IEEE 802.11ah低频WiFi标准概览

曾经有很多读者朋友问我,如何提升WiFi信号的绕射(即衍射)能力?我的回答都是没有任何办法。常规的WiFi设备都是工作在2.4GHz,5GHz频段,这两种频段对应的电磁波波长通常小于障碍物的尺寸,再怎么高深的算法或是电路设计都无法改变电磁波本身的特性,所以WiFi信号的绕射就成了不可能。但有个好消息是,预计于2016年发布的IEEE 802.11ah标准将可以解决这个问题,因为其规定的工作频率是1GHz以下。

近期在对一个新的软件无线电项目需求进行评估时,简单了解了一下IEEE 802.11ah。IEEE 802.11ah物理层是IEEE 802.11ac的降频版本。作为802.11n的升级版,802.11ac支持80MHz,160MHz,80+80MHz信道带宽,也支持802.11n的20/40MHz信道带宽。802.11ah定义了2MHz,4MHz,8MHz,16MHz信道带宽,刚好是此前标准的1/10。此外,802.11ah还定义了1MHz信道带宽,用于更远距离无线传输。

其目标应用场景包括传感器和智能抄表,传感器和智能抄表回传链路,WiFi覆盖扩展。目前IEEE 802.11ah草案已经可以下载,只是需要花费302.00美金,如下图。

IEEE Draft

 

IEEE 802.11ah信道

与5GHz频段类似,1GHz以下频谱中,可用频段因国家而异。因此,802.11ah根据不同国家的实际情况定义了不同的频率范围,包括美国,韩国,中国,欧洲,日本与新加坡。以美国为例,频率范围是902-928MHz,共28MHz频谱资源,1MHz信道带宽情况下具有26个可用信道。为了达到更高的吞吐量,802.11ah保留了802.11n,802.11ac中的信道绑定方法,即多个相邻信道组成更宽的信道带宽。由此,2MHz信道带宽就是由2个相邻的1MHz信道组成,4MHz就是由相邻的4个信道组成,以此类推。对于802.11ah,美国最大能够支持16MHz信道带宽。下图给出了美国的802.11ah信道组成。

US-Channel

不同国家的可用802.11ah频谱如下图所示。可以看到韩国的可用频率为917.5-923.5MHz,0.5MHz的频率偏移是为了减少可能的干扰;欧洲的可用频率范围为863-868MHz;中国的可用频率范围为755-787MHz(有待考证);日本的可用频率范围为916.5-927.5MHz;新加坡的可用频率由两段不连续的频谱组成。从这张图中也足以看出频谱资源是何等珍贵。

Freq

IEEE 802.11ah传输模式

在802.11ah标准中,1MHz与2MHz作为通用信道带宽,所有的802.11ah设备也必须支持这两种信道带宽。802.11ah的物理层设计可以分为2类,第1类是高于(包含)2MHz的信道带宽,第2类是1MHz信道带宽。

对于高于(包含)2MHz的模式,如4MHz,8MHz,16MHz,802.11ah物理层精确地设计为802.11ac物理层时钟的1/10,具有如下特征:

  • 支持OFDM
  • 支持MIMO
  • 支持MU-MIMO
  • 与802.11ac具有相同的子载波数
  • OFDM符号周期刚好是802.11ac的10倍
  • 支持MCS0-9

2MHz信道带宽下的802.11ah速率集如下表所示。很明显可以看出,802.11ah速率刚好是802.11ac的1/10。为了降低功耗,802.11ah最多支持4条空间流,而802.11ac最多可支持8条空间流。

MCS Index Modulation Code Rate NSD NDBPS Data Rate
(Normal GI)
Data Rate
(Short GI)
MCS-0 BPSK 1/2 52 26 0.65 Mbps 0.72 Mbps
MCS-1 QPSK 1/2 52 52 1.3 Mbps 1.44 Mbps
MCS-2 QPSK 3/4 52 78 1.95 Mbps 2.17 Mbps
MCS-3 16-QAM 1/2 52 104 2.6 Mbps 2.89 Mbps
MCS-4 16-QAM 3/4 52 156 3.9 Mbps 4.33 Mbps
MCS-5 64-QAM 2/3 52 208 5.2 Mbps 5.78 Mbps
MCS-6 64-QAM 3/4 52 234 5.85 Mbps 6.5 Mbps
MCS-7 64-QAM 5/6 52 260 6.5 Mbps 7.22 Mbps
MCS-8 256-QAM 3/4 52 312 7.8 Mbps 8.67 Mbps
MCS-9 256-QAM 5/6

对于1MHz传输模式,802.11ah物理层具有如下特征:

  • FFT点数:32
  • 子载波数:24
  • MCS类型:MCS10
  • 子载波间隔:31.25KHz

IEEE 802.11ah MAC层

802.11ah MAC层设计过程中引入了一些增强的特性与新的帧结构,具有如下特征:

  • 支持大量终端接入
  • 增强节电效能
  • 高效的媒体访问机制
  • 增强的吞吐量

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