前言
無線通信系統(tǒng)由固接式進展到移動式，首當其沖的便是耗電問題。首先，由于用戶裝置大多使用電池來維持運作，在移動的同時又進行傳輸數(shù)據(jù)工作，勢必快速消耗電池電量。透過空氣接口鏈接的客戶端(MS)與基站(BS)兩端裝置，電源必須保持在開啟狀態(tài)以維持通信正常，因此即便在沒有傳輸數(shù)據(jù)時，用戶裝置仍持續(xù)消耗電量。另一方面，客戶端為維持在大區(qū)域移動時的信號質(zhì)量或是需求較高的傳輸服務質(zhì)量(QoS)，必須發(fā)起換手(Handover)。通常執(zhí)行換手會伴隨著大量的控制信息傳送與等待時間，不但耗電也降低頻寬利用率。
目前無線通信系統(tǒng)所制定省電模式，通常利用數(shù)據(jù)傳輸管理機制，讓客戶端與基站的通信暫時中斷，或是簡化換手程序與頻率，以減緩裝置電量損耗?；贗EEE 802.16e-2005[1][2]標準的Mobile WiMAX，也制定了睡眠模式與閑置模式兩種的省電模式操作。由于兩者省電效益與衍生的維護成本上有明顯差異，本文將分別就兩者基本概念與運作原理提出說明，并探討其差異。
睡眠模式
睡眠模式目的在于節(jié)省客戶端電量，并降低基站頻寬資源的使用。客戶端在執(zhí)行初始網(wǎng)絡登入程序(Network Entry)之后，即開始使用服務基站(Serving BS)提供的傳輸服務。由于客戶端與基站并非隨時都有封包在收送，因此兩端可以事先預測并協(xié)議出不需收送封包的時間，謂之不可用時段(Unavailable Interval)。睡眠模式即是讓兩端的鏈接在不可用時段里進入無作用狀態(tài)，此時的客戶端可暫時關(guān)掉裝置電源或掃描周圍的基站以提前取得連結(jié)數(shù)據(jù)。
因為WiMAX的傳輸鏈接屬于聯(lián)機導向(Connection-oriented)，封包必須分配到已建立好的聯(lián)機(Connection)后才予以收送。在正常操作下，客戶端與基站可隨時使用各聯(lián)機來收送封包;一旦開啟睡眠模式，就會限制聯(lián)機的使用，尤其在不可用時段里更將停用所有聯(lián)機。由此可知，在睡眠模式下聯(lián)機并非被移除，而只是暫時無法使用，其目的是讓客戶端離開睡眠模式后即能直接收送封包，并不需重新建立聯(lián)機。
為適應睡眠模式的傳輸特性，客戶端必須調(diào)整封包傳輸?shù)呐懦?。為使睡眠模式的使用不影響?lián)機的傳輸服務質(zhì)量，封包的排程計算必須以各聯(lián)機的QoS參數(shù)為下限值。若要推算不可用時段，則還需把當時系統(tǒng)資源及頻寬資源使用情形列為評量標準。
由于各聯(lián)機傳輸封包的行為不同，頻寬需求的方式也不同，使用省電類別(Power Saving Class)可讓聯(lián)機的管理較有系統(tǒng)。省電類別即是一群具有共通或相近傳輸特性的聯(lián)機。被歸屬在同一省電類別的聯(lián)機，其傳輸行為就必須遵從當時所設(shè)置的屬性，因此客戶端只要調(diào)整省電類別的屬性值即可套用到各聯(lián)機。目前這些屬性包含何時啟用睡眠模式，何時允許封包傳輸，何時進入低耗電狀態(tài)，何時須離開睡眠模式等。
開啟睡眠模式就是啟用省電類別。省電類別啟用后，其不允許收送封包的時間為睡眠時段(Sleep Interval)，暫時開放收送封包的時間則為聆聽時段(Listening Interval)。每當一個睡眠時段結(jié)束后，跟著便進入一個聆聽時段，兩者將不斷重復交錯直至省電類別被停用為止。在睡眠時段，省電類別所屬的各聯(lián)機上不準有封包存在;唯有當省電類別回到聆聽時段或被停用之后，始可把封包送到聯(lián)機上去傳送。
一旦省電類別被建立，并得到基站的允準后，即可反復地啟用停用，亦或變更屬性后再啟用。若一個省電類別即已涵括當時所有聯(lián)機時，則其睡眠時段即是該客戶端的不可用時段;但若聯(lián)機被分配在不同的省電類別時，則各省電類別之睡眠時段交集所成的時間，才是該客戶端的不可用時段。
省電類別共分為3種類型，如圖1所示。其不同點包括啟用停用的程序、允許封包傳輸?shù)臅r段、及可設(shè)置的參數(shù)項目等。以下分別說明各類型的特性與適用的聯(lián)機類型。
類型I：
類型I由多個聆聽時段及睡眠時段交錯組成，其中前者是固定長度，后者則是可變動長度且長度會逐次兩倍遞增。省電類別啟用后，基站必須定時廣播流量信息(Traffic Indication)，讓客戶端確認基站的傳輸服務維持正常。若基站欲下傳封包時，會先確認兩端鏈接正常后才開始傳送，故較能避免封包傳輸出錯。另外，客戶端在使用聯(lián)機收送封包的同時，會直接停用對應的省電類別;而基站在收到某聯(lián)機的頻寬需求信息后，也會主動停用省電類別，因此可減少客戶端發(fā)送的控制信息數(shù)目。
只有類型I才提供設(shè)定的參數(shù)有：睡眠時段的起始長度與最大長度、省電類別可否被封包直接喚醒、是否接收處理流量信息等。雖然使用類型I即能適用各種類型的聯(lián)機，但其維護成本與計算復雜度卻也相對較高。目前非實時性的聯(lián)機類型(如nrtPS/BE等)，較建議使用類型 I。
類型II：
類型II為類型I之特例，不同的是睡眠時段為固定長度。另外，封包被限定在聆聽時段收送，但不會因此而停用省電類別;不需理會流量信息，但省電類別的啟用與停用只能透過控制信息傳達給基站。每隔固定時間即有封包傳輸需求的聯(lián)機類型(如UGS/rtPS等)，即可考慮使用類型II。
類型III：
類型III僅會有一個睡眠時段。在此睡眠時段到期后，省電類別便會自動停用;但若想再次啟用省電類別，仍須發(fā)送控制信息通知基站。目前如定期測距(Periodic Ranging)等需多次信息交換的程序，或是群播服務的封包下傳等，其使用的聯(lián)機便適合歸類在類型III。
閑置模式
睡眠模式大致上已解決了用戶裝置的耗電問題，但當客戶端在大范圍區(qū)域移動，因換手次數(shù)增加而產(chǎn)生大量耗電的狀況亦隨之而來，此時睡眠模式便不適用。其原因在于換手后尚須執(zhí)行網(wǎng)絡重登入(Network Re-entry)，并回復或重建聯(lián)機，完成這些步驟既耗時又耗電。在閑置模式下，假使客戶端并沒有封包需要收送，則客戶端即便已跨越基站也只需告知后端網(wǎng)絡其大略位置，并不用去執(zhí)行網(wǎng)絡重登入。因此具高移動性的客戶端若采用閑置模式，將取得比睡眠模式更好的省電效益。
WiMAX移動管理
欲實現(xiàn)閑置模式，WiMAX導入網(wǎng)絡分層管理機制。分層即是把WiMAX網(wǎng)絡范圍劃分成管理區(qū)域，并將區(qū)域內(nèi)的基站集合起來成一群組，稱為傳呼群(Paging Group)，如圖2所示。因為各傳呼群可能會有部份區(qū)域重迭，一個基站可能同時是數(shù)個傳呼群的成員。一個傳呼群會有傳呼主控臺(Paging Controller)擔任客戶端位置信息的維護工作，此角色可直接由傳呼群里的某一基站兼任，或由后端網(wǎng)絡另一主機專任。
除了傳呼群架構(gòu)，在移動管理方面另有遠程傳呼(Paging)與位置更新(Location Update)的支持，其功能與運作分述如下：
(1) 遠程傳呼
在傳呼群架構(gòu)下，后端網(wǎng)絡只知道客戶端所在的傳呼群，卻不知客戶端現(xiàn)在是連到哪一個基站。為此，閑置模式提供傳呼讓后端網(wǎng)絡可以追查客戶端的位置。傳呼的動作是由傳呼主控臺發(fā)起，在固定的時間里透過所屬的基站廣播傳呼信息(Paging Advertisement)，客戶端收到后必須依信息內(nèi)容執(zhí)行對應的動作。
(2) 位置更新
在閑置模式下，客戶端只能透過位置更新程序與傳呼主控臺溝通。若客戶端從基站取得的傳呼群識別碼(PG Identifier)已發(fā)生改變，應執(zhí)行位置更新，把將客戶端的位置信息轉(zhuǎn)送到后端網(wǎng)絡。其次，由于客戶端原始聯(lián)機數(shù)據(jù)被暫置在傳呼主控臺內(nèi)保存，在保存效期結(jié)束前，客戶端可透過位置更新來表達延長維護效期的意愿。另外，客戶端若確定裝置要關(guān)機，應執(zhí)行位置更新，讓傳呼主控臺提前清除聯(lián)機數(shù)據(jù)。最后，若傳呼主控臺太久未傳呼某客戶端，則客戶端必須執(zhí)行位置更新來確認自身的存在性。
位置更新的程序分成有擔保(Secure)與無擔保(Unsecure)兩類，差別只在初始測距(Initial Ranging)信息是否受到安全保護。若基站能夠從認證端(Authenticator)取得有效的金鑰資料，并以之驗證信息內(nèi)容無誤后，則完成初始測距后便可返回閑置模式。但若金鑰數(shù)據(jù)已失效或是驗證信息失敗，則基站會要求客戶端執(zhí)行網(wǎng)絡重登入，迫使客戶端提前離開閑置模式。
使用傳呼群架構(gòu)，就會有遠程傳呼與位置更新的使用成本。后端網(wǎng)絡在決定傳呼群的涵蓋區(qū)域時，應該要衡量客戶端的省電效益與此使用成本。理論上客戶端只要在一個傳呼群區(qū)域內(nèi)移動，就不需要更新位置信息。雖然較大的傳呼群區(qū)域可減少位置更新的執(zhí)行次數(shù)，但若后端網(wǎng)絡要求執(zhí)行傳呼來追查客戶端，其產(chǎn)生大量的廣播信息會增加網(wǎng)絡負載，也浪費頻寬資源。反之若傳呼群區(qū)域設(shè)定太小，則位置更新勢必經(jīng)常發(fā)生而讓客戶端的電量持續(xù)消耗。
閑置模式使用
客戶端或后端網(wǎng)絡均可透過注冊撤銷程序(Deregistration)來啟動閑置模式?；緦⑨尫拍壳笆褂玫穆?lián)機數(shù)據(jù)，不再提供服務給此客戶端。在啟動同時，客戶端會告知原始聯(lián)機數(shù)據(jù)是否要暫存于傳呼主控臺內(nèi)，以及聯(lián)機數(shù)據(jù)的保存效期。只要客戶端在保存效期結(jié)束前完成了網(wǎng)絡重登入程序，則原先建立的聯(lián)機即可被復原。
在閑置模式下，大部分時間皆屬不可用時段。客戶端可隨時關(guān)掉裝置電源，但仍須偶爾醒來掃描周圍的基站?？蛻舳藭援敃r通信狀況最佳者作為偏好基站(Preferred BS)，負責客戶端與后端網(wǎng)絡之間的訊息轉(zhuǎn)送工作。若當時選用偏好基站屬于另一個傳呼群，則客戶端必須要接著執(zhí)行位置更新。
客戶端可從傳呼信息里得到偏好基站的定期傳呼時段(BS Paging Interval)，只要到了預定的傳呼時段，客戶端即應醒來聆聽傳呼信息。目前基站需要廣播傳呼信息的原因，可能是傳呼主控臺要求客戶端回報最新位置信息，此時客戶端將被指示執(zhí)行位置更新;若后端網(wǎng)絡已有封包欲下傳至客戶端，則客戶端將被指示執(zhí)行網(wǎng)絡重登入。對客戶端而言，若有封包需要收送或是原始聯(lián)機數(shù)據(jù)效期已過，則客戶端在任何時刻只要執(zhí)行了網(wǎng)絡重登入，便算是要離開閑置模式。圖3為閑置模式的使用案例：客戶端進入閑置模式后，前后共選用了3個偏好基站，且執(zhí)行了一次位置更新;在最后一個傳呼時段里，客戶端收到網(wǎng)絡重登入指示后便結(jié)束了閑置模式操作。
結(jié)語
當前無線網(wǎng)絡標準因應移動性需求，多有制定省電模式，而WiMAX省電模式更有睡眠模式與閑置模式可供選擇。兩者存在的差異如下：睡眠模式多數(shù)由客戶端發(fā)起，并決定各時段長度及啟用時機。在睡眠模式時，除了需隨時維護聯(lián)機的封包傳輸正常外，該執(zhí)行的定期測距與換手程序都不能省略。雖然睡眠模式實際可省電的時間較為片段，但卻能適時調(diào)整以兼顧各聯(lián)機的傳輸服務質(zhì)量。而閑置模式雖可由客戶端發(fā)起，但實際多由后端網(wǎng)絡主導。在閑置模式下，兩端不再維護聯(lián)機，原始聯(lián)機數(shù)據(jù)則由傳呼群暫時保管，客戶端平時僅更新位置信息。但若有封包必須傳送時，一定得執(zhí)行網(wǎng)絡重登入，且若原先聯(lián)機數(shù)據(jù)已被清除，則聯(lián)機還必須重新建立，因此數(shù)據(jù)傳遞延遲時間勢必拉長，傳輸服務質(zhì)量恐不易達成。另外，閑置模式在使用上需要后端網(wǎng)絡支持，其網(wǎng)絡架構(gòu)正由WiMAX ForumTM規(guī)劃制定中[3]。雖然IEEE 802.16e-2005標準已有制定睡眠模式與閑置模式的操作程序，但使用上應該要有一套對應的算法來評估推算兩者使用的時機與封包的排程，以期在不影響傳輸效能的情況下仍可得到最佳的省電效益。
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