IEEE 802.11ah低频WiFi标准概览

曾经有很多读者朋友问我，如何提升WiFi信号的绕射（即衍射）能力？我的回答都是没有任何办法。常规的WiFi设备都是工作在2.4GHz，5GHz频段，这两种频段对应的电磁波波长通常小于障碍物的尺寸，再怎么高深的算法或是电路设计都无法改变电磁波本身的特性，所以WiFi信号的绕射就成了不可能。但有个好消息是，预计于2016年发布的IEEE 802.11ah标准将可以解决这个问题，因为其规定的工作频率是1GHz以下。

近期在对一个新的软件无线电项目需求进行评估时，简单了解了一下IEEE 802.11ah。IEEE 802.11ah物理层是IEEE 802.11ac的降频版本。作为802.11n的升级版，802.11ac支持80MHz，160MHz，80+80MHz信道带宽，也支持802.11n的20/40MHz信道带宽。802.11ah定义了2MHz，4MHz，8MHz，16MHz信道带宽，刚好是此前标准的1/10。此外，802.11ah还定义了1MHz信道带宽，用于更远距离无线传输。

其目标应用场景包括传感器和智能抄表，传感器和智能抄表回传链路，WiFi覆盖扩展。目前IEEE 802.11ah草案已经可以下载，只是需要花费302.00美金，如下图。

IEEE 802.11ah信道

与5GHz频段类似，1GHz以下频谱中，可用频段因国家而异。因此，802.11ah根据不同国家的实际情况定义了不同的频率范围，包括美国，韩国，中国，欧洲，日本与新加坡。以美国为例，频率范围是902-928MHz，共28MHz频谱资源，1MHz信道带宽情况下具有26个可用信道。为了达到更高的吞吐量，802.11ah保留了802.11n，802.11ac中的信道绑定方法，即多个相邻信道组成更宽的信道带宽。由此，2MHz信道带宽就是由2个相邻的1MHz信道组成，4MHz就是由相邻的4个信道组成，以此类推。对于802.11ah，美国最大能够支持16MHz信道带宽。下图给出了美国的802.11ah信道组成。

不同国家的可用802.11ah频谱如下图所示。可以看到韩国的可用频率为917.5-923.5MHz，0.5MHz的频率偏移是为了减少可能的干扰；欧洲的可用频率范围为863-868MHz；中国的可用频率范围为755-787MHz（有待考证）；日本的可用频率范围为916.5-927.5MHz；新加坡的可用频率由两段不连续的频谱组成。从这张图中也足以看出频谱资源是何等珍贵。

IEEE 802.11ah传输模式

在802.11ah标准中，1MHz与2MHz作为通用信道带宽，所有的802.11ah设备也必须支持这两种信道带宽。802.11ah的物理层设计可以分为2类，第1类是高于（包含）2MHz的信道带宽，第2类是1MHz信道带宽。

对于高于（包含）2MHz的模式，如4MHz，8MHz，16MHz，802.11ah物理层精确地设计为802.11ac物理层时钟的1/10，具有如下特征：

· 支持OFDM
· 支持MIMO
· 支持MU-MIMO
· 与802.11ac具有相同的子载波数
· OFDM符号周期刚好是802.11ac的10倍
· 支持MCS0-9

2MHz信道带宽下的802.11ah速率集如下表所示。很明显可以看出，802.11ah速率刚好是802.11ac的1/10。为了降低功耗，802.11ah最多支持4条空间流，而802.11ac最多可支持8条空间流。

MCS Index	Modulation	Code Rate	NSD	NDBPS	Data Rate (Normal GI)	Data Rate (Short GI)
MCS-0	BPSK	1/2	52	26	0.65 Mbps	0.72 Mbps
MCS-1	QPSK	1/2	52	52	1.3 Mbps	1.44 Mbps
MCS-2	QPSK	3/4	52	78	1.95 Mbps	2.17 Mbps
MCS-3	16-QAM	1/2	52	104	2.6 Mbps	2.89 Mbps
MCS-4	16-QAM	3/4	52	156	3.9 Mbps	4.33 Mbps
MCS-5	64-QAM	2/3	52	208	5.2 Mbps	5.78 Mbps
MCS-6	64-QAM	3/4	52	234	5.85 Mbps	6.5 Mbps
MCS-7	64-QAM	5/6	52	260	6.5 Mbps	7.22 Mbps
MCS-8	256-QAM	3/4	52	312	7.8 Mbps	8.67 Mbps
MCS-9	256-QAM	5/6	–	–	–	–

对于1MHz传输模式，802.11ah物理层具有如下特征：

· FFT点数：32
· 子载波数：24
· MCS类型：MCS10
· 子载波间隔：31.25KHz

IEEE 802.11ah MAC层

802.11ah MAC层设计过程中引入了一些增强的特性与新的帧结构，具有如下特征：

· 支持大量终端接入
· 增强节电效能
· 高效的媒体访问机制
· 增强的吞吐量