Wi-Fi 6给物联网带来的优势

作者：英飞凌科技安全互联系统事业部技术副总裁 Roman Baker

在本文中，我们将详细介绍Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E给全新的物联网产品设计所带来的具体优势。

从物联网的角度来看，Wi-Fi开发人员已经认识到，速度更快并不一定是所有Wi-Fi联网设备的最佳选择。在Wi-Fi 6之前的几代技术中，增加原始吞吐量是主要目标。而现在，某些关键性能指标 (KPI) 之间的权衡，使得系统设计人员能够灵活地将重点放在设计的重要方面上。下图显示了Wi-Fi 6规范中的主要功能。虽然“节能”列只有一项，但也可以通过修改其他列所示的功能，来实现节能。


图1：Wi-Fi 6的主要功能（包括节能）

降低功耗/延长物联网设备的电池续航时间

Wi-Fi 6包含了优化效率、增加吞吐量和/或降低功耗的技术，包括正交频分多址（OFDMA）、目标唤醒时间（TWT）和多用户多输入多输出（MU MIMO）。

其中，OFDMA将20/40/80（甚至Wi-Fi 6E中的160）MHz信道划分为资源单元（RU），这些资源单元被进一步划分为子载波。由于80 MHz是以增加功耗为代价而实现的，因此，Wi-Fi 6中的20 MHz模式可以实现节能。对于只需要非常高效地发送少量数据的物联网设备来说，这种节能非常重要。例如，门锁就只需要传输“存在正确的键盘输入”。于是，20 MHz模式就是这类信号传输的理想之选，是在物联网应用中区分Wi-Fi 6与Wi-Fi 5的项目之一。

通过目标等待时间，接入点 (AP) 和站点设备协商特定的时间，在这个时间到来时，站点设备将被唤醒并准备好接收来自接入点的流量。与前几代 Wi-Fi 相比，此功能可以让站点保持更长时间的睡眠模式，从而降低了设备的整体功耗。

以前，物联网设备必须按照接入点规定的时间间隔（在大多数设备中为300 ms）唤醒，以查看它们是否有流量。但试想一下窗户传感器，除非窗户破损，否则它是很少提供新数据的。而借助TWT功能，传感器可以与网络通信，也就是它只需要每三分钟唤醒一次以提供输入；否则，它就可以休眠，无需传输数据，从而节省电力。于是，接入点知道自己不会接收信息，但仍可以识别出设备的存在，并将在预定时间与其通信。此功能使设备的睡眠时间大幅延长，并节省了大量电力，因此电池的续航时间也更久。

睡眠时间通常由系统设计人员确定，以满足指定的电池续航和用户体验要求。通过唤醒时间、待发送的数据量和发送频率，可以非常准确地计算出特定类型电池所需的睡眠时间。这种额外的设计灵活性为营销人员和设计人员提供了有关下一代产品的新选择，这也是使用最新Wi-Fi 6规范的优势之一。

Wi-Fi安全性

物联网另一个重要性日趋提升的方面是安全性，尤其是在发生数据泄露和物联网设备（如监控摄像头）被黑客入侵时。Wi-Fi 6被强制要求包含针对Wi-Fi开发的所有最新安全功能。例如，为了提供Wi-Fi 6中的最新安全性并解决WPA2中的漏洞，Wi-Fi保护访问（WPA）已升级到WPA3。安全性太重要了，以至于Wi-Fi 5等旧技术的规范现在也强制要求进行WPA3认证。

Wi-Fi连接本身的安全性只是物联网设备的第一道防线。英飞凌提供的片上系统（SoC）产品和独立的Wi-Fi器件提供了丰富的功能，这些功能对于打造真正安全的物联网产品而言至关重要。其中的一个功能就是核实在Wi-Fi芯片内运行的固件（FW）的真伪。

尽管今天大多数CPU和MCU都提供信任根（RoT）和验证顶级系统映像的能力，但英飞凌认为，确保设备中的各个子系统能够提供额外的防线也同样重要。这种理念被称为深度防御，可以大大提升系统的安全性。Wi-Fi芯片组固件的验证涉及硬件信任根，以验证发送给它的任何映像的签名。即便主机系统遭到破坏，验证Wi-Fi固件，对于确保映像真实性而言也是非常重要的。一旦确认了固件的真实性，Wi-Fi设备将把自己配置为仅允许通过安全数字输入输出（SDIO）接口进行足够的访问，以执行数据传输，而不会修改或篡改芯片上的内存或其他资源。对于黑客破坏芯片和系统安全性的另一条途径，则由Wi-Fi设备上提供限制访问控制的特定硬件关闭。

Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E的性能

最早由Wi-Fi 5采用的MU-MIMO技术使Wi-Fi 6能够将数据流同时引到多个客户端，从而提高网络效率。通过MU-MIMO中使用的波束成形技术，天线可以将射频信号传输引导至特定设备。这可以提高数据速率，并减少干扰。

Wi-Fi 6对Wi-Fi 2、Wi-Fi 3、Wi-Fi 4和Wi-Fi 5有后向兼容性。但是，旧版本中使用的2.4 GHz和5 GHz频段已经变得非常拥挤，由此产生的拥塞，会影响物联网设备传输数据的能力。而由于采用Wi-Fi 6之前技术的设备的存在，也可能会妨碍通过Wi-Fi 6的节能功能实现最大限度的节能。因此，由于Wi-Fi 6支持在5 GHz运行的旧设备，它可能无法发挥所有潜在优势。

Wi-Fi 6E增加了6 GHz频段。由于没有前代Wi-Fi设备在该频段运行，因此，访问能力将大幅提高。与2.4 GHz和5 GHz频段相比，6 GHz频段上的通信效率更高，从而可以整体提高物联网设备的电源效率。

英飞凌面向物联网推出的所有Wi-Fi 6解决方案，都将支持6 GHz频段，这是因为6 GHz频段是用户充分实现Wi-Fi 6优势的唯一途径。尽管这些设备支持所有三个频段，但在6 GHz模式下，只会发生与Wi-Fi 6的通信，从而实现了最佳性能。全新的6 GHz频段可以使Wi-Fi 6E充分发挥其在网络效率和能耗方面的潜力，从而朝着激动人心的目的地，迈出未来之旅的第一步。