淺談802.11協(xié)議的APSD、PSMP、SMPS

本文將介紹802.11協(xié)議下的四種節(jié)能模式，分別是PSM、APSD，PSMP以及SMPS。ASPD是基于802.11e進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在APSD中，先分節(jié)點(diǎn)，再分上下行的傳輸模式，U-APSD只可以在EDCA的模式下進(jìn)行使用。

在802.11主要的版本中，總共定義了四種節(jié)能模式，除了最基本的PSM模式，以及其工作方式上的一些細(xì)節(jié)。由于PSM是在最初的802.11協(xié)議下進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其用了較為保守設(shè)計(jì)，以確保最穩(wěn)定的運(yùn)行需求。在后來的802.11幾個(gè)新版本中，為了改善節(jié)能模式的性能，所以還出現(xiàn)了一些其他的節(jié)能模式。本文主要介紹了其中主要的三個(gè)節(jié)能模式：APSD，PSMP以及SMPS。

ASPD模式是對PSM模式的一個(gè)直接改進(jìn)。PSM模式的其最大的缺點(diǎn)在于請求數(shù)據(jù)時(shí)采用的“乒乓”機(jī)制。即一個(gè)polling幀請求，一個(gè)數(shù)據(jù)幀反饋，這樣一個(gè)來回交替的過程。該設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)緩存較多的情況下，會造成過多的polling幀出現(xiàn)，降低實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。從而ASPD就需要對此加以改進(jìn)。

APSD（AutomaTIc Power Save Delivery）：ASPD是基于802.11e進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在802.11e中設(shè)置一個(gè)服務(wù)時(shí)間的概念，即Service Period（SP）。我們可以簡單的理解成，若節(jié)點(diǎn)占據(jù)信道后，其制定一段服務(wù)時(shí)間，并且在該段時(shí)間內(nèi)，該節(jié)點(diǎn)可以傳輸多個(gè)幀，換言之就是一次競爭多次傳輸。在ASPD中，還分為S-APSD與U-APSD兩種具體的工作模式。（PS：本文對Service Period以及EDCA的具體工作機(jī)制不會加以展開，其內(nèi)容后期會放在對802.11e的整理中）

我們利用下圖，首先描述一下APSD的基本思想：

在上圖中，我們假設(shè)有一個(gè)QOS-AP，有一個(gè)QOS-STA（PS：由于ASPD是基于802.11e的，所以QOS-AP與QOS-STA都是支持802.11e的設(shè)備）。假設(shè)是由QOS-STA發(fā)起一個(gè)傳輸過程，即首先會發(fā)送一個(gè)“Trigger Frame”幀，這個(gè)幀有可能是QoS data或者QoS Null幀，通過該幀，節(jié)點(diǎn)申請到一個(gè)服務(wù)時(shí)間，即Service Period Start（PS：該服務(wù)時(shí)間可以理解成802.11e中的TXOP時(shí)間，而不是一般意義上網(wǎng)絡(luò)模型中所用的服務(wù)時(shí)間，在服務(wù)時(shí)間內(nèi)，可以傳遞多個(gè)網(wǎng)絡(luò)幀），然后QOS-AP會反饋一個(gè)ACK和一個(gè)QOS-Data幀。接下來在服務(wù)時(shí)間范圍內(nèi)，QOS-STA會持續(xù)和QOS-AP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)QOS-AP的緩存全被發(fā)送完之后，會在最后一個(gè)QOS-Data幀中的QOS控制字段，標(biāo)注EOSP（End Of Service Period），從而結(jié)束一個(gè)服務(wù)時(shí)間，即Service Period End。對比我們在初探節(jié)能模式中所提到的PS-Poll，這種“乒乓”的模式而言，前者一個(gè)請求一個(gè)反饋，而APSD中，一次請求就可以交換多個(gè)幀。下面我們說明S-APSD以及U-APSD。

S-APSD（Scheduled APSD）：基于調(diào)度的APSD，S-APSD可以在EDCA（DCF的擴(kuò)展）和HCCA（PCF的擴(kuò)展）這兩種工作模式下都可以使用，從筆者的個(gè)人觀點(diǎn)而言，S-APSD更像是前面我們提到的PSM-PCF模式下的擴(kuò)展。由于S-APSD的具體工作機(jī)制不太好抓包做確認(rèn)，所以只能夠通過對協(xié)議的字面含義進(jìn)行理解，如有錯(cuò)誤，還請見諒。

如上圖所示，是S-APSD的一個(gè)工作模式。在S-APSD中，SP（Service Period）是預(yù)先調(diào)度的，在調(diào)度時(shí)間將要到來之時(shí)，QOS-AP會發(fā)送一個(gè)triger frame，同時(shí)QOS-STA也會提前醒來接受該幀，從而開啟一個(gè)服務(wù)時(shí)間。該服務(wù)時(shí)間是通過管理幀中的Schedule Element字段進(jìn)行調(diào)度的，所以節(jié)點(diǎn)可以提前知道什么時(shí)候應(yīng)該醒來。在上圖中，QOS-AP發(fā)送的triger就是PS-Poll，然后就開始和QOS-STA交換數(shù)據(jù)，即STA向AP反饋數(shù)據(jù)之后，AP再向STA反饋數(shù)據(jù)，這樣交替切換，直到SP時(shí)間結(jié)束。

在這里，QOS-AP和QOS-STA交換數(shù)據(jù)還是上下行按序切換的，即這里還是有一些類似“乒乓”機(jī)制，在后面我們提到的PSMP實(shí)際上對這一點(diǎn)會再次加以改進(jìn)。

U-APSD（Unscheduled APSD）：基于非調(diào)度的APSD，U-APSD只可以在EDCA的模式下進(jìn)行使用，U-ASPD更像之前提到的PSM-DCF模式的擴(kuò)展。

如上圖，是U-APSD的工作時(shí)序。在該模式中，QOS-STA會首先發(fā)送一個(gè)triger幀（即QOS-Null）給AP，AP收到該幀的時(shí)候，就意味著一段服務(wù)時(shí)間的起始，接著AP和節(jié)點(diǎn)會相繼交換數(shù)據(jù)。（PS：至于在服務(wù)時(shí)間內(nèi)，上下行數(shù)據(jù)交替發(fā)送過程中是否還會有bakcoff，筆者目前所讀的資料是沒有的，不過對于協(xié)議中的原文描述，筆者還沒有確定）

實(shí)際上在一個(gè)SP時(shí)間內(nèi)的工作機(jī)制，S-APSD和U-APSD是基本機(jī)制的，區(qū)別主要在于S-APSD的SP時(shí)間是實(shí)現(xiàn)調(diào)度好的，比如前面該時(shí)間就是利用beacon幀中實(shí)現(xiàn)調(diào)度，而在U-APSD是節(jié)點(diǎn)發(fā)起的，即該調(diào)度時(shí)間任意時(shí)刻都有可能發(fā)起，同時(shí)還可以主要到，一般S-APSD都是AP進(jìn)行發(fā)起，而U-APSD是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)起較多，不過這點(diǎn)也不是絕對而已。

PSMP（Power-Save MulTI-Poll）

實(shí)際上從802.11e中引入TXOP，Block ACK，802.11n中引入的RIFS，幀聚合，802.11ac中引入MU-MIMO（PS：協(xié)議中僅僅是AP下行可以使用MU-MIMO，上行未包含），這些技術(shù)都會導(dǎo)致AP的突發(fā)（burst）下行傳輸?shù)男氏啾壬闲薪尤胄室摺?/p>

所以從節(jié)能模式的角度而言，在APSD中，先分節(jié)點(diǎn)，再分上下行的傳輸模式，就沒有先分上下行，再分節(jié)點(diǎn)的傳輸效率高，那么后者就是PSMP設(shè)計(jì)的基本想法。

PSMP（Power-Save MulTI-Poll）：在802.11n中新增的模式，可以理解是引入了更嚴(yán)格的調(diào)度機(jī)制，其首先利用一個(gè)PSMP幀來調(diào)度整個(gè)節(jié)能模式的傳輸周期，將其分成PSMP下行傳輸時(shí)段，PSMP-DTT（PSMP Downlink Transmission Time）和PSMP上行傳輸時(shí)段，PSMP-UTT（PSMP Uplink Transmission Time）。在PSMP-DTT過程中，AP進(jìn)行突發(fā)傳輸，其中幀間間隔可能會更小，比如RIFS。RIFS的時(shí)間會比SIFS會更小，SIFS時(shí)間是包含了一個(gè)發(fā)送狀態(tài)到接受狀態(tài)的切換時(shí)間，而RIFS僅僅是兩次發(fā)送狀態(tài)之間的切換時(shí)間。在該過程中，節(jié)點(diǎn)可以不采用CCA，直接在被調(diào)度的具體時(shí)間內(nèi)醒來，并接受數(shù)據(jù)，從而可以獲得更多的休眠時(shí)間，從而節(jié)能。在PSMP-UTT時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)僅僅會在被調(diào)度的周期內(nèi)醒來，并反饋上行數(shù)據(jù)幀，從而也減少了較多的監(jiān)聽過程，節(jié)約了能量。在PSMP中，若AP的下行傳輸中存在廣播/組播包，那么會在PSMP-DTT時(shí)間內(nèi)，第一個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行發(fā)送，這點(diǎn)實(shí)際上和之前的PSM模式傳輸組播或者廣播幀是一樣的。

如下圖表述了一個(gè)PSMP的時(shí)序調(diào)度（參考《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》）

那么AP首先發(fā)送一個(gè)PSMP幀，該幀中包含了后續(xù)時(shí)間內(nèi)，下行鏈路和上行鏈路具體的調(diào)度安排。然后開始進(jìn)入PSMP-DTT時(shí)間，第一個(gè)是發(fā)送本地緩存的組播/廣播幀（即PSMP-DTT1時(shí)刻內(nèi)），然后按序發(fā)送節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的緩存單播幀，這里PSMP-DTT時(shí)間內(nèi)，幀間間隔可以采用RIFS，以達(dá)到更高的效率。對于ACK的部分，由于筆者沒有做詳細(xì)考證，所以沒有加以描述。當(dāng)PSMP-DTT時(shí)間結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)會依次在自己對應(yīng)的上行調(diào)度周期內(nèi)，發(fā)送數(shù)據(jù)幀，如STA1就在PSMP-UTT1中發(fā)送上行數(shù)據(jù)。當(dāng)PSMP-UTT時(shí)間結(jié)束后，這一輪PSMP的數(shù)據(jù)交換就完成了。

PS：一些PSMP的細(xì)節(jié)在《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》一書第9章中，所述較為詳細(xì)，有興趣可以擴(kuò)展閱讀。

最后，我們描述一下在802.11n中所敘述的SMPS模式，即多天線模式下的節(jié)能模式。在該模式下，節(jié)點(diǎn)可以選擇關(guān)于多余的天線，從而達(dá)到節(jié)能目的。但在實(shí)際過程中，節(jié)點(diǎn)是不好貿(mào)然關(guān)閉自己的天線的，因?yàn)槠錈o法確定AP是按照多空間流的形式，還是按照單空間流的形式向其發(fā)送數(shù)據(jù)。若AP采用多流發(fā)送下行數(shù)據(jù)，而節(jié)點(diǎn)僅僅是單根天線的工作模式，那么是無法正確接收的（這里與發(fā)送分集不同，若發(fā)送分集也是需要AP按照分集模式進(jìn)行發(fā)送，而不是空分復(fù)用的形式發(fā)送，其預(yù)編碼的策略不同）。所以節(jié)點(diǎn)要與AP有關(guān)關(guān)閉天線該動(dòng)作，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏贤?，那么該機(jī)制就對應(yīng)到SMPS的使用。

SMPS（Spatial Multiplexing Power Save）：該模式下，節(jié)點(diǎn)會關(guān)閉多余的天線，僅僅使用一根天線進(jìn)行工作，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在SMPS中還分為兩種模式，一者靜態(tài)工作模式（Static SM Power Save），一者動(dòng)態(tài)工作模式（Dynamic SM Power Save）。

上圖表示的是一個(gè)靜態(tài)工作模式下的SMPS，其中我們可以看到，節(jié)點(diǎn)說先需要發(fā)送一個(gè)action frame，將AP切換為單流發(fā)送下行幀，以讓節(jié)點(diǎn)節(jié)約一些能量。若需要恢復(fù)回多流工作模式，則需要反饋一個(gè)action frame，其中顯式注明static mode disabled，從而AP接下來發(fā)送的幀才會是多流模式。

上圖是動(dòng)態(tài)工作模式下的SMPS，其中當(dāng)STA發(fā)送一個(gè)動(dòng)態(tài)模式的action frame后，AP緊接著反饋的下行幀中就會采用單流模式（圖中的下行幀是RTS，實(shí)際上也可以是數(shù)據(jù)幀）。當(dāng)該幀反饋后，AP發(fā)送下一個(gè)幀的時(shí)候，則會回到默認(rèn)發(fā)送的多流模式，主動(dòng)從單流模式切換回來，而在靜態(tài)模式中，這個(gè)切換需要一個(gè)顯示的action frame，故這里就是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)SMPS的一個(gè)區(qū)別。