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IEEE 802.11ah: Sub-GHz-WLAN

IEEE 802.11ah: Sub-GHz-WLAN


IEEE 802.11ah ist ein Wi-Fi-Standard, der für die Verwendung der lizenzfreien ISM-Bänder unter einem GHz entwickelt wurde.

Die Funkausbreitung bei diesen Frequenzen bedeutet, dass die Signale größere Entfernungen zurücklegen können, und dies eröffnet Möglichkeiten für die Verwendung mit dem Internet der Dinge, bei denen Sensoren und Steuerknoten weiter voneinander entfernt sein können.

Die Bänder bei diesen Frequenzen sind viel kleiner als die normalerweise für Wi-Fi verwendeten 2,4-GHz- und 5-GHz-Bänder, und dies begrenzt die Datenraten, die über die Verbindungen übertragen werden können.

Um den verschiedenen Aspekten von Sub-GHz-Wi-Fi Rechnung zu tragen, wurden eine neue physikalische Schicht und ein MAC entwickelt, um die Kommunikation auf diesen Frequenzen zu ermöglichen, wenn auch mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als der, die für die Wi-Fi-Varianten mit sehr hoher Geschwindigkeit des Hauptstroms erreichbar ist.

Grundlagen zu IEEE 802.11ah Sub-GHz-WLAN

Der IEEE 802.11ah-Standard zielt darauf ab, einen globalen WLAN-Standard bereitzustellen, der innerhalb der nicht lizenzierten ISM-, Industrie-, Wissenschafts- und Medizinbänder arbeitet, die unter 1 GHz verfügbar sind. Auf diese Weise ermöglicht IEEE 802.11ah Wi-Fi-fähigen Geräten den Zugriff auf Kurzzeitübertragungen in diesen Frequenzbändern, die derzeit viel weniger überlastet sind.

Die Verwendung von 802.11ah bietet nicht nur Zugang zu zusätzlichen Frequenzen, sondern bietet aufgrund der Ausbreitungseigenschaften dieser Frequenzen auch einen verbesserten Abdeckungsbereich. Dies eröffnet IEEE 802.11ah-Benutzern die Möglichkeit, neue Möglichkeiten zu nutzen, darunter großflächige Sensornetzwerke, Sensor-Backhaul-Systeme und potenzielle Wi-Fi-Entladungen.

ISM-Bänder verfügbar

Es gibt mehrere ISM-Bänder, die für IEEE 802.11ah verfügbar sind und unter 1 GHz liegen. Diese sind nicht global verfügbar, aber geeignete Bands erscheinen in den meisten Regionen der Welt.

ISM-Zuweisungen für IEEE 802.11ah
LandBandgrenzen (MHz)
China755 - 787
Europa863 - 868
Japan916.5 - 927.5
Korea917.5 - 923.5
Singapur866 - 869 &
920 - 925
USA902 - 928

802.11ah-Kanalisierung

IEEE 802.11ah Sub-GHz-WLAN definiert die Kanäle basierend auf dem Spektrum, das in einem bestimmten Land verfügbar ist.

Die grundlegende Kanalbreite beträgt 1 MHz, obwohl es möglich ist, zwei benachbarte Kanäle miteinander zu verbinden, um einen 2-MHz-Kanal zu bilden, um eine höhere Datendurchsatzfähigkeit bereitzustellen. Es stehen breitere Kanäle zur Verfügung, wobei die breitesten in den USA 16 MHz für das ISM-Band von 902 bis 928 MHz sind. Auch hier wird das gleiche Kanalbindungsverfahren verwendet, das für 802.11n und 11ac angewendet wurde. Kanalbreiten von 1, 2, 4, 8 und 16 MHz können verwendet werden.

Andere Länder haben unterschiedliche Frequenzzuweisungen und dementsprechend befinden sich die Kanäle auf unterschiedlichen Frequenzen, es werden jedoch dieselben grundlegenden Methoden verwendet, offensichtlich mit unterschiedlichen Einschränkungen hinsichtlich der maximalen Anzahl von Kanälen, die miteinander verbunden werden können.

802.11ah PHY / Radio-Schnittstelle

802.11ah verwendet OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), um das Modulationsschema für das Signal bereitzustellen. Es gibt jedoch zwei Kategorien, in die die physische 802.11ah-Schicht PHY unterteilt werden kann:

  • 1 MHz Kanalbandbreite: Diese Betriebsart richtet sich hauptsächlich an Anwendungen, die eine erweiterte Reichweite erfordern. Die engere Bandbreite und die langsameren Datenraten ermöglichen die Aufnahme von Signalen mit niedrigeren Signalstärken. Typischerweise können diese Anwendungen auf IoT- oder M2M-Anwendungen ausgerichtet sein, bei denen kurze Datenbursts erforderlich sein können, normalerweise mit einer geringen Datenrate.

    Im 1-MHz-Bandbreitenmodus verwendet 802.11ah den gleichen Unterträgerabstand wie im Modus mit höherer Datenrate, d. H. 31,25 kHz. Die Anzahl der Datenunterträger pro OFDM-Symbol beträgt 24. Dies ist tatsächlich weniger als die Hälfte der Anzahl der Datenunterträger im 2-MHz-Kanal, da die Bandbreite verwendet wird, die für das Schutzband zwischen den beiden 1-MHz-Kanälen erforderlich gewesen wäre.

    Da eines der Hauptziele der 1-MHz-Kanaloption die erweiterte Reichweite ist, ist neben den MCS des 802.11ac ein neues Modulations- und Codierungsschema, der MCS-Index - MCS 10 - für die Fernübertragung enthalten. Dies ist effektiv ein Modus von MCS 0 (siehe Tabelle unten), jedoch mit einer zweifachen Wiederholung der Daten, um die Ausfallsicherheit der Übertragung zu erhöhen.

  • Bandbreiten von 2 MHz und mehr: Dieser Modus verwendet Bandbreiten von 2, 4, 8 oder 16 MHz. Es wird wieder OFDM und ein Design verwendet, das auf einer zehnten Taktrate von 802.11ac basiert, d. H. Einer zehnfachen Symbollänge wie in 802.11ac. MIMO wird in diesem Modus auch in 802.11ah verwendet.

    Um dies zu ermöglichen, stehen verschiedene Optionen für das Modulations- und Codierungsschema (MCS) zur Verfügung. Diese sind unten tabellarisch aufgeführt:

    IEEE 802.11ah MCS für Kanäle mit 2 MHz Bandbreite
    Datenrate (Mbit / s)
    MCS-IndexModulationCode RateNormaler GIKurzer GI
    0BPSK1/20.650.72
    1QPSK1/21.31.44
    2QPSK3/41.952.17
    316-QAM1/22.62.89
    416-QAM3/43.94.33
    564-QAM2/35.25.78
    664-QAM3/45.856.5
    764-QAM5/66.57.22
    8256-QAM3/47.88.67
    9256-QAM5/6N / AN / A

    In dieser Tabelle ist zu sehen, dass in MCS 9 keine Datenraten eingegeben wurden. Dies liegt daran, dass MCS 9 für 802.11ah mit einem einzelnen räumlichen Stream für einen 2-MHz-Kanal nicht gültig ist.

802.11ah MAC

Die Media Access Control- oder MAC-Schicht bietet eine Reihe erweiterter Elemente, um eine große Anzahl von Stationen zu unterstützen, Energie zu sparen und dergleichen.

  • Unterstützung für eine große Anzahl von Stationen: 802.11 Access Point weist Stationen, die dem AP zugeordnet sind, Kennungen zu, die als Association IDentifiers (AID) bezeichnet werden. Bei Nicht-802.11ah-Systemen kann maximal 2007 Kennungen zugewiesen werden. Da 802.11ah jedoch möglicherweise für IoT- oder M2M-Anwendungen verwendet wird, kann diese Anzahl überschritten werden. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine hierarchische AID-Struktur eingeführt. Diese hierarchische AID ist 13 Bit lang, was zu einer maximalen Anzahl von zugeordneten Stationen von 8191 (2) führt-1). Diese AID ist in vier Ebenen unterteilt: Seite; Block; Unterblock; und Stationsindex innerhalb des Unterblocks.
  • Energieeinsparung: Energieeinsparung ist ein wachsendes Problem, insbesondere für IEEE 802.11ah, das für viele IoT- und M2M-Anwendungen verwendet wird. Viele der Remote-Knoten müssen mit Batterien betrieben werden, und diese müssen wochen- oder sogar jahrelang ersatzlos betrieben werden können.
    • TIM-Stationen: Diese Stationen bleiben die ganze Zeit wach und überwachen kontinuierlich die gesendeten Beacon-Frames. Es kann Daten empfangen, sobald es zum Senden bereit ist.
    • Nicht-TIM-Stationen: Nicht-Time 802.11ah-Stationen haben einen Dösen-Status. Wenn sie sich in diesem Zustand befinden, können sie keine Daten empfangen und diese werden gepuffert, wenn sie wieder aktiv werden.
  • Durchsatzverbesserungen: Um die verfügbare Bandbreite optimal nutzen zu können, wurden einige Verbesserungen vorgenommen, um sicherzustellen, dass die Daten so effizient wie möglich übertragen werden. Um dies zu erreichen, wurden eine Reihe neuer Innovationen eingeführt.
    • Kompaktes MAC-Header-Format: 802.11ah hat ein neues MAC-Header-Format vorgeschlagen, das kompakter ist als die in Legacy-Systemen verwendeten. Diese Änderung verkürzt das alte MAC-Header-Format und verschiebt einige Elemente in andere Bereiche. Die Felder QoS und High Throughput, HT werden in das Feld Signal, SIG im PHY-Header verschoben und andere unnötige Elemente entfernt. Außerdem enthält der kurze MAC-Header kein Dauerfeld. Diese und einige andere Änderungen ermöglichen es, den MAC-Header zu verkürzen, wodurch wertvoller Speicherplatz frei wird und die Effizienz des Systems verbessert wird
    • MAC-Mechanismus: 802.11ah definiert ein neues Mediumzugriffsschema, bei dem die Kanalzugriffsverzögerung und der ACK-Übertragungsaufwand eliminiert werden.

Sub-GHz-WLAN IEEE 802.11ah bietet niedrigere Datenraten, aber größere Reichweiten als die WLAN-Varianten, die in Bändern über 1 GHz arbeiten, in denen die Absorption durch Gebäude und andere Objekte erheblich zunimmt. Als solches ist 802.11ah Sub-GHz-WLAN ideal für die Verwendung mit dem Internet der Dinge, IoT, wo möglicherweise größere Entfernungen erforderlich sind und wo der erforderliche Datendurchsatz viel geringer ist.

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