基于WiFi Halow的無線工業物聯網應用

（珠海泰芯半導體有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著計算機網絡信息技術的快速發展，人與人之間信息連接交流形式愈加飽和，人們開始探析人與物、物與物之間的連接，物聯網技術應運而生。具體而言，物聯網技術通過使用網絡信息技術，借助大量的信息傳感器設備，將物品與網絡信息平臺相連接，進而實現人與物、物與物之間的信息交流，滿足人們通過網絡信息技術對物的控制、管理與監控的需求。在物聯網中，人與物、物與物之間能夠進行有效信息的“交流”。就目前而言，我國物聯網市場仍然存在著碎片化的發展模式，不同廠商之間所搭建的物聯網平臺存在溝通不暢問題，對于消費者來說，不同的場景對連接技術有著更深層次的需要，這就使得市場衍生出更多形式的人與物、物與物的連接形式，而繁多的連接技術也進一步拓展了WiFi技術在物聯網中的應用。低成本、低功耗的WiFi芯片的研究與使用，成為很多廠商擴張市場的重要舉措。同時，為適應社會的發展需求，更多的WiFi芯片廠商也開始努力推動WiFi Halow技術的商業化發展。

1 WiFi Halow簡介

WiFi Halow是WiFi聯盟在2016年3月份所推出的一項無線局域網的物理層和媒體接入控制層協議，是一種能夠在低于1GHz免許可的頻段內運行的新型WLAN系統標準，相較于傳統的協議標準[1]，WiFi Halow在具有高速率的同時，還能夠滿足超長遠距離的連接，且相比傳統的連接形式，其具有更低的功耗。因此，WiFi Halow被廣泛應用在超遠距離、對傳輸速率要求高、功耗低的物聯網市場中。

2 WiFi Halow的市場應用前景

WiFi Halow技術因為其獨特的優點而被應用在智能家居、智慧工業以及智慧城市的建設中，與傳統的WiFi技術相比，WiFi Halow技術具有更高的滲透率、更低的功耗，因此，小到各種智能穿戴裝置，大至大型工業化生產均能發現它的身影。尤其是隨著智能生活理念的興起，WiFi Halow技術所具有的低功耗特點為各種物聯網的應用提供更加節能運行模式的支持。WiFi Halow技術的出現進一步擴大了物聯網的應用范圍，其能夠滿足各種新式感測器與智能穿戴裝置的使用。WiFi Halow的傳輸范圍與傳統的WiFi技術相比具有更強勁的傳輸范圍，不僅能夠讓信號傳輸的距離更遠，且強勁的滲透率也解決了傳統WiFi穿墻后信號強度受損以及障壁問題，因此WiFi Halow能夠在更復雜的環境中應用。此外，WiFi Halow技術還能夠促使各智能產品生產廠家形成有效的互聯，解決傳統不同廠家生產的智能產品無法相容的問題，且增強了智能設備運行的安全性。與其他WiFi裝置一樣，WiFi Halow裝置同樣可以實現云端的連接，促使物聯網為智能工業生產的構建發揮作用。總的來說，WiFi Halow技術彌補了現今WiFi技術的缺點，WiFi Halow技術將在物聯網的發展中發揮更大作用[2]。

3 無線工業物聯網引入WiFi Halow技術的優勢

（1）更快的傳輸速率。資料顯示，WiFi Halow在sub 1GHz頻段內的傳輸速率能夠達到86.7Mbps，遠超諸如Z-Wave、NB-IoT以及FSK等無線電系統。（2）更遠的傳輸距離。WiFi Halow的傳輸距離達到1km，與其他遠距離無線局域網技術相比毫不遜色。（3）更多的連數量。WiFi Halow能夠滿足大規模節點數關聯的需求，WiFi Halow將AID的范圍從2 007擴展到8 191，即WiFi Halow每個接入單點的最大理論連接數可高達8 191個，并且不需要專用網關即可直接訪問互聯網。（4）更低的功耗。WiFi Halow低功耗的特點是其優異性遠超其他WiFi技術的關鍵。此外，WiFi Halow原生支持IP網絡，在一定程度上提升了客戶對云程序的訪問效率，且WiFi Halow不須建造額外的基礎設施，極大地降低了使用成本。WiFi Halow與WPAN及LPWAN技術比較如圖1所示。

4 基于WiFi Halow的無線工業物聯網應用

4.1 Halow相關產品

一些新創公司進行了大量Halow產品的研發，總部位于比利時魯汶的微電子研究中心率先推出了針對Halow的收發器，相比傳統上使用的OFDW收發器，該收發器具有更低的功耗，資料顯示，其功耗只有OFDW收發器的1/10，且該收發器能夠支持755～928MHz的ISM頻段。美國新創公司 Palma Ceia SemiDesign（PCS）也成功研發出了Halow收發器，并于2019年推出了Halow相應的組件。韓國Newrcom公司所研發的NRC7292已經被應用在電信網絡中。珠海泰芯半導體所研發的TXW8301是全球的首款Halow SOC芯片產品，該Halow芯片產品的數據傳輸速率達到32.5 Mbps，能夠滿足1MHz/2MHz/4MHz/8MHz寬帶，且支持節點模式與AP模式；該產品還具有諸多其他優點，芯片集成度高，豐富的外設資源（USB，SDIO，SPI，UART和以太網口），小型封裝和低功耗以及較低的產品價格，可以廣泛地適用于無線安防、無人機圖傳和無線工業互聯網等。

圖1 WiFi Halow與WPAN及LPWAN技術比較示意

4.2 大規模接入機制問題

大規模接入機制問題的研究主要集中在快速關聯機制與RAW兩個機制上。（1）快速關聯機制相關研究。就目前來說，學者們對快速關聯機制的研究主要側重于對集中式關聯機制。我國學者王巖提出了一種門限自適應思想，該研究主要分析了根據發送隊列長度動態調整關聯門限[3]。（2）RAW機制相關研究。學者對RAW的研究側重于性能評估、建模與優化，其中性能評估主要是指通過使用仿真器對RAW的參數進行修正，探析這些參數對網絡性能的影響。建模則是通過收集RAW參數構建模型，優化是指按照不同的場景需求，選取RAW參數，確保網絡性能達到最優。

4.3 低功耗評估與效果

功耗的管理主要有兩點：蘇醒與休眠狀態。簡單而言，當網絡處于蘇醒狀態時，能夠接收站點或向站點傳輸信息，休眠狀態下，網絡則處于停滯狀態，不能接收或發送信息。對于網絡站點的工作狀態而言，同樣存在活躍與省電兩種模式，當站點處于活躍模式時，其處于蘇醒狀態，省電模式下則意味著站點會結合工作情況自行選擇蘇醒或休眠。WiFi Halow在引入優化后的網絡技術后，會對節點的最長休眠時間進行擴展，處于該模式時，站點休眠占的時間超過系統設定的時間后，AP自動解除與該站點的關聯。另外，也可采用TIM酚酸處理進行網絡技術的優化，將不同片段信息分門別類的整理、分析、匯總、發送。通過仿真技術分析可以得到，采用WiFi Halow技術的網絡傳輸系統在保證遠距離信息傳輸的同時，具備較強的吞吐能力，且能耗極低，整個網絡系統電池使用壽命得到大幅度延長。

5 結語

物聯網技術的快速發展，使得人們對數據傳輸的效率、穩定性以及低能耗提出了更高的要求，而WiFi Halow技術的應用也必將促使物聯網飛速發展。相信隨著WiFi Halow技術的不斷完善與發展，其必將在各行各業中具有更加優異的表現。