WiFi – HaLow 讓你的 IoT 裝置更多元

Wi-Fi HaLow™指的是採用IEEE 802.11ah技術的產品，這類產品通過在低於1GHz的頻段運行，擴大了Wi-Fi的適用範圍，使Wi-Fi能夠提供更長距離和更低功率的連接。Wi-Fi HaLow滿足物聯網（IoT）的獨特需求，可在工業、農業、智慧建築和智慧城市環境中支持各種產品應用。

Wi-Fi HaLow提供包括感測器網路和可穿戴設備在內的應用所必需的低功率連接。其連接距離長於其他很多IoT技術，且在穿透牆壁或其他障礙物的能力是重要考慮因素的挑戰性環境中，能提供更加可靠的連接。 

與傳統的 IEEE 802.11ac 相仿，同樣是採用 OFDM ( 正交分頻多工 ) 傳輸技術，可用於校正反射和多徑環境，同時也支援 256QAM、波束成型與 MU-MIMO 技術，不同的是HaLow工作於 Sub-1G 的頻段，較低的工作頻段使其具有較低的功耗、更好的穿透力與傳輸距離。因各國 ISM 頻段並不統一，下表列出幾個主要國家或是地區規定的 HaLow 頻段。

802.11ah 採用 1MHz 與 2MHz 做為通用的通道頻寬，所有的 802.11ah 設備也必須支援這兩種通道頻寬，因此，在 802.11ah 的物理層設計上分為兩類，一種是高於(含) 2MHz , 另一種是 1MH，其設計的調變方式與編碼率如下表所示：

如果將上表與 802.11ac 的MCS 表比較，可以發現 802.11ah 的PHY 層完全基於802.11ac 的 PHY 層降頻 10 倍。 802.11ac是首先引用像這樣的技術正交頻分複用 (OFDM) 和多輸入多路復用已採用輸出（MIMO），下行多用戶 MIMO（DLMU-MIMO)的技術，而目前這技術也被使用於 802.11ah 系統。

此外，下表也顯示了 MCS 和使用 2 MHz 在單個空間流的通道的相應數據速率。 NSS代表空間數量流，在這種情況下為 NSD 表示數據傳輸中子載波的數目。在 2 MHz 通道中，64 位快速傅立葉變換 (FFT) 為用於生成一個 OFDM 符號，在 64 個子載波中，用於傳輸數據的子載波數為 52。

NDBPS 表示數據的數量與每個符號的bit數，由每個子載波的數據bit數計算每個符號乘以數據子載波的數量。最右邊的列表示相應的數據速率，其計算方式為每秒符號數乘以 NDBPS。 A Guard Interval (GI) 間隔 是一部分包含冗餘數據的 OFDM 符號，用於防止互OFDM 傳輸中的符號干擾 (ISI)。在採用短GI 為 4 μs，OFDM 符號持續時間變為 36 μs，而當使用8 μs 的正常 GI，OFDM 符號持續時間變為 40 μs。最後，採用短 GI 與採用正常 GI 的情況相比, 實現的數據速率約為 11 %，數據速率有所增加。

而且，根據 802.11ac 的 MCS 排除規則，單個空間流的 20 MHz 通道並不使用 MCS 9。同樣，在 802.11ah 的情況下具有單個空間流的 2 MHz 通道、MCS 9 也是無效。這些規範導致 802.11ah 的數據速率因為符號持續時間延長了 10 倍，因此數據速率僅為 802.11ac 的十分之一。例如，當在 2 MHz 中使用單個空間流和 MCS 0 時的通道，802.11ah 中的數據速率為 0.65 Mbps，正好是十分之一802.11ac 中實現的數據速率。

• 802.11ah 的 MCA 層包含了以下特點：

1、Relay Access Point
Relay AP通常是包含了一個 Relay 與一個 STA ( station ) 所構成的實體，Relay 的功能允許 AP 與 STA 通過 Relay 的方式相互交換 Frame。Relay 允許 STA 使用更高的 MCS ( Modulation and Coding Scheme ) 以減少 STA 的運作時間，減少電池的消耗，除此之外，當 STA 不在 AP 的覆蓋範圍時，還可以透過 Relay AP 進行橋接。但是過多的 Relay AP 會導至網路的複雜度與維護的成本增加，為了限制這成本，Relay 的功能應該是雙向，且最多不能超過 2 層。其結構如下圖所示。

2、雙向 TXOP

雙向 TXOP 允許 AP 和非 AP（STA 或 Client）在預留時間期間交換上行鏈路和下行鏈路 Frame。 這種操作模式旨在減少訪問次數，通過最小化上行鏈路和下行鏈路資料所需的 Frame交換次數來提高通道效率，並通過縮短喚醒時間使STA延長電池壽命。

3、低功耗
STA 省電的模式分為兩類，有 TIM ( Traffic Indication Map ) 功能的 STA與沒有 TIM 功能的 STA。TIM 用於指示 STA 中buffer的狀態，並從 AP 中定期接收有關 buffer狀態的訊息。下圖為 TIM 分段的範例，所有的 STA 皆喚醒去接收 DTIM ( Delivery TIM ) 的資料，只有被通知的組別會接收到 TIM 的資料，並只有該組別的 STA 能夠與 AP 連線。而沒有 TIM 功能的 STA 則採用 TWT ( Target Wake Time ) 機制減少訊號的傳遞。

4、目標喚醒時間
TWT 允許 AP 為各個 STA 定義特定時間或一組時間來訪問。STA 和 AP 交換包括預期活動持續時間的訊息，以允許 AP 連結控制大量的 STA。此外 AP 也可以通過各種保護機制來保護預期的活動持續時間。所以, TWT 可以減少網路的消耗，具有 TWT 功能的 STA 在非活動狀態可以進入休眠節省功耗，直到下一次的喚醒時間。

下圖為 TWT 的範例說明。User 1和User 2分别和AP定義了两個TWT時間週期，分别为TW1和TW2。终端User 1和User 2一開始就工作在睡眠模式下（sleep mode），保持一個較低的功耗。當TWT時間週期到時，AP會發送一個Trigger frame 給 STA，STA進而被喚醒並和AP交換數據，當數據交換完成後，STA 回到睡眠模式。

5、限制訪問窗口
限訪問窗口允許將Basic Service Set (BSS) 內的STA劃分為組，只有在特定的組別裡面的 STA 在特定的時間內可以被訪問。此功能有助於避免大量的 STA 同時傳輸與通道的競爭。下圖描述了Restricted Access Window 的機制，一個廣播時間被區分成若干個時間區塊，每一個時間區塊分給一個 RAW 組，而在RAW 的時間區塊外是可以任由 STA 進行訪問。

6、功能分區
將基本服務集 (BSS) 的覆蓋區域劃分區，每區包含一個 STA 的集合，稱為功能分區化。 這種劃分是通過一組天線或一組合成天線波束來實現的，以覆蓋 BSS 的功能區。 區化的目標是通過減少功能區內STA的數量來減少同時爭用AP 或STA之間的空間共享。

1. 田樂、胡宇翔、韓偉濤, 面向物聯網的Wi-Fi HaLow 技術研,http://www.infocomm-journal.com/wlw/CN/10.11959/j.issn.2096-3750.2019.00119
2. 維基百科, 802.11ah, https://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11ah
3. WiFi Alliance, Wi-Fi HaLow ,https://www.wi-fi.org/zh-hant/discover-wi-fi/wi-fi-halow
4. 徐方鑫, 802.11ah（HaLow）协议解析8：TXOP Sharing in Relay, https://zhuanlan.zhihu.com/p/340519520
5. 成電302, 802.11ah協議分析, https://wenku.baidu.com/view/488865ba011ca300a7c39089.html

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