Методы снижения потребляемой мощности в беспроводных системах. Часть 1

В стандартах WLAN и Bluetooth определено несколько протоколов, с помощью которых возможно снижение энергопотребления системы, однако многие их них являются необязательными. Кроме того, в зависимости от метода реализации беспроводного протокола в чипе его потребляемая мощность может в большой степени отличаться от прибора к прибору. Таким образом, ясное понимание режимов работы протоколов является весьма важным для разработчиков системы, которые ищут возможность минимизировать потребляемую мощность.

При работе беспроводных устройств имеется пять состояний их физического уровня.
– Выключено. Единственным потребляемым током является ток утечки в схеме, но выход из этого состояния может занять достаточно длительное время (несколько мс).
– Спящий/дежурный режим. В этом режиме устройство может потреблять всего 175 мкВт и способно быстро перейти в активный режим.
– Ожидание. Устройство ожидает появление пакета, поэтому большинство узлов радиоприемника должно быть включено. В настоящее время устройства WLAN и Bluetooth потребляют в этом режиме 110 и 46 мВт, соответственно.
– Активный Rx. Режим подобен состоянию ожидания, но включение дополнительных блоков системы может повысить потребление мощности устройств WLAN и Bluetooth до 140 и 52 мВт, соответственно.
– Активный Tx. В состоянии передачи включается усилитель РЧ-мощности, энергопотребление которого доминирует в системе. В настоящее время для устройств WLAN (802.11g) потребляемая мощность составляет 450 мВт при выходной мощности передатчика 15 дБм. Для Bluetooth-устройств значения мощности потребления составляют 78 мВт при 3 дБм и 55 мВт при 18 дБм.
Эти физические состояния используются в различных сочетаниях в следующих режимах беспроводных протоколов:
– поиск сети;
– соединено, но незанято (холостой ход);
– поток медиатрафика;
– поток с максимальной пропускной способностью.

Для иллюстрации режимов работы протоколов на рисунке 1 показано количество времени, которое занимают различные состояния системы в режиме поиска сети, а на рисунке 2 — в режиме потока медиатрафика. Отметим, что при поиске сети устройство почти все время находится в дежурном режиме.

Рис. 1. Беспроводной режим потребления мощности: поиск сети

Рис. 2. Беспроводной режим потребления мощности: режим поток медиатрафика

Более того, устройство продолжает основную часть времени находиться в дежурном режиме и во время передачи и приема медиатрафика. Требуемая в этом случае скорость передачи данных ниже, чем радиоемкость, и устройство может находиться в этом состоянии непрерывно в течение нескольких часов.
В режиме максимальной пропускной способности беспроводное устройство старается передать необходимый объем данных как можно быстрее (например, при передаче файлов). Устройства находятся в этом режиме весьма короткое время. Чем выше скорость передачи, тем быстрее устройство возвращается в режим холостого хода.

Может показаться, что путем минимизации рассеиваемой мощности в каждом режиме можно добиться снижения общей потребляемой мощности. Однако это представление далеко от истины. В действительности, все зависит от способа применения протоколов.
Для того чтобы понять это соображение, рассмотрим стандартные энергосберегающие протоколы, доступные на сегодняшний день:
– наследуемый энергосберегающий режим (Legacy Power-save Mode), основополагающий метод энергосбережения стандарта 802.11;
– технология Unscheduled Auto­ma­tic Power Save Delivery (u-APSD), которая была определена в улучшенной версии стандарта 802.11 — 802.11e;
– режим энергосбережения технологии «множественного входа, множественного выхода» (Multiple-input/multiple-output — MIMO), определенной в стандарте 802.11n;
– режим энергосберегающего множественного опроса (Power Save Multi-Poll — PSMP), также определенный в стандарте 802.11n.
Рисунок 3 иллюстрирует принцип работы наследуемого энергосберегающего режима. Устройство в этом режиме сообщает точке доступа, что оно собирается перейти в спящий режим. Пока устройство находится в спящем режиме, точка доступа хранит данные, предназначенные для этого устройства.

Рис. 3. Наследуемый энергосберегающий режим

Периодически устройство «пробуждается» для приема сигналов маяка. С помощью этого сигнала точка доступа сообщает, передаются ли данные и, следовательно, должно ли устройство перейти к их приему. Точка доступа использует специальный тип сигнала маяка, называемого уведомлением о доставке трафика (Delivery Traffic Indication Message — DTIM), который говорит о наличии однонаправленного трафика для данного устройства.
Для устройств, находящихся в режиме энергосбережения, также поддерживается широковещательная и групповая передача. Точка доступа сохраняет такие сообщения и передает их сразу за DTIM-пакетом.
Устройства, которые ожидают приема сигнала маяка, находятся в активном состоянии для приема широковещательного и группового трафика и переходят в спящий режим, как только завершается этот прием, если в точке доступа отсутствует однонаправленный поток для этого устройства.
Более подробно данная технология описана в [1].
Ключевой проблемой этого метода является определение момента времени, когда устройство переходит в режим энергосбережения и выходит из него. Как было указано выше, устройство, находящееся в спящем/дежурном режиме, весьма значительно снижает энергопотребление. Однако такой режим также увеличивает время ожидания устройства.
Фактически, время, необходимое для приема устройством пакета, может занимать весь цикл приема сигнала маяка, включая «пробуждение» устройства, опрос точки доступа для приема пакета и в конечном итоге собственно прием пакета. Этот период ожидания может составлять порядка 300 мс, если DTIM-пакет принимается каждые 300 мс, что является типичной величиной для WLAN-сетей.
Кроме увеличения времени ожидания, режим энергосбережения снижает пропускную способность из-за временных затрат на переход в спящий режим и выход из него, а также на формирование энергосберегающих опросов.
Для исправления этой ситуации следует использовать специальные алгоритмы, которые способны прогнозировать наличие и отсутствие трафика в определенный момент времени. С помощью таких алгоритмов устройства переходят в режим энергосбережения, когда ожидается длительное отсутствие трафика или переходят в один из активных режимов, когда ожидается трафик.

Технология u-APSD

Этот протокол основан на опросах устройством точек доступа, подобно описанному выше наследуемому энергосберегающему режиму, но в данном случае периоды дежурного/активного состояния устройства имеют намного более мелкую структуру. По этой причине такую технологию наиболее целесообразно применять в системах VoIP.
Рисунок 4 иллюстрирует принцип действия технологии u-APSD. Обычно WLAN-устройство, принимающее голосовой трафик, все время находится в режиме ожидания, потому что ему не известно, когда поступит пакет с информацией. Когда это устройство получает информацию для пересылки, оно переходит в режим передачи.

Рис. 4. Технология u-APSD

Устройство имеет возможность перехода в спящий режим и обратно в активный для приема следующего сигнала маяка, т.к. этот период времени составляет примерно 100 мс, а VoIP-пакеты могут идти с периодом 10 или 20 мс.

В технологии u-APSD устройство сообщает точке доступа, что оно работает в соответствии с этим протоколом и точка доступа сохраняет переданный по нисходящему каналу пакет для этого устройства. В этом случае, однако, как только точка доступа обнаружит пакет по восходящему каналу для этого устройства, она автоматически разблокирует любые пакеты для этого устройства по нисходящему каналу.

Это позволяет устройству находиться в дежурном режиме до тех пор, пока ему не придется переслать VoIP-пакет по восходящему каналу. Имеется небольшая задержка в режиме ожидания, когда точка доступа собирает и отправляет пакеты по нисходящему каналу, во время которой устройство переходит в режим приема.
Получив все пакеты по нисходящему каналу (в последнем пакете имеется специальный индикатор окончания), устройство немедленно возвращается в спящий режим с малым энергопотреблением. Интересно, что увеличение скорости передачи данных улучшает эффективность потребления энергии, поскольку сокращается время активных режимов Tx и Rx, а время дежурного режима увеличивается. Итак, этот метод может привести к значительному снижению потребляемой мощности при передаче голоса — примерно на одну шестую часть той мощности, которая потребляется системой без u-APSD.

Режим энергосбережения технологии MIMO

Потенциально режим энергосбережения, используемый в технологии MIMO, более эффективен, т.к. использование множественных каналов приема-передачи увеличивает скорость доставки данных [3]. Множество каналов приема/передачи увеличивает потребляемую мощность, но благодаря их большому числу увеличивается и пропускная способность системы.
Тем не менее только в режиме ожидания пакетов использование множества приемных каналов не эффективно. Кроме того, сигнал маяка обычно передается на низкой скорости без MIMO-кодирования для того, чтобы все устройства сети могли его успешно принимать. Поэтому устройству нет необходимости использовать два приемных канала для получения этого пакета.
Для снижения энергопотребления устройство может динамически изменять число передающих и приемных каналов, активных в разных условиях работы. Такая особенность называется режимом энергосбережения MIMO. Например, устройство может динамически переключаться между конфигурациями 2×2 и 1×1, в зависимости от того, питается оно от батареи или от сети (см. рис. 5).

Рис. 5. Переключение MIMO-конфигурации между 2×2 и 1×1

При переходе к питанию от сети устройство также может быть готово к работе с полной скоростью передачи данных. При работе от батарей оно должно иметь возможность перехода на конфигурацию 1×1. Возможность динамически изменять MIMO-конфигурацию в зависимости от трафика позволяет снизить потребление энергии примерно на 30% при низком трафике.
Технология динамического энергосбережения MIMO специфицирована в стандарте 802.11n, но в качестве необязательного режима. Компания Atheros является одним из нескольких поставщиков, которые внедрили этот метод в аппаратуре.

Режим энергосберегающего множественного опроса (PSMP)

Режим PSMP предназначен в основном для снижения потребляемой мощности VoIP-клиентов, однако при этом следует выполнять определенные условия. В режиме PSMP время тратится на ожидание сигнального маяка (PSMP-пакета) для уменьшения конфликтов в среде, когда большое число VoIP-устройств начинает работать одновременно.

PSMP эмулирует систему множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) стандарта 802.11. Подробно режим PSMP описан в [1].

Сравнивая режимы PSMP и APSD, можно отметить, что в случае с APSD устройство расходует время лишь на пересылку трафика по восходящему каналу и получение подтверждения или получение трафика по нисходящему каналу и пересылку подтверждения. Это весьма эффективный процесс.

В режиме PSMP устройство должно перейти в активный режим и получить пакет PSMP-маяка, что очевидно является потерей времени. В зависимос­ти от количества других беспроводных устройств в сети и распределения времени их работы, данное устройство может не иметь время на переключение в спящий режим, «пробуждение» и получение пакета.
Промежуток времени может быть настолько коротким, что устройство постоянно находится в спящем режиме, тогда как другие устройства принимают предназначенные им VoIP-пакеты. Аналогичная ситуация может возникнуть при передаче трафика в режиме PSMP.

Другой недостаток режима PSMP проявляется при изменении скорос­ти передачи данных, например при перемещении беспроводных устройств относительно друг друга. В результате PSMP-устройства должны использовать более низкую скорость передачи, т.к. утерянные пакеты могут загружать канал.

Если пакет теряется в TDMA-системе, то он может быть восстановлен намного позже. Система назначает новый промежуток времени для повторной трансляции пакета, т.к. основная идея TDMA — передавать пакеты один за другим и не допускать повторной передачи потерянных пакетов.

В отличие от этого, в технологии APSD утерянный пакет может быть немедленно передан повторно без специальной централизованной синхронизации. Это позволяет APSD-устройствам активнее использовать более высокую скорость передачи, что снижает потребление энергии.

Все эти факты говорят о высоких временных издержках режима PSMP, поэтому этот метод эффективен, только если число VoIP-узлов сети превышает 15. В режиме APSD устройства самостоятельно переходят в активный режим и не синхронизируются между собой извне. По этой причине они вступают в конфликт или ожидают окончания процесса передачи других устройств.
Таким образом, для сети с небольшим числом VoIP-устройств лучше использовать технологию APSD, а при большом числе VoIP-вызовов для одной точки доступа можно получить преимущества режима PSMP.

Александр Губа, к.т.н., руководитель НИЦ СЭЭТ, ДГТУ

Одним из критериев, по которым оцениваются качественные показатели практически всего многообразия электронного оборудования, является величина потребляемой мощности как отдельным устройством в составе системы, так и всей системой в целом. Но особую значимость этот параметр приобретает при эксплуатации оборудования с автономными источниками питания. Поэтому проведенный автором всесторонний анализ методов снижения потребляемой мощности в беспроводных системах по части использования различных режимов работы протоколов стандартов WLAN и Bluetooth, по технологическим и схемотехническим методам, а также ряд предложенных общих рекомендаций вызывают интерес.

Более того, на начальном этапе материалы статьи могут представлять руководство по проектированию и оказать существенную помощь разработчику в выборе оптимальных вариантов энергосбережения при проектировании электронных устройств и систем, и далеко не только беспроводного характера. Но следует иметь в виду, что нет единого универсального пути решения задачи, а в каждом из реальных сценариев применения энергосберегающих методов всегда следует пытаться найти скрытые резервы. Это и использование РЧ-усилителей мощности, работающих в режиме класса С, и низкочастотных усилителей — в режиме класса D, применение стабилизаторов напряжения с малыми потерями на регулирующем элементе и ряд других.

В целом в статье затронута злободневная тема, которая, как представляется, должна найти свое дальнейшее развитие.