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1、802.11ah 协议标准分析IEEE802 11ah 是应用于 WLAN 系统在 1GHz 以下频段的新兴无线协议,适用于1.传感器网络和智能仪表;2. 传感器及智能回传链路;3.WIFI 热点覆盖扩展及蜂窝网分流。802.11ah 支持 M2M 通信的总体要求:1.一个接入点通过分级标示符结构可以连接多达 8191 台设备;2.大约 900MHZ 的可用免许可的载波频段降低了频段的拥挤度和保证了长距离传输。3.室外传输距离长达 1KM;4.数据传输速率至少大于 100kbps;5.单跳网络拓扑结构;6.短且偶发的数据传输(100bytes 的数据包大小,和包间间隔时间大于 30s);7.非
2、常低的功率消耗;8.成本低。一PHY 层1.802.11ah 规定的运行频段为低于 1Ghz 的免许可频段。频段的划分根据国家的不同而不同。具体情况如下:美国 902MHZ928MHZ欧洲 863MHZ868MHZ中国 755MHZ787MHZ日本 916.5MHZ927.5MHZ韩国 917.5MHZ923.5MHZ信道的定义802.11ah 把信道分为两类:1MHZ 带宽信道和大于 1MHZ 带宽的信道。其中1MHZ 和 2MHZ 信道带宽应用最广。PHY 传输PHY 传输是基于 32 路或 64 路子载波的 OFDM 波形的传输,每路子载波之间的间隔为 31.25KHZ,支持的调制方式有
3、 BPSK,QPSK,和 16256QAM。具体来说,对于 1MHZ 信道,采用 32IFFT 产生 OFDM 符号,但其中只有 24路子载波用于数据传输;对于 2MHZ 信道,采用 64IFFT 产生 OFDM 符号,只有52 路子载波用于数据传输。二MAC 层1.支持大量的关联站点通过 13bits 的分级关联符。可支持多达 213 -1=8191 个关联站。其分级结构如下:站点的分类TIM 站:该类型的站只能根据 AP 信标来发送和接受数据,并且数据传输只能在访问限制窗内进行,一般为大数据流量的站。Non-TIM 站:该类型的站无需根据任何信标,在关联阶段,可直接与 AP 协商以获得由周
4、期访问限制窗分配的传输时间。Unscheduled 站:该类型的站无需根据任何信标,也不需要根据任何访问限制窗内,其可发送 poll 帧向 AP 请求即时的信道访问。信道访问机制对于 Non-TIM 站:AP 为各个站预先设置了唤醒时间,802.11ah 定义了 TWT IE(目标唤醒时间)用以规定上行和下行传输时站点多久唤醒一次和何时唤醒。具体来说,AP 在目标站唤醒时发送 NDP 帧,其中包含了缓存状态信息,如果站点识别出有通往自己的缓存数据存在,即发送 PS-poll 帧请求数据交付。对于 TIM 站,802.11ah 提出了 RAW(访问限制窗:就是几个时隙组成的一个时间段),AP 指
5、派给每个站一个时隙用以传输和接受数据。RAW 用于分配给有上行和下行数据的 TIM 站组;也可预留给控制帧,如 PS-poll帧。RAW 的相关参数( RAW 的起始时间,持续时间,站点的 AID)由 RPS IE 来规定,RPS 包含了信标帧,每个站点通过 RPS 来识别分配给自己的 RAW。同时,AP 只给已经做好接受发送数据准备的站分配 RAW。当 AP 有缓存数据需要交付时,且同时收到普通的 PS-poll 帧和 UDI PS-poll 帧时,AP 通过管理帧 RA 来指导上行和下行链路的信道访问。注:UDI PS-poll 帧表示站点只有上行数据传输无下行缓存数据。吞吐量的提升802
6、.11ah 特点之一就是较低的数据传输速率,为克服这一特点对吞吐量的影响,802.11ah 定义了更加紧凑的 MAC 头,主要表现在以下几个方面:.由 AID 代替的之前的 MAC 地址;A3 部分的内容具有可选择性,其包含的内容由 FC 的比特位来指明;一些 QOS 和 HT 部分被移到了 PHY 头中,其余一些则被删除了。所以在 MAC 头中无 QOS 和 HT 部分;短 MAC 头不包含 duration/ID 部分,所以不支持虚拟载波侦听。以上的改变节约了 12bytes,短 MAC 头的图示如下:功率管理优化技术802.11ah 引入了以下几种优化技术。(1)最长休眠时间扩展:一是利
7、用最大空闲周期字段的最高 2 位有效位作为比例因子。00,01,10 ,11 分别代表 1,10 ,1000, 10000 的比例因子,最大休眠时间最多可延长 2500 倍。二是允许 AP 为不同站点设置不同数值的最大空闲周期,而且站点可以在关联请求中请求分配特定的数值。(2)TIM 分段TIM 分段机制将 TIM 携带的信息分割为若干片段分别发送7,如图 2 所示。DTIM(Delivery Traffic Indication Map, 发送流量指示图)表明 AP 是否缓存有组播据,DTIM 信标包含若干个 PSIE (Page Slice information elements, 页片
8、信息元素),各页的 PSIE 不同。PSIE 包含页周期相关信息,即 DTIM 信标之间的时间间隔、TIM 片段数目、 相对于当前信标帧的位置以及各片段中的块数等。PSIE 包含一个 Page Bitmap,表示各片段中各个块对应的站点是否有缓存数据。站点通过接收 PSIE 可获知 AP 是否缓存有数据去往它所在的块。若没有去往站点所在块的缓存数据,站点可以休眠直至页周期结束;若有,而接收的信标帧不含对应的TIM 片段,站点将计算对应的 TIM 片段何时传输并在此之前保持休眠状态。(3) TWTTWT(Target Wake Time,目标唤醒时间) 机制允许 AP 为站点安排唤醒时间,使不同站点可以在不同时间段醒来,从而降低竞争冲突,提高系统的使用效率,同时也大大降低了站点的功耗。站点每次醒来可持续苏醒若干个 TWT SP(TWTService Period,目标唤醒时间服务周期),站点在 TWTSP 期间通过传统的信道接入方式发送数据。站点可以在 TWT SP 以外的时间一直保持休眠状态,甚至可以不醒来接收信标帧。802.11ah 还提出 TWT 分组机制,AP 构建 TWT 组并通知站点分组。总结,802.11ah 标准的制定还将继续,将来它一定会应用于很多大规模的无线网络中。