物聯(lián)網(wǎng)連接——Wi-Fi HaLow與Zigbee對(duì)比

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的不斷創(chuàng)新，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在處理越來(lái)越多的智能任務(wù)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，部署遠(yuǎn)距離、低功耗的可靠網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控不斷增加的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備套件變得越來(lái)越重要。

什么是 Zigbee？

Zigbee 誕生于 1998 年（2006 年修訂），旨在解決無(wú)線機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的問題。Zigbee利用 IEEE 802.15.4 規(guī)范中的介質(zhì)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(wú)線電頻譜中運(yùn)行。

Zigbee 的原始數(shù)據(jù)吞吐率在 2.4 GHz（16 個(gè)信道）時(shí)為 250 Kbps，在 915 Mhz（10 個(gè)信道）時(shí)為 40 Kbps，在 868 Mhz（1 個(gè)信道）時(shí)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(dá) 1 公里。

Zigbee與 Wi-Fi HaLow 比較

Wi-Fi HaLow 是經(jīng) Wi-Fi 聯(lián)盟認(rèn)證的基于 IEEE 802.11 MAC/PHY（介質(zhì)訪問控制/物理層）的最新協(xié)議。Wi-Fi HaLow 結(jié)合了 IEEE 802.11ah，可實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用所需的低功耗連接，包括攝像頭、傳感器網(wǎng)絡(luò)和可穿戴設(shè)備。

Wi-Fi HaLow 可提供當(dāng)今消費(fèi)者對(duì)Wi-Fi 的所有期望，包括多廠商互操作性、無(wú)需中斷現(xiàn)有 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)易設(shè)置以及 WPA3TM最新 Wi-Fi 安全性。Wi-Fi HaLow 可增強(qiáng)其他 Wi-Fi 技術(shù)，提供遠(yuǎn)距離、低功耗、高性能和安全的 Wi-Fi，為各種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境提供不斷擴(kuò)展的產(chǎn)品組合。

技術(shù)對(duì)比

Wi-Fi HaLow旨在滿足室內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)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(shì)。

我們來(lái)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?yàn)榻^大多數(shù) Zigbee 設(shè)備都在此頻率下運(yùn)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(shè)備能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。此外，與 2.4 GHz 信號(hào)相比，1 GHz 頻段以下的信號(hào)能更有效地穿透墻壁、天花板等障礙物。

Zigbee 運(yùn)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(nèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀協(xié)議。雖然 Zigbee 各個(gè)設(shè)備之間的傳輸距離較短（10 - 100 米），但供電充足的 Zigbee 設(shè)備可作為中繼器創(chuàng)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，將傳輸距離擴(kuò)展到 100 米以外。然而，作為中繼器運(yùn)行的 Zigbee 設(shè)備功率并不低，因此在實(shí)際應(yīng)用中，這些設(shè)備需要由主電源供電。此外，隨著網(wǎng)狀網(wǎng)路跳數(shù)的增加，數(shù)據(jù)包延遲也會(huì)增加，從而降低支持實(shí)時(shí)應(yīng)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(shè)備，在照明控制等短距離智能家居應(yīng)用中很受歡迎。

容量

單個(gè) Wi-Fi HaLow 接入點(diǎn)（AP）可處理數(shù)千個(gè)不同類型的設(shè)備。這使得Wi-Fi HaLow可以輕松擴(kuò)展到需要大量設(shè)備的應(yīng)用中，例如工業(yè)控制和樓宇自動(dòng)化。例如，在智能家居環(huán)境中，由寬帶服務(wù)提供商安裝的單個(gè) Wi-Fi HaLow 接入點(diǎn)可輕松滿足任何家居設(shè)備的需求。在企業(yè)中，可將多個(gè) Wi-Fi HaLow 接入點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)中，使設(shè)備容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 8,191 臺(tái)設(shè)備。

Zigbee 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的大量設(shè)備，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多可達(dá) 65,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。這是一個(gè)理論極限，需要特定的設(shè)備充當(dāng)中繼器來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，但并非所有 Zigbee 設(shè)備都能做到這一點(diǎn)。例如，飛利浦 Hue 網(wǎng)橋（一系列智能燈泡）使用 Zigbee。不過，這將設(shè)備數(shù)量限制在 50 臺(tái)左右。如上所述，額外的網(wǎng)狀網(wǎng)路跳數(shù)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包延遲產(chǎn)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(rèn)的 802.11 安全認(rèn)證和通信標(biāo)準(zhǔn)。WPA3-Personal 和 WPA3-Enterprise 安全性支持 AES-128 和 AES-256 兩種不同計(jì)數(shù)器模式的加密。Wi-Fi HaLow的安全性是強(qiáng)制的，該安全性對(duì)Wi-Fi HaLow 的吞吐量和延遲影響很小。網(wǎng)絡(luò)安全威脅在不斷演變，Wi-Fi HaLow 可以輕松適應(yīng)新的更高安全級(jí)別。

根據(jù) IEEE 802.15.4 的規(guī)定，Zigbee 支持計(jì)數(shù)器模式下的 AES-128 位加密，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都使用單個(gè)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)密鑰。網(wǎng)絡(luò)密鑰在提供給新設(shè)備時(shí)由鏈路密鑰加密，但鏈接密鑰可能使用已知的默認(rèn)值，這可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)密鑰的泄露。對(duì)于 Zigbee 來(lái)說(shuō)，安全性是一個(gè)可選項(xiàng)，使用時(shí)應(yīng)注意確保安全性，并妥善保管網(wǎng)絡(luò)密鑰。Zigbee 數(shù)據(jù)包大小為 127 字節(jié)（無(wú)安全性）和 68 字節(jié)（有安全性）。這意味著為了換來(lái)安全性的付出，會(huì)嚴(yán)重影響 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的功耗、吞吐量和延遲性。Zigbee 數(shù)據(jù)包的大小很難適應(yīng)未來(lái)新的安全威脅。

能源效率

Wi-Fi HaLow 的設(shè)計(jì)目的是為遠(yuǎn)距離、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shè)備而設(shè)計(jì)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(duì)較小的應(yīng)用。雖然Zigbee對(duì)于只需要較小數(shù)據(jù)包的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的低功耗選擇，但Wi-Fi HaLow在更遠(yuǎn)范圍內(nèi)為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了更優(yōu)的能效，例如在較遠(yuǎn)距離使用的攝像機(jī)和傳感器。此外，Wi-Fi HaLow能夠更好地支持固件和安全性的遠(yuǎn)程升級(jí)。

應(yīng)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(wú)線電頻譜內(nèi)運(yùn)行。只要各廠商的Wi-Fi HaLow 產(chǎn)品獲得 Wi-Fi 認(rèn)證，消費(fèi)者就可以放心地使用來(lái)自不同廠商的 Wi-Fi HaLow 產(chǎn)品。Wi-Fi HaLow與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6在不同的頻譜中運(yùn)行，因此所有這些技術(shù)都可以共存并相互補(bǔ)充，而不會(huì)影響RF性能。

Zigbee 為用戶提供從不同廠商選擇設(shè)備的靈活性，并獲得了連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（Connectivity Standards Alliance）的行業(yè)互操作性認(rèn)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(yīng)用于眾多智能家居、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中。不過，Zigbee 可能無(wú)法與 2.4 GHz 頻段的高速 Wi-Fi 4 和 Wi-Fi 6 設(shè)備很好地共存。

作為一種 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi HaLow 與 Zigbee 相比還有一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：對(duì)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)設(shè)備可以直接連接到互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)，而無(wú)需通過專用網(wǎng)關(guān)。Zigbee 的數(shù)據(jù)包非常小，支持壓縮版 IPv6，即 6LowWPAN3。要讓 Zigbee 設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)通信，必須使用特殊的網(wǎng)關(guān)。

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(diào)制與編碼方案（MCS）速率，可支持同一網(wǎng)絡(luò)中的不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。例如，較高的速率（如 8 MHz 信道中高達(dá) 43.3 Mbps 的單流傳輸速率）可支持視頻應(yīng)用，而較低的速率（如 1 MHz 信道中低至 150 Kbps 的速率）可支持遠(yuǎn)距離傳感器。由于功耗通常由無(wú)線電發(fā)射器或接收器的開啟時(shí)間決定，因此較高的速率可使無(wú)線電更快關(guān)閉，從而有助于節(jié)省功耗。

結(jié)論

總之，Wi-Fi HaLow 和 Zigbee 都是無(wú)線通信技術(shù)，但用途不同，功能各異。Wi-Fi HaLow 在許多關(guān)鍵領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)。這兩種技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)和局限。但是，當(dāng)Wi-Fi HaLow 和 Zigbee結(jié)合使用時(shí)，可以互為補(bǔ)充，為物聯(lián)網(wǎng)世界提供全面的解決方案。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注，了解這些技術(shù)如何挑戰(zhàn)現(xiàn)狀，并在 2023 年為互聯(lián)互通帶來(lái)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

3  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