802.11ah和802.15.4 IoT标准比较分析

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）100802.11ah和802.15.4的IoT架构比较N.艾哈迈德，H。马里兰州拉赫曼侯赛因·侯赛因印度西隆东北希尔大学信息技术系接收日期：2016年5月1日;接收日期：2016年7月26日;接受日期：2016年7月27日2016年8月6日在线发布www.elsevier.com/locate/icte摘要新兴的IEEE 802.11ah是支持物联网（IoT）中大量异构设备的有前途的通信标准它提供了有吸引力的功能，如改进的可扩展性，低能耗和大面积覆盖。在本文中，我们分析了IEEE 802.11ah的性能，并将其与一个突出的替代方案，IEEE 802.15.4。仿真结果表明，新的802.11ah标准在关联时间、吞吐量、延迟和覆盖范围方面优于802.15.4标准c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：物联网;IEEE 802.11ah;智慧城市; IEEE 802.15.41. 介绍在智能世界的愿景中，部署互联网- 物联网（IoT）的发展非常迅速。“Things” include not only computers, people,and mobile phones but also sen- sors,根据思科互联网业务解决方案集团（IBSG）的数据，到2020年，互联网中的设备数量将达到500亿[2]。无线网络技术似乎是连接如此大量设备的最佳选择[3]。物联网的通信技术在传感器和回程网络场景中运行。传感器网络标准（例如ZigBee、RFID或蓝牙）在相对短的距离上工作（即，几十米），具有低数据速率和低能耗。另一方面，GPRS、LTE、WiMAX等标准在长距离上工作并提供高吞吐量;然而，它们消耗更多的能量，并需要具有适当视线的昂贵且固定的基站基础设施[4]。由于其低功耗，IEEE 802.15.4是许多物联网的合适标准*通讯作者。传真：+91 3642723606。电子邮件地址：nurzaman713@gmail.com（N.艾哈迈德），hafizjec@gmail.com（H。Rahman），ihussain@nehu.ac.in（M.I.Hussain）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为《互联网中的ICT融合》特刊的一部分。由Yacine Ghamri-Doubang，Yeong Min Jang，Daeye-Kim，HossamHassanein和JaeSeung Song客座编辑。应用.然而，它不适合促进大量IoT设备之间的通信或覆盖大面积。最新的IEEE 802.11ah标准通过结合Wi-Fi和低功耗传感器网络通信技术的优势，在一定程度上填补了这一空白。为了在大量低功率设备之间实现更长距离的通信，在802.11ah的物理（PHY）和媒体访问控制（MAC）层中引入了若干创新概念，例如分层关联标识（AID）、受限访问窗口（RAW）、业务指示映射（TIM）和分段、目标唤醒时间（TWT）以及更短的报头格式（[5]和[6]）.在本文中，IEEE 802.11ah和802.15.4在物联网的背景下的相关性进行了检查，考虑到他们的各个关键方面。这两种技术的性能进行评估和比较，假设现实的情况下，大量的设备。本文的其余部分分为三个部分。第2节讨论802.11ah和802.15.4提供的重要物联网功能。评价结果的比较见第3节。最后，第四部分对本文进行了总结。2. 802.11ah和802.15.4本节介绍802.11ah和802.15.4标准提供的不同功能的比较。2.1. 网络结构802.11ah标准支持单跳通信，距离可达1000米。中继接入点用于http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.07.0032405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。N. Ahmed等/ ICT Express 2（2016）100-102101Fig. 1.基于IEEE 802. 11ah的物联网网络结构，覆盖范围广。将连接扩展到两跳之外的接入点（AP）。图1示出了物联网的典型网络架构，其中两个智能物联网网络（智能家居和智能城市）连接到互联网。由于其较小的覆盖范围（最大100米），802.15.4不能单独提供一个通信框架，结合传感器和回程网络的更大的覆盖范围。2.2. 信道化传统的802.15.4标准通常使用直接序列扩频（DSSS）在未经许可的2.4GHz频带中操作，其可以适应高达250Kbps的数据速率。另一方面，802.11ah利用低于1 GHz的免许可频段为Wi-Fi网络提供扩展范围。在美国，在902-928MHz频带中可获得高达26 MHz的频谱。调制和编码方案（MCS）是基于可用信道频带（即，1、2、4、8和16MHz），以便提供不同的数据速率。例如，具有2 MHz信道频带的MCS 0提供从650 Kbps到7.8 Mbps的数据速率。2.3. 大量站802.11ah提出了具有大量关联站（STA）的分层网络组织，以提高简单性和可扩展性。这样的网络中的每个节点被分配关联标识（AID），其是具有页、块、子块和STA作为字段的四级结构。STA基于它们在以下方面的相似性而被分组：页、块和子块的值。此外，802.11ah中提出的快速关联机制减少了冲突以提高可扩展性[5]。尽管802.15.4能够与65000个设备相关联，但是汇聚节点变得负担过重。2.4. 信道接入802.15.4 中 基 于 载 波 侦 听 多 路 访 问 与 冲 突 避 免（CSMA/CA）的MAC不能处理冲突，尤其是当数千个STA同时竞争信道时。为了解决这个问题，802.11ah引入了一种基于RAW的机制，显著提高了网络性能。该机制将STA分成组，并允许属于某个组的STA在任何特定时间帧接入介质。包含一个或多个RAW间隔的RAW参数集（RPS）信息通过由AP发送的信标被向前携带。2.5. 省电802.11ah 定 义 了 两 种 数 据 结 构 ， 即 业 务 指 示 映 射（TIM）和递送TIM（DTIM），用于AP传送组信息，以及用于STA，其预期接下来进行通信。属于给定TIM段的STA需要唤醒并监听它们对应的信标。802.15.4在超帧结构中使用STA可以在多个信标上休眠更长的时段2.6. 中继节点802.11ah中的中继AP为STA中继分组，允许使用不同的MCS，并且为位于AP的覆盖范围之外的STA提供连接。在802.15.4中，设备与形成集群的全功能设备（FFD）相关联，FFD进而与信宿通信。表1给出了两种标准品的逐点比较。3. 绩效评价评估802.11ah和802.15.4标准性能时考虑的仿真参数见表2。表1802.11ah与802.15.4特征802.11ah802.15.4合适的应用智慧城市，智能家居智慧农业、环境监测网络支持传感器，回程传感器频率Sub-1 GHz2.4 GHz，Sub-1 GHz信道接入原CSMA/CA数据速率（最大）78 Mbps（16 MHz，Sub-1 GHz）250 Kbps（2.4 GHz中2 MHz）范围（最大值）1000米（无中继器）100米（无中继器）省电TIM、DTIM、TWTSleep–wake继电器特性中继AP全功能设备（FFD）北纬102度Ahmed et al. / ICT Express 2（2016）100-102(a) 协会时间。（b）实现产出（c）端到端延迟。表2默认模拟参数。图二. 802.11ah和802.15.4在不同网络规模下的性能。3.4.网络覆盖和能源效率使用Sub-1 GHz频段，宏传播模型[7]，802.11ah的MCS技术有助于提高网络覆盖范围。表3示出了针对802.11ah和802.15.4提出的两个传播模型所覆盖的最大距离。可以观察到，802.15.4在饱和流量条件下，比802.11ah更节能。4. 结论仿真研究清楚地表明，802.11ah在关联时间、吞吐量和延迟性能以及表3覆盖范围和功耗。IoT的背景。然而，802.15.4表现出比802.11ah更高的能量效率。802.11ah与其他相关低功耗网络技术的性能比较将作为未来的工作。确认这项工作得到了名为“QoS”的项目的支持物联网（IoT）中的供应第十三章（七）/2015-CC BT日期：2015年9月28日）由DeitY（CC）资助&3.1. 结合时间802.11ah的快速认证机制允许大量设备在比802.15.4中可用的方案更短的持续时间内与AP相关联。这从图中可以看出。2（a）.3.2. 网络容量在饱和流量条件下测量吞吐量性能。观察到802.11ah的性能始终优于802.15.4的性能（图2（b））。原因在于，802.11ah的MAC层可以快速有效地适应比802.15.4更多的节点。采用RAW机制在很大程度上减少了这种情况下发生冲突的可能性3.3. 端到端延迟如图2（c）所示，802.11ah相对于802.15.4显著改善了延迟性能。通过使用专用RAW来限制STA的竞争窗口减少了接入延迟。BT），印度政府。引用[1] 通用汽车Lee，J. Park，N.孔，加-地Crespi，物联网：概念和问题陈述：01，互联网工程任务组，电信研究所（2011）。[2] D.埃文斯，物联网，如何互联网正在改变一切，白皮书，思科互联网业务解决方案集团（IBSG）（2011）。[3] R. 想要B.N. Schilit，S.Jenson，启用物联网，计算机(1)（2015）28-35。[4] 我-- G. 李，M。Kim，Interference-aware self-optimizing Wi-Fi forhighefficiencyInternet of things in dense networks，Comput. Commun.（2016年）。[5] E. Khorov，A. Lyakhov，A. Krotov，A. Guschin，IEEE综述802.11 ah：智能城市的一种使能网络技术，Comput。Commun. 58（2015）53[6] IEEE信息技术标准草案-电信和系统间信息交换局域网和城域网专用设备第11部分：无线LAN媒体访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范：修改2：低于1 GHz许可豁免操作，IEEE P802.11ah/D6.0，（IEEE标准802.11REVmc/D5.0修正案）（2016）1[7] A. Hazmi，J. Rinne，M. IEEE 802.11 ah无线电的可行性研究物联网和M2M使用案例的技术，在：Globecom研讨会，IEEE，2012年，pp. 1687-1692年。参数802.11ah802.15.4带宽2 MHz（MCS0）2 MHz数据速率650 Kbps250 Kbps有效载荷大小256字节256字节时隙时间52微秒–SIFs160微秒–DIFS264微秒–原始大小10–退避–320微秒CCA–128微秒交通UDPUDP区域400米×400米400米×400米802.11ah802.15.4覆盖范围870米（室外），543米（室内）37米功耗63 mJ/包(100节点）17 mJ/包(100节点）