無線隨意網路電源管理協定 08

PART III

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 ） �

8.2 IEEE 802.11 電源管理 • 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。

8.2 IEEE 802.11 電源管理

8.2 IEEE 802.11 電源管理 • 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。

8.2 IEEE 802.11 電源管理 • 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 。

8.2 IEEE 802.11 電源管理

• 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。

8.3 非同步式電源管理協定 • 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

8.3 非同步式電源管理協定 • 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。

8.3 非同步式電源管理協定 • 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。

8.3 非同步式電源管理協定

8.3 非同步式電源管理協定 • 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-fully-

awake- 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 。 Fully-awake 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。

8.3 非同步式電源管理協定

8.3 非同步式電源管理協定 • 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。

8.3 非同步式電源管理協定

8.3 非同步式電源管理協定 • 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 Non-quorum 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。

8.4 半同步式電源管理協定• 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。

8.4 半同步式電源管理協定

• 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。

8.4 半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 電力控制（ Power Control ）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 電力控制（ Power Control ）8.5.2 定期脈衝調整的電力控制協定

8.5 電力控制（ Power Control ）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 電力控制（ Power Control ）8.5.2 定期脈衝調整的電力控制協定

8.5 電力控制（ Power Control ）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 電力控制（ Power Control ）8.5.3 利用忙碌訊息的電力控制協定