8. 第8章

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IEEE 802.11 電源管理
非同步式電源管理協定
半同步式電源管理協定
電力控制(Power Control)
• 在 IEEE 802.11 隨意網路的電源管理模式下,醒著的工作站會為
處於睡眠模式的其他工作站暫存訊框,並且試著在那些工作站
醒來之後進行資料傳輸。工作站之間透過「資料待傳指示通知
訊息」(Announcement Traffic Indication Message, ATIM)的機
制告知彼此是否有待傳資料。處於睡眠模式的工作站會定時醒
來並檢查是否收到資料待傳指示通知訊息。工作站只在某段固
定的時間內傳送 ATIM,這段時間我們稱作 ATIM 期間(ATIM
window),若有某個工作站為另一個工作站暫存訊框,它便可
以送出 ATIM來通知對方。IEEE 802.11 隨意網路的電源管理要求
在 ATIM 時期,所有的工作站都必須保持清醒。沒有資料需要
傳輸的工作站會在 ATIM 時期結束後進入睡眠狀態,而需要資
料傳輸的工作站會在 ATIM 時期結束後進入持續保持清醒,以
便進行資料傳輸。
• IEEE 802.11 標準中有針對獨立型基本服務組合(Independent
Basic Service Set, IBSS)規定一套分散式的時間同步機制
(Timing Synchronization Function, TSF)。簡單來說,IBSS 網路
是指網路中的任兩個工作站彼此都位於對方的通訊範圍內。每
個工作站都會有一個獨立的內部計時器,工作站間會彼此交換
時間資訊,這個時間資訊會被攜帶於 Beacon 訊框中,工作站
在收到 Beacon 訊框後就,就會比對自己當時的時間和 Beacon
訊框中所挾帶的時間資訊(Timestamp),如果 Timestamp的值
比自己當時的時間快,則會修正自己的內部計時器以達到時間
同步化。這同時暗示著內部計時器只會往後(未來的時間)調
整,而不會往前(過去的時間)調整。
• ATSP 的中心概念是賦予時間較快的工作站有較多發送 Beacon
的機會。基於這樣的概念,每一個工作站 i 會持有一個變數 I(i)
去決定該工作站應該多久競爭發送 Beacon 一次。換句話說,
工作站 i 將會每 I(i) 個 Beacon 間隔才會去競爭發送 Beacon。
• ATSP 讓時間較快的工作站較有成功發送 Beacon 的機會,進而
達到時間同步化。
• 非同步式電源管理協定的主要特色是工作站之間不需要達到時
間同步,但同時能支援電源管理運作。基於這樣的特色,非同
步式電源管理協定主要關注的焦點在於,即使任兩工作站間的
清醒時間並沒有交集,他們仍然能夠在一定時間內發現彼此的
存在(Neighbor discovery)。
• 三種非同步式電源管理協定
1) 絕大部分醒來(Dominating-awake-interval)
2) 定期完整醒來(Periodically-fully- awake-interval)
3) 以 Quorum 為基礎的(Quorum-based)協定
• 共通原則第一、ATIM 期間允許多個 Beacon 訊框,這是為了避
免不正確的鄰近工作站資訊,因此工作站應該儘可能的發送
Beacon 訊框。
• 第二、當一個工作站收到了相鄰工作站所發送的 Beacon 訊框,
該工作站具有能夠根據兩者之間的時間差而估算出該發送
Beacon 的工作站的清醒模式的能力,也就能估算出 Beacon 發
送者大約什麼時間會定期醒來,藉由具備這樣的能力,前者即
可將暫存訊框順利的送至後者。
• 第三、類似於 IEEE 802.11 標準,時間被切割成固定長度的
Beacon 間隔,每一個 Beacon 間隔會被切割成三種期間
(Window),分別是清醒期間(Active window)、Beacon發送
期間(Beacon window)和 MTIM 期間(MTIM window)。在
清醒期間內,工作站必須開啟無線電收發器,而 Beacon 發送
期間是用來讓工作站發送 Beacon,至於 MTIM 期間,則是讓鄰
近的工作站可以發送 MTIM 訊框給該工作站。
• Dominating-awake- interval 協定的基本概念是要求每一個工作
站都必須在足夠長的時間內保持清醒,以確保相鄰的工作站彼
此之間有機會可以發現對方的存在。
• 正式的協定運作方式定義如下:任一工作站的運作模式須滿足
不等式 AI –BI/2 + BW,不過光是這樣還是不夠的,這樣只能保
證任兩工作站的清醒期間會有交集,而不能保證任一工作站的
Beacon 發送期間會和相鄰工作站的清醒期間有所交集。
• Dominating-awake-interval 電源管理協定並不是一個很省電的方
案。為了減少工作站不必要的清醒時間,Periodically-fullyawake- interval 電源管理協定針對了這項缺點作改善,運作方式
如下:在此協定中,Beacon 間隔被分成兩種類型,分別是省電
的(Low-power)Beacon 間隔和完整清醒的(Fully-awake)
Beacon 間隔。Low-power Beacon 間隔以一個清醒期間為開始,
這段清醒期間包含了一個 Beacon 發送期間和一個 MTIM 期間,
其中 MTIM 期間安排在 Beacon 發送期間之後,至於在剩餘的時
間內,則可以進入睡眠模式,也就是 AW=BW + MW。Fullyawake Beacon 間隔也是以一個 Beacon 發送期間為開始,同時
接著一個 MTIM 期間,但是在剩餘的時間內,則仍須保持清醒,
也就是 AW=BI。Fully-awake Beacon 間隔將會每N 個Beacon 間隔
出現一次,其他的Beacon 間隔則為Low-power 的Beacon間隔。
• 以 Quorum 為基礎的電源管理協定。一個 Quorum 是一個實體
集合,用於當某個體想從事某特定的關鍵行為時,必須先從該
實體集合中獲得允許。基本上,Quorum 的特性在於兩個
Quorum 集合中,彼此之間必定有交集。這樣的特性已經被使
用在分散式的作業系統中。
• 首先我們先將每連續 m 2個 Beacon 間隔視為一個群組,全部的
工作站都知道 m 值的大小。在每一個群組中,也就是這 m 2個
Beacon 間隔將會使用先排列(Row)再排欄(Column)的方式,
排列至一個二維的 (m×m) 陣列中,在這個二維陣列中,每一個
工作站可以任選一列和一欄,選中的這2m-1 個 Beacon 間隔,
我們稱它們為 Quorum 時間間隔,其餘的 m 2 -2m+1 個Beacon
間隔,則被稱為 non-quorum 時間間隔。
• Quorum 時間間隔和 Non-quorum 時間間隔的結構正式定義如
下:每一個Quorum 時間間隔會以一個 Beacon 發送期間為開始,
後面緊接著一個 MTIM期間,除此之外,在 MTIM 期間結束後,
工作站亦不能進入睡眠模式,也就是說 AW=BI。每一個 Nonquorum 時間間隔則是以一個 MTIM 期間為開始,在 MTIM 期間
結束後,如果沒有封包要傳送或接收,工作站便可以進入睡眠
模式,也就是 AW=MW。
• 以 Quorum 為基礎的電源管理協定的一項優點就是和前兩個電
力協定比較起來,工作站競爭發送 Beacon 的頻率將會大幅減
少(因為只有在 Quorum 時間間隔才會去競爭發送 Beacon,而
不是每個 Beacon 間隔都會參與競爭),使用 Quorum 為基礎的
電源管理協定也有可能使得工作站無法迅速發現鄰近工作站的
存在。
• 半同步式電源管理協定的運作方式如下:首先、工作站會和鄰
近的工作站組成一個 Cluster,具有充足電力和最快的內部計時
器的工作站將會成為叢集首(Cluster head)。由於從叢集首到
叢集成員只相距一跳躍(hop),因此對叢集首而言,要做到
同步化該叢集內的所有成員的時間並不困難。
• 每一個 Beacon 間隔可能含有四種期間,分別命名為清醒期間
(Active window)、同步期間(Synchronous window)、
Beacon 發送期間(Beacon window)和 MTIM 期間(MTIM
window)。在清醒期間之內,工作站的無線電收發器必須保持
在開啟的狀態,至於同步期間則是讓叢集首發送它的 Beacon
訊框,而 Beacon 發送期間則是讓其他叢集成員去競爭發送他
們的 Beacon 訊框,MTIM window 則是用來讓工作站去發送
MTIM訊框。
• 在半同步式協定中,工作站們會採取回合(Round)的方式去
調整自己的角色,換句話說,當每一個回合剛開始的時候,工
作站會決定自己在該回合是否須擔任看守者。如果一工作站負
責擔任看守者,則該工作站在這一個回合便會採取非同步式電
源管理協定,反之,則在該回合會採取同步式電源管理協定。
• SNR-probability-based 機制是針對鬆散組成的(Loosely-coupled)
叢集所設計的。在 Loosely-coupled 叢集中,叢集首並不會特別
地去維護整個叢集的架構。因此,在這個機制中,每一個工作
站都會主動去計算一個機率來判斷自己是否在該回合需擔任看
守者的角色,這個機率值的大小主要是取決於一些參數。
• Location-based 機制則是針對緊密組成的(Tightly-coupled)叢
集所設計的。在 Tightly-coupled 叢集中,叢集首會掌握每一個
叢集成員的所在位置資訊。因此,在 Location-based 機制中,
叢集首將會在每一個回合中,採取一個Greedy 演算法去指派 k
個叢集成員來擔任看守者。
8.5.1 BASIC 協定
BASIC 協定中,工作站會使用最大的電力去傳送 RTS 和 CTS 訊框,
至於 DATA 和 ACK 訊框,則是用傳送到目的工作站所需的最小電力。
藉由 RTS-CTS 交換程序,可以推測出傳送接下來的 DATA 和 ACK 所
需電力。
8.5.2 定期脈衝調整的電力控制協定
8.5.2 定期脈衝調整
的電力控制協定
在 BASIC 協定中,由於工
作站會以最大電力 p max 來
傳送 RTS 或 CTS 訊框,將
可能會導致和目前正在傳
輸中的 DATA-ACK 發生碰
撞,進而導致同樣的封包
必需重新發送。
8.5.2 定期脈衝調整的電力控制協定
8.5.3 利用忙碌訊息的電力控制協定
• 透過 RTS-CTS 交換程序可以推測出兩工作站之間的相對距離,
然後再利用距離資訊來決定傳送 DATA 訊框可能所需的最小電
力的大小。使用較小的電力除了可以達到省電之外,還可以提
高頻道的重覆使用性並降低訊號之間的相互干擾。
• 協定的運作規則大致分成三部份,第一、DATA 訊框和 BT t 會使
用電力控制機制去調整發送所需電力。第二、CTS 訊框和 BT r
將使用最大的電力去發送。第三、傳送 RTS 訊框所需的電力大
小,將根據該工作站所偵測到周圍的 BT r 的強度大小而做適當
的調整。
8.5.3 利用忙碌訊息的電力控制協定

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