基于IEEE8 O 2.11協(xié)議的WLAN節省能耗的策略

摘要：在WLAN中移動(dòng)終端設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節省能耗的策略，并通過(guò)對IEEE802．11MAC協(xié)議層節能機制的分析提出一種改進(jìn)的輪詢(xún)方案。該方案能克服IEEE802．11在PSM工作模式下，當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )流量負載較重時(shí)不能顯著(zhù)降低能耗的缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)；節能模式；輪詢(xún)方案

0 引言
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的迅速發(fā)展，從手機到無(wú)線(xiàn)傳感器的各種移動(dòng)終端設備扮演著(zhù)越來(lái)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(cháng)其連續工作時(shí)間的關(guān)鍵。降低能耗最直接的方法是在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的物理層針對硬件組件進(jìn)行功率優(yōu)化設計。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以減少耗散功率。然而，由于無(wú)線(xiàn)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)終端設備發(fā)射功率的電源控制技術(shù)是遠遠不夠的。所以，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中許多節省能耗的應用層協(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(xún)方案(polling scheme)提出改進(jìn)，以達到節省更多能耗的目的。

1 WLAN的能耗特點(diǎn)
WLAN是采用射頻技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接的數據傳輸系統。在WLAN中，一個(gè)無(wú)線(xiàn)發(fā)送接收設備在通訊過(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。試驗表明：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備處于睡眠模式時(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)生信道沖突的現象，從而導致這些信息被重傳，這樣會(huì )引起不必要的能量浪費；
(2)在一個(gè)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(shí)都需保持開(kāi)機時(shí)的活躍狀態(tài)，能量消耗非常迅速；
(3)當一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備一直處于發(fā)射模式或接收模式時(shí)，能量消耗非常嚴重。
可見(jiàn)，在WLAN信息發(fā)送與接收代價(jià)很大的情況下，為了節能常用的、在硬件方面進(jìn)行功率控制的機制并不能顯著(zhù)降低能耗，而采取某種機制將網(wǎng)絡(luò )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(cháng)睡眠狀態(tài)的時(shí)間是降低功耗的關(guān)鍵。WLAN的節能機制的設計正是圍繞這個(gè)思想進(jìn)行的，并通過(guò)其數據鏈路層的MAC子層來(lái)具體實(shí)現。

2 IEEE 802．11協(xié)議中的節能管理機制
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(diǎn)在活躍模式(activemode)和節能模式(powex save mode，PSM)之間的狀態(tài)轉換來(lái)整體減少能量的消耗，從而延長(cháng)電池的使用時(shí)間。按照IEEE 802．11協(xié)議的描述，MAC層定義的節能管理機制又可以具體分為報文驅動(dòng)和時(shí)間驅動(dòng)兩種。這兩種機制具有不同的節能特性。
在報文驅動(dòng)的節能機制中，各結點(diǎn)通過(guò)請求發(fā)送／允許發(fā)送(RTS／CTS)握手協(xié)議來(lái)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(diǎn)監聽(tīng)發(fā)送的RTS／CTS報文，如果與自己無(wú)關(guān)，并且數據足夠長(cháng)，則無(wú)關(guān)的結點(diǎn)可以通過(guò)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)節省能量。報文驅動(dòng)的節能機制不需要全網(wǎng)同步，因為只要鏈路上有報文發(fā)送，無(wú)關(guān)結點(diǎn)就可以通過(guò)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)節省能量，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 )負載較大時(shí)才能表現出較好的節能效果。
在時(shí)間驅動(dòng)的節能機制中，結點(diǎn)只在特定時(shí)刻喚醒一段時(shí)間來(lái)交互或監聽(tīng)信息。按照是否需要全網(wǎng)同步，又可分為同步時(shí)間驅動(dòng)機制和異步時(shí)間驅動(dòng)機制兩大類(lèi)。同步時(shí)間驅動(dòng)節能機制中結點(diǎn)在某些特定時(shí)間段內同時(shí)處于活躍狀態(tài)，并以交互信息來(lái)保證節能機制的正常運行。全網(wǎng)同步為結點(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)間驅動(dòng)機制對于多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )更具有實(shí)用性，由于沒(méi)有一個(gè)結點(diǎn)能夠直接與所有結點(diǎn)通信，導致同步機制實(shí)現起來(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(guò)程如圖1所示。各結點(diǎn)將時(shí)間軸分為連續的信標(beacon)周期，當每一beacon周期開(kāi)始時(shí)，工作于節能模式的結點(diǎn)都喚醒一段時(shí)間，稱(chēng)之為ATIM窗口(Ad Hoc Traffic Indication Message)。在A(yíng)TIM窗口開(kāi)始的時(shí)刻各結點(diǎn)都處于活躍狀態(tài)并競爭發(fā)一個(gè)beacon幀來(lái)進(jìn)行全網(wǎng)同步，beacon幀中攜帶本結點(diǎn)的時(shí)鐘信息。未競爭上的結點(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，有報文要發(fā)送的結點(diǎn)會(huì )向接收結點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ATIM幀與接收結點(diǎn)進(jìn)行信息交互，接收結點(diǎn)通過(guò)ATIM-ACK報文應答(如果ATIM幀的地址是一廣播地址，則無(wú)需應答)。結點(diǎn)如果有報文要發(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(chēng)TW窗口)，這些結點(diǎn)在TW窗口內將一直處于活躍狀態(tài)，而其他沒(méi)有報文要發(fā)送或接收的結點(diǎn)則在TW窗口內處于睡眠狀態(tài)以節省能量，直到下一beacon周期開(kāi)始時(shí)刻重新喚醒。

在節能模式下，當結點(diǎn)沒(méi)有報文傳輸時(shí)可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但這種操作不能影響正常的數據通信。因此必須要解決好兩個(gè)問(wèn)題：一是節能模式下結點(diǎn)如何從其他結點(diǎn)接收報文；二是結點(diǎn)如何向處于節能模式的結點(diǎn)發(fā)送報文。在全網(wǎng)同步的時(shí)間驅動(dòng)的節能模式中，解決這兩個(gè)問(wèn)題是依靠基本服務(wù)區中的訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)的協(xié)調和緩存來(lái)實(shí)現的。