节省物联网和WLAN系统的功率

开发无线局域网(WLAN)是为了将移动设备(如笔记本电脑)无线连接到网络。为了有效地使用这种移动设备,节电管理被确立为早期规范中的重要特征。甚至在IEEE 802.11-1999规范中也提到过,其通信速率仅高达2Mbps。便携式电池,包括干电池和纽扣电池,但不包括大型可充电笔记本电池,直到最近才实际使用。这就是为什么电池供电受到关注的系统中的省电管理尚未完全成熟的原因,工程师在实施过程中仍面临各种障碍。

在为无线LAN设备实施省电时,工程师面临的问题可分为:

•无线通信的基本限制
•无线安全和省电的冲突

基本限制
对于无线通信来说,省电管理更难以执行,因为与有线连接相比,通过无线电波的数据传输效率较差。通过电线传输的信号与距离和损耗因子(电阻)成比例地减小,相对于无线电信号强度,其在自由空间上减小距离的平方。当电信号通过天线(发送侧)转换为无线电波时,也会发生信号丢失,反之亦然(接收机侧)。因此,为了补偿这些损耗,发射器必须以一定的输出功率工作,接收器必须以一定的灵敏度和增益工作,以接收可能较弱的信号。因此,功率成为无线通信中的关键因素。   

在无线通信中,除非实现某种同步,否则接收器通常保持活动状态,等待接收信号。(这类似于等待收音机或电视节目在您不确定它播出的时间时启动。)您可能在24小时内没有收到任何信号,但是传输可能会在第二次关闭时关闭系统。相反,有线LAN系统可以在空闲时监控信号电平。一旦看到信号电平发生变化,接收器就可以激活; 它不必持续活跃。

通常在无线通信中,发射器具有更大的功耗。然而,接收器侧需要更长的操作周期,因为它必须不断地收听信号; 因此,接收器成为无线系统中功耗的主导因素。

话虽如此,接收器电路应该有效地运行以节省电力; 在良好的省电算法中,发送器和接收器之间应该存在一些同步。

什么是省电模式?
如前所述,IEEE 802.11 WLAN规范中早期包含了节电功能。它被称为“IEEE省电模式”或“Wi-Fi PSM”,以区别于称为“省电模式”或PSM的新省电功能。

PSM用于同步接入点(AP)和站(STA)之间的下游分组传输。在正常操作模式中,AP可以在任何时间发送分组,因此STA必须保持接收器运行以监听分组。然而,在PSM中,AP存储分组并且包括关于信标中的STA的一些信息,其被称为业务指示图(TIM)。这些数据包定期传输。STA以这些定期间隔唤醒接收器以接收信标,并且如果找到该站的TIM,则它请求AP发送适当的分组。

PSM未应用于上游(STA> AP),因为假设AP将始终连接到AC电源。


图1:省电模式在信标接收时启动接收器。接收器与信标传输的定时保持活动同步。该图示出了AP信标间隔= 1并且STA2的监听间隔= 1的情况。

AP信标间隔通常设置为100毫秒,但可以针对各种产品和应用进行更改。STA接收TIM的时间可以设置为信标的倍数 - 这称为“监听间隔”。例如,如果监听间隔为5且信标间隔为200毫秒,则STA仅需要每五次和每秒接收一个信标。另一方面,AP需要累积数据包长达1秒。当STA连接到AP时,监听间隔值包括在连接请求(关联请求)帧中,但是如果指定的监听间隔太长,则AP可以基于分组存储容量拒绝连接请求。



图2:广播/多播接收时序与TIM无关。该图显示了DTIM间隔= 3的情况。监听STA1的间隔=“1”并且STA2的监听间隔=“2”.STA2没有有效地接收分组,因为其监听间隔并不总是与DTIM count = 0匹配。

多播/广播帧一次分发给所有客户端设备。因此,在AP上设置多播/广播帧的分发间隔,并且无论监听间隔值如何,客户端设备将以该间隔一起唤醒。

该间隔称为传送流量指示消息(DTIM)。DTIM信息以及TIM包含在信标中,然后分发。它由两个元素组成:DTIM间隔和DTIM计数,它是直到下一个DTIM分布的倒计时值。
省电模式的影响和问题
PSM是一项简单的功能,对系统的功耗有显着影响。例如,在SX-SDMAN(带有Qualcomm Atheros AR6233芯片的Silex SDIO WLAN模块)中,空闲状态下的功耗在主动模式(AM)下约为3000 mW,而在PSM中则为5 mW。PSM的影响在很大程度上取决于所使用的无线电芯片,这在Wi-Fi模块中有所不同。AR6233是为低功耗的移动设备应用而开发的。待机状态下的低功耗和接通和断开接收器电路的快速速度有助于其高性能。

由于AP和STA之间的PSM同步,延迟可能增加并且吞吐量降低。为了避免这个问题,无线电芯片可以具有在检测到连续传输操作时从PSM切换到AM的特征,然后在检测到特定的空闲状态时段时返回到PSM。通过检测网络负载,无线电芯片可以在两种模式之间自动切换,以实现低功耗和高吞吐量。

如果即使以吞吐量为代价优先考虑功耗,也可以配置设置,使得无线芯片不会自动切换到AM。但是,标准Linux开源驱动程序不支持此类详细设置。可以通过重建驱动程序代码来更改设置,但这需要一些无线网络行为,驱动程序结构和芯片操作规范的高级知识。

PSM的另一个问题是当信标和监听间隔从默认值(信标间隔= 100毫秒,监听间隔= 1)改变以微调功耗时,可能出现兼容性问题。更改这些值时需要小心处理。必须考虑如何实现PSM以及是否可以改变监听间隔,使用什么信标间隔,接收长监听间隔时的AP行为,等等。

例如,一旦监听间隔变得高于1,一个AP就可以拒绝连接; 然而,当累积一定量的分组时,另一个AP即使监听间隔很长也可以接受连接但是可以在不等待TIM间隔的情况下丢弃它。
 
这种行为对于“工业”或“商业用途”产品是稳定的,但对于消费产品来说有些不可预测。尽管消费者AP中的实现比十年前要好得多,但仍然有太多模型,并且在某些情况下,芯片组因同一型号的各种版本而不同,使得实现方式有些棘手。

自动节电交付(APSD)
在PSM中,当包括在信标中的TIM发送分组时,通知接收器。然后它发出省电轮询(PS-POLL)以开始数据传输。当以不规则的间隔接收少量数据时,这非常有效并且有效。但是,通常在多媒体应用中,数据是周期性传输的,因此浪费了为每个数据包发送PS-POLL以启动和接收传输的能力。

为了解决这个问题,IEEE 802.11标准(802.11e)中增加了自动省电模式(APSD)模式。APSD最初是Wi-Fi多媒体(WMM)的一部分。但随后Wi-Fi联盟扩大了对无线网络的多媒体支持,现在它被称为“WMM省电”.APSD有两种类型:非预定APSD(U-APSD),用于双向通信,如IP电话和预定的APSD(S-APSD),用于视频流等单向通信。

U-APSD
U-APSD与PSM非常相似,它通过向AP发送称为“触发帧”的数据包来提示数据传输到接收器。与PSM不同,它并不总是需要查看TIM,这意味着无论信标间隔值如何,STA都可以随时请求数据传输。IP电话是一种示例应用,其中无线电芯片可以通过发送与传输定时匹配的触发帧来有效地循环通过“睡眠”,“发送”和“接收”模式,因为STA需要定期发送数据。演讲者。


图3:来自STA的U-APSD请求数据异步:通过从STA发送触发帧来请求分组传送到AP。通常,期望在STA向AP发送数据时发送触发帧。
    
S-APSD
S-APSD是一种更复杂的机制,与IEEE 802.11e服务质量(QoS)设置密切相关。在IEEE 802.11e中,通信数据由称为“流”的单元区分。在S-APSD中,数据传输间隔设置被请求到特定的“流”。一旦AP接收到请求,它将处理传送属于该流的数据与指定的间隔同步。该机制允许站始终在该间隔中接收一定量的数据而不发送触发帧和PS-POLL。


图4:S-APSD定期从AP发送数据。STA通过建立新的TS来请求向AP的周期性分组传送。与U-APSD相比,AP自动传送数据包。

待机和无线唤醒(WoW)
电力消耗仅是系统中省电功能的一部分。为了开发长时间有效使用电池的无线设备,需要睡眠/唤醒功能。主机CPU可以与无线电传输同步,以便仅在需要时使用。发送器端的定时实现更容易,而接收器端的定时实现则不那么简单。一种方法是以监听间隔唤醒主机CPU(在PSM中)。但是,在完全接收或传送数据之前保持主机CPU休眠比经常重复睡眠/唤醒过程更有效,以确定是否已经接收到所传送的数据。

局域网唤醒(WoL)技术用于有线系统的省电。使用此技术,LAN控制器在主机系统休眠时保持活动状态。当LAN控制器检测到数据包(称为“魔术数据包”)时,它会生成中断信号以唤醒系统。

类似地,对于无线系统,WoW是在主机系统休眠时无线LAN保持活动以接收信标分组,检测TIM和发送PS-POLL的功能。一旦检测到魔术包,系统就会唤醒。


图5:LAN唤醒在请求时启动CPU和系统。当LAN控制器收到Magic Packet时,它启动系统。LAN控制器通过发送中断来通知CPU。

与有线设备不同,在无线系统中,数据包通常是加密的。接收数据包可能并不简单。加密密钥通常由主处理器(安全请求者)上的程序管理,而不是由无线电芯片本身管理。 
无线局域网安全的进展
有线等效保密(WEP)作为原始802.11标准的一部分引入,以提供与传统有线网络相当的机密数据。凭借简单的操作原理,WEP易于实施。它与不同型号的产品高度兼容,并在Wi-Fi网络的发展中发挥了重要作用。然而,这种方法存在许多缺陷。由于其简单性,WEP易于解密。WEP的问题在于它使用相同的密钥进行数据加密。由于网络中的所有站点都使用相同的密钥,因此会对网络的安全构成严重威胁。WEP加密可以在几分钟内从任何商用PC解密。
  

图6:WEP在整个网络中共享一个共同的单一密钥。如果窃听者可以从数据包中推断出密钥,那么所有会话都会受到损害。

为了增强安全性并加强先前加密方法(WEP和Wi-Fi保护接入[WPA])的弱点,IEEE推出了802.11i标准。WPA(IEEE 802.11i草案)和WPA2(IEEE 802.1i标准)的两个标准或多或少相同并且使用相同的原理。在下文中,在本文中可互换地使用“WPA”,其具体表示“WPA或WPA2 = IEEE 802.11i”。

802.11i是无线局域网的标准,为使用流行的802.11a,802.11b(包括Wi-Fi)和802.11g标准的网络提供改进的加密。

802.11i标准需要新的加密密钥协议,称为临时密钥完整性协议(TKIP)和高级加密标准(AES)。

在WPA中,每个站使用不同的加密密钥; 这些被称为成对密钥(PTK:成对临时密钥)。成对密钥(每次站连接到AP时生成的伪随机数)不容易被解密以通过密码分析来确定秘密密钥(PMK:成对主密钥)。即使有人能够解密它,威胁也仅限于该特定站,因为网络上的每个节点都有自己唯一的密钥。

对于分发给所有站的广播/多播分组,使用称为组密钥(GTK:组临时密钥)的公共密钥信息。组密钥是AP侧生成的随机数,根据AP设置定期更新。


图7:WPA为每个STA使用不同的密钥。所有密钥都基于单个相同密钥,但数据使用每个STA和每个会话(a)生成的密钥进行加密。提供组密钥用于同时向多个STA发送数据(b)。


无线安全和节能中的冲突
使用WEP,实现PSM很容易,因为所有站点都设置了一次密钥并保持不变。但是,使用新的加密方法,每次AP启动或建立连接时都需要生成新的成对密钥。使用新的加密方法,实现诸如WoW的省电方法变得越来越困难。通常,无线安全(请求者)在主机PC上的无线电芯片之外处理。这使得无线电在主机CPU处于睡眠模式时难以接收分组,因为每次AP断开或重新连接或者用于加密的组密钥被更新时CPU将需要唤醒。当漫游发生时,省电效率较低,因为主CPU经常醒来处理连接。



图8:下一代WLAN芯片:传统的WLAN芯片只具有简单的功能(a)。随着微加工等技术的发展,WLAN芯片可以适应以前在主机系统中实现的功能,从而有助于降低功耗(b)。

最近发布的许多无线电芯片不仅仅是分组收发器电路; 他们还将CPU嵌入到这些“智能MAC”中。通过这种新架构,在芯片本身而不是在主机PC上实现WPA无线安全连接将变得更加容易。这些新芯片将允许更高效地实现具有WPA安全性的WoW。由于企业安全性在芯片上的负载更重,因此在芯片本身上处理EAP身份验证仍然具有挑战性。

物联网(IoT)生成
随着我们进入新的物联网市场,随着硅供应商生产更小,更高效的无线电芯片,无线设备的使用将继续增长。如前所述,今天的无线电芯片拥有自己的CPU,更像是片上系统(SoC),可以运行复杂的程序。随着半导体工艺的不断改进,无线芯片上CPU和ROM / RAM的容量也越来越大。此外,在新一代芯片上可以实现诸如TCP / IP和HTTP协议之类的上层通信层,这与将这些协议和服务卸载到主处理器的前一种方式不同。

一些新的智能WLAN模块包括美国市场上的GainSpan GS1100,Qualcomm Atheros AR4100和Texas Instruments CC3000。在日本,可以使用Rohm BP3500系列和Murata Manufacturing Type-YD。目前,并没有很多一体型芯片,因此这些模块采用多芯片模块(MCM)和系统级封装(SIP)的形式,其中多个芯片与无线电芯片集成在一起。所有必需的电路都可以轻松放置在硅片上而无需任何集成问题。如果使用高频模拟组件(如时钟振荡器或阻抗匹配设备),则客户系统的实施变得更加容易。   

互联网技术将继续在全球范围内传播,预计最终所有设备都将以无线方式连接。机器对机器(M2M),物联网(物联网)和IoE(万物互联网)等短语将在新的“互联世界”中互换使用。

拥有日常设备,如空调,电饭煲,秤连接到互联网的手表,钥匙链和恒温器将让位于大量数据和信息(大数据)。许多人认为这个“大数据”在未来具有重要价值。虽然仍然需要确定这些数据的收集是否对最终用户有益,但有一点是肯定的:无线通信将是该过程不可或缺的一部分。

除了W-Fi之外,其他无线通信架构如Zigbee(IEEE 802.15.4)和蓝牙(LE)似乎相互竞争,成为即将到来的物联网时代的主流通信技术。与其他无线技术相比,Wi-Fi LAN具有日常使用最受欢迎的优势。虽然将高效Wi-Fi构建成小型,低成本设备的成本仍然很高,但这种技术是物联网市场的未来。这些智能无线电芯片将继续发展和改进,以满足低功耗,更大内存占用的需求。

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