802.11 Power Save(节电/省电/节能)机制总结

背景介绍

802.11 Power Save机制

了解WIFI节能的机制之前，首先要了解WIFI能耗的消耗发生在什么状态下，显而易见，发送和接收肯定是消耗能量的，还有一点是要认识到的，Power Save通常是在STA端进行的，AP需要一直广播并且很多AP都是固定位置并接电源的，移动性小，所以AP的power save基本上是要求支持STA的power save，不至于STA进入省电跟AP不兼容，我当前的认识里只有2个AP是可以省电的，一个就是TPC，可以对AP进行发射功率配置；另一个是SMPS，协商选择关闭某些天线的收发来达到节能效果。回过来接着讲耗能的状态，其实一般的WIFI设备还有两个状态：sleep状态（别以为sleep status下不耗能）和接收空闲状态。下面是四个状态：

· Sleep ：节点进入休眠状态，关闭接收和发送，能耗最低；

· Rx idle：接收空闲状态，其实这个是CCA检测状态，并未进行数据的接收；

· RX：接收状态，STA检测到要发送给自己的数据，对数据进行接收；

· TX：发送状态，就是发送数据。

这四种状态是可以相互转换的，譬如数sleep状态转换成RX idle，然后RX idle可以转换到RX或者TX状态。数据通信的部分都是发生在TX和RX状态下，但是为了不产生传输冲突，WIFI大部分状态是处于Rx idle下的，而且这个状态下接近于RX状态，良好的使用power save机制是可以很大限度的进行节能的。

沿着这个思路其实就是要尽量降低RX idle的时间和增加Sleep的时间，从而引出了AP的缓存技术和STA的PS机制，这里只讲PS机制。

Power save机制

省电模式的前提机制

省电模式的前提机制，AP的beacon中携带TIM（Traffic indication Map）字段，里面包含DTIM Count，DTIM Period，Bitmap Control和Part Virt Bmap字段，下文会有详细介绍，先看DTIM period，这个通常在AP的配置上可以设置，不同厂商这个DTIM周期值会不同，有配置2也有配置3的，这个值如果较大，那么对AP的缓存能力有较高要求，设置较小sta 需要频繁从sleep中唤醒，PS效果不佳，这个值的意义就在于处于PS状态下的STA会在多少个beacon帧后醒来，就是sta的唤醒周期；而DITM Count就是对period的计数，表明当前beacon是period的第几个。这种状态是sta和AP关联上之后的场景，另一个是STA并未关联上AP，此时的STA状态是不定时地去进行信道扫描，每隔一些时间扫描一次，扫描后进行sleep，周期性的从sleep中醒来再扫描一次，这是未关联时的省电方式。

传统省掉模式（Legacy Power Save）

有了上面的了解，下面说一下传统省电模式的原理，也是我们所说的乒乓模式。假设某个时间STA进入sleep，它通过发送数据帧或null-date帧来告诉AP我进入省电了，这个帧的节能位会被置1，如下图：

AP收到这个帧后就不发数据帧给处于省电模式下的STA了。然后DITM period后STA wake up，并收到AP的beacon，在beacon 中DTIM 信息元素中根据AID 来告诉sta，在你sleep的时候有发给你的数据，我替你存下了，你现在醒了，快来取吧。这个时候STA发送PS-Poll帧给AP，告诉AP我来取数据了，AP收到PS-Poll后就将对应sta的缓存数据发给STA,，如果有多个数据帧的话那就在数据帧的more data位上置1，表示后续还有缓存数据，STA继续发送PS-Poll给AP，AP再传数据帧，一来一回，一来一回，直到data帧的more date位为0，AP会给STA发一个Null-data。LPS的流程示意图：

PS-Poll帧的结构可以参考如下信息：

可以明显看到PS-poll并没有Duration/ID信息，看地址信息也只有BSSID和Transmitter，没有包含Source AD,这里多了一个AID来告诉AP，我是来取这个AID的缓存数据的。Null-data还是很正常的。

传统省电模式的不足

PS-Poll省电机制定义在802.11的协议中，这个机制存在两个不足：一是效率低，二是时延大。

1. 效率低主要是STA要获到缓存于AP中的数据，必须通过发送PS-Poll帧，完成一次完整的交互过程（PS-Poll，ACK）。每次帧交互都需要进行退避机制及信道接入，造成额外开销增多，效率比较低。

2. 时延比较大，是因为STA每次根据DTIM间隔定时醒来接收AP的广播帧，如果AP为STA缓存数据帧，则STA发送PS-Poll，否则STA继续进入睡眠状态。因为DTIM一般Beacon间距的整数倍，Beacon间距时间一般为100ms，所以STA与AP进行数据交互的时延比较大，对一般时间敏感的业务数据（如语音或视频数据）并不能很好的支持。如果STA使用传统省电机制，如果需要进行语音数据传输，一般有两种做法，一是让STA保持ACTIVE状态，二是降低DTIM间距。

快速省电模式（Fast Power Save）

快速省电模式是在L PS的基础上来的，被称为PS-NULL-Poll机制。这个PS-null-Poll的机制是当STA wake up后，解析到beacon中有自己的缓存帧，则会发送一个null data帧给AP，并将PS位置为0，表示不节能了，需要获取所以缓存的数据，AP收到这个null-data后，从缓存队列中依次取出一个缓存data帧发送给STA，直到所有的缓存数据帧发送完，当然最后一个data帧的more data位会被置0。STA收到所有缓存帧后，直接发一个null data帧给AP，并将PS位置1，表示自己再次进入PS状态。

快速PS和LPS的区别显而易见，LPS是一个PS-poll获取一个缓存帧，一次一帧，而且ps-poll ack都不能少，而Fast PS是一次null-data表示sleep or wake状态。并获取所以缓存帧，就好比搬运货物，LPS是徒手，一次一个箱子，来回跑，而Fast PS是用传送带，建立连接后，箱子一个一个的往传送带上搬运。

快速省电模式的不足

提升了LPS的效率，但是对敏感优先级的data不友好，时延问题并未解决。

APSD（Automatic Power Save Delivery）

APSD是基于802.11e新增的PS机制，这里面包含了带有QOS属性的PS机制，其实APSD是有些类似FAST PS的，也是一次触发，多次传输。APSD有两种模式：S-APSD(基于调度的自动省电模式)和U-APSD(非排程自动省电模式)。

S-APSD（Scheduler - Automatic Power Save Delivery）

S-APSD更像一个PCF下的PS模式，大家都知道PCF是AP来轮询下面的STA是否有数据要收发，若有数据上下行，只有AP轮询到某一个STA的时候，这个STA才会进行接入信道进行数据的收发，这种模式很少见，在常用的wifi收发中用到的基本上都是U-APSD，而S-APSD实际也没啥包可抓，下图是S-APSD的一个简单的工作模式。

在S-APSD中，SP（Service Period）是预先AP调度的，在调度时间将要到来之时，QOS-AP会发送一个triger frame，同时QOS-STA也会提前醒来接受该帧，从而开启一个服务时间。该服务时间是通过管理帧中的Schedule Element字段进行调度的，所以QOS-STA可以提前知道什么时候应该醒来。在上图中，QOS-AP发送的triger就是PS-Poll，然后就开始和QOS-STA交换数据，即STA向AP反馈数据之后，AP再向STA反馈数据，这样交替切换，直到SP时间结束。

在这里，QOS-AP和QOS-STA交换数据还是上下行按序切换的。

U-APSD（Unscheduled Automatic Power Save Delivery）

U-APSD这个才像是DCF下的qos-PS模式。比较常见的一种WMM –PS模式，包很容易抓到。AP 支持省电在WMM IE 信息元素其中的一个bit位会表明是否支持WMM 省电（即U-APSD support）。STA 支持省电在关联请求中查看WMM IE 的Qos info字段4个AC 是否支持UAPSD（即比特位为1），抓包见下图:

U-APSD 是对传统省电的改进，在客户端关联的时候双方确定了哪些AC（BE/BK/VI/VO---qos的属性

）具有发送属性，哪些AC 有触发属性，以及触发后最多允许的发送报文数量--MAX-SP；客户端在休眠的时候，发往客户端的具有发送属性的AC将缓存在发送缓存队列，客户端需要发送具有触发属性的AC 去获取缓存帧。AP收到触发报文后，按照接入时候确定的发送报文数量，发送属于发送队列的帧。没有发送属性的 AC 仍然使用802.11传统的方式来传送。

在UAPSD省电下的STA 只有两种状态 DOVE和AWAKE；AP只能在STA 在AWAKE下才能给STA发数据，AP在STA DOVE的情况下给STA 缓存数据；换个角度想STA 可以在任何的情况下向AP 发送数据，因为AP永远是awake；

UAPSD的主要设计思想在于称作U-SP(unscheduled service period)。

STA 发送触发帧(空帧或数据帧)给AP ，AP向STA回复ACK后,U-SP被启动，AP通过EDCA的方式开始向STA发送缓存数据，U-SP的长度有MAX-SP(service period)决定；MAX-SP在WMM IE 的Qos info 中被定义，用于定义发往客户端的报文数量（在关联时候就被定义）。

MAX-SP在关联和重关联的时候被定义，在U-SP期间，AP必须向STA发送至少一个数据帧，如果AP没有缓存帧，则发送一个空帧，但是不能超过最大帧数；在U-SP期间，AP收到的STA的帧数据不叫做触发帧。U-SP结束后，AP通过在Qos 控制字段里的EOSP（Eed of service period）字段置为1来结束一次U-SP（EOSP在发送的缓存帧中查看是否最后一个置为1）。STA收到这个帧后，STA 就可以进入DOVE，AP 继续为STA缓存数据直到下一个U-SP传输开始；AP通过协调帧控制字段中的More Data字段来通知STA有更多的缓存帧，如果EOSP=1，more data=1 ，在立即发起一次新的U-SP传输，如果AP 没有数据发送给STA ，则发送一个空帧给STA；

展示一个QOS-null-data的帧：

APSD省电主要应用在具备优先级的数据中，没有优先级的data还是按照传统的省电模式进行。

UAPSD省电的优缺点

UAPSD克服了PS-Poll省电机制的缺点，提升了效率，同时时延相对较小。如果STA每20ms向AP发送数据，则AP也可以每20ms向STA发送数据，因此数据时延大致为20ms，相对PS-Poll时延为n*100ms小。UAPSD也有缺点，因为STA通过向AP发送触发帧来发起一次U-SP传输，当STA发送触发帧后，STA进入AWAKE状态，并且等待AP向STA发送数据帧或空帧，直到AP发送的帧数据中EOSP字段被置1，STA才能重新进入省电模式DOVE。注释（必须等待AP 发的帧数据EOSP 字段被职位1 才能进去省电）。上图的EOSP位就是置1的。

PSMP(Power-Save Multi-Poll)

备注：来源于网上。

实际上从802.11e中引入TXOP，Block ACK，802.11n中引入的RIFS，帧聚合，802.11ac中引入MU-MIMO，这些技术都会导致AP的突发（burst）下行传输的效率相比上行接入效率要高。

所以从节能模式的角度而言，在APSD中，先分节点，再分上下行的传输模式，就没有先分上下行，再分节点的传输效率高，那么后者就是PSMP设计的基本想法。

PSMP（Power-Save Multi-Poll）：在802.11n中新增的模式，可以理解是引入了更严格的调度机制，其首先利用一个PSMP帧来调度整个节能模式的传输周期，将其分成PSMP下行传输时段，PSMP-DTT（PSMP Downlink Transmission Time）和PSMP上行传输时段，PSMP-UTT（PSMP Uplink Transmission Time）。在PSMP-DTT过程中，AP进行突发传输，其中帧间间隔可能会更小，比如RIFS。RIFS的时间会比SIFS会更小，SIFS时间是包含了一个发送状态到接受状态的切换时间，而RIFS仅仅是两次发送状态之间的切换时间。在该过程中，节点可以不采用CCA，直接在被调度的具体时间内醒来，并接受数据，从而可以获得更多的休眠时间，从而节能。在PSMP-UTT时间内，节点仅仅会在被调度的周期内醒来，并反馈上行数据帧，从而也减少了较多的监听过程，节约了能量。在PSMP中，若AP的下行传输中存在广播/组播包，那么会在PSMP-DTT时间内，第一个数据帧进行发送，这点实际上和之前的PSM模式传输组播或者广播帧是一样的。

如下图表述了一个PSMP的时序调度：

那么AP首先发送一个PSMP帧，该帧中包含了后续时间内，下行链路和上行链路具体的调度安排。然后开始进入PSMP-DTT时间，第一个是发送本地缓存的组播/广播帧（即PSMP-DTT1时刻内），然后按序发送节点所对应的缓存单播帧，这里PSMP-DTT时间内，帧间间隔可以采用RIFS，以达到更高的效率。对于ACK的部分，由于笔者没有做详细考证，所以没有加以描述。当PSMP-DTT时间结束后，节点会依次在自己对应的上行调度周期内，发送数据帧，如STA1就在PSMP-UTT1中发送上行数据。当PSMP-UTT时间结束后，这一轮PSMP的数据交换就完成了。

通过上述过程，也可以看出PSMP基本上也是一种基于调度的PS机制，使用到新的IFS，目前我也没有见过类似的基于RIFS的PS商用产品。优缺点个人感觉是对AP的调度要求高，对于传动的基于DCF竞争机制的AP会有一定的难容性。当然技术上实现也会难一些。

SMPS(Spatial Multiplexing Power Save)

SMPS是空间复用省电机制，也是11n引入的基于多天线引入的省电机制。基于的原理很简单，当业务量很少，负载不大时，选择关闭其中部分天线的收发功能来达到省电的目的。实际上STA不好贸然关闭自己的天线，因为AP端有可能单流也可能多流，发送流大于接收流的话，会造成无法正确接收。所以STA在SMPS的机制中需要跟AP有沟通，协商并配合完成通道关闭和激活。

在SMPS中有设置中有三种，3关闭SMPS，0静态SMPS，1动态SMPS，出自802.11n-2009—page68—table 7-43j。

SMPS的能力信息位表示在HT Capability info 的SM Power Save字段上或者通过SMPS Action帧交互SMPS能力信息。如图：

备注：我抓到很多SMPS位是11，但是他表示的却是：Spatial Multiplexing enable，我表示很无奈啊。

静态SMPS的流程很简单，STA需要1根天线来进行收发时，STA发送一个ACTION帧告诉AP你要切换到单流进行发送帧，若要恢复到多流则发送一个SMPS 静态disable的ACTION帧给AP，来结束单条流的下行。下图是静态SMPS的流程图：

动态SMPS听名字就可以理解它的作用，就是根据情况在单流和多流之间切换进行下行操作。交互帧是跟静态有区别的，看下图：

其中当STA发送一个动态模式的action frame后，需要通过接收一个单流的RTS使能多接收通道；当接收到目的地地址是自己的MAC地址的时，接收者切换到对应的多个接收通道，并且在接收结束时，关闭多流模式切换回原有的模式。而在静态模式中，这个切换需要一个显示的action frame，这里需要注意一点，SMPS不能区分多流传输之前的RTS/CTS和其他RTS/CTS，所以STA收到RTS后，给CTS后就会切入到多流收发状态下。

问题：为什么要发单流的RTS 才能使能多接收通道，如何让STA知道要接收MIMO 数据？

这个用一个单播帧就可以，协议建议用RTS，当然单播数据帧也可以，看厂商实现方式了。收到发送给自己的RTS，就认为有双流数据发送给自己，就需要切换到多通道；SMPS默认只开一条天线，如果收到RTS就把所有天线都打开。

综上：

· 静态的SMPS模式下，STA仅维护一个接收通道空闲，AP不会发送MIMO数据给处于Static SMPS模式的STA。HT STA可以使用SMPS Action帧交互SMPS状态；一个非AP的HT STA 可以利用HT Capability info域中的SM Power save 字段达到相同的目的。后者，使能STA关联后立刻用单通道接收。

· SMPS使得STA在一段时间内只激活一条接收通道，若STA处于动态的SMPS，也只有当AP 发送多流数据时才会根据AP发送的RTS切换为多接收通道，从而达到节能目的；

· SMPS Frame是一种HT 管理帧，用来指示SMPS的状态改变。AP和STA可以通过该帧来交互SMPS状态；

· SMPS帧控制字段信息其中：

Category字段为7，即HT类型。

HT Action字段为1，即SMPS。

TXOP-PS（Transmit Opportunity-Power Save）

TXOP的含义，当STA需要传输MSDU时，并不会在获得接入机会的同时接入信道，而是等待一段时间后再进行发送，一个STA从其获取接入信道的机会到其开始传输的时间叫做一个TXOP。

TXOP-PS是802.11AC协议新加的一种STA测的节能机制。其思想是“尽可能的早地识别出当前接收帧是否发给自己”，如果不是，则STA可以在该帧所处的当前TXOP剩下的时间内进入TXOP节能模式，待下一个TXOP才重新醒来，通过这种方式，可以实现TXOP内的少量节能。

TXOP-PS需要AP和STA同时都支持才可以实现，并且只有VHT AP和STA才有可能支持。

在VHT Cap info域中，B21代表TXOP-PS的能力，而AP 通过 beacon 、probe response、association response帧宣告自己具有TXOP-PS能力，而STA通过probe request、association request宣称自己具有TXOP-PS 能力。

VHT 能力域中对 VHT PS 字段的定义及解析:

我以为没法抓到支持VHT-TXOP的AP，但实际上我竟然看到一个支持的AP，挺强：

问题1：在TXOP-PS中STA怎么做到识别该帧不是发给自己的，然后在剩下时间段的TXOP内进入省电？

11AC并没有引入BSS颜色(11AX才引入)，而这里的其实是根据PPDU的SGI字段的信息来进行判断，先看一下11AC VHT的物理帧格式：

其中前面的是传统的preamble信息，后面有VHT的preamble这里面还有两个信息：VHT-SGI-A和VHT-SGI-B。跟LP的定义一样，VHT preamble的信息也记录了调制方式、速率、时间同步等信息。这里面VHT-SGI-A是用来区分VHT PPDU和HT PPDU,非HT PPDU，SGI-B是用来区分不同带宽的。其同样是采用BPSK调制，以1/2速率的二进制卷积码进行传输的。下面看下SGI的结构。

这里面就包含了AID和TXOP-PS如果STA 的PHY接收到1个PPDU，解析SGI中的Partial AID跟自己的AID不一致，站点将停止后续的接收，进入TXOP-PS状态。
问题2：在TXOP-PS 阶段内，硬件会先判别终端发来的帧是否是我们的帧，如果我不是我们的帧，硬件会把包丢弃，没有交到上层。上层是处于什么状态呢？

首先要明确TXOP-PS所处于的状态是active状态下的，上层其实是醒来的状态，这个醒可以认为就是省电状态下的醒，而TXOP-PS只是觉得，虽然我是醒的状态，但是包不是给我的，我都懒得再继续解析了；一般的醒来是还要解析到MAC头，看目的地址是不是发给我的，不是我的就丢掉，而这个是提前了。

协议上的一些信息贴在这，供学者参考。

上面来自于P802.11ac_D2.0的10.2章节。

总结&遗留问题

到这里Power save算是基本说完了，但是可能有同学有疑问，一个AP下那么多STAs，sta是通过什么机制确定AP有自己的缓存帧呢，如果STA关联上AP后一致没业务，占着茅坑不拉X怎么办，AP怎么不踢掉这样的STA呢，所以下面的内容做一下补充。

TIM域信息讲解：

AID的取值范围：0-2007

AID的分配：关联时在关联响应包中存在AID信息

AID确定后在后面sleep时可以通过AP的beacon中的TIM信息确认AP为哪个STA缓存数据。

· Element ID：元素识别码，用来标识beacon帧中所包含的不同字段。

· Length：长度，描述的是该Element的长度，实际上Element ID和Length是一般管理帧中information element必备的元素。

DTIM Count，DTIM Period：DTIM计数以及间隔的时间。在802.11协议中，我们可以看到三个概念，TIM，DTIM，ATIM。TIM是一种基本的流量指示图的结构，标准的TIM中仅仅指示AP缓存的单播信息，DTIM（Delivery Traffic Indication Map）是一种特殊的TIM，其除了缓存的单播信息，也同时指示AP缓存的组播信息。

Bitmap Control，Partial Virtual Bitmap：该字段就是Bitmap的具体字段，实际上与我们一开始描述的bitmap结构还存在一些区别。以下我们重点描述下协议中具体使用的bitmap结构。

AP是采用一种Bitmap结构，用来通知节点自己的buffer信息的，若将其看做一个矩阵的话，那么该矩阵的每一行有8列，最下包含1行，最大包含251行，换言之该矩阵最大的存储空间为251行，251*8-1=2007（除去多播标识）。

而Bitmap Control的信息代表了起AID的偏移量，假设AID=88，然后找出88号在Bitmap的哪一行，先看下Bitmap Control的位信息代表的意思：

第一位如果置1则代表缓存有多播帧，这里先讨论单播缓存的场景，第一位置0，若第二位置1，则缓存数据属于Bitmap矩阵图的第二行，若要计算此STA的AID值，首先起始值从2*8=16开始算起，然后如何确认具体AID，这个具体AID=起始AID之和+偏移量。而我们所说的偏移量就需要通过Part Virt Bmap的信息来确定。

就拿上面所说的AID=88,起始AID很容易推算出是X3位，因为X3位代表起始AID=8*8=64,而X4位是16*8=128，大于88，所有BitMap control的X3位置1,88=64+24，24介于2*8—4*8之间，所有X1位也置1，综上Bitmap control的信息位为：0 1 0 1 0 0 0 0。然后在计算具体的偏移量。

88=64+16+a，很显然可以计算a=8，所有偏移量Part Virt Bmap的值应该0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0，转化为16进制就是80.

从TIM域信息也可以反推AID的值，实际情况可以抓包验证下。