物聯(lián)網連接——Wi-Fi HaLow與Zigbee對比
隨著物聯(lián)網(IoT)的不斷創(chuàng)新,聯(lián)網設備正在處理越來越多的智能任務。對于物聯(lián)網開發(fā)人員來說,部署遠距離、低功耗的可靠網絡來監(jiān)控不斷增加的物聯(lián)網設備套件變得越來越重要。
什么是 Zigbee?
(資料圖片僅供參考)
Zigbee 誕生于 1998 年(2006 年修訂),旨在解決無線機器對機器 (M2M) 和物聯(lián)網網絡的問題。Zigbee利用 IEEE 802.15.4 規(guī)范中的介質訪問控制層(MAC)和物理層(PHY),在 2.4 GHz 和 sub-1 GHz 頻段的免許可和類許可的無線電頻譜中運行。
Zigbee 的原始數(shù)據(jù)吞吐率在 2.4 GHz(16 個信道)時為 250 Kbps,在 915 Mhz(10 個信道)時為 40 Kbps,在 868 Mhz(1 個信道)時為 20 Kbps。根據(jù)不同的功率輸出和環(huán)境特性,2.4 GHz 頻段的傳輸距離從 10 米到 100 米不等,根據(jù)監(jiān)管限制,sub-1 GHz 頻段的傳輸距離可達 1 公里。
Zigbee與 Wi-Fi HaLow 比較
Wi-Fi HaLow 是經 Wi-Fi 聯(lián)盟認證的基于 IEEE 802.11 MAC/PHY(介質訪問控制/物理層)的最新協(xié)議。Wi-Fi HaLow 結合了 IEEE 802.11ah,可實現(xiàn)各種應用所需的低功耗連接,包括攝像頭、傳感器網絡和可穿戴設備。
Wi-Fi HaLow 可提供當今消費者對Wi-Fi 的所有期望,包括多廠商互操作性、無需中斷現(xiàn)有 Wi-Fi 網絡的簡易設置以及 WPA3TM最新 Wi-Fi 安全性。Wi-Fi HaLow 可增強其他 Wi-Fi 技術,提供遠距離、低功耗、高性能和安全的 Wi-Fi,為各種物聯(lián)網環(huán)境提供不斷擴展的產品組合。
技術對比
Wi-Fi HaLow旨在滿足室內外物聯(lián)網連接的需求,這就是為什么許多開發(fā)人員想知道Wi-Fi HaLow與 Zigbee 等“類似”協(xié)議相比有何優(yōu)勢。
我們來比較一下Wi-Fi HaLow和Zigbee的主要功能。此次比較的是 2.4 GHz 頻率的 Zigbee,因為絕大多數(shù) Zigbee 設備都在此頻率下運行。
連接范圍
Wi-Fi HaLow 使用 1 GHz 以下頻段(850 MHz - 950 MHz 之間)和窄信道(1 MHz 及以上),這使得 Wi-Fi HaLow 設備能夠進行遠距離通信。此外,與 2.4 GHz 信號相比,1 GHz 頻段以下的信號能更有效地穿透墻壁、天花板等障礙物。
Zigbee 運行在 IEEE 802.15.4 MAC 層和 PHY 層之上,是一種主要為2.4 GHz頻帶的室內應用而設計的網狀協(xié)議。雖然 Zigbee 各個設備之間的傳輸距離較短(10 - 100 米),但供電充足的 Zigbee 設備可作為中繼器創(chuàng)建網狀網絡,將傳輸距離擴展到 100 米以外。然而,作為中繼器運行的 Zigbee 設備功率并不低,因此在實際應用中,這些設備需要由主電源供電。此外,隨著網狀網路跳數(shù)的增加,數(shù)據(jù)包延遲也會增加,從而降低支持實時應用的可能性1。Zigbee 適用于低功耗、低數(shù)據(jù)速率和短距離設備,在照明控制等短距離智能家居應用中很受歡迎。
容量
單個 Wi-Fi HaLow 接入點(AP)可處理數(shù)千個不同類型的設備。這使得Wi-Fi HaLow可以輕松擴展到需要大量設備的應用中,例如工業(yè)控制和樓宇自動化。例如,在智能家居環(huán)境中,由寬帶服務提供商安裝的單個 Wi-Fi HaLow 接入點可輕松滿足任何家居設備的需求。在企業(yè)中,可將多個 Wi-Fi HaLow 接入點添加到網絡中,使設備容量遠遠超過 8,191 臺設備。
Zigbee 的網狀網絡功能支持每個網絡中的大量設備,單個網絡中最多可達 65,000 個節(jié)點。這是一個理論極限,需要特定的設備充當中繼器來擴展網狀網絡,但并非所有 Zigbee 設備都能做到這一點。例如,飛利浦 Hue 網橋(一系列智能燈泡)使用 Zigbee。不過,這將設備數(shù)量限制在 50 臺左右。如上所述,額外的網狀網路跳數(shù),會對數(shù)據(jù)包延遲產生不利影響。
安全性
Wi-Fi HaLow 采用 IEEE 802.11ah,這意味著Wi-Fi HaLow遵循全球公認的 802.11 安全認證和通信標準。WPA3-Personal 和 WPA3-Enterprise 安全性支持 AES-128 和 AES-256 兩種不同計數(shù)器模式的加密。Wi-Fi HaLow的安全性是強制的,該安全性對Wi-Fi HaLow 的吞吐量和延遲影響很小。網絡安全威脅在不斷演變,Wi-Fi HaLow 可以輕松適應新的更高安全級別。
根據(jù) IEEE 802.15.4 的規(guī)定,Zigbee 支持計數(shù)器模式下的 AES-128 位加密,網絡中的所有設備都使用單個對稱網絡密鑰。網絡密鑰在提供給新設備時由鏈路密鑰加密,但鏈接密鑰可能使用已知的默認值,這可能會導致網絡密鑰的泄露。對于 Zigbee 來說,安全性是一個可選項,使用時應注意確保安全性,并妥善保管網絡密鑰。Zigbee 數(shù)據(jù)包大小為 127 字節(jié)(無安全性)和 68 字節(jié)(有安全性)。這意味著為了換來安全性的付出,會嚴重影響 Zigbee 網絡的功耗、吞吐量和延遲性。Zigbee 數(shù)據(jù)包的大小很難適應未來新的安全威脅。
能源效率
Wi-Fi HaLow 的設計目的是為遠距離、低功耗的物聯(lián)網應用提供高能效的 Wi-Fi 版本2。Wi-Fi HaLow 芯片或模塊所需的功率僅為傳統(tǒng) Wi-Fi 的一小部分。
Zigbee 同樣是為低能耗設備而設計的,比傳統(tǒng)的 Wi-Fi 協(xié)議功耗更低,非常適合傳感器等數(shù)據(jù)量相對較小的應用。雖然Zigbee對于只需要較小數(shù)據(jù)包的物聯(lián)網應用來說是一個很好的低功耗選擇,但Wi-Fi HaLow在更遠范圍內為各種物聯(lián)網應用提供了更優(yōu)的能效,例如在較遠距離使用的攝像機和傳感器。此外,Wi-Fi HaLow能夠更好地支持固件和安全性的遠程升級。
應用的多功能性
Wi-Fi HaLow 在 850 MHz 至 950 MHz 的免許可或類許可 sub-1 GHz 無線電頻譜內運行。只要各廠商的Wi-Fi HaLow 產品獲得 Wi-Fi 認證,消費者就可以放心地使用來自不同廠商的 Wi-Fi HaLow 產品。Wi-Fi HaLow與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6在不同的頻譜中運行,因此所有這些技術都可以共存并相互補充,而不會影響RF性能。
Zigbee 為用戶提供從不同廠商選擇設備的靈活性,并獲得了連接標準聯(lián)盟(Connectivity Standards Alliance)的行業(yè)互操作性認證。作為一種利用 IEEE 802.15.4 規(guī)范的互操作協(xié)議,Zigbee 已廣泛應用于眾多智能家居、商業(yè)和工業(yè)應用中。不過,Zigbee 可能無法與 2.4 GHz 頻段的高速 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 6 設備很好地共存。
作為一種 IEEE 802.11 標準,Wi-Fi HaLow 與 Zigbee 相比還有一個顯著優(yōu)勢:對互聯(lián)網協(xié)議(IP)版本4和版本6的本地支持。所有類型的 Wi-Fi 本身都支持 IPv4 和 IPv6,這意味著基于 Wi-Fi 的物聯(lián)網設備可以直接連接到互聯(lián)網和云服務,而無需通過專用網關。Zigbee 的數(shù)據(jù)包非常小,支持壓縮版 IPv6,即 6LowWPAN3。要讓 Zigbee 設備與互聯(lián)網和云服務通信,必須使用特殊的網關。
可變數(shù)據(jù)速率與固定數(shù)據(jù)速率
Wi-Fi HaLow 提供多種調制與編碼方案(MCS)速率,可支持同一網絡中的不同物聯(lián)網應用。例如,較高的速率(如 8 MHz 信道中高達 43.3 Mbps 的單流傳輸速率)可支持視頻應用,而較低的速率(如 1 MHz 信道中低至 150 Kbps 的速率)可支持遠距離傳感器。由于功耗通常由無線電發(fā)射器或接收器的開啟時間決定,因此較高的速率可使無線電更快關閉,從而有助于節(jié)省功耗。
結論
總之,Wi-Fi HaLow 和 Zigbee 都是無線通信技術,但用途不同,功能各異。Wi-Fi HaLow 在許多關鍵領域都優(yōu)于 Zigbee,包括覆蓋范圍、穿透力、功耗、安全性和吞吐量,而 Zigbee 則更適合專用傳感器網絡。這兩種技術各有優(yōu)勢和局限。但是,當Wi-Fi HaLow 和 Zigbee結合使用時,可以互為補充,為物聯(lián)網世界提供全面的解決方案。請繼續(xù)關注,了解這些技術如何挑戰(zhàn)現(xiàn)狀,并在 2023 年為互聯(lián)互通帶來兩全其美的解決方案。
注:
1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9105712/
2 ?https://www.wi-fi.org/downloads-registered-guest/Wi-Fi_CERTIFIED_HaLow_Technology_Overview_20211102.pdf/36879#:~:text=Relevant%20comparison%20studies%20show%20Wi,ensuring%20longer%20device%20battery%20lifetimes
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