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(gè)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(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(jī)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(shí)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(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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)。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(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)無線連接的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在WLAN中，一個(gè)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(yàn)表明：無線網(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，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，并通過其數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層來具體實(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)換來整體減少能量的消耗，從而延長電池的使用時(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)動和時(shí)間驅(qū)動兩種。這兩種機(jī)制具有不同的節(jié)能特性。
在報(bào)文驅(qū)動的節(jié)能機(jī)制中，各結(jié)點(diǎn)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(bào)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(diǎn)監(jiān)聽發(fā)送的RTS／CTS報(bào)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(diǎn)可以通過進(jìn)入睡眠狀態(tài)來節(jié)省能量。報(bào)文驅(qū)動的節(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，無關(guān)結(jié)點(diǎn)就可以通過進(jìn)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(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(shí)間驅(qū)動機(jī)制和異步時(shí)間驅(qū)動機(jī)制兩大類。同步時(shí)間驅(qū)動節(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。無需全網(wǎng)同步的異步時(shí)間驅(qū)動機(jī)制對于多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更具有實(shí)用性，由于沒有一個(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窗口開始的時(shí)刻各結(jié)點(diǎn)都處于活躍狀態(tài)并競爭發(fā)一個(gè)beacon幀來進(jìn)行全網(wǎng)同步，beacon幀中攜帶本結(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息。未競爭上的結(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ATIM-ACK報(bào)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(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周期開始時(shí)刻重新喚醒。

在節(jié)能模式下，當(dāng)結(jié)點(diǎn)沒有報(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)問題：一是節(jié)能模式下結(jié)點(diǎn)如何從其他結(jié)點(diǎn)接收報(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)動的節(jié)能模式中，解決這兩個(gè)問題是依靠基本服務(wù)區(qū)中的訪問點(diǎn)的協(xié)調(diào)和緩存來實(shí)現(xiàn)的。