基于802.11协议的节能技术

802.11是IEEE 802.11标准委员会制订的无线局域网信道接入协议，也可用于无线自组织网(Ad Hoc网络)。无线结点使用的易耗尽能源(主要是电池)只能提供有限的能量供应；而目前由于受电池制造技术的限制，在保持电池重量一定的条件下，电池容量很难有突破性的提高。另一方面，移动终端性能不断提高，功能也越来越强大，对电源供应的需求也更加强烈。因此研究新的技术以减少能耗并延长电源使用时间非常有必要。

无线网络接口在结点总功耗中占有相当大的比例。通常情况下，无线网络接口加电工作时按功率消耗由小到大的顺序有4种模式：睡眠模式（sleep）、空闲模式（idle）、接收模式（receive）以及发送模式（transmit）。当无线网络接口工作于睡眠模式时称结点处于睡眠状态，而当无线网络接口工作在其他三种模式时称结点处于活跃状态。

试验表明：网络接口处于睡眠状态时能耗特别低，处于空闲模式时的功率消耗与处于接收、发送模式时的功率消耗相差无几[1]。这说明在发送代价很大的网络中为了节能而常用的功率控制机制并不能显著降低网络能耗；尽可能将结点网络接口置于睡眠状态是降低结点功耗的关键，各种节能协议的设计也主要是围绕这个思想进行的。这种类型的节能协议主要由数据链路层的MAC子层实现。


1 802.11协议的基本节能机制

802.11协议[2]在MAC子层标准中定义了两种模式：分布协调功能DCF和点协调功能PCF。由于DCF的使用比较普遍，因此本文主要基于DCF来探讨802.11协议的节能技术。

在节能模式下，当结点没有数据传输时可以进入睡眠状态，但这种操作不能影响正常的数据通信。因此必须要解决好两个问题：节能模式下结点如何从其他结点接收数据；结点如何向处于节能模式的结点发送数据。

802.11标准中为802.11DCF定义了节能模式PSM[3]（Power Save Mode）。PSM工作于全互连网络中，工作过程如图1所示。各结点将时间轴分为连续的beacon周期，当每一beacon周期开始时，工作于节能模式的结点都唤醒一段时间，称之为ATIM窗口（Ad Hoc Traffic Indication Message）。在ATIM窗口开始的时刻各结点都处于活跃状态并竞争发一beacon帧来进行全网同步，其中beacon帧中携带本结点的时钟信息。各结点都与成功接收到的beacon帧进行同步，并且不再发送自己的beacon帧。同步后，有报文要发送的结点通过发送ATIM帧与接收结点进行信息交互，接收结点收到发给自己的ATIM帧后，应答一个ATIM-ACK（如果ATIM帧的地址是一广播地址，则无需应答）。结点如果有报文要发送或接收，则在剩余的beacon周期时间内(本文称作流量窗口，简称TW窗口)一直处于活跃状态，那些没有报文要发送或接收的结点则在TW窗口内处于睡眠模式以节省能量，直到下一beacon周期开始时刻重新唤醒。

802.11PSM协议有以下几条规则必须遵守：

(1)如果某结点收到发给自己的ATIM帧或广播地址的ATIM帧，则该结点在本beacon周期内要一直处于活跃状态；

(2)只有当结点既没有发ATIM帧又没有收到地址为本结点或广播地址的ATIM帧时才可在本beacon周期的TW窗口内进入睡眠态，直到下一周期开始再唤醒；

(3)ATIM帧和ATIM-ACK帧发送采用正常的802.11DCF接入规则竞争信道；

(4)在TW窗口内，处于活跃状态的结点采用正常的802.11DCF接入规则竞争信道。

PSM作为802.11最基本的节能协议，能够在一定程度上实现节能目标。但它存在一些不足：

(1)PSM协议中，ATIM窗口大小固定不变。而ATIM窗口的大小对系统的节能效率和吞吐率有较大影响，大小固定的ATIM窗口不能灵活适应这种状况。ATIM窗口设置得过大会导致实际用来发送数据的时间缩短而使最大吞吐率降低，也会降低节能效率。尤其网络在低负荷时，过大的ATIM窗口的负面影响极为明显。而ATIM窗口过小则可能导致某些发送结点在ATIM窗口内没有时间与接收结点建立连接，也可能使最大吞吐率降低；

(2)在整个ATIM窗口内，所有结点都必须处于活跃状态。当所有结点都没有数据传输时在ATIM窗口一直处于空闲状态，仍要消耗不少能量；

(3)每个有数据收发的结点在TW窗口内要一直处于活跃状态（即使只有一个报文要发送或接收）。结点在结束通信后，如果TW窗口尚未结束，它就要在窗口剩余时间内一直处于空闲状态，这依然要消耗不少能量；

(4)在TW 窗口内，数据发送时竞争信道采用的是普通802.11协议中的CSMA/CA机制。当结点发现信道忙时，就要退避一段时间再进行信道接入。在这段退避时间内，结点处于空闲状态，依然消耗不少能量。


2 802.11中各种改进的节能协议

针对802.11PSM节能协议中存在的不足，不少学者提出了改进建议。常见的对基本节能机制的改进协议有如下几种。

2.1 TIPS协议

TIPS协议[4]（Traffic Indication-based Power Saving）是针对PSM中所有结点没有数据传输时在ATIM窗口内仍然保持活跃状态的缺陷进行的改进。如果所有结点都没有数据传输，在ATIM窗口进入睡眠状态会减少能耗。但结点不能过早地盲目地转入睡眠状态，因为即使结点自己没有数据发送，它也无法了解邻结点是否有数据需要接收或转发。为了解决这一问题，TIPS协议在ATIM窗口开始时刻利用两个beacon时隙作为流量指示器，将第一个时隙称为ETS（Earlier Time Slot），第二个时隙称为LTS（Later Time Slot）。

TIPS协议ATIM窗口如图2所示。在TIPS协议中，当结点有数据需要发送时就在ETS时隙中竞争发送作为同步的beacon帧，否则延迟到LTS帧中发送。如果beacon帧在ETS时隙中发送，说明网络中有结点要传输数据，此后TIPS协议工作过程与PSM相同。如果ETS时隙中没有beacon帧发送，就认为所有结点都没有数据要发送，此时所有结点在LTS时隙后就进入睡眠状态，直到下一beacon周期开始时刻重新唤醒。