802.11ah协议分析

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902MHZ~928MHZ 欧洲863MHZ~868MHZ 中国755MHZ~787MHZ 日本916.5MHZ~927.5MHZ 韩国917.5MHZ~923.5MHZ

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BPSK，QPSK,和16~256QAM。

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2^13 -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

802.11ah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） TWT

TWT(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。

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