了解一下802.11af

大多數(shù)人對802.11af應(yīng)該是陌生的，包括我在內(nèi)。在之前的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)了解了802.11b/g/a/n/ac，這些都是Wi-Fi已經(jīng)廣泛應(yīng)用的制式。在IEEE的802.11標(biāo)準(zhǔn)中，802.11af的章節(jié)就在802.11ac（VHT）之后，被稱為Television very high throughput (TVHT)。但實(shí)際上它與ac差不多同時(shí)出現(xiàn)，卻沒能像802.11ac等標(biāo)準(zhǔn)那樣一經(jīng)出現(xiàn)就得到迅速廣泛地應(yīng)用。雖然一些公司已經(jīng)在特定用例中部署了802.11af，但采用的速度較慢。即便是現(xiàn)在，也只是在特定地區(qū)進(jìn)行測試和部署。

從技術(shù)本身來看，用有趣和前衛(wèi)來形容802.11af并不為過。但它也同時(shí)存在了無法廣泛部署的特定原因。我們今天就來了解一下802.11af。

01、802.11af的頻段和覆蓋范圍

802.11af所使用的頻譜是非常有趣的，它是在電視空白頻譜（TVWS：TV white space）頻率范圍內(nèi)工作，這也是它的學(xué)名TVHT的由來。什么意思呢？就是利用了電視頻段中未使用的頻譜（未使用的頻譜又稱為白色空間），因此也被稱為“Super Wi-Fi”（超級(jí)Wi-Fi）或“White-Fi”（白色Wi-Fi），而WSD（white space devices）就是其對應(yīng)的設(shè)備。

具體使用的頻段是VHF/UHF 電視頻段。802.11af在54到790 MHz之間未使用的電視頻譜進(jìn)行短時(shí)間的通信。在歐洲運(yùn)行于470至790MHz之間，在美國運(yùn)行于54至698MHz之間。

由于802.11af 的工作頻率低于1GHz，與2.4GHz和5GHz頻段相比，路徑損耗較小，能更好地穿透建筑物和其他障礙物，因此非常適合非視距（NLOS）通信/覆蓋，可提供室內(nèi)幾百米和室外超過一公里的范圍。?以下是各頻段對8.9cm的磚的穿透損耗的一個(gè)舉例，單位dB?？梢?1af的穿透損耗只有5GHz頻段的1/10。

0.57GHz??1GHz???2GHz??5GHz–1.5?????–3.5???–5.4???–15 （dB）

另外，802.11af連同上圖中的802.11ah，工作頻率均小于1GHz，因而更適合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，相比傳統(tǒng) Wi-Fi，具有更遠(yuǎn)的距離和更低功耗的優(yōu)勢。

02、802.11af的監(jiān)管問題

為什么又說802.11af很前衛(wèi)呢？上面講了，11af所使用的頻譜是在1GHz以下這樣黃金的頻段，這段又被分配用于兩類服務(wù)，許可和免許可。電視頻段是傳統(tǒng)的已授權(quán)許可業(yè)務(wù)，而11af是非授權(quán)的免許可業(yè)務(wù)。這意味著必須進(jìn)行頻譜共享。

IEEE 802.11af 標(biāo)準(zhǔn)就是為頻譜共享而制定的，說白了，就是蹭了電視頻譜未在使用的空閑時(shí)間。從頻譜效率上來說，它能夠有效利用未使用的頻譜，減少干擾并優(yōu)化帶寬使用。為欠發(fā)達(dá)地區(qū)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的互聯(lián)網(wǎng)接入，縮小數(shù)字鴻溝，支持遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療和智能農(nóng)業(yè)等應(yīng)用。例如在印度，200-600 MHz頻率用于電視傳輸，但據(jù)說頻譜利用率很低，有些估計(jì)還不到10%。所以說11af就可以利用這些空閑頻譜來提供無線連接。微軟公司也率先在印度、肯尼亞、新加坡、美國和英國等國開展了11af的部署。

那么如何實(shí)現(xiàn)頻譜共享？幾年前，我們其實(shí)是討論過頻譜共享技術(shù)的。類似地，802.11af也可以采用以下的技術(shù)：

? 動(dòng)態(tài)頻譜接入和認(rèn)知無線電技術(shù)：可使IEEE 802.11af系統(tǒng)能夠檢測傳輸信道并轉(zhuǎn)移到備用信道；我們曾在認(rèn)知型無線電臺(tái)（Cognitive Radios）將進(jìn)入以前沒有深空任務(wù)去過的地方中了解過什么是認(rèn)知型無線電。

? 地理感知：可以創(chuàng)建一個(gè)地理數(shù)據(jù)庫，記錄在特定區(qū)域內(nèi)可用的信道。IEEE 802.11af 與其他802.11標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別在于地理定位數(shù)據(jù)庫（GDB）：按地理位置存儲(chǔ)WSD的允許頻率和運(yùn)行參數(shù)，來滿足監(jiān)管要求。GDB 由監(jiān)管機(jī)構(gòu)授權(quán)和管理。

所以說十幾年前，802.11af就能夠通過共享電視的頻率，來有效利用可用頻譜資源，這算不算前衛(wèi)呢？可以說利用電視白區(qū)（UHF和VHF頻譜中未使用的部分）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是無線通信領(lǐng)域的一大進(jìn)步。這項(xiàng)技術(shù)將Wi-Fi覆蓋范圍擴(kuò)展到傳統(tǒng)頻段之外，使電視頻譜未得到充分利用的農(nóng)村地區(qū)和人口密度較低的地區(qū)也能得到更好的覆蓋。

然而，我們很自然地可以想到，802.11af的AP被部署在電視廣播發(fā)射器的覆蓋區(qū)域內(nèi)，因此一定要滿足政府監(jiān)管的規(guī)則，確保AP們不會(huì)對現(xiàn)有電視傳輸造成干擾。所以說WSD在TVWS的頻譜使用權(quán)基于不干擾受保護(hù)許可設(shè)備的監(jiān)管要求。那么受保護(hù)的現(xiàn)有用戶既包括數(shù)字地面電視（DTT）等廣播服務(wù)，也包括無線麥克風(fēng)等PMSE用戶。為避免干擾受保護(hù)設(shè)備，WSD必須了解所有受保護(hù)設(shè)備的工作頻率和區(qū)域。WSD的能力是不足以獲得這些信息的，因此需要從受管制的GDB獲取這些信息。

GDB的使用具體有兩種方式：

第一種是FCC采取的開環(huán)GDD（geolocation?database-dependent）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫每天都會(huì)在該時(shí)間段內(nèi)顯示可用的信道上允許非許可設(shè)備運(yùn)行。WSD在54-698MHz 頻率范圍內(nèi)的6 MHz頻道（電視頻道 2、5、6、14-35 和 38-51）上運(yùn)行 TVWS，需遵循一個(gè)長達(dá)48小時(shí)的時(shí)間表，該時(shí)間表提供了該時(shí)間段內(nèi)的可用頻道列表，并遵循一套靜態(tài)的最大發(fā)射功率規(guī)則。根據(jù)這一規(guī)定，WSD 具有靈活的工作區(qū)域，因?yàn)樗鼈兠刻於家cGDB驗(yàn)證一次。然而，由于反饋的時(shí)間尺度較大，需要固定和非常保守的發(fā)射功率，尤其是在鄰近信道。對于便攜式 WSD，F(xiàn)CC 允許未占用信道上每 6 MHz 帶寬的最大等效全向輻射功率 (EIRP) 為 100 mW (20 dBm)。與任何主用戶相鄰的第一個(gè)信道的最大等效全向輻射功率僅為40 mW (16 dBm)。固定 WSD 發(fā)射到天線的最大功率限制為1 W (30 dBm)，每個(gè)6MHz 信道中任何附加天線的EIRP不超過4W (36 dBm)。這些功率規(guī)定可概括為每 100 kHz 允許12.6dBm的EIRP。這種嚴(yán)格的功率規(guī)定的缺點(diǎn)是80%的潛在白色空間信道不可用，從而將白色空間的實(shí)施限制在農(nóng)村地區(qū)。

第二種是歐洲（歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，ETSI）和英國（通信管理局，Ofcom）監(jiān)管機(jī)構(gòu)采用的閉環(huán)GDD。在這種方法中，GDB和WSD之間的頻繁互動(dòng)允許根據(jù)特定設(shè)備的特性和位置提供靈活的運(yùn)行參數(shù)。在這種方法中，未授權(quán)用戶受到數(shù)據(jù)庫的嚴(yán)格控制，這是一種通過持續(xù)反饋實(shí)現(xiàn)的指揮控制系統(tǒng)。WSD允許在 470-790MHz頻率范圍內(nèi)的8 MHz 信道中運(yùn)行。WSD 必須在與其工作地點(diǎn)相關(guān)的時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行GDB發(fā)現(xiàn)程序，通常每2小時(shí)一次。一旦找到經(jīng)批準(zhǔn)的 GDB，WSD就會(huì)請求其特定運(yùn)行區(qū)域的運(yùn)行參數(shù)，并作為回應(yīng)向GDB 提供其設(shè)備參數(shù)。發(fā)送給WSD的運(yùn)行參數(shù)具有時(shí)間有效性，僅適用于特定的報(bào)告位置。GDB發(fā)送的操作參數(shù)包括DTT 信道的上下限頻率、允許信道內(nèi)每100 kHz 的最大功率譜密度，以及PMSE和DTT操作參數(shù)和傳感級(jí)別的時(shí)間有效性。WSD向GDB發(fā)送預(yù)定信道使用參數(shù)，其中包括預(yù)定頻率和每100 kHz的相應(yīng)發(fā)射功率。WSD在TVWS頻段工作之前，這些參數(shù)必須得到GDB的確認(rèn)。

與開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)不同，閉環(huán)方法具有適用于特定設(shè)備和位置的細(xì)顆粒度參數(shù)調(diào)節(jié)能力。這使得WSD可以根據(jù)位置、頻率和時(shí)間靈活地獲得允許的傳輸功率。當(dāng)WSD與現(xiàn)有用戶的距離更遠(yuǎn)、頻率相隔更遠(yuǎn)以避免相鄰信道干擾時(shí)，平均傳輸功率就會(huì)更高。緊密的反饋和細(xì)顆粒度的參數(shù)規(guī)格允許GDB在任何瞬間修改WSD的運(yùn)行。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠執(zhí)行時(shí)間敏感的規(guī)定。例如，當(dāng)GDB發(fā)出指令時(shí)，GDD啟用的STA (AP) 必須在 60 秒內(nèi)停止傳輸。

如此復(fù)雜、實(shí)時(shí)又敏感的要求，并不是每個(gè)國家和地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)都能夠輕松實(shí)現(xiàn)的。所以說，這是否是802.11af沒能得以廣泛應(yīng)用的原因之一呢？

03、802.11af的物理層特性

802.11af（TVHT）采用的也是OFDM技術(shù)，物理層是基于11ac。它定義了三個(gè)基本信道單元（basic channel units：BCUs)：6 MHz, 7 MHz, 8 MHz。這幾種BCU的不同組合，構(gòu)成了以下幾種類型的帶寬使用：

TVHT_W：代表一個(gè)BCU (6MHz, 7MHz, 或8MHz)；

TVHT_2W：代表兩個(gè)連續(xù)的BCUs (12MHz, 14MHz, 或16MHz)；

TVHT_W+W：代表兩個(gè)非連續(xù)的BCU (6+6 MHz, 7+7 MHz, 或8+8 MHz)；

TVHT_4W：代表四個(gè)連續(xù)的BCUs (24MHz, 28MHz,或32MHz)；

TVHT_2W+2W：代表兩個(gè)非連續(xù)的frequency segments，每一個(gè)segment由兩個(gè)連續(xù)的BCUs 構(gòu)成(12+12 MHz, 14+14 MHz, 或16+16 MHz)。

如下圖所示：

對應(yīng)地，TVHT PHY 定義了以下在1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)BCU上進(jìn)行傳輸?shù)哪Ｊ剑?/p>

a) 強(qiáng)制傳輸模式 -1個(gè) BCU（TVHT_MODE_1）

b) 可選傳輸模式 - 多個(gè) BCU

兩個(gè)連續(xù)BCU（TVHT_MODE_2C）

兩個(gè)非連續(xù)BCU（TVHT_MODE_2N）

四個(gè)連續(xù) BCU（TVHT_MODE_4C）

兩個(gè)非連續(xù)頻段，每個(gè)頻段包括兩個(gè)連續(xù) BCU（TVHT_MODE_4N）

此外一個(gè)TVHT STA強(qiáng)制支持的物理層feature還有：

單空間流 MCS 0 至 7（發(fā)送和接收）

BCC 編碼 - 正常和短保護(hù)間隔（發(fā)送和接收）

可選支持的feature有：

TVHT_MODE_2C、TVHT_MODE_2N、TVHT_MODE_4C、TVHT_MODE_4N

兩個(gè)或多個(gè)空間流（發(fā)送和接收）

波束成形探測（通過發(fā)送 VHT NDP）

響應(yīng)發(fā)送波束成形探測（提供壓縮波束成形反饋）

STBC（發(fā)送和接收）

LDPC（發(fā)送和接收）

VHT MU PPDU（發(fā)送和接收）

MCS 8 和 9（發(fā)送和接收）

另外，PPDU的格式，TVHT與VHT有所不同，主要是時(shí)間上的區(qū)別，如下圖所示：

關(guān)于每個(gè)BCU的總子載波數(shù)量，以及數(shù)據(jù)子載波和pilot子載波等信息參考下表：

04、802.11af的測試要求

11af的射頻測試要求，與11ac類似。

1. 頻譜的平坦度：

2. 傳輸中心頻率和符號(hào)時(shí)鐘頻率容差：± 25 ppm

3. 載波泄露：當(dāng)RF LO 位于傳輸 PPDU BW 的中心時(shí)，使用RBW (6/144 或 8/144) MHz 在傳輸 BW 中心測量的功率不得超過傳輸 PPDU 每個(gè)子載波的平均功率，或等效為（P-10logNST），其中P為每個(gè)天線的傳輸功率（dBm），NST的定義見上表 22-8。當(dāng)RF LO 不在傳輸PPDU BW 的中心時(shí)，使用RBW (6/144 或 8/144) MHz 在RF LO 位置測量的功率不得超過相對于總發(fā)射功率的最大值 -32 dB 和 -20 dBm，或等效為max（P-32，-20） ，其中P為每天線的發(fā)射功率，單位為 dBm。

4. EVM：參考11ac

5. 接收機(jī)靈敏度：

6. 鄰道和非鄰道抑制：

7. 接收機(jī)最大輸入電平：對于任何基帶 TVHT 調(diào)制，接收機(jī)應(yīng)在 PSDU 長度為 4096 個(gè)字節(jié)、最大輸入電平為 -20 dBm 時(shí)，在每根天線上測得的最大 PER 為 10%。

8. CCA檢測：主通道 CCA BUSY 的條件是，對于6M和7MHz帶寬，在TVWS波段中，主 6/7 MHz 信道中的6/7 MHz的non-HT duplicate或VHT PPDU開始達(dá)到或超過 -88 dBm；對于8MHz帶寬，在TVWS波段中，主8MHz 信道中的8MHz的non-HT duplicate或VHT PPDU開始達(dá)到或超過 -87 dBm

9. 最后我們來看一下速率，根據(jù)之前的學(xué)習(xí)，當(dāng)帶寬為8MHz，NSS=1；MCS=9 256-QAM；R=5/6；NSD=108；NBPSCS=8，TDFT=18us；TGI=2.25us時(shí)的速率為：

Data Rate=NSS×NSD×NBPSCS×R×?F×TDFT?/（TDFT?+TGIS）

=1×108×8×（5/6）×（55+5/9）kHz×18/（18+2.25）

=?35.56 Mb/s