《Internet of Things》：Comparison of the energy consumed by an IoT device using 802.11ah and LoRa/LoRaWAN technologies
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Sébastien Maudet | Guillaume Andrieux教授 | Jean-Fran?ois Diouris教授法国南特大学，CNRS，IETR，UMR 6164，La Roche-sur-Yon，F-85000摘要Wi-Fi HaLow是一种有前景的低功耗广域
Sébastien Maudet | Guillaume Andrieux教授 | Jean-Fran?ois Diouris教授
法国南特大学，CNRS，IETR，UMR 6164，La Roche-sur-Yon，F-85000
摘要
Wi-Fi HaLow是一种有前景的低功耗广域网（LPWAN）技术，它能够在实现长距离通信的同时将能耗降到最低。但它到底是什么样的呢？在本文中，我们将Wi-Fi HaLow协议与LoRaWAN进行了比较，后者是最常见的LPWAN解决方案之一。这是首次基于精细化的能源模型来对比这两种技术。这些模型是根据在实际条件下的设备测量数据构建的，它们考虑了不同的媒体访问机制，并模拟了网络中的传感器环境。研究结果表明，虽然LoRaWAN在传输小数据量（242字节）时更节能，但在传输大量数据时，Wi-Fi HaLow成为更优的选择，因为它提供了更高的吞吐量、更低的延迟以及更高的每比特能耗效率。这些结果表明，最佳协议的选择取决于应用需求，而Wi-Fi HaLow在吞吐量要求方面是LPWAN协议的强劲竞争者，特别是在安全需求、视频传输或设备固件更新等场景中。
引言
在物联网设备日益增多以及对可持续解决方案需求不断增长的背景下，无线通信技术的选择正成为一个战略性问题。传感器和联网节点的自主性直接决定了维护频率、基础设施的总成本以及在难以到达环境中的解决方案可行性。对于环境监测等高要求的应用场景来说，能耗尤为重要，因为设备必须在无需人工干预的情况下运行多年；而在工业资产跟踪中，设备则必须节省执行任务所需的能源。虽然一些唤醒机制和优化方案可以部分解决能耗问题[1]、[2]，但传输过程仍然是能耗的主要因素[3]。错误的协议选择可能导致设备过早故障、运营成本增加，甚至影响传输数据的可靠性。
在众多有前景的解决方案中，LoRaWAN和802.11ah（又称Wi-Fi HaLow）因其能够满足低功耗广域网（LPWAN）的要求而脱颖而出。它们可以用于类似的物联网（IoT）应用，但其性能会因使用场景的不同而有所差异。因此，本文首次对802.11ah和LoRa/LoRaWAN标准的能耗进行了实证比较，突出了各自的优缺点，以指导技术选择，从而实现能源和运营效率的最优化。文章首先评估了传统的指标，如吞吐量、延迟和通信范围，随后还基于网络中传感器数量和每次唤醒传输的数据量，分析了每比特能耗以及设备的寿命。研究结果表明，802.11ah和LoRaWAN之间的选择很大程度上取决于具体应用场景、传输的数据量以及设备所处的环境。
科学文献中多次研究了最具前景的LPWAN解决方案（NB-IoT、LoRa、SigFox和Wi-Fi HaLow）[4]。有研究比较了Sigfox、LoRa和NB-IoT[5]，指出Sigfox和LoRa在电池寿命、容量和成本方面具有优势，而NB-IoT则以其较低的延迟和更好的服务质量著称[6]。另有研究[6]评估了LoRa、Wi-Fi HaLow和NB-IoT在四个智慧城市场景下的性能，认为没有一种解决方案是通用的，其有效性取决于具体环境和传播特性[7]。还有研究[7]通过数据包丢失率、延迟和错误率等指标比较了Sigfox和LoRaWAN，发现Sigfox在传输小数据时表现优异，而LoRaWAN在处理大量数据时更合适[8]。文章[8]通过实例说明，LoRaWAN仅需一个网关（GW）即可覆盖大面积区域，而Wi-Fi HaLow则需要至少7个接入点（AP）。最后，有研究[9]指出了sub-GHz频段中共存的挑战：LoRaWAN节点的存在会显著降低IEEE 802.11ah的性能，当LoRa节点数量从10个增加到8000个时，吞吐量会下降，数据包丢失率会上升[9]。该研究还提出了一种用于评估密集型物联网网络中干扰的可重复方法[9]。
总体而言，这些比较基于协议的理论特性或模拟结果。分析显示，Sigfox和LoRa在电池寿命、容量和成本方面具有优势；NB-IoT则在延迟、服务质量和可靠性方面表现更好。至于802.11ah标准，它在连接时间、吞吐量、延迟和覆盖范围方面也有良好表现[10]，这些特点为其在下一代物联网中的应用奠定了基础，下一代物联网将需要嵌入式智能和超连接性[11]或新的架构[11]。
据我们所知，文章[12]、[13]提供了基于实际实验的Wi-Fi HaLow和LoRaWAN协议的唯一比较研究。这两项研究均表明，Wi-Fi HaLow技术在短距离通信中的信号强度和数据吞吐量方面表现优异，而LoRaWAN在长距离通信方面表现更好，但在有障碍的环境中性能不稳定[14]。文章[14]通过实际测试平台分析了这两种协议之间的干扰影响，发现LoRa中的尝试次数和数据量会影响802.11ah的通信效率。不过，这些研究主要关注覆盖范围、吞吐量和延迟，未涉及能耗问题。
本文首次深入比较了802.11ah和LoRa/LoRaWAN技术的能耗，采用了创新且严谨的方法。这项工作的创新之处在于使用了在真实环境下进行的精确能耗测量，从而提供了坚实的实证基础。这些数据被用于开发精细化的能耗模型，作为比较这两种技术的依据。最后，基于这些分析，研究提出了一个使用框架，旨在根据能耗限制和应用需求来指导技术选择。
本文的结构如下：第2节简要介绍了这两种协议，第3节对比了主要指标，第4节利用能耗模型计算了设备的寿命、能耗以及基于数据量和网络中节点数量的成功传输概率。第5节则基于这些分析提出了技术选择的方法论。
章节摘录
802.11ah和LoRa/LoRaWAN协议概述
本节介绍了LoRa/LoRaWAN和802.11ah协议，包括它们的关键组成部分、典型应用场景和主要特性，这些内容将在后续章节中用于建模和比较它们的性能。
传输特性比较
本节介绍了用于比较通信协议的一般指标，旨在为第5节的讨论提供全面依据。这些指标以及初步分析结果也在第4节中用于建模协议的操作和能耗。
能耗比较
优化物联网设备的能耗是物联网网络部署中的重大挑战。在这种情况下，必须在严格评估的基础上选择LoRaWAN或802.11ah。本节利用之前研究[21]、[28]开发的两个分析模型，评估了LoRa传感器和802.11ah传感器的能耗和寿命，以提供选择合适解决方案的客观标准。
讨论
本节详细介绍了基于特定能耗限制的LoRaWAN和802.11ah技术选择方法。为了说明其实际应用，文中分析了一个具体案例。最后，对这一主题提出了一些结论性意见。
结论与未来工作
本文对比分析了Wi-Fi HaLow（802.11ah）和LoRa/LoRaWAN协议，特别关注了能耗问题。在物联网网络中，设备的寿命直接取决于能效。在LPWAN技术中，LoRaWAN和802.11ah以其低能耗脱颖而出，但它们的性能会因部署条件和具体应用需求而有所不同。
基于理论能耗模型，本研究评估了...
CRediT作者贡献声明
Sébastien Maudet：负责撰写初稿、软件开发、方法论设计及概念框架。Guillaume Andrieux教授：负责审稿与编辑、验证工作、项目管理和资金筹措。Jean-Fran?ois Diouris教授：负责审稿与编辑、项目管理和监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
Sébastien Maudet于2005年在雷恩高等师范学院（ENS Rennes）获得电气工程博士学位，并于2024年在南特大学完成博士学业。他目前是南特大学网络与电信系的副教授，教授与数字科学相关的课程。在IETR实验室，他致力于推进数字通信、网络基础设施以及物联网嵌入式安全通信系统的研究。
