802.11協議精讀11：節能模式（APSD，PSMP，SMPS）

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序言

在802.11主要的版本中，總共定義了四種節能模式，在前面一篇文檔中，我們介紹了最基本的PSM模式，以及其工作方式上的一些細節。由於PSM是在最初的802.11協議下進行的設計，其用了較為保守設計，以確保最穩定的運行需求。在後來的802.11幾個新版本中，為了改善節能模式的效能，所以還出現了一些其他的節能模式。本文主要介紹了其中主要的三個節能模式：APSD，PSMP以及SMPS。

PS：實際上在802.11的一些分支版本中也定義了一些特定的節能模式，比如802.11v的WNM-Sleep Mode，這些我們就不進行展開了。
APSD（Automatic Power Save Delivery）

ASPD模式是對PSM模式的一個直接改進。PSM模式的其最大的缺點在於請求資料時採用的“乒乓”機制。即一個polling幀請求，一個資料幀反饋，這樣一個來回交替的過程。該設計在資料緩衝較多的情況下，會造成過多的polling幀出現，降低實際網路傳輸效率。從而ASPD就需要對此加以改進。

• APSD（Automatic Power Save Delivery）：ASPD是基於802.11e進行設計的。在802.11e中設定一個服務時間的概念，即Service Period（SP）。我們可以簡單的理解成，若節點佔據通道後，其制定一段服務時間，並且在該段時間內，該節點可以傳輸多個幀，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的具體工作機制不會加以展開，其內容後期會放在對802.11e的整理中）

我們利用，首先描述一下APSD的基本思想：

在中，我們假設有一個QOS-AP，有一個QOS-STA（ PS：由於ASPD是基於802.11e的，所以QOS-AP與QOS-STA都是支援802.11e的裝置）。假設是由QOS-STA發起一個傳輸過程，即首先會發送一個“Trigger Frame”幀，這個幀有可能是QoS data或者QoS Null幀，通過該幀，節點申請到一個服務時間，即Service Period Start（ PS：該服務時間可以理解成802.11e中的TXOP時間，而不是一般意義上網路模型中所用的服務時間，在服務時間內，可以傳遞多個網路幀），然後QOS-AP會反饋一個ACK和一個QOS-Data幀。接下來在服務時間範圍內，QOS-STA會持續和QOS-AP進行資料交換。當QOS-AP的緩衝全被發送完之後，會在最後一個QOS-Data幀中的QOS控制欄位，標註EOSP（End Of Service Period），從而結束一個服務時間，即Service Period End。對比我們在初探節能模式中所提到的PS-Poll，這種“乒乓”的模式而言，前者一個請求一個反饋，而APSD中，一次請求就可以交換多個幀。下面我們說明S-APSD以及U-APSD。

• S-APSD（Scheduled APSD）：基於調度的APSD，S-APSD可以在EDCA（DCF的擴充）和HCCA（PCF的擴充）這兩種工作模式下都可以使用，從筆者的個人觀點而言，S-APSD更像是前面我們提到的PSM-PCF模式下的擴充。由於S-APSD的具體工作機制不太好抓包做確認，所以只能夠通過對協議的字面含義進行理解，如有錯誤，還請見諒。
  

如所示，是S-APSD的一個工作模式。在S-APSD中，SP（Service Period）是預先調度的，在調度時間將要到來之時，QOS-AP會發送一個triger frame，同時QOS-STA也會提前醒來接受該幀，從而開啟一個服務時間。該服務時間是通過管理幀中的Schedule Element欄位進行調度的，所以節點可以提前知道什麼時候應該醒來。在中，QOS-AP發送的triger就是PS-Poll，然後就開始和QOS-STA交換資料，即STA向AP反饋資料之後，AP再向STA反饋資料，這樣交替切換，直到SP時間結束。

在這裡，QOS-AP和QOS-STA交換資料還是上下行按序切換的，即這裡還是有一些類似“乒乓”機制，在後面我們提到的PSMP實際上對這一點會再次加以改進。

• U-APSD（Unscheduled APSD）：基於非調度的APSD，U-APSD只可以在EDCA的模式下進行使用，U-ASPD更像之前提到的PSM-DCF模式的擴充。
  

如，是U-APSD的工作時序。在該模式中，QOS-STA會首先發送一個triger幀（即QOS-Null）給AP，AP收到該幀的時候，就意味著一段服務時間的起始，接著AP和節點會相繼交換資料。（PS：至於在服務時間內，上下行資料交替發送過程中是否還會有bakcoff，筆者目前所讀的資料是沒有的，不過對於協議中的原文描述，筆者還沒有確定）

實際上在一個SP時間內的工作機制，S-APSD和U-APSD是基本機制的，區別主要在於S-APSD的SP時間是實現調度好的，比如前面該時間就是利用beacon幀中實現調度，而在U-APSD是節點發起的，即該調度時間任意時刻都有可能發起，同時還可以主要到，一般S-APSD都是AP進行發起，而U-APSD是節點進行發起較多，不過這點也不是絕對而已。

PSMP（Power-Save Multi-Poll）

實際上從802.11e中引入TXOP，Block ACK，802.11n中引入的RIFS，幀彙總，802.11ac中引入MU-MIMO（PS：協議中僅僅是AP下行可以使用MU-MIMO，上行未包含），這些技術都會導致AP的突發（burst）下行傳輸的效率相比上行接入效率要高。

所以從節能模式的角度而言，在APSD中，先分節點，再分上下行的傳輸模式，就沒有先分上下行，再分節點的傳輸效率高，那麼後者就是PSMP設計的基本想法。

• PSMP（Power-Save Multi-Poll）：在802.11n中新增的模式，可以理解是引入了更嚴格的調度機制，其首先利用一個PSMP幀來調度整個節能模式的傳輸周期，將其分成PSMP下行傳輸時段，PSMP-DTT（PSMP Downlink Transmission Time）和PSMP上行傳輸時段，PSMP-UTT（PSMP Uplink Transmission Time）。在PSMP-DTT過程中，AP進行突發傳輸，其中幀間間隔可能會更小，比如RIFS。RIFS的時間會比SIFS會更小，SIFS時間是包含了一個發送狀態到接受狀態的切換時間，而RIFS僅僅是兩次發送狀態之間的切換時間。在該過程中，節點可以不採用CCA，直接在被調度的具體時間內醒來，並接受資料，從而可以獲得更多的休眠時間，從而節能。在PSMP-UTT時間內，節點僅僅會在被調度的周期內醒來，並反饋上行資料幀，從而也減少了較多的監聽過程，節約了能量。在PSMP中，若AP的下行傳輸中存在廣播/組播包，那麼會在PSMP-DTT時間內，第一個資料幀進行發送，這點實際上和之前的PSM模式傳輸組播或者廣播幀是一樣的。
  

如表述了一個PSMP的時序調度（參考《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》）

那麼AP首先發送一個PSMP幀，該幀中包含了後續時間內，下行鏈路和上行鏈路具體的調度安排。然後開始進入PSMP-DTT時間，第一個是發送本機快取的組播/廣播幀（即PSMP-DTT1時刻內），然後按序發送節點所對應的緩衝單播幀，這裡PSMP-DTT時間內，幀間間隔可以採用RIFS，以達到更高的效率。對於ACK的部分，由於筆者沒有做詳細考證，所以沒有加以描述。當PSMP-DTT時間結束後，節點會依次在自己對應的上行調度周期內，發送資料幀，如STA1就在PSMP-UTT1中發送上行資料。當PSMP-UTT時間結束後，這一輪PSMP的資料交換就完成了。

PS：一些PSMP的細節在《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》一書第9章中，所述較為詳細，有興趣可以擴充閱讀。

SMPS（Spatial Multiplexing Power Save）

最後，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能模式。在該模式下，節點可以選擇關於多餘的天線，從而達到節能目的。但在實際過程中，節點是不好貿然關閉自己的天線的，因為其無法確定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送資料。若AP採用多流發送下行資料，而節點僅僅是單根天線的工作模式，那麼是無法正確接收的（這裡與發送分集不同，若發送分集也是需要AP按照分集模式進行發送，而不是空分複用的形式發送，其預編碼的策略不同）。所以節點要與AP有關關閉天線該動作，進行適當的溝通，那麼該機制就對應到SMPS的使用。

• SMPS（Spatial Multiplexing Power Save）：該模式下，節點會關閉多餘的天線，僅僅使用一根天線進行工作，從而達到節能的目的。在SMPS中還分為兩種模式，一者靜態工作模式（Static SM Power Save），一者動態工作模式（Dynamic SM Power Save）。

表示的是一個靜態工作模式下的SMPS，其中我們可以看到，節點說先需要發送一個action frame，將AP切換為單流發送下行幀，以讓節點節約一些能量。若需要恢複回多流工作模式，則需要反饋一個action frame，其中顯式註明static mode disabled，從而AP接下來發送的幀才會是多流模式。

是動態工作模式下的SMPS，其中當STA發送一個動態模式的action frame後，AP緊接著反饋的下行幀中就會採用單流模式（圖中的下行幀是RTS，實際上也可以是資料幀）。當該幀反饋後，AP發送下一個幀的時候，則會回到預設發送的多流模式，主動從單流模式切換回來，而在靜態模式中，這個切換需要一個顯示的action frame，故這裡就是靜態和動態SMPS的一個區別。

PS：一些SMPS的細節在《CWAP：Certified Wireless Analysis Professional Official Study Guide 》一書第10章中，所述較為詳細，有興趣可以擴充閱讀。

802.11協議精讀11：節能模式（APSD，PSMP，SMPS）