物聯網和M2M網路的發展在許多市場創造了新的機遇。根據Statista的調研資料，物聯網設備的數量將從2021年138億台增加到2025年300億台以上。這些應用中有很多都需要遠距連線設備或感測器，因此要求高效能與更長的電池壽命。
Wi-Fi(IEEE 802.11)是家庭和小型企業應用首選的網際網路連接技術。在Wi-Fi的成功基礎上，Wi-Fi聯盟推出了另一項新標準：Wi-Fi HaLow。這是一種安全、節能的星狀網路拓撲結構，可以實現1公里以上的通訊距離。Wi-Fi HaLow透過Wi-Fi技術，提供中短程高速影音串流以及遠距離資料傳輸的能力。
Wi-Fi HaLow簡介
擴大Wi-Fi技術範圍的想法獲得業界許多廠商的支持，並因為獲得IEEE 802.11ah標準的批准而進一步鞏固。支持者致力於推動Wi-Fi HaLow技術和制定相關認證計畫，以便加速市場的採用和普及。Wi-Fi聯盟推出Wi-Fi CERTIFIED HaLow計畫以滿足日益成長的物聯網需求，業者也積極參與，如摩爾斯微電子(Morse Micro)提供Wi-Fi HaLow CERTIFIED開發平台以支援該計畫。
Wi-Fi HaLow是一種開放標準的無線網路技術，在850~950MHz範圍內運行，通常稱為sub-GHz頻寬範圍。在較低頻率下運行的優點是訊號傳播距離更遠，並且可以穿透牆壁和障礙物，這在較高頻率難以達成。標準Wi-Fi使用更高頻率(2.4GHz、5GHz或6GHz)的無線電波，能夠在短距離內實現高資料傳輸量；新的Wi-Fi HaLow技術則擴展Wi-Fi的範圍，同時消耗的功率非常低，進而延長電池壽命。這將大幅降低偏遠地區或難以抵達地區的營運維護成本。
Wi-Fi HaLow主要優勢
．基於IEEE 802.11ah的開放標準
．運行於sub-GHz範圍之星狀網路拓撲結構
．支援遠距傳輸，最遠可達1公里，為目前Wi-Fi的10倍
．訊號可穿透牆壁和障礙物
．根據不同應用，電池壽命可達5年以上
．無需專有的集線器或閘道就能連接網際網路
．基於WPA3和Wi-Fi Enhanced Open的內建安全性
．遠距離(>1公里)資料連結速率在150kbps左右；近距離則達86.7Mbps(圖1)
圖1 Wi-Fi HaLow資料速率，遠距離約為150kbps，近距離則為86.7Mbps
資料來源：Wi-Fi聯盟白皮書
Wi-Fi HaLow利用了「Wi-Fi存取保護」(Wi-Fi Protected Access, WPA)安全標準發展的優勢。該技術對使用者資料進行加密，以保護無線網路免受外部威脅。WPA標準目前已達第三代，包括Wi-Fi HaLow在內的所有新的Wi-Fi認證設備，都需要通過Wi-Fi CERTIFIED WPA3要求。
WPA3利用「對等實體同時驗證」(Simultaneous Authentication of Equals, SAE)修復漏洞並減輕舊版安全協定的威脅，支援更長的加密金鑰和個體化的資料保護，確保每個用戶端和存取點之間資料流量的個別安全性，以防止某一用戶端資料被連接至相同網路的另一用戶端解密取得。這種最新的安全協定使攻擊者更難經由猜測密碼侵入網路，即使網路金鑰(密碼)被破解，也無法解密過去的資料。
Wi-Fi HaLow從市場上眾多的其他低功耗廣域網路(LPWAN)中脫穎而出。如圖2所示，Wi-Fi HaLow的資料速率達到數十Mbps，使其成為唯一能夠傳輸影音的協定。
圖2 Wi-Fi HaLow與其他LPWAN技術的比較
資料來源：Morse Micro
電池的實際壽命取決於應用程式、傳輸資料量和頻率。儘管如此，不同的網路特性可決定網路中的設備能夠如何有效利用能量。網路資料速率越快，無線電就會越快完成資料傳輸並返回低功率模式。除了高資料傳輸率，Wi-Fi HaLow還引入了增強的睡眠模式如「目標喚醒時間」和流量調度器如「視窗訪問限制」，允許每個星狀網路設備進入睡眠以節省能量，同時忽略不相關的網路流量。另一方面，網狀網路，如Zigbee、Z-wave或Thread在網路邊緣之間傳播時，必須由每個節點接收和重傳相同的資料。
Wi-Fi HaLow實現了「先聽後說」，最大限度減少資料衝突並保持較高的網路利用率。相較之下，網狀拓撲結構須在網路中使用更多設備，才能覆蓋與Wi-Fi HaLow相同的區域(Zigbee/Z-wave/Thread節點覆蓋20~30公尺，而Wi-Fi HaLow的覆蓋範圍為1公里)，再加上每個節點都需要重傳資料，會導致更嚴重的網路壅塞、更多的衝突和更短的電池壽命。
圖3顯示比利時微電子研究中心(imec)針對Wi-Fi HaLow電池壽命與其他技術，在傳輸間隔十分鐘的使用情況所進行的比較。在這項分析中，Wi-Fi HaLow可提供3.15年的電池壽命，與其他LPWAN相比，電池壽命更長。
圖3 電池壽命比較
資料來源：Wi-Fi聯盟白皮書
Wi-Fi HaLow應用範圍
該技術應用廣泛，包括家庭和建築自動化、運輸和物流、工業無線通訊、汽車、網狀網路頻外控制、太陽能管理、醫療保健、Wi-Fi HaLow+2.4GHz混合應用等。
房屋的占地面積因位置而異。在城市中，房屋面積可能較小，沒有院子或院子很小。然而，若遠離市中心，房屋可能較大且占地面積大，使得遠端攝影機的安裝和連線成為一種挑戰。
Wi-Fi HaLow技術解決了這種問題。低功耗攝影機可以電池供電，並大範圍安裝至關鍵區域，且訊號不會被樹木或其他障礙物所阻擋(圖4)。影像或影音訊號可以輕鬆到達存取點進行本地監控或雲端存取。此外，藉由提供地下停車場或屋頂等公共區域的網路覆蓋，基於Wi-Fi HaLow的攝影機也可以造福公寓大樓。
圖4 Wi-Fi HaLow攝影機可以電池供電並大範圍安裝
戶外攝影機的案例也可以應用於畜牧業。例如，可以在關鍵位置安裝攝影機來監控牛群，協助辨識牛隻的行為來判斷其健康狀況，進而提高生產力。此外，攝影機還可安裝在圍欄外緣，監控接近的入侵者，如野生動物。使用戶外攝影機可協助保護牲畜和寵物。
更重要的是，這些遠端攝影機的電池壽命可持續多年，除了增加使用便利性之外，也降低了維護成本。
Wi-Fi HaLow發展現況
Wi-Fi HaLow的發展動能逐漸增強，Wi-Fi聯盟正採取重大措施來推廣上述效益，擴大現有Wi-Fi標準的範圍，並鼓勵開發者共同參與。關鍵問題是有什麼資源可以支援這項技術的發展。目前，有相當多的公司投資Wi-Fi HaLow領域，其中包括Morse Micro。該公司的Wi-Fi CERTIFIED HaLow平台和業界首款8MHz參考設計，將有助開發者加快設計週期。未來Wi-Fi HaLow資源增加，可望成為多種應用的解決之道。
(本文由Morse Micro提供)