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IEEE 802.11ah: Wi-Fi sub GHz

IEEE 802.11ah: Wi-Fi sub GHz


IEEE 802.11ah es un estándar Wi-Fi que ha sido diseñado para utilizar las bandas ISM sin licencia de menos de un GHz.

La propagación de radio en estas frecuencias significa que las señales pueden viajar mayores distancias y esto abre oportunidades para usos con Internet de las cosas donde los sensores y los nodos de control pueden estar ubicados más separados.

Las bandas en estas frecuencias son mucho más pequeñas que las bandas de 2,4 GHz y 5 GHz que se utilizan normalmente para Wi-Fi y esto limita las velocidades de datos que se pueden enviar a través de los enlaces.

Para adaptarse a los diferentes aspectos del Wi-Fi sub GHz, se ha desarrollado una nueva capa física y MAC para permitir las comunicaciones en estas frecuencias, aunque a una velocidad inferior a la que se puede lograr para las variantes de Wi-Fi de muy alta velocidad de transmisión principal.

Conceptos básicos de Wi-Fi IEEE 802.11ah sub GHz

El estándar IEEE 802.11ah tiene como objetivo proporcionar una LAN inalámbrica global, estándar WLAN que opera dentro de las bandas ISM, industrial, científica y médica sin licencia que están disponibles por debajo de 1 GHz. De esta manera, IEEE 802.11ah permitirá que los dispositivos habilitados para Wi-Fi obtengan acceso para transmisiones a corto plazo en estas bandas de frecuencia que actualmente están mucho menos congestionadas.

Además de obtener acceso a espectro adicional, el uso de 802.11ah proporcionará un rango de cobertura mejorado debido a las características de propagación de estas frecuencias. Esto abrirá las aplicaciones disponibles para los usuarios de IEEE 802.11ah a nuevas oportunidades que incluyen redes de sensores basadas en áreas amplias, sistemas de backhaul de sensores y una posible descarga de Wi-Fi.

Bandas ISM disponibles

Hay varias bandas ISM disponibles para su uso por IEEE 802.11ah que existen por debajo de 1 GHz. Estos no están disponibles a nivel mundial, pero aparecen bandas adecuadas en la mayoría de las áreas del mundo.

Asignaciones ISM aplicables para IEEE 802.11ah
PaísLímites de banda (MHz)
China755 - 787
Europa863 - 868
Japón916.5 - 927.5
Corea917.5 - 923.5
Singapur866 - 869 &
920 - 925
Estados Unidos902 - 928

Canalización 802.11ah

El Wi-Fi IEEE 802.11ah sub GHz define los canales en función del espectro que está disponible en un país determinado.

El ancho del canal básico es de 1 MHz, aunque es posible unir dos canales adyacentes para formar un canal de 2 MHz para proporcionar una mayor capacidad de rendimiento de datos. Hay canales más amplios disponibles, siendo el más ancho en los EE. UU. 16 MHz para la banda ISM de 902-928 MHz. Nuevamente, esto usa el mismo método de enlace de canales adoptado para 802.11ny 11ac. Se pueden utilizar anchos de canal de 1, 2, 4, 8 y 16 MHz.

Otros países tienen diferentes asignaciones de espectro y, en consecuencia, los canales están en diferentes frecuencias, pero se utilizan los mismos métodos básicos, obviamente con diferentes limitaciones sobre el número máximo de canales que pueden unirse entre sí.

Interfaz de radio / PHY 802.11ah

802.11ah utiliza multiplexación por división de frecuencia ortogonal, OFDM para proporcionar el esquema de modulación de la señal. Sin embargo, hay dos categorías en las que se puede dividir la capa física de 802.11ah PHY:

  • Ancho de banda de canal de 1 MHz: Este modo de operación está dirigido principalmente a aquellas aplicaciones que requieren un rango extendido. El ancho de banda más estrecho y las velocidades de datos más lentas permiten acomodar señales con intensidades de señal más bajas. Por lo general, estas aplicaciones pueden estar dirigidas a aplicaciones de IoT o M2M donde se pueden requerir ráfagas cortas de datos, normalmente a una velocidad de datos baja.

    En el modo de ancho de banda de 1 MHz, 802.11ah utiliza el mismo espaciado de subportadoras que en el modo de velocidad de datos más alta, es decir, 31,25 kHz. El número de subportadoras de datos por símbolo OFDM es 24. En realidad, esto es menos de la mitad del número de subportadoras de datos en el canal de 2 MHz, porque utiliza el ancho de banda que se habría requerido para la banda de guarda entre los dos canales de 1 MHz.

    Como uno de los objetivos principales de la opción de canal de 1 MHz es el rango extendido, se incluye un nuevo esquema de modulación y codificación, índice MCS - MCS 10 - para transmisión de largo alcance además de los MCS de 802.11ac. Este es efectivamente un modo de MCS 0 (ver tabla a continuación) pero con una repetición 2x ​​de los datos para aumentar la resiliencia de la transmisión.

  • Anchos de banda de 2 MHz y más: Este modo utiliza anchos de banda de 2, 4, 8 o 16 MHz. De nuevo utiliza OFDM y un diseño basado en una décima frecuencia de reloj de 802.11ac, es decir, una longitud de símbolo diez veces superior a la de 802.11ac. MIMO también se usa dentro de 802.11ah también en este modo.

    Para adaptarse, hay una variedad de opciones de Esquema de codificación y modulación, MCS, disponibles. Estos se tabulan a continuación:

    IEEE 802.11ah MCS para canales de ancho de banda de 2 MHz
    Tasa de datos (Mbps)
    Índice MCSModulaciónTasa de códigoGI normalGI corto
    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

    Dentro de esta tabla, se verá que MCS 9 no tiene velocidades de datos ingresadas. Esto se debe a que MCS 9 no es válido para 802.11ah con un solo flujo espacial para un canal de 2 MHz.

MAC 802.11ah

La capa Media Access Control o MAC presenta una serie de elementos mejorados para brindar soporte para un gran número de estaciones, ahorro de energía y similares.

  • Soporte para gran cantidad de estaciones: El punto de acceso 802.11 asigna identificadores, llamados identificadores de asociación, AID, a las estaciones que se asocian con el AP. Para sistemas que no son 802.11ah, el número máximo de identificadores que se pueden asignar es 2007, pero si se utiliza 802.11ah para aplicaciones posiblemente de IoT o M2M, este número podría superarse. Para superar este problema, se ha introducido una estructura jerárquica de AID. Este AID jerárquico tiene 13 bits de longitud, lo que lleva a un número máximo de estaciones asociadas de 8191 (2-1). Esta AID se divide en cuatro niveles: página; bloquear; subbloque; e índice de estación dentro del subbloque.
  • Ahorro de energía: El ahorro de energía es un problema creciente, especialmente para IEEE 802.11ah que se utilizará para muchas aplicaciones de IoT y M2M. Muchos de los nodos remotos necesitarán funcionar con baterías y estos deben poder funcionar durante semanas, o incluso años, sin reemplazo.
    • Estaciones TIM: Estas estaciones permanecen despiertas todo el tiempo y monitorean continuamente las tramas de baliza que se envían. Puede recibir datos tan pronto como esté listo para enviar.
    • Estaciones que no son TIM: Las estaciones 802.11ah sin tiempo tienen un estado dormido. Cuando se encuentran en este estado, no pueden recibir datos y estos se almacenan en búfer y están listos para cuando se vuelvan a activar.
  • Mejoras en el rendimiento: Para poder hacer el mejor uso del ancho de banda disponible, ha habido una serie de mejoras para garantizar que los datos se transporten de la manera más eficiente posible. Para lograr esto, se han introducido una serie de nuevas innovaciones.
    • Formato de encabezado MAC compacto: 802.11ah tiene un nuevo formato de encabezado MAC propuesto que es más compacto que los utilizados en los sistemas heredados. Este cambio acorta el formato de encabezado MAC heredado y también mueve algunos elementos a otras áreas. Los campos QoS y High Throughput, HT se mueven al campo Signal, SIG en el encabezado PHY y se eliminan otros elementos innecesarios. Además, no hay un campo de duración en el encabezado MAC corto. Estos y algunos otros cambios permiten acortar el encabezado MAC, liberando espacio valioso y mejorando la eficiencia del sistema.
    • Mecanismo MAC: 802.11ah define un nuevo esquema de acceso al medio mediante el cual se eliminan el retardo de acceso al canal y la sobrecarga de transmisión ACK.

Wi-Fi IEEE 802.11ah sub GHz proporciona velocidades de datos más bajas pero rangos más largos que las variantes de Wi-Fi que operan en las bandas por encima de 1 GHz donde la absorción por parte de edificios y otros objetos aumenta significativamente. Como tal, el Wi-Fi 802.11ah sub GHz es ideal para usar con Internet de las cosas, IoT donde se pueden requerir distancias más largas y donde el rendimiento de datos requerido es mucho menor.

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