基于802.11協(xié)議的節(jié)能技術(shù)
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無線網(wǎng)絡(luò)接口在結(jié)點總功耗中占有相當(dāng)大的比例。通常情況下，無線網(wǎng)絡(luò)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(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)接口工作于睡眠模式時稱結(jié)點處于睡眠狀態(tài)，而當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)接口工作在其他三種模式時稱結(jié)點處于活躍狀態(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(wǎng)絡(luò)中為了節(jié)能而常用的功率控制機(jī)制并不能顯著降低網(wǎng)絡(luò)能耗；盡可能將結(jié)點網(wǎng)絡(luò)接口置于睡眠狀態(tài)是降低結(jié)點功耗的關(guān)鍵，各種節(jié)能協(xié)議的設(shè)計也主要是圍繞這個思想進(jìn)行的。這種類型的節(jié)能協(xié)議主要由數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層實現(xiàn)。
1 802.11協(xié)議的基本節(jié)能機(jī)制
802.11協(xié)議[2]在MAC子層標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種模式：分布協(xié)調(diào)功能DCF和點協(xié)調(diào)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(xié)議的節(jié)能技術(shù)。
在節(jié)能模式下，當(dāng)結(jié)點沒有數(shù)據(jù)傳輸時可以進(jìn)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：節(jié)能模式下結(jié)點如何從其他結(jié)點接收數(shù)據(jù)；結(jié)點如何向處于節(jié)能模式的結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
802.11標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)中，工作過程如圖1所示。各結(jié)點將時間軸分為連續(xù)的beacon周期，當(dāng)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beacon幀來進(jìn)行全網(wǎng)同步，其中beacon幀中攜帶本結(jié)點的時鐘信息。各結(jié)點都與成功接收到的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(jié)點通過發(fā)送ATIM幀與接收結(jié)點進(jìn)行信息交互，接收結(jié)點收到發(fā)給自己的ATIM幀后，應(yīng)答一個ATIM-ACK（如果ATIM幀的地址是一廣播地址，則無需應(yīng)答）。結(jié)點如果有報文要發(fā)送或接收，則在剩余的beacon周期時間內(nèi)(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(jié)點則在TW窗口內(nèi)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(xié)議有以下幾條規(guī)則必須遵守：
(1)如果某結(jié)點收到發(fā)給自己的ATIM幀或廣播地址的ATIM幀，則該結(jié)點在本beacon周期內(nèi)要一直處于活躍狀態(tài)；
(2)只有當(dāng)結(jié)點既沒有發(fā)ATIM幀又沒有收到地址為本結(jié)點或廣播地址的ATIM幀時才可在本beacon周期的TW窗口內(nèi)進(jìn)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(nèi)，處于活躍狀態(tài)的結(jié)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(xié)議，能夠在一定程度上實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。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(tǒng)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(yīng)這種狀況。ATIM窗口設(shè)置得過大會導(dǎo)致實際用來發(fā)送數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)在低負(fù)荷時，過大的ATIM窗口的負(fù)面影響極為明顯。而ATIM窗口過小則可能導(dǎo)致某些發(fā)送結(jié)點在ATIM窗口內(nèi)沒有時間與接收結(jié)點建立連接，也可能使最大吞吐率降低；
(2)在整個ATIM窗口內(nèi)，所有結(jié)點都必須處于活躍狀態(tài)。當(dāng)所有結(jié)點都沒有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收發(fā)的結(jié)點在TW窗口內(nèi)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(jié)點在結(jié)束通信后，如果TW窗口尚未結(jié)束，它就要在窗口剩余時間內(nèi)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(nèi)，數(shù)據(jù)發(fā)送時競爭信道采用的是普通802.11協(xié)議中的CSMA/CA機(jī)制。當(dāng)結(jié)點發(fā)現(xiàn)信道忙時，就要退避一段時間再進(jìn)行信道接入。在這段退避時間內(nèi)，結(jié)點處于空閑狀態(tài)，依然消耗不少能量。
2 802.11中各種改進(jìn)的節(jié)能協(xié)議
針對802.11PSM節(jié)能協(xié)議中存在的不足，不少學(xué)者提出了改進(jìn)建議。常見的對基本節(jié)能機(jī)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(jié)點沒有數(shù)據(jù)傳輸時在ATIM窗口內(nèi)仍然保持活躍狀態(tài)的缺陷進(jìn)行的改進(jìn)。如果所有結(jié)點都沒有數(shù)據(jù)傳輸，在ATIM窗口進(jìn)入睡眠狀態(tài)會減少能耗。但結(jié)點不能過早地盲目地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，因為即使結(jié)點自己沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，它也無法了解鄰結(jié)點是否有數(shù)據(jù)需要接收或轉(zhuǎn)發(fā)。為了解決這一問題，TIPS協(xié)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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