摘要
為解決終端用戶裝置在移動環境下的耗電問題,行動式寬頻無線Mobile WiMAX的電源管理技術提供了省電模式的操作。針對不同移動特性的用戶裝置,省電模式分別有睡眠模式(Sleep Mode)與閒置模式(Idle Mode)可以選用。原則上,低移動性的裝置將使用睡眠模式,而高移動性的裝置則改用閒置模式。
前言
無線通訊系統由固接式進展到移動式,首當其衝的便是耗電問題。首先,由於用戶裝置大多使用電池來維持運作,在移動的同時又進行傳輸資料工作,勢必快速消耗電池電量。透過空氣介面鏈結的用戶端(MS)與基地台(BS)兩端裝置,電源必須保持在開啟狀態以維持通訊正常,因此即便在沒有傳輸資料時,用戶裝置仍持續消耗電量。另一方面,用戶端為維持在大區域移動時的訊號品質或是需求較高的傳輸服務品質(QoS),必須發起換手(Handover)。通常執行換手會伴隨著大量的控制訊息傳送與等待時間,不但耗電也降低頻寬利用率。
目前無線通訊系統所制定省電模式,通常利用資料傳輸管理機制,讓用戶端與基地台的通訊暫時中斷,或是簡化換手程序與頻率,以減緩裝置電量損耗。基於IEEE 802.16e-2005[1][2]標準的Mobile WiMAX,也制定了睡眠模式與閒置模式兩種的省電模式操作。由於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明,並探討其差異。
睡眠模式
睡眠模式目的在於節省用戶端電量,並降低基地台頻寬資源的使用。用戶端在執行初始網路登入程序(Network Entry)之後,即開始使用伺服基地台(Serving BS)提供的傳輸服務。由於用戶端與基地台並非隨時都有封包在收送,因此兩端可以事先預測並協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結在不可用時段裡進入無作用狀態,此時的用戶端可暫時關掉裝置電源或掃描周圍的基地台以提前取得連結數據。
因為WiMAX的傳輸鏈結屬於連線導向(Connection-oriented),封包必須分配到已建立好的連線(Connection)後才予以收送。在正常操作下,用戶端與基地台可隨時使用各連線來收送封包;一旦開啟睡眠模式,就會限制連線的使用,尤其在不可用時段裡更將停用所有連線。由此可知,在睡眠模式下連線並非被移除,而只是暫時無法使用,其目的是讓用戶端離開睡眠模式後即能直接收送封包,並不需重新建立連線。
為適應睡眠模式的傳輸特性,用戶端必須調整封包傳輸的排程。為使睡眠模式的使用不影響連線的傳輸服務品質,封包的排程計算必須以各連線的QoS參數為下限值。若要推算不可用時段,則還需把當時系統資源及頻寬資源使用情形列為評量標準。
由於各連線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)可讓連線的管理較有系統。省電類別即是一群具有共通或相近傳輸特性的連線。被歸屬在同一省電類別的連線,其傳輸行為就必須遵從當時所設置的屬性,因此用戶端只要調整省電類別的屬性值即可套用到各連線。目前這些屬性包含何時啟用睡眠模式,何時允許封包傳輸,何時進入低耗電狀態,何時須離開睡眠模式等。
開啟睡眠模式就是啟用省電類別。省電類別啟用後,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)。每當一個睡眠時段結束後,跟著便進入一個聆聽時段,兩者將不斷重複交錯直至省電類別被停用為止。在睡眠時段,省電類別所屬的各連線上不准有封包存在;唯有當省電類別回到聆聽時段或被停用之後,始可把封包送到連線上去傳送。
一旦省電類別被建立,並得到基地台的允准後,即可反覆地啟用停用,亦或變更屬性後再啟用。若一個省電類別即已涵括當時所有連線時,則其睡眠時段即是該用戶端的不可用時段;但若連線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,才是該用戶端的不可用時段。
省電類別共分為三種類型,如圖一所示。其不同點包括啟用停用的程序、允許封包傳輸的時段、及可設置的參數項目等。以下分別說明各類型的特性與適用的連線類型。
(1) 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,後者則是可變動長度且長度會逐次兩倍遞增。省電類別啟用後,基地台必須定時廣播流量訊息(Traffic Indication),讓用戶端確認基地台的傳輸服務維持正常。若基地台欲下傳封包時,會先確認兩端鏈結正常後才開始傳送,故較能避免封包傳輸出錯。另外,用戶端在使用連線收送封包的同時,會直接停用對應的省電類別;而基地台在收到某連線的頻寬需求訊息後,也會主動停用省電類別,因此可減少用戶端發送的控制訊息數目。
只有類型I才提供設定的參數有: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、是否接收處理流量訊息等。雖然使用類型I即能適用各種類型的連線,但其維護成本與計算複雜度卻也相對較高。目前非即時性的連線類型(如nrtPS/BE等),較建議使用類型 I。
(2) 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;不需理會流量訊息,但省電類別的啟用與停用只能透過控制訊息傳達給基地台。每隔固定時間即有封包傳輸需求的連線類型(如UGS/rtPS等),即可考慮使用類型II。
(3) 類型III:
類型III僅會有一個睡眠時段。在此睡眠時段到期後,省電類別便會自動停用;但若想再次啟用省電類別,仍須發送控制訊息通知基地台。目前如定期測距(Periodic Ranging)等需多次訊息交換的程序,或是群播服務的封包下傳等,其使用的連線便適合歸類在類型III。
閒置模式
睡眠模式大致上已解決了用戶裝置的耗電問題,但當用戶端在大範圍區域移動,因換手次數增加而產生大量耗電的狀況亦隨之而來,此時睡眠模式便不適用。其原因在於換手後尚須執行網路重登入(Network Re-entry),並回復或重建連線,完成這些步驟既耗時又耗電。在閒置模式下,假使用戶端並沒有封包需要收送,則用戶端即便已跨越基地台也只需告知後端網路其大略位置,並不用去執行網路重登入。因此具高移動性的用戶端若採用閒置模式,將取得比睡眠模式更好的省電效益。
WiMAX行動管理
欲實現閒置模式,WiMAX導入網路分層管理機制。分層即是把WiMAX網路範圍劃分成管理區域,並將區域內的基地台集合起來成一群組,稱為傳呼群(Paging Group),如圖二所示。因為各傳呼群可能會有部份區域重疊,一個基地台可能同時是數個傳呼群的成員。一個傳呼群會有傳呼主控台(Paging Controller)擔任用戶端位置資訊的維護工作,此角色可直接由傳呼群裡的某一基地台兼任,或由後端網路另一主機專任。
除了傳呼群架構,在行動管理方面另有遠端傳呼(Paging)與位置更新(Location Update)的支援,其功能與運作分述如下:
(1) 遠端傳呼
在傳呼群架構下,後端網路只知道用戶端所在的傳呼群,卻不知用戶端現在是連到哪一個基地台。為此,閒置模式提供傳呼讓後端網路可以追查用戶端的位置。傳呼的動作是由傳呼主控台發起,在固定的時間裡透過所屬的基地台廣播傳呼訊息(Paging Advertisement),用戶端收到後必須依訊息內容執行對應的動作。
(2) 位置更新
在閒置模式下,用戶端只能透過位置更新程序與傳呼主控台溝通。若用戶端從基地台取得的傳呼群識別碼(PG Identifier)已發生改變,應執行位置更新,把將用戶端的位置資訊轉送到後端網路。其次,由於用戶端原始連線資料被暫置在傳呼主控台內保存,在保存效期結束前,用戶端可透過位置更新來表達延長維護效期的意願。另外,用戶端若確定裝置要關機,應執行位置更新,讓傳呼主控台提前清除連線資料。最後,若傳呼主控台太久未傳呼某用戶端,則用戶端必須執行位置更新來確認自身的存在性。
位置更新的程序分成有擔保(Secure)與無擔保(Unsecure)兩類,差別只在初始測距(Initial Ranging)訊息是否受到安全保護。若基地台能夠從認證端(Authenticator)取得有效的金鑰資料,並以之驗證訊息內容無誤後,則完成初始測距後便可返回閒置模式。但若金鑰資料已失效或是驗證訊息失敗,則基地台會要求用戶端執行網路重登入,迫使用戶端提前離開閒置模式。
使用傳呼群架構,就會有遠端傳呼與位置更新的使用成本。後端網路在決定傳呼群的涵蓋區域時,應該要衡量用戶端的省電效益與此使用成本。理論上用戶端只要在一個傳呼群區域內移動,就不需要更新位置資訊。雖然較大的傳呼群區域可減少位置更新的執行次數,但若後端網路要求執行傳呼來追查用戶端,其產生大量的廣播訊息會增加網路負載,也浪費頻寬資源。反之若傳呼群區域設定太小,則位置更新勢必經常發生而讓用戶端的電量持續消耗。
閒置模式使用
用戶端或後端網路均可透過註冊撤銷程序(Deregistration)來啟動閒置模式。基地台將釋放目前使用的連線資料,不再提供服務給此用戶端。在啟動同時,用戶端會告知原始連線資料是否要暫存於傳呼主控台內,以及連線資料的保存效期。只要用戶端在保存效期結束前完成了網路重登入程序,則原先建立的連線即可被復原。
在閒置模式下,大部分時間皆屬不可用時段。用戶端可隨時關掉裝置電源,但仍須偶爾醒來掃描周圍的基地台。用戶端會以當時通訊狀況最佳者作為偏好基地台(Preferred BS),負責用戶端與後端網路之間的訊息轉送工作。若當時選用偏好基地台屬於另一個傳呼群,則用戶端必須要接著執行位置更新。
用戶端可從傳呼訊息裡得到偏好基地台的定期傳呼時段(BS Paging Interval),只要到了預定的傳呼時段,用戶端即應醒來聆聽傳呼訊息。目前基地台需要廣播傳呼訊息的原因,可能是傳呼主控台要求用戶端回報最新位置資訊,此時用戶端將被指示執行位置更新;若後端網路已有封包欲下傳至用戶端,則用戶端將被指示執行網路重登入。對用戶端而言,若有封包需要收送或是原始連線資料效期已過,則用戶端在任何時刻只要執行了網路重登入,便算是要離開閒置模式。圖三為閒置模式的使用案例:用戶端進入閒置模式後,前後共選用了三個偏好基地台,且執行了一次位置更新;在最後一個傳呼時段裡,用戶端收到網路重登入指示後便結束了閒置模式操作。
結語
當前無線網路標準因應移動性需求,多有制定省電模式,而WiMAX省電模式更有睡眠模式與閒置模式可供選擇。兩者存在的差異如下:睡眠模式多數由用戶端發起,並決定各時段長度及啟用時機。在睡眠模式時,除了需隨時維護連線的封包傳輸正常外,該執行的定期測距與換手程序都不能省略。雖然睡眠模式實際可省電的時間較為片段,但卻能適時調整以兼顧各連線的傳輸服務品質。而閒置模式雖可由用戶端發起,但實際多由後端網路主導。在閒置模式下,兩端不再維護連線,原始連線資料則由傳呼群暫時保管,用戶端平時僅更新位置資訊。但若有封包必須傳送時,一定得執行網路重登入,且若原先連線資料已被清除,則連線還必須重新建立,因此資料傳遞延遲時間勢必拉長,傳輸服務品質恐不易達成。另外,閒置模式在使用上需要後端網路支援,其網路架構正由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閒置模式的操作程序,但使用上應該要有一套對應的演算法來評估推算兩者使用的時機與封包的排程,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。
參考文獻
[1] Wireless MAN Working Group <
http://www.wirelessman.org>.
[2] IEEE Std. 802.16e-2005, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks — Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2, Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, and Corrigendum 1,” Feb 2006.
[3] Mobile WiMAX, “WiMAX ForumTM Network Architecture — NWG Stage 2: Architecture Tenets, Reference Model and Reference Points,” Jan 2007.
作者簡介
顏鴻傑
系統晶片科技中心/無線寬頻技術組/軟體設計部 副工程師,於2003年取得元智大學資訊工程所碩士學位。2005年起服務於資通所與系統晶片科技中心。專長為網路通訊協定設計。
E-mail:
kennyyen@itri.org.tw