IEEE 802.11ah關(guān)鍵技術(shù)分析與應(yīng)用

唐振中　鄭思　張靜

摘? 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)IEEE 802.11ah技術(shù)的要求越來(lái)越高。802.11ah是IEEE針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求而制定的一種低頻段、低消耗的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該種技術(shù)的覆蓋面很廣，能夠容納很多的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)速度具有很好的優(yōu)勢(shì)。文章針對(duì)IEEE 802.11ah技術(shù)的內(nèi)涵及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、IEEE 802.11ah的關(guān)鍵技術(shù)、IEEE 802.11ah性能評(píng)估、IEEE 802.11ah的實(shí)際應(yīng)用等幾個(gè)方面展開(kāi)探討，從而為IEEE 802.11ah技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：IEEE;802.11ah;物聯(lián)網(wǎng);關(guān)鍵技術(shù);功率管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TD76? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）34-0146-02

Abstract： With the progress of science and technology in our country， the requirement of IEEE 802.11ah technology is higher and higher. 802.11ah is a low frequency and low consumption wireless local area network technology developed by IEEE for the application needs of the Internet of things. This technology has a wide coverage and can accommodate a lot of nodes， which has a good advantage for improving the speed of the network. This paper discusses the connotation and application advantages of IEEE 802.11ah technology， the key technology of IEEE 802.11ah， the performance evaluation of IEEE 802.11ah， the practical application of IEEE 802.11ah and so on. So as to provide a certain reference value for the practical application of IEEE 802.11ah technology.

Keywords： IEEE; 802.11ah; Internet of things; key technology; power management

引言

隨著國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代的新興產(chǎn)業(yè)之一，各個(gè)行業(yè)都不斷推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，推動(dòng)了不同產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為人們的生活帶來(lái)了極大的便利。根據(jù)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)，IEEE及其他國(guó)際組織正在不斷推進(jìn)新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)1GHz以下頻段的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，該技術(shù)應(yīng)用是以802.11ah協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)，能夠支持成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)具有靈活的速率和長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力。在現(xiàn)代智能網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)背景下，為了適應(yīng)大數(shù)據(jù)、智能監(jiān)測(cè)、智能交通等多種互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的需求，802.11ah采用了多種關(guān)聯(lián)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)能耗、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，能夠大范圍的容納多節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)。802.11ah作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)路技術(shù)的物理層中采用的是OFDM技術(shù)，可以增強(qiáng)802.11ah物理層通訊匹配技術(shù)。

1 IEEE 802.11ah技術(shù)概述

IEEE 802.11ah技術(shù)是2016年3月發(fā)布的一種無(wú)線局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制層協(xié)議，能在低于1GHz（750MHz-930MHz）免許可的頻段內(nèi)運(yùn)行的新型WLAN系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)又被稱(chēng)為Wi-Fi Hallow，能在1公里范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不小于100Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，并且該技術(shù)的覆蓋范圍和傳輸速度相較與現(xiàn)行的WSN技術(shù)都更具優(yōu)勢(shì)，并且能耗更低。IEEE 802.11ah技術(shù)自身的特性如下：（1）網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為8191個(gè);（2）室外的傳輸距離可達(dá)1公里并且數(shù)據(jù)傳輸速度不小于100Kbps;（3）數(shù)據(jù)包尺寸約為100字節(jié)，相對(duì)較短，且數(shù)據(jù)包采用間歇傳遞;（4）能耗極低，電池壽命達(dá)1年乃至數(shù)年，終端設(shè)備性價(jià)比高。

IEEE 802.11ah技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）數(shù)據(jù)傳輸距離更長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更廣。與現(xiàn)行Wi-Fi 802.11使用的2.4GHz和5GHz頻段相比，802.11ah采用更低的頻段（小于1GHz）在相同的發(fā)射功率下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)，最大可達(dá)1公里，而現(xiàn)行的Wi-Fi技術(shù)最大的數(shù)據(jù)傳輸距離僅為100m，該技術(shù)的傳輸距離是現(xiàn)行技術(shù)的10倍。（2）數(shù)據(jù)的貫穿性更好，適合在室外應(yīng)用。與現(xiàn)行的2.4GHz和5GHz頻段相比，802.11ah采用更低的頻段（小于1GHz）能提高信號(hào)的繞射能力，因此數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的穿墻和穿過(guò)建筑物的能力，可將通信從室內(nèi)擴(kuò)展到室外，極大的提高數(shù)據(jù)穿透障礙物的能力。（3）能耗更低。與現(xiàn)行的2.4GHz和5GHz頻段的wifi技術(shù)相比，802.11ah具有超低的能耗和長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的電池使用壽命，這也直接決定了一款電子產(chǎn)品的使用壽命和用戶體驗(yàn)。802.11ah技術(shù)的低能耗一方面是因?yàn)槠涔ぷ黝l段低;另一方面是因?yàn)樾略O(shè)計(jì)了低功耗、多節(jié)點(diǎn)的物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC），并對(duì)其數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和長(zhǎng)睡眠時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。

2 IEEE 802.11ah關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 PHY層

802.11ah與現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議最大的差別就是將該種頻段頻率下降至900MHz，整個(gè)802.11ah的網(wǎng)絡(luò)控制原理如圖1所示。由于每一種網(wǎng)絡(luò)的工作頻段不同，802.11ah的PHY層與其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完全不兼?zhèn)洹?/p>

每一個(gè)國(guó)家對(duì)802.11ah網(wǎng)絡(luò)頻帶的信道劃分不相同，從而使網(wǎng)絡(luò)的信道分配也不一樣。為了使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有更高的吞吐量，802.11ah保留了802.11n和802.11ac所用的信道綁定方法，使用多個(gè)相鄰的較窄信道組成了更寬的信道。802.11ah使用的是基于OFDM形式的波形傳播方式，包括了多種音頻和子載波，支持多種調(diào)制方式。

2.2 MAC層

與網(wǎng)絡(luò)的PHY層相比較，802.11ahMAC層相對(duì)于其他網(wǎng)絡(luò)層次的改動(dòng)較小，主要是引入了一些能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能特性的新的幀結(jié)構(gòu)，主要目的是增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)目以此來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的節(jié)電效能，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)媒體的訪問(wèn)機(jī)制及能夠增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

3 性能評(píng)估

基于IEEE 802.11ah性能評(píng)估主要體現(xiàn)在功率管理、傳輸距離以及吞吐能力三個(gè)方面。IEEE 802.11ah協(xié)議的功率管理主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即蘇醒和休眠狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)處于蘇醒狀態(tài)時(shí)能夠接收各個(gè)站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，而處于休眠狀態(tài)的數(shù)據(jù)不能夠接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個(gè)站點(diǎn)可以處于兩種工作模式即活躍模式和省電模式，處于活躍狀態(tài)下的站點(diǎn)一直是處于蘇醒狀態(tài)的，而處于省電模式下的站點(diǎn)是處于蘇醒和休眠兩種交替狀態(tài)來(lái)達(dá)到對(duì)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理。IEEE 802.11ah引入了幾種網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，首先是節(jié)點(diǎn)的最長(zhǎng)休眠時(shí)間的擴(kuò)展，該種模式下，站點(diǎn)的休眠時(shí)間當(dāng)超過(guò)最長(zhǎng)的空閑時(shí)間后，AP將會(huì)解除站點(diǎn)的關(guān)聯(lián)方式。第二種優(yōu)化技術(shù)是采用TIM分段處理，TIM分段機(jī)制是將TIM所攜帶的信息分割成若干片段，并將不同片段的信息進(jìn)行分別發(fā)送。TIM分段處理數(shù)據(jù)的擴(kuò)展性較好，能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)也較小。第三種優(yōu)化技術(shù)就是TWT及TWT同步，該種技術(shù)能夠允許AP為站點(diǎn)并為其安排允許的喚醒時(shí)間，使系統(tǒng)中的站點(diǎn)在不同的時(shí)間段醒來(lái)，從而可以降低系統(tǒng)中站點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)，達(dá)到最低能耗的輸送信息。傳輸距離是評(píng)價(jià)在相同的傳輸功率下不同頻帶和環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。IEEE 802.11ah的吞吐能力是基于信道訪問(wèn)和高速幀交換的RAW以及緊湊幀的格式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力進(jìn)行評(píng)估。

4 實(shí)際應(yīng)用

采用IEEE 802.11ah技術(shù)能夠?qū)⒔尤朦c(diǎn)AP放在室內(nèi)，比如感受溫度的溫度傳感器、智能電表、光線傳感器等大量的現(xiàn)代傳感設(shè)備可以布置在屋內(nèi)，采用IEEE 802.11ah技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸和控制，使各個(gè)家電設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)電氣的智能化傳輸。

通過(guò)仿真技術(shù)分析可以得到，采用IEEE 802.11ah技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)其傳輸距離相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)較遠(yuǎn)，消耗的能耗較低，采用IEEE 802.11ah技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)其吞吐能力較強(qiáng)，傳輸速率較快，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，出現(xiàn)極少的數(shù)據(jù)重傳現(xiàn)象，能耗較低，整個(gè)系統(tǒng)的電池壽命較長(zhǎng)，所以采用IEEE 802.11ah該種技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有十分重要的積極意義。

5 結(jié)論

隨著對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，提高互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定以及低消耗、信號(hào)覆蓋面廣是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，這也將促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展。IEEE 802.11ah技術(shù)憑借其自身的信號(hào)傳輸穩(wěn)定、覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì)將作為未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，在未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中占據(jù)一席之地，為未來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展指明了方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王倩玉，陳巖，楊俊秋，等.基于IEEE 802.11ah的井下安全監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)性能分析[J].工礦自動(dòng)化，2019，45（06）：21-26.

[2]蘇寒松，孫占鵬，劉高華，等.IEEE 802.11ah中的優(yōu)化限制接入窗口機(jī)制（英文）[J].南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，52（02）：20-28.

[3]嚴(yán)勝利，邢冰冰，李玉琦，等.MAC層協(xié)作的IEEE 802.11ah吞吐量增強(qiáng)方案研究[J].電視技術(shù)，2018，42（12）：128-133.