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面向物联网的IEEE 802.11ah低功耗技术改进

更新时间：2019-12-24 06:39:29 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对IEEE 802.11ah协议中的功率管理问题,提出了改进的目标唤醒时间(TWT)机制,它能够在多用户场景下通过接入点管理终端的苏醒时间,使不同终端在不同时间唤醒进行传输,这样既通过减少终端的苏醒时间降低了功耗,又限制了同时接入信道的终端数量从而减少碰撞.进一步考虑非TWT终端,则由接入点根据缓存数据量分配一段未预定TWT的连续时间段对非TWT终端数据进行单独传输.实验仿真表明,该方案能够降低了终端功耗,并减少传输时延,能够更好满足物联网低功耗应用需求.

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第 45 卷ꢀ 第 2 期  
ꢀ 2017 年 3 月  
陕西师范大学学报(自然科学版)  
Journal of Shaanxi Normal University (Natural Science Edition)  
Vol. 45ꢀ No. 2  
Mar. , 2017ꢀ  
文章编号:1672-4291(2017)02-0036-06  
doi:10. 15983 / j. cnki. jsnu. 2017. 02. 222  
面向物联网的 IEEE 802. 11ah 低功耗技术改进  
傅新星, 苏寒松∗, 刘高华  
(天津大学 电子信息工程学院,天津 300072)  
摘ꢀ 要: 针对 IEEE 802. 11ah 协议中的功率管理问题,提出了改进的目标唤醒时间(TWT)机制,它  
能够在多用户场景下通过接入点管理终端的苏醒时间,使不同终端在不同时间唤醒进行传输,这样  
既通过减少终端的苏醒时间降低了功耗,又限制了同时接入信道的终端数量从而减少碰撞。 进一  
步考虑非 TWT 终端,则由接入点根据缓存数据量分配一段未预定 TWT 的连续时间段对非 TWT 终  
端数据进行单独传输。 实验仿真表明,该方案能够降低了终端功耗,并减少传输时延,能够更好满  
足物联网低功耗应用需求。  
关键词: 物联网; 低功耗; 多用户; 目标唤醒时间; 传输时延  
中图分类号: TP391. 9ꢀ 文献标志码: A  
Improvement of low power techniques in IoT-oriented IEEE 802. 11ah  
FU Xinxing, SU Hansong∗ , LIU Gaohua  
(School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)  
Abstract: In order to solve power management technology in IEEE 802. 11 ah, an improved Target Wake  
Time (TWT) mechanism is proposed to schedule the awake time of stations in multi-user scenario. TWT  
mechanism permits the access point ( AP) to define a specific or set of times for individual stations  
(STA) to wake up from doze state to access the medium. It can reduce energy consumption greatly be-  
cause TWT STAs may enter doze state until their TWT arrives. Contention is also decreased since simul-  
taneous transmission is avoided. Considering that not all STAs are TWT-functioned, AP allocates a non-  
TWT period of time for non-TWT STAs according to their buffered traffic. Simulation results show that the  
improved TWT mechanism has greatly reduced energy consumption and transmission delay, which can  
meet the requirements of IoT applications.  
Keywords: Internet of Things(IoT); low power consumption; multi-user; target wake time ( TWT);  
transmission delay  
ꢀ ꢀ 近年来,随着应用于实时数据感知、监控和汇报  
的电子设备的发展,无线终端数量急剧增加,包括智  
能城市、智能抄表、医疗监控、农业监测和工业自动  
化等对物联网技术提出了更高的要求[1] 。 物联网  
(Internet of Things, IoT) 是指在没有人工干预的情  
况下设备之间能够共享和汇报数据的网络,其关键  
这就需要所设计的通信和介质访问协议能够解决高  
竞争、扩展覆盖和低功耗的问题。  
现有的物联网通信技术大致分为两类:无线传  
感器网络(wireless sensor network, WSN) 和移动网  
络(mobile network)。 WSN 实现连接距离较短、低功  
耗、低 吞 吐 量 的 通 信[3] , 如 802. 15. 4、 ZigBee 和  
Bluetooth。 移动网络能够支持长距离通信,在提供  
问题是大量能源受限的终端设备竞争接入信道[2]  
,
收稿日期: 2016-11-15  
基金项目: 国家自然科学基金(61471260)  
万方数据  
ꢀ ∗通信作者: 苏寒松,男,教授,博士生导师。 E-mail:shs@ tju. edu. cn  
ꢀ ꢀ 第 2 期  
ꢀ ꢀ 傅新星 等: 面向物联网的 IEEE 802. 11ah 低功耗技术改进  
ꢀ
37  
高吞吐量的同时能耗较低[4] ,如长期演进(long term  
evolution, LTE)。 但移动网络需要固定的基础设施  
来提供足够的覆盖范围,基站建设费用昂贵。 因此,  
现有的物联网通信技术与物联网设备所要求的大范  
围、节能性相比仍然有一定差距。  
2016 年 3 月 8 日发布的 IEEE 802. 11ah Wi-Fi  
标准( 定名为 Wi-Fi Hallow) 弥补了如上不足[5]  
。
802. 11ah 是无线局域网(wireless local area network,  
WLAN)的物理层(physical layer, PHY)和媒体接入  
控制(medium access control, MAC) 层协议,工作在  
未授权的低于 1 GHz 频段(800 MHz ~ 900 MHz)[6]  
。
802. 11ah 能够在 1 km 范围内提供不小于 100 Kbps  
的数据传输速率,在覆盖范围和传输速率方面都优  
于现有的 WSN 技术[7] 。 802. 11ah 在 MAC 层引入  
了分级结构、短 MAC 头、限制接入窗口( restricted  
access window, RAW) 和目标唤醒时间(target wake  
time, TWT)机制,能够支持大量密集部署的能量受  
限的终端设备[8] 。 研究表明,802. 11ah 能够更好地  
满足物联网应用多用户、低功耗、广覆盖的要求[9-11]  
本文针对物联网应用的低功耗要求对 IEEE  
802. 11ah 中的 TWT 机制提出改进方案,接入点(ac-  
cess point, AP)为 TWT 终端(station,STA)分配苏醒  
时间的同时,根据当前数据缓存量优先为范围内的  
非 TWT STA 分配一段连续的接入时间,既避免了非  
TWT STA 在某个 TWT STA 传输期间接入信道产生  
碰撞,也解决了非 TWT STA 长时间处于等待状态消  
耗能量的问题,提高了 802. 11ah 中 TWT 机制的普  
适性。  
图 1 WLAN 基本服务集 BSS 示意图  
Fig. 1ꢀ General view of WLAN BSS  
1. 1ꢀ TWT 的建立  
TWT 协议的建立通过 STA 和 AP 双方传输  
TWT 信息帧来实现,建立双方根据对方发出的 TWT  
信息帧来确定待建 TWT 的相关信息。 TWT 建立流  
程如图 2 所示。  
1ꢀ 目标唤醒时间(TWT)机制  
TWT 机 制 允 许 接 入 点 AP 调 度 BSS ( basic  
service set, BSS)中的 STAs 在不同时间段工作来达  
到降低冲突的目的[12] 。 同时,能够减少 STA 处于苏  
醒的时间,从而降低终端功耗。 TWT 请求方称为  
TWT 请求 STA,统称为 STA;对请求做出响应的为  
TWT 响应 STA,统称为 AP,AP 是一个特殊的 STA,  
负责管理 BSS 中其他所有 STA[13] ,如图 1 所示。  
图 2 TWT 建立流程图  
Fig. 2ꢀ The flow chart of TWT agreement  
在开始 TWT 连接建立前,STA 需要通过扫描、  
加入、鉴权和关联等步骤与 AP 建立联系[14] 。 加入  
BSS 后, TWT STA 向 AP 发送 TWT 建立帧 ( TWT  
setup frame),请求建立 TWT 服务周期。 TWT 建立  
帧的内容包括:TWT 命令类型———请求、建议、命  
令,目标苏醒时刻,最短苏醒时间等信息。 AP 收到  
STA 发出的 TWT 建立帧后,会根据当前已经建立的  
万方数据  

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