802.11ah（HaLow）协议解析3：物理层改进

关于802.11ah的物理层实际上改进的内容还算是意料之类的，也可以说是为了扩展传输范围所做的一些通用的改进，本文主要做一个简单的整理。

802.11ah的物理层改进概述

我们参照下面这张图（Ref: Intel - Enabling Wi-Fi Internet of Things with 802.11ah Technology）看下802.11ah关于物理层部分的基本内容

这张图已经整理的挺清楚了，主要是4个部分的内容：1.带宽的多元化，2.长距离传输支持，主要是引入了MCS10（实际上是MCS0 with 2x repetition），3.pilot的修改，以及更大的保护间隔，4.CCA的阈值修改。

802.11ah的带宽

我们说多带宽是当下协议中普遍存在的一种迹象，在LTE/5G-NR类型的协议中，多带宽的根源主要是牌照频段比较零散，

在802.11ah以前的协议中，带宽的主要代表是以20MHz为基本带宽。随着802.11协议的继续发展，带宽的多样性就需要伴随着业务做优化设计，以信道绑定为代表的多种带宽组合，比如40MHz，80MHz和160MHz。

虽然在802.11a时代就有了5MHz和10MHz的带宽，但是这里窄带宽的目的是为了避免对于雷达一些的干扰，在特定的国家采用，而且这样的窄带宽事实中很少有所应用。5MHz和10MHz这样的带宽也还是有所发展的，主要应用场景是802.11p作为物理层技术的车联网协议上，这里的采用低带宽的目的是为了划分更多的信道。

802.11ah的目的就和以上有所不同了，主要是为了提升传播的距离，所以802.11ah提供了1MHz，2MHz，4MHz，8MHz和16MHz几种带宽模式。我们可以按照上面的思路，意会802.11ah设计带宽的思路，不过在实际802.11ah中，需要注意的是1MHz，2MHz实际为最基本的带宽。所以后面4MHz以上的几种模式下，其实还是信道聚合的思路，这一点需要注意下。另外，之所以802.11ah可以做这样的设定，核心原因在于其不是工作在传统的2.4GHz/5GHz频段上，所以无需进行兼容性的保护。

在Wi-Fi 6中对于物联网IoT的扩展中也类似的设计，不过带宽和802.11ah的不同，在Wi-Fi 6中，对应的带宽选择为10MHz，这个就是类似的目的，但是属于兼容性保护了。

MCS速率支持

前面说过802.11ah的基本带宽是1MHz，其对应的速率是150kbs。不过802.11ah的设计模板设计上是基于802.11ac的，所以其本身是提供多天线的支持能力的。详情可以看下面这张表格（参考IEEE 802.11ah: Sub-1-GHz License-Exempt Operation for the Internet of Things）

细节就不展开谈论了，理解802.11ac的速率架构很容易对应到802.11ah上理解，唯一需要提一下的是802.11ah的MCS10，也就是对应MCS0 with 2x repetition。

这里直接摘取协议里面的图了，其实原理也比较简单，实际上就是对应的PPDU复制一份，然后再经过BCC编码，然后就是标准的发送流程了。这里重点要和DCM调制方式区分对待一下，相比DCM而言，MCS10的方式更简单一些。DCM初次在协议中应用应该是在802.11ad中，此后在802.11ax以及之后的协议，比如802.11be，802.11bd（也就是802.11NGV）中都有所应用。DCM的之前在《Wi-Fi 6(802.11ax)解析25：DCM双载波调制技术》有写过，这里就不重复了。

Traveling pilot

讨论pilot，我们首先要回到前面802.11ah的带宽问题上。我们说802.11ah的基本带宽是1MHz，并且这里就需要添加说明下，在1MHz的频带宽度上跑的是32点的FFT/IFFT。我们做一个简单计算：

• 传统的802.11带宽是20MHz，跑的是64点的FFT/IFFT，所以其单个子载波的频宽是20MHz/64=0.3125MHz=312.5KHz。
• 在802.11ax以后，带宽不变，但是跑的是256点的FFT/IFFT，所以单个子载波带宽是20MHz/256=0.078125=78.125KHz。
• 在802.11ah中，基本带宽是1MHz，跑32点的FFT/IFFT，单个子载波的带宽是1MHz/32=0.03125MHz=31.25KHz。

由于传统的802.11和802.11ax的场景主要还是偏重于室内场景，而且其单个子载波的带宽比802.11ah要大，其能够抵抗频偏的能力会强一些。而802.11ah的子载波带宽仅为31.25KHz，这会导致其会更容易受到多普勒频偏之类的影响，所以这里就需要对频偏做修正了。而传统的802.11单个子载波带宽较大，仅仅通过带宽就可以抵抗频偏的影响，所以其频偏的修正就比较简单了。

在《802.11协议精读8：再论802.11a/g的发送过程与接收过程》一文中，我们阐述过传统的802.11是采用固定几个子载波作为pilot，主要功能是做一些信号的修正的。这里更直接的说，主要是做CPE修正，避免接收机在解调时由于频偏造成的星座图旋转的。而由于802.11环境下，主要的频偏来源是物理硬件，比如晶振本身的PPM，所以修正只需要在固定子载波放置pilot即可。

而在802.11ah中，由于子载波带宽变小了，而且场景有可能会受到多普勒效应的影响，所以需要对其进行修正。这里我们需要知道，Pilot的形状是密切和频偏产生的原因关联的。在802.11ah中，对应的pilot图案如下。

这种梳状的pilot图案实际上和LTE中的RS信号就是一样的了，不过具体在重复方式上略微有所区别，但是总体结构上是一样的。需要注意的是，由于多普勒频移也会在时域上体现出现，所以传统的固定子载波的Pilot就不适用于802.11ah的场景了，取而代之的就是上图的示例。

Longer Guard interval

这里就按照前面的截图继续写了，在概述中还有说明其采用了更长的保护间隔，具体体现为两倍的保护间隔。这点实际上是非常微妙的，我记得在802.11ah协议中，只有一处谈论过这个保护间隔2倍的问题，主要就是在LTF字段上

其中，GI是单倍的保护间隔，GI2就是双倍的保护间隔了

所以LTF1（也就是单流模式下的LTF），其结构是GI2/LTS/LTS/GI/LTS/GI/LTS的。这里之所以说比较微妙是在于，传统的802.11的LTF部分是GI2/LTS/LTS，如下图所示

所以与其说是LTF部分多了GI2，倒不如说是其结构上后面多了两个GI字段和对应的LTS了，这里由于是协议原图，应该是可以明确的。这里LTS的意思是Long training symbol和上图中的T1，T2的意义是一样的。不过，为什么802.11ah在LTF里面要搞GI2/LTS/LTS之后，不直接重复GI2/LTS/LTS，而是搞成了GI/LTS/GI/LTS的结构，这里笔者还在好好思考下，虽说这个和GI2/LTS/LTS重复本质是一样的，但是这里为什么要这样写，是故意的还是写错了，这里还在思考中ing的。

CCA的阈值

在802.11ah中，关于CCA的阈值还与节点类型有关，802.11ah中将Station分成了两种类型：

关于这两种STA的具体区别，笔者后面再整理。这里主要说明的是其对应两种不同的场景，设计了不用的CCA阈值以适用。

这里type-1偏重的是sensor-station的模式，采用是-98dBm的阈值。其实这个有两个部分的理解，一者这个是主信道的检测阈值，而且这个阈值除了用来检测信道是否空闲，另外主要是在接收状态是，用来检测数据帧的物理层头部的。在802.11ah的协议中，其还用了检测the start of a S1G PPDU之类的描述。

而type-2，虽然图上说明是普遍用于non-sensor station，不过实际上而言，这个更偏于一种纯粹能量检测阈值，其协议描述中我们也是可以从两个角度理解，一者是其用来检测PPDU传输过程中的信道是否空闲，二者是其更多被用于检测在2MHz，4MHz等以上信道绑定的情况下，检测其从信道上是否空闲，这时的检测阈值就是用的是-89dBm了。

以上大致算把802.11ah的物理层改进说明了一下，另外还有一个NDP帧的改进，这个后面再单独补充了。具体而言，物理层改进还是比较常规的，在MAC层改进上，802.11ah的内容会更多一些，所以下面就打算先开始讨论802.11ah的MAC层机制了。

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