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前言

無線通信系統(tǒng)由固接式進(jìn)展到移動式，首當(dāng)其沖的便是耗電問題。首先，由于用戶裝置大多使用電池來維持運(yùn)作，在移動的同時又進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)工作，勢必快速消耗電池電量。透過空氣接口鏈接的客戶端(MS)與基站(BS)兩端裝置，電源必須保持在開啟狀態(tài)以維持通信正常，因此即便在沒有傳輸數(shù)據(jù)時，用戶裝置仍持續(xù)消耗電量。另一方面，客戶端為維持在大區(qū)域移動時的信號質(zhì)量或是需求較高的傳輸服務(wù)質(zhì)量(QoS)，必須發(fā)起換手(Handover)。通常執(zhí)行換手會伴隨著大量的控制信息傳送與等待時間，不但耗電也降低頻寬利用率。

  

目前無線通信系統(tǒng)所制定省電模式，通常利用數(shù)據(jù)傳輸管理機(jī)制，讓客戶端與基站的通信暫時中斷，或是簡化換手程序與頻率，以減緩裝置電量損耗。基于IEEE 802.16e-2005[1][2]標(biāo)準(zhǔn)的Mobile WiMAX，也制定了睡眠模式與閑置模式兩種的省電模式操作。由于兩者省電效益與衍生的維護(hù)成本上有明顯差異，本文將分別就兩者基本概念與運(yùn)作原理提出說明，并探討其差異。

睡眠模式

睡眠模式目的在于節(jié)省客戶端電量，并降低基站頻寬資源的使用�？蛻舳嗽趫�(zhí)行初始網(wǎng)絡(luò)登入程序(Network Entry)之后，即開始使用服務(wù)基站(Serving BS)提供的傳輸服務(wù)。由于客戶端與基站并非隨時都有封包在收送，因此兩端可以事先預(yù)測并協(xié)議出不需收送封包的時間，謂之不可用時段(Unavailable Interval)。睡眠模式即是讓兩端的鏈接在不可用時段里進(jìn)入無作用狀態(tài)，此時的客戶端可暫時關(guān)掉裝置電源或掃描周圍的基站以提前取得連結(jié)數(shù)據(jù)。

因為WiMAX的傳輸鏈接屬于聯(lián)機(jī)導(dǎo)向(Connection-oriented)，封包必須分配到已建立好的聯(lián)機(jī)(Connection)后才予以收送。在正常操作下，客戶端與基站可隨時使用各聯(lián)機(jī)來收送封包;一旦開啟睡眠模式，就會限制聯(lián)機(jī)的使用，尤其在不可用時段里更將停用所有聯(lián)機(jī)。由此可知，在睡眠模式下聯(lián)機(jī)并非被移除，而只是暫時無法使用，其目的是讓客戶端離開睡眠模式后即能直接收送封包，并不需重新建立聯(lián)機(jī)。

為適應(yīng)睡眠模式的傳輸特性，客戶端必須調(diào)整封包傳輸?shù)呐懦�。為使睡眠模式的使用不影響�?lián)機(jī)的傳輸服務(wù)質(zhì)量，封包的排程計算必須以各聯(lián)機(jī)的QoS參數(shù)為下限值。若要推算不可用時段，則還需把當(dāng)時系統(tǒng)資源及頻寬資源使用情形列為評量標(biāo)準(zhǔn)。

由于各聯(lián)機(jī)傳輸封包的行為不同，頻寬需求的方式也不同，使用省電類別(Power Saving Class)可讓聯(lián)機(jī)的管理較有系統(tǒng)。省電類別即是一群具有共通或相近傳輸特性的聯(lián)機(jī)。被歸屬在同一省電類別的聯(lián)機(jī)，其傳輸行為就必須遵從當(dāng)時所設(shè)置的屬性，因此客戶端只要調(diào)整省電類別的屬性值即可套用到各聯(lián)機(jī)。目前這些屬性包含何時啟用睡眠模式，何時允許封包傳輸，何時進(jìn)入低耗電狀態(tài)，何時須離開睡眠模式等。

開啟睡眠模式就是啟用省電類別。省電類別啟用后，其不允許收送封包的時間為睡眠時段(Sleep Interval)，暫時開放收送封包的時間則為聆聽時段(Listening Interval)。每當(dāng)一個睡眠時段結(jié)束后，跟著便進(jìn)入一個聆聽時段，兩者將不斷重復(fù)交錯直至省電類別被停用為止。在睡眠時段，省電類別所屬的各聯(lián)機(jī)上不準(zhǔn)有封包存在;唯有當(dāng)省電類別回到聆聽時段或被停用之后，始可把封包送到聯(lián)機(jī)上去傳送。

一旦省電類別被建立，并得到基站的允準(zhǔn)后，即可反復(fù)地啟用停用，亦或變更屬性后再啟用。若一個省電類別即已涵括當(dāng)時所有聯(lián)機(jī)時，則其睡眠時段即是該客戶端的不可用時段;但若聯(lián)機(jī)被分配在不同的省電類別時，則各省電類別之睡眠時段交集所成的時間，才是該客戶端的不可用時段。

省電類別共分為3種類型，如圖1所示。其不同點(diǎn)包括啟用停用的程序、允許封包傳輸?shù)臅r段、及可設(shè)置的參數(shù)項目等。以下分別說明各類型的特性與適用的聯(lián)機(jī)類型。

類型I：

類型I由多個聆聽時段及睡眠時段交錯組成，其中前者是固定長度，后者則是可變動長度且長度會逐次兩倍遞增。省電類別啟用后，基站必須定時廣播流量信息(Traffic Indication)，讓客戶端確認(rèn)基站的傳輸服務(wù)維持正常。若基站欲下傳封包時，會先確認(rèn)兩端鏈接正常后才開始傳送，故較能避免封包傳輸出錯。另外，客戶端在使用聯(lián)機(jī)收送封包的同時，會直接停用對應(yīng)的省電類別;而基站在收到某聯(lián)機(jī)的頻寬需求信息后，也會主動停用省電類別，因此可減少客戶端發(fā)送的控制信息數(shù)目。

只有類型I才提供設(shè)定的參數(shù)有：睡眠時段的起始長度與最大長度、省電類別可否被封包直接喚醒、是否接收處理流量信息等。雖然使用類型I即能適用各種類型的聯(lián)機(jī)，但其維護(hù)成本與計算復(fù)雜度卻也相對較高。目前非實時性的聯(lián)機(jī)類型(如nrtPS/BE等)，較建議使用類型 I。

類型II：

類型II為類型I之特例，不同的是睡眠時段為固定長度。另外，封包被限定在聆聽時段收送，但不會因此而停用省電類別;不需理會流量信息，但省電類別的啟用與停用只能透過控制信息傳達(dá)給基站。每隔固定時間即有封包傳輸需求的聯(lián)機(jī)類型(如UGS/rtPS等)，即可考慮使用類型II。

類型III：

類型III僅會有一個睡眠時段。在此睡眠時段到期后，省電類別便會自動停用;但若想再次啟用省電類別，仍須發(fā)送控制信息通知基站。目前如定期測距(Periodic Ranging)等需多次信息交換的程序，或是群播服務(wù)的封包下傳等，其使用的聯(lián)機(jī)便適合歸類在類型III。

閑置模式

睡眠模式大致上已解決了用戶裝置的耗電問題，但當(dāng)客戶端在大范圍區(qū)域移動，因換手次數(shù)增加而產(chǎn)生大量耗電的狀況亦隨之而來，此時睡眠模式便不適用。其原因在于換手后尚須執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入(Network Re-entry)，并回復(fù)或重建聯(lián)機(jī)，完成這些步驟既耗時又耗電。在閑置模式下，假使客戶端并沒有封包需要收送，則客戶端即便已跨越基站也只需告知后端網(wǎng)絡(luò)其大略位置，并不用去執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入。因此具高移動性的客戶端若采用閑置模式，將取得比睡眠模式更好的省電效益。
WiMAX移動管理

欲實現(xiàn)閑置模式，WiMAX導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)分層管理機(jī)制。分層即是把WiMAX網(wǎng)絡(luò)范圍劃分成管理區(qū)域，并將區(qū)域內(nèi)的基站集合起來成一群組，稱為傳呼群(Paging Group)，如圖2所示。因為各傳呼群可能會有部份區(qū)域重迭，一個基站可能同時是數(shù)個傳呼群的成員。一個傳呼群會有傳呼主控臺(Paging Controller)擔(dān)任客戶端位置信息的維護(hù)工作，此角色可直接由傳呼群里的某一基站兼任，或由后端網(wǎng)絡(luò)另一主機(jī)專任。

除了傳呼群架構(gòu)，在移動管理方面另有遠(yuǎn)程傳呼(Paging)與位置更新(Location Update)的支持，其功能與運(yùn)作分述如下：

(1) 遠(yuǎn)程傳呼

在傳呼群架構(gòu)下，后端網(wǎng)絡(luò)只知道客戶端所在的傳呼群，卻不知客戶端現(xiàn)在是連到哪一個基站。為此，閑置模式提供傳呼讓后端網(wǎng)絡(luò)可以追查客戶端的位置。傳呼的動作是由傳呼主控臺發(fā)起，在固定的時間里透過所屬的基站廣播傳呼信息(Paging Advertisement)，客戶端收到后必須依信息內(nèi)容執(zhí)行對應(yīng)的動作。

(2) 位置更新

在閑置模式下，客戶端只能透過位置更新程序與傳呼主控臺溝通。若客戶端從基站取得的傳呼群識別碼(PG Identifier)已發(fā)生改變，應(yīng)執(zhí)行位置更新，把將客戶端的位置信息轉(zhuǎn)送到后端網(wǎng)絡(luò)。其次，由于客戶端原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)被暫置在傳呼主控臺內(nèi)保存，在保存效期結(jié)束前，客戶端可透過位置更新來表達(dá)延長維護(hù)效期的意愿。另外，客戶端若確定裝置要關(guān)機(jī)，應(yīng)執(zhí)行位置更新，讓傳呼主控臺提前清除聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)。最后，若傳呼主控臺太久未傳呼某客戶端，則客戶端必須執(zhí)行位置更新來確認(rèn)自身的存在性。

位置更新的程序分成有擔(dān)保(Secure)與無擔(dān)保(Unsecure)兩類，差別只在初始測距(Initial Ranging)信息是否受到安全保護(hù)。若基站能夠從認(rèn)證端(Authenticator)取得有效的金鑰資料，并以之驗證信息內(nèi)容無誤后，則完成初始測距后便可返回閑置模式。但若金鑰數(shù)據(jù)已失效或是驗證信息失敗，則基站會要求客戶端執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入，迫使客戶端提前離開閑置模式。

使用傳呼群架構(gòu)，就會有遠(yuǎn)程傳呼與位置更新的使用成本。后端網(wǎng)絡(luò)在決定傳呼群的涵蓋區(qū)域時，應(yīng)該要衡量客戶端的省電效益與此使用成本。理論上客戶端只要在一個傳呼群區(qū)域內(nèi)移動，就不需要更新位置信息。雖然較大的傳呼群區(qū)域可減少位置更新的執(zhí)行次數(shù)，但若后端網(wǎng)絡(luò)要求執(zhí)行傳呼來追查客戶端，其產(chǎn)生大量的廣播信息會增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，也浪費(fèi)頻寬資源。反之若傳呼群區(qū)域設(shè)定太小，則位置更新勢必經(jīng)常發(fā)生而讓客戶端的電量持續(xù)消耗。

閑置模式使用

客戶端或后端網(wǎng)絡(luò)均可透過注冊撤銷程序(Deregistration)來啟動閑置模式�；�站將釋放目前使用的聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)，不再提供服務(wù)給此客戶端。在啟動同時，客戶端會告知原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)是否要暫存于傳呼主控臺內(nèi)，以及聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)的保存效期。只要客戶端在保存效期結(jié)束前完成了網(wǎng)絡(luò)重登入程序，則原先建立的聯(lián)機(jī)即可被復(fù)原。

在閑置模式下，大部分時間皆屬不可用時段�？蛻舳丝呻S時關(guān)掉裝置電源，但仍須偶爾醒來掃描周圍的基站�？蛻舳藭�以當(dāng)時通信狀況最佳者作為偏好基站(Preferred BS)，負(fù)責(zé)客戶端與后端網(wǎng)絡(luò)之間的訊息轉(zhuǎn)送工作。若當(dāng)時選用偏好基站屬于另一個傳呼群，則客戶端必須要接著執(zhí)行位置更新。

客戶端可從傳呼信息里得到偏好基站的定期傳呼時段(BS Paging Interval)，只要到了預(yù)定的傳呼時段，客戶端即應(yīng)醒來聆聽傳呼信息。目前基站需要廣播傳呼信息的原因，可能是傳呼主控臺要求客戶端回報最新位置信息，此時客戶端將被指示執(zhí)行位置更新;若后端網(wǎng)絡(luò)已有封包欲下傳至客戶端，則客戶端將被指示執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入。對客戶端而言，若有封包需要收送或是原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)效期已過，則客戶端在任何時刻只要執(zhí)行了網(wǎng)絡(luò)重登入，便算是要離開閑置模式。圖3為閑置模式的使用案例：客戶端進(jìn)入閑置模式后，前后共選用了3個偏好基站，且執(zhí)行了一次位置更新;在最后一個傳呼時段里，客戶端收到網(wǎng)絡(luò)重登入指示后便結(jié)束了閑置模式操作。

結(jié)語

當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)因應(yīng)移動性需求，多有制定省電模式，而WiMAX省電模式更有睡眠模式與閑置模式可供選擇。兩者存在的差異如下：睡眠模式多數(shù)由客戶端發(fā)起，并決定各時段長度及啟用時機(jī)。在睡眠模式時，除了需隨時維護(hù)聯(lián)機(jī)的封包傳輸正常外，該執(zhí)行的定期測距與換手程序都不能省略。雖然睡眠模式實際可省電的時間較為片段，但卻能適時調(diào)整以兼顧各聯(lián)機(jī)的傳輸服務(wù)質(zhì)量。而閑置模式雖可由客戶端發(fā)起，但實際多由后端網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)。在閑置模式下，兩端不再維護(hù)聯(lián)機(jī)，原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)則由傳呼群暫時保管，客戶端平時僅更新位置信息。但若有封包必須傳送時，一定得執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入，且若原先聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)已被清除，則聯(lián)機(jī)還必須重新建立，因此數(shù)據(jù)傳遞延遲時間勢必拉長，傳輸服務(wù)質(zhì)量恐不易達(dá)成。另外，閑置模式在使用上需要后端網(wǎng)絡(luò)支持，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正由WiMAX ForumTM規(guī)劃制定中[3]。雖然IEEE 802.16e-2005標(biāo)準(zhǔn)已有制定睡眠模式與閑置模式的操作程序，但使用上應(yīng)該要有一套對應(yīng)的算法來評估推算兩者使用的時機(jī)與封包的排程，以期在不影響傳輸效能的情況下仍可得到最佳的省電效益。