Wi-Fi中的IoT標(biāo)準(zhǔn)—802.11ah

802.11ah，在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中稱為S1G（Sub 1 GHz），與上一篇中的802.11af均為工作在1GHz以下頻段的Wi-Fi技術(shù)。這些小眾的技術(shù)，雖然并沒有大規(guī)模商用，但作為Wi-Fi發(fā)展歷史中的一幕，我們也需要了解一下它們的技術(shù)特點(diǎn)。所謂“以史為鑒，可以知興替”。

01、IoT技術(shù)比較

說到IoT，我們可以想到很多：Bluetooth Low Energy (BLE)、Zigbee、Lora、Sigfox、NB-IoT等等。但每一種都可以說是不慍不火。802.11ah推出之時(shí)，就身處技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的鴻溝。加之它使用的頻段是Sub 1 GHz，在每個(gè)國(guó)家都有不同的規(guī)劃，難以統(tǒng)一。此外，IoT應(yīng)用行業(yè)的技術(shù)變革步伐往往比較緩慢，所以11ah要火很難，甚至絕大多數(shù)人不知道他的存在。

但從技術(shù)的角度出發(fā)，我們可以簡(jiǎn)單對(duì)比一下各種IoT技術(shù)。

Sigfox是支持距離最遠(yuǎn)的，可達(dá)10km，但速率也是最低的，只有不到1kbps，也同樣工作在sub 1GHz；

Lora的支持距離也較遠(yuǎn)，可達(dá)幾km甚至10幾km，速率有所提升，可達(dá)50kbps；

NB-IoT支持距離與Lora同等量級(jí)，速率升至250kbps；

Zigbee適合10米至100米以內(nèi)的短距離，速率在20-250kbps；

BLE距離在10米以內(nèi)，速率可達(dá)幾百k-2Mbps；

802.11ah支持1km以內(nèi)的距離，速率根據(jù)帶寬、調(diào)制和流數(shù)的不同，范圍較寬，可以從幾百kbps到十幾Mbps，甚至幾十Mbps。注意這里說的都是典型速率，如果從IEEE 802.11的標(biāo)準(zhǔn)中使用最大的調(diào)制階數(shù)和帶寬以及最大的流數(shù)，也可以算出幾百M(fèi)的速率。例如：150kbps (當(dāng)1MHz帶寬, 1個(gè)空間流, BPSK, 1/2碼率)，或347Mbps(當(dāng)16MHz帶寬, 4個(gè)空間流,
256QAM, 5/6碼率)。

LTE Cat-1/0/M：與NB-IoT一樣，最大的特點(diǎn)與區(qū)別是他們使用的是蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商分配的許可頻段。而其他技術(shù)基本使用的都是免許可頻段，例如ISM。速率與距離與11ah較為接近。

02、11ah的使用頻段

說到11ah的使用頻段，也是有很多的版本。主要的原因還是由于很多國(guó)家并未真正商用，最初僅僅有一個(gè)規(guī)劃，后來又杳無音信。例如，中國(guó)最初為11ah規(guī)劃的頻段起點(diǎn)為755MHz，終點(diǎn)為787MHz。755MHz至779MHz之間的頻率允許最大發(fā)送功率為5mW。在779MHz和787MHz之間，最大允許發(fā)送功率為10mW。在779MHz和787MHz之間頻率范圍內(nèi)，允許使用4個(gè)2MHz信道、2個(gè)4MHz信道和1個(gè)8MHz信道。?如下圖所示。但我們知道這段頻率早在五年前就已經(jīng)被劃分5G使用。

那么真正在使用802.11ah的國(guó)家有哪些呢？

美國(guó)：802.11ah允許使用的902-928 MHz頻段，屬于ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段的一部分。總共26MHz的帶寬，分為1、2、4、8或16MHz信道。

11ah采用OFDM，在1MHz信道中使用24個(gè)數(shù)據(jù)子載波，在2M帶寬中使用52個(gè)數(shù)據(jù)子載波。調(diào)制方式可以是BPSK、QPSK 或16QAM、64QAM或256QAM，并有多種編碼選項(xiàng)，可提供多種數(shù)據(jù)速率。

FCC是如何規(guī)定其發(fā)射功率的呢？在 902-928 MHz頻段使用數(shù)字調(diào)制的系統(tǒng)，最大峰值傳導(dǎo)輸出功率不得超過1W。平均值不得包括發(fā)射機(jī)關(guān)閉或以較低功率發(fā)射的任何時(shí)間間隔。并且是基于使用定向增益不超過 6dBi 的天線。?如果使用定向增益大于6 dBi 的發(fā)射天線，則傳導(dǎo)輸出功率應(yīng)降低幅度為天線定向增益超過6 dBi 的dB數(shù)。

以下是一個(gè)實(shí)際的11ah的AP所能支持的頻點(diǎn)、帶寬和速率。傳輸距離可達(dá)3km，并能同時(shí)與675個(gè)STA連接。這也是11ah的一個(gè)特有優(yōu)勢(shì)，它每個(gè)AP能提供的最大可尋址的STA，相比于Wi-Fi4/5/6，是4倍的關(guān)系。

1MHz帶寬頻點(diǎn):903.5,?904.5,?905.5,?906.5,?907.5,?908.5,?909.5,?910.5,?911.5,?912.5,?913.5,914.5, 915.5, 916.5, 917.5, 918.5, 919.5, 920.5, 921.5, 922.5, 923.5, 924.5,925.5,?926.5?MHz2MHz帶寬頻點(diǎn):905,?907,?909,?911,?913,?915,?917,?919,?921,?923,?925 MHz4MHz帶寬頻點(diǎn):910,?914,?918,?922 MHz

歐洲：863-868 MHz這段也是ISM頻段，在發(fā)射功率和占空比上有一些限制。那么除了11ah，很多的IoT技術(shù)，例如Sigfox、Lora、Zigbee、NB-IoT都允許使用這段頻率。

日本：802.11ah使用916.5-927.5 MHz頻段，這一段頻率也可支持各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

03、11ah的物理層特性

S1G PHY也是基于VHT即11ac，所以說11ah定義了1 GHz以下頻段的OFDM物理層，使用比2.4 GHz和5 GHz頻段更窄的帶寬，支持的最大時(shí)空流數(shù)為四個(gè)，并支持下行多用戶（MU）傳輸。MU傳輸最多支持四個(gè)用戶，每個(gè)用戶最多三個(gè)時(shí)空流，時(shí)空流總數(shù)不超過四個(gè)。支持1MHz、2MHz、4MHz、8MHz 和16MHz的通道帶寬。所有帶寬均使用31.25kHz的子載波間隔。所以IDFT/DFT周期等于32μs，比802.11ac長(zhǎng)10倍。OFDM符號(hào)周期為40μs，包括8μs的保護(hù)間隔（GI），如果是short GI則為36μs。

其中1M和2M帶寬是強(qiáng)制要求的，其余的4M～16M帶寬為可選。

有三種PPDU格式：S1G_SHORT, S1G_LONG, 和S1G_1M

S1G_SHORT：用于2 MHz, 4 MHz, 8 MHz, and 16 MHz的SU傳輸；

S1G_LONG：用于2 MHz, 4 MHz, 8 MHz, and 16 MHz的SU和MU傳輸；

S1G_1M：用于1?MHz的SU傳輸；

其中，各部分的含義如下：

STF：Short Training fieldLTF：Long Training fieldSIG：SIGNAL fieldSIG-A：Signal A field D-STF：Short Training field for the beam changeable portionD-LTF：Long Training field for the beam changeable portionSIG-B：Signal B fieldData：The Data field carries the PSDU(s)GI：Guard intervalGI2：Double guard intervalLTS：Long training symbol

空間流數(shù)為1的1MHz帶寬下的S1G的MCS對(duì)應(yīng)速率如下：

S1G需要考慮IoT應(yīng)用，那么節(jié)能和海量連接是必不可少的。11ah還有一個(gè)小名兒叫做“Halow”，來源于 "hallow（神圣）?"一詞的諧音。其中Low也代表了IoT中的低功耗。它通過減少Tx和Rx的工作時(shí)間以及增加站點(diǎn)的待機(jī)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。通過定義不帶數(shù)據(jù)字段的空數(shù)據(jù)包（NDP：null data packet）攜帶 MAC幀格式和定義新的短MAC header（縮減為 12 個(gè)字節(jié)），減少了發(fā)送/接收的激活時(shí)間。?802.11ah 通過引入目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT：Target wakeup times）預(yù)先安排臺(tái)站的喚醒時(shí)間，以便AP知道臺(tái)站何時(shí)喚醒、non-TIM（traffic identification map：流量識(shí)別圖）操作，STA無需定期喚醒以接收信標(biāo)、延長(zhǎng)監(jiān)聽時(shí)間（臺(tái)站可睡眠數(shù)小時(shí)/數(shù)天并保持聯(lián)系）和AP的電源管理（為電池供電的AP提供睡眠機(jī)制）來延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。802.11ah 通過采用新的分層TIM結(jié)構(gòu)和高效編碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量站點(diǎn)（多達(dá) 8000 個(gè)站點(diǎn)）的支持。并且基于載波偵測(cè)多路訪問與碰撞避免（CSMA/CA）方案的分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）保證了各個(gè)站點(diǎn)的介質(zhì)接入規(guī)則。

頻譜模板定義分別如下：1/2/4/8/16MHz

頻譜的平坦度：注意下表是normal mode，還有其他兩種mode這里忽略。

頻率容限：± 20 ppm

相對(duì)星座誤差RCE：

接收靈敏度：PSDU長(zhǎng)度為256個(gè)八進(jìn)制數(shù)據(jù)包時(shí)，下表輸入電平值情況下，數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率 (PER) 應(yīng)小于 10%。適用于non-STBC模式、8μs GI、BCC和S1G PPDU。

鄰道和非鄰道抑制：主信號(hào)功率應(yīng)在上表基礎(chǔ)上+3dB，鄰信道或非鄰信道中的干擾信號(hào)應(yīng)為符合要求的S1G信號(hào)，與被測(cè)信道中的信號(hào)不同步，占空比至少為50%。本子條款中的測(cè)試和表 23-35 中規(guī)定的非相鄰靈敏度級(jí)別僅適用于具有 8 ?s GI 和 BCC 的非 STBC 模式。相應(yīng)的功率應(yīng)不低于下表中的規(guī)定，其他要求同靈敏度測(cè)試。

接收機(jī)最大輸入電平：對(duì)于任何S1G調(diào)制，接收機(jī)應(yīng)在PSDU 長(zhǎng)度為256個(gè)八進(jìn)制數(shù)、最大輸入電平為-30 dBm時(shí)，在每根天線上測(cè)得的最大PER為10%。

CCA靈敏度等級(jí)定義了兩種類型：type1和type2。有什么區(qū)別呢？type1的閾值比type2的閾值，普遍低了3個(gè)dB。也就是說type1更注重干擾的避讓，type2更注重維持資源的使用，提升傳輸速率。這樣可以允許不同的國(guó)家、地區(qū)和設(shè)備根據(jù)自己的情況有更多的選擇。