基于IEEE802.11ah协议的功率管理技术研究

技术方案　ＴｅｃｈｎＯｌＯａｖ　Ｓｃｈｅｍｅ　数据通信２０１５．４　基于ＩＥＥＥ　８０２．１　ｌａｈ协议的功率管理技术研究　苏红梅’王静ｚ高峰ｚ　（１．河北电信设计咨询有限公司石家庄０５００２１；　２．北京邮电大学信息与通信工程学院网络体系构建与融合北京市重点实验室北京１　００８７６）　摘要：ＩＥＥＥ　８０２．１１ａｈ是针对物联网应用制定的标准，具有低频段、低功耗、广覆盖特点，降低能耗是其　最重要的设计目标之一。总体介绍了８０２．１１ａｈ物理层．￣ＭＡＣ层特性，在此基础上着重分析了其功率管理机　制，对了解８０２．１ｌａｈ的功率管理技术具有一定参考作用。　关键词：物联网；ＩＥＥＥ　８０２．１１ａｈ；低功耗；功率管理　１　引言　表的新一代信息通信技术创新活跃，发展迅猛，正在　２　８０２．１　１ａｈ概述　ＩＥＥＥ　８０２．１　１　ａｈ于２０１０年９月立项，目前仍处于草　以移动互联网、物联网、云计算、大数据等为代　２．１应用场景　全球范围内掀起新一轮科技革命和产业变革。物联　案修订阶段，最新版本为Ｄ　４．０，其标准化工作预计于　网通过与其它信息通信技术的不断融合，正加速与　２０１６年底完成。８０２．１　ｌａｈ定义的大部分场景都考虑到　制造技术、新能源、新材料等其他领域的渗透Ｉ１Ｉ。针对　了传感应用，包括智能仪表、智能电网、农业和环境　物联网的应用特点以及低功耗目标，３ＧＰＰ、ＩＥＥＥ及　监测、工业生产自动化、医疗保健系统等。８０２．１ｌａｈ应　其他国际组织正不断推动新的技术标准研究。ＩＥＥＥ　用场景分为三类：传感器和智能仪表；传感器和智能　针对物联网应用场景，正在开发工作在１ＧＨｚ以下频　仪表回传链路；Ｗｉ—Ｆｉ热点覆盖扩展及蜂窝网分流。　段面向物联网应用的８０２．１ｌａｈ协议标准，目标是可支　池续航能力。　传感器和智能仪表场景下，８０２．１ｌａｈ作为接入　应用平台。这类场景特点是站点基本处于静态，对数　持６０００个以上节点，支持更灵活的速率和长时间电　网，将传感器及智能仪表的数据传输到上层网络或　为满足智能电网、环境监测、智能交通等物联网　据传输速率要求不高（１００ｋｂｉｔ／ｓ），但是对可容纳的站　应用的技术需求，８０２．１ｌａｈ采用了多种关键技术以实　点数目要求很高，要求部分场景下可容纳６０００以上　现降低能耗、扩大覆盖范围、增加可容纳节点数的目　站点。　标。８０２．１ｌａｈ作为物联网新的协议标准，在物理层继　传感器和智能仪表回传链路场景下Ｉ　，如图１所　续使用ＯＦＤＭ技术（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　示，８０２．１　ｌａｈ作为回传链路，下接８０２．１５．４ｇ等底层网　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，正交频分复用），以增强型的８０２．１　１　ＭＡＣ　络，将从底层网络得到的数据传输到应用平台　。这　（Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，媒体接入控制）层技术匹配其　类场景特点是站点处于静态或半静态，数据传输速　物理层技术，并提供相应的机制来支持其与８０２．１５．４　率低于１　Ｍｂｉｔ／ｓ，可容纳５００个站点。　以及８０２．１５．４ｇ的共存圜。本文对８０２．１ｌａｈ物理层特性　层的功率管理机制。　在Ｗｉ—Ｆｉ热点覆盖扩展及蜂窝网分流场景下，工　段的Ｗｉ—Ｆｉ网络传播特性更好，在长距离传播的同时　以及ＭＡＣ层优化特性进行介绍，并详细分析其ＭＡＣ　作在１ＧＨｚ以下频段的８０２．１ｌａｈ相比使用２．４／５ＧＨｚ频　４　技术方案　２０１５．４数据通信　Ｔｅｃｈｎｏｌｏａｖ　Ｓｃｈｅｍｅ　２．３媒体接入控制层增强　在８０２．１　ｌａｈ应用场景下，站点数目较大且大都是　电池供电，而站点所发送的有效信息又比较短，需要　在ＭＡＣ层引人多种增强技术来满足这种应用需求。　８０２．１　ｌａｈ从扩展理论可容纳用户数、提升能效以及降　、、、　赢　、、、　低帧首部、控制帧、信道接入过程对信道资源的占用　这３个方向来对ＭＡＣ层进行优化。　ＡＰ在关联阶段会为站点分配唯一的两字节的　图１传感器和智能仪表回传链路场景示意图　ＡＩＤ（Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ＩＤ，关联标识符），其数值范围为　１￣２００７，数值０和２００８～１６３８３保留，因而ＡＰ理论上可　１　ｌａｈ将ＡＩＤ的值从　能够提供较高的数据传输速率（＜２０Ｍｂｉｔ／ｓ），因而　关联的站点不超过２００７个。８０２．８０２．１　ｌａｈ可以为蜂窝网分担业务流量并扩展Ｗｉ—Ｆｉ热　１－２００７扩展到了０～８１９１，从而支持多达６０００个站点　　点的覆盖范围。这类场景对数据速率的要求相比前　的场景同。为提高有效数据的传输时问，８０２．１　ｌａｈ对ＭＡＣ帧　两类场景要高，可容纳站点数（５ｏ个）相对较少。　２＿２物理层特性　首部进行精简，引入了ＮＤＰ（Ｎｕｌｌ　Ｄａｔａ　Ｐａｃｋｅｔ，空数据　由于１ＧＨｚ以下的可用频段有限，８０２．１ｌａｈ不支　包）ＭＡＣ帧和短信标帧。同时，定义了基于ＲＡＷ　持宽频信道，尤其是像８０２．１　ｌｎ／ａｃ￣Ｉ入的２０ＭＨｚ以上　（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｗｉｎｄｏｗ，限制接入窗ＶＩ）技术的信　将站　分为不同的组，在给定的时间段进行　带宽的信道。８０２．１　ｌａｈ采用的信道带宽是８０２．１　１ａｃ的　道接入机制，１／１０，分别是１、２、４、８以及１６ＭＨｚ，其中只有１ＭＨｚ和　数据传输，以降低站点碰撞的概率。８０２．１ｌａｈ还提出　　２ＭＨｚ信道是强制支持的。不同国家对于可用的１ＧＨｚ　了更为有效的功率管理机制，尽可能地降低能耗。以下ＩＳＭ频段的规定不同，中国可能规划的Ｓｕｂ　１ＧＨｚ　ＩＳＭ频段如表１所示闭。　表１　中国大陆Ｓｕｂ　１　ＧＨｚ　ＩＳＭ频段可能规划一览表　频段ｆＭＨｚ１　８０２　ｌｌａｈ可能的应用　３　８０２．１　１　ａｈ功率管理机制　３．１　８０２．１　１功率管理原理　８０２．１　１定义了两种功率状态：苏醒和休眠。处于　苏醒状态的站点正常工作，可以收发数据；处于休眠　状态的站点关闭无线模块，不能收发数据。站点可以　３Ｉ４—３ｌ６．４３０－－４３２．４３３．００—４３４　７９　４７０—５　ｌ０．６３０—７８７　传感器及智能仪表　传感器及智能仪表、大规模的８０２．１　ｌａｈ　网络　４７０—５６６，６１４—７８７　７７９—７８７　传感器及智能仪表、回传传感器和应用　传感器及智能仪表、回传传感器和应用　工作在两种模式下：活跃模式和省电模式。在活跃模　式下站点一直处于苏醒状态，而省电模式下站点在　８０２．１　ｌａｈ继承并发展了８０２．１　１ａｃ的物理层特性，　苏醒和休眠两种状态之间交替变化。８０２．１　１通过对站　也使用ＯＦＤＭ、ＤＬ—ＭＵ—ＭＩＭ０　ｆＤｏｗｎｌｉｎｋ　Ｍｕｌｔｉ—Ｕｓｅｒ　点的功率状态进行控制来达到功率管理的目的。　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｉｎｐｕｔ，Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｏｕｔｐｕｔ，下行多用户多输入多　当站点处于省电模式时，ＡＰ将缓存去往该站点　输出）等技术。对于≥２ＭＨｚ的８０２．１ｌａｈ信道，其物理层　的帧　包括一些管理『嗡，同时，ＡＰ广播的信标帧携带有　相当于８０２．１　１ａｃ的１０倍降频，所以其ＯＦＤＭ符号时长　ＴＩＭ（ＦｒａＭｅ　Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ　Ｍａｐ，流量指示图臆息元素，通知站　为８０２．１　１ａｃ的１Ｏ倍，但子载波数目和相应８０２．１　ｌａｃ信　点是否有缓存数据。站点每隔一个侦听间隔从休眠状态　道的子载波数目相同。８０２．１ｌａｈ从８０２．１１ａｃ标准继承　中醒来以接收信标帧，并检查其ｎＭ元素，侦听间隔为信　了１０种ＭＣＳ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｄｉｎｇ　Ｓｃｈｅｍｅ，调制编码　标间隔的整数倍。若ＴＩＭ表明没有去往站点的缓存数据，　策略），分别是ＭＣＳ　０～ＭＣＳ　９。由于ＭＣＳ　９不适用于　则站　可以立刻回到休眠状态；若ＴＩＭ表明有去往站点的　８０２．１Ｉａｃ　２０ＭＨｚ信道，因而也不适用于８０２．１ｌａｈ　缓存数据，则站点要向Ａ　ＰＳ—ＰｏｌｌＩ￣。ＡＰｔ￣ＩＪＰＳ—Ｐｏｌｌ　２ＭＨｚ信道。同时，８０２．１ｌａｈ定义了新的ＭＣＳ　１０，相当　帧后向该站点发送缓存的数据分组。　于重复２次的ＭＣＳ　０，以扩大１ＭＨｚ信道传输范围并提　３．２　８０２．１　１　ａｈ功率管理优化技术　高传输的可靠性。　ＩＥＥＥ　８０２．１ｌｅ、ＩＥＥＥ　８０２．１Ｉｎ标准基于传统　５　２０１５．４数据通信　技术方案　Ｔｅｃｈｎｏｌｏａｖ　Ｓｃｈｅｍｅ　容易进行现网部署。方案２是较为理想的一种解决方　题，进行了深入的分析，最后结合现有网络，给出了　案，但问题是仅部分厂家支持该功能，而厂家开发则　相应的部署建议。　需要一定的时间。方案３的及时眭较差，但其优点是　标准流程，易于实现。建议在现网部署时，同时考虑　参考文献　方案１和方案３，即两种方案一起部署，并积极跟进方　案２中关键技术的研究与开发。　［１】３ＧＰＰ　ＴＳ　２３．２０３　Ｖ９．３．０．Ｐｏｌｉｃｙ　ａｎｄ　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　４结束语　ＰＣＣ策略管控是流量经营的重要组成部分，是提高　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｓ］．Ｄｅｃ　２００９　电信运营商管控网络能力的重要手段，也是网络建　设的重点。本文首先给出了ＰＣＣ的网络架构，然后探　讨了基于位置的ＰＣＣ策略管控方案，重点对ＣＰＥ锁位　置业务中的用户使用范围的选择与限制两个关键问　作者简介：王少波，硕士毕业于山东大学。现任职于中国移动　通信集团设计院有限公司山东分公司．主要从事电信网络规　划设计工作。■　（上接第７页）　帧携带ＳＳＴ信息元素来通知站点可以使用哪些子信　参考文献　道以及ＡＰ在下一个信标间隔将使用哪些子信道。　ｆ５）灵活的组播发送　…１工业和信息化部电信研究院．物联网白皮书．２０１４　在容纳上千站点的８０２．１ｌａｈ网络，ＡＰ往往要向　［２李明明，钱肇钧．基于Ｉ２１ＥＥＥ　８０２．１ｌａｈ协议的物联网１ＧＨｚ以　大量站点发送组播消息，就需要在ＴＩＭ中设置很多　下候选频段分析ｆＪ１＿数字通信世界，２０１４（０６）：４４—４８　位，即使对ＴＩＭ进行压缩，若ＡＩＤ不是连续分配的，则　Ｔ１Ｍ的长度仍会很大。如果ＡＰ将组播消息广播，那么　【３］Ｒ．ｄｅ　Ｖｅｇｔ，Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｅ　ｆｏｒ　８０２．１　ｌ　ａｈ　ｕｓｅ　ｃａｓｅ　ｄｏｃｕｍｅｎｔ．２０１　１　４］杜加懂．低频段．低功耗的无线局域网技术一８０２．１ｌａｈＯ］．电　不需要该消息的站点就会浪费能量。为解决这一问　［信网技术，２０１４（３）：１４—１７　题，８０２．１ｌａｈ为组播的一组站点分配ＭＩＤｆＭｕｈｉｃａｓｔ　ＡＩＤ，组播关联标识符）。若站点属于某个组，可以向　［５】Ｅ．Ｋｈｏｒｏｖ　ｅｔ　．Ａ　ｓｕｒｖｅｙ　ｏｎ　ＩＥＥＥ　８０２．１ｌａｂ：Ａｎ　ｅｎａｂｈｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｓｍａｒｔ　ｃｉｔｉｅｓ　【Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１　５，５８（１），５３—６９　［６］ＬｉｕＲＥＧ　Ｊ．Ｓｕｕｏ￣［ＲＣｏｌｌｉｎｇｓ，Ｐｏｗｅｒｓａｖｅｗｉｔｈｏｆｆｓｅｔｌｉｓｔｅｎｉｎｔｅｒｖａｌ　ｆｏｒｌＥＥＥ８０２，１ｌａｈｓｍａ￣ｇｒｉｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１３，１３（￣５５２—２５６２　【７］１ＥＥＥ　Ｐ８０２．１　ｌａｈ／Ｄ３．０　ｄｒａｆｔ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ＡＰ请求ＭＩＤ并在该请求中携带组ＭＡＣ地址和首选侦　听间隔。当ＡＰ缓存有去往一个组的组播消息时，将设　置ＴＩＭ相应的比特位，组内所有站点保持苏醒状态以　接收组播消息，而其他站点无需苏醒。　４结语　当前，物联网市场正在快速发展，８０２．１ｌａｈ作为　新的物联网协议标准，将凭借其技术优势和ｗｉ—Ｆｉ完　善的产业链在物联网市场占据一席之地。ＩＥＥＥ　８０２．１ｌａｈ现在仍处于草案修订阶段，许多技术细节的　标准化工作还在进行，本文对其草案提出的物理　层及ＭＡＣ层增强，尤其是其功率管理机制进行阐　述，对了解８０２。ｌｌａｂ的功率管理技术具有较好的　参考作用。　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｌｏｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ　ａｒｅａ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ—ｐａｒｔ　１　１：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＬＡＮ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　（ＭＡＣ）ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｌａｙｅｒ（ＰＨＹ）ｓｐｅｃｆｃａｉｔｉｏｎｓ－ａｍｅｎｄｍｅｎｔ　６：　ｓｕｂ　１　ＧＨｚ　ｌｉｃｅｎｓｅ　ｅｘｅｍｐｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，２０１４　作者简介：苏红梅，女，河北石家庄人，硕士，主要研究方向为　信息通信咨询规划及物联网技术。王静，女，河南许昌人，硕士　研究生，主要研究方向为无线宽带技术。高峰，男，黑龙江齐齐　哈尔人，博士，主要研究方向为移动通信与无线宽带技术。●　９