研究目的

要降低上述的問題的發生次數，最好的方式便是建立排程機制，所以本篇 論文，在 U-APSD 原先的架構下，由工作站依據通道的傳輸狀況，自行延後喚 醒時間，猶如是經過排程一般，使工作站在甦醒後就可立即傳送資料，達到降 低 overhearing 所造成的電源消耗、避免碰撞的發生（調整喚醒時間後），從而 增加省電效率與通道傳輸量，而當系統內工作站數量過多超過系統所能提供的 數量時，便停止該機制，回到標準的 U-APSD 機制。

4.3 設計流程

目標：

當工作站醒來時，通道即為 idel 狀態，工作站可以立刻開始倒數 back-off 的時間，在資料傳輸結束前，不會有其他的工作站在這段時間醒來，避免碰撞 或是 overhearing 的情形發生。

調整喚醒時間：

從第 3 章的時間排程中，我們可以可以知道 U-APSD 可能會遇到的問題，

所以錯開喚醒時間，避免在同一個活動時段(active period)時醒來是最好的方 式，所以我們提出的方法就是當 overhearing 或碰撞發生時，在保持原先該服務

的週期下，調整該延後工作站下一次的喚醒時間，完成一開始設計的目標，其 作法如下所述：

z 當工作站在沒有發生 overhearing 或碰撞時，下次的喚醒時間為本次的喚醒 時間（Twake）加上該服務的週期。

z 當工作站發生 overhearing 時，前一個工作站傳輸結束的時間即該工作站 醒著的最後時間，我們將這時間設定為 Tpre_awake_end ，則工作站下次的 喚醒時間為 Tpre_awake_end加上該服務的週期。

z 當發生碰撞後，若沒有 overhearing 發生，則下次的喚醒時間，為碰撞結束 的開始加上該服務的週期，反之，則依上述的第二種方式計算。

4.4 時間調整

為了解釋方便，假設圖 4.1 與 4.2 中的工作站擁有相同的週期與傳輸時間。

z Overhearing 發生時

從圖 4.1 可以看到，STA 1 在t² 時結束資料傳送回到休眠模式，而 STA 2 則在t¹時醒來，所以 STA 2 需要等到時間為t² 時，才可以開始傳送訊框，如 果要避免 overhearing 的發生，STA 2 應該要在時間為t² 的時候醒來，所以 STA 2 下次的喚醒時間就變成t² +T。

圖 4.1 發生 Overhearing 時的調整方法

4.5 對 MAC 與影響與代價

到 Overhearing，喚醒時間也因此需要些微的調整，不過會由於 back-off 有最大 值，工作站的喚醒時間在經過幾次調整後，最後會穩定下來，符合我們原先設 計的要求，即使是因碰撞而產生的調整，也會因為調整過後，達到穩定的狀 況，在這種情況下，MAC 延遲雖然變大，但時間的延遲依舊可以保持住，所以 對服務本身沒有太大的影響；另外在每次調整時間後，jitter 與訊框的暫存時間 都會產生變動，不過由於喚醒時間最後會穩定下來，所以這些變化也都會穩定 下來。另外由於工作站抓的時間為訊框的 interarrival time，而非訊框傳送的確 切時間，所以在調整喚醒時間後，有可能在一個服務區間內收到 2 個訊框，當 這種情況發生時，以後訊框暫存在 AP 的時間反而會因此縮短。

4.5.2 系統飽時

當系統飽和時，工作站數量大於系統的負荷，系統無法在該服務的週期 內，將所有的工作站全都服務完畢，若按照原先的週期醒來，工作站一定會發 生 overhearing，也需要一直調整工作站的喚醒時間，進而造成 MAC 延遲的持續 增加，訊框的遺失率也會而受到影響，以上的情況對時間延遲敏感的服務是無 法接受的，所以我們要判斷系統是否已經飽和，其判斷方法如下：

z 設定參數 Tdelay：因調整喚醒時間而造成的時間延遲值的總和 z 當 Tdelay的累積值超過該服務的週期時，系統即為飽和

當系統飽和時，此時調整喚醒時間已經沒有意義，所以停止使用本演算 法，回到原先 802.11e U-APSD，但之前曾經提過，在調整喚醒時間後，over- hearing 的產生原因，除了系統飽和外還有 back- off 值的大小，所以 Tdelay的值 必須要把因為 back-off 所產生的時間延遲給排除在外，當 Toverhearing < Tdata

(Tdata = Tframe + avg( Tback-off ) + Taifs)，便不計算到 MAC 的延遲上，而延遲的 門檻之所以會設為一個訊框的傳輸時間，主要為當使用者的數量超過系統所能 提供的數量時，工作站醒來時至少要多等一個訊框(一個工作站)的傳輸時間才 有機會發送觸發訊框，由此可知，當使用者數量越多時，工作站每次的調整時 間也越大，也就越快回到標準 U-APSD。至於對時間延遲不敏感的服務來說，

主要在意的是封包的遺失率與傳輸速度，所以不需要如此嚴格的條件，可以修 改 Tdelay的 threshold 值，達到較好的省電效率。

第五章 模擬結果

本次模擬的實體層為802.11b，實體層速率為11 Mbps，表5.1為本次模擬所 用之參數，voice、video 的 RTP/UDP/IP header需要 29.1μs，U-APSD 的null data 需要 142μs。

802.11b 實體層

Slot time 20 μs DIFS 50 μs

SIFS 10 μs PLCP + Preamble 192 μs ACK 10.2 μs MAC header+ FCS 24.7 μs

表5.1 802.11b使用參數

本次模擬的服務類型如下：

z Voice：iLBC Code，速率為13.3 kbps，週期為 30 ms。

z Streaming：資料為MPEG-4的 trace file，檔案為 Star Trek : First Contact[7]，

目標速率(target rate)為 68 kbps，週期為 40 ms。

z Background：使用 ftp檔案傳輸，目標速率(target rate)為 150 kbps，週期為 100 ms。

在模擬中，所有工作站的第一次的甦醒時間都落在 0 ~ 40 ms 的範圍內。

5.1 省電效能

圖5.1到5.3顯示每個工作站平均的清醒時間與週期的比例，當工作站較的 數目少時，U-APSD 的清醒時間變長但變化較小，隨著數量的增加，同一個時 段醒來的數目越來越多，需要等待的時間也就越長；反觀我們提出的方法，由 於事先排程過，讓工作站甦醒時可以達到我們預設的目的，所以即使數量一直 增加，清醒的比例也幾乎保持在一個定值，而當傳輸的工作站數目過大，超出 系統所能提供時，便會停止調整喚醒時間，回到原先的U-APSD模式，清醒比例 也就因此而增加，不過因為先前排程的緣故，所以同一時段醒來的數量較 U-APSD少，需要的清醒時間在相對之下也因次較少。

圖5.1 工作站數量對 iLBC code 電源節省效率的影響

圖5.2 工作站數量對 MPEG-4 電源節省效率的影響

圖5.3 工作站數量對 ftp 電源節省效率的影響

5.2 碰撞次數與傳輸流量

在系統內，碰撞次數發生的越多，資料的傳輸量就會因此減少，而從圖5.4 可看到，在同一種類型的服務下，U-APSD的碰撞數目會隨著工作站數量的增加 而逐漸增加，而使用我們提出的方法後，由於工作站的喚醒時間被錯開，因此 幾乎沒有發生碰撞，實際的碰撞次數為0或1，而圖5.4的結果，也可以從直接在 圖5.5中得到驗證。

圖5.4 工作站數量對碰撞次數的影響

從圖5.4中可以得知，當碰撞數會隨著工作站的數量而逐漸增加，圖5.5也 驗證的這結果，當工作站比增多時，U-APSD 資料量的傳輸會因為碰撞的發 生，讓流量略小於我們提出的方法，而當工作站數目逐漸達到系統的飽和量 時，因為工作站的數量增多，使的碰撞次數快速上上升，導致資料的傳輸量在 接近系統飽和前，傳輸的總量便逐漸小於我們提出的方法，而達到系統飽和

後，又逐漸往開始往下降；而我們提出的方法，從模擬的數據得知碰撞次數近 似於0，所以當系統達到飽和後，除了工作站 overhearing 的時間變長，仍舊能 夠保持相當的資料傳輸量，資料的傳輸的總量比較不會因為工作站數量的增 加，而導致快速的下降，由於在系統飽和後，我們重新使用標準的U-APSD機 制，所以在工作站數量繼續增加後，傳輸總量還是會因為發生碰撞的次數而下 降。

圖5.5 工作站數量對系統的傳輸量的影響

圖5.6為 ftp 服務的資料流量，因為 payload較長，降低了overhead 所佔的 比例，所以資料的傳輸量明顯要比其他兩種服務要大的多，也因此我們將ftp與 其他兩者服務分開顯示，此外由於該服務週期約為另外兩種服務的2.5 ~ 3倍，

但傳輸時間只增加1/3左右，因此要使的ftp的服務可容納更多的使用者，進入飽 和所需的工作站數量，也要比其他兩種服務大的多，不過我們依舊可以從圖中

得到和前兩種服務相同的結論。

圖5.6 工作站數量對 ftp 傳輸量的影響

第六章 結論

IEEE 802.11e 的 U-APSD省電模式使用EDCA來傳送資料，所以不可避免的 會跟其他的工作站發生碰撞，或是有overhearing的產生，從模擬的結果可以得 知，我們所提出的方法，使得工作站的清醒時間保持在一個固定比例，明顯的 降地overhearing，尤其是在系統擁擠時更能看出其效果，另外我們提出的方 法，從模擬結果得到碰撞發生的次數為 0或1，除了使通道的效率變高，資料的 傳輸量也提高外，也較U-APSD提供更多的使用者，此外當系統飽和時，依舊能 夠提供較U-APSD高且穩定的資料傳輸量，不會因為工作站數目的增加的緣故，

而快速降低資料的傳輸總量。

此外我們也在 4.5 節談過調整喚醒時間所需要付出的代價，也就是訊框的 等待時間、MAC 延遲的增加與 Jitter的變化，從模擬結果看來，只要系統還未 達到飽和，如同我們設想的一樣，對於工作站所使用的服務不會造成太大的影 響，對於要求即時服務的工作站而言是相當有用的，而當使用的服務對於時間 延遲沒甚麼要求時，即使系統達到飽和時，我們也可以犧牲掉部分的傳送效 率，來達到較高的省電效率。

參 考 文 獻

[1] “Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications,” IEEE Std. 802.11 -1999 (Reaff 2003).

[2] “Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications: Medium access control (MAC) quality of service (QoS) enhancements,” IEEE Std. 802.11e -2005, Nov. 2005.

[3] “Wi-Fi Alliance,” http://www.wi-fi.com.

[4] X.P´erez-Costa and D.Camps-Mur, “APSM: Bounding the Downlink Delay for 802.11 Power Save Mode,” in Proceedings of IEEE International Conference on Communications (ICC), May 2005.

[5] XP’rez-Costa , D.Camps-Mur, and Albert Vidal, “On distributed power saving mechanisms of wireless LANs 802.11e U-APSD vs 802.11 power save mode “, Computer Networks: The International Journal of Computer and

Telecommunications Networking, Feb 2007

[6]Takeuchi S, Sezaki K, Yasuda Y, “Quick data-retrieving for U-APSD in IEEE 802.11e WLAN networks“ , IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics Communications and Computer Sciences, July 2006

[7] “Trace Files,” http://www.tkn.tu-berlin.de/research/trace/ltvt.html

在文檔中 在非排程自動省電模式中調整工作站的喚醒時間 (頁 27-0)