802.11a/g相對(duì)于802.11b的低功耗優(yōu)勢(shì)

2004年4月A版

引言

　　802.11無線局域網(wǎng) (WLAN)技術(shù)正在全球范圍內(nèi)的企業(yè)與家庭中得到應(yīng)用。隨著 Wi-Fi 的實(shí)施不斷發(fā)展，基于其上運(yùn)行的新型應(yīng)用數(shù)量也不斷上升。起初，人們認(rèn)為 Wi-Fi 只是家庭與商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中以太網(wǎng)以及工業(yè)移動(dòng)計(jì)算的簡(jiǎn)單替代，但過去一年以來已顯現(xiàn)了新的趨勢(shì)。由于實(shí)現(xiàn)了成本節(jié)約及更多的功能，因此對(duì)以前未與WLAN連接的范圍廣闊的各種設(shè)備而言，WLAN都成了富有吸引力的解決方案。上述的設(shè)備與新型應(yīng)用包括：

　　功耗與電池壽命對(duì)大多數(shù)具備 Wi-Fi功能的新型設(shè)備來說都是至關(guān)重要的，特別對(duì)移動(dòng)電話及PDA而言更是如此。大多數(shù)Wi-Fi應(yīng)用90% 至95%的時(shí)間內(nèi)一般都處于待機(jī)狀態(tài)，而不是處于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或接收的工作狀態(tài)。顯然，待機(jī)狀態(tài)低功耗是延長電池壽命的一種必需。為了解決這一問題，TI開發(fā)了增強(qiáng)型低功耗(ELP)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同類型中最佳的待機(jī)功耗。

本文將討論以下問題：

　　對(duì)于延長具備Wi-Fi功能的便攜式設(shè)備的電池壽命來說，哪種Wi-Fi(802.11)物理層(PHY)技術(shù)最適合？

PHY 選擇為：

　　從理論上說，較簡(jiǎn)單、吞吐量較小的 802.11b 調(diào)制方案似乎能夠?qū)崿F(xiàn)更低的電池功耗。舉例來說，如果我們考慮傳輸或接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)所消耗的功率，那么會(huì)發(fā)現(xiàn)，802.11b 設(shè)備就相同數(shù)量的數(shù)據(jù)而言，比802.11a/g 設(shè)備少消耗約 30% 的功率。但是，分析時(shí)如果僅考慮設(shè)備傳輸或接收數(shù)據(jù)時(shí)每比特位或每字節(jié)的功耗，那么所得結(jié)果可能會(huì)具有相當(dāng)?shù)拿曰笮浴?/P>

　　舉例而言，盡管 802.11b 設(shè)備可能在執(zhí)行單一傳輸或接收操作時(shí)比 802.11a/g 設(shè)備少消耗30% 的功率，但該 802.11b 設(shè)備傳輸或接收相同數(shù)據(jù)量時(shí)工作時(shí)間必須比802.11a/g 設(shè)備長三至四倍。因此，如果我們就實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，那么就會(huì)發(fā)現(xiàn)，平均而言，802.11b 移動(dòng)設(shè)備在典型工作過程中比 802.11a/g 設(shè)備反而多消耗約二至三倍的功率，因此其會(huì)縮短電池壽命。

　　本文將提供分析以及例證以支持上述結(jié)論。VoIP應(yīng)用是實(shí)例之一，其比簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)瀏覽或其他幾種應(yīng)用所消耗的電池電量更多。

802.11分組結(jié)構(gòu)

　　激活狀態(tài)下的工作時(shí)間對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的功耗而言意義重大，我們討論分組結(jié)構(gòu)就能夠說明為什么在此方面各種 802.11調(diào)制方案彼此不同。

　　在 802.11分組組裝期間，來自IP層的有效負(fù)載數(shù)據(jù)(即正被傳輸?shù)臄?shù)據(jù))與 MAC(媒體訪問控制器)數(shù)據(jù)以及作為校驗(yàn)的四字節(jié)數(shù)據(jù)片斷(也稱作 CRC 或 FCS)被封裝在一起。所有上述數(shù)據(jù)都組合入 MPDU(MAC 分組數(shù)據(jù)單位)。當(dāng)傳輸分組時(shí)，PHY層附加同步化報(bào)頭。完整的 802.11 分組如圖1所示。

　　研究顯示，網(wǎng)絡(luò)流量以較短的猝發(fā)數(shù)據(jù)為主。圖2顯示了 IEEE 所進(jìn)行的研究，其也證明了這一點(diǎn)。

　　該研究顯示，54% 的 IP 流量都由長度不足 127 字節(jié)的數(shù)據(jù)包組成。68% 的網(wǎng)絡(luò)流量都由長度不足 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)包組成?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，我們可以下結(jié)論說，分析較短數(shù)據(jù)包對(duì)功耗的影響能夠?qū)?shí)際情況下 WLAN 應(yīng)用的功耗多少給出準(zhǔn)確的指示。

　　VoIP 應(yīng)用為典型 802.11 網(wǎng)絡(luò)中所遇到的數(shù)據(jù)包大小給出了良好的例子。以20msec的編碼語音為例。根據(jù)語音編解碼器類型的不同，數(shù)據(jù)包中語音數(shù)據(jù)有效負(fù)載的大小也不同，如表1所示。

　　以上顯示的有效負(fù)載隨后組裝在 IP 數(shù)據(jù)包中。我們可首先附加在 IP 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持 QoS 的 RSVP 協(xié)議報(bào)頭。隨后再附加 UDP 報(bào)頭。最后，根據(jù) IPv4 或 IPv6 協(xié)議的命令，分組得以完成。整個(gè) IP 分組總的開銷因此為：

　　除了 IP 開銷之外，還必須添加 802.11 MAC 開銷以形成 MPDU。在這種情況下，已將最新的802.11e WME MAC 報(bào)頭和 FCS 添加至分組，這就又使其長度加長了 32 字節(jié)。

　　最后，802.11 PHY 報(bào)頭必須連接至 MPDU。PHY 報(bào)頭的長度根據(jù) 802.11 調(diào)制方法的不同而差異很大。幾種 802.11 調(diào)制方案固定的報(bào)頭長度如下所示：

　　上述數(shù)據(jù)反映出，802.11b 要求附加于每個(gè)分組的報(bào)頭長度比 802.11a/g 分組要長 5 至 10 倍。

開銷總結(jié)

　　特別當(dāng) 802.11 分組較短時(shí)，開銷將占據(jù) 802.11 流量的大部分。如果采用標(biāo)準(zhǔn)的 IPv4 協(xié)議，則約 45% 的 WLAN 流量可歸為 802.11 MAC 封裝開銷。此外，802.11b 帶有的開銷報(bào)頭，最低也比 802.11a/g 報(bào)頭長 5 倍。

　　以下部分將說明較低的數(shù)據(jù)速率與較長的報(bào)頭將導(dǎo)致 802.11b WLAN 比 802.11a/g 網(wǎng)絡(luò)的功耗高很多。

　　根據(jù)調(diào)制方案劃分的 802.11 分組時(shí)間長度

　　下面的例子顯示了 802.11b 和 802.11g 調(diào)制方案二者傳輸或接收時(shí)間的明顯不同。我們?cè)谙旅娴姆治鲋袑⒉捎?20 msec 的 G.729 VoIP 語音分組，分析假定已經(jīng)采用了較短的96msec PHY 報(bào)頭。

　　基于上述假定，圖4顯示了 802.11a/g與802.11b相比，在傳輸或接收VoIP分組方面的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

　　上述情況不僅適用于帶有短數(shù)據(jù)包的流量，而且也適用于所有 TCP/IP 數(shù)據(jù)流量。

　　分析顯示，802.11b 分組可能比 802.11a/g 分組長達(dá)五倍，而且大多數(shù)典型的 802.11b 分組都至少比 802.11a/g 分組長三至四倍。

比較 802.11b 與 802.11a/g 的功耗

　　在實(shí)際的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)中，我們必須考慮到幾種特性，其中包括用戶設(shè)備離接入點(diǎn)越遠(yuǎn)時(shí)調(diào)制速率也會(huì)降低等。此外，802.11a/g和802.11b功耗之間的差別在用戶滿意程度方面也是一個(gè)至關(guān)重要的因素。

　　圖5顯示了用戶離接入點(diǎn)的不同距離，調(diào)制速率變化以及傳輸每比特位所需的功耗。我們假定為典型的辦公室環(huán)境傳輸模型，損失比例為R^3.3，而不是假定損失比例為 R^2 的理想傳輸模型。我們?cè)诜治鲋幸舶苏{(diào)制復(fù)雜性與峰值至平均速率的變化等。

　　圖5所采用的數(shù)據(jù)顯示，由于 802.11a／g 的功效低于802.11b，因此也就使傳輸每比特位的功率至少節(jié)約了 2.5 倍 (2.5x)，優(yōu)勢(shì)是相當(dāng)明顯的。我們?cè)诘玫缴鲜龉π?yōu)勢(shì)時(shí)還采用的是最差情況，所用的 802.11a／g 分組比在一般情況下要長。在帶有較短802.11a/g分組的典型 WLAN 中，802.11a／g 與 802.11b 相比，其功耗擁有低至3倍(3x)以上的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語

　　盡管和人們直覺感覺不同，但事實(shí)仍然是802.11a/g調(diào)制的功效比802.11b高出二至三倍。這使得我們?cè)趹?yīng)用WLAN時(shí)，移動(dòng)設(shè)備的電池壽命能夠獲得顯著改善。

　　盡管 802.11b 在某個(gè)時(shí)間瞬間所耗的功率可能較少，但在 802.11b 網(wǎng)絡(luò)上傳輸/接收有意義的應(yīng)用數(shù)據(jù)量的時(shí)間卻可能比 802.11a/g WLAN 長出五倍。支持更長的傳輸/接收時(shí)間所需的功率使 802.11b 的功效大大低于 802.11a/g。

　　為了充分利用 802.11a/g 的功效，芯片組必須對(duì)電池操作進(jìn)行優(yōu)化。電池組應(yīng)做到：

　　TI的TNETW1130及TNETW1230 MAC控制器/基帶處理器以及Auto-Band系列射頻前端(RFFE)包括所有上面列出的要求。■