Wi-Fi中的IoT标准—802.11ah

802.11ah，在IEEE 802.11标准中称为S1G（Sub 1 GHz），与上一篇中的802.11af均为工作在1GHz以下频段的Wi-Fi技术。这些小众的技术，虽然并没有大规模商用，但作为Wi-Fi发展历史中的一幕，我们也需要了解一下它们的技术特点。所谓“以史为鉴，可以知兴替”。

01、IoT技术比较

说到IoT，我们可以想到很多：Bluetooth Low Energy (BLE)、Zigbee、Lora、Sigfox、NB-IoT等等。但每一种都可以说是不愠不火。802.11ah推出之时，就身处技术竞争的鸿沟。加之它使用的频段是Sub 1 GHz，在每个国家都有不同的规划，难以统一。此外，IoT应用行业的技术变革步伐往往比较缓慢，所以11ah要火很难，甚至绝大多数人不知道他的存在。

但从技术的角度出发，我们可以简单对比一下各种IoT技术。

Sigfox是支持距离最远的，可达10km，但速率也是最低的，只有不到1kbps，也同样工作在sub 1GHz；

Lora的支持距离也较远，可达几km甚至10几km，速率有所提升，可达50kbps；

NB-IoT支持距离与Lora同等量级，速率升至250kbps；

Zigbee适合10米至100米以内的短距离，速率在20-250kbps；

BLE距离在10米以内，速率可达几百k-2Mbps；

802.11ah支持1km以内的距离，速率根据带宽、调制和流数的不同，范围较宽，可以从几百kbps到十几Mbps，甚至几十Mbps。注意这里说的都是典型速率，如果从IEEE 802.11的标准中使用最大的调制阶数和带宽以及最大的流数，也可以算出几百M的速率。例如：150kbps (当1MHz带宽, 1个空间流, BPSK, 1/2码率)，或347Mbps(当16MHz带宽, 4个空间流,
256QAM, 5/6码率)。

LTE Cat-1/0/M：与NB-IoT一样，最大的特点与区别是他们使用的是蜂窝网络运营商分配的许可频段。而其他技术基本使用的都是免许可频段，例如ISM。速率与距离与11ah较为接近。

02、11ah的使用频段

说到11ah的使用频段，也是有很多的版本。主要的原因还是由于很多国家并未真正商用，最初仅仅有一个规划，后来又杳无音信。例如，中国最初为11ah规划的频段起点为755MHz，终点为787MHz。755MHz至779MHz之间的频率允许最大发送功率为5mW。在779MHz和787MHz之间，最大允许发送功率为10mW。在779MHz和787MHz之间频率范围内，允许使用4个2MHz信道、2个4MHz信道和1个8MHz信道。如下图所示。但我们知道这段频率早在五年前就已经被划分5G使用。

那么真正在使用802.11ah的国家有哪些呢？

美国：802.11ah允许使用的902-928 MHz频段，属于ISM（工业、科学和医疗）频段的一部分。总共26MHz的带宽，分为1、2、4、8或16MHz信道。

11ah采用OFDM，在1MHz信道中使用24个数据子载波，在2M带宽中使用52个数据子载波。调制方式可以是BPSK、QPSK 或16QAM、64QAM或256QAM，并有多种编码选项，可提供多种数据速率。

带宽 (MHz)	子载波数	发送数据的子载波
1	32	-12 ～ -1 和 1 ～ 12
2	64	-26 ～ -1 和 1 ～ 26
4	128	-58 ～ -2 和 2 ～ 58
8	256	-122 ～ -2 和 2 ～ 122
16	512	-250 ～-130, -126 ～ -6, 6 ～ 126 和 130 ～ 250

FCC是如何规定其发射功率的呢？在 902-928 MHz频段使用数字调制的系统，最大峰值传导输出功率不得超过1W。平均值不得包括发射机关闭或以较低功率发射的任何时间间隔。并且是基于使用定向增益不超过 6dBi 的天线。如果使用定向增益大于6 dBi 的发射天线，则传导输出功率应降低幅度为天线定向增益超过6 dBi 的dB数。

以下是一个实际的11ah的AP所能支持的频点、带宽和速率。传输距离可达3km，并能同时与675个STA连接。这也是11ah的一个特有优势，它每个AP能提供的最大可寻址的STA，相比于Wi-Fi4/5/6，是4倍的关系。

1MHz带宽频点:903.5, 904.5, 905.5, 906.5, 907.5, 908.5, 909.5, 910.5, 911.5, 912.5, 913.5,914.5, 915.5, 916.5, 917.5, 918.5, 919.5, 920.5, 921.5, 922.5, 923.5, 924.5,925.5, 926.5 MHz2MHz带宽频点:905, 907, 909, 911, 913, 915, 917, 919, 921, 923, 925 MHz4MHz带宽频点:910, 914, 918, 922 MHz

欧洲：863-868 MHz这段也是ISM频段，在发射功率和占空比上有一些限制。那么除了11ah，很多的IoT技术，例如Sigfox、Lora、Zigbee、NB-IoT都允许使用这段频率。

日本：802.11ah使用916.5-927.5 MHz频段，这一段频率也可支持各种物联网应用。

03、11ah的物理层特性

S1G PHY也是基于VHT即11ac，所以说11ah定义了1 GHz以下频段的OFDM物理层，使用比2.4 GHz和5 GHz频段更窄的带宽，支持的最大时空流数为四个，并支持下行多用户（MU）传输。MU传输最多支持四个用户，每个用户最多三个时空流，时空流总数不超过四个。支持1MHz、2MHz、4MHz、8MHz 和16MHz的通道带宽。所有带宽均使用31.25kHz的子载波间隔。所以IDFT/DFT周期等于32µs，比802.11ac长10倍。OFDM符号周期为40µs，包括8µs的保护间隔（GI），如果是short GI则为36µs。

其中1M和2M带宽是强制要求的，其余的4M～16M带宽为可选。

有三种PPDU格式：S1G_SHORT, S1G_LONG, 和S1G_1M

S1G_SHORT：用于2 MHz, 4 MHz, 8 MHz, and 16 MHz的SU传输；

S1G_LONG：用于2 MHz, 4 MHz, 8 MHz, and 16 MHz的SU和MU传输；

S1G_1M：用于1 MHz的SU传输；

其中，各部分的含义如下：

STF：Short Training fieldLTF：Long Training fieldSIG：SIGNAL fieldSIG-A：Signal A field D-STF：Short Training field for the beam changeable portionD-LTF：Long Training field for the beam changeable portionSIG-B：Signal B fieldData：The Data field carries the PSDU(s)GI：Guard intervalGI2：Double guard intervalLTS：Long training symbol

空间流数为1的1MHz带宽下的S1G的MCS对应速率如下：

S1G需要考虑IoT应用，那么节能和海量连接是必不可少的。11ah还有一个小名儿叫做“Halow”，来源于 "hallow（神圣） "一词的谐音。其中Low也代表了IoT中的低功耗。它通过减少Tx和Rx的工作时间以及增加站点的待机时间来实现节能。通过定义不带数据字段的空数据包（NDP：null data packet）携带 MAC帧格式和定义新的短MAC header（缩减为 12 个字节），减少了发送/接收的激活时间。 802.11ah 通过引入目标唤醒时间（TWT：Target wakeup times）预先安排台站的唤醒时间，以便AP知道台站何时唤醒、non-TIM（traffic identification map：流量识别图）操作，STA无需定期唤醒以接收信标、延长监听时间（台站可睡眠数小时/数天并保持联系）和AP的电源管理（为电池供电的AP提供睡眠机制）来延长待机时间。802.11ah 通过采用新的分层TIM结构和高效编码，实现了对大量站点（多达 8000 个站点）的支持。并且基于载波侦测多路访问与碰撞避免（CSMA/CA）方案的分布式协调功能（DCF）保证了各个站点的介质接入规则。

频谱模板定义分别如下：1/2/4/8/16MHz

频谱的平坦度：注意下表是normal mode，还有其他两种mode这里忽略。

频率容限：± 20 ppm

相对星座误差RCE：

接收灵敏度：PSDU长度为256个八进制数据包时，下表输入电平值情况下，数据包错误率 (PER) 应小于 10%。适用于non-STBC模式、8µs GI、BCC和S1G PPDU。

邻道和非邻道抑制：主信号功率应在上表基础上+3dB，邻信道或非邻信道中的干扰信号应为符合要求的S1G信号，与被测信道中的信号不同步，占空比至少为50%。本子条款中的测试和表 23-35 中规定的非相邻灵敏度级别仅适用于具有 8 s GI 和 BCC 的非 STBC 模式。相应的功率应不低于下表中的规定，其他要求同灵敏度测试。