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IEEE802.11ah-物联网通信组网技术

3.2.4IEEE802.11ah
以IEEE802.11为前缀的是无线局域网络标准,后跟用于区分各自属性的一个或者两个字母。美国电气和电子工程师协会(IEEE)应无缝互连的应用需求提出了802.llah标准,实现低功耗、长距离无线区域网络连接,需要采用1GHz以下频段。有效地改善了WiFi信号易受建筑物阻挡而影响传输距离和覆盖范围的弊病。
IEEE最初制定的一个无线局域网标准就是802.11,这也是第一个被国际上认可的在无线局域网领域内的协议。主要用于解决校园网和办公室局域网中,用户和用户终端的无线接入,业务主要限于数据存取,速率最高只能达到2Mb/so由于802.11在速率和传输距离上不能满足人们的需要。因此JEEE小组又相继推出了在技术上主要差别在于MAC子层和物理层802.11a.802.lib等许多新标准。
从1997年第一代802.11标准发布以来,WiFi得到了巨大的发展和普及。在今天,WiFi成为用户上网的首选方式,在WiFi系统发展过程中,每一代802.11的标准都在大幅度地提升速率。如802.llac速度能达到lGb/s,802.llac标准运行在5GHz频段,与2.4GHz的802.lln或802.11g相比有更快的速度。802.llah标准,理想情况下传输距离可以达到1km的,实现更大的覆盖范围。802.llah采用900MHz频段,运行速度大大降低,仅能达到150kb/s和18Mb/s之间的速度,这适合于短时间数据传输的低功率设备,是物联网无线通信可选技术。
1.IEEE802.11信道划分
IEEE802.11以载波频率为2.4GHz频段和5GHz频段来划分,在此之上划分成多个子信道。
1)2.4GHz频段
IEEE802.11工作组和国家标准GB15629.1102共同规定,2.4GHz工作频段为2.4〜2.4835GHz,子信道个数为12个且宽带为22MHz。每个国家各有不同,信道为1〜11号可供美国使用;欧盟国家为1〜13号;中国为1〜13号,如图3-7所示。

由图3-7可知,在2.4GHz频段中,大部分频点之间相互重叠,只有三个频点是可同时使用的。
2)5GHz频段
IEEE802.11工作小组在5GHz频段上选择了555MHz的带宽,共分为三个频段,频率范围分别是5.150-5.350GHz.5.470〜5.725GHz、5.725〜5.850GHzo2002年中国工业与信息化部规定5.725-5.850GHz为中国大陆5.8GHz频段,信道带宽20MHz,可用频率125MHz,总计5个信道,如图3-8所示。
5.8G划分与5G划分
2012年工业与信息化部放开5.150-5.350GHz的频段资源,用于无线接入系统。新开放的信道为8个20MHz的带宽。由于5GHz频段的13个信道是不叠加的,所以这13个信道可以在同一个区域内覆盖,后8个信道仅可在室内应用中使用,如图3-9所示。
2.IEEE802.11ah频率划分
IEEE802.llah是1GHz以下频段的无线局域网标准,支持1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、16MHz带宽。中国的信道划分从755MHz到787MHz这一频段,包括32个lMHz、4个2MHz、2个4MHz、l个8MHz带宽。779〜787MHz频段支持多种带宽,高速率应用占有最高优先级,支持最高10mW的发射功率。755〜779MHz频段被分为24个1MHz带宽的频段,低速率应用占有更高的优先级,支持最高5mW的发射功率。
3.子载波
IEEE802.llah子载波分为2MHz以上带宽和1MHz带宽系统。对于2MHz系统,子载波位置分布是从IEEE802.llac标准10倍降频而来,如IEEE802.llah中2MHz、4MHz、8MHz、16MHz带宽的子载波分布与IEEE802.llac中20MHz、40MHz、80MHz、160MHz带宽下的子载波分布保持一致。而1MHz是IEEE802.llah特有的,采用的是32点IFFT,其中包括1个直流分量,5个保护子载波留空,2个导频子载波分别位于±7位置,24个数据子载波,如图所示。
子载波分配
4.物理帧结构
IEEE802.llah定义的物理层汇聚过程(PhysicalLayerConvergenceProcedure,PLCP)协议数据单元(ProtocolDataUnit,PDU)PPDU的结构分为两种:一种是2MHz及其以上带宽的发送帧格式,类似IEEE802.llac;另一种是IEEE802.llah为了提高覆盖范围而提出的1MHz带宽发送帧。
2MHz带宽的帧格式继承了IEEE802.lln和IEEE802.llac的物理层帧格式。短训练域(ShortTrainingField,STF)符号数与IEEE802.lln相同,在每个符号中,STF占据12个非零子载波。长训练域(LongTrainingField,LTF)对应了IEEE802.llac中相同FFT长度的甚高速长训练域(VHT-LTF)O信号域SIG占据2个符号,每个符号采用
Q-BPSK调制。此模式下2MHz、4MHz、8MHz、16MHz带宽下的STF、LTF、SIG字段分别对应IEEE802.llac的20MHz、40MHz、80MHz、160MHz带宽下的相应字段。如图3-11所示。
PPDU结构(2MHz以及大于2MHz模式)
1MHz带宽下PPDU的结构包括4个符号的STF、4个符号的LTF、6个符号的SIG、〃一1个LTF、数据域。SIG强制使用MCS10进行调制编码,LTF1表示第一个长训练域,用于符号定时、信道估计、细频偏估计,LTF2〜LTF〃用于多天线的信道估计。每个符号拥有32个子载波,FFT点数为32。与双倍保护间隔(DoubleGuardInterval,DGI)加上两个连续LTS相比,图3-12所示的LTF1的格式在图3-11所示的LTF的基础上增加了2个LTS0
PPDU结构(1MHz模式)
802.11各个版本的性能参数如表3-4所示。
表3-4各个版本的802.11性能参数
协议 发布日期 频带/GHz 最大传输速度
802.11 1997 2.4〜2.5 2Mb/s
802.Ila 1999 5.15〜5.35/5.47〜
5.725/5.725〜5.875
54Mb/s
802.11b 1999 2.4〜2.5 11Mb/s
802.11g 2003 2.4〜2.5 54Mb/s
802.lln 2009 2.4或者5 600Mb/s(40MHzX4MIMO)
802.llac 2011.2 5 433Mb/s、867Mb/s、l.73Gb/s、3.47Gb/s、
6.93Gb/s(8MIMO,160MHz)
802.llad 2012.12(草案) 60 最高到7000Mb/s
802.llah 2016.3(定稿) Sub—1GHz 7.8Mb/s
5.802.llah的应用场景
802.llah共定义了三种应用场景,其中第一种场景预计在物联网中将得到大规模
应用。
应用场景1:智能抄表(如图3-13所示)。这种场景下,IEEE802.llahAP主要作为末端网络使用,将传感器收集的数据传输到上层网络或应用平台。
智能抄表应用
应用场景2:智能抄表回传链路(如图3-14所示)。这种场景下,802.llah主要作为回传链路使用,下面接802.15.4g等底层网络,将从底层网络得到的数据传输到应用平台。
智能抄表回传链路应用场景
应用场景3:WiFi覆盖扩展(含蜂窝网分流)(如图3-15所示)。这种场景下,802.llah主要扩展WiFi热点的覆盖,并能为蜂窝网提供业务分流。