80211ah综述,80211ah频率范围

('IEEE802.11ah综述一、引言..................................................................1二、与其他类似技术的对比..................................................12.1与现行Wi-Fi标准的对比....................................................................................22.2与ZigBee和蓝牙的对比.....................................................................................3三、典型应用..............................................................43.1大面积传感器网络...............................................................................................43.2计量数据的回传网络...........................................................................................83.3Wi-Fi扩展范围网络及室外应用.........................................................................10四、技术分析.............................................................104.1PHY层...........................................................................................................104.1.1工作频带.....................................................................................................104.1.2信道划分.....................................................................................................114.1.3传输模式.....................................................................................................124.2MAC层.............................................................................................................144.2.1可接入节点的分类.......................................................................................144.2.2增加节点数量..............................................................................................154.2.3TIM与分页的节能机制...............................................................................174.2.4信道接入方式..............................................................................................194.2.5吞吐率增强.................................................................................................214.2.6支持小数据量传输.......................................................................................24五、性能评估.............................................................245.1传输距离............................................................................................................245.2吞吐能力............................................................................................................265.3应用场景............................................................................................................275.3.1传输速率与传输距离...................................................................................275.3.2信道参数.....................................................................................................285.3.3能耗与电池寿命................................................29六、总结与建议...........................................................31主要参考文献.............................................................32一、引言IEEE802.11ah（以下简称802.11ah）是一种运行在低于1GHz（Sub-GHz）免许可频带上的新型WLAN系统标准，又称HaLow。该标准由IEEE的802.11ah任务组（TaskGroupah,TGah）负责制定，高通公司主导，博通(Broadcom)、华为(Huawei)、英特尔(Intel)、LG、Marvell、三星(Samsung)与中兴通讯(ZTE)等公司参与提出，被视为应用高能效、远距离、可扩展Wi-Fi来实现物联网的重要技术支撑。IEEE802.11ahTaskGroup成立于2010年，802.11ah协议的1.0版草案于2013年9月完成，2015年3月投票表决，2016年3月完成标准化工作。与运行在2.4GHz或5GHz频带的现有802.11标准相比，802.11ah能够大幅度增加传输距离，拓展单个网络节点数量，降低节点设备功耗，更适合大规模传感器网络、能源计量网络、Wi-Fi热点网络覆盖面积拓展等应用。802.11ah实现的基本特性：网络最大节点数为8191个，结构；载波频率位于900MHz附近，免许可ISM频带；传输距离在室外可达1km；数据传输数率至少为100kbps；单跳网络架构；数据包较短，尺寸约为100字节；数据包间歇传输，数据包间隔时间大于30s；极低的能量损耗，电池使用寿命可达1年乃至数年；网络终端设备具有高的性价比。二、与其他类似技术的对比Internet网络主要解决计算机之间的互联，移动通信网主要解决人与人的互联，而物联网主要解决物品与物品之间的互联，也有被称为设备对设备（Machine-to-Machine，M2M）网络。据预计，物联网近年来的全球年增长率超过20%，到2017年连接的设备可达100亿只以上。现有物联网使用的通信技术可分为两类：一是无线传感器网络（WSN），如Zigbee、802.15.4、6LoWPAN、蓝牙甚至更专用的无线方案，用于实现特定区域1/34内多个传感器节点的互连；二是常规的移动蜂窝网络，用于孤立/分散的节点之间的互连，或作为WSN接入Internet的网关。不过，这些系统中没有一个能够完全满足物联网应用所需要的多样化和复杂性要求。802.11ah就是为了弥补现有网络针对物联网应用的不足而产生的，重点是提升通信距离、增加节点数和降低功耗。2.1与现行Wi-Fi标准的对比1.现行Wi-Fi标准用于物联网的局限性现行Wi-Fi标准不太适用于要求低功耗、长距离、低速和低成本的无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN），具体分析如下：（1）功耗较大。现行802.11标准缺乏节能模式，用于WSN时的能耗过大。（2）距离较短。现行802.11标准使用的2.4GHz/5GHz频段的无线通信距离短，逾越障碍的能力弱，为增加距离不得不使用接力节点从而增加了网络复杂度。（3）成本较高。Wi-Fi的成本仍然高于WSN的其他方案，包括Zigbee、6LoWPAN等。2.802.11ah相对于现行Wi-Fi标准的优势（1）传输距离更远，网络覆盖范围更大。802.11ah采用900MHz频段，与目前Wi-Fi使用的2.4GHz和5GHz频段相比，在相同发射功率下具有更远的传输距离，可达1公里以上，而现行Wi-Fi的传输距离约为100米。如加大发射功率，或选择较低阶的调变方式(代价是牺牲数据传输率)，可进一步增强802.11ah的传输距离。802.11ah还可以通过切换1MHz与2MHz模式来调整覆盖范围。（2）传输贯穿性更好，适合室内至室外的应用。900MHz较2.4GHz/5GHz具有更强的绕射能力，因此穿墙或穿透建筑物进行传输的能力更强。现行Wi-Fi限于距离和穿透能力，主要为室内应用，802.11ah与之结合，可将通信从室内拓展到室外。（3）功耗更低。超低功耗和长达数年的电池寿命，对于传感器、智能手表等物联网或便携设备来说无疑十分重要。802.11ah的低功耗得益于两个方面：一是低的工作频段，二是针对低功耗、多节点而新设计的物理层(PHY，Physics)与媒体访问控制层(MAC，MediaAccessControl)。802.11ah的PHY和MAC层针对短的数据包长度和长睡眠时间做了优化，例如，其帧结构采用了更少数据量的格式，使传输量减少、传输时间缩短，从而达到降低功耗的效果。（4）节点数更多。通过层次化标识结构，802.11ah一个接入点(AccessPoint，AP)可关联的设备数量多达8191个，而现行Wi-Fi最多为2007个。3.802.11ah相对于现行Wi-Fi标准的弱项与现行Wi-Fi标准相比，802.11ah的弱项主要在于数据速率更低802.11ah的传输率以高于100kbps为基准，而现行Wi-Fi自问世以来均在Mbps量级以上，2012年推展的802.11ac更达Gbps以上。在Wi-Fi的发展历程中，为了增加数据传输率，带宽在不断拓展。例如，802.11n为20/40MHz信道带宽与4天线，802.11ac则扩展为80/160MHz与8天线。802.11ah为适应无需高传输率的物联网应用需求，通道带宽反而向缩减方向设计，其最高的16MHz带宽仍然低于Wi-Fi基础的20MHz带宽。4.802.11ah与现行Wi-Fi标准的类似之处（1）支持的调制方法基本相同。与Wi-Fi标准类似，802.11ah支持BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等调变，甚至802.11ac才具备的256QAM调变。802.11ah也适用OFDM技术，不过因信道频宽限缩，OFDM中的每个子载波带宽也随之缩减，以31.25kHz为单位，1MHz带宽内即有32个子载波。（2）802.11ah除了支持物联网而进行必要修改外，其他方面尽可能兼容现行802.11标准与Wi-Fi做法，包括设定、配对等机制，因为尽可能扩展与沿用Wi-Fi生态系统，有利于802.11ah标准的推展。2.2与ZigBee和蓝牙的对比目前，在物联网领域最有可能竞争的三个低功耗无线网络标准是ZigBee、蓝牙和802.11ah，相互之间的对比如表1所示，可见：（1）802.11ah的通行距离长于ZigBee和蓝牙，这得益于它使用的亚GHz频段；（2）802.11ah的数据率和发射功率与ZigBee和蓝牙相差不大，但可以在更宽的范围内调整；（3）802.11ah的电池使用时间与ZigBee相当，远长于蓝牙；（4）802.11ah的网络节点数多于ZigBee，远多于蓝牙。考虑上述因素，加之与现行Wi-Fi网络的兼容性，802.11ah无疑具有更大的发展空间，可能最终决定因素在于802.11ah芯片及终端设备的价格。表1ZigBee、蓝牙和802.11ah的比较三、典型应用802.11ah主要用于满足物联网需求，最初设计用于可穿戴设备和低功耗的传感器互联，进而推广至智能家居、智慧城市和工业市场。目前看来，802.11ah的主要应用领域是：能源（电、气、热、水等）设施的计量与控制，家庭与工业自动化，电子健康，智能监控，智能交通系统。3.1大面积传感器网络如前所述，现有的Wi-Fi网络不能充分支持传感器网络，而802.11ah更为适合大面积传感器网络应用，因为它连接的节点数远多于现行Wi-Fi网络，而且功耗低，适合目前多用电池供电的传感器节点。智能网格（Smartgrid）是WSN的一个典型代表。供应商通过此网络实时监控用户消耗气体、水、电、热等能源的状况。这种网络所需的节点数比现行Wi-Fi网络要多，节点的功耗要求比现行Wi-Fi网格要低。图1给出了一个智能网格的实例。室外有一个802.11ah的AP，水表、电表、气表在室内，室外还有一些分布式的自动化设备，用于增加系统的可靠性和可用性，AP的覆盖面积是1km，所要求的通信速率不低于100kbps。图1802.11ah智能网格应用实例图2显示了未来智慧家庭中的一个传感器网络的例子。采用802.11ah技术的接入点（AP）放在室内，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，用802.11ah实现它们之间的传输与控制，使得家用设备和电器变得“智能化”。图2智能家庭的场景展示5/34文献[2]中给出了四个传感器网络的应用场景模型，其中室外有两个，即农业监测和动物监测（参见图3）；室内有两个，即智能计量和工业自动化（参加图4），从中我们可以了解到802.11ah的典型应用状况。在农业监测场景中，用802.11ah构建的无线传感器网络监测农场各处的湿度，用以实现灌溉系统的自动控制（参见图3（a））。部署的传感器节点数为3500，覆盖面积为1050x1050米，每隔120秒发送一次信息。在动物监测场景中，用802.11ah网络监测动物是否在划定的区域内活动（参见图3（b））。部署的传感器节点数为250个，覆盖面积也是1050x1050米，每隔60秒监测一次。在智能计量场景中，用室内传感器检测家庭住宅中各处家用电器的电能消耗，然后用802.11ah组网传输（参见图4（a））。传感器数量为15个，覆盖面积8x10米，每隔50秒监测一次。在工业自动化场景中，用传感器网络监测冷库的温度，保证水果和蔬菜的储存条件（参见图4（b））。传感器数量为500个，覆盖面积250x250米，每隔180秒监测一次。在室外和室内场景中，数据率与传输距离的关系仿真值分别如图3（c）和图4（c）所示。看见，随着距离的增加，数据率会连续下降。（a）农业监测（b）动物监测（c）数据率与传输距离的关系（仿真值）图3802.11ah的室外应用场景实例（a）智能计量7/34（b）工业自动化数据率与传输距离的关系（仿真值）图3802.11ah的室内应用场景实例3.2计量数据的回传网络802.11ah不仅能够构建自己的独立网络，也能作为设备或数据收集器之间的中介或回传网络。回传网络提供了传感器和/或数据收集设备之间的连接。如图3所示，802.11ah既可以直接将终端数据上传，也可以将802.15.4g收集的数据上传。在图4给出的实例中，802.15.4g为较低速传感器提供互连链路，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3802.11ah回传网络的架构图4计量数据的回传网络实例3.3Wi-Fi扩展范围网络及室外应用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解决方案可使用三波段的接入点(2.4GHz/5GHz/900MHz)，因此能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802.11ahAP，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。四、技术分析801.11ah在PHY层属于新的版本，相当于802.11ac的亚1GHz版；在MAC层中，支持现有802.11标准的大多数特性，只是出于节能等目的做了少量的调整。4.1PHY层4.1.1工作频带802.11ah与现有802.11协议最大的差别是将频段从2.4GHz/5GHz下移至900MHz频段，如图5所示。802.11ah使用的900MHz频带属于无需许可的ISM频段，但具体频率规定因国家而异，美国、韩国、中国、欧洲、日本与新加坡等国略有差异。由于工作频段不同，802.11ah的PHY层与802.11家族的其他协议完全不兼容。图5不同802.11协议的频带划分4.1.2信道划分不同国家对亚1GHzISM频带的规定不同，从而导致802.11ah的信道分配也不同。以美国为例，如图6所示，频率范围为902～928MHz，可用总带宽为26MHz，因此1MHz信道带宽条件下有26个可用信道。信道带宽多数为1MHz和2MHz，也有某些国家为4、8和16MHz。图6美国802.11ah信道组成802.11ah的PHY层是基于802.11acPHY层的降时钟应用。802.11ac将802.11n的20MHz、40MHz信道带宽，增加到80MHz、160MHz和不连续的160MHz信道带宽，以便增加数据速率。802.11ah的信道带宽只有802.11ac的1/10，分别为2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。此外，还增加了1MHz带宽模式，用于远距离传输模式。为了达到更高的吞吐量，802.11ah保留了802.11n和802.11ac所用的信道绑定方法，即多个相邻的窄信道组成更宽的信道带宽。因此，2MHz带宽的信道由2个相邻的1MHz信道组成，4MHz由相邻的4个信道组成，依此类推。对于802.11ah，美国最大能够支持16MHz信道带宽，这也是目前802.11ah可以达到的最大信道带宽。802.11ah在其它国家的可用频段如图7所示，可见韩国为917.5-923.5MHz（0.5MHz的频率偏移可减少干扰），欧洲为863-868MHz，中国为755-787MHz（待定），日本为916.5-927.5MHz，新加坡则由两段不连续的频段866-869MHz和920-925MHz组成。对于这些国家，信道划分及信道绑定的方法与美国是相同的，但信道数量、位置以及最大带宽的具体值可能有所不同。例如，对于韩国、欧洲、中国、日本、新加坡的最大信道带宽分别为4MHz、2MHz、8MHz、1MHz和4MHz[8]。图7不同国家802.11ah的许可频段4.1.3传输模式802.11ah使用基于OFDM的波形，包括了32或64个音频/子载波（包括分配给飞行员、护卫队和直流电的部分），间隔为31.25kHz，支持的调制方式包括BPSK、QPSK和16-256QAM。在802.11ac中首次引入的技术如单用户波束形成、多输入多输出（MIMO）和下行多用户MIMO等，也被802.11ah所采纳。在802.11ah标准中，1MHz与2MHz是所有设备必须支持的两种通用信道带宽，由此PHY层设计可分为以下两类：1.≥2MHz传输模式在≥2MHz传输模式下，802.11ah的PHY层相当于时钟频率降低到原来的1/10的802.11acPHY层。与802.11ac一样，802.11ah采用OFDM和MIMO调制，下行为多用户MIMO（DLMU-MIMO，802.11ac首次使用）。同时，802.11ah的OFDM符号周期正好为802.11ac的十倍，而它在2/8/16MHz信道使用的datatone与802.11ac在20/40/80/160MHz使用的相同，支持的MCS组数也与802.11ac相同。在此模式下，64点FFT用于产生OFDM符号。此模式下802.11ah的信道参数见表2。表中，NSS为空间流的数目，这里设为1；NSD为数据传输中使用的子载波数目；NDBPS为每个符号的数据位数，是每个子载波的数据位与数据子载波数的乘积，64个子载波中发射数据的为52个；数据速率是每秒符号数与NDBPS的乘积；GI（GuardInterval）是OFDM符号中包含冗余数据的部分，用于防止OFDM传输中的符号互干扰（ISI，Inter-SymbolInterference）。若采用短GI（4us），OFDM符号周期为36us；若采用正常GI（8us），OFDM符号周期就变成40us，因此前者比后者的速率要快11%。根据802.11ac的MCS排除规则，在单一空间流的20MHz信道中不采纳MCS9，类似地，在802.11ah单一空间流2MHz信道中也不采纳MCS9。为了比较，列出了802.11ac的信道参数表列于表3。可见，802.11ah的速率正好是802.11ac的1/10。为了兼顾吞吐量和功耗，802.11ah最多支持4条空间流，而802.11ac最多可支持8条空间流。表2802.11ah的信道参数表（2MHz带宽，NSS=1）表3802.11ac的信道参数表（20MHz带宽，NSS=1）2.1MHz传输模式在1MHz传输模式下，采用与2MHz模式相同的tone间隔（31.25kHz），FFT点数从64降到32。每个OFDM符号的子载波数为24，是2MHz模式的一半，这是因为在2MHz模式下，两个相邻的窄信道绑定在一起产生一个较宽的信道，两个绑定信道之间的保护带被去除，因此子载波数加倍。设计1MHz模式的目的是为了拓展传输距离。在长距离传输情形下，引入了一个新的MCS系数，即MCS10，这是802.11ac中没有的。MCS10与MCS0的唯一区别是具有2倍的重复率，这可以增加无线传输的可靠性，从而有利于拓展通信距离。4.2MAC层与PHY层相比，802.11ahMAC层相对于802.11ac的改动较小，主要是引入了一些增强的特性与新的帧结构，目的是增加节点数目、提高节电效能、实现高效的媒体访问机制以及增加吞吐量。4.2.1可接入节点的分类802.11ah定义了三种类型的节点（也叫站点Station），即TIM（TrafficIndicationMap）节点、非TIM节点和未规划（unscheduled）节点。不同类型的节点在接入信道时具有不同的程序和时间周期。802.11ah定义了限制接入窗口（RestrictedAccessWindow，RAW）的概念。如图8所示，RAW是一个时间间隔，有若干时隙组成。AP可以为一个TIM节点指定一个时隙，在此时隙中节点可以发送或介绍数据包。RAW可用于各种目的，例如它能够指定一个具有上行或下行数据包或者为控制帧而保留的TIM节点组。此外，为了表征与RAW分配相关的参数（即RAW起始时间、持续时间、RAW被分配到的节点AID号），提出了一个RAW参数组（RPS）IE。RPSIE被选择性地包含在信标帧中，每个节点能通过RPS来识别所分配的RAW。图8802.11ah在寻讯信标中信道访问限制窗口的分布1.TIM节点TIM节点是唯一一种需要聆听AP信标才会收发数据的节点。如图8所示，它必须在一个RAW时间内完成数据的传输，具有三个不同的数据段，即多播（MC，Multicast）、下行（DL，Downlink）和上行（UL，Uplink）。这是具有不同效率机制的数据传输段的组合，因此适合大流量负载节点的接入。2.非TIM节点非TIM节点无需聆听任何信标就能发射数据。在连接过程中，非TIM节点直接与AP沟通，以获得以周期性限制访问窗口（PeriodicRAW，PRAW）形式分配到的传输时间（参见图8）。尽管非TIM节点能够周期性地发送数据，但通常建议部署用于高容量数据的应用场合，以便实现信道资源的良好管理。3.未规划节点未规划节点与非TIM节点一样，无需聆听任何信标就能发射数据。即使在RAW内，它们也能发射以轮询帧给AP，请求接入信道。响应帧给出未规划节点能访问信道的时间间隔（在两个RAW之外）。这个程序意味着节点企图偶发性地加入网络。TIM节点类似于传统802.11系统的节能模式，其数据包缓冲信息包含在TIMIE之内。非TIM节点是802.11ah新定义的，其数据包缓冲信息不含在TIMIE之内，不需要周期性地被唤醒来接收信标帧。与TIM节点相比，非TIM节点可在更长的时间内处于打鼾状态，因此能量消耗更低。4.2.2增加节点数量传统802.11的一个不足是一个AP可关联的节点数过少。它在关联阶段用一个关联特征符（AssociationIdentifier，AID）来表示每个关联节点。受TIM信息元（InformationElement，IE，每一位代表一个关联节点的AID）部分虚拟位图的长度限制，一个AP关联节点的最大数目是2007个。为了支持更多的节点，802.11ah采用一种层次化的新方法来规划TIM节点群，每个节点群可根据应用类型、功率约束甚至目标Qos进行构造。它设计了一种新的AID，将节点分成页、块（亦称TIM群）、子块和子块中的节点系数四个层次（参见图9），将属于TIM信息元的部分虚拟位图分割成更小的位图，每个TIM一个。在关联阶段，AP给每个节点分配一个13bit的AID。AID的帧结构如图10所示。对于每个节点，AID是唯一的。这种层次化的节点标识，使可支持的节点数从传统802.11的2007个，增加到802.11ah的8191（213-1）个。（a）基于层次化节点的AID帧结构（b）AID节点分布图图9802.11ah的层次化节点架构图10基于层次化节点的AID帧结构节点的四个层次之间是包含关系，例如，需要指示多个节点时只需要将它们包含在一个块或子块中，用块或子块的ID来表示即可，无需使用它们所有的AID号。节点可以具有不同的传输方式或/和不同的位置。如果我们能够依此将节点分组，就有利于提高通讯的效率，包括节能、资源分配、高效信道接入等。根据集簇算法，可以有多种分组方案。4.2.3TIM与分页的节能机制传统的802.11标准定义有两种能量管理模式。在活动模式下，节点的无线收发器连续开启，即处于唤醒状态，全时感应输入信号，并发射与接收信号。在节能模式下，节点交替处于唤醒和打鼾状态。在打鼾状态下，无线收发器被关断，即不再感应输入信号，但还会给节点发送数据包，存入AP缓存，唤醒后再进行传送。在传统802.11系统中，AP必须周期性地发射含有TIMIE的信标帧。TIMIE中的部分虚拟位图域传送用于节能的缓存数据包。节能节点需要周期性地唤醒以接收信标帧，以检查是否有要传送的缓冲数据包。如果存在数据包，则发射一个称为“节能轮询帧“的控制帧信号给AP，要求传送缓冲包。完成缓冲包的接收后，节能节点恢复到打鼾状态。为了缩短节点竞争信道的时间，并增加睡眠时间，802.11ah引入了一个称为“TIM与分页”的机制。首先，AP将对应于一页的部分虚拟位图分割成多个页段，每个信标帧只携带一个页段的缓冲状态；然后，在传输带有特定页段缓冲信息的信标帧的过程中，唤醒对应的睡眠节点。它定义了一个叫作“页段计数IE”的新IE，用于传输页段信息（诸如所形成的页段数和每个页段的边界等）。802.11ah对同时竞争同一信道的特定TIM节点群作了限制。这些节点不仅只需相互竞争，而且只需聆听与它们相关的TIM信标。这种方案允许来自同一群的TIM节点在剩余时间内处于睡眠模式，从而大大降低了能耗。802.11ah除了将TIM信标用于节点级别的采样之外（与传统802.11相），还使用了传输流量指示图（DeliveryTIM,DTIM）信标，用于TIM群级别的采样（参见图11）。DTIM是一种特殊类型的TIMIE，用于表示群寻址数据包（即多播和广播数据包）的缓冲状态。含有DTIM的信号帧叫DTIM帧。在发射DTIM帧后，AP即发射剩下的所有群寻址数据包。一般而言，接收DTIM包时，所有的节能节点都被唤醒，一般不会漏掉群寻址包。为了让节能节点知悉之前的页段信息，页段计数IE应包含每个DTIM帧（此帧会在几个帧的间隔内周期性发送）。采用TIM和DTIM两种类型信标的目的是：（1）DTIM信标用于TIM群待定数据、单播和/或多播以及AP中的采样。该信标也含有后RAW性质的全部信息，如页片持续时间、分插机构等。（2）TIM信标标记一个单独的TIM群。该群至少具有一个含AP中待发数据的节点。在两个相接的DTIM信标中，有多个TIM信标。利用这一机制，任一节点能够在整个RAW周期内进入节能状态，只要它不具有要发送的数据包，并至少满足以下条件之一：一是DTIM信标中无访问此TIM群的下行链路流；二是DTIM信标中有访问此TIM群的下行链路流，但自身并不在TIM信标中显性地出现。图11DTIM和TIM在节点规划中的作用。TIM7在DTIM图中被寻讯，使得该群中所有节点都在聆听TIM7信标。在TIM7信标中，只有节点#1538和1539被寻讯，因此具有一个竞争时间访问信道在TIM与分页方案中，当网络的页数多于1时，802.11ah提供了两种先进的信令模式：（1）非TIM补偿：特定TIM群的信令信息被发射到相同的信标，次数多于网络页数的数倍。这是802.11ah的默认模式。（2）TIM补偿：在DTIM信令中含有一个5bit的段，允许来自不同页的TIM群在其TIM信标中依次被隔离。该模式比非TIM模式更节能，但最大支持节点数、数据包传送无线电（Packetdeliveryradio，PDR）和网络效率等性能稍差。图12示出了TIM与页段的应用实例。在此例中，假定一页由32个节点构成，并被分为4个页段（DTIM帧间隙包含4个帧间隙）。每个信标帧依次携带每个页段，每个帧间隙用于传送对应的页段。节能节点会定时被唤醒，以便接收DTIM帧，然后基于页段计数IE信息，识别哪一个帧包含页段的部分虚拟位图。最后，节能节点返回到打鼾状态。图12页段的图例在这种情况下，TIMIE的部分虚拟位图域只表示一定的页段，而非整个页，这就缩短了每个信标帧的长度。此外，在接收完DTIM帧之后，节能节点仅能被具有指定页段的信号帧而唤醒，在其它帧周期内处于打鼾状态，从而避免了无用能量的消耗。受TIM与分页机制管制的所有节点被强迫聆听每个DTIM信标，即使它们具有长的时间间隔，在此间隔内不能具有发送或接收的数据。这就是802.11ah在与AP的初始握手期间，对任何类型的节点都有可能固定极长的打鼾时间（长达数年）的原因。不过，这种长打鼾时间所产生的时钟漂移会导致严重的同步问题，原因是节点睡眠时间越长，唤醒的提前量就越多，以避免网络内可能出现的同步延迟。4.2.4信道接入方式802.11ah定义了某些新颖的信道接入方式，可用于TIM节点和非TIM节点。1.TIM节点802.11ah对TIM节点的信道接入方式是AP中心时间周期分配系统与分布式协同函数（Distributedcoordinationfunction，DCF）媒体访问机制的结合。不论采用何种采样模式，连续TIM之间的时间在每个DTIM信标之后，是由一个下行段、一个上行段和一个多播段构成的RAW（参见图8）。上行与下行时的数据传输步骤分别为：（1）下行：当AP具有拟发送到一个节点的数据包，DTIM信标必须包含在其位图中，位图中有节点所属的TIM群。然后，对应的TIM信标应含有位图中的节点。每个寻讯的节点必须聆听其TIM信标，以便知道何时开始竞争。这种竞争将使用DCF来完成。当节点的反馈失灵时，它发送一个PS轮询帧来得到对应的数据。（2）上行：每当一个节点想要给AP发送上行信息时，必须首先聆听对应的TIM群，以获知何时开始信道竞争。这种竞争采用与下行传输类似的方式，通过DCF方案来进行，使用基本接入和握手（RTS/CTS）机制。为了保证最大的信道占用率和节能，802.11ah也设置了将上行和下行RAW分割成若干时隙的选项。每个时隙只包含具有待接收/发射数据的少数节点。当每个时隙只指定了一个节点时，这种子时隙机构变成了通常的TDMA。在子时隙机构下，属于相同TIM群的节点也能分布于不同的子时隙，因此可通过竞争具有较少节点的信道和增加睡眠模式的时间，来节省更多的能量。更有效的方法是：不是给所有TIM节点，而是只给那些确定准备发射或接受的节点分配时隙。为使AP能够自适应地管理RAW的分配，定义了资源分配（ResourceAllocation，RA）帧。它包含有每个独立节点的排队信息，节点借此信息能够知晓允许其完成上行或下行传输的时隙。每个RAW开始时发射RA帧，接收RA帧时则所有RAW指定的节点都会被唤醒来接受此帧。在PS轮询帧中，802.11ah加入了一个名为上行数据指示（UplinkDataIndication，UDI）的特殊域，用于表示节点上行帧的存在。不具有缓冲下行帧的节点可发射UDI域被设为1的PS轮询帧，用于请求上行传输所需的时隙。在接收到正常PS轮询和UDI轮询之后，AP即能确定如何有效地给上行和下行传输排序，排序信息包含在RA帧中。图13示出了应用RAW概念所定义的上行和下行包传输程序。在第一个RAW（RAW1）期间，AP给每个TIM节点分配PS轮询传输所需的时隙。我们将UDI域设为1的PS轮询表示为UDI，以便有别于正常PS轮询帧区。AID1节点不具有缓冲下行通信，发射一个UDI以请求上行传输所需的时间资源，AID2、AID3和AID5节点在所分配的时隙内发射正常PS轮询帧。在此例中，AID4节点的行为是不期望有的，因为此节点的工作与相关AP不同步，或者错误地接受到了一个信标帧，故而不发射正常PS轮询帧。在RAW2期间，AP先发射一个RA帧，以传输AID1、AID2、AID3和AID5节点的排序信息；然后，这些节点在所分配的时隙内分别完成上行或下行传输。图13应用RAW传送的上行和下行数据实例2.非TIM节点对于非TIM节点，AP允许节点在唤醒期间请求缓冲下行传输或者发射上行传输。不过，在这种随意的方式下，非TIM节点可能会招致很多不可控的传输，使网络性能劣化。例如，如果同时唤醒的节点数目过多，节点之间的竞争就会导致信道访问的延迟甚至碰撞。为了使非TIM节点的传输可控，802.11ah的AP可使在预定时间内唤醒它们，使得其唤醒时间和信道访问传输暂时得以扩展。为了在AP和节点之间交换唤醒时序信息，802.11ah定义了一个目标唤醒时间IE（TargetWakeTimeIE，TWTIE），可交换关联请求与关联响应帧。TWTIE中存在四个区域，即请求类型、目标唤醒时间、最小唤醒时长、唤醒间隔尾数，用于定义何时和以多大频度来唤醒节点完成上行或下行传输。具体而言，非TIM节点有缓冲包时，AP能在目标唤醒时间内，给节点发送一个新定义的控制帧，叫空数据包（NullDataPacket，NDP）分页帧，内含缓冲状态信息。如果节点在成功接收到NDP分页帧后，发现有缓冲数据包，就会发送一个PS轮询帧，来要求传送数据包。如果在目标唤醒时间内，NDP分页帧未被AP发射，则节点在信道空闲时发送上行帧。4.2.5吞吐率增强如前所述，802.11ah的主要不足是数据率较低，因此在协议中采用了多种方法来增强其吞吐能力。1.更短的帧格式首先是设计更为紧凑的帧格式，以便减少协议负担。图14将802.11ah提出的短MAC头（引导符）格式与传统的802.11MAC头格式进行了比较。对于下行链路，作为传统MAC头中的目标MAC地址的地址1，在这里用短MAC头格式中目标节点的AID号取代。类似地，对于上行链路，传统MAC头中的源节点MAC地址的地址2，用短MAC头中源节点的AID号所取代。此外，在短MAC头中，地址3域前的序列控制域被移走。地址3域被选择性地包含在短MAC头中，是否包含则用帧控制（FrameControl，FC）域中的指示位来表示。图14传统802.11与802.11ah的MAC头结构的比较此外，包含在质量控制（QualityofService，QoS）域和高吞吐率（HighThroughput，HT）域中的某些必要信息被移至PHY头中的信号（SignalSG）域，同时去除了其他不必要的信息。因此，短MAC头中不再有QoS和HT域。另外，短MAC头中无持续时间/ID域，因此不支持虚拟载波感应（Virtualcarriersensing）。这样做的结果就是将6字节的MAC地址用2字节的AID代替，并取消了持续/ID、QoS和GT域，可以在上行和下行时节省至少12字节的负担。另外，短MAC头应在AID指定程序后使用，这也与传统MAC头不同。在传统802.11协议中，认知（Acknowledgement，ACK）帧除了数据包的报头之外，还含有MAC头和帧检查序列（FrameCheckSequence，FCS）域。为了缩短ACK帧，802.11ah设计了一个名叫空数据包（NullDataPacket，NDP）ACK的新型认知帧。在此帧中，去除了MAC头和FCS域，只包含图15所示的PHY头。此外，用PHY头中SIG域中的一个预留MCS值来识别NDPACK帧。为了减少协议负担，还有其他的控制帧被改成DNP帧格式，例如BlockACK、ClearToSend（CTS）和PS轮询帧。在NDPACK的情况下，用其他预留的MCS值来指示这些NDP控制帧。图15NDPACK帧格式2.更快的帧交换802.11ah还定义了一个新颖的帧交换模式，可消除信道访问延迟和ACK发射过载，从而进一步增加吞吐量。在传统802.11标准中，接收机的反馈方式由发射机通过ACK指示域来请求。2bit的ACK指示域可以表示4个不同的值，其中3个已经被定义分别用于指示反馈方式中的正常ACK、块AC和无响应信息，而另一个保留用于未来可能的应用。在802.11ah中，采用了另一种反馈方式（参见图16）。在这种方式下，如果接收机具有发往发射机的一个帧，可通过发射数据帧而非AKC或体ACK，来告知接收已成功。类似地，如果发射机成功接受了接收机的数据帧，也能用其数据帧而非其他控制帧，来告知接收机。每次传输之间的间隙被限制在短帧间空隙（ShortInter-frameSpace，SIFS）内。这种方法被称为高速帧交换（Speedframeexchange），因消除了ACK过载和信道访问延迟，从而加快了AP与节点之间的帧交换速度。发射机（节点或AP）设置了ACK指示位以请求一个数据帧，作为成功传输的反馈信号，对应的接收机（节点或AP）就会用一个数据帧回答，直到再无数据包被发射为止。这一方法进一步节省了节能节点的能量，因为与正常数据传输相比，唤醒状态的时间缩短了。而且，如果上行链路和下行链路的数据包数目接近，这种数据交换机构将更为有效，因为ACK发射不能被取代，除非有更多的数据包可用。图16高速帧交换4.2.6支持小数据量传输小数据量传输通常会在无线传感器网络中导致高代价和低性能。为此，802.11ah使用l三种新的增强方法。其一，用相关识别码取代通常的MAC地址，从而将传统802.11使用的28字节MAC头缩短为18字节；其二，定义了几种空数据包帧，由单个PHY头组成，以便缩短现行802.11寻讯帧（如ACK、块ACK、CTS和PS-Poll）的长度；其三，使用了高速帧交换机制，通过发射一个数据帧来告知接收的成功，而非一个传统的ACK。五、性能评估5.1传输距离这里通过仿真计算，对900MHz的802.11ah与2.4GHz/5GHz的802.11现有系统的传输距离进行比较。计算只考虑通道损耗效应，并假定用单一空间流来完成传输。。在接收端，根据802.11ah、802.11n和802.11ac标准中规定的最小输入电平灵敏度，来分别确定在900MHz、2.4GHz和5GHz频段成功解码所需的最小接收能量水平。针对室内和室外环境，分别采用TGn信道模型和3GPP蜂窝系统仿真信道模型。。相同传输功率下不同频带和环境下传输距离的仿真结果如图17所示。在不同国家或地区允许的最大传输功率可能不同，这里计算时统一取为200mW，是5GHz802.11系统的典型传输功率；接收功率等于每个系统中规定的最小输入电平灵敏度。图17中，横轴为不同的MCS系数；纵轴为传输距离，即发射机与接收机之间的距离；Fc（900）、Fc（2.4）和Fc（5）分别表示900MHz、2.4GHz和5GHz三种传输频带；CBW（1）、CBW（2）和CBW（20）分别表示1MHz、2MHz和20MHz的信号带宽。由图17可见，802.11ah在1MHz带宽和室外环境下，可达到最长传输距离1013m，这几乎是5GHz系统在室外环境下的7倍。传输距离随工作频段的频率减少而增加，这是因为无线信号传输特性的改善所致。室外环境中工作的系统性能优于室内环境中工作的系统。值得注意的是，MCS10和MCS9只对802.11ah的1MHz传输有效。图17200mW传输功率下的传输距离不同传输功率下的传输距离仿真结果如图18所示。可见，传输距离随传输功率的增加（200mW至1000mW）而增加，在室外环境下增加得更为显著。为了得到在各种传输功率下的最长传输距离，采用了最健壮的MCS即2MHz带宽下的MCS0。除了MCS0，还增加了仅在1MHz带宽下可用的MCS10。在1MHz带宽下MCS10的传输距离可达1555m，远长于1000m。图18在不同传输功率水平下802.11ah的传输距离5.2吞吐能力根据802.11ah的新型接入机制，即基于信道访问和高速帧交换的RAW以及紧凑帧格式，对其吞吐能力进行了仿真评估。图19采用不同信道接入机制和不同帧格式的吞吐能力进行了比较。图中，Legacy表示传统的802.11信道接入机制，即分布协调函数（DistributedCoordinationFunction，DCF）机制；RAW表示基于RAW的信道接入机制；SFE表示基于高速帧交换的信道接入机制；Normalformat表示传统802.11采用的帧格式；compact表示802.11ah紧凑帧格式，即短MAC头和NDPACK帧。X轴表示MCS系数，y轴表示在单一发射机和单一接收机且无信道误差的条件下MAC层的吞吐速率。假定传输是在2MHz带宽、单一空间流条件下完成的。考虑到802.11ah的典型应用模式（如智能网格），计算时设定数据包的尺寸相对小，仅为为100字节。假定正常ACK帧的MCS固定为MCS0，并使用了短的GI来计算。图19不同MAC机制的吞吐能力由图19可知，高速帧交换的吞吐能力优于其他两种机制，因为它消除了信道访问延迟或ACK传输。类似地，基于RAW的信道访问的吞吐能力优于传统802.11。当使用紧凑帧格式时，每种机制完成的吞吐量都增加了。使用高速帧交换所达到的MCS8吞吐量几乎是802.11DCF机制的3倍。5.3应用场景本节针对四种应用场景进行的仿真。这四种场景在3.1节做过简要介绍，包括两个室外环境（农业和动物监测）和两个室内环境（智能计量和工业自动化）。节点在AP覆盖范围内均匀分布，传输速率取决于AP与节点之间的距离。计算时，假定每个节点在每个DTIM间隔只能发射或接收一个数据包。DTIM间隔被分割成若干TIM间隔，上行和下行RAW段只能被TIM节点占据。RTS/CTS机制仅在上行时采纳。RAW段尺寸（ψ∈{DL,UL}）正比于每次传输的流量比（βψ）。同时，假定多播RAW的容量为1个数据包。四种场景均采用统一的下行互抵达时间，两个连续数据包之间的时间固定在4分钟。仿真用MATLAB作为计算工具，PHY层和MAC层仿真所采用的模型参数如表4所列。表4PHY层和MAC仿真时采用的模型参数5.3.1传输速率与传输距离传输数量与传输距离之间关系的计算公式和计算结果如图20所示，数据包错误率均固定在10%。(a)室外场景(b)室内场景图20数据率与距离的关系5.3.2信道参数仿真得到的信道参数如表5所列。其中，ηψ为信道占用率，是成功传输的数据包数与理论容量之比；PDRψ为数据包传输比，是表示成功到达目的地的数据包占产生数据包总数的百分比；PDDψ为数据包延迟，表示在DTIM信标数内成功传输的时间。由表5可知，在所有四个场景，可用资源的占用率均很低，这表明802.11ah可以用一个AP管理大量的节点，适合宽范围的应用。其中，农业和动物监测场景的信道占用率比其他场景的占用率高，这是因为这两个场景均在室外而且覆盖面积较大，要求节点以低速率发射数据。农业监测场景的2500个节点远多于动物监测的250个节点，占用资源更多。室内场景的信道占用率均低于1%。四种场景下的数据包传输比在下行传输中为100%，上行传输中接近100%。由于信道占用率较低，因此网络能够传输几乎所有源数据，尽管由于数据包错误或崩塌，出现了极少量的重传。表5仿真得到的信道参数5.3.3能耗与电池寿命节点设备的能量消耗和电池寿命主要取决接收、发射、闲置或睡眠模式所耗费的时间及比例。在接收模式下，节能状态下不进入长睡眠周期的节点必须聆听所有DTIM信标。如果节点在具有下行数据的DTIM信标中被寻讯，或者它具有待发射的数据，也会聆听对应的TIM信标。接收数据包、CTS或ACK的节点也处于接收状态。向其他节点寻址的窃听数据包也保持在接收模式。在发射模式下，节点在上行（PS-Poll，ACK）和下行（RTS,DATA）信道发送帧。在闲置模式下，处于退避周期和任何帧间空隙内。在睡眠模式下，节点的无线模块被关闭。（a）农业监测(b)智能计量(c)工业自动化(d)动物监测图21四种应用场景下四种状态（接收、闲置、发射、睡眠）所占百分比以及传输1bit数据消耗的能量四种应用场景下四种工作状态（接收、闲置、发射、睡眠）所占百分比以及传输1bit数据消耗的能量如图21所示。计算时，忽略了两种不同状态之间的过渡时间，即认为过渡期间不消耗能量。由图21可见，对于四种应用场景，节点在绝大部分时间（占比99%以上）内处于睡眠状态，因此能量消耗极低。最高的消耗出现在农业监测场景，因其数据速率和节点数量相对较高。图22四种应用场景下的电池使用寿命对具有三种典型电池，即1500mAh的AAA电池、2200mAh的锂电池和7500mAh的AA电池用于802.11ah的使用寿命进行了仿真，收发器采用CC1100，每种场景下的电池寿命都按能量消耗最大的最坏情况计算，结果如图22所示。由图22可见，最短的电池使用寿命是1年，为AAA电池用于农业监测；最长的电池使用寿命是18年，为AA电池用于智能计量。六、总结与建议.根据上述讨论，可得出以下结论：（1）现行Wi-Fi不适用于物联网，ZigBee、蓝牙用于物联网也存在一定不足，主要问题是：Wi-Fi、ZigBee和蓝牙的通信距离过短，Wi-Fi的功耗过大，蓝牙的节点数过少。（2）802.11ah基于物联网应用而提出，其主要优点是：通信距离可达1公里，远长于Wi-Fi、ZigBee和蓝牙的10～100m；单个网络的连接节点数可达8000个，远多于Wi-Fi的最大数2000个；常规电池的使用寿命可达1～6年以上，远长于Wi-Fi和蓝牙。（3）802.11ah的主要不足是数据传输速率远低于Wi-Fi和蓝牙，适合间歇采样的无线传感器网络等应用，不适合实时采样应用，但其速率可以在宽范围内调整（如100k~7.8Mbps）。（4）802.11ah协议总体上继承了802.11ac，主要改动为：在PHY层，将频带从5GHz移植到900MHz，信道带宽也较少到原来的大约1/10；在MAC层，处于多节点、低功耗和保证一定吞吐率的需要，对信道访问机制、帧格式等进行了一定的改动。（5）802.11ah的主要应用模式是：大覆盖面的无线传感器网络，典型面积为1平方公里；能源监测，包括电表、水表、气表、热表的组网，实现定时抄表、全天候监测甚至只能控制；现行短距离无线通信网络的范围扩展，如将Wi-Fi热点覆盖面从室内扩大到室外。根据上述情况，我的建议是：（1）802.11ah大覆盖面积、多节点、低功耗、低成本的特点非常适合我国国情，而电力系统（比如智能电网）是其主要应用模式之一，因此对于有强烈电力背景的量为来说是一个难得的机会。（2）802.11ah芯片本身技术门槛并不高，因此国内外能做传统802.11芯片的厂商可能都能介入，从而成为我们强有力的对手。因此，无论在芯片研制，还是系统应用，如能“先下手为强”，就可能形成我们最大的优势。（3）西电团队以往开发过的北斗射频前端芯片、超高频RFID标签与读写器芯片和正在做的超宽带芯片，对于开发802.11ah的射频前端（即无线收发器）是非常有帮助的，但802.11ah的数字基带部分比我们之前开发的RFID及蓝牙的基带都更为复杂，研发经验相对欠缺。西电庄奕琪团队可参与此方向的老师有靳刚、李小明、刘伟峰、李振荣、彭琪、张丽等，均具有5～10年的短距离无线通信芯片研发经验。（4）建议尽快做出决策，如决定开发，需完成顶层规划、商务计划、技术团队组建、技术路径图等。主要参考文献[1]WeipingSun,MunhwanChoiandSunghyunChoi，IEEE802.11ah:ALongRange802.11WLANatSub1GHz，DepartmentofECEandINMC,SeoulNationalUniversity,Seoul,Korea，14May2013[2]T.Adame,A.Bel,B.Bellalta,J.Barcelo,M.Oliver，IEEE802.11ah:TheWi-FiApproachforM2MCommunications，NeTSResearchGroup，UniversitatPompeuFabra,Barcelona，October7,2014本文作者：庄奕琪完成日期：2016年3月21日33/34',)