802.11ah（HaLow）协议解析1：协议简介

笔者最近读了一下802.11ah的协议，这里把学习到的内容整理一下。802.11ah是802.11协议族中IoT场景的一个专项协议，其具有两个主要特点：a）面向“大连接”，b）节能低功耗。802.11ah工作在Sub-1GHz频段的ISM信道上。虽然802.11ah在商业上不是很成功，但是其协议设计中有很多内容还是比较值得借鉴和参考的，本文我们首先整体介绍一下802.11ah的协议。

802.11ah和HaLow

802.11ah是协议组的命名，而HaLow是Wi-Fi联盟对于802.11ah协议的命名。HaLow这个命名其实算是非常不错的，有几种说法：

• 1）Low代表的是低功耗，而Ha可以代表"Hay-"或者"Halo"。
• 2）HaLow整体的命名接近于Hello，比较好记。
• 3）Ha还有一种意思可以理解，就是其是倒过来的aH，也就是代表了802.11ah。

至于Wi-Fi联盟为什么命名为HaLow，我目前理解大致就是前面三种原因。

802.11ah的定位

802.11ah是802.11协议组为了进军IoT市场，所设计了一个面向大连接IoT的技术协议。该协议是工作在Sub-1G频段的。我们知道802.11协议实际上就是Wi-Fi（主要对象就是无线局域网），不过随着市场的不断发展，802.11协议组也会不断出征，希望占据一些其他领域的网络业务，比如说IoT（即802.11ah），VR/AR这种近距离的图像传输（802.11ad/ay）。这些新扩展的协议往往是基于802.11的核心框架，并加以大刀阔斧的改进，从而为了自己的技术目标服务。所以在学习802.11ah的时候，我们完全需要把它作为一个新的协议来看待，毕竟它的修改体量还是挺大的。不够802.11一以贯之的特点在ah中还是继续存在的，也就是Best-effort。

目前在IoT市场而言，已经有了非常多的网络协议，如下图，大致是一个IoT方面的协议总结：

802.11ah和802.11ax的关系：其中我们主要是关心802.11协议关于IoT的部分，这里我们需要注意的是，802.11的IoT布局实际上是分了两个部分的协议：

• 1）Wi-Fi 6（802.11ax），这个是面向了类似智能家居这样的室内场景的IoT，同时追求速率和功耗，其还是工作在2.4GHz和5GHz频段，与当前的802.11协议兼容。Wi-Fi本身是一个范畴面比较多的协议，其既包含了高速率的设计部分，同时也加入了低功耗的功能。具体可以是设备厂商根据自己的需求，选取不同的功能进行扩展开发。
• 2）HaLow（802.11ah），802.11ah实际上是面向传感器网络这一类的场景了，实际上是IoT最经典的传感器网络这个场景。传感器网络的场景有两个特点，a）节点数目多，是一个典型的大连接场景，b）通常传感器都是用电池供电，也就是对于节能的要求更为苛刻。

802.11ah和802.11af的关系：802.11ah是工作在Sub-1GH频段的，而还有一个802.11协议也是工作在Sub-1GHz频段，也就是802.11af，前者是为了IoT，后者是为了在电视无线信号的频段上覆盖Wi-Fi类型信号。802.11ah和802.11af的初始定位完全是不同的，一者是IoT，另外一个是偏向了认知无线电了。但是对于很多开发者而言，在Sub-1GHz频段内，接连两个802.11技术的有关协议，其实反而是造成了内部竞争。

另外，关于802.11ah和其他有关的IoT协议之间的关系，可以参考下这张图

参考：https://www.myoschain.com/blog/140120188812001280

总体上而言，这张图的描述是准确的，802.11ah相比于其他的一些协议，从性能上而言，的确是比较平均，而且质量都还是不错。不过最后没有成功的原因，可能还是偏向于实现该技术的成本和稳定性上，802.11ah在我目前看来，其是对802.11协议框架有了较多的改变，其保留了802.11的大框架，但是细节部分实际上做了很多的改变，所以技术成本还是有一些的。

综上，802.11ah是面向"大连接类型"的IoT协议，工作在Sub-1GHz的频带。我们下面大致说民下其协议的具体需求。

802.11ah的设计目标

802.11ah的设计目标主要体现在，1）大连接（支持最高8191个节点），2）远距离（单个AP最大1Km的覆盖，支持Relay AP），3）高可靠，4）低功耗，5）安全性好（支持802.11的加密标准），这一系列的特点。从我个人理解而言，我更倾向于把802.11ah的目标说成，是基于802.11的协议框架，面向大连接，远距离，低功耗这个三个因素，做协议的修改。具体设计过程中，我比较倾向于是直接基于802.11ac的协议，引入了大连接，远距离，低功耗这三个特点，实际上，802.11ah和802.11ax的一些技术特征上是类似的，比如TWT，BSS Color，两者都支持，而且实际上ax是借鉴ah的，但是在细节设计上，两者还是有比较大的差异。

具体参数可以参考下图

参考：https://www.standardsuniversity.org/e-magazine/august-2016-volume-6/ieee-802-11ah-wi-fi-900-mhz-license-exempt-band-iot-application/

802.11ah的技术特点

802.11ah有很多新的技术引入，总体而言可以总结几个特点，1）物理层的带宽多样性，2）对节点进行分组管理，以分组调度的方式进行节能工作，3）将MAC层的功能下放到PHY层以提升协议性能。

具体而言，可以参考上图。802.11ah的协议特点包含了：

• 1）Channel with SST（Sub-channel Selective Transmission）：802.11ah支持5种带宽模式，分别是1MHz，2MHz，4MHz，8MHz和16MHz，可以在使用过程中采用SST方式进行选择发送。
• 2）Relay：802.11ah是支持Relay AP的，单个AP的覆盖范围最高是1km，所以如果为了扩展更远的距离，那么就需要引入Relay AP。
• 3）BSS Color：BSS Color是为了增加信道复用的能力，该技术在Wi-Fi 6中也被引入。其第一次被引入是在802.11ah里面的，目的和Wi-Fi 6是一样的。
• 4）Group sectorization：这也是一个分组的方式，扇区分组，是为了提升MAC层性能的一种调度方式。
• 5）4-Level hierarchical device groups：这也是一个分组，主要体现在TIM结构上。其是讲分组机制优化到节能工作模式下，通过分组轮询的模式，节省了能耗的同时，能够有序的轮询所有的分组节点。
• 6）Restrictred Access Window with EDCA：缩写为RAW，主要描述其在竞争模式下，采用RAW这种改良过的竞争方式，减少“大连接”场景下，因为节点数多所造成的冲突概率大的问题。
• 7）OFDM with 4 spatial streams：这个还是为了连接速率，802.11ah继承与802.11ac，最大允许4个空间流。

其余802.11ah还有双向TXOP优化（Bi Directional TXOP），NDP控制帧优化，Traveling pilots and pilot boosting等技术特点。技术特点的细节我后面整理的时候，再进行整理，本文就不展开了。

最后就是总结一下，802.11ah从协议设计上而言，确实是对802.11协议框架做了一次非常不错的灵活应用。不过目前IoT市场的主导还是感觉是低成本，而802.11ah一开始的起始点实际上是802.11ac，即其是在802.11ac基础上进行设计的，所以相对成本还是高一些，导致其在IoT的市场上，并没有引起很大的波澜，不过我们主要还是以关注协议设计为主，希望从中能够扩展对802.11协议体系的理解。

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