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

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

0 引言
    隨著無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，從手機到無線傳感器的各種移動終端設(shè)備扮演著越來越重要的角色。如何降低這些依靠電池供電的設(shè)備的能耗是延長其連續(xù)工作時間的關(guān)鍵。降低能耗最直接的方法是在無線網(wǎng)絡(luò)的物理層針對硬件組件進行功率優(yōu)化設(shè)計。例如減少互連寄生電容以降低動態(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，由于無線局域網(wǎng)(WLAN)90％以上的時間是用于偵聽接收，因此，這種旨在減少移動終端設(shè)備發(fā)射功率的電源控制技術(shù)是遠遠不夠的。所以，無線網(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。本文討論IEEE 802．11協(xié)議下MAC層的能量管理策略，并針對IEEE 802．11中的輪詢方案(polling scheme)提出改進，以達到節(jié)省更多能耗的目的。

1 WLAN的能耗特點
    WLAN是采用射頻技術(shù)實現(xiàn)無線連接的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在WLAN中，一個無線發(fā)送接收設(shè)備在通訊過程中可以處于發(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。試驗表明：無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處于睡眠模式時能耗特別低，處于空閑模式時的功率消耗與處于接收、發(fā)送模式時相差無幾。在WLAN中，導(dǎo)致能量消耗的原因主要有下列幾點：
    (1)傳送信息時發(fā)生信道沖突的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致這些信息被重傳，這樣會引起不必要的能量浪費；
    (2)在一個典型的廣播環(huán)境中，設(shè)備為了接收這些廣播幀所攜帶的信息，隨時都需保持開機時的活躍狀態(tài)，能量消耗非常迅速；
    (3)當(dāng)一個無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一直處于發(fā)射模式或接收模式時，能量消耗非常嚴重。
    可見，在WLAN信息發(fā)送與接收代價很大的情況下，為了節(jié)能常用的、在硬件方面進行功率控制的機制并不能顯著降低能耗，而采取某種機制將網(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，盡可能增長睡眠狀態(tài)的時間是降低功耗的關(guān)鍵。WLAN的節(jié)能機制的設(shè)計正是圍繞這個思想進行的，并通過其數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層來具體實現(xiàn)。

2 IEEE 802．11協(xié)議中的節(jié)能管理機制
    IEEE 802．11協(xié)議在MAC層定義了能量管理(powermanagement)的機制，提出利用結(jié)點在活躍模式(activemode)和節(jié)能模式(powex save mode，PSM)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來整體減少能量的消耗，從而延長電池的使用時間。按照IEEE 802．11協(xié)議的描述，MAC層定義的節(jié)能管理機制又可以具體分為報文驅(qū)動和時間驅(qū)動兩種。這兩種機制具有不同的節(jié)能特性。
    在報文驅(qū)動的節(jié)能機制中，各結(jié)點通過請求發(fā)送／允許發(fā)送(RTS／CTS)握手協(xié)議來控制發(fā)送報文之前的控制信息的交互，從而避免了“隱藏終端”競爭信道，各結(jié)點監(jiān)聽發(fā)送的RTS／CTS報文，如果與自己無關(guān)，并且數(shù)據(jù)足夠長，則無關(guān)的結(jié)點可以通過進入睡眠狀態(tài)來節(jié)省能量。報文驅(qū)動的節(jié)能機制不需要全網(wǎng)同步，因為只要鏈路上有報文發(fā)送，無關(guān)結(jié)點就可以通過進入睡眠狀態(tài)來節(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)的切換延時以及附加的能量損耗，有時這種方式可能是得不償失，只有在網(wǎng)絡(luò)負載較大時才能表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。
    在時間驅(qū)動的節(jié)能機制中，結(jié)點只在特定時刻喚醒一段時間來交互或監(jiān)聽信息。按照是否需要全網(wǎng)同步，又可分為同步時間驅(qū)動機制和異步時間驅(qū)動機制兩大類。同步時間驅(qū)動節(jié)能機制中結(jié)點在某些特定時間段內(nèi)同時處于活躍狀態(tài)，并以交互信息來保證節(jié)能機制的正常運行。全網(wǎng)同步為結(jié)點從睡眠狀態(tài)喚醒和活躍狀態(tài)進入睡眠狀態(tài)提供了時鐘參考。無需全網(wǎng)同步的異步時間驅(qū)動機制對于多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更具有實用性，由于沒有一個結(jié)點能夠直接與所有結(jié)點通信，導(dǎo)致同步機制實現(xiàn)起來較為困難。下面主要分析全網(wǎng)同步情況下的能量管理機制。
    全網(wǎng)同步情況下IEEE 802．11協(xié)議的能量管理機制的工作過程如圖1所示。各結(jié)點將時間軸分為連續(xù)的信標(biāo)(beacon)周期，當(dāng)每一beacon周期開始時，工作于節(jié)能模式的結(jié)點都喚醒一段時間，稱之為ATIM窗口(Ad Hoc Traffic Indication Message)。在ATIM窗口開始的時刻各結(jié)點都處于活躍狀態(tài)并競爭發(fā)一個beacon幀來進行全網(wǎng)同步，beacon幀中攜帶本結(jié)點的時鐘信息。未競爭上的結(jié)點收到beacon幀后就取消自己的發(fā)送，并以收到的beacon幀中的時鐘信息調(diào)整自己的時鐘進行同步，此后不再發(fā)送自己的beacon幀。同步完成之后，有報文要發(fā)送的結(jié)點會向接收結(jié)點發(fā)送一個ATIM幀與接收結(jié)點進行信息交互，接收結(jié)點通過ATIM-ACK報文應(yīng)答(如果ATIM幀的地址是一廣播地址，則無需應(yīng)答)。結(jié)點如果有報文要發(fā)送或接收，則將剩余的beacon周期時間作為流量窗口(Traffic Window，簡稱TW窗口)，這些結(jié)點在TW窗口內(nèi)將一直處于活躍狀態(tài)，而其他沒有報文要發(fā)送或接收的結(jié)點則在TW窗口內(nèi)處于睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量，直到下一beacon周期開始時刻重新喚醒。

    在節(jié)能模式下，當(dāng)結(jié)點沒有報文傳輸時可以進入睡眠狀態(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問題：一是節(jié)能模式下結(jié)點如何從其他結(jié)點接收報文；二是結(jié)點如何向處于節(jié)能模式的結(jié)點發(fā)送報文。在全網(wǎng)同步的時間驅(qū)動的節(jié)能模式中，解決這兩個問題是依靠基本服務(wù)區(qū)中的訪問點的協(xié)調(diào)和緩存來實現(xiàn)的。

3 對IEEE 802．11節(jié)能機制中輪詢方案的改進
     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)點來競爭信道的使用權(quán)，因此會有沖突的問題發(fā)生。PCF稱為點協(xié)調(diào)功能，采用集中式的管理的方式，由一個
基本服務(wù)區(qū)(BSA)中的訪問點(AP)來管理信道的使用，所有其它的結(jié)點按照某種輪詢方案(poiling scheme)來接受該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，一個超幀被分成無競爭階段(Contention Free Period，CFP)和競爭階段(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負責(zé)去選擇位于輪詢表中的結(jié)點，輪詢的順序是依照結(jié)點標(biāo)識號碼(AID)的大小，由小到大依次輪詢，如果這些無競爭階段可輪詢的結(jié)點中有一些結(jié)點是處于節(jié)能模式，則在CFP開始的時候，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)點的AID都是很大的值，則從CFP的開始到收到AP的無競爭的輪詢幀，然后傳送數(shù)據(jù)，最后到接收ACK，這段時間是相當(dāng)可觀的。因此如何將這些處于節(jié)能模式的結(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活躍狀態(tài)的停留時間縮短是改進IEEE 802．11節(jié)能機制中輪詢方案的出發(fā)點。
    通常處于活躍狀態(tài)的結(jié)點會將自己的收發(fā)器調(diào)整到開機的狀態(tài)，因此在IEEE 802．11的輪詢方案中將處于活躍狀態(tài)的結(jié)點輪詢順序改變并不會影響到能量的消耗，但對于處在節(jié)能模式下的結(jié)點卻會有所影響。因此我們可以修改原來IEEE 802．11的輪詢方案，讓AP在執(zhí)行輪詢方案的時候，并不是從AID最小的結(jié)點開始，而是改為盡可能在CFP開始的時候去輪詢那些處于節(jié)能模式的結(jié)點，減少它們處于活躍狀態(tài)的時間，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。在這個方案中只依照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)點剩下的能量來決定該結(jié)點在輪詢表中的位置。 每一個超幀開始前，AP將能量剩余最少的節(jié)能模式結(jié)點放到輪詢表的最前面，能量剩余第二少的結(jié)點放到第二位，依此類推，最后將活躍狀態(tài)的結(jié)點以AID的順序放在輪詢表中節(jié)能模式結(jié)點的后面。
    (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位置，依此類推。
    表1是IEEE 802．11的輪詢方案和我們所提出的三種改進的輪詢方案的對比(AID代表結(jié)點標(biāo)識號，Power代表剩余能量)。

    上述三種改進的輪詢方案修改了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)點的能量消耗，而且不會影響到活躍狀態(tài)結(jié)點的能量。對于想要提高數(shù)據(jù)吞吐量的無線應(yīng)用來說，輪詢方案1和輪詢方案3較為合適，而輪詢方案2則有利于類似無線視頻會議的應(yīng)用，可以讓所有參加會議的移動用戶在相近的時間內(nèi)完成通訊，從而達到較為滿意的整體平衡的效果。

4 結(jié)論
    無線終端在能源有限條件下能連續(xù)工作較長時間是業(yè)界所希望的。因此如何減少其能量的消耗來延長終端的工作時間，對于一個通訊協(xié)議來說是相當(dāng)重要的問題。IEEE 802．11協(xié)議定義了節(jié)能管理機制，可以讓移動結(jié)點處于節(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，并沒有很明確的針對能量管理來考慮在無競爭階段中的輪詢方案。我們對輪詢方案提出改進，可以使處于節(jié)能模式的結(jié)點在無線網(wǎng)絡(luò)流量負載較重時能進一步減少能量的消耗以延長終端的工作時間。