802.11ah(HaLow)协议解析2:协议设计目标

序言

关于802.11ah这个坑埋了几个月了,还是最近填了吧。本文主要谈一谈802.11ah的设计目标方面的内容,802.11ah的设计目标和具体协议内容还是比较紧密关联的,是一个比较工程型的精巧协议。额,不过这种精巧仅仅是协议设计上而言,是否实用这一点还有待谈论。

802.11ah的现状

802.11ah现在在国内应该已经式微了。在802.11ah的PAR时期,其考量中国国内对应的频段是779-787MHz,不过现在这个频段已经被划分给了5G通信了(详见工业和信息化关于调整700MHz频段频率使用规划的通知/工信部无[2020]50号),具体是将703-743/758-798MHz频段划给移动通信系统。

为什么要研究802.11ah?

不过为什么要研究802.11ah,或者说关注这个协议呢。笔者观点是,802.11ah是一个非常具备802.11风格的独立协议,具有完整的PHY/MAC改良。另一个同级别的就是802.11ay,也就是毫米波系列了。现在国内大家很多也开始关注到改进802.11协议,或者说想在协议组内积极参与协议的提案,从而802.11ah就是一个比较好的示例。从对比其PAR,到最终实现PAR的几个目标采取的方法,能够获得一些灵感或者思路,或者说理解一些关于802.11的路子。

802.11ah的命名

上一篇主要讨论了关于hallow的命名,这里我们看下为什么使用802.11ah这个代号。实际上感觉802.11协议组从以a开始打头的新的一轮协议命名后,其实就是按照字母顺序往后排的。802.11aa,802.11ab,802.11ac,802.11ad,802.11ae,802.11af,802.11ag,然后就是802.11ah了。其中802.11aa,802.11ac,802.11ad,802.11ae,802.11af都是协议名,这些都是具体的协议代号了,而802.11ab,802.11ag很容易和802.11a/b,802.11a/g这样的表述混淆,所以这个代号也没有使用,所以关于Sub-1G频段下的802.11协议就是采用802.11ah的命名了。

802.11ah PAR定的设计目标

我们主要关注的是802.11ah的PAR中的Scope部分,其中可以当做有两个部分的说明

第一个部分 是关于802.11ah的工作频段,其定义了802.11ah是在Sub-1G频段下,以OFDM作为物理层机制工作的一种传输协议。而且这里注意,其强调了要考虑到了与802.15.4以及802.15.4g的兼容共存性,采用802.15.4作为物理层技术的典型协议就是zigbee。为什么要强调这一点其实和802.11ah的典型应用场景有关。参考802.11-11/0457r0,我们着重举两个例子:

例1是一个智能电网或者说智能仪表的例子,其中多个仪表和控制设备,通过有线或者无线的方式连接到802.11ah的AP上面进行数据交换。这里802.11ah的AP,其实和802.11一般意义上的AP概念差不多,都是无线交换的概念,这里可能会更加偏重于物联网网关一些吧。

例2是我觉得值得拿出来看一下的,这里更明显是一种物联网网关的概念了。这里是作为一种工业自动化控制的AP出现的,其主要是作为控制中心骨干网络派生出来的AP,用来汇总数据到控制的骨干网络上。802.11ah的AP可以作为1级设备,直接可以与配备了802.11ah终端的控制设备连接,也可以作为2级设备,将其与802.15.4的路由连接起来,再转换为802.11ah的信号反馈到骨干网络上去,让无线传感器之类的设备还是保持现有的802.15.4的物理层技术不变,但是还是引入了802.11ah做汇总的功能。例2就可以对应说明,PAR里面强调的这一句,802.11ah设计时需要考虑到与802.15.4和802.15.4g的兼容问题,这个是与预设场景有关的。

Remark:关于802.11ah在Sub-1G的工作频段,这里需要注意的是在协议定义中,802.11ah可以使用的是Sub-1G以下非TVWS的频段,因为802.11协议在Sub-1G下还存在一个802.11af的协议标准,两者在频段上是分离的。

第二个部分 就是预想的传输速率和传输距离了。预设的传输速率是大于100kbits,传输范围是1km。这个也是一个预设条件,是根据前面说的预设场景所量化的传输指标,并且很多MAC层的机制,也是围绕着这个指标进行考量的。

参考WiFi联盟关于802.11ah的白皮书,可以看到802.11ah和其他技术的比较而言,其传输的覆盖范围并不是最远的,但是其相对的参数是比较偏高的,可以理解成综合参数吧。802.11ah的传输速率偏高主要是其物理层是直接基于802.11ac的技术框架设计的,ah的初期设计就考虑了多流的属性,不过实际而言,感觉在广覆盖场景下,这点实际作用不大。所以为什么要讨论这一些呢,主要是说明两点:

  • 802.11ah的预设条件是1km覆盖,传输速率是100kbits。
  • 802.11ah的潜在设计条件,是在上述的计划下,优化在1km覆盖内的传输速率。

这里我们就会在设计中感觉到,802.11ah的设计中,近距离的时候相比其他的物联网协议而言,具有很强的物理层性能,距离远的时候,其物理层性能也不弱。但是,这导致的问题就是从设计成本上而言,802.11ah不低。也是前面说的,802.11ah是基于802.11ac的机制往后设计的,基于802.11ac的成本大致也可估计802.11ah的成本。而其他大多数的物联网协议而言,一般仅仅是为了满足基本的预设条件,其也会导致其性能曲线比较中庸,但是可以降低成本。

目前看到的WFA在推广802.11ah,即hallow的时候,还是比较强调其在给定的1km范围内,性能综合是最优的作为卖点,如果成本也是可控的作为卖点的话,那么ah还算是有些潜力的吧,不过控制成本可能就需要具体IC做一些功能上的优化了。

那么这里预设中还存在一个问题,就是预设条件的覆盖范围只有1km,这个其实在IoT场景中并不算远,很多情况下都达不到用户的需求。所以在802.11ah中还有一个潜在的假设就是AP级联的场景,802.11ah的AP与AP通过无线进行桥接反馈信号到骨干网上,在MAC层协议时候,我们看到其相关设计就比较容易理解这一点了。

802.11ah和802.11af

在Sub-1G频段下,802.11协议组还有一个协议叫做802.11af。802.11af使用的是Sub-1G频段下对应的TVWS频段,即TeleVision White Spaces频段。802.11af和ah的设计初衷有点区别,802.11af的前身其实比较偏重于802.11h了,属于类似认知网络的一种,在TVWS频段没有别人使用的情况下,可以有效利用其进行无线传输,毕竟这个频段往年也被称为黄金频段。802.11af的设计范围比802.11ah还要广,可以说是超大范围的覆盖了吧。但是其两者协议虽然有很大的差别,但是由于其共处于Sub-1G的频段,即使是开发者大多也无法很好的区分它们,导致这两个协议都没有被很好的推广出去。目前这几篇文章主要还是围绕着802.11ah去谈,关于802.11af又属于一个坑了,以后再慢慢补了。

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