大頻寬/長距離傳輸發威　5G/HaLow異質網路助攻AIoT(1)

2024-07-24

針對智慧物聯網，目前已有許多異質網路結構被提出。對於需要遠端進行寬頻通訊的AIoT應用來說，寬頻和即時性為最重要的特點，而5G NR結合Wi-Fi HaLow形成的異質網路成為智慧物聯網的嶄新方案。

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針對智慧物聯網(AIoT)，目前已有許多異質網路結構被提出。對於需要遠端進行寬頻通訊的智慧物聯網應用來說(如AI智慧醫療、智慧交通系統(ITS)、智慧農場)，寬頻和即時性為最重要的特點。若行動通訊網路5G NR的寬頻受限於最後一哩的頻寬影響，將可能導致網路延遲(Latency)，進而影響智慧物聯網的即時性。

智慧物聯網即為人工智慧(AI)搭配物聯網(IoT)，諸如遠端監控、自動化、裝置間串聯、數據蒐集、預測性應用皆為智慧物聯網的使用案例。由於寬頻需求越來越高，加上裝置的布建受限於地形限制，智慧物聯網搭配行動通訊系統形成異質網路成為近年來相當新穎的應用。

4G頻段分布在700MHz~2GHz之間，要再找到更大的頻段來結合智慧物聯網的寬頻應用相當困難，因此考慮採用以更高頻率提供更大頻寬的5G，以滿足智慧物聯網的寬頻應用需求。5G NR的運行頻段可分為商用頻段與專用頻段，考量智慧物聯網所傳輸的數據及資料牽涉商業機密與個人私密訊息，智慧物聯網若要部署於智慧農場、智慧工廠、智慧交通系統、AI智慧醫療等應用，需要用到5G NR專用頻段。在5G NR行動通訊系統結合智慧物聯網中的資料傳輸需要特別注重安全性與保密性。

智慧物聯網裝置間的網路布建通常以低功耗廣域網路(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)實現，LPWAN強調低功耗、低位元率、長距離傳輸。然而，LPWAN中的許多技術，例如LoRa、Sigfox和NB-IoT的傳輸頻寬僅為kbps級，因此對於需要進行即時無延遲影像傳輸的智慧物聯網應用來說，具備一定限制。針對此類應用，Wi-Fi HaLow可提供更高頻寬，因此具有優勢。5G NR結合Wi-Fi HaLow形成異質混合網路，便成為智慧物聯網的嶄新方案。

Wi-Fi HaLow技術簡介

IEEE 802.11ah於2013年提出，於2016年被定名為Wi-Fi HaLow，以在長距傳輸的情況下，兼具多節點連結、低功耗以及高位元率為目標。IEEE 802.11ah的實體層(PHY)近似IEEE 802.11ac，皆在低於1GHz的頻段運行，即Sub-1GHz頻段，在不同的國家大致上是運行於700~950MHz範圍內。由於Wi-Fi HaLow在較低的Sub-1GHz頻段下運行，其訊號傳播距離更遠，並且根據電波特性具有更高的穿透率，可以有效穿透障礙物及牆壁。

Wi-Fi HaLow的實體層採取OFDM技術，可受益於OFDM的多種優點，並支援波束成形(Beamforming)及多用戶MIMO(MU-MIMO)，同時也能對抗多路徑衰耗。Wi-Fi HaLow可支援256QAM調變，其通道頻寬支援1/2/4/8/16MHz，通道頻寬越窄，訊號傳輸的距離就越遠。

Wi-Fi HaLow為IEEE 802.11ah，其技術規格和IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ax相比亦具有多項優勢，如表1所列。

表1　Wi-Fi 4~Wi-Fi 7與Wi-Fi HaLow技術規格比較　(資料來源：本研究整理)

與Wi-Fi技術相比，Wi-Fi HaLow最大的優勢是功耗較低、傳輸距離較遠，並且可支援連接裝置(容量)多出四倍。更遠的傳輸距離也代表訊號覆蓋範圍更廣，而Wi-Fi HaLow的通道頻寬較小，通道中的熱雜訊也較低，加上Wi-Fi HaLow的運行頻段頻率較低，其鏈路預算比起Wi-Fi具有更大優勢，使得Wi-Fi HaLow的訊號涵蓋範圍比Wi-Fi多十倍左右。基於Wi-Fi HaLow的距離優勢，其比Wi-Fi更適合用於遠端IoT多個裝置間的互聯。

Wi-Fi HaLow可支援連接裝置高達8,000多個，比Wi-Fi多了四倍多。由於可支援的連接裝置較多，Wi-Fi HaLow以更加有效率的方式管理無線資源並協調頻譜資源，讓多個裝置之間的資料傳遞便於管理。Wi-Fi HaLow低功耗的特點也使其相當適合當作5G NR的最後一哩，以儘可能連接更多的物聯網裝置。此外，Wi-Fi HaLow運行於Sub-1GHz頻段，比Wi-Fi的電波訊號更容易穿透到室內，也有利於室內物聯網裝置的訊號傳遞。

表2整理出Wi-Fi HaLow與LPWAN其他技術及其他IoT技術的比較。對LPWAN相關技術而言，Wi-Fi HaLow的資料傳輸速度最快，運行頻段為Sub-1GHz頻段意味著電波訊號穿透力更強，並且實體層近似於IEEE 802.11ac可以更容易與Wi-Fi進行對接。與其他IoT技術如BT及Zigbee相比，Wi-Fi HaLow具有更遠的傳輸距離以及更高的資料傳輸速度。