, 2, 4, 8, 16 (опционально) МГц |
Максимальное количество адресуемых станций на точку доступа |
2007 |
8191 |
Однопотоковый диапазон скоростей передачи данных MCS |
6,5–150 Мбит/с (802.11n, Wi-Fi 4) |
150 кбит/с — 86,7 Мбит/с |
Типовой радиус покрытия |
Примерно 100 м |
Более 1 км, что в 10 раз больше дальности действия (по сравнению с 802.11n при 20 МГц). В 1000 большая площадь, в 1000 раз больший объем передачи данных (по сравнению с 802.11n при 20 МГц) |
Улучшение бюджета канала (канал 1 МГц) |
– |
15–24 дБм |
Протокол, дружественный для батареи
Wi-Fi HaLow обеспечивает исключительную энергоэффективность для чувствительных к энергопотреблению устройств «Интернета вещей». Различные сложные режимы сна, определенные IEEE 802.11ah, позволяют устройствам HaLow оставаться в состояниях с очень низким энергопотреблением в течение длительных периодов времени, сохраняя при этом энергию батареи:
- Target wake time (TWT) — целевое время пробуждения: эта опция позволяет станции (STA) и точке доступа (AP) заранее назначить время, когда спящая STA будет просыпаться и прислушиваться к сигналам маяков.
- Restricted access window (RAW) — окно ограниченного доступа: AP может предоставлять привилегии подмножеству STA для передачи их данных, в то время как другие вынуждены переходить в спящий режим, буферизовать несрочные данные или выполнять и то и другое.
- Extended maximum basic service set (BSS) — расширенный максимальный набор базовых услуг в режиме ожидания: этот режим увеличивает допустимый период простоя STA до пяти лет.
- Hierarchical traffic indication mapping (TIM) — иерархическое отображение индикации трафика: более эффективное кодирование TIM по группам позволяет экономить эфирное время радиомаяков.
- Short MAC headers — короткие заголовки MAC: эта опция сокращает накладные расходы заголовка, время в эфире и энергопотребление, а также освобождает спектр.
- Null data PHY protocol data units (NPD) — блоки данных протокола PHY с нулевыми данными: эта опция встраивает MAC-подобные ACK/NAK на PHY уровне для уменьшения времени передачи и сокращает потребление мощности.
- Short beaconing — короткие радиомаяки: короткие (ограниченные) радиомаяки часто отправляются для синхронизации STA, в то время как полные радиомаяки отправляются значительно реже.
- BSS coloring — раскраска BSS: присвоенные цвета указывают группы BSS для конкретной точки доступа, в то время как STA может игнорировать другие цвета.
- Bidirectional TXOP (BDT) (ранее известный как скоростные кадры) — двунаправленный TXOP: эта опция уменьшает количество обращений к среде передачи, когда STA просыпается, чтобы обнаружить наличие кадров восходящего и нисходящего каналов 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 IEEE 802.11ah обеспечивают многолетнюю работу от батареи для IoT-устройств, а также широкий спектр гибких вариантов организации питания и выбора типоразмера батареи — от устройств IoT с малым радиусом действия, работающих на батареях типа «таблетка», до более мощных и больших батарей, которые могут обеспечить связь на расстояние свыше 1 км. Узкополосные сигналы протокола IEEE 802.11ah с его субгигагерцевой частотой проходят дальше и с меньшим энергопотреблением, что позволяет передавать больше битов на единицу энергии, чем протоколы традиционного Wi-Fi в диапазонах 2,4 и 5 ГГц.
В результате для чипа Wi-Fi HaLow по сравнению с обычным чипом Wi-Fi требуется значительно меньше электрической мощности. В то время как более высокие скорости передачи данных традиционного Wi-Fi позволяют пользователям передавать потоковую передачу видео высокой четкости и быстро загружать большие файлы, используя широкие каналы в диапазонах 2,4, 5 и 6 ГГц, но эффективное расстояние для этих подключений Wi-Fi невелико, и они быстро разряжают свои батареи. Таким образом, необходима частая зарядка или замена батарей, а в идеале — подключение 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 со скоростью несколько мегабит в секунду.
Большая зона покрытия
В целом стандарт 802.11 охватывает необычайно широкий диапазон частот, от субгигагерцевого до диапазона миллиметровых волн (mmWave). Однако HaLow — это первый стандарт Wi-Fi, работающий конкретно в нелицензируемой части спектра субгигагерцевого диапазона частот. Он предлагает скорости передачи данных от сотен килобит до десятков мегабит в секунду и на расстояниях от десятков метров до более чем 1 км.
Сигналы Wi-Fi HaLow с частотой, лежащей ниже 1 ГГц, используют более узкие каналы от 1 МГц и выше по сравнению с самыми узкими каналами 20 МГц, предназначенными для традиционного Wi-Fi (рис. 1). Это 20-кратное масштабирование коэффициента ширины полосы канала (благодаря более низкому тепловому шуму в канале) приводит к увеличению возможностей канала на 13 дБ. По сравнению с традиционным Wi-Fi в полосе 2,4 ГГц частóты, лежащие между 750 и 950 МГц, уже по своей природе, сами по себе, обеспечивают дополнительные 8–9 дБ бюджета линии связи, что связано со снижением потерь при их распространении в свободном пространстве. Кроме того, в протокол Wi-Fi HaLow добавлена оптимизированная по диапазону схема модуляции и новые методы кодирования (MCS10), что дополнительно обеспечивает увеличение канала еще на 3 дБ.

Рис. 1. Традиционные протоколы Wi-Fi 4/5/6 используют для увеличения пропускной способности более высокие частоты и более широкую полосу пропускания. Протокол Wi-Fi HaLow с частотой менее 1 ГГц оптимизирует распространение, увеличивая охват, повышая мощность и число подключенных абонентов
В целом Wi-Fi HaLow, по сравнению с традиционным 2,4 ГГц IEEE 802.11n (Wi-Fi 4), обеспечивает улучшение бюджета канала до 24 дБ. Преимущество бюджета канала связи HaLow еще больше увеличивается по сравнению с протоколами 802.11ac (Wi-Fi 5) и 802.11ax (Wi-Fi 6/6E), которые используют 5 и 6 ГГц. Это связано с их еще более высокой частотой и пропускной способностью, то есть более широкой полосой пропускания.
Сказанное объясняет, почему без использования сетевых ретрансляторов-расширителей сигналы Wi-Fi HaLow распространяются в 10 раз дальше, чем традиционный Wi-Fi. Например, камеры с батарейным питанием можно разместить в более удобных местах за пределами стен дома или гаража. Системами освещения можно управлять с одной точки доступа, независимо от того, находится светильник в помещении или на улице в саду.
Предоставление конечным пользователям беспроводного решения IoT, которое достигает сотен метров, причем без дополнительных ретрансляторов-расширителей или использования дорогостоящих тарифных планов сотовой связи, является ключевым конкурентным преимуществом протокола 802.11ah. Благодаря дальности действия преимущества Wi-Fi HaLow увеличивают диапазон покрытия для «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
Существует общее правило: чем ниже частота, тем дальше распространяется электромагнитная волна и тем лучше она проникает сквозь преграды. Сигналы Wi-Fi HaLow с частотой менее 1 ГГц могут проходить сквозь стены и другие препятствия легче, чем это возможно при использовании спектра частот традиционного Wi-Fi.
Разнообразие строительных материалов и планировок домов и коммерческих зданий также оказывает меньшее влияние на сигналы HaLow в диапазоне ниже 1 ГГц, чем протоколы Wi-Fi в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Превосходное прохождение сигнала Wi-Fi HaLow через стены и здания помогает сократить количество обращений в службу поддержки и возвратов продуктов, которые иногда мешают датчикам и системам, использующим обычный Wi-Fi (рис. 2).
![Сравнение пропускной способности 802.11n/ac (слева) и 802.11ah (справа) в зависимости от дальности действия [1]](https://wireless-e.ru/wp-content/uploads/08_61_02.jpg)
Рис. 2. Сравнение пропускной способности 802.11n/ac (слева) и 802.11ah (справа) в зависимости от дальности действия [1]
Для коррекции отражений и устранения проблем многолучевого приема Wi-Fi HaLow использует модуляцию на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM). Производители устройств могут быть уверены в надежном подключении HaLow к точке доступа, независимо от того, находятся их продукты внутри или снаружи, в подвале или на чердаке дома. Эта гибкость избавляет от дополнительных затрат и сложности поставки проприетарных концентраторов или мостовых устройств для удовлетворения потребностей всего имеющегося разнообразия домашних архитектур.
Широкомасштабируемое решение
Одна точка доступа Wi-Fi HaLow может адресовать до 8191 устройства, что более чем в четыре раза больше, нежели может предложить традиционная точка доступа Wi-Fi. Этого достаточно для подключения каждой светодиодной лампы в отдельности, переключателя света, интеллектуального дверного замка, моторизованной оконной шторы, термостата, детектора дыма, солнечной панели, камеры безопасности или любого мыслимого устройства «умного» дома в обозримом будущем.
Типичные домашние маршрутизаторы Wi-Fi обычно поддерживают лишь десятки устройств, в то время как одна точка доступа Wi-Fi HaLow может стать масштабируемой платформой для установки тех или иных дополнительных устройств, организации 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 и освобождает эфир для активных устройств, чтобы передавать больше данных с максимально возможной MCS скоростью. MCS (Modulation and Coding Scheme) — индекс модуляции и схемы кодирования в виде целого числа от 0 (соответствует самому медленному, но надежному режиму) до 31 (наиболее быстрый, но чувствительный к радиопомехам режим). Индекс определяет тип модуляции радиочастоты, скорость кодирования (coding rate), защитный интервал (guard interval) и ширину канала.
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 значения MCS поддерживают полосу пропускания 150 кбит/с — 40 Мбит/с для однопоточных продуктов с одной антенной с использованием ширины канала 1–8 МГц, также, но с использованием дополнительного канала с полосой пропускания 16 МГц достижима пропускная способность 80 Мбит/с.
Топология сети Wi-Fi HaLow «звезда» — это превосходное проникновение, широкое покрытие и огромная емкость, которые в совокупности расширяют возможности подключения и позволяют отказаться от сложных в развертывании ячеистых сетей, имеющих ограниченную пропускную способность, а также упрощают установку сети и сводят к минимуму совокупную стоимость владения.
Преимущества не требующего лицензирования спектра частот с высокой помехоустойчивостью
Как и традиционный Wi-Fi, работающий в диапазонах частот 2,4, 5 и 6 ГГц, Wi-Fi HaLow позволяет конечным пользователям владеть своим оборудованием и применять нелицензируемый спектр радиочастот субгигагерцевого диапазона в полосе 750–950 МГц. Этот спектр обеспечивает для Wi-Fi HaLow максимальную мощность передачи и рабочие циклы, но варьируется в зависимости от той или иной страны мира. например, доступный спектр HaLow для Северной и Южной Америки составляет 902–928 МГц, а в Европе — это 863–868 МГц (на территории РФ частоты 900 МГц частично отданы сотовым операторам).
Работая в диапазоне ISM (ISM — industrial, scientific, and medical, то есть промышленность, наука и медицина), Wi-Fi HaLow может использовать различные полосы пропускания каналов: 1, 2, 4, 8 и 16 МГц. Чем ýже полоса пропускания, тем дальше могут распространяться сигналы. Данные передаются в пакетах, распределенных по множеству подканалов с использованием, как уже было сказано, модуляции OFDM, что повышает производительность в сложных радиочастотных средах, особенно при сильных помехах от других радиоустройств. Кодирование с прямым исправлением ошибок (Forward error-correction, FEC) также создает дополнительную защиту и возможность для восстановления пакетов, обеспечивая надежные соединения.
Безопасность и совместимость
Wi-Fi HaLow, как и другие версии IEEE 802.11 Wi-Fi, представляет собой безопасный беспроводной протокол. Он поддерживает последние требования Wi-Fi для аутентификации (WPA3) и шифрование AES беспроводного трафика (over-the-air, OTA) со скоростями передачи данных, которые позволяют безопасно обновлять прошивку 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, могут быть абсолютно уверены, что их продукты и сети будут взаимодействовать в соответствии с рекомендациями по развитию Wi-Fi Alliance. Поскольку это часть стандарта IEEE 802.11, то сеть Wi-Fi HaLow может сосуществовать с сетями Wi-Fi 4, Wi-Fi 5 и Wi-Fi 6, не влияя на их радиочастотные 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 «Интернету вещей» не требуются проприетарные шлюзы или мосты. Все клиентские устройства, подключенные к маршрутизатору с поддержкой Wi-Fi HaLow для прямого доступа в Интернет, облачных сервисов и управления данными IoT, могут использовать транспортные протоколы IPv4/IPv6.
Эффект от использования Wi-Fi HaLow — расширение охвата и возможностей «Интернета вещей»
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 подходом для современного мира подключенных устройств IoT. Эти ограничения препятствуют появлению новых бизнес-моделей, ориентированных на «Интернет вещей», в самых различных отраслях, которые требуют большего диапазона, большей емкости и более гибких вариантов управления батареями и питанием при минимальных затратах на развертывание.
В качестве протокола большой дальности Wi-Fi HaLow поддерживает приложения IoT не только внутри, но 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 — крупные общественные места, спортивные арены, торговые 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 снижая совокупную стоимость владения.
Индустриальный «Интернет вещей», 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 на большие расстояния, позволяющего довольно-таки большому числу устройств оставаться подключенными во все более автоматизированном мире. Здесь Wi-Fi HaLow выделяется среди традиционных протоколов 802.11 своей расширенной зоной действия, энергоэффективностью, емкостью и универсальностью.
- Baños-Gonzalez V., Shahwaiz Afaqui M., Lopez-Aguilera E., Garcia-Villegas E. IEEE 802.11ah: A Technology to Face the IoT Challenge. www.mdpi.com/1424-8220/16/11/1960