基于IEEE8 O 2.11協(xié)議的WLAN節(jié)省能耗的策略

摘要：在WLAN中移動(dòng)終端設(shè)備的電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。文章概述了基于IEEE802．11協(xié)議的WLAN節(jié)省能耗的策略，并通過(guò)對(duì)IEEE802．11MAC協(xié)議層節(jié)能機(jī)制的分析提出一種改進(jìn)的輪詢方案。該方案能克服IEEE802．11在PSM工作模式下，當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載較重時(shí)不能顯著降低能耗的缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線局域網(wǎng)；節(jié)能模式；輪詢方案

0 引言
    隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，從手機(jī)到無(wú)線傳感器的各種移動(dòng)終端設(shè)備扮演著越來(lái)越重要的角色。如何降低這些依靠電池供電的設(shè)備的能耗是延長(zhǎng)其連續(xù)工作時(shí)間的關(guān)鍵。降低能耗最直接的方法是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層針對(duì)硬件組件進(jìn)行功率優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如減少互連寄生電容以降低動(dòng)態(tài)功耗和選擇性地關(guān)閉某些部件的電源供應(yīng)以減少耗散功率。然而，由于無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)90％以上的時(shí)間是用于偵聽(tīng)接收，因此，這種旨在減少移動(dòng)終端設(shè)備發(fā)射功率的電源控制技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中許多節(jié)省能耗的應(yīng)用層協(xié)議被提出。其中，以IEEE80 2．11協(xié)議為代表的WLAN的節(jié)能技術(shù)是人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文討論IEEE 802．11協(xié)議下MAC層的能量管理策略，并針對(duì)IEEE 802．11中的輪詢方案(polling scheme)提出改進(jìn)，以達(dá)到節(jié)省更多能耗的目的。

1 WLAN的能耗特點(diǎn)
    WLAN是采用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在WLAN中，一個(gè)無(wú)線發(fā)送接收設(shè)備在通訊過(guò)程中可以處于發(fā)送、接收和等待等幾種工作方式，按其功率消耗由小到大的順序通常分為睡眠(sleep)、空閑(idie)、接收(receive)以及發(fā)送(transmit)4種模式。試驗(yàn)表明：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處于睡眠模式時(shí)能耗特別低，處于空閑模式時(shí)的功率消耗與處于接收、發(fā)送模式時(shí)相差無(wú)幾。在WLAN中，導(dǎo)致能量消耗的原因主要有下列幾點(diǎn)：
    (1)傳送信息時(shí)發(fā)生信道沖突的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致這些信息被重傳，這樣會(huì)引起不必要的能量浪費(fèi)；
    (2)在一個(gè)典型的廣播環(huán)境中，設(shè)備為了接收這些廣播幀所攜帶的信息，隨時(shí)都需保持開(kāi)機(jī)時(shí)的活躍狀態(tài)，能量消耗非常迅速；
    (3)當(dāng)一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一直處于發(fā)射模式或接收模式時(shí)，能量消耗非常嚴(yán)重。
    可見(jiàn)，在WLAN信息發(fā)送與接收代價(jià)很大的情況下，為了節(jié)能常用的、在硬件方面進(jìn)行功率控制的機(jī)制并不能顯著降低能耗，而采取某種機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)作出調(diào)整，將其狀態(tài)轉(zhuǎn)換調(diào)整到最有利的情況，盡可能增長(zhǎng)睡眠狀態(tài)的時(shí)間是降低功耗的關(guān)鍵。WLAN的節(jié)能機(jī)制的設(shè)計(jì)正是圍繞這個(gè)思想進(jìn)行的，并通過(guò)其數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。

2 IEEE 802．11協(xié)議中的節(jié)能管理機(jī)制
    IEEE 802．11協(xié)議在MAC層定義了能量管理(powermanagement)的機(jī)制，提出利用結(jié)點(diǎn)在活躍模式(activemode)和節(jié)能模式(powex save mode，PSM)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)整體減少能量的消耗，從而延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。按照IEEE 802．11協(xié)議的描述，MAC層定義的節(jié)能管理機(jī)制又可以具體分為報(bào)文驅(qū)動(dòng)和時(shí)間驅(qū)動(dòng)兩種。這兩種機(jī)制具有不同的節(jié)能特性。
    在報(bào)文驅(qū)動(dòng)的節(jié)能機(jī)制中，各結(jié)點(diǎn)通過(guò)請(qǐng)求發(fā)送／允許發(fā)送(RTS／CTS)握手協(xié)議來(lái)控制發(fā)送報(bào)文之前的控制信息的交互，從而避免了“隱藏終端”競(jìng)爭(zhēng)信道，各結(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)發(fā)送的RTS／CTS報(bào)文，如果與自己無(wú)關(guān)，并且數(shù)據(jù)足夠長(zhǎng)，則無(wú)關(guān)的結(jié)點(diǎn)可以通過(guò)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)節(jié)省能量。報(bào)文驅(qū)動(dòng)的節(jié)能機(jī)制不需要全網(wǎng)同步，因?yàn)橹灰溌飞嫌袌?bào)文發(fā)送，無(wú)關(guān)結(jié)點(diǎn)就可以通過(guò)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)節(jié)省能量，考慮到從睡眠狀態(tài)到發(fā)送／接收的活躍狀態(tài)的切換延時(shí)以及附加的能量損耗，有時(shí)這種方式可能是得不償失，只有在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)才能表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。
    在時(shí)間驅(qū)動(dòng)的節(jié)能機(jī)制中，結(jié)點(diǎn)只在特定時(shí)刻喚醒一段時(shí)間來(lái)交互或監(jiān)聽(tīng)信息。按照是否需要全網(wǎng)同步，又可分為同步時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制和異步時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制兩大類(lèi)。同步時(shí)間驅(qū)動(dòng)節(jié)能機(jī)制中結(jié)點(diǎn)在某些特定時(shí)間段內(nèi)同時(shí)處于活躍狀態(tài)，并以交互信息來(lái)保證節(jié)能機(jī)制的正常運(yùn)行。全網(wǎng)同步為結(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)喚醒和活躍狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)提供了時(shí)鐘參考。無(wú)需全網(wǎng)同步的異步時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)于多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更具有實(shí)用性，由于沒(méi)有一個(gè)結(jié)點(diǎn)能夠直接與所有結(jié)點(diǎn)通信，導(dǎo)致同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。下面主要分析全網(wǎng)同步情況下的能量管理機(jī)制。
    全網(wǎng)同步情況下IEEE 802．11協(xié)議的能量管理機(jī)制的工作過(guò)程如圖1所示。各結(jié)點(diǎn)將時(shí)間軸分為連續(xù)的信標(biāo)(beacon)周期，當(dāng)每一beacon周期開(kāi)始時(shí)，工作于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)都喚醒一段時(shí)間，稱之為ATIM窗口(Ad Hoc Traffic Indication Message)。在ATIM窗口開(kāi)始的時(shí)刻各結(jié)點(diǎn)都處于活躍狀態(tài)并競(jìng)爭(zhēng)發(fā)一個(gè)beacon幀來(lái)進(jìn)行全網(wǎng)同步，beacon幀中攜帶本結(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息。未競(jìng)爭(zhēng)上的結(jié)點(diǎn)收到beacon幀后就取消自己的發(fā)送，并以收到的beacon幀中的時(shí)鐘信息調(diào)整自己的時(shí)鐘進(jìn)行同步，此后不再發(fā)送自己的beacon幀。同步完成之后，有報(bào)文要發(fā)送的結(jié)點(diǎn)會(huì)向接收結(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ATIM幀與接收結(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，接收結(jié)點(diǎn)通過(guò)ATIM-ACK報(bào)文應(yīng)答(如果ATIM幀的地址是一廣播地址，則無(wú)需應(yīng)答)。結(jié)點(diǎn)如果有報(bào)文要發(fā)送或接收，則將剩余的beacon周期時(shí)間作為流量窗口(Traffic Window，簡(jiǎn)稱TW窗口)，這些結(jié)點(diǎn)在TW窗口內(nèi)將一直處于活躍狀態(tài)，而其他沒(méi)有報(bào)文要發(fā)送或接收的結(jié)點(diǎn)則在TW窗口內(nèi)處于睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量，直到下一beacon周期開(kāi)始時(shí)刻重新喚醒。

    在節(jié)能模式下，當(dāng)結(jié)點(diǎn)沒(méi)有報(bào)文傳輸時(shí)可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但這種操作不能影響正常的數(shù)據(jù)通信。因此必須要解決好兩個(gè)問(wèn)題：一是節(jié)能模式下結(jié)點(diǎn)如何從其他結(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文；二是結(jié)點(diǎn)如何向處于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文。在全網(wǎng)同步的時(shí)間驅(qū)動(dòng)的節(jié)能模式中，解決這兩個(gè)問(wèn)題是依靠基本服務(wù)區(qū)中的訪問(wèn)點(diǎn)的協(xié)調(diào)和緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 對(duì)IEEE 802．11節(jié)能機(jī)制中輪詢方案的改進(jìn)
     IEEE 802．11協(xié)議的MAC層提供了DCF和PCF兩種不同的存取方式。DCF稱為分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function)，采用分布式的方法，由所有的結(jié)點(diǎn)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道的使用權(quán)，因此會(huì)有沖突的問(wèn)題發(fā)生。PCF稱為點(diǎn)協(xié)調(diào)功能，采用集中式的管理的方式，由一個(gè)
基本服務(wù)區(qū)(BSA)中的訪問(wèn)點(diǎn)(AP)來(lái)管理信道的使用，所有其它的結(jié)點(diǎn)按照某種輪詢方案(poiling scheme)來(lái)接受該AP的管理。如果能夠有效地執(zhí)行輪詢方案，則可能改善信道的利用率，增加系統(tǒng)的節(jié)能效果。在PCF方式中，一個(gè)超幀被分成無(wú)競(jìng)爭(zhēng)階段(Contention Free Period，CFP)和競(jìng)爭(zhēng)階段(Contention Period，CP)兩部分，其中CP是采用DCF的方式，而CFP則是采用輪詢的方式。在CFP內(nèi)，AP負(fù)責(zé)去選擇位于輪詢表中的結(jié)點(diǎn)，輪詢的順序是依照結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)碼(AID)的大小，由小到大依次輪詢，如果這些無(wú)競(jìng)爭(zhēng)階段可輪詢的結(jié)點(diǎn)中有一些結(jié)點(diǎn)是處于節(jié)能模式，則在CFP開(kāi)始的時(shí)候，就須將自己的能量管理狀態(tài)調(diào)整到活躍狀態(tài)以接收來(lái)自AP的輪詢幀，在傳送完數(shù)據(jù)幀之后再將其調(diào)整到節(jié)能模式。如果這些處于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)的AID都是很大的值，則從CFP的開(kāi)始到收到AP的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的輪詢幀，然后傳送數(shù)據(jù)，最后到接收ACK，這段時(shí)間是相當(dāng)可觀的。因此如何將這些處于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活躍狀態(tài)的停留時(shí)間縮短是改進(jìn)IEEE 802．11節(jié)能機(jī)制中輪詢方案的出發(fā)點(diǎn)。
    通常處于活躍狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)會(huì)將自己的收發(fā)器調(diào)整到開(kāi)機(jī)的狀態(tài)，因此在IEEE 802．11的輪詢方案中將處于活躍狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)輪詢順序改變并不會(huì)影響到能量的消耗，但對(duì)于處在節(jié)能模式下的結(jié)點(diǎn)卻會(huì)有所影響。因此我們可以修改原來(lái)IEEE 802．11的輪詢方案，讓AP在執(zhí)行輪詢方案的時(shí)候，并不是從AID最小的結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，而是改為盡可能在CFP開(kāi)始的時(shí)候去輪詢那些處于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)，減少它們處于活躍狀態(tài)的時(shí)間，從而節(jié)省額外的能量消耗。為此，我們提出如下三種改進(jìn)的輪詢方案：
    (1) 輪詢方案1。將AP原先的輪詢表中屬于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)調(diào)整到新的輪詢表的前面，然后新的輪詢表后面接活躍狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)。在這個(gè)方案中只依照AID的順序排列，不考慮這些節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)所剩下的能量。
    (2) 輪詢方案2。將AP原先的輪詢表中屬于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)調(diào)整到新的輪詢表的前面，依照這些節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)剩下的能量來(lái)決定該結(jié)點(diǎn)在輪詢表中的位置。 每一個(gè)超幀開(kāi)始前，AP將能量剩余最少的節(jié)能模式結(jié)點(diǎn)放到輪詢表的最前面，能量剩余第二少的結(jié)點(diǎn)放到第二位，依此類(lèi)推，最后將活躍狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)以AID的順序放在輪詢表中節(jié)能模式結(jié)點(diǎn)的后面。
    (3) 輪詢方案3。在執(zhí)行輪詢表之前，AP將能量剩余最多的放到輪詢表的最前面，能量剩余第二多的放在第二個(gè)位置，依此類(lèi)推。
    表1是IEEE 802．11的輪詢方案和我們所提出的三種改進(jìn)的輪詢方案的對(duì)比(AID代表結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)，Power代表剩余能量)。

    上述三種改進(jìn)的輪詢方案修改了IEEE 802．11協(xié)議中原有的輪詢順序，不但可以減少節(jié)能模式結(jié)點(diǎn)的能量消耗，而且不會(huì)影響到活躍狀態(tài)結(jié)點(diǎn)的能量。對(duì)于想要提高數(shù)據(jù)吞吐量的無(wú)線應(yīng)用來(lái)說(shuō)，輪詢方案1和輪詢方案3較為合適，而輪詢方案2則有利于類(lèi)似無(wú)線視頻會(huì)議的應(yīng)用，可以讓所有參加會(huì)議的移動(dòng)用戶在相近的時(shí)間內(nèi)完成通訊，從而達(dá)到較為滿意的整體平衡的效果。

4 結(jié)論
    無(wú)線終端在能源有限條件下能連續(xù)工作較長(zhǎng)時(shí)間是業(yè)界所希望的。因此如何減少其能量的消耗來(lái)延長(zhǎng)終端的工作時(shí)間，對(duì)于一個(gè)通訊協(xié)議來(lái)說(shuō)是相當(dāng)重要的問(wèn)題。IEEE 802．11協(xié)議定義了節(jié)能管理機(jī)制，可以讓移動(dòng)結(jié)點(diǎn)處于節(jié)能模式，使其電池的能量消耗維持在較低的狀態(tài)，但在IEEE 802．11協(xié)議的描述中，并沒(méi)有很明確的針對(duì)能量管理來(lái)考慮在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)階段中的輪詢方案。我們對(duì)輪詢方案提出改進(jìn)，可以使處于節(jié)能模式的結(jié)點(diǎn)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載較重時(shí)能進(jìn)一步減少能量的消耗以延長(zhǎng)終端的工作時(shí)間。