基于802.11協(xié)議的節能技術(shù)
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無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口在結點(diǎn)總功耗中占有相當大的比例。通常情況下，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口加電工作時(shí)按功率消耗由小到大的順序有4種模式：睡眠模式（sleep）、空閑模式（idle）、接收模式（receive）以及發(fā)送模式（transmit）。當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口工作于睡眠模式時(shí)稱(chēng)結點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，而當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口工作在其他三種模式時(shí)稱(chēng)結點(diǎn)處于活躍狀態(tài)。
試驗表明：網(wǎng)絡(luò )接口處于睡眠狀態(tài)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)的功率消耗相差無(wú)幾[1]。這說(shuō)明在發(fā)送代價(jià)很大的網(wǎng)絡(luò )中為了節能而常用的功率控制機制并不能顯著(zhù)降低網(wǎng)絡(luò )能耗；盡可能將結點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )接口置于睡眠狀態(tài)是降低結點(diǎn)功耗的關(guān)鍵，各種節能協(xié)議的設計也主要是圍繞這個(gè)思想進(jìn)行的。這種類(lèi)型的節能協(xié)議主要由數據鏈路層的MAC子層實(shí)現。
1 802.11協(xié)議的基本節能機制
802.11協(xié)議[2]在MAC子層標準中定義了兩種模式：分布協(xié)調功能DCF和點(diǎn)協(xié)調功能PCF。由于DCF的使用比較普遍，因此本文主要基于DCF來(lái)探討802.11協(xié)議的節能技術(shù)。
在節能模式下，當結點(diǎn)沒(méi)有數據傳輸時(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：節能模式下結點(diǎn)如何從其他結點(diǎn)接收數據；結點(diǎn)如何向處于節能模式的結點(diǎn)發(fā)送數據。
802.11標準中為802.11DCF定義了節能模式PSM[3]（Power Save Mode）。PSM工作于全互連網(wǎng)絡(luò )中，工作過(guò)程如圖1所示。各結點(diǎn)將時(shí)間軸分為連續的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beacon幀來(lái)進(jìn)行全網(wǎng)同步，其中beacon幀中攜帶本結點(diǎn)的時(shí)鐘信息。各結點(diǎn)都與成功接收到的beacon幀進(jìn)行同步，并且不再發(fā)送自己的beacon幀。同步后，有報文要發(fā)送的結點(diǎn)通過(guò)發(fā)送ATIM幀與接收結點(diǎn)進(jìn)行信息交互，接收結點(diǎn)收到發(fā)給自己的ATIM幀后，應答一個(gè)ATIM-ACK（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，則在剩余的beacon周期時(shí)間內(本文稱(chēng)作流量窗口，簡(jiǎn)稱(chēng)TW窗口)一直處于活躍狀態(tài)，那些沒(méi)有報文要發(fā)送或接收的結點(diǎn)則在TW窗口內處于睡眠模式以節省能量，直到下一beacon周期開(kāi)始時(shí)刻重新喚醒。802.11PSM協(xié)議有以下幾條規則必須遵守：
(1)如果某結點(diǎn)收到發(fā)給自己的ATIM幀或廣播地址的ATIM幀，則該結點(diǎn)在本beacon周期內要一直處于活躍狀態(tài)；
(2)只有當結點(diǎn)既沒(méi)有發(fā)ATIM幀又沒(méi)有收到地址為本結點(diǎn)或廣播地址的ATIM幀時(shí)才可在本beacon周期的TW窗口內進(jìn)入睡眠態(tài)，直到下一周期開(kāi)始再喚醒；
(3)ATIM幀和ATIM-ACK幀發(fā)送采用正常的802.11DCF接入規則競爭信道；
(4)在TW窗口內，處于活躍狀態(tài)的結點(diǎn)采用正常的802.11DCF接入規則競爭信道。
PSM作為802.11最基本的節能協(xié)議，能夠在一定程度上實(shí)現節能目標。但它存在一些不足：
(1)PSM協(xié)議中，ATIM窗口大小固定不變。而ATIM窗口的大小對系統的節能效率和吞吐率有較大影響，大小固定的ATIM窗口不能靈活適應這種狀況。ATIM窗口設置得過(guò)大會(huì )導致實(shí)際用來(lái)發(fā)送數據的時(shí)間縮短而使最大吞吐率降低，也會(huì )降低節能效率。尤其網(wǎng)絡(luò )在低負荷時(shí)，過(guò)大的ATIM窗口的負面影響極為明顯。而ATIM窗口過(guò)小則可能導致某些發(fā)送結點(diǎn)在A(yíng)TIM窗口內沒(méi)有時(shí)間與接收結點(diǎn)建立連接，也可能使最大吞吐率降低；
(2)在整個(gè)ATIM窗口內，所有結點(diǎn)都必須處于活躍狀態(tài)。當所有結點(diǎn)都沒(méi)有數據傳輸時(shí)在A(yíng)TIM窗口一直處于空閑狀態(tài)，仍要消耗不少能量；
(3)每個(gè)有數據收發(fā)的結點(diǎn)在TW窗口內要一直處于活躍狀態(tài)（即使只有一個(gè)報文要發(fā)送或接收）。結點(diǎn)在結束通信后，如果TW窗口尚未結束，它就要在窗口剩余時(shí)間內一直處于空閑狀態(tài)，這依然要消耗不少能量；
(4)在TW 窗口內，數據發(fā)送時(shí)競爭信道采用的是普通802.11協(xié)議中的CSMA/CA機制。當結點(diǎn)發(fā)現信道忙時(shí)，就要退避一段時(shí)間再進(jìn)行信道接入。在這段退避時(shí)間內，結點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，依然消耗不少能量。
2 802.11中各種改進(jìn)的節能協(xié)議
針對802.11PSM節能協(xié)議中存在的不足，不少學(xué)者提出了改進(jìn)建議。常見(jiàn)的對基本節能機制的改進(jìn)協(xié)議有如下幾種。
2.1 TIPS協(xié)議
TIPS協(xié)議[4]（Traffic Indication-based Power Saving）是針對PSM中所有結點(diǎn)沒(méi)有數據傳輸時(shí)在A(yíng)TIM窗口內仍然保持活躍狀態(tài)的缺陷進(jìn)行的改進(jìn)。如果所有結點(diǎn)都沒(méi)有數據傳輸，在A(yíng)TIM窗口進(jìn)入睡眠狀態(tài)會(huì )減少能耗。但結點(diǎn)不能過(guò)早地盲目地轉入睡眠狀態(tài)，因為即使結點(diǎn)自己沒(méi)有數據發(fā)送，它也無(wú)法了解鄰結點(diǎn)是否有數據需要接收或轉發(fā)。為了解決這一問(wèn)題，TIPS協(xié)議在A(yíng)TIM窗口開(kāi)始時(shí)刻利用兩個(gè)beacon時(shí)隙作為流量指示器，將第一個(gè)時(shí)隙稱(chēng)為ETS（Earlier Time Slot），第二個(gè)時(shí)隙稱(chēng)為L(cháng)TS（Later Time Slot）。
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