基于IEEE8 O 2.11协议的WLAN节省能耗的策略

摘要：在WLAN中移动终端设备的电池寿命是一个关键问题。文章概述了基于IEEE802．11协议的WLAN节省能耗的策略，并通过对IEEE802．11MAC协议层节能机制的分析提出一种改进的轮询方案。该方案能克服IEEE802．11在PSM工作模式下，当无线网络流量负载较重时不能显著降低能耗的缺点。
关键词：无线局域网；节能模式；轮询方案

0 引言
    随着无线网络的迅速发展，从手机到无线传感器的各种移动终端设备扮演着越来越重要的角色。如何降低这些依靠电池供电的设备的能耗是延长其连续工作时间的关键。降低能耗最直接的方法是在无线网络的物理层针对硬件组件进行功率优化设计。例如减少互连寄生电容以降低动态功耗和选择性地关闭某些部件的电源供应以减少耗散功率。然而，由于无线局域网(WLAN)90％以上的时间是用于侦听接收，因此，这种旨在减少移动终端设备发射功率的电源控制技术是远远不够的。所以，无线网络中许多节省能耗的应用层协议被提出。其中，以IEEE80 2．11协议为代表的WLAN的节能技术是人们关注的重点。本文讨论IEEE 802．11协议下MAC层的能量管理策略，并针对IEEE 802．11中的轮询方案(polling scheme)提出改进，以达到节省更多能耗的目的。

1 WLAN的能耗特点
    WLAN是采用射频技术实现无线连接的数据传输系统。在WLAN中，一个无线发送接收设备在通讯过程中可以处于发送、接收和等待等几种工作方式，按其功率消耗由小到大的顺序通常分为睡眠(sleep)、空闲(idie)、接收(receive)以及发送(transmit)4种模式。试验表明：无线网络设备处于睡眠模式时能耗特别低，处于空闲模式时的功率消耗与处于接收、发送模式时相差无几。在WLAN中，导致能量消耗的原因主要有下列几点：
    (1)传送信息时发生信道冲突的现象，从而导致这些信息被重传，这样会引起不必要的能量浪费；
    (2)在一个典型的广播环境中，设备为了接收这些广播帧所携带的信息，随时都需保持开机时的活跃状态，能量消耗非常迅速；
    (3)当一个无线网络设备一直处于发射模式或接收模式时，能量消耗非常严重。
    可见，在WLAN信息发送与接收代价很大的情况下，为了节能常用的、在硬件方面进行功率控制的机制并不能显著降低能耗，而采取某种机制将网络设备的状态作出调整，将其状态转换调整到最有利的情况，尽可能增长睡眠状态的时间是降低功耗的关键。WLAN的节能机制的设计正是围绕这个思想进行的，并通过其数据链路层的MAC子层来具体实现。

2 IEEE 802．11协议中的节能管理机制
    IEEE 802．11协议在MAC层定义了能量管理(powermanagement)的机制，提出利用结点在活跃模式(activemode)和节能模式(powex save mode，PSM)之间的状态转换来整体减少能量的消耗，从而延长电池的使用时间。按照IEEE 802．11协议的描述，MAC层定义的节能管理机制又可以具体分为报文驱动和时间驱动两种。这两种机制具有不同的节能特性。
    在报文驱动的节能机制中，各结点通过请求发送／允许发送(RTS／CTS)握手协议来控制发送报文之前的控制信息的交互，从而避免了"隐藏终端"竞争信道，各结点监听发送的RTS／CTS报文，如果与自己无关，并且数据足够长，则无关的结点可以通过进入睡眠状态来节省能量。报文驱动的节能机制不需要全网同步，因为只要链路上有报文发送，无关结点就可以通过进入睡眠状态来节省能量，考虑到从睡眠状态到发送／接收的活跃状态的切换延时以及附加的能量损耗，有时这种方式可能是得不偿失，只有在网络负载较大时才能表现出较好的节能效果。
    在时间驱动的节能机制中，结点只在特定时刻唤醒一段时间来交互或监听信息。按照是否需要全网同步，又可分为同步时间驱动机制和异步时间驱动机制两大类。同步时间驱动节能机制中结点在某些特定时间段内同时处于活跃状态，并以交互信息来保证节能机制的正常运行。全网同步为结点从睡眠状态唤醒和活跃状态进入睡眠状态提供了时钟参考。无需全网同步的异步时间驱动机制对于多跳Ad Hoc网络更具有实用性，由于没有一个结点能够直接与所有结点通信，导致同步机制实现起来较为困难。下面主要分析全网同步情况下的能量管理机制。
    全网同步情况下IEEE 802．11协议的能量管理机制的工作过程如图1所示。各结点将时间轴分为连续的信标(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个beacon帧来进行全网同步，beacon帧中携带本结点的时钟信息。未竞争上的结点收到beacon帧后就取消自己的发送，并以收到的beacon帧中的时钟信息调整自己的时钟进行同步，此后不再发送自己的beacon帧。同步完成之后，有报文要发送的结点会向接收结点发送一个ATIM帧与接收结点进行信息交互，接收结点通过ATIM-ACK报文应答(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，则将剩余的beacon周期时间作为流量窗口(Traffic Window，简称TW窗口)，这些结点在TW窗口内将一直处于活跃状态，而其他没有报文要发送或接收的结点则在TW窗口内处于睡眠状态以节省能量，直到下一beacon周期开始时刻重新唤醒。

    在节能模式下，当结点没有报文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：一是节能模式下结点如何从其他结点接收报文；二是结点如何向处于节能模式的结点发送报文。在全网同步的时间驱动的节能模式中，解决这两个问题是依靠基本服务区中的访问点的协调和缓存来实现的。


3 对IEEE 802．11节能机制中轮询方案的改进
     IEEE 802．11协议的MAC层提供了DCF和PCF两种不同的存取方式。DCF称为分布式协调功能(Distributed Coordination Function)，采用分布式的方法，由所有的结点来竞争信道的使用权，因此会有冲突的问题发生。PCF称为点协调功能，采用集中式的管理的方式，由一个
基本服务区(BSA)中的访问点(AP)来管理信道的使用，所有其它的结点按照某种轮询方案(poiling scheme)来接受该AP的管理。如果能够有效地执行轮询方案，则可能改善信道的利用率，增加系统的节能效果。在PCF方式中，一个超帧被分成无竞争阶段(Contention Free Period，CFP)和竞争阶段(Contention Period，CP)两部分，其中CP是采用DCF的方式，而CFP则是采用轮询的方式。在CFP内，AP负责去选择位于轮询表中的结点，轮询的顺序是依照结点标识号码(AID)的大小，由小到大依次轮询，如果这些无竞争阶段可轮询的结点中有一些结点是处于节能模式，则在CFP开始的时候，就须将自己的能量管理状态调整到活跃状态以接收来自AP的轮询帧，在传送完数据帧之后再将其调整到节能模式。如果这些处于节能模式的结点的AID都是很大的值，则从CFP的开始到收到AP的无竞争的轮询帧，然后传送数据，最后到接收ACK，这段时间是相当可观的。因此如何将这些处于节能模式的结点的状态转换到活跃状态的停留时间缩短是改进IEEE 802．11节能机制中轮询方案的出发点。
    通常处于活跃状态的结点会将自己的收发器调整到开机的状态，因此在IEEE 802．11的轮询方案中将处于活跃状态的结点轮询顺序改变并不会影响到能量的消耗，但对于处在节能模式下的结点却会有所影响。因此我们可以修改原来IEEE 802．11的轮询方案，让AP在执行轮询方案的时候，并不是从AID最小的结点开始，而是改为尽可能在CFP开始的时候去轮询那些处于节能模式的结点，减少它们处于活跃状态的时间，从而节省额外的能量消耗。为此，我们提出如下三种改进的轮询方案：
    (1) 轮询方案1。将AP原先的轮询表中属于节能模式的结点调整到新的轮询表的前面，然后新的轮询表后面接活跃状态的结点。在这个方案中只依照AID的顺序排列，不考虑这些节能模式的结点所剩下的能量。
    (2) 轮询方案2。将AP原先的轮询表中属于节能模式的结点调整到新的轮询表的前面，依照这些节能模式的结点剩下的能量来决定该结点在轮询表中的位置。 每一个超帧开始前，AP将能量剩余最少的节能模式结点放到轮询表的最前面，能量剩余第二少的结点放到第二位，依此类推，最后将活跃状态的结点以AID的顺序放在轮询表中节能模式结点的后面。
    (3) 轮询方案3。在执行轮询表之前，AP将能量剩余最多的放到轮询表的最前面，能量剩余第二多的放在第二个位置，依此类推。
    表1是IEEE 802．11的轮询方案和我们所提出的三种改进的轮询方案的对比(AID代表结点标识号，Power代表剩余能量)。

    上述三种改进的轮询方案修改了IEEE 802．11协议中原有的轮询顺序，不但可以减少节能模式结点的能量消耗，而且不会影响到活跃状态结点的能量。对于想要提高数据吞吐量的无线应用来说，轮询方案1和轮询方案3较为合适，而轮询方案2则有利于类似无线视频会议的应用，可以让所有参加会议的移动用户在相近的时间内完成通讯，从而达到较为满意的整体平衡的效果。

4 结论
    无线终端在能源有限条件下能连续工作较长时间是业界所希望的。因此如何减少其能量的消耗来延长终端的工作时间，对于一个通讯协议来说是相当重要的问题。IEEE 802．11协议定义了节能管理机制，可以让移动结点处于节能模式，使其电池的能量消耗维持在较低的状态，但在IEEE 802．11协议的描述中，并没有很明确的针对能量管理来考虑在无竞争阶段中的轮询方案。我们对轮询方案提出改进，可以使处于节能模式的结点在无线网络流量负载较重时能进一步减少能量的消耗以延长终端的工作时间。