初步了解IEEE 802.11ah：低于1GHz的WiFi

作者: Kevin Qian,Mingyan Wang

IEEE 802.11工作组正在定义称为802.11ah的新标准。该标准工作在不到1GHz的免许可频段，可提供长得多的传输距离，也可以用于大规模传感器网络，具有适合数百万物联网(IoT)或机器到机器(M2M)设备连接的低功耗特性。802.11ah以降低了时钟速率的802.11ac标准为基础，在PHY和MAC层中增加了一些增强功能，比如节能、大数量站点支持、更好的覆盖和移动接收等。这个标准目前还处于草案阶段，最终版本有望在2016年发布。WiFi联盟也已经开始定义基于802.11ah的认证程序。

IEEE 802.11无线局域网(WLAN)主要工作在2.4GHz和5GHz频段。然而，这些高频频段限制了802.11n和802.11ac的传输范围，使得它们不适合室外环境使用。本文介绍了802.11ah的基本原理以及一些测试挑战。

用例

一般来说,802.11ah有三种用例种类：传感器网络，用于传感器和计量数据的回传网络，Wi-Fi扩展范围网络。大覆盖范围、低功耗、原生IP支持以及大数量设备支持是802.11ah的主要优点。它的特性包括：

1.802.11ah可以通过1MHz和2MHz强制模式扩展覆盖范围；

2.802.11ah PHY和MAC层实现了一些性能增强，可以使大规模传感器网络实现超低功耗和很多年的电池寿命，并针对短的数据包长度和长睡眠时间做了优化；

3.802.11ah传感器原生支持IP；

4.通过层次化标识结构，一个接入点(AP)可以关联的设备数量多达8191个。

图1显示了未来智慧家庭中的一个传感器网络例子。在这个应用中，采用802.11ah技术的接入点(AP)放在室内。诸如温度传感器、光线传感器和智能电表等大量设备遍布在整个房屋内，使得家用设备和电器变得“智能化”。


图1：在智能家庭环境中，802.11ah的覆盖范围要超过802.11ac。

第二个用例是用于传感器和计量数据的回传网络。回传网络提供了传感器和数据收集设备之间的连接。IEEE 802.15.4g为较低速传感器提供链路，802.11ah则提供无线回传链路，将传感器产生的汇聚数据转发至数据中心。图2描述了一种无线回传网络，其中802.11ah AP和网关收集来自传感器设备的数据然后转发给数据中心。


图2：802.11ah可以提供对回传网络的访问。

作为一种扩展覆盖范围的WiFi，802.11ah可以用在家庭、校园、体育馆、大型商场和其它地方。与工作在2.4GHz和5GHz的传统WLAN技术相比，802.11ah可以提供更大的覆盖范围，可到达车库、后花园和地下室。举例来说，校园WLAN解决方案使用三波段的接入点(2.4GHz/5GHz/900MHz)，因此可以在校园任何地方提供无线接入。办公室和教室用802.11ac覆盖，室外区域用802.11ah AP，为大楼、停车场和体育场之间的空旷场地提供扩展覆盖范围。借助802.11ah扩展覆盖范围性能还有助于蜂窝业务的卸载。802.11ah接入点支持更宽的覆盖区域和更多数量的学生。

信道分配

图3显示了802.11ah的全球信道分配情况。从图中可以看到，许多国家为802.11ah指定了频谱，还规定了支持802.11ah所需的最大带宽。通过信道绑定获得的最大信道带宽根据具体的国家法规而有所不同。


图3：IEEE 802.11ah全球信道分配情况。

美国分配的是902MHz至928MHz频段，最大带宽是16MHz；中国为802.11ah分配了从755MHz至787MHz总共32MHz的带宽，最大带宽是8MHz；韩国分配的是917.5MHz至923.5MHz频段，最大带宽是4MHz；日本分配的频段是从916.5MHz至927.5MHz总共11个1MHz信道；新加坡有两个频段，分别是866MHz至869MHz和920MHz至925MHz，总共8MHz，最大带宽是4MHz。

物理层

IEEE 802.11ah主要是在IEEE 802.11ac物理层时钟降频10倍的基础上工作。802.11ah将带宽定义为2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。同时出于进一步扩展覆盖范围的目的额外定义了一个1MHz信道。1MHz和2MHz的支持是强制性的。物理层可以被分成两大类，一类是超过或等于2MHz带宽的传输模式，另一类是1MHz传输模式。对第一类而言，可以被认为是802.11ac时钟降频10倍。因为FFT大小也与802.11ac相同，因此子载波间隔是31.25kHz，只有802.11ac子载波间隔312.25kHz的十分之一。802.11ah正交频分复用(OFDM)符号周期是802.11ac的10倍，保护间隔也是802.11ac的10倍，可以是4s、8s或16s，因此802.11ah可以满足长达1km的覆盖范围目标。对于1MHz传输模式来说，它同样使用31.25kHz的子载波间隔，因此FFT大小是32。

1MHz信道的目标是进一步扩展传输距离。802.11ah针对长距离传输增加了新的调制编码机制(MCS10)。这种MCS10与MCS0一样使用一半的编码速率，但重复两次，因此扩大了传输距离。在802.11ac中定义了固定的导频图案，但802.11ah增加了新的导频图案，称之为旅行导频。旅行导频可以更好地减轻多普勒效应，从而为移动接收提供更好的支持。

在传输模式方面，802.11ah支持正常S1G的短帧或长帧模式以及S1G_DUP_1MHz和S1G_DUP_2MHz重复模式。在S1G_DUP_1MHz模式下，802.11ah将在所有占用带宽中重复S1G 1MHz，因此对4MHz带宽来说，它将在所有4个1MHz信道中重复S1G 1MHz信号。802.11ah还支持多用户MIMO，但MIMO流最多只能有4个。它还可选支持802.11ac的波束成型。

表1显示了802.11ac和802.11ah之间的详细比较。

表1：802.11ah和802.11ac物理层比较。