IEEE 802.11ah关键技术分析与应用

唐振中　郑思　张静

摘  要：随着我国科学技术的进步，对IEEE 802.11ah技术的要求越来越高。802.11ah是IEEE针对物联网应用需求而制定的一种低频段、低消耗的无线局域网络技术，该种技术的覆盖面很广，能够容纳很多的节点，对于提高网络速度具有很好的优势。文章针对IEEE 802.11ah技术的内涵及其应用优势、IEEE 802.11ah的关键技术、IEEE 802.11ah性能评估、IEEE 802.11ah的实际应用等几个方面展开探讨，从而为IEEE 802.11ah技术的实际应用提供一定的参考价值。

关键词：IEEE;802.11ah;物联网;关键技术;功率管理

中图分类号：TD76         文献标志码：A         文章编号：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

隨着国家物联网技术的飞速发展，物联网技术已经成为现代的新兴产业之一，各个行业都不断推进物联网技术的发展，将物联网技术应用于实际的生产过程中，推动了不同产业的快速发展，为人们的生活带来了极大的便利。根据现代物联网技术特点，IEEE及其他国际组织正在不断推进新的网络技术研究，开发1GHz以下频段的物联网技术应用，该技术应用是以802.11ah协议为标准，能够支持成千上万个节点，同时具有灵活的速率和长时间的续航能力。在现代智能网络通信技术背景下，为了适应大数据、智能监测、智能交通等多种互联网技术应用的需求，802.11ah采用了多种关联技术以实现降低网络能耗、扩大网络覆盖范围，能够大范围的容纳多节点的目标。802.11ah作为互联网技术新的网络技术协议标准，在网路技术的物理层中采用的是OFDM技术，可以增强802.11ah物理层通讯匹配技术。

1 IEEE 802.11ah技术概述

IEEE 802.11ah技术是2016年3月发布的一种无线局域网的物理层和媒体接入控制层协议，能在低于1GHz（750MHz-930MHz）免许可的频段内运行的新型WLAN系统标准。该技术又被称为Wi-Fi Hallow，能在1公里范围内实现不小于100Kbps的数据传输速度，并且该技术的覆盖范围和传输速度相较与现行的WSN技术都更具优势，并且能耗更低。IEEE 802.11ah技术自身的特性如下：（1）网络最大节点数为8191个;（2）室外的传输距离可达1公里并且数据传输速度不小于100Kbps;（3）数据包尺寸约为100字节，相对较短，且数据包采用间歇传递;（4）能耗极低，电池寿命达1年乃至数年，终端设备性价比高。

IEEE 802.11ah技术优势主要体现在以下几个方面：（1）数据传输距离更长，网络覆盖范围更广。与现行Wi-Fi 802.11使用的2.4GHz和5GHz频段相比，802.11ah采用更低的频段（小于1GHz）在相同的发射功率下，数据传输的距离更远，最大可达1公里，而现行的Wi-Fi技术最大的数据传输距离仅为100m，该技术的传输距离是现行技术的10倍。（2）数据的贯穿性更好，适合在室外应用。与现行的2.4GHz和5GHz频段相比，802.11ah采用更低的频段（小于1GHz）能提高信号的绕射能力，因此数据具有更强的穿墙和穿过建筑物的能力，可将通信从室内扩展到室外，极大的提高数据穿透障碍物的能力。（3）能耗更低。与现行的2.4GHz和5GHz频段的wifi技术相比，802.11ah具有超低的能耗和长达数年的电池使用寿命，这也直接决定了一款电子产品的使用寿命和用户体验。802.11ah技术的低能耗一方面是因为其工作频段低;另一方面是因为新设计了低功耗、多节点的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC），并对其数据包长度和长睡眠时间进行了优化。

2 IEEE 802.11ah关键技术分析

2.1 PHY层

802.11ah与现代的网络协议最大的差别就是将该种频段频率下降至900MHz，整个802.11ah的网络控制原理如图1所示。由于每一种网络的工作频段不同，802.11ah的PHY层与其他网络协议完全不兼备。

每一个国家对802.11ah网络频带的信道划分不相同，从而使网络的信道分配也不一样。为了使整个网络具有更高的吞吐量，802.11ah保留了802.11n和802.11ac所用的信道绑定方法，使用多个相邻的较窄信道组成了更宽的信道。802.11ah使用的是基于OFDM形式的波形传播方式，包括了多种音频和子载波，支持多种调制方式。

2.2 MAC层

与网络的PHY层相比较，802.11ahMAC层相对于其他网络层次的改动较小，主要是引入了一些能够增强网络功能特性的新的帧结构，主要目的是增加节点的数目以此来提高网络的节电效能，从而能够更好地实现媒体的访问机制及能够增加网络的吞吐量。

3 性能评估

基于IEEE 802.11ah性能评估主要体现在功率管理、传输距离以及吞吐能力三个方面。IEEE 802.11ah协议的功率管理主要体现在两个方面，即苏醒和休眠状态。网络状态处于苏醒状态时能够接收各个站点发送的数据信息，可以接收和发送数据，而处于休眠状态的数据不能够接收和发送数据。网络系统中各个站点可以处于两种工作模式即活跃模式和省电模式，处于活跃状态下的站点一直是处于苏醒状态的，而处于省电模式下的站点是处于苏醒和休眠两种交替状态来达到对互联网系统的管理。IEEE 802.11ah引入了几种网络优化技术，首先是节点的最长休眠时间的扩展，该种模式下，站点的休眠时间当超过最长的空闲时间后，AP将会解除站点的关联方式。第二种优化技术是采用TIM分段处理，TIM分段机制是将TIM所携带的信息分割成若干片段，并将不同片段的信息进行分别发送。TIM分段处理数据的扩展性较好，能简单地实现数据的传输，维护网络系统的开销也较小。第三种优化技术就是TWT及TWT同步，该种技术能够允许AP为站点并为其安排允许的唤醒时间，使系统中的站点在不同的时间段醒来，从而可以降低系统中站点对网络的竞争，达到最低能耗的输送信息。传输距离是评价在相同的传输功率下不同频带和环境下网络的传输距离。IEEE 802.11ah的吞吐能力是基于信道訪问和高速帧交换的RAW以及紧凑帧的格式，对网络的吞吐能力进行评估。

4 实际应用

采用IEEE 802.11ah技术能够将接入点AP放在室内，比如感受温度的温度传感器、智能电表、光线传感器等大量的现代传感设备可以布置在屋内，采用IEEE 802.11ah技术能够很好地实现网络之间的传输和控制，使各个家电设备之间实现电气的智能化传输。

通过仿真技术分析可以得到，采用IEEE 802.11ah技术的网络传输系统其传输距离相对于传统技术较远，消耗的能耗较低，采用IEEE 802.11ah技术的网络传输系统其吞吐能力较强，传输速率较快，数据传输稳定，出现极少的数据重传现象，能耗较低，整个系统的电池寿命较长，所以采用IEEE 802.11ah该种技术对网络传输具有十分重要的积极意义。

5 结论

随着对互联网的应用越来越广泛，提高互联网传输数据的稳定以及低消耗、信号覆盖面广是未来互联网技术的发展方向，这也将促进互联网技术的飞速发展。IEEE 802.11ah技术凭借其自身的信号传输稳定、覆盖面广等优势将作为未来互联网技术的发展方向，在未来的互联网发展中占据一席之地，为未来的互联网技术发展指明了方向。

参考文献：

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