Analyse du protocole 802.11ah (HaLow) : introduction au protocole - ANJIELOSMART
Concernant le protocole 802.11ah, examinons son contenu. 802.11ah est un protocole spécifique aux scénarios IoT de la famille 802.11. Il présente deux caractéristiques principales : a) une orientation « connexions massives » ; b) des économies d'énergie et une faible consommation. 802.11ah fonctionne sur le canal ISM dans la bande de fréquences inférieure à 1 GHz. Bien que le 802.11ah ne connaisse pas un grand succès commercial, sa conception comporte de nombreux éléments dignes d'intérêt. Dans cet article, nous présentons d'abord le protocole 802.11ah dans son ensemble.
802.11ah et HaLow
802.11ah est le nom du groupe de protocoles, et HaLow est le nom de la Wi-Fi Alliance pour le protocole 802.11ah. Le nom HaLow est en fait très bien. Il existe plusieurs façons de le prononcer :
1) Low représente une faible consommation d'énergie et Ha peut représenter « Hay- » ou « Halo ».
2) Le nom général de HaLow est proche de Hello, ce qui est plus facile à retenir.
3) Ha a une autre signification qui peut être comprise, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un H inversé, ce qui signifie qu'il représente 802.11ah.
Quant à la raison pour laquelle la Wi-Fi Alliance l’a nommé HaLow, c’est à peu près la même raison que les trois premières.
Positionnement du 802.11ah
Le protocole 802.11ah est un protocole technique conçu par le groupe de protocoles 802.11 pour les connexions IoT à grande échelle, afin de pénétrer le marché de l'IoT. Ce protocole fonctionne dans la bande de fréquences inférieure à 1G. Le protocole 802.11 est en réalité destiné au Wi-Fi (principalement destiné aux réseaux locaux sans fil), mais avec le développement du marché, le groupe de protocoles 802.11 continuera de se développer, espérant occuper des services réseau dans d'autres domaines, tels que l'IoT (802.11ah) et la transmission d'images à courte portée comme la réalité virtuelle/réelle (802.11ad/ay). Ces protocoles récemment étendus s'appuient souvent sur le cadre de base du 802.11 et sont considérablement améliorés pour répondre à leurs propres objectifs techniques. Par conséquent, lors de l'apprentissage du 802.11ah, il est impératif de le considérer comme un nouveau protocole. Après tout, son volume de modifications est considérable. Les fonctionnalités qui ne sont pas suffisamment cohérentes dans la norme 802.11 existent toujours dans la norme ah, c'est-à-dire Best-effort.
Actuellement, sur le marché de l'IoT, il existe déjà de nombreux protocoles réseau. La figure suivante en présente un résumé approximatif :
Relation entre 802.11ah et 802.11ax : nous nous intéressons principalement à la partie IoT du protocole 802.11. Il convient de noter que la structure IoT du protocole 802.11 est en réalité divisée en deux parties :
1) Le Wi-Fi 6 (802.11ax) est un IoT destiné aux applications intérieures, comme les maisons connectées, qui optimise la vitesse et la consommation d'énergie. Il fonctionne toujours dans les bandes de fréquences 2,4 GHz et 5 GHz et est compatible avec le protocole 802.11 actuel. Le Wi-Fi lui-même est un protocole aux multiples facettes. Il intègre non seulement des fonctionnalités haut débit, mais aussi des fonctionnalités à faible consommation d'énergie. Les fabricants d'équipements peuvent ainsi choisir différentes fonctions pour les étendre et les développer en fonction de leurs besoins.
2) HaLow (802.11ah) : la norme 802.11ah est en réalité orientée vers les réseaux de capteurs. Il s'agit du scénario de réseau de capteurs le plus classique de l'IoT. Ce scénario présente deux caractéristiques : a) la présence de nombreux nœuds, ce qui est typique des connexions volumineuses ; b) les capteurs sont généralement alimentés par batterie, ce qui implique des exigences plus strictes en matière d'économie d'énergie.
Relation entre les normes 802.11ah et 802.11af : la première fonctionne dans la bande de fréquences inférieure à 1 GHz, tandis que le protocole 802.11af fonctionne également dans la bande de fréquences inférieure à 1 GHz. Le premier est destiné à l'IoT, tandis que le second est destiné à la télévision sans fil. La bande de fréquences du signal couvre les signaux de type Wi-Fi. Le positionnement initial des normes 802.11ah et 802.11af est radicalement différent. L'une est destinée à l'IoT, l'autre est orientée vers la radio cognitive. Cependant, pour de nombreux développeurs, la connexion de deux protocoles liés à la technologie 802.11 dans la bande de fréquences inférieure à 1 GHz a engendré une concurrence interne.
De plus, concernant la relation entre 802.11ah et d'autres protocoles IoT associés, vous pouvez vous référer à l'image suivante
D'une manière générale, la description de cette image est exacte. Comparé à d'autres protocoles, le 802.11ah offre des performances moyennes et une qualité toujours satisfaisante. Cependant, son échec final pourrait s'expliquer par son coût et sa stabilité. À mon avis, le 802.11ah a apporté des modifications supplémentaires au cadre du protocole 802.11 et conserve le cadre général du 802.11. Cependant, de nombreux détails ont été modifiés, ce qui explique son coût technique encore élevé.
En résumé, le 802.11ah est un protocole IoT pour les « connexions de grande taille » et fonctionne dans la bande de fréquences inférieure à 1 GHz. Examinons brièvement ci-dessous les besoins spécifiques de cet accord.
Objectifs de conception de la norme 802.11ah
Les objectifs de conception du 802.11ah se reflètent principalement dans : 1) les connexions à large bande (prenant en charge jusqu'à 8 191 nœuds), 2) les longues distances (couverture maximale de 1 km pour un seul point d'accès, prenant en charge les points d'accès relais), 3) une fiabilité élevée, 4) une faible consommation d'énergie, 5) une sécurité élevée (prise en charge de la norme de chiffrement 802.11). Personnellement, je préfère décrire l'objectif du 802.11ah comme étant basé sur le cadre du protocole 802.11 et apportant des modifications au protocole pour les trois facteurs que sont les connexions à large bande, les longues distances et la faible consommation d'énergie. Lors du processus de conception spécifique, je privilégie un protocole directement basé sur le 802.11ac, qui introduit les trois caractéristiques suivantes : connexions à large bande, longues distances et faible consommation d'énergie. En fait, certaines caractéristiques techniques du 802.11ah et du 802.11ax sont similaires, comme le fait que TWT et BSS Color sont tous deux pris en charge, et en fait ax est emprunté à ah, mais en termes de conception détaillée, il existe encore de grandes différences entre les deux.
Veuillez vous référer à la figure ci-dessous pour les paramètres spécifiques.
Caractéristiques techniques du 802.11ah
La norme 802.11ah a introduit de nombreuses nouvelles technologies. De manière générale, plusieurs caractéristiques peuvent être résumées : 1) la diversité de la bande passante de la couche physique ; 2) la gestion groupée des nœuds et les économies d'énergie grâce à la planification groupée ; 3) les fonctions de la couche MAC sont décentralisées vers la couche PHY afin d'améliorer les performances du protocole.
Plus précisément, vous pouvez vous référer à l'image ci-dessus. Les fonctionnalités du protocole 802.11ah incluent :
1) Canal avec SST (transmission sélective de sous-canal) : 802.11ah prend en charge 5 modes de bande passante, à savoir 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz et 16 MHz, qui peuvent être transmis de manière sélective à l'aide de SST pendant l'utilisation.
2) Relais : la norme 802.11ah prend en charge les points d'accès relais. La portée d'un seul point d'accès peut atteindre 1 km. Pour étendre la distance, il est donc nécessaire d'installer un point d'accès relais.
3) Couleur BSS : La couleur BSS vise à accroître la réutilisation des canaux. Cette technologie a également été introduite dans le Wi-Fi 6. Initialement introduite dans la norme 802.11ah, elle a le même objectif que le Wi-Fi 6.
4) Sectorisation de groupe : Il s'agit également d'une méthode de regroupement. Le regroupement sectoriel est une méthode d'ordonnancement visant à améliorer les performances de la couche MAC.
5) Groupes de périphériques hiérarchiques à 4 niveaux : Il s'agit également d'un groupe, principalement reflété dans la structure TIM. Cela signifie que le mécanisme de regroupement est optimisé pour un fonctionnement économe en énergie. Grâce au mode d'interrogation groupée, la consommation d'énergie est réduite et tous les nœuds du groupe peuvent être interrogés de manière ordonnée.
6) Fenêtre d'accès restreint avec EDCA : abrégée en RAW, elle décrit principalement son utilisation de RAW, une méthode de compétition améliorée, en mode compétition pour réduire le problème de forte probabilité de conflit causé par le grand nombre de nœuds dans le scénario de « grande connexion ».
7) OFDM avec 4 flux spatiaux : Ceci concerne toujours le débit de connexion. Le 802.11ah hérite du 802.11ac, autorisant un maximum de 4 flux spatiaux.
Le reste de la norme 802.11ah comporte également des fonctionnalités techniques telles que l'optimisation TXOP bidirectionnelle, l'optimisation des trames de contrôle NDP, les pilotes itinérants et l'amplification des pilotes. Je ne m'étendrai pas sur cet article lorsque je détaillerai ces fonctionnalités techniques ultérieurement.
En résumé, la norme 802.11ah est une application très performante et flexible du protocole 802.11 en termes de conception. Cependant, la domination actuelle du marché de l'IoT est encore perçue comme étant à faible coût, et le point de départ de la norme 802.11ah est en réalité la norme 802.11ac, c'est-à-dire qu'elle est conçue sur la base de la norme 802.11ac. Son coût relatif reste donc plus élevé, ce qui explique son faible impact sur l'IoT. Elle n'a pas suscité beaucoup d'intérêt sur le marché, mais nous nous concentrons principalement sur la conception du protocole, dans l'espoir d'approfondir notre compréhension du système de protocole 802.11.
