基于802.11協議的節(jié)能技術
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無線網絡接口在結點總功耗中占有相當大的比例。通常情況下，無線網絡接口加電工作時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）。當無線網絡接口工作于睡眠模式時稱結點處于睡眠狀態(tài)，而當無線網絡接口工作在其他三種模式時稱結點處于活躍狀態(tài)。
試驗表明：網絡接口處于睡眠狀態(tài)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)送模式時的功率消耗相差無幾[1]。這說明在發(fā)送代價很大的網絡中為了節(jié)能而常用的功率控制機制并不能顯著降低網絡能耗；盡可能將結點網絡接口置于睡眠狀態(tài)是降低結點功耗的關鍵，各種節(jié)能協議的設計也主要是圍繞這個思想進行的。這種類型的節(jié)能協議主要由數據鏈路層的MAC子層實現。
1 802.11協議的基本節(jié)能機制
802.11協議[2]在MAC子層標準中定義了兩種模式：分布協調功能DCF和點協調功能PCF。由于DCF的使用比較普遍，因此本文主要基于DCF來探討802.11協議的節(jié)能技術。
在節(jié)能模式下，當結點沒有數據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據通信。因此必須要解決好兩個問題：節(jié)能模式下結點如何從其他結點接收數據；結點如何向處于節(jié)能模式的結點發(fā)送數據。
802.11標準中為802.11DCF定義了節(jié)能模式PSM[3]（Power Save Mode）。PSM工作于全互連網絡中，工作過程如圖1所示。各結點將時間軸分為連續(xù)的beacon周期，當每一beacon周期開始時，工作于節(jié)能模式的結點都喚醒一段時間，稱之為ATIM窗口（Ad Hoc Traffic Indication Message）。在ATIM窗口開始的時刻各結點都處于活躍狀態(tài)并競爭發(fā)一beacon幀來進行全網同步，其中beacon幀中攜帶本結點的時鐘信息。各結點都與成功接收到的beacon幀進行同步，并且不再發(fā)送自己的beacon幀。同步后，有報文要發(fā)送的結點通過發(fā)送ATIM幀與接收結點進行信息交互，接收結點收到發(fā)給自己的ATIM幀后，應答一個ATIM-ACK（如果ATIM幀的地址是一廣播地址，則無需應答）。結點如果有報文要發(fā)送或接收，則在剩余的beacon周期時間內(本文稱作流量窗口，簡稱TW窗口)一直處于活躍狀態(tài)，那些沒有報文要發(fā)送或接收的結點則在TW窗口內處于睡眠模式以節(jié)省能量，直到下一beacon周期開始時刻重新喚醒。802.11PSM協議有以下幾條規(guī)則必須遵守：
(1)如果某結點收到發(fā)給自己的ATIM幀或廣播地址的ATIM幀，則該結點在本beacon周期內要一直處于活躍狀態(tài)；
(2)只有當結點既沒有發(fā)ATIM幀又沒有收到地址為本結點或廣播地址的ATIM幀時才可在本beacon周期的TW窗口內進入睡眠態(tài)，直到下一周期開始再喚醒；
(3)ATIM幀和ATIM-ACK幀發(fā)送采用正常的802.11DCF接入規(guī)則競爭信道；
(4)在TW窗口內，處于活躍狀態(tài)的結點采用正常的802.11DCF接入規(guī)則競爭信道。
PSM作為802.11最基本的節(jié)能協議，能夠在一定程度上實現節(jié)能目標。但它存在一些不足：
(1)PSM協議中，ATIM窗口大小固定不變。而ATIM窗口的大小對系統的節(jié)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窗口設置得過大會導致實際用來發(fā)送數據的時間縮短而使最大吞吐率降低，也會降低節(jié)能效率。尤其網絡在低負荷時，過大的ATIM窗口的負面影響極為明顯。而ATIM窗口過小則可能導致某些發(fā)送結點在ATIM窗口內沒有時間與接收結點建立連接，也可能使最大吞吐率降低；
(2)在整個ATIM窗口內，所有結點都必須處于活躍狀態(tài)。當所有結點都沒有數據傳輸時在ATIM窗口一直處于空閑狀態(tài)，仍要消耗不少能量；
(3)每個有數據收發(fā)的結點在TW窗口內要一直處于活躍狀態(tài)（即使只有一個報文要發(fā)送或接收）。結點在結束通信后，如果TW窗口尚未結束，它就要在窗口剩余時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)送時競爭信道采用的是普通802.11協議中的CSMA/CA機制。當結點發(fā)現信道忙時，就要退避一段時間再進行信道接入。在這段退避時間內，結點處于空閑狀態(tài)，依然消耗不少能量。
2 802.11中各種改進的節(jié)能協議
針對802.11PSM節(jié)能協議中存在的不足，不少學者提出了改進建議。常見的對基本節(jié)能機制的改進協議有如下幾種。
2.1 TIPS協議
TIPS協議[4]（Traffic Indication-based Power Saving）是針對PSM中所有結點沒有數據傳輸時在ATIM窗口內仍然保持活躍狀態(tài)的缺陷進行的改進。如果所有結點都沒有數據傳輸，在ATIM窗口進入睡眠狀態(tài)會減少能耗。但結點不能過早地盲目地轉入睡眠狀態(tài)，因為即使結點自己沒有數據發(fā)送，它也無法了解鄰結點是否有數據需要接收或轉發(fā)。為了解決這一問題，TIPS協議在ATIM窗口開始時刻利用兩個beacon時隙作為流量指示器，將第一個時隙稱為ETS（Earlier Time Slot），第二個時隙稱為LTS（Later Time Slot）。
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