802.11a/g相对于802.11b的低功耗优势

2004年4月A版

引言

　　802.11无线局域网 (WLAN)技术正在全球范围内的企业与家庭中得到应用。随着 Wi-Fi 的实施不断发展，基于其上运行的新型应用数量也不断上升。起初，人们认为 Wi-Fi 只是家庭与商业网络中以太网以及工业移动计算的简单替代，但过去一年以来已显现了新的趋势。由于实现了成本节约及更多的功能，因此对以前未与WLAN连接的范围广阔的各种设备而言，WLAN都成了富有吸引力的解决方案。上述的设备与新型应用包括：

　　功耗与电池寿命对大多数具备 Wi-Fi功能的新型设备来说都是至关重要的，特别对移动电话及PDA而言更是如此。大多数Wi-Fi应用90% 至95%的时间内一般都处于待机状态，而不是处于进行数据传输或接收的工作状态。显然，待机状态低功耗是延长电池寿命的一种必需。为了解决这一问题，TI开发了增强型低功耗(ELP)技术，实现了同类型中最佳的待机功耗。

本文将讨论以下问题：

　　对于延长具备Wi-Fi功能的便携式设备的电池寿命来说，哪种Wi-Fi(802.11)物理层(PHY)技术最适合？

PHY 选择为：

　　从理论上说，较简单、吞吐量较小的 802.11b 调制方案似乎能够实现更低的电池功耗。举例来说，如果我们考虑传输或接收一个字节数据所消耗的功率，那么会发现，802.11b 设备就相同数量的数据而言，比802.11a/g 设备少消耗约 30% 的功率。但是，分析时如果仅考虑设备传输或接收数据时每比特位或每字节的功耗，那么所得结果可能会具有相当的迷惑性。

　　举例而言，尽管 802.11b 设备可能在执行单一传输或接收操作时比 802.11a/g 设备少消耗30% 的功率，但该 802.11b 设备传输或接收相同数据量时工作时间必须比802.11a/g 设备长三至四倍。因此，如果我们就实际使用情况进行分析，那么就会发现，平均而言，802.11b 移动设备在典型工作过程中比 802.11a/g 设备反而多消耗约二至三倍的功率，因此其会缩短电池寿命。

　　本文将提供分析以及例证以支持上述结论。VoIP应用是实例之一，其比简单的网络浏览或其他几种应用所消耗的电池电量更多。

802.11分组结构

　　激活状态下的工作时间对于移动设备的功耗而言意义重大，我们讨论分组结构就能够说明为什么在此方面各种 802.11调制方案彼此不同。

　　在 802.11分组组装期间，来自IP层的有效负载数据(即正被传输的数据)与 MAC(媒体访问控制器)数据以及作为校验的四字节数据片断(也称作 CRC 或 FCS)被封装在一起。所有上述数据都组合入 MPDU(MAC 分组数据单位)。当传输分组时，PHY层附加同步化报头。完整的 802.11 分组如图1所示。

　　研究显示，网络流量以较短的猝发数据为主。图2显示了 IEEE 所进行的研究，其也证明了这一点。

　　该研究显示，54% 的 IP 流量都由长度不足 127 字节的数据包组成。68% 的网络流量都由长度不足 256 字节的数据包组成。基于上述研究结果，我们可以下结论说，分析较短数据包对功耗的影响能够对实际情况下 WLAN 应用的功耗多少给出准确的指示。

　　VoIP 应用为典型 802.11 网络中所遇到的数据包大小给出了良好的例子。以20msec的编码语音为例。根据语音编解码器类型的不同，数据包中语音数据有效负载的大小也不同，如表1所示。

　　以上显示的有效负载随后组装在 IP 数据包中。我们可首先附加在 IP 网络内支持 QoS 的 RSVP 协议报头。随后再附加 UDP 报头。最后，根据 IPv4 或 IPv6 协议的命令，分组得以完成。整个 IP 分组总的开销因此为：

　　除了 IP 开销之外，还必须添加 802.11 MAC 开销以形成 MPDU。在这种情况下，已将最新的802.11e WME MAC 报头和 FCS 添加至分组，这就又使其长度加长了 32 字节。

　　最后，802.11 PHY 报头必须连接至 MPDU。PHY 报头的长度根据 802.11 调制方法的不同而差异很大。几种 802.11 调制方案固定的报头长度如下所示：

　　上述数据反映出，802.11b 要求附加于每个分组的报头长度比 802.11a/g 分组要长 5 至 10 倍。

开销总结

　　特别当 802.11 分组较短时，开销将占据 802.11 流量的大部分。如果采用标准的 IPv4 协议，则约 45% 的 WLAN 流量可归为 802.11 MAC 封装开销。此外，802.11b 带有的开销报头，最低也比 802.11a/g 报头长 5 倍。

　　以下部分将说明较低的数据速率与较长的报头将导致 802.11b WLAN 比 802.11a/g 网络的功耗高很多。

　　根据调制方案划分的 802.11 分组时间长度

　　下面的例子显示了 802.11b 和 802.11g 调制方案二者传输或接收时间的明显不同。我们在下面的分析中将采用 20 msec 的 G.729 VoIP 语音分组，分析假定已经采用了较短的96msec PHY 报头。

　　基于上述假定，图4显示了 802.11a/g与802.11b相比，在传输或接收VoIP分组方面的时间优势。

　　上述情况不仅适用于带有短数据包的流量，而且也适用于所有 TCP/IP 数据流量。

　　分析显示，802.11b 分组可能比 802.11a/g 分组长达五倍，而且大多数典型的 802.11b 分组都至少比 802.11a/g 分组长三至四倍。

比较 802.11b 与 802.11a/g 的功耗

　　在实际的 Wi-Fi 网络中，我们必须考虑到几种特性，其中包括用户设备离接入点越远时调制速率也会降低等。此外，802.11a/g和802.11b功耗之间的差别在用户满意程度方面也是一个至关重要的因素。

　　图5显示了用户离接入点的不同距离，调制速率变化以及传输每比特位所需的功耗。我们假定为典型的办公室环境传输模型，损失比例为R^3.3，而不是假定损失比例为 R^2 的理想传输模型。我们在分析中也包括了调制复杂性与峰值至平均速率的变化等。

　　图5所采用的数据显示，由于 802.11a／g 的功效低于802.11b，因此也就使传输每比特位的功率至少节约了 2.5 倍 (2.5x)，优势是相当明显的。我们在得到上述功效优势时还采用的是最差情况，所用的 802.11a／g 分组比在一般情况下要长。在带有较短802.11a/g分组的典型 WLAN 中，802.11a／g 与 802.11b 相比，其功耗拥有低至3倍(3x)以上的优势。

结语

　　尽管和人们直觉感觉不同，但事实仍然是802.11a/g调制的功效比802.11b高出二至三倍。这使得我们在应用WLAN时，移动设备的电池寿命能够获得显著改善。

　　尽管 802.11b 在某个时间瞬间所耗的功率可能较少，但在 802.11b 网络上传输/接收有意义的应用数据量的时间却可能比 802.11a/g WLAN 长出五倍。支持更长的传输/接收时间所需的功率使 802.11b 的功效大大低于 802.11a/g。

　　为了充分利用 802.11a/g 的功效，芯片组必须对电池操作进行优化。电池组应做到：

　　TI的TNETW1130及TNETW1230 MAC控制器/基带处理器以及Auto-Band系列射频前端(RFFE)包括所有上面列出的要求。■