唐振中　鄭思　張靜

摘? 要：隨著我國科學技術(shù)的進步，對IEEE 802.11ah技術(shù)的要求越來越高。802.11ah是IEEE針對物聯(lián)網(wǎng)應用需求而制定的一種低頻段、低消耗的無線局域網(wǎng)絡技術(shù)，該種技術(shù)的覆蓋面很廣，能夠容納很多的節(jié)點，對于提高網(wǎng)絡速度具有很好的優(yōu)勢。文章針對IEEE 802.11ah技術(shù)的內(nèi)涵及其應用優(yōu)勢、IEEE 802.11ah的關(guān)鍵技術(shù)、IEEE 802.11ah性能評估、IEEE 802.11ah的實際應用等幾個方面展開探討，從而為IEEE 802.11ah技術(shù)的實際應用提供一定的參考價值。

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

中圖分類號：TD76? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，各個行業(yè)都不斷推進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于實際的生產(chǎn)過程中，推動了不同產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為人們的生活帶來了極大的便利。根據(jù)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點，IEEE及其他國際組織正在不斷推進新的網(wǎng)絡技術(shù)研究，開發(fā)1GHz以下頻段的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用，該技術(shù)應用是以802.11ah協(xié)議為標準，能夠支持成千上萬個節(jié)點，同時具有靈活的速率和長時間的續(xù)航能力。在現(xiàn)代智能網(wǎng)絡通信技術(shù)背景下，為了適應大數(shù)據(jù)、智能監(jiān)測、智能交通等多種互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用的需求，802.11ah采用了多種關(guān)聯(lián)技術(shù)以實現(xiàn)降低網(wǎng)絡能耗、擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍，能夠大范圍的容納多節(jié)點的目標。802.11ah作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新的網(wǎng)絡技術(shù)協(xié)議標準，在網(wǎng)路技術(shù)的物理層中采用的是OFDM技術(shù)，可以增強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)運行的新型WLAN系統(tǒng)標準。該技術(shù)又被稱為Wi-Fi Hallow，能在1公里范圍內(nèi)實現(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，并且能耗更低。IEEE 802.11ah技術(shù)自身的特性如下：（1）網(wǎng)絡最大節(jié)點數(shù)為8191個;（2）室外的傳輸距離可達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)，相對較短，且數(shù)據(jù)包采用間歇傳遞;（4）能耗極低，電池壽命達1年乃至數(shù)年，終端設備性價比高。

IEEE 802.11ah技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）數(shù)據(jù)傳輸距離更長，網(wǎng)絡覆蓋范圍更廣。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，最大可達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）能提高信號的繞射能力，因此數(shù)據(jù)具有更強的穿墻和穿過建筑物的能力，可將通信從室內(nèi)擴展到室外，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達數(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。802.11ah技術(shù)的低能耗一方面是因為其工作頻段低;另一方面是因為新設計了低功耗、多節(jié)點的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC），并對其數(shù)據(jù)包長度和長睡眠時間進行了優(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)絡協(xié)議最大的差別就是將該種頻段頻率下降至900MHz，整個802.11ah的網(wǎng)絡控制原理如圖1所示。由于每一種網(wǎng)絡的工作頻段不同，802.11ah的PHY層與其他網(wǎng)絡協(xié)議完全不兼?zhèn)洹?/p>

每一個國家對802.11ah網(wǎng)絡頻帶的信道劃分不相同，從而使網(wǎng)絡的信道分配也不一樣。為了使整個網(wǎng)絡具有更高的吞吐量，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)絡的PHY層相比較，802.11ahMAC層相對于其他網(wǎng)絡層次的改動較小，主要是引入了一些能夠增強網(wǎng)絡功能特性的新的幀結(jié)構(gòu)，主要目的是增加節(jié)點的數(shù)目以此來提高網(wǎng)絡的節(jié)電效能，從而能夠更好地實現(xiàn)媒體的訪問機制及能夠增加網(wǎng)絡的吞吐量。

3 性能評估

基于IEEE 802.11ah性能評估主要體現(xiàn)在功率管理、傳輸距離以及吞吐能力三個方面。IEEE 802.11ah協(xié)議的功率管理主要體現(xiàn)在兩個方面，即蘇醒和休眠狀態(tài)。網(wǎng)絡狀態(tài)處于蘇醒狀態(tài)時能夠接收各個站點發(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)絡系統(tǒng)中各個站點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)下的站點一直是處于蘇醒狀態(tài)的，而處于省電模式下的站點是處于蘇醒和休眠兩種交替狀態(tài)來達到對互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理。IEEE 802.11ah引入了幾種網(wǎng)絡優(yōu)化技術(shù)，首先是節(jié)點的最長休眠時間的擴展，該種模式下，站點的休眠時間當超過最長的空閑時間后，AP將會解除站點的關(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行分別發(fā)送。TIM分段處理數(shù)據(jù)的擴展性較好，能簡單地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，維護網(wǎng)絡系統(tǒng)的開銷也較小。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為站點并為其安排允許的喚醒時間，使系統(tǒng)中的站點在不同的時間段醒來，從而可以降低系統(tǒng)中站點對網(wǎng)絡的競爭，達到最低能耗的輸送信息。傳輸距離是評價在相同的傳輸功率下不同頻帶和環(huán)境下網(wǎng)絡的傳輸距離。IEEE 802.11ah的吞吐能力是基于信道訪問和高速幀交換的RAW以及緊湊幀的格式，對網(wǎng)絡的吞吐能力進行評估。

4 實際應用

采用IEEE 802.11ah技術(shù)能夠?qū)⒔尤朦cAP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)代傳感設備可以布置在屋內(nèi)，采用IEEE 802.11ah技術(shù)能夠很好地實現(xiàn)網(wǎng)絡之間的傳輸和控制，使各個家電設備之間實現(xiàn)電氣的智能化傳輸。

通過仿真技術(shù)分析可以得到，采用IEEE 802.11ah技術(shù)的網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)其傳輸距離相對于傳統(tǒng)技術(shù)較遠，消耗的能耗較低，采用IEEE 802.11ah技術(shù)的網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)其吞吐能力較強，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，整個系統(tǒng)的電池壽命較長，所以采用IEEE 802.11ah該種技術(shù)對網(wǎng)絡傳輸具有十分重要的積極意義。

5 結(jié)論

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

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