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IoT的快速發展迫使人們重新思考傳統Wi-Fi，Wi-Fi HaLow與傳統Wi-Fi有何不同？

TECHSUGARTECHSUGAR 發表於 2021年6月22日 15:00 2021-06-22

Wi-Fi就像是我們互聯世界的氧氣，是當今最普遍的無線網路協議，承載了超過一半的網際網路流量。「Wi-Fi 是一個通用術語，指的是經過二十多年發展而成的802.11協議家族。Wi-Fi聯盟是推動Wi-Fi應用和發展的組織，該組織用數字命名法，簡化了常用的幾代Wi-Fi名稱，例如，Wi-Fi 4 = 802.11n、Wi-Fi 5 = 802.11ac 、Wi-Fi 6 = 802.11ax。您正在家裡或工作場所使用的，很有可能就是這些類型的Wi-Fi。

儘管Wi-Fi 4/5/6無處不在，但物聯網（IoT）的快速發展，迫使人們重新思考傳統Wi-Fi，揭示技術差距，重新定義802.11協議在現今超低功耗物聯網設備的無線連接世界中應該發揮的作用。物聯網和機器對機器（M2M）應用，對遠端連接和低功耗的更高要求，促使人們需要另一種為物聯網而最佳化的Wi-Fi。

Wi-Fi HaLow（發音為HEY-low）協議，透過提供超低功耗的無線解決方案，填補了這一空白，與傳統Wi-Fi相比，該方案可以在更遠的距離和更低的功耗下，連接更多的物聯網設備。該協議於2016年得到了IEEE 802.11ah任務組的批准，被Wi-Fi聯盟稱為Wi-Fi HaLow。

Wi-Fi HaLow本質上是一款低功耗、遠距離、多用途的Wi-Fi版本，在免許可的1 GHz頻譜下運行。Wi-Fi HaLow標準結合了能效、遠端連接、低延遲、高解析度影片品質數據速率、安全功能和本地IP支持，是無線連接、電池供電的物聯網設備的理想協議選擇。讓我們仔細看看Wi-Fi HaLow和傳統Wi-Fi之間的一些主要分別，以及為什麼802.11ah協議非常適合物聯網應用的連接要求。

一種省電的協議

Wi-Fi HaLow為耗電的物聯網設備，提供了卓越的能效。IEEE 802.11ah規定的各種複雜的休眠模式，使HaLow設備能夠長時間處於極低功率狀態， 節省電池能量：

TWT（Target wake time）：這允許工作站（STA）和存取點（AP）預先安排一個時間，喚醒休眠的節點以存取訊號。

RAW（Restricted access window）：存取點可以授予工作站子集傳輸其資料的權限，而其他工作站則被迫休眠、緩衝非緊急數據或兩者兼而有之。

BSS（Basic Service Set ）空閒期：這將工作站的「允許空閒期」延長至五年。

TIM（Traffic Indication Mapping ）： 更有效地分組編碼TIM，節省信標（Beacon）的傳輸時間。

短MAC標頭：將低標頭傳輸虛耗、傳輸時間和功耗，並釋放無線電波頻段。

空值PHY協議數據單元（NPD）：這將類似MAC的ACKs/NACKs嵌入PHY層，以減少時間和功耗。

短信標：短（有限）信標頻繁發送以同步工作站，而完整信標的發送頻率較低。

BSS著色機制：顏色分配表示特定接入點的BSS組，而站點可以忽略其他顏色。

雙向TXOP（BDT：Bi-directional TXOP）：當喚醒工作站，發現存在用於傳輸的上行和下行訊框（Frame）時，會減少介質的存取次數。BDT使用實體層協議資料單元（PPDU）的訊號（SIG）字段中的響應指示，以增加對第三方工作站傳輸的TXOP持續時間保護。

該協議的高效休眠和電源管理模式，支援物聯網設備使用電池運行多年，以及多種靈活的電源和電池大小選擇，從採用鈕扣電池的短距離物聯網設備，到傳輸超過一公里的更高功率、採用更大電池的應用。與2.4 GHz和5 GHz頻段的Wi-Fi協議相比，該協議採用的sub-GHz窄頻訊號，傳輸距離更遠，能耗更低，讓每單位能耗可傳輸更多數據。

因此，Wi-Fi HaLow晶片所需的功率僅為傳統Wi-Fi晶片的一小部分。雖然傳統Wi-Fi的數據速率較高，讓使用者能夠在2.4 GHz、5 GHz和6 GHz頻段，使用寬頻頻道快速傳輸高解析影片和下載大量檔案，但這些Wi-Fi連接的有效距離很短，電池消耗很快，需要頻繁充電或更換電池，或者最好有一個主電源連接。基於這些原因，Wi-Fi HaLow是電源受限的物聯網設備的更好選擇，這些設備需要達到更遠的距離，並能用電池運行數年，同時仍然提供較高的數據吞吐量。

Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz協議優化了滲透率、覆蓋範圍、功率和容量。

覆蓋範圍更廣

802.11標準涵蓋的頻率範圍非常廣泛，從sub-GHz到毫米波（mmWave）。Wi-Fi HaLow是第一個在免許可的sub-GHz頻段運行的Wi-Fi標準。Wi-Fi HaLow提供的數據速率，從幾百kb/s到幾十Mb/s不等，傳輸距離從幾十公尺到一公里以上。

與傳統Wi-Fi使用的最窄的20MHz頻道相比，Wi-Fi HaLow的sub-1 GHz訊號使用更窄的頻道，從1MHz到更窄。由於頻道中的熱雜訊較低，這種20倍的頻寬系數轉化為13 dB的link budget改進。與傳統的2.4 GHz Wi-Fi相比，750 MHz – 950 MHz之間的RF頻率，需要額外增加8dB-9 dB的link budget，進而節省自由空間傳輸損耗。此外，Wi-Fi HaLow協議增加了一個範圍最佳化的調變和編碼方案（MCS10），可提供額外的3dBlink budget改進。

總之，與傳統的2.4GHz IEEE 802.11n（Wi-Fi 4）相比，Wi-Fi HaLow提供了高達24dB的link budget改進。與頻率更高、頻寬更寬的802.11ac（Wi-Fi 5）和802.11ax（Wi-Fi 6/6E）協議相比，Wi-Fi HaLowlink budget優勢進一步增強，其使用頻寬更寬的5GHz和6GHz頻譜。這就解釋了為什麼Wi-Fi HaLow訊號的傳輸距離，是傳統Wi-Fi的十倍，而不需要網路擴展器。例如，電池供電的攝影鏡頭可以放置在家裡或車庫外牆更方便的地方。照明系統可以從單個AP控制，而不管燈具是在室內還是室外的花園裡。

為終端使用者提供無線物聯網解決方案，覆蓋數百公尺的距離，而無需額外的擴展器或昂貴的手機行動網路，是802.11ah協議的一個關鍵競爭優勢。Wi-Fi-HaLow的遠端覆蓋優勢，擴展了智慧型家居和智慧型城市網路的範圍，讓使用者能夠控制1公里以外的物聯網設備，遠遠超出了傳統Wi-Fi協議的覆蓋範圍。

訊號穿透力更強

一般來說：頻率越低，覆蓋範圍越遠，穿透障礙物的能力越強。Sub-GHz 的Wi-Fi HaLow訊號可以比傳統Wi-Fi更容易穿過牆壁和其他障礙物。與2.4GHz和5GHz頻段的Wi-Fi協議相比，住宅和商業建築的建築材料和布局的變化，對sub-GHz HaLow訊號的影響較小。Wi-Fi HaLow可以穿透牆壁和建築物，這有助於減少客戶投訴和產品退貨，這些問題有時會困擾使用傳統Wi-Fi的產品。

Wi-Fi HaLow使用正交分頻多工（OFDM）調變，來校正反射和多徑環境。無論設備製造商的產品是在室內還是室外，或者是在地下室還是閣樓，Wi-Fi HaLow都可以確保設備與接入點之間有穩健的連接。這種靈活性消除了提供專有集線器或橋接設備以補償不同家庭架構的額外成本和複雜性。

高度可擴展的解決方案

單個Wi-Fi HaLow接入點可以處理多達8191個設備，是傳統Wi-Fi接入點的4倍多。在可預見的未來，這足夠連接每個LED燈泡、電燈開關、智慧型門鎖、電動窗簾、恆溫器、煙霧探測器、太陽能電池板、監控攝影鏡頭或任何可想像的智慧型家居設備。典型的家庭Wi-Fi路由器，通常支援幾十種設備。當頻寬服務提供商在家居中進行部署時，單個Wi-Fi HaLow接入點可以成為一個可擴展的平台，用於提供額外的安全和公用事業管理設備和服務。

多種訊號傳遞選項，減少了管理和控制大量HaLow設備所需的開銷。這樣可以最大限度地減少訊號衝突，並為有源設備釋放無線電波，以便以最快的調變和編碼方案（MCS）速率傳輸更多數據。與傳統Wi-Fi一樣，HaLow可以根據訊號完整性和與接入點的距離，自動調整頻寬。預定義的MCS級別支持單流、單天線產品的頻寬從150 Kbps到40 Mbps，使用的頻寬從1 MHz到8 MHz，80 Mbps的能力也可通過使用可選的16 MHz寬頻道來實現。

Wi-Fi HaLow的星形網路拓撲結構、卓越的穿透力、廣闊的覆蓋面積和巨大的容量，將無線連接從難以部署和頻寬受限的網狀網路中解放出來，簡化了網路安裝，並將總體持有成本降至最低。

具有抗噪性的免許可頻譜

與採用2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的傳統Wi-Fi一樣，Wi-Fi HaLow使終端使用者能夠擁有自己的設備並使用免許可的sub-GHz無線電頻譜，範圍從750MHz到950MHz。Wi-Fi HaLow的可用頻率範圍、最大傳輸功率和占空比，在世界各地有所不同。（例如，美洲可用的HaLow頻譜是902 MHz至928 MHz，而在歐洲是863 MHz至868 MHz）。

Wi-Fi HaLow在工業、科學和醫療（ISM）頻段內運行，可以使用多種頻段：1MHz、2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。頻寬越窄，訊號傳輸的距離就越遠。使用OFDM，以跨多個子頻道的數據包形式傳輸數據，這可以提高在具有挑戰性的RF環境中的性能，特別是當有來自其他無線電設備的強干擾時。前向錯誤更正（FEC）編碼也為恢復數據包提供了額外的保護，確保穩健的連接。

安全性和互通性

與其他IEEE 802.11 Wi-Fi版本一樣，Wi-Fi HaLow是一種固有的安全無線協議，支援最新的Wi-Fi認證要求（WPA3）和空中傳輸（OTA）AES加密，其數據速率可以實現安全的OTA韌體升級。

就像其他類型的Wi-Fi一樣，HaLow是一個全球公認的標準（IEEE 802.11ah），定義了連接設備如何進行安全認證和通訊。採用Wi-Fi HaLow的設備供應商，可以保證其產品和網路，將按照Wi-Fi聯盟的開髮指導來實現互通性。由於Wi-Fi HaLow是IEEE 802.11標準的一部分，Wi-Fi HaLow網路也可以與Wi-Fi 4、Wi-Fi 5和Wi-Fi 6網路共存，而不影響其RF性能。

本地IP支援

所有物聯網路都需要網路協議（IP）支持，以實現雲端連接。由於Wi-Fi HaLow是802.11 Wi-Fi標準，因此它提供本地TCP/IP支持。這種內建的IP功能，意味著物聯網連接不需要專有閘道器或橋接器。所有連接到具有Wi-Fi HaLow功能的路由器的客戶端設備，可以使用IPv4/IPv6傳輸協議，直接連結網際網路，以獲得基於雲端的服務和物聯網數據的管理。

HaLow效應：延伸範圍，拓展物聯網的可能性

傳統Wi-Fi的網路擁塞、範圍限制和較高的功耗，以及可連接到單個AP的設備數量有限，在當今物聯網設備的世界中已不再可行。這些限制阻礙了各行業出現的以物聯網為中心的新商業模式，這些模式需要更遠的距離、更大的容量、更靈活的電池和電源選項，同時最大限度地降低部署成本。

作為一種遠端協議，Wi-Fi HaLow支持那些2.4GHz和5GHz Wi-Fi無法達到的室內外物聯網應用，例如遠端監控鏡頭、門禁網路甚至無人機。其他潛在的使用案例包括大型公共場所，如體育場館、購物中心和會議中心，在這些場所，單個Wi-Fi HaLow接入點可以替代大量的接入點，無需複雜的網狀網路，簡化了安裝，降低了總持有成本。

工業物聯網、過程控制感測器、大樓自動化、倉庫和零售店等眾多應用，也將受益於這種遠端、低功耗協議，讓無數設備能夠在日益自動化的世界中保持連接。事實上，Wi-Fi-HaLow在傳統的802.11協議中因其覆蓋範圍、能效、容量和多功能性而脫穎而出。

附圖：▲Wi-Fi 4/5/6與Wi-Fi HaLow的比較
▲ 傳統的Wi-Fi 4/5/6協議，使用更高的頻率和更寬的頻寬來最大化吞吐量。
▲ 比較802.11n/ac（左）和802.11ah（右）的吞吐量與範圍。（資料來源：Sensors期刊（Basel ）。2016年11月，IEEE 802.11ah：一種應對物聯網挑戰的技術，作者：Victor Baños-Gonzalez, M. Shahwaiz Afaqui, Elena Lopez-Aguilera, and Eduard Garcia-Villegas）

資料來源：https://www.techbang.com/posts/87835-wifi-halow-iot?fbclid=IwAR1P3nR4iV8V3ZhhOO4zX7GZ_9Tz4v5MBzLlCX3aXYbnOCVqPYi58LPFrmQ

善待做工的人！泛亞工程用智慧科技提升勞動安全

作者：高宜凡
攝影：池孟諭
日期：2021-01-25

公共電視改編作家林立青暢銷書的優質台劇《做工的人》，去年讓許多觀眾注意到營造業勞工的辛酸。事實上，儘管台灣房地產市場交易熱絡，這一行卻始終無法擺脫勞力密集和高風險的刻板印象，工傷頻繁和人力短缺的新聞更未間斷。如何改善呢？泛亞工程的「智慧工地」科技專案，做了一次有趣嘗試。

這幾年，跟營造業有關的新聞，大概不脫缺工、勞工受傷等範疇。雖然公視劇作《做工的人》引起收視熱潮，但家長應該還是不想讓孩子投入這一行，因為風險太高了。

不過，甫獲2021年智慧城市創新應用獎肯定的「智慧工地/嘉義C602標勞安智慧管理系統」，卻用智慧科技提高從業人員的安全，並在565天的施工時間裡，成功締造「零工傷」的完美記錄！

用科技守護勞安，創565天「零工傷」記錄

上述方案的規劃者，是成立逾半世紀的老字號公司「泛亞工程」，多年來參與過石門水庫、高屏溪河川工程、多條高速公路和捷運等重大工程，業務版圖還擴及海外市場。

為減少勞工發生意外事故，泛亞工程運用BIM（建築資訊模型）和RFID技術，並結合AI人工智慧及IoT物聯網，自行開發出一套智慧工地安全預警系統。並以鐵道局的C602標嘉義市博愛陸橋改建及排水臨時軌鋼橋工程，作為第一處使用場地，在長達565天的施工期間，從未發生一件工傷事故。

事實上，這項工程並非簡單任務。

負責現場指揮的泛亞嘉義施工所主任詹益京分析，由於施工區域緊臨台鐵縱貫線，每天有多達176班火車經過，還要維持道路（省道台一線）運行，而且仔細探勘後還發現，高壓電纜離橋梁底緣太近，只有47~56公分的間隔，不僅施工空間侷限多，周圍還有不少風險因子，相當需要科技來協助掌控。

在舊有橋梁圖資不全的狀況下，公司透過LiDAR（光學雷達掃描儀）和BIM，完整建置現場的地理空間資訊，再以AI智能偵察危害因子，如掉落物體、機具侵入、車輛經過等，甚至建置虛擬的「電子圍籬」，一旦人員跨越虛擬牆的界線，系統便會即時推播警示，連未戴安全帽，也會立刻推播訊息給主管。

「這樣就不用一天到晚派人在那邊看，不但提高安全，也節省人力成本，」泛亞工程總工程師周學瓏表示。

此外，工地旁還架設微型氣象站，蒐集各種環境及氣候資訊，一旦溫度過高，便會按照勞動部職安署公告的「熱危害」等級，用即時廣播提醒勞工注意。

「把安全做好，是企業的天職！」兩年前接下泛亞總經理一職的張子文，為貫徹工安決心，不僅擔任營造業北區職業安全衛生促進會會長，還擴編公司裡的環安衛單位和資訊中心，希望用科技的力量來提升工安。

戶外環境干擾多！不斷嘗試才提高辨識率

綜觀今年的智慧城市創新應用獎，泛亞是少數以智慧安全為主題的得獎案例。

泛亞工程BIM中心經理陳哲仲觀察，過去同業多把智慧科技運用在特定需求，如人員管制、防止墜落，還沒有像泛亞這樣的全盤規劃。

不過，實際執行的過程裡，困難可沒少過。

比方，目前坊間號稱辨識度破9成的人工智慧CCTV影像方案，多是應用在廠房、賣場、或光源充足的室內空間。

可是，營造業的工作環境幾乎都在戶外，必須面臨光影變化、颳風下雨、周遭物體阻擋等一堆干擾，常使系統無法精準判別、甚至發出誤判。一開始只要有工人脫帽、想擦個汗，就常出現假警報，「前後大概花了半年，請廠商不斷改演算法，餵了上萬張照片，才把辨識度提升到80％以上，」陳哲仲回想。

再來，市面上的智慧方案百百種，如何選擇也是問題，況且還要符合實際需求和成本考量。

光是感測元件的選擇，泛亞就評估過藍芽、BEACON、LoRA等多種技術，來回測試多次後，才選定兼具經濟性和傳輸效率的UHF RFID（超高頻無線射頻辨識）。

最難得的是，這些智慧系統既非業主要求、更非投標必要條件，而是泛亞主動砸下近500萬自行開發的。不僅嘉義施工完畢後取得專利，之後更打算推廣到公司其他工程使用。

即將動工的高雄興達電廠專案，泛亞還打算以MR技術（Mixed Reality，虛擬混合實境）輔助挖掘，用透地雷達探測地下管線分佈狀況，再用BIM建立完整的地底空間模型。

為何需要這樣的科技投資？

張子文解釋，國內房地產行業近年看似熱絡，但業者卻面臨長期缺工、建造需求日趨複雜、人員高齡化和技術斷層等挑戰，早就需要導入科技來改善。「這方面我們也才剛起步，如果大家願意來討教、分享，泛亞不會藏私！」

的確，唯有提高工作安全和建設品質，台灣營造業才能擺脫高風險和勞力密集等刻板印象，讓「做工的人」不再是負面標籤。

附圖：善待做工的人！泛亞工程用智慧科技提升勞動安全 泛亞工程以「智慧工地」一案拿下2021年智慧城市創新應用獎。（左二為總經理張子文）
《做工的人》不僅引發收視熱潮，也讓大眾關注營造業勞工的困境。（圖片取自公共電視臉書）圖／《做工的人》不僅引發收視熱潮，也讓大眾關注營造業勞工的困境。（圖片取自公共電視臉書）
智慧工地涵蓋：人員管制、災害預警、電子圍籬、環境監測等諸多功能。（資料來源：泛亞工程）圖／智慧工地涵蓋：人員管制、災害預警、電子圍籬、環境監測等諸多功能。（資料來源：泛亞工程）
工地戶外環境的影像辨識干擾因子極多。（資料來源：泛亞工程）圖／工地戶外環境的影像辨識干擾因子極多。（資料來源：泛亞工程）
營建業長年面臨缺工及人力斷層，有賴智慧科技協助改善。（圖片提供：泛亞工程）圖／營建業長年面臨缺工及人力斷層，有賴智慧科技協助改善。（圖片提供：泛亞工程）

資料來源：https://city.gvm.com.tw/article/77296