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(wǎng)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(wǎng)；節(jié)能模式；輪詢方案

0 引言
隨著無線網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)(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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡設備的狀態(tài)作出調(diào)整，將其狀態(tài)轉(zhuǎn)換調(diào)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(jié)點在活躍模式(activemode)和節(jié)能模式(powex save mode，PSM)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)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(qū)動和時間驅(qū)動兩種。這兩種機制具有不同的節(jié)能特性。
在報文驅(qū)動的節(jié)能機制中，各結(jié)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(jié)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(jié)點可以通過進入睡眠狀態(tài)來節(jié)省能量。報文驅(qū)動的節(jié)能機制不需要全網(wǎng)同步，因為只要鏈路上有報文發(fā)送，無關結(jié)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(wǎng)絡負載較大時才能表現(xiàn)出較好的節(jié)能效果。
在時間驅(qū)動的節(jié)能機制中，結(jié)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(wǎng)同步，又可分為同步時間驅(qū)動機制和異步時間驅(qū)動機制兩大類。同步時間驅(qū)動節(jié)能機制中結(jié)點在某些特定時間段內(nèi)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(wǎng)同步為結(jié)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(wǎng)同步的異步時間驅(qū)動機制對于多跳Ad Hoc網(wǎng)絡更具有實用性，由于沒有一個結(jié)點能夠直接與所有結(jié)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(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程如圖1所示。各結(jié)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(jié)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(jié)點都處于活躍狀態(tài)并競爭發(fā)一個beacon幀來進行全網(wǎng)同步，beacon幀中攜帶本結(jié)點的時鐘信息。未競爭上的結(jié)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(diào)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(jié)點會向接收結(jié)點發(fā)送一個ATIM幀與接收結(jié)點進行信息交互，接收結(jié)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(jié)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(jié)點在TW窗口內(nèi)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(jié)點則在TW窗口內(nèi)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(jié)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(jié)點如何從其他結(jié)點接收報文；二是結(jié)點如何向處于節(jié)能模式的結(jié)點發(fā)送報文。在全網(wǎng)同步的時間驅(qū)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(diào)和緩存來實現(xiàn)的。