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

摘要：在WLAN中移動終端設備的電池壽命是一個關鍵問題。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，當無線網絡流量負載較重時不能顯著降低能耗的缺點。
關鍵詞：無線局域網；節(jié)能模式；輪詢方案

0 引言
隨著無線網絡的迅速發(fā)展，從手機到無線傳感器的各種移動終端設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備的能耗是延長其連續(xù)工作時間的關鍵。降低能耗最直接的方法是在無線網絡的物理層針對硬件組件進行功率優(yōu)化設計。例如減少互連寄生電容以降低動態(tài)功耗和選擇性地關閉某些部件的電源供應以減少耗散功率。然而，由于無線局域網(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備發(fā)射功率的電源控制技術是遠遠不夠的。所以，無線網絡中許多節(jié)省能耗的應用層協(xié)議被提出。其中，以IEEE80 2．11協(xié)議為代表的WLAN的節(jié)能技術是人們關注的重點。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：無線網絡設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)當一個無線網絡設備一直處于發(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絡設備的狀態(tài)作出調整，將其狀態(tài)轉換調整到最有利的情況，盡可能增長睡眠狀態(tài)的時間是降低功耗的關鍵。WLAN的節(jié)能機制的設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，提出利用結點在活躍模式(activemode)和節(jié)能模式(powex save mode，PSM)之間的狀態(tài)轉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動和時間驅動兩種。這兩種機制具有不同的節(jié)能特性。
在報文驅動的節(jié)能機制中，各結點通過請求發(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，各結點監(jiān)聽發(fā)送的RTS／CTS報文，如果與自己無關，并且數(shù)據(jù)足夠長，則無關的結點可以通過進入睡眠狀態(tài)來節(jié)省能量。報文驅動的節(jié)能機制不需要全網同步，因為只要鏈路上有報文發(fā)送，無關結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，只有在網絡負載較大時才能表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。
在時間驅動的節(jié)能機制中，結點只在特定時刻喚醒一段時間來交互或監(jiān)聽信息。按照是否需要全網同步，又可分為同步時間驅動機制和異步時間驅動機制兩大類。同步時間驅動節(jié)能機制中結點在某些特定時間段內同時處于活躍狀態(tài)，并以交互信息來保證節(jié)能機制的正常運行。全網同步為結點從睡眠狀態(tài)喚醒和活躍狀態(tài)進入睡眠狀態(tài)提供了時鐘參考。無需全網同步的異步時間驅動機制對于多跳Ad Hoc網絡更具有實用性，由于沒有一個結點能夠直接與所有結點通信，導致同步機制實現(xiàn)起來較為困難。下面主要分析全網同步情況下的能量管理機制。
全網同步情況下IEEE 802．11協(xié)議的能量管理機制的工作過程如圖1所示。各結點將時間軸分為連續(xù)的信標(beacon)周期，當每一beacon周期開始時，工作于節(jié)能模式的結點都喚醒一段時間，稱之為ATIM窗口(Ad Hoc Traffic Indication Message)。在ATIM窗口開始的時刻各結點都處于活躍狀態(tài)并競爭發(fā)一個beacon幀來進行全網同步，beacon幀中攜帶本結點的時鐘信息。未競爭上的結點收到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)送的結點會向接收結點發(fā)送一個ATIM幀與接收結點進行信息交互，接收結點通過ATIM-ACK報文應答(如果ATIM幀的地址是一廣播地址，則無需應答)。結點如果有報文要發(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)，這些結點在TW窗口內將一直處于活躍狀態(tài)，而其他沒有報文要發(fā)送或接收的結點則在TW窗口內處于睡眠狀態(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，當結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)能模式下結點如何從其他結點接收報文；二是結點如何向處于節(jié)能模式的結點發(fā)送報文。在全網同步的時間驅動的節(jié)能模式中，解決這兩個問題是依靠基本服務區(qū)中的訪問點的協(xié)調和緩存來實現(xiàn)的。