Wi-Fi HaLow与LoRaWAN对比

作者：摩尔斯微电子

构成物联网（IoT）的智能互联设备继续成倍增长。一些预测认为，全球物联网设备的数量将在2030年达到290多亿台；另一些预测说这个数字将接近1290亿。无论大家选择相信哪个数字，确定的是，物联网正在迅速增长。而且，随着这一增长，人们对物联网网络的期望也随之增长。

LoRaWAN

LoRaWAN于2015年发布，LoRa联盟将其描述为“一种低功耗的广域网（LPWA）网络协议，旨在将电池供电的设备无线连接到各个地区、国家或全球网络中……”。LoRa联盟是一个开放的非营利组织，致力于推广LoRaWAN。

LPWA网络（LPWANs）通常在开放的郊区环境提供0.3 Kbps到50 Kbps的数据速率，连接范围可达十公里1，并且通常由服务提供商管理。LoRaWAN和其他LPWAN一样，为电池供电的传感器设备提供低带宽连接。LoRaWAN通常有足够的带宽用于通信少量的传感器数据，但不足以支持远程升级。尽管物联网安全是世界各国政府关注的重点，但低数据速率也严重制约了LPWANs的安全性。

新型协议

Wi-Fi HaLow是为直接应对物联网激增而从头开始设计的。作为Wi-Fi联盟发布的最新MAC/PHY（介质访问控制/物理层）认证，Wi-Fi HaLow结合了IEEE 802.11ah，并为远距离、低功耗、安全的物联网应用，提供了当今最全面、功能最丰富的协议。根据Wi-Fi联盟的说法，Wi-Fi HaLow是“提供连接范围、吞吐量、密度、低功耗操作、低部署成本最佳组合的物联网无线标准”。

Wi-Fi HaLow与LoRaWAN概览

      　  LoRaWAN  Wi-Fi HaLow
  容量 (AP)  120台设备  8,000+ 设备
  安全性  差  优
  覆盖范围  10公里  1公里
  能源效率  低  高
  穿透性  优  优
  多样性  免许可、可互操作，但基于专有标准  免许可、可互操作，基于开放的国际标准
  数据速率(SISO)  0.3 - 50 Kbps  150 Kbps - 86.7  Mbps（16 MHz信道中的1x1）

无与伦比的可扩展性

单个Wi-Fi HaLow接入点（AP）可以处理成千上万的设备，这为部署大量连接设备的企业提供了卓越的可扩展性，以实现操作自动化、通信和设施维护的便利。

另一方面，根据英国兰卡斯特大学（Lancaster University）最近的一项研究，一个LoRaWAN网关可以支持120个终端设备（基于每个终端设备每16.7分钟传输20个字节的假设）。

守护物联网环境的安全性

作为IEEE 802.11 Wi-Fi协议，Wi-Fi HaLow遵守全球公认的连接设备安全认证和通信标准，支持最新的Wi-Fi认证要求（WPA3）和远程升级（OTA）的AES加密，其数据速率能够实现安全的远程固件升级。此外，Wi-Fi HaLow可以轻松适应未来物联网安全要求和变化。由于这被视为最佳实践，Wi-Fi联盟在开发任何安全相关协议（例如Easy Connect）时都会采用正式的外部安全审查2。

然而，LoRaWAN并没有提供同等的安全保证，似乎也没有经过安全专家的正式外部审查。LoRa联盟声称，“LoRaWAN在设计上非常安全，而且身份验证和加密是强制性的”，但随后承认，“如果安全密钥没有得到安全保护，如果没有在不同设备之间进行随机化，或者如果曾经使用过的加密数字（nonces）被重复使用，网络和设备可能会受到损害。” 一些安全研究人员已经发现了这些漏洞，例如在《物联网》（Internet of Things）杂志上发表的一篇文章中，该文章发现“存在一些安全和隐私漏洞，这些漏洞可能会危及可用性、身份验证和隐私。”还请注意，虽然使用了AES加密，但LoRaWAN使用的计数器模式存在严重缺陷3。此外，由于数据包较小，LoRaWAN无法解决当前的安全问题或适应物联网未来的安全要求。

优异的连接范围

使用Wi-Fi HaLow的设备能够在超过1公里的范围内使用sub-1 GHz频段与另一个设备进行通信，并且有相对较高的数据速率4。Sub-1 GHz信号在穿过墙壁和其他障碍物方面也表现卓越。
相比之下，使用相同频段的LoRaWAN在郊区环境中的覆盖范围可达10公里，但数据传输速率较低，而且只有在障碍物较少的地方才能传输。这使LoRaWAN成为郊区环境部署的理想选择，例如，大型农场希望在几十公里内连接不同的传感器。然而，在城市环境中，LoRaWAN的覆盖范围可能会减少，并且在高楼大厦的环境中可能会失去连接，因为LoRaWAN上行链路使用低效的纯Aloha MAC协议5。

卓越的能源效率

Wi-Fi HaLow只需要其他版本Wi-Fi的一小部分功率。相比之下，LoRaWAN是一种低功耗协议，将设备分为三个等级（A、B和C），其中A级设备主要是为了提高能效而设计的。对于希望扩大物联网网络规模并发送超过几个字节的传感器数据的企业来说，LoRaWAN无法与Wi-Fi HaLow网络的能源效率（传输一个单位的信息所需的能量）相提并论。

免许可且可互操作

Wi-Fi HaLow和LoRaWAN都使用免许可和类许可的sub-1频段，范围在850 MHz至950 MHz。Wi-Fi联盟的认证计划让消费者相信，所有Wi-Fi CERTIFIED HaLowTM品牌的产品都可以互操作。LoRa联盟为LoRaWAN产品提供针对LoRaWAN规范的认证，而不是互操作性测试。

较快的数据速率

Wi-Fi HaLow提供一系列非常适合物联网设备的数据速率。在1MHz的最窄带宽下使用单一空间流，可提供从使用具有BPSK调制的MCS 10的150Kbps的数据速率，到使用MCS 9的4.4Mbps的最高速率。在8 MHz操作信道中，单流Wi-Fi HaLow 接入点可以支持各种物联网设备，从以低至150 Kbps的速率发送1 MHz数据包的极低功率传感器，到以高达43 Mbps的速率发送8 MHz数据包。这一吞吐量大大超过了LoRaWAN的数据传输速率（0.3Kbps-50Kbps）。LoRaWAN的低数据速率只能用于传输极小数据包的物联网网络。

未来走向

虽然LoRaWAN经常被奉为一种用于远距离、低功耗网络的通用协议，但现实往往达不到物联网开发者的期望。大多数现实世界的物联网应用需要比LoRaWAN目前或未来能够提供的更高的网络容量、更快的数据速率和更强大的安全性。这些现实世界的需求指向一个更优的无线解决方案：Wi-Fi HaLow，首个为物联网需求优化的Wi-Fi标准。

1 https://en.wikipedia.org/wiki/Low-power_wide-area_network
2 https://www.wi-fi.org/discover-wi-fi/wi-fi-easy-connect
3 https://www.cyber-threat-intelligence.com/publications/IoTDI2018-LoraWAN.pdf
4 https://www.wi-fi.org/beacon/neil-weste/the-future-of-farming-testing-the-rural-range-of-wi-fi-certified-halow
5  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140366422002444