Transcript 8. 第8章
08 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