Wi-Fi 在低功耗物联网设备中的未来

Wi-Fi 是当前应用最广泛的无线通信标准，但其直至近期才成为物联网应用的可行通信方案。随着 Wi-Fi 4 技术问世，该标准实现成本与功耗优化，局面就此改变。如今，凭借性能与功耗的进一步优化，Wi-Fi 6 技术的普及应用速度持续加快。

全球每年新增部署 Wi-Fi 设备约 8 亿台，其中四分之一为电池供电设备。随着越来越多依赖低功耗、低成本和小尺寸的设备问世，同时需具备云端联网能力，Wi-Fi 开发人员需要专用开发工具，使其能够专注于产品本身，而不是无线设计。

在本白皮书中，我们将探讨 Wi-Fi 如何成为物联网设备的可行选择，以及开发人员如何快速将低功耗和高性能设计推向市场。

无线连接技术简介

物联网设备采用的无线通信协议种类繁多，包括 Wi-Fi、传统蓝牙、蓝牙低功耗 (LE)、Zigbee、Thread 以及蜂窝移动通信协议。特定设备对无线通信协议的选择取决于应用、尺寸、成本、功耗以及其他几项因素。例如蓝牙低功耗，适合短距离、低吞吐量通信场景，其功耗低，且相较部分其他协议成本更低。

在上述所有协议中，Wi-Fi 普及度最高。Wi-Fi 主要用于将各类物联网设备连接到互联网，可复用现有网络基础设施，年度部署量增长迅猛：

• 每年新增 30-40 亿台（智能手机等）
• 8 亿台为物联网终端设备
• 2 亿台为电池供电设备（需采用低功耗方案）

Wi-Fi 解决方案在能效提升、成本缩减方面的显著突破推动了该增长趋势。目前 Wi-Fi 4 已大规模商用部署，而 Wi-Fi 6 将进一步推动物联网产品普及。

下图简要展示各类通信协议及其适用应用场景。X 轴代表协议有效通信距离，Y 轴代表协议可实现的应用吞吐量。坐标轴均为对数刻度，其中 X 轴通信距离上限超过 1,000 米，Y 轴吞吐量上限超过 1 Gbps。如图所示，近场通信 (NFC) 位于图表左下角，其传输速率最低、通信距离最短，十分适配非接触支付等场景。5G 位于图表右上角，具备最远通信距离和最高吞吐量。

5G 与 NFC 之间分布着大量中端通信协议。例如，传统蓝牙主要用于音频传输场景；蓝牙低功耗与 Zigbee 协议由于数据吞吐量偏低、中低通信距离等，多用于传感器数据传输与设备控制场景。图表右侧为蜂窝网络，可实现广域联网，涵盖低功耗广域网 (LPWA) 等一系列通信技术。这给 5G 提供了低吞吐量，而 5G 本身却又能提供非常高的吞吐量。蜂窝网络通常作为移动物联网设备的互联网骨干通信方案。

Wi-Fi 处于各协议性能区间中段，可根据应用需求提供中到高吞吐量。同时 Wi-Fi 也是目前全球应用最广泛的无线通信标准。然而直到几年前，受限于较高的成本与功耗，Wi-Fi 还不是物联网设备的首选通信协议。随着功耗与成本优化，802.11n（即 Wi-Fi 4）现已成为物联网设备的主流通信协议。全球每年新增部署的 30-40 亿台 Wi-Fi 设备中，有 8 亿台为物联网设备。其中 2 亿台为电池供电设备。Wi-Fi 6 技术预计将进一步推动该增长态势。

低功耗物联网设备的技术需求

如前文所述，尽管 Wi-Fi 是全球普及度最高的无线技术，但其最初并非为物联网设计，而是面向个人电脑、手机等高功耗、高吞吐量应用场景。面向物联网应用场景定制的 Wi-Fi 方案，一般需满足以下要求：

• 传感器、智能锁等电池供电物联网设备需要低功耗特性，传统 Wi-Fi 方案无法适配此类应用场景。
• 简化物联网产品开发流程至关重要。因此，优质无线方案需集成无线协议栈与网络协议栈。
• 实现与主流云提供商的完整云端联网能力是一项关键要求。
• 针对涉及用户个人信息安全的物联网应用场景，必须具备抵御网络攻击与物理攻击的安全防护能力。
• 成本和尺寸也是物联网产品的关键因素，且需求随应用场景变化。
• 网络边缘侧人工智能 (AI) 与机器学习 (ML) 技术的重要性日益提升。将 AI/ML 算法贴近物联网设备部署，可以降低延迟和吞吐量。

智能家居场景下物联网产品的其他部署要求如下表所示：

智能家居物联网设备技术要求

下表列出特定物联网产品类型的更具体要求：

功耗视角下的 Wi-Fi 运行

基于不同 IEEE 标准，衍生出多种 Wi-Fi 技术版本。此类技术主要工作于 2.4 GHz 与 5 GHz 频段，采用多种调制方式。根据天线配置与调制方式不同，最大数据传输速率从个位数 Mbps 至数百 Mbps 不等。开发人员若要掌握功耗与系统能效优化的最佳方案，首先需要了解各类 Wi-Fi 技术，以及部分技术为何更适配功耗受限设备。
 

下表列举主流 Wi-Fi 技术版本：

在为物联网应用选择 Wi-Fi 标准时，需重点考量以下要点：

• 802.11 b/g/n 是物联网设备应用最广泛的 Wi-Fi 标准，可满足绝大多数物联网场景的功耗、通信距离、吞吐量需求。该系列协议工作于 2.4 GHz 频段，该频段覆盖广泛、部署普及，通用性强，十分适配物联网应用。
• 5 GHz 频段吞吐量高，但通信距离更短；若要达到与 2.4 GHz 相同的传输距离，需要更高的发射功率。
• MIMO 技术可提升吞吐量与传输距离，但会增加功耗与物料成本。802.11ax 是新一代标准，在高密度组网方面优势显著，适配物联网应用。目前市面大部分接入点暂未支持该协议，物联网设备暂无法使用其特性；但相关支持正在逐步完善，未来将广泛应用于物联网领域，预计数年内实现大规模部署。

传统 Wi-Fi 与物联网专用 Wi-Fi 的区别

在家里，我们习惯于使用台式机、笔记本电脑、平板电脑和智能手机，它们通过家用 Wi-Fi 路由器连接网络服务商实现上网。这些设备所用的 Wi-Fi 方案优先侧重高吞吐量、低延迟，主要用于流媒体、视频会议等高吞吐量应用。这类方案资源占用高、功耗大、需多天线设计，与注重小型化、高能效、可靠通信的常规物联网设备需求不匹配。

但我们也在家中引入了越来越多的物联网产品，包括智能锁、传感器、智能灯具、恒温器、智能开关等。

这类设备多为电池供电嵌入式设备，要求超低功耗，普遍采用蓝牙低功耗、Zigbee、Z-Wave 协议。此类设备具备低功耗、低吞吐量特性，但原生不支持 IP 联网，无法直接接入互联网实现云端或远程访问。因此需要额外部署中枢或网关设备，完成蓝牙/Zigbee/Z-Wave 协议与 Wi-Fi 协议之间的转换，再经由家用路由器接入云端。额外的网关设备会提升家庭物联网部署成本，增加组网复杂度。这也说明，上述协议虽凭借低功耗特性适配物联网场景，但并非云端直连的理想方案。

物联网场景下的 Wi-Fi 应用

物联网 Wi-Fi 设备采用标准 Wi-Fi 协议，可直接连接家用无线路由器，实现便捷的云端联网。此类设备支持中低吞吐量，并具备超低功耗特性，能够缩小其他无线协议与传统 Wi-Fi 之间的功耗差距，同时依托 Wi-Fi 技术实现更远的通信距离。此外，设备采用 Wi-Fi 无线技术，无需额外部署中枢或网关，无额外硬件成本。部分设备支持 Wi-Fi + 蓝牙等多协议并发运行，可便捷完成物联网设备的家用路由器配网。该类设备基于标准 Wi-Fi 协议开发，可兼容 Wi-Fi 联盟后续发布的全新标准；同时兼具超低功耗、低资源占用、高安全性、长通信距离、低成本等优势，是物联网设备开发的理想方案。必须指出的是，电池续航极其重要，因为用户不应该频繁更换此类设备的电池。

无线传感器等部分物联网应用场景对成本与设备体积要求严苛。物联网设备数量与日俱增，导致 RF 频谱资源愈发拥挤。

我们拥有业界功耗最低的 Wi-Fi 解决方案，已广泛部署于家居、工业及商业应用场景。这些解决方案以高性价比形态，满足上文提及的全部物联网应用需求。物联网设备的互操作性至关重要，设备间需要相互通信以实现各类特定功能。例如，智能手机可能需要与智能灯具通信，或者温度传感器需要与空调或采暖设备通信。

物联网设备需要在频谱拥挤的环境中保持稳定连接，同时严格控制功耗与计算资源占用。对开发人员而言，方案易用性同样关键；现代无线解决方案需要集成完整无线协议栈与网络协议栈，并实现与主流云平台的全链路云端联网。

随着黑客针对物联网设备的攻击愈发频繁，设备安全防护的重要性持续提升。例如，在最近的一起事件中，黑客入侵了一家酒店的温控系统并索要修复赎金。

应用于智能锁时，需杜绝不法人员通过破解门锁非法进入住宅或办公场所。因此，设备需要具备极高等级的安全防护能力。

综合以上各项需求，传统 Wi-Fi 与物联网专用 Wi-Fi 的应用需求完全相反，通用化统一方案无法兼顾二者。物联网专用 Wi-Fi 需要专属技术方案，这正是 Silicon Labs 的技术优势所在。各类设备采用多种不同无线协议，协议间难以实现互联互通。

在针对物联网应用设计 Wi-Fi 方案时需兼顾该问题，结合产品其他需求，实现与蓝牙低功耗、传统蓝牙等其他无线技术的协议共存。

下文以智能家居为例，说明传统 Wi-Fi 设备与物联网 Wi-Fi 设备的应用差异。下图展示传统设备，以及智能锁、安防摄像头、开关、智能灯具等物联网 Wi-Fi 设备。图中的物联网设备可根据应用需求，单独或混合使用 Wi-Fi 及其他无线协议。以智能恒温器为例，该设备用于控制空调和采暖设备。它使用 Wi-Fi 连接到家庭路由器，路由器又为其提供与本地设备（如智能手机）的连接，以及用于远程监控和控制恒温器的云连接。在常规运行期间，此类设备的 Wi-Fi 吞吐量要求非常有限，因为它提供的通信仅用于设备的监控和控制。

但是，在对此类设备进行固件升级时，情况就不同了，因为此时的吞吐量要求要高得多。此时 Wi-Fi 技术优势凸显，可灵活适配吞吐量与数据传输速率，满足临时高速传输需求。

大多数物联网设备采用 2.4 GHz Wi-Fi，该频段方案成本更低、功耗更小、家庭普及度更高，且通信距离优于 5 GHz 方案。但 2.4 GHz 频段频谱日益拥挤，该频段 Wi-Fi 信道数量有限，同时传统蓝牙、蓝牙低功耗、Zigbee 等诸多协议均在此频段工作。此时 Wi-Fi 6 的价值得以体现。

Wi-Fi 6 面向物联网设备的技术优势 

如今的大多数物联网设备使用 Wi-Fi 4，而大多数传统 Wi-Fi 设备使用 Wi-Fi 4 或 Wi-Fi 5。Wi-Fi 6 于 2019 年正式发布，目前相关基础设施部署正在进行中。与 802.11n (Wi Fi 4) 相同，802.11ax (Wi-Fi 6) 可同时工作于 2.4 GHz 与 5 GHz 频段。但在介质接入机制方面，其相较 802.11n 具备多项优势，十分适配物联网设备应用。Wi-Fi 6 最大优势在于依托正交频分多址 (OFDMA)、MU-MIMO 技术，即便在 2.4 GHz 频段，也可在高密度组网环境下支持大量设备同时接入共存。物联网设备数量逐年倍增，Wi-Fi 6 可保障设备稳定运行与共存，无需切换至 5 GHz 或 6 GHz 频段；频段切换会增加物联网设备的成本和功耗，且通常会缩短通信距离。

Wi-Fi 6 新增目标唤醒时间 (TWT) 技术，设备可在指定时间唤醒并接收数据，无需周期性定时唤醒。该技术可大幅降低设备功耗，对电池供电物联网设备至关重要。此外，Wi-Fi 6 内置的波束成形与 MU-MIMO 技术，可优化室内部署的设备密度和通信距离。随着物联网设备部署量大幅增长，高密度接入与远距离传输需求愈发迫切，该优势显得尤为重要。因此相较于前代 Wi-Fi 技术，Wi-Fi 6 连接稳定性更强，更适配物联网应用。

Wi-Fi 6 (802.11ax) 向后兼容 Wi-Fi 4 (802.11n)。目前全球已大规模部署各类 Wi-Fi 4 设备（接入点、电脑、移动设备、物联网设备），协议兼容可保障设备升级至 Wi-Fi 6 后兼容性不受明显影响。

优化 Wi-Fi 物联网应用中的睡眠模式功耗

许多物联网设备绝大部分时间处于空闲状态，无数据收发操作。Wi-Fi 标准内置多种机制，用于设备无数据收发时降低功耗：Wi-Fi 多媒体 (WMM) 节能、传输流量指示消息 (DTIM) 间隔、非调度自动节能传输 (U-APSD)。

• Wi-Fi 多媒体 (WMM) 节能：这种方法允许接入点缓冲下行帧（基于 WMM 中定义的 QoS 参数），使得客户端设备可以在数据包间隔期间进入睡眠以节省功耗。WMM 无需发送专用 PS-Poll 请求帧，任意数据帧均可触发该机制。同时该机制兼容 802.11e QoS，不同的应用类型可以使用不同的队列，因此能够容忍较高延迟的服务会让设备保持更长时间的睡眠状态。
• 传输流量指示消息 (DTIM) 间隔：商用 Wi-Fi 接入点通常每 100 毫秒发送一次信标帧。DTIM 机制使接入点可间隔若干个信标周期（定义为 DTIM 间隔）发送广播或组播数据，让客户端设备可以跨多个信标周期保持睡眠。持续侦听信标帧会消耗较大接收电流，且该接收电流通常是设备平均工作电流的主要构成，因此该节能机制效果显著。DTIM 间隔设置越长，设备节能效果越好。但该方式会增加传输延迟。
• 非调度自动节能传输 (U-APSD)：U-APSD 属于 802.11e 协议标准，客户端无数据待发送时可进入睡眠。客户端一有数据要发送到接入点，此功能就会允许它唤醒以进行发送。客户端唤醒后，还会检测是否有待接收的数据。这使得具有零星流量需求的设备能够在更长时间内保持在低功耗模式。

综合运用以上各类节能机制，设备无数据收发时可长时间处于睡眠状态，大幅降低整体功耗。需要注意的是，设备在睡眠期间仍需保存连接信息（SSID、密钥、IP 地址等）。因此该睡眠模式（又称“关联睡眠”）因需要维持内存数据，功耗略高于完全关机模式。但其睡眠电流远低于收发工作电流。例如，设备平均睡眠电流可低于 100 微安，而发射和接收模式电流为数十至数百毫安。在许多情况下，这可以使睡眠应用的平均功耗降至远低于 1 毫安，从而延长低功耗设备的电池续航。

下图为 Wi-Fi 客户端借助上述机制实现节能的原理示意图。

图示原理说明如下：

• Wi-Fi 客户端（站点）在没有数据要发送时可以进入“睡眠”状态

• 设备按照监听周期与 DTIM 周期唤醒，检测是否有待接收数据

• 它们向接入点发送“PS-POLL/NULL”以获取待接收数据

• 接收完全部数据后再次进入睡眠以此在两次数据传输间隙实现节能
  

物联网设备低功耗 Wi-Fi 解决方案的领导者

从产品设计角度而言，大多数物联网设备需要提供稳定的云端连接、优质用户体验，并尽可能缩短上市周期。因此对设计人员而言，物联网专用低功耗 Wi-Fi 是物联网设备原生联网的最优方案；Wi-Fi 协议在家居和办公场景普及度极高，同时依托协议内置的低功耗机制，可延长电池供电设备的续航，提升整体用户使用体验。设计人员应考虑将低功耗 Wi-Fi 方案与蓝牙、Zigbee、Thread、Matter、Z-Wave 等协议进行融合设计，从而打造完善的物联网设备。

Silicon Labs 的 SoC 与模块产品组合，可助力开发人员快速开发基于 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread、Z-Wave、Matter 协议的应用，并实现设备联网。我们的解决方案专门为物联网量身打造，其中 RF 性能、低功耗和快速上市时间至关重要。方案具备可扩展性，兼容各大主流物联网生态体系和新兴标准。

我们的低功耗 Wi-Fi 解决方案也旨在简化与其他协议的共存。现代设备需要跨标准完成多项业务运行，作为全方案系统提供商，我们已化解此类设计难点，开发人员可专注自身应用业务开发。Silicon Labs 投入大量研发资源，打造软硬件一体化解决方案，专项优化物联网设备功耗。凭借深厚技术积累，我们稳居物联网低功耗 Wi-Fi 4 领域领先地位，后续 Wi-Fi 6 解决方案还将实现功耗进一步优化。