改善Wi-Fi功耗/覆盖率　802.11ah满足物联网应用

   现今Wi-Fi技术主要运作于高频段的2.4G～5GHz，因而限制在户外环境的传输范围；所以IEEE 802.11工作小组制定出新的802.11ah标准，可在1GHz以下的免授权频段运作，大幅改善传输范围与耗电量，满足物联网或机器对机器(M2M)应用需求。

802.11ah基于802.11ac标准的降频时脉(Down-Clocking)，并且在PHY层及MAC层中新增一些强化功能，例如省电、大量基地台支援、涵盖范围更广，以及行动接收等。此标准仍在起草阶段，预期在2016年正式推出。Wi-Fi联盟也着手制定以802.11ah为基础的认证计画。  
802.11ah具大覆盖率/低功耗/原生支援IP特点  

一般而言，802.11ah有三种主要使用案例：感测器网路、回送感测器与电表资料的回程网路，以及基于802.11ah技术特性扩展Wi-Fi范围。802.11ah的主要优点包含：大覆盖范围、低功耗、原生IP支援，并且支援各式各样的装置。详细说明如下；  

．802.11ah可利用1MHz及2MHz强制模式延伸覆盖范围。  

．802.11ah的PHY及MAC增强特性可满足大规模感测器网路对于超低功耗及多年电池续航力的要求，在小型封包及休眠时间长的状况下，具有最佳化效能。  

．802.11ah感测器为原生IP支援。  

．透过阶层式辨识元结构，多达8,191个装置可与无线存取装置(AP)相关。  

图1显示未来智慧家庭感测器网路的范例。在此情境中，室内安装一个采用802.11ah技术的AP。整个住家到处都部署温度感应器、光线感应器及智慧型电表等各种不同装置，让家用装置及家电用品变得更聪明。  


图1　802.11ah在智慧家庭环境中的应用示意图
第二个使用案例是回送感测器及电表资料的回程网路，可提供感测器与资料收集器之间的连线。IEEE 802.15.4g为感测器提供链路，而802.11ah则提供无线回程链路，以便将感测器所产生的聚合资料转送至资料中心。图2显示无线回程网路，其中802.11ah AP及闸道器负责收集感测器送出的资料，然后将资料转送至资料中心。  


图2　802.11ah在回程网路中的使用状况
Wi-Fi可延伸应用于家庭、校园、运动馆、购物商城及其他地方。相较于在2.4GHz与5GHz频率上运作的旧式WLAN技术，802.11ah AP提供更宽广的频率覆盖范围，可进一步涵盖车库、后院及地下室。  

举例来说，校园WLAN解决方案采用三频段AP(2.4GHz/5GHz/ 900MHz)，因此校园各处都支援无线存取。办公室及教室都在802.11ac的覆盖范围，而户外区域则由11ah AP提供无线存取，可延伸到大楼、停车场及运动场间的活动空间，如此有助于减轻蜂巢式网路的负荷。802.11ah AP支援更广的覆盖区域及更多的学生。  

图3显示802.11ah的全球通道分配状况。可看到许多国家都已分配802.11ah频谱，同时也指定所支援的最大频宽。由于各国法规不同，藉由绑定通道所获的最大通道频宽各不相同。  


图3　802.11ah全球通道分配状况
美国分配到902M∼928MHz的频率范围，最大频宽是16MHz；中国配置的总频宽是32MHz，频率范围为755M∼787MHz，最大频宽是8MHz；韩国针对802.11ah通道配置917.5M∼923.5MHz的频率范围，最大频宽是4MHz；日本有十一个1MHz通道，频率范围为916.5M∼927.5MHz；新加坡频率范围分成两段，分别是866M∼869MHz及920M∼925MHz，总共是8MHz，最大频宽是4MHz。  
802.11ah以802.11ac实体层十倍降频时脉为基础  
IEEE 802.11ah主要是以IEEE 802.11ac实体层的十倍降频时脉为基础，所定义的频宽有2MHz、4MHz、8MHz及16MHz，另有1MHz通道是为进一步延伸覆盖范围而定义。1MHz及2MHz属于强制性支援。  

实体层可分成两大类，一类是频宽大于或等于2MHz的传输模式；另一类是1MHz的传输。第一类可视为802.11ac的十倍降频时脉。由于傅立叶转换(FFT)的大小与802.11ac一样，因此子载波间隔为31.25kHz，只有802.11ac子载波间隔312.25kHz的十分之一。  

802.11ah正交分频多工(OFDM)符元区间是802.11ac的十倍，而保护间隔也是802.11ac的十倍，可以是4μs、8μs或16μs，因此802.11ah可符合高达一公里覆盖范围的目标。1MHz传输模式使用与31.25kHz一样的子载波间隔，因此FFT大小是三十二。  

1MHz通道的目标是进一步延伸传输范围。远距传输另增新的MCS10。此MCS与使用二分之一码率的MCS0相同，但会重复两次，因而扩大传输范围。802.11ac已定固定导频码型，但802.11ah另外新增移动导频(Travelling Pilot)的新导频码型。移动导频可更有效降低都卜勒效应，可更全面地支援行动接收。 在传输模式方面，802.11ah的短讯框模式或长讯框模式支援正常的S1G，以及可重复的S1G_DUP_1MHz模式与S1G_DUP_2MHz模式。  

如为S1G_DUP_1MHz模式，其所有占用频宽都会重复S1G 1MHz，因此就4MHz频宽而言，会重复所有四个1MHz通道的S1G 1MHz讯号。802.11ah也支援多用户多输入多输出(MU-MIMO)，但仅限4×MIMO串流。802.11ac的波束成形也是支援项目之一。表1逐项显示802.11ac与802.11ah的对照关系。  


如表1所示，802.11ah标准涵盖多种资料速率、调变复杂度以及多串流配置，但是单通道以及低资料速率仍然是最常见的使用案例。  

更高的调变机制、更高的MIMO阶数(多达4×4)、波束成形及多用户MIMO，也属于802.11ah的选项。这些利用更复杂调变机制的应用需要具有必要效能的设备。  

举例而言，考量到调变准确度，量测256QAM调变时，会需要以够低的误差向量振幅(EVM)位准进行发射器测试。知道包括相位杂讯等因素在内的测试设备效能限制，不仅必要且重要。测试仪器也须在进行802.11ah射频测试时，产生并分析频宽更窄的讯号，并须符合窄频标准的要求。  

802.11ah草案标准中定义发射器及接收器的测试项目(表2)。这些项目与其他WLAN标准类似，但每个封包会根据频宽及时序进行缩减。例如，接收器最低输入位准灵敏度测试需降低10dB，因相较于802.11ac标准，802.11ah只需要十分之一的频宽。  


因应这些量测挑战，Keysight Signal Studio软体可处理802.11ah测试，以便轻易产生符合802.11ah标准的波形。利用该软体，使用者可在标准限制范围内，快速变更讯号参数。有些格式还包含用于标准定义特定测试的预设项目，可有效节省时间。如须执行分析，该公司X系列N9077A量测应用软体支援802.11ah发射器测试，并符合标准要求(图4)。  


图4　用于802.11ah 1MHz频宽的802.11ah调变分析