תמיכה ב- IoT וב- 1GHz לטווח ארוך באמצעות IEEE 802.11ah

רשת אזור מקומי (WLAN) של IEEE 802.11 מופעלת בדרך כלל בפסי תדרים של  2.4GHz ו 5GHz. אך פסים אלה בתדרים גבוהים מגבילים את טווח השידור של 802.11n ו-802.11ac בסביבה חיצונית.

קבוצת העבודה של IEEE 802.11 מגדירה תקן חדש שנקרא 802.11ah. 802.11ah פועל בפסים מתחת ל- 1GHz (הפטורים מרישיון), מספק טווח שידור משופר בהרבה וניתן להשתמש בו לרשתות חיישנים בקנה מידה גדול עם צריכת חשמל נמוכה המתמקדת במיליארדי חיבורי מכשירים של Internet of Things – IoT או מכשיר למכשיר – M2M.

802.11ah מבוסס על ביצוע down-clocking של תקן 802.11ac ומוסיף שיפורים בשכבות PHY ו-MAC, כגון: חיסכון בחשמל, מספר גדול של תמיכה בתחנות, כיסוי טוב יותר וקליטה סלולרית. תקן זה עדיין במצב טיוטה וצפוי להפוך לסופי ב-2016. גם Wi-Fi Alliance התחילה להגדיר תכניות הסמכה המבוססות על 802.11ah.

1. תרחישי שימוש

באופן כללי, יש שלוש קטגוריות של תרחישי שימוש עבור 802.11ah: רשתות חיישנים, רשת תמסורת (backhaul) לחיישנים ונתוני מדידה וטווח Wi-Fi מורחב בהתאם למאפייני טכנולוגיית 802.11ah.

היתרונות העיקריים של 802.11ah הם: כיסוי גדול, צריכת חשמל נמוכה, תמיכה ב-IP מקומי ובמספר מכשירים רב

• 802.11ah יכול להרחיב את הטווח באמצעות מצבי חובה  1MHz ו- 2MHz.
•  יש מספר שיפורים ב-PHY ו-MAC של 802.11ah המשיגים צריכת חשמל נמוכה במיוחד וחיי סוללה למשך מספר שנים לרשתות חיישנים בקנה מידה גדול, הממוטבות לגודל חפיסה קטן וזמן שינה ארוך.
•  חיישן 802.11ah מאפשר תמיכת IP מקומית.
•  עד 8,191 מכשירים משויכים לנקודת גישה (AP) דרך מבנה זיהוי היררכי (hierarchical identifier structure).

באיור 1 אפשר לראות דוגמה לרשתות חיישנים בבית חכם בעתיד. בתרחיש זה, AP עם טכנולוגיית 802.11ah ממוקם בתוך הבית. מספר גדול של מכשירים כגון חיישני טמפרטורה, חיישני תאורה ומודדים חכמים נפרסים ברחבי הבית ומאפשרים להתקנים ולמכשירים בתוך הבית להיות “חכמים”.

התרחיש השני הוא רשתות התמסורת של חיישנים ונתוני מדידה. רשתות התמסורת מספקות את החיבור בין חיישנים ואוספי נתונים. IEEE 802.15.4g מספק קישור לחיישן הנמוך ו-802.11ah מספק קישור תמסורת אלחוטי כדי להעביר את הנתונים הנצברים שנוצרו על ידי החיישנים למרכז הנתונים.

איור 2 מדגים רשת תמסורת אלחוטית שבה 802.11ah AP אוספים ומעבירים את הנתונים ממכשירי החיישנים למרכז הנתונים.

הטווח המורחב של Wi-Fi יכול לשמש בבתים, בקמפוסים, באצטדיונים, בקניונים ובמיקומים אחרים. 802.11ah AP מספק טווח כיסוי רחב יותר כדי להגיע לחניות מקורות, חצרות אחוריות ומרתפים לעומת טכנולוגיות WLAN מהדור הקודם שפועלות ב-2.4GHz ו- 5GHz. לדוגמה, פתרון WLAN בקמפוס שמשתמש בAP עם שלושה פסים (2.4GHz /5GHz/ 900MHz), מספק גישה אלחוטית לכל מקום בקמפוס. משרדים וכיתות מכוסים ב-802.11ac ולאזורים חיצוניים יש  11ah AP המספק  כיסוי טווח מורחב לשטח שבין בניינים, חניונים ומגרשי ספורט. כך אפשר להקל על העומס הסלולרי באמצעות כיסוי מורחב של 802.11ah. 802.11ah AP תומך באזור כיסוי רחב יותר ובמספר גדול יותר של סטודנטים.

ניתוב

איור 3 מציג את הניתוב הגלובלי של 802.11ah. אפשר לראות שארצות רבות זיהו את הספקטרום של 802.11ah וגם פירטו את רוחב הפס המקסימלי שבו הם יתמכו עבור 802.11ah. רוחבי הפס המקסימליים של ערוצים שהושגו על ידי איגוד ערוצים שונים עקב תקנות המדינה הספציפית.

ארצות הברית מקצה את 902 עד 928MHz ורוחב הפס המקסימלי הוא 16MHz; בסין, רוחב פס של 32MHz בסך הכל מ-755 עד MHz787הוקצו עבור 802.11ah ורוחב הפס המקסימלי הוא 8MHz; 917.5 עד 923.5 הוא ערוץ 802.11ah בקוריאה ורוחב הפס המקסימלי הוא 4MHz; ליפן יש 11 ערוצי 1MHz מ-916.5 עד 927.5; לסינגפור יש שני מקטעים – 866 עד 869MHz ו-920 עד 925MHz – בסך הכל 8MHz, ורוחב הפס המקסימלי הוא  4MHz.

שכבה פיזית

IEEE 802.11ah מבוסס בעיקרו על ביצוע down-clocked, עשר פעמים בשכבה הפיזית של IEEE 802.11ac. 802.11ah מגדיר את רוחב הפס כ- 2MHz, 4MHz, 8MHz ו-16MHz. ערוץ 1MHz מוגדר בנוסף למטרות של כיסוי מורחב נוסף. תמיכה ב- 1MHz ו- 2MHz היא חובה. ניתן לחלק את השכבה הפיזית לשתי קטגוריות, קטגוריה אחת היא מצב השידור של רוחב פס השווה ל-2MHz או גדול ממנו. הקטגוריה השנייה היא שידור של  1MHz. בקטגוריה הראשונה, ניתן להחשיב אותה כ-10 פעמים של down-clocking של 802.11ac. מכיוון שגודל ה-FFT הוא גם זהה לזה של 802.11ac, ריווח ה subcarrier הוא  31.25kHz, שהוא רק עשירית מ- 312.25kHz של ריווח ה-subcarrier של ה 802.11ac. המשך הסמלי של אפנון חלוקת תדר אורתוגונלי (OFDM) של 802.11ah הוא פי עשר מזה של 802.11ac, ומרווח השמירה הוא גם פי 10 בהשוואה ל-802.11ac, שיכול להיות 4µs, 8µs או  16µs כך ש-802.11ah יכול לעמוד ביעד של טווח הכיסוי של עד ק”מ אחד. במצד שידור של  1MHz, הוא משתמש בריווח subcarrier זהה לזה של  31.25kHz, כך שגודל ה-FFT יהיה 32.

היעד של ערוץ 1MHz הוא להרחיב עוד יותר את טווח השידור. MCS 10 החדש נוסף לשידור בטווח רחוק. MCS זה הוא זהה ל-MCS0 באמצעות קצב קוד של חצי, אך הוא יחזור פעמיים כך שטווח השידור ניתן להגדלה. הדפוס הניסיוני הקבוע הוגדר ב-802.11ac, אך 802.11ah מוסיף דפוס ניסיוני חדש שנקרא ניסיון העברה. דפוס העברה יכול למזער בצורה טובה יותר את אפקט הדופלר כדי לספק תמיכה טובה יותר בקליטה סלולרית.

במצב שידור, 802.11ah תומך ב-S1G הנורמלי עם מצב מסגרת קצר או ארוך והחזרה על מצבי S1G_DUP_1MHz ו-S1G_DUP_2MHz. במצב S1G_DUP_1MHz, הוא יחזור על S1G 1MHz בכל רוחבי הערוצים התפוסים, כך שעבור רוחב הפס של  4MHz, הוא יחזור על אות S1G 1MHz בכל ארבעת ערוצי  1MHz. 802.11ah תומך גם ב-MIMO מרובה משתמשים אך זרם MIMO מוגבל לארבע. הוא תומך גם בעיצוב אלומה (beamforming) של 802.11ac כאופציה.

ההשוואה המפורטת במצב peer-to-peer בין 802.11ac ובין 802.11ah מוצגת בטבלה 1.

1. אתגרי מדידה

כפי שניתן לראות בטבלה 1, תקן 802.11ah מכסה טווח רב של קצבי נתונים, מורכבויות במודולציה ותצורות מרובות זרמים, אף שתרחישי השימוש הנפוצים ביותר הם לערוץ אחד וקצבי נתונים נמוכים. אתגרי הבדיקה לסכמות מודולציה גבוהות יותר, סדר MIMO גבוה יותר (עד 4×4), עיצוב אלומה ו-MIMO מרובה משתמשים הם גם אופציונליים ב-802.11ah. כדי שמפרטים אלה ינצלו את היתרונות של סכמות מודולציה מורכבות יותר, נדרש ציוד בדיקה עם הביצועים הנחוצים. לדוגמה, כששוקלים את דיוק המודולציה, בדיקת המשדר עם רצפת EVM נמוכה מספיק תדרוש מדידת מודולציות של 256QAM. הכרת המגבלות של ביצועי ציוד הבדיקה, כולל גורמים כגון רעש פאזה, נחוצים וחשובים. כמו כן, מכשור הבדיקה צריך לתמוך ביצירה ובניתוח רוחב פס צר בהרבה עבור בדיקת RF של 802.11ah, וכן לעמוד בדרישות הסטנדרטיות של שימושי רוחב פס צר.

פריטים של בדיקת משדר ומקלט מוגדרים בטיוטה של תקן 802.11ah. פריטים אלה דומים לתקני WLAN אחרים, אך הם בהיקף קטן יותר בהתאם לרוחב הפס והתזמון של כל חפיסה. לדוגמה, בדיקת הרגישות של רמת הקלט המינימלית של המקלט צריכה להיות נמוכה יותר ב- 10 dB מפני שרוחב פס של 1/10 נדרש בהשוואה לתקני 802.11ac.

כדי לטפל באתגרי מדידה אלה, תוכנת Signal Studio של Keysight היא פתרון אחד שיכול לטפל ב-802.11ah, ולהקל על יצירת צורות גל התואמות לתקן עבור 802.11ah. Signal Studio מאפשר למשתמש לשנות במהירות את הפרמטרים של אות במסגרת מגבלות התקן. כמו כן, פורמטים מסוימים כוללים הגדרות שנקבעו מראש לבדיקות ספציפיות שהוגדרו בתקן, וחוסכות זמן נוסף.

מבחינת הניתוח, יישום הבדיקה X-Series N9077A של Keysight תומך בבדיקת משדר 802.11ah והוא תואם לחלוטין לדרישות התקן.

ל-Keysight יש מבחר נרחב של מוצרים שיעזרו במחקר, בתכנון, באימות ובייצור של התקני 802.11ah במחזור חיי המוצר כולו, לרבות מחוללי אותות, נתחי אות ומכשיר בדיקה ומכשיר יחיד לביצוע מספר בדיקות – One box tester (ראה איור 5).