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IEEE 802.11ah: Wi-Fi sub GHz

IEEE 802.11ah: Wi-Fi sub GHz


IEEE 802.11ah est une norme Wi-Fi qui a été conçue pour utiliser les bandes ISM sans licence inférieure à 1 GHz.

La propagation radio à ces fréquences signifie que les signaux sont capables de parcourir de plus grandes distances et cela ouvre des possibilités d'utilisation avec l'Internet des objets où les capteurs et les nœuds de contrôle peuvent être éloignés.

Les bandes à ces fréquences sont beaucoup plus petites que les bandes 2,4 GHz et 5 GHz normalement utilisées pour le Wi-Fi et cela limite les débits de données qui peuvent être poussés sur les liaisons.

Pour s'adapter aux différents aspects du Wi-Fi sub GHz, une nouvelle couche physique et MAC ont été développés pour permettre les communications dans ces fréquences, bien qu'à une vitesse inférieure à celle qui est réalisable pour les variantes Wi-Fi à très haut débit du flux principal.

Bases du Wi-Fi IEEE 802.11ah sub GHz

La norme IEEE 802.11ah vise à fournir une norme mondiale de réseau local sans fil, WLAN qui fonctionne dans les bandes ISM, industrielles, scientifiques et médicales sans licence disponibles en dessous de 1 GHz. De cette façon, IEEE 802.11ah permettra aux appareils compatibles Wi-Fi d'accéder aux transmissions à court terme dans ces bandes de fréquences qui sont actuellement beaucoup moins encombrées.

En plus d'avoir accès à un spectre supplémentaire, l'utilisation du 802.11ah fournira une plage de couverture améliorée en raison des caractéristiques de propagation de ces fréquences. Cela ouvrira les applications disponibles aux utilisateurs IEEE 802.11ah à de nouvelles opportunités, notamment des réseaux de capteurs basés sur une zone étendue, des systèmes de backhaul de capteurs et un éventuel déchargement Wi-Fi.

Bandes ISM disponibles

Il existe plusieurs bandes ISM disponibles pour une utilisation par IEEE 802.11ah qui existent en dessous de 1 GHz. Ceux-ci ne sont pas disponibles dans le monde entier, mais des bandes appropriées apparaissent dans la plupart des régions du globe.

Allocations ISM applicables pour IEEE 802.11ah
PaysLimites de bande (MHz)
Chine755 - 787
L'Europe 863 - 868
Japon916.5 - 927.5
Corée917.5 - 923.5
Singapour866 - 869 &
920 - 925
Etats-Unis902 - 928

Canalisation 802.11ah

Le Wi-Fi sous GHz IEEE 802.11ah définit les canaux en fonction du spectre disponible dans un pays donné.

La largeur de canal de base est de 1 MHz, bien qu'il soit possible de lier deux canaux adjacents ensemble pour former un canal de 2 MHz pour fournir une capacité de débit de données plus élevée. Des canaux plus larges sont disponibles, le plus large aux États-Unis étant 16 MHz pour la bande ISM 902 - 928 MHz. Encore une fois, cela utilise la même méthode de liaison de canal adoptée pour 802.11n et 11ac. Des largeurs de canal de 1, 2, 4, 8 et 16 MHz peuvent être utilisées.

D'autres pays ont des attributions de spectre différentes et, par conséquent, les canaux sont sur des fréquences différentes, mais les mêmes méthodes de base sont utilisées, avec évidemment des limitations différentes sur le nombre maximum de canaux pouvant être liés entre eux.

Interface PHY / radio 802.11ah

802.11ah utilise le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence, OFDM pour fournir le schéma de modulation du signal. Cependant, il existe deux catégories dans lesquelles la couche physique PHY 802.11ah peut être divisée:

  • Bande passante du canal 1 MHz: Ce mode de fonctionnement est principalement destiné aux applications nécessitant une portée étendue. La bande passante plus étroite et les débits de données plus lents permettent de recevoir des signaux à des intensités de signal inférieures. Généralement, ces applications peuvent être destinées aux applications IoT ou M2M où de courtes rafales de données, normalement à un faible débit de données, peuvent être nécessaires.

    Dans le mode de bande passante de 1 MHz, 802.11ah utilise le même espacement de sous-porteuse que dans le mode de débit de données supérieur, c'est-à-dire 31,25 kHz. Le nombre de sous-porteuses de données par symbole OFDM est de 24. C'est en fait moins de la moitié du nombre de sous-porteuses de données dans le canal de 2 MHz, car il utilise la bande passante qui aurait été nécessaire pour la bande de garde entre les deux canaux de 1 MHz.

    L'un des principaux objectifs de l'option de canal 1 MHz étant la portée étendue, un nouveau schéma de modulation et de codage, l'indice MCS - MCS 10 - est inclus pour la transmission longue portée en plus des MCS du 802.11ac. Il s'agit effectivement d'un mode de MCS 0 (voir tableau ci-dessous) mais avec une répétition 2x des données pour augmenter la résilience de la transmission.

  • Bandes passantes de 2 MHz et plus: Ce mode utilise des bandes passantes de 2, 4, 8 ou 16 MHz. Il utilise à nouveau OFDM et une conception basée sur un dixième taux d'horloge de 802.11ac, soit une longueur de symbole dix fois supérieure à celle du 802.11ac. MIMO est également utilisé dans 802.11ah également dans ce mode.

    Afin de s'adapter, il existe une variété d'options de schéma de modulation et de codage, MCS, disponibles. Celles-ci sont présentées ci-dessous:

    MCS IEEE 802.11ah pour les canaux de bande passante de 2 MHz
    Débit de données (Mbps)
    Index MCSModulationTaux de codeIG normalGI court
    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

    Dans ce tableau, on verra que MCS 9 n'a pas de débits de données saisis. En effet, MCS 9 n'est pas valide pour 802.11ah avec un seul flux spatial pour un canal de 2 MHz.

MAC 802.11ah

La couche de contrôle d'accès au support ou MAC comporte un certain nombre d'éléments améliorés pour fournir une prise en charge d'un grand nombre de stations, une économie d'énergie, etc.

  • Prise en charge d'un grand nombre de stations: Le point d'accès 802.11 attribue des identifiants, appelés identificateurs d'association, AID, aux stations qui s'associent à l'AP. Pour les systèmes non 802.11ah, le nombre maximum d'identifiants pouvant être alloués est 2007, mais avec 802.11ah utilisé pour éventuellement des applications IoT ou M2M, ce nombre pourrait être dépassé. Pour surmonter ce problème, une structure AID hiérarchique a été introduite. Cet AID hiérarchique a une longueur de 13 bits, ce qui conduit à un nombre maximum de stations associées de 8191 (2-1). Cet AID est divisé en quatre niveaux: page; bloquer; sous-bloc; et l'index des stations dans le sous-bloc.
  • Economie d'énergie: L'économie d'énergie est un problème croissant, en particulier pour IEEE 802.11ah qui sera utilisé pour de nombreuses applications IoT et M2M. De nombreux nœuds distants devront fonctionner avec des batteries et celles-ci doivent pouvoir fonctionner pendant des semaines, voire des années, sans remplacement.
    • Stations TIM: Ces stations restent éveillées en permanence et surveillent en permanence les trames de balise qui sont envoyées. Il peut recevoir des données dès qu'il est prêt à être envoyé.
    • Stations non-TIM: Les stations 802.11ah non temporelles ont un état de somnolence. Lorsqu'ils sont dans cet état, ils ne peuvent pas recevoir de données et cela est prêt pour le moment où ils redeviennent actifs.
  • Améliorations du débit: Afin de pouvoir utiliser au mieux la bande passante disponible, un certain nombre d'améliorations ont été apportées pour garantir que les données sont acheminées aussi efficacement que possible. Pour y parvenir, un certain nombre de nouvelles innovations ont été introduites.
    • Format d'en-tête MAC compact: 802.11ah propose un nouveau format d'en-tête MAC qui est plus compact que ceux utilisés dans les systèmes hérités. Cette modification raccourcit le format d'en-tête MAC hérité et déplace également certains éléments dans d'autres zones. Les champs QoS et High Throughput, HT sont déplacés dans le champ Signal, SIG de l'en-tête PHY et d'autres éléments inutiles sont supprimés. Il n'y a pas non plus de champ de durée dans l'en-tête MAC court. Ces modifications et quelques autres permettent de raccourcir l'en-tête MAC, libérant ainsi un espace précieux et améliorant l'efficacité du système
    • Mécanisme MAC: 802.11ah définit un nouveau schéma d'accès au support dans lequel le délai d'accès au canal et la surcharge de transmission ACK sont éliminés.

Le Wi-Fi sous GHz IEEE 802.11ah fournit des débits de données inférieurs mais des portées plus longues que les variantes Wi-Fi qui fonctionnent dans les bandes au-dessus de 1 GHz où l'absorption par les bâtiments et autres objets augmente considérablement. En tant que tel, le Wi-Fi 802.11ah sub GHz est idéal pour une utilisation avec l'Internet des objets, l'IoT où des distances plus longues peuvent être nécessaires et où le débit de données requis est beaucoup plus faible.

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