前言

無(wú)線(xiàn)通信系統由固接式進(jìn)展到移動(dòng)式，首當其沖的便是耗電問(wèn)題。首先，由于用戶(hù)裝置大多使用電池來(lái)維持運作，在移動(dòng)的同時(shí)又進(jìn)行傳輸數據工作，勢必快速消耗電池電量。透過(guò)空氣接口鏈接的客戶(hù)端(MS)與基站(BS)兩端裝置，電源必須保持在開(kāi)啟狀態(tài)以維持通信正常，因此即便在沒(méi)有傳輸數據時(shí)，用戶(hù)裝置仍持續消耗電量。另一方面，客戶(hù)端為維持在大區域移動(dòng)時(shí)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)。通常執行換手會(huì )伴隨著(zhù)大量的控制信息傳送與等待時(shí)間，不但耗電也降低頻寬利用率。

  

目前無(wú)線(xiàn)通信系統所制定省電模式，通常利用數據傳輸管理機制，讓客戶(hù)端與基站的通信暫時(shí)中斷，或是簡(jiǎn)化換手程序與頻率，以減緩裝置電量損耗�；�于IEEE 802.16e-2005[1][2]標準的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成本上有明顯差異，本文將分別就兩者基本概念與運作原理提出說(shuō)明，并探討其差異。

睡眠模式

睡眠模式目的在于節省客戶(hù)端電量，并降低基站頻寬資源的使用�？蛻�(hù)端在執行初始網(wǎng)絡(luò )登入程序(Network Entry)之后，即開(kāi)始使用服務(wù)基站(Serving BS)提供的傳輸服務(wù)。由于客戶(hù)端與基站并非隨時(shí)都有封包在收送，因此兩端可以事先預測并協(xié)議出不需收送封包的時(shí)間，謂之不可用時(shí)段(Unavailable Interval)。睡眠模式即是讓兩端的鏈接在不可用時(shí)段里進(jìn)入無(wú)作用狀態(tài)，此時(shí)的客戶(hù)端可暫時(shí)關(guān)掉裝置電源或掃描周?chē)�的基站以提前取得連結數據。

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

為適應睡眠模式的傳輸特性，客戶(hù)端必須調整封包傳輸的排程。為使睡眠模式的使用不影響聯(lián)機的傳輸服務(wù)質(zhì)量，封包的排程計算必須以各聯(lián)機的QoS參數為下限值。若要推算不可用時(shí)段，則還需把當時(shí)系統資源及頻寬資源使用情形列為評量標準。

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

開(kāi)啟睡眠模式就是啟用省電類(lèi)別。省電類(lèi)別啟用后，其不允許收送封包的時(shí)間為睡眠時(shí)段(Sleep Interval)，暫時(shí)開(kāi)放收送封包的時(shí)間則為聆聽(tīng)時(shí)段(Listening Interval)。每當一個(gè)睡眠時(shí)段結束后，跟著(zhù)便進(jìn)入一個(gè)聆聽(tīng)時(shí)段，兩者將不斷重復交錯直至省電類(lèi)別被停用為止。在睡眠時(shí)段，省電類(lèi)別所屬的各聯(lián)機上不準有封包存在;唯有當省電類(lèi)別回到聆聽(tīng)時(shí)段或被停用之后，始可把封包送到聯(lián)機上去傳送。

一旦省電類(lèi)別被建立，并得到基站的允準后，即可反復地啟用停用，亦或變更屬性后再啟用。若一個(gè)省電類(lèi)別即已涵括當時(shí)所有聯(lián)機時(shí)，則其睡眠時(shí)段即是該客戶(hù)端的不可用時(shí)段;但若聯(lián)機被分配在不同的省電類(lèi)別時(shí)，則各省電類(lèi)別之睡眠時(shí)段交集所成的時(shí)間，才是該客戶(hù)端的不可用時(shí)段。

省電類(lèi)別共分為3種類(lèi)型，如圖1所示。其不同點(diǎn)包括啟用停用的程序、允許封包傳輸的時(shí)段、及可設置的參數項目等。以下分別說(shuō)明各類(lèi)型的特性與適用的聯(lián)機類(lèi)型。

類(lèi)型I：

類(lèi)型I由多個(gè)聆聽(tīng)時(shí)段及睡眠時(shí)段交錯組成，其中前者是固定長(cháng)度，后者則是可變動(dòng)長(cháng)度且長(cháng)度會(huì )逐次兩倍遞增。省電類(lèi)別啟用后，基站必須定時(shí)廣播流量信息(Traffic Indication)，讓客戶(hù)端確認基站的傳輸服務(wù)維持正常。若基站欲下傳封包時(shí)，會(huì )先確認兩端鏈接正常后才開(kāi)始傳送，故較能避免封包傳輸出錯。另外，客戶(hù)端在使用聯(lián)機收送封包的同時(shí)，會(huì )直接停用對應的省電類(lèi)別;而基站在收到某聯(lián)機的頻寬需求信息后，也會(huì )主動(dòng)停用省電類(lèi)別，因此可減少客戶(hù)端發(fā)送的控制信息數目。

只有類(lèi)型I才提供設定的參數有：睡眠時(shí)段的起始長(cháng)度與最大長(cháng)度、省電類(lèi)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(lèi)型I即能適用各種類(lèi)型的聯(lián)機，但其維護成本與計算復雜度卻也相對較高。目前非實(shí)時(shí)性的聯(lián)機類(lèi)型(如nrtPS/BE等)，較建議使用類(lèi)型 I。

類(lèi)型II：

類(lèi)型II為類(lèi)型I之特例，不同的是睡眠時(shí)段為固定長(cháng)度。另外，封包被限定在聆聽(tīng)時(shí)段收送，但不會(huì )因此而停用省電類(lèi)別;不需理會(huì )流量信息，但省電類(lèi)別的啟用與停用只能透過(guò)控制信息傳達給基站。每隔固定時(shí)間即有封包傳輸需求的聯(lián)機類(lèi)型(如UGS/rtPS等)，即可考慮使用類(lèi)型II。

類(lèi)型III：

類(lèi)型III僅會(huì )有一個(gè)睡眠時(shí)段。在此睡眠時(shí)段到期后，省電類(lèi)別便會(huì )自動(dòng)停用;但若想再次啟用省電類(lèi)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)機便適合歸類(lèi)在類(lèi)型III。

閑置模式

睡眠模式大致上已解決了用戶(hù)裝置的耗電問(wèn)題，但當客戶(hù)端在大范圍區域移動(dòng)，因換手次數增加而產(chǎn)生大量耗電的狀況亦隨之而來(lái)，此時(shí)睡眠模式便不適用。其原因在于換手后尚須執行網(wǎng)絡(luò )重登入(Network Re-entry)，并回復或重建聯(lián)機，完成這些步驟既耗時(shí)又耗電。在閑置模式下，假使客戶(hù)端并沒(méi)有封包需要收送，則客戶(hù)端即便已跨越基站也只需告知后端網(wǎng)絡(luò )其大略位置，并不用去執行網(wǎng)絡(luò )重登入。因此具高移動(dòng)性的客戶(hù)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(dòng)管理

欲實(shí)現閑置模式，WiMAX導入網(wǎng)絡(luò )分層管理機制。分層即是把WiMAX網(wǎng)絡(luò )范圍劃分成管理區域，并將區域內的基站集合起來(lái)成一群組，稱(chēng)為傳呼群(Paging Group)，如圖2所示。因為各傳呼群可能會(huì )有部份區域重迭，一個(gè)基站可能同時(shí)是數個(gè)傳呼群的成員。一個(gè)傳呼群會(huì )有傳呼主控臺(Paging Controller)擔任客戶(hù)端位置信息的維護工作，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 )另一主機專(zhuān)任。

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

(1) 遠程傳呼

在傳呼群架構下，后端網(wǎng)絡(luò )只知道客戶(hù)端所在的傳呼群，卻不知客戶(hù)端現在是連到哪一個(gè)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(hù)端的位置。傳呼的動(dòng)作是由傳呼主控臺發(fā)起，在固定的時(shí)間里透過(guò)所屬的基站廣播傳呼信息(Paging Advertisement)，客戶(hù)端收到后必須依信息內容執行對應的動(dòng)作。

(2) 位置更新

在閑置模式下，客戶(hù)端只能透過(guò)位置更新程序與傳呼主控臺溝通。若客戶(hù)端從基站取得的傳呼群識別碼(PG Identifier)已發(fā)生改變，應執行位置更新，把將客戶(hù)端的位置信息轉送到后端網(wǎng)絡(luò )。其次，由于客戶(hù)端原始聯(lián)機數據被暫置在傳呼主控臺內保存，在保存效期結束前，客戶(hù)端可透過(guò)位置更新來(lái)表達延長(cháng)維護效期的意愿。另外，客戶(hù)端若確定裝置要關(guān)機，應執行位置更新，讓傳呼主控臺提前清除聯(lián)機數據。最后，若傳呼主控臺太久未傳呼某客戶(hù)端，則客戶(hù)端必須執行位置更新來(lái)確認自身的存在性。

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

使用傳呼群架構，就會(huì )有遠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域時(shí)，應該要衡量客戶(hù)端的省電效益與此使用成本。理論上客戶(hù)端只要在一個(gè)傳呼群區域內移動(dòng)，就不需要更新位置信息。雖然較大的傳呼群區域可減少位置更新的執行次數，但若后端網(wǎng)絡(luò )要求執行傳呼來(lái)追查客戶(hù)端，其產(chǎn)生大量的廣播信息會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )負載，也浪費頻寬資源。反之若傳呼群區域設定太小，則位置更新勢必經(jīng)常發(fā)生而讓客戶(hù)端的電量持續消耗。

閑置模式使用

客戶(hù)端或后端網(wǎng)絡(luò )均可透過(guò)注冊撤銷(xiāo)程序(Deregistration)來(lái)啟動(dòng)閑置模式�；�站將釋放目前使用的聯(lián)機數據，不再提供服務(wù)給此客戶(hù)端。在啟動(dòng)同時(shí)，客戶(hù)端會(huì )告知原始聯(lián)機數據是否要暫存于傳呼主控臺內，以及聯(lián)機數據的保存效期。只要客戶(hù)端在保存效期結束前完成了網(wǎng)絡(luò )重登入程序，則原先建立的聯(lián)機即可被復原。

在閑置模式下，大部分時(shí)間皆屬不可用時(shí)段�？蛻�(hù)端可隨時(shí)關(guān)掉裝置電源，但仍須偶爾醒來(lái)掃描周?chē)�的基站�？蛻?hù)端會(huì )以當時(shí)通信狀況最佳者作為偏好基站(Preferred BS)，負責客戶(hù)端與后端網(wǎng)絡(luò )之間的訊息轉送工作。若當時(shí)選用偏好基站屬于另一個(gè)傳呼群，則客戶(hù)端必須要接著(zhù)執行位置更新。

客戶(hù)端可從傳呼信息里得到偏好基站的定期傳呼時(shí)段(BS Paging Interval)，只要到了預定的傳呼時(shí)段，客戶(hù)端即應醒來(lái)聆聽(tīng)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(hù)端回報最新位置信息，此時(shí)客戶(hù)端將被指示執行位置更新;若后端網(wǎng)絡(luò )已有封包欲下傳至客戶(hù)端，則客戶(hù)端將被指示執行網(wǎng)絡(luò )重登入。對客戶(hù)端而言，若有封包需要收送或是原始聯(lián)機數據效期已過(guò)，則客戶(hù)端在任何時(shí)刻只要執行了網(wǎng)絡(luò )重登入，便算是要離開(kāi)閑置模式。圖3為閑置模式的使用案例：客戶(hù)端進(jìn)入閑置模式后，前后共選用了3個(gè)偏好基站，且執行了一次位置更新;在最后一個(gè)傳呼時(shí)段里，客戶(hù)端收到網(wǎng)絡(luò )重登入指示后便結束了閑置模式操作。

結語(yǔ)

當前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準因應移動(dòng)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：睡眠模式多數由客戶(hù)端發(fā)起，并決定各時(shí)段長(cháng)度及啟用時(shí)機。在睡眠模式時(shí)，除了需隨時(shí)維護聯(lián)機的封包傳輸正常外，該執行的定期測距與換手程序都不能省略。雖然睡眠模式實(shí)際可省電的時(shí)間較為片段，但卻能適時(shí)調整以兼顧各聯(lián)機的傳輸服務(wù)質(zhì)量。而閑置模式雖可由客戶(hù)端發(fā)起，但實(shí)際多由后端網(wǎng)絡(luò )主導。在閑置模式下，兩端不再維護聯(lián)機，原始聯(lián)機數據則由傳呼群暫時(shí)保管，客戶(hù)端平時(shí)僅更新位置信息。但若有封包必須傳送時(shí)，一定得執行網(wǎng)絡(luò )重登入，且若原先聯(lián)機數據已被清除，則聯(lián)機還必須重新建立，因此數據傳遞延遲時(shí)間勢必拉長(cháng)，傳輸服務(wù)質(zhì)量恐不易達成。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 )架構正由WiMAX ForumTM規劃制定中[3]。雖然IEEE 802.16e-2005標準已有制定睡眠模式與閑置模式的操作程序，但使用上應該要有一套對應的算法來(lái)評估推算兩者使用的時(shí)機與封包的排程，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。