802.11a/g相對于802.11b的低功耗優(yōu)勢

2004年4月A版

引言

　　802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (WLAN)技術(shù)正在全球范圍內的企業(yè)與家庭中得到應用。隨著(zhù) Wi-Fi 的實(shí)施不斷發(fā)展，基于其上運行的新型應用數量也不斷上升。起初，人們認為 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)計算的簡(jiǎn)單替代，但過(guò)去一年以來(lái)已顯現了新的趨勢。由于實(shí)現了成本節約及更多的功能，因此對以前未與WLAN連接的范圍廣闊的各種設備而言，WLAN都成了富有吸引力的解決方案。上述的設備與新型應用包括：

　　功耗與電池壽命對大多數具備 Wi-Fi功能的新型設備來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，特別對移動(dòng)電話(huà)及PDA而言更是如此。大多數Wi-Fi應用90% 至95%的時(shí)間內一般都處于待機狀態(tài)，而不是處于進(jìn)行數據傳輸或接收的工作狀態(tài)。顯然，待機狀態(tài)低功耗是延長(cháng)電池壽命的一種必需。為了解決這一問(wèn)題，TI開(kāi)發(fā)了增強型低功耗(ELP)技術(shù)，實(shí)現了同類(lèi)型中最佳的待機功耗。

本文將討論以下問(wèn)題：

　　對于延長(cháng)具備Wi-Fi功能的便攜式設備的電池壽命來(lái)說(shuō)，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(shuō)，較簡(jiǎn)單、吞吐量較小的 802.11b 調制方案似乎能夠實(shí)現更低的電池功耗。舉例來(lái)說(shuō)，如果我們考慮傳輸或接收一個(gè)字節數據所消耗的功率，那么會(huì )發(fā)現，802.11b 設備就相同數量的數據而言，比802.11a/g 設備少消耗約 30% 的功率。但是，分析時(shí)如果僅考慮設備傳輸或接收數據時(shí)每比特位或每字節的功耗，那么所得結果可能會(huì )具有相當的迷惑性。

　　舉例而言，盡管 802.11b 設備可能在執行單一傳輸或接收操作時(shí)比 802.11a/g 設備少消耗30% 的功率，但該 802.11b 設備傳輸或接收相同數據量時(shí)工作時(shí)間必須比802.11a/g 設備長(cháng)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，平均而言，802.11b 移動(dòng)設備在典型工作過(guò)程中比 802.11a/g 設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論。VoIP應用是實(shí)例之一，其比簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )瀏覽或其他幾種應用所消耗的電池電量更多。

802.11分組結構

　　激活狀態(tài)下的工作時(shí)間對于移動(dòng)設備的功耗而言意義重大，我們討論分組結構就能夠說(shuō)明為什么在此方面各種 802.11調制方案彼此不同。

　　在 802.11分組組裝期間，來(lái)自IP層的有效負載數據(即正被傳輸的數據)與 MAC(媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器)數據以及作為校驗的四字節數據片斷(也稱(chēng)作 CRC 或 FCS)被封裝在一起。所有上述數據都組合入 MPDU(MAC 分組數據單位)。當傳輸分組時(shí)，PHY層附加同步化報頭。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)數據為主。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(cháng)度不足 127 字節的數據包組成。68% 的網(wǎng)絡(luò )流量都由長(cháng)度不足 256 字節的數據包組成?；谏鲜鲅芯拷Y果，我們可以下結論說(shuō)，分析較短數據包對功耗的影響能夠對實(shí)際情況下 WLAN 應用的功耗多少給出準確的指示。

　　VoIP 應用為典型 802.11 網(wǎng)絡(luò )中所遇到的數據包大小給出了良好的例子。以20msec的編碼語(yǔ)音為例。根據語(yǔ)音編解碼器類(lèi)型的不同，數據包中語(yǔ)音數據有效負載的大小也不同，如表1所示。

　　以上顯示的有效負載隨后組裝在 IP 數據包中。我們可首先附加在 IP 網(wǎng)絡(luò )內支持 QoS 的 RSVP 協(xié)議報頭。隨后再附加 UDP 報頭。最后，根據 IPv4 或 IPv6 協(xié)議的命令，分組得以完成。整個(gè) IP 分組總的開(kāi)銷(xiāo)因此為：

　　除了 IP 開(kāi)銷(xiāo)之外，還必須添加 802.11 MAC 開(kāi)銷(xiāo)以形成 MPDU。在這種情況下，已將最新的802.11e WME MAC 報頭和 FCS 添加至分組，這就又使其長(cháng)度加長(cháng)了 32 字節。

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

　　上述數據反映出，802.11b 要求附加于每個(gè)分組的報頭長(cháng)度比 802.11a/g 分組要長(cháng) 5 至 10 倍。

開(kāi)銷(xiāo)總結

　　特別當 802.11 分組較短時(shí)，開(kāi)銷(xiāo)將占據 802.11 流量的大部分。如果采用標準的 IPv4 協(xié)議，則約 45% 的 WLAN 流量可歸為 802.11 MAC 封裝開(kāi)銷(xiāo)。此外，802.11b 帶有的開(kāi)銷(xiāo)報頭，最低也比 802.11a/g 報頭長(cháng) 5 倍。

　　以下部分將說(shuō)明較低的數據速率與較長(cháng)的報頭將導致 802.11b WLAN 比 802.11a/g 網(wǎng)絡(luò )的功耗高很多。

　　根據調制方案劃分的 802.11 分組時(shí)間長(cháng)度

　　下面的例子顯示了 802.11b 和 802.11g 調制方案二者傳輸或接收時(shí)間的明顯不同。我們在下面的分析中將采用 20 msec 的 G.729 VoIP 語(yǔ)音分組，分析假定已經(jīng)采用了較短的96msec PHY 報頭。

　　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。

　　上述情況不僅適用于帶有短數據包的流量，而且也適用于所有 TCP/IP 數據流量。

　　分析顯示，802.11b 分組可能比 802.11a/g 分組長(cháng)達五倍，而且大多數典型的 802.11b 分組都至少比 802.11a/g 分組長(cháng)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(hù)設備離接入點(diǎn)越遠時(shí)調制速率也會(huì )降低等。此外，802.11a/g和802.11b功耗之間的差別在用戶(hù)滿(mǎn)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(hù)離接入點(diǎn)的不同距離，調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。我們在分析中也包括了調制復雜性與峰值至平均速率的變化等。

　　圖5所采用的數據顯示，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約了 2.5 倍 (2.5x)，優(yōu)勢是相當明顯的。我們在得到上述功效優(yōu)勢時(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(cháng)。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。

結語(yǔ)

　　盡管和人們直覺(jué)感覺(jué)不同，但事實(shí)仍然是802.11a/g調制的功效比802.11b高出二至三倍。這使得我們在應用WLAN時(shí)，移動(dòng)設備的電池壽命能夠獲得顯著(zhù)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/接收有意義的應用數據量的時(shí)間卻可能比 802.11a/g WLAN 長(cháng)出五倍。支持更長(cháng)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，芯片組必須對電池操作進(jìn)行優(yōu)化。電池組應做到：

　　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?！?BR>