物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)徹底改變了我們?cè)跀?shù)字世界的連接和互動(dòng)方式，根據(jù)IoT Analytics的數(shù)據(jù)，到2024年底，全球的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量可能達(dá)到188億臺(tái)，比2023年增長(zhǎng)13%。在現(xiàn)實(shí)世界中，物聯(lián)網(wǎng)正在深刻地改變著各個(gè)行業(yè)，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）則處于這一變化的前沿。

推動(dòng)IIoT成功的一個(gè)關(guān)鍵因素就是連接性。隨著越來(lái)越多的設(shè)備被添加到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)高效、可靠和可擴(kuò)展通信的需求變得至關(guān)重要。Wi-Fi HaLow（802.11ah）是一項(xiàng)新興技術(shù)，它的出現(xiàn)有望解決與IIoT連接相關(guān)的諸多挑戰(zhàn)。

而工業(yè)5.0背后的理念，則在于成功的工業(yè)運(yùn)營(yíng)不僅需要提高生產(chǎn)力和效率。它的三大支柱——以人為本的設(shè)計(jì)、可持續(xù)發(fā)展和韌性，正是企業(yè)提升敏捷性、增強(qiáng)適應(yīng)變革能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。踐行這些方面，將帶來(lái)顯著效益，包括滿(mǎn)足員工技能培訓(xùn)需求、吸引更優(yōu)秀的人才、通過(guò)更高效利用自然資源助力應(yīng)對(duì)氣候變化，以及重構(gòu)供應(yīng)鏈與能源消耗模式，增強(qiáng)各行各業(yè)抵御外部沖擊的能力。

本文將從運(yùn)營(yíng)技術(shù) (OT) 而非信息技術(shù) (IT) 的視角，探討韌性在工業(yè)5.0中的重要性，研究抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的防護(hù)與韌性機(jī)制。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)

圖（圖片由AI生成）

連接技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，它的選擇在一定程度上決定了項(xiàng)目的成功、成本和性能。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等短距離無(wú)線通信技術(shù)；另一類(lèi)是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，其通信覆蓋范圍較大。

LPWAN又分為兩類(lèi)：一類(lèi)是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)，另一類(lèi)是工作在授權(quán)頻譜下由3GPP支持的4G/5G蜂窩通信技術(shù)，比如LTE-M、NB-IoT等。不同的無(wú)線通信技術(shù)在組網(wǎng)、功耗、通信距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場(chǎng)景。

1、短距無(wú)線技術(shù)

短距無(wú)線通信技術(shù)的傳輸范圍在幾十米或幾百米以?xún)?nèi)，常見(jiàn)的有藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee、UWB、NFC和RFID等。

在物聯(lián)網(wǎng)短距無(wú)線通信中，Wi-Fi約占連接總數(shù)的31%。由于許多建筑物已經(jīng)配備了WiFi，因此它非常適合智能家居、安全攝像頭和集成跟蹤解決方案等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，目前正主導(dǎo)著家庭和公共場(chǎng)所的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

在消費(fèi)領(lǐng)域，低功耗藍(lán)牙（BLE）顯示出明顯的主導(dǎo)地位。出于成本考慮，BLE是短距定位服務(wù)的首選，這一點(diǎn)在市場(chǎng)上也得到了驗(yàn)證，2024年，藍(lán)牙定位服務(wù)設(shè)備的出貨量達(dá)到2.55億美元，隨著B(niǎo)LE被納入Matter標(biāo)準(zhǔn)，我們將看到更多的智能家居應(yīng)用出現(xiàn)。

Zigbee是智能家居中另一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵參與者，目前它更多地用于工業(yè)自動(dòng)化和智能家居應(yīng)用，Zigbee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展連接距離，支持更多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

UWB技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是厘米級(jí)的精確定位，其應(yīng)用尚未達(dá)到前三種技術(shù)的應(yīng)用水平。

雖然傳統(tǒng)的Wi-Fi在視頻流或辦公網(wǎng)絡(luò)等高帶寬用例中大放異彩，但對(duì)于覆蓋范圍和能效至關(guān)重要的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)它并不是理想的選擇。短距無(wú)線市場(chǎng)涌入的一個(gè)新生力量——Wi-Fi HaLow（802.11ah）彌合了這一差距。與傳統(tǒng)的Wi-Fi（2.4/5 GHz）相比，Wi-Fi HaLow針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)限制進(jìn)行了優(yōu)化，可提供更長(zhǎng)的傳輸距離和更低的功耗，非常適合電池供電或廣泛分布的工業(yè)應(yīng)用。

2、遠(yuǎn)程無(wú)線技術(shù)

對(duì)于遠(yuǎn)程無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，LoRa和LoRaWAN在許多物聯(lián)網(wǎng)部署中處于前沿地位。它們以極低的功耗提供令人印象深刻的覆蓋范圍。

當(dāng)設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間使用電池供電，并且可以容忍數(shù)據(jù)傳輸中的一些延遲時(shí)，LoRaWAN是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。該技術(shù)在動(dòng)物跟蹤、車(chē)輛跟蹤、停車(chē)管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)傳感和公用事業(yè)計(jì)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

Sigfox的設(shè)計(jì)旨在降低設(shè)備成本和復(fù)雜性，但犧牲了數(shù)據(jù)傳輸速率。雖然Sigfox和LoRaWAN有時(shí)可以用于類(lèi)似的目的，但如果需要專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)或雙向通信，應(yīng)該選擇LoRaWAN。

NB-IoT和LTE-M的主要優(yōu)勢(shì)是它們可以使用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，這些技術(shù)可與LoRaWAN和Sigfox應(yīng)用程序重疊使用。

Wi-Fi HaLow：低功耗、長(zhǎng)距離IIoT應(yīng)用優(yōu)選技術(shù)

Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11ah）是Wi-Fi家族的Sub-GHz擴(kuò)展，它在1 GHz以下頻段（美國(guó)通常為902-928 MHz，歐洲為863-868 MHz）運(yùn)行，這些頻段以更長(zhǎng)的傳播時(shí)間、更好的墻壁穿透力和減少工業(yè)環(huán)境中的干擾而聞名。

Wi-Fi HaLow支持長(zhǎng)達(dá)1,000米的傳輸范圍，實(shí)際的測(cè)試顯示，其數(shù)據(jù)傳輸距離為3,000米，高清視頻傳輸距離可達(dá)600米。此外，Wi-Fi HaLow提供從150kbps到15Mbps的數(shù)據(jù)速率，支持更苛刻的應(yīng)用程序，如視頻和固件更新。

與傳統(tǒng)的Wi-Fi AP相比，Wi-Fi HaLow支持每個(gè)接入點(diǎn)（AP）連接的設(shè)備數(shù)量大幅增加。現(xiàn)在，Wi-Fi HaLow的每個(gè)接入點(diǎn)可支持多達(dá)8,191臺(tái)設(shè)備，非常適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中有設(shè)備密集部署的需求。在一個(gè)大型工業(yè)設(shè)施中，一個(gè)Wi-Fi HaLow接入點(diǎn)可以連接到數(shù)千個(gè)傳感器，用于監(jiān)測(cè)整個(gè)工廠的機(jī)械健康、環(huán)境條件和資產(chǎn)位置。

在功耗方面， Wi-Fi HaLow是專(zhuān)為超低功耗而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備極其友好。

作為傳統(tǒng)Wi-Fi技術(shù)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，Wi-Fi HaLow可提供獨(dú)特的安全、遠(yuǎn)距離、低功耗和高度優(yōu)化的無(wú)線連接組合，極大地提升了工廠自動(dòng)化的管理效率，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）領(lǐng)域的過(guò)程監(jiān)控和控制、資產(chǎn)跟蹤以及工廠預(yù)測(cè)性維護(hù)的優(yōu)選無(wú)線連接方案。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用中，Wi-Fi HaLow可以實(shí)現(xiàn)：通過(guò)振動(dòng)和溫度傳感器進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)、金屬密集環(huán)境中的移動(dòng)機(jī)器人通信、泵/壓縮機(jī)和輸送機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及分布式PLC的無(wú)線連接。

得益于Sub-GHz的傳輸特性，Wi-Fi HaLow的優(yōu)勢(shì)在重型鋼結(jié)構(gòu)和地下隧道中更是得到了充分的發(fā)揮，其性能優(yōu)于2.4GHz或5GHz Wi-Fi方案。Wi-Fi HaLow技術(shù)雖然面世較晚，但在2024年市場(chǎng)上已經(jīng)成功部署了數(shù)百萬(wàn)臺(tái)設(shè)備，預(yù)計(jì)到2029年將超過(guò)1億臺(tái)。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于Wi-Fi HaLow使用與傳統(tǒng)Wi-Fi不同的物理層（PHY）和MAC層設(shè)計(jì)，因此，現(xiàn)有的Wi-Fi路由器和設(shè)備，例如智能手機(jī)、專(zhuān)為2.4/5 GHz Wi-Fi設(shè)計(jì)的筆記本電腦與Wi-Fi HaLow是不兼容的，需要專(zhuān)門(mén)的芯片組和專(zhuān)用硬件作為橋接。

于2016年獲得批準(zhǔn)的Wi-Fi HaLow標(biāo)準(zhǔn)，近年來(lái)硬件的成熟度有所提高，商用級(jí)芯片組、模塊和開(kāi)發(fā)平臺(tái)的可用性越來(lái)越高。硬件供應(yīng)商Morse Micro公司推出的業(yè)界首款Wi-Fi 4和HaLow認(rèn)證網(wǎng)關(guān)，現(xiàn)已在Mouser.cn上發(fā)售。這款突破性的設(shè)備通過(guò)了FCC、IC和RCM認(rèn)證，使開(kāi)發(fā)人員、系統(tǒng)集成商和制造商能夠在單個(gè)緊湊型網(wǎng)關(guān)中利用長(zhǎng)距離、高能效 Wi-Fi HaLow與傳統(tǒng) Wi-Fi 4 (802.11n) 連接的強(qiáng)大功能。

該網(wǎng)關(guān)的核心是Morse Micro的Wi-Fi CERTIFIED HaLow MM6108 SoC芯片。MM6108 SoC包括根據(jù)IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的無(wú)線電、物理層和MAC功能，可提供擴(kuò)展范圍和低功耗無(wú)線通信，同時(shí)采用聯(lián)發(fā)科MT7621A雙核CPU和MT7603E 2×2 Wi-Fi 4解決方案，可與傳統(tǒng)Wi-Fi設(shè)備無(wú)縫集成。該設(shè)備在40MHz帶寬下的 Wi-Fi 4 速度高達(dá)300Mbps，在 8MHz帶寬下的 Wi-Fi HaLow 速度高達(dá) 32Mbps，可確保在廣闊的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的連接。

圖：Wi-Fi CERTIFIED HaLow MM6108 SoC系統(tǒng)框圖（圖源：Morse Micro）

結(jié)語(yǔ)

Wi-Fi HaLow是第一個(gè)為滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)（IoT）需求而量身定制的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。這是一種在850-950MHz范圍內(nèi)運(yùn)行的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)在Sub-GHz范圍內(nèi)運(yùn)行，這種超低功耗無(wú)線協(xié)議可以在比傳統(tǒng)Wi-Fi更遠(yuǎn)的距離和更低的功耗下連接更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

然而，Wi-Fi HaLow并不是為取代傳統(tǒng)的Wi-Fi（如Wi-Fi 6/7）或所有其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而設(shè)計(jì)的，我們可以把它看作是一種補(bǔ)充技術(shù)。傳統(tǒng)Wi-Fi的優(yōu)勢(shì)是在較短的范圍內(nèi)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——如LoRaWAN、NB-IoT、Zigbee和BLE——在特定用例中均有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，一些應(yīng)用需要比LPWAN更大的數(shù)據(jù)吞吐量，但仍需要有良好的能效和覆蓋范圍。作為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的IP骨干，Wi-Fi HaLow填補(bǔ)了無(wú)線連接堆棧中的一個(gè)關(guān)鍵空白，它是針對(duì)中遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一種優(yōu)化的解決方案。

當(dāng)我們?cè)谝粋€(gè)新的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中使用Wi-Fi HaLow連接整個(gè)工廠的傳感器時(shí)，該方案比傳統(tǒng)的Wi-Fi或其他短據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更能平衡傳感器數(shù)據(jù)的范圍、吞吐量和能效。無(wú)論是在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、智能建筑還是市政基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，Wi-Fi HaLow正在成為下一波智能物聯(lián)網(wǎng)部署的有力競(jìng)爭(zhēng)者。