MobileWIMAX省电模式如何实现MobileWIMAX省电模式原理详解

　　前言
　　无线通信系统由固接式进展到移动式，首当其冲的便是耗电问题。首先，由于用户装置大多使用电池来维持运作，在移动的同时又进行传输数据工作，势必快速消耗电池电量。透过空气接口链接的客户端(MS)与基站(BS)两端装置，电源必须保持在开启状态以维持通信正常，因此即便在没有传输数据时，用户装置仍持续消耗电量。另一方面，客户端为维持在大区域移动时的信号质量或是需求较高的传输服务质量(QoS)，必须发起换手(Handover)。通常执行换手会伴随着大量的控制信息传送与等待时间，不但耗电也降低频宽利用率。
　　目前无线通信系统所制定省电模式，通常利用数据传输管理机制，让客户端与基站的通信暂时中断，或是简化换手程序与频率，以减缓装置电量损耗。基于IEEE 802.16e-2005[1][2]标准的Mobile WiMAX，也制定了睡眠模式与闲置模式两种的省电模式操作。由于两者省电效益与衍生的维护成本上有明显差异，本文将分别就两者基本概念与运作原理提出说明，并探讨其差异。
　　睡眠模式
　　睡眠模式目的在于节省客户端电量，并降低基站频宽资源的使用。客户端在执行初始网络登入程序(Network Entry)之后，即开始使用服务基站(Serving BS)提供的传输服务。由于客户端与基站并非随时都有封包在收送，因此两端可以事先预测并协议出不需收送封包的时间，谓之不可用时段(Unavailable Interval)。睡眠模式即是让两端的链接在不可用时段里进入无作用状态，此时的客户端可暂时关掉装置电源或扫描周围的基站以提前取得连结数据。
　　因为WiMAX的传输链接属于联机导向(Connection-oriented)，封包必须分配到已建立好的联机(Connection)后才予以收送。在正常操作下，客户端与基站可随时使用各联机来收送封包;一旦开启睡眠模式，就会限制联机的使用，尤其在不可用时段里更将停用所有联机。由此可知，在睡眠模式下联机并非被移除，而只是暂时无法使用，其目的是让客户端离开睡眠模式后即能直接收送封包，并不需重新建立联机。
　　为适应睡眠模式的传输特性，客户端必须调整封包传输的排程。为使睡眠模式的使用不影响联机的传输服务质量，封包的排程计算必须以各联机的QoS参数为下限值。若要推算不可用时段，则还需把当时系统资源及频宽资源使用情形列为评量标准。
　　由于各联机传输封包的行为不同，频宽需求的方式也不同，使用省电类别(Power Saving Class)可让联机的管理较有系统。省电类别即是一群具有共通或相近传输特性的联机。被归属在同一省电类别的联机，其传输行为就必须遵从当时所设置的属性，因此客户端只要调整省电类别的属性值即可套用到各联机。目前这些属性包含何时启用睡眠模式，何时允许封包传输，何时进入低耗电状态，何时须离开睡眠模式等。
　　开启睡眠模式就是启用省电类别。省电类别启用后，其不允许收送封包的时间为睡眠时段(Sleep Interval)，暂时开放收送封包的时间则为聆听时段(Listening Interval)。每当一个睡眠时段结束后，跟着便进入一个聆听时段，两者将不断重复交错直至省电类别被停用为止。在睡眠时段，省电类别所属的各联机上不准有封包存在;唯有当省电类别回到聆听时段或被停用之后，始可把封包送到联机上去传送。
　　一旦省电类别被建立，并得到基站的允准后，即可反复地启用停用，亦或变更属性后再启用。若一个省电类别即已涵括当时所有联机时，则其睡眠时段即是该客户端的不可用时段;但若联机被分配在不同的省电类别时，则各省电类别之睡眠时段交集所成的时间，才是该客户端的不可用时段。
　　省电类别共分为3种类型，如图1所示。其不同点包括启用停用的程序、允许封包传输的时段、及可设置的参数项目等。以下分别说明各类型的特性与适用的联机类型。
　　类型I：
　　类型I由多个聆听时段及睡眠时段交错组成，其中前者是固定长度，后者则是可变动长度且长度会逐次两倍递增。省电类别启用后，基站必须定时广播流量信息(Traffic Indication)，让客户端确认基站的传输服务维持正常。若基站欲下传封包时，会先确认两端链接正常后才开始传送，故较能避免封包传输出错。另外，客户端在使用联机收送封包的同时，会直接停用对应的省电类别;而基站在收到某联机的频宽需求信息后，也会主动停用省电类别，因此可减少客户端发送的控制信息数目。
　　只有类型I才提供设定的参数有：睡眠时段的起始长度与最大长度、省电类别可否被封包直接唤醒、是否接收处理流量信息等。虽然使用类型I即能适用各种类型的联机，但其维护成本与计算复杂度却也相对较高。目前非实时性的联机类型(如nrtPS/BE等)，较建议使用类型 I。
　　类型II：
　　类型II为类型I之特例，不同的是睡眠时段为固定长度。另外，封包被限定在聆听时段收送，但不会因此而停用省电类别;不需理会流量信息，但省电类别的启用与停用只能透过控制信息传达给基站。每隔固定时间即有封包传输需求的联机类型(如UGS/rtPS等)，即可考虑使用类型II。
　　类型III：
　　类型III仅会有一个睡眠时段。在此睡眠时段到期后，省电类别便会自动停用;但若想再次启用省电类别，仍须发送控制信息通知基站。目前如定期测距(Periodic Ranging)等需多次信息交换的程序，或是群播服务的封包下传等，其使用的联机便适合归类在类型III。
　　闲置模式
　　睡眠模式大致上已解决了用户装置的耗电问题，但当客户端在大范围区域移动，因换手次数增加而产生大量耗电的状况亦随之而来，此时睡眠模式便不适用。其原因在于换手后尚须执行网络重登入(Network Re-entry)，并回复或重建联机，完成这些步骤既耗时又耗电。在闲置模式下，假使客户端并没有封包需要收送，则客户端即便已跨越基站也只需告知后端网络其大略位置，并不用去执行网络重登入。因此具高移动性的客户端若采用闲置模式，将取得比睡眠模式更好的省电效益。
　　WiMAX移动管理
　　欲实现闲置模式，WiMAX导入网络分层管理机制。分层即是把WiMAX网络范围划分成管理区域，并将区域内的基站集合起来成一群组，称为传呼群(Paging Group)，如图2所示。因为各传呼群可能会有部份区域重迭，一个基站可能同时是数个传呼群的成员。一个传呼群会有传呼主控台(Paging Controller)担任客户端位置信息的维护工作，此角色可直接由传呼群里的某一基站兼任，或由后端网络另一主机专任。
　　除了传呼群架构，在移动管理方面另有远程传呼(Paging)与位置更新(Location Update)的支持，其功能与运作分述如下：
　　(1) 远程传呼
　　在传呼群架构下，后端网络只知道客户端所在的传呼群，却不知客户端现在是连到哪一个基站。为此，闲置模式提供传呼让后端网络可以追查客户端的位置。传呼的动作是由传呼主控台发起，在固定的时间里透过所属的基站广播传呼信息(Paging Advertisement)，客户端收到后必须依信息内容执行对应的动作。
　　(2) 位置更新
　　在闲置模式下，客户端只能透过位置更新程序与传呼主控台沟通。若客户端从基站取得的传呼群识别码(PG Identifier)已发生改变，应执行位置更新，把将客户端的位置信息转送到后端网络。其次，由于客户端原始联机数据被暂置在传呼主控台内保存，在保存效期结束前，客户端可透过位置更新来表达延长维护效期的意愿。另外，客户端若确定装置要关机，应执行位置更新，让传呼主控台提前清除联机数据。最后，若传呼主控台太久未传呼某客户端，则客户端必须执行位置更新来确认自身的存在性。
　　位置更新的程序分成有担保(Secure)与无担保(Unsecure)两类，差别只在初始测距(Initial Ranging)信息是否受到安全保护。若基站能够从认证端(Authenticator)取得有效的金钥资料，并以之验证信息内容无误后，则完成初始测距后便可返回闲置模式。但若金钥数据已失效或是验证信息失败，则基站会要求客户端执行网络重登入，迫使客户端提前离开闲置模式。
　　使用传呼群架构，就会有远程传呼与位置更新的使用成本。后端网络在决定传呼群的涵盖区域时，应该要衡量客户端的省电效益与此使用成本。理论上客户端只要在一个传呼群区域内移动，就不需要更新位置信息。虽然较大的传呼群区域可减少位置更新的执行次数，但若后端网络要求执行传呼来追查客户端，其产生大量的广播信息会增加网络负载，也浪费频宽资源。反之若传呼群区域设定太小，则位置更新势必经常发生而让客户端的电量持续消耗。
　　闲置模式使用
　　客户端或后端网络均可透过注册撤销程序(Deregistration)来启动闲置模式。基站将释放目前使用的联机数据，不再提供服务给此客户端。在启动同时，客户端会告知原始联机数据是否要暂存于传呼主控台内，以及联机数据的保存效期。只要客户端在保存效期结束前完成了网络重登入程序，则原先建立的联机即可被复原。
　　在闲置模式下，大部分时间皆属不可用时段。客户端可随时关掉装置电源，但仍须偶尔醒来扫描周围的基站。客户端会以当时通信状况最佳者作为偏好基站(Preferred BS)，负责客户端与后端网络之间的讯息转送工作。若当时选用偏好基站属于另一个传呼群，则客户端必须要接着执行位置更新。
　　客户端可从传呼信息里得到偏好基站的定期传呼时段(BS Paging Interval)，只要到了预定的传呼时段，客户端即应醒来聆听传呼信息。目前基站需要广播传呼信息的原因，可能是传呼主控台要求客户端回报最新位置信息，此时客户端将被指示执行位置更新;若后端网络已有封包欲下传至客户端，则客户端将被指示执行网络重登入。对客户端而言，若有封包需要收送或是原始联机数据效期已过，则客户端在任何时刻只要执行了网络重登入，便算是要离开闲置模式。图3为闲置模式的使用案例：客户端进入闲置模式后，前后共选用了3个偏好基站，且执行了一次位置更新;在最后一个传呼时段里，客户端收到网络重登入指示后便结束了闲置模式操作。
　　结语
　　当前无线网络标准因应移动性需求，多有制定省电模式，而WiMAX省电模式更有睡眠模式与闲置模式可供选择。两者存在的差异如下：睡眠模式多数由客户端发起，并决定各时段长度及启用时机。在睡眠模式时，除了需随时维护联机的封包传输正常外，该执行的定期测距与换手程序都不能省略。虽然睡眠模式实际可省电的时间较为片段，但却能适时调整以兼顾各联机的传输服务质量。而闲置模式虽可由客户端发起，但实际多由后端网络主导。在闲置模式下，两端不再维护联机，原始联机数据则由传呼群暂时保管，客户端平时仅更新位置信息。但若有封包必须传送时，一定得执行网络重登入，且若原先联机数据已被清除，则联机还必须重新建立，因此数据传递延迟时间势必拉长，传输服务质量恐不易达成。另外，闲置模式在使用上需要后端网络支持，其网络架构正由WiMAX ForumTM规划制定中[3]。虽然IEEE 802.16e-2005标准已有制定睡眠模式与闲置模式的操作程序，但使用上应该要有一套对应的算法来评估推算两者使用的时机与封包的排程，以期在不影响传输效能的情况下仍可得到最佳的省电效益。