浅谈802.11协议的APSD、PSMP、SMPS

本文将介绍802.11协议下的四种节能模式，分别是PSM、APSD，PSMP以及SMPS。ASPD是基于802.11e进行设计的，在APSD中，先分节点，再分上下行的传输模式，U-APSD只可以在EDCA的模式下进行使用。

在802.11主要的版本中，总共定义了四种节能模式，除了最基本的PSM模式，以及其工作方式上的一些细节。由于PSM是在最初的802.11协议下进行的设计，其用了较为保守设计，以确保最稳定的运行需求。在后来的802.11几个新版本中，为了改善节能模式的性能，所以还出现了一些其他的节能模式。本文主要介绍了其中主要的三个节能模式：APSD，PSMP以及SMPS。

APSD（AutomaTIc Power Save Delivery）

ASPD模式是对PSM模式的一个直接改进。PSM模式的其最大的缺点在于请求数据时采用的“乒乓”机制。即一个polling帧请求，一个数据帧反馈，这样一个来回交替的过程。该设计在数据缓存较多的情况下，会造成过多的polling帧出现，降低实际网络传输效率。从而ASPD就需要对此加以改进。

APSD（AutomaTIc Power Save Delivery）：ASPD是基于802.11e进行设计的。在802.11e中设置一个服务时间的概念，即Service Period（SP）。我们可以简单的理解成，若节点占据信道后，其制定一段服务时间，并且在该段时间内，该节点可以传输多个帧，换言之就是一次竞争多次传输。在ASPD中，还分为S-APSD与U-APSD两种具体的工作模式。（PS：本文对Service Period以及EDCA的具体工作机制不会加以展开，其内容后期会放在对802.11e的整理中）

我们利用下图，首先描述一下APSD的基本思想：

在上图中，我们假设有一个QOS-AP，有一个QOS-STA（PS：由于ASPD是基于802.11e的，所以QOS-AP与QOS-STA都是支持802.11e的设备）。假设是由QOS-STA发起一个传输过程，即首先会发送一个“Trigger Frame”帧，这个帧有可能是QoS data或者QoS Null帧，通过该帧，节点申请到一个服务时间，即Service Period Start（PS：该服务时间可以理解成802.11e中的TXOP时间，而不是一般意义上网络模型中所用的服务时间，在服务时间内，可以传递多个网络帧），然后QOS-AP会反馈一个ACK和一个QOS-Data帧。接下来在服务时间范围内，QOS-STA会持续和QOS-AP进行数据交换。当QOS-AP的缓存全被发送完之后，会在最后一个QOS-Data帧中的QOS控制字段，标注EOSP（End Of Service Period），从而结束一个服务时间，即Service Period End。对比我们在初探节能模式中所提到的PS-Poll，这种“乒乓”的模式而言，前者一个请求一个反馈，而APSD中，一次请求就可以交换多个帧。下面我们说明S-APSD以及U-APSD。

S-APSD（Scheduled APSD）：基于调度的APSD，S-APSD可以在EDCA（DCF的扩展）和HCCA（PCF的扩展）这两种工作模式下都可以使用，从笔者的个人观点而言，S-APSD更像是前面我们提到的PSM-PCF模式下的扩展。由于S-APSD的具体工作机制不太好抓包做确认，所以只能够通过对协议的字面含义进行理解，如有错误，还请见谅。

如上图所示，是S-APSD的一个工作模式。在S-APSD中，SP（Service Period）是预先调度的，在调度时间将要到来之时，QOS-AP会发送一个triger frame，同时QOS-STA也会提前醒来接受该帧，从而开启一个服务时间。该服务时间是通过管理帧中的Schedule Element字段进行调度的，所以节点可以提前知道什么时候应该醒来。在上图中，QOS-AP发送的triger就是PS-Poll，然后就开始和QOS-STA交换数据，即STA向AP反馈数据之后，AP再向STA反馈数据，这样交替切换，直到SP时间结束。

在这里，QOS-AP和QOS-STA交换数据还是上下行按序切换的，即这里还是有一些类似“乒乓”机制，在后面我们提到的PSMP实际上对这一点会再次加以改进。

U-APSD（Unscheduled APSD）：基于非调度的APSD，U-APSD只可以在EDCA的模式下进行使用，U-ASPD更像之前提到的PSM-DCF模式的扩展。

如上图，是U-APSD的工作时序。在该模式中，QOS-STA会首先发送一个triger帧（即QOS-Null）给AP，AP收到该帧的时候，就意味着一段服务时间的起始，接着AP和节点会相继交换数据。（PS：至于在服务时间内，上下行数据交替发送过程中是否还会有bakcoff，笔者目前所读的资料是没有的，不过对于协议中的原文描述，笔者还没有确定）

实际上在一个SP时间内的工作机制，S-APSD和U-APSD是基本机制的，区别主要在于S-APSD的SP时间是实现调度好的，比如前面该时间就是利用beacon帧中实现调度，而在U-APSD是节点发起的，即该调度时间任意时刻都有可能发起，同时还可以主要到，一般S-APSD都是AP进行发起，而U-APSD是节点进行发起较多，不过这点也不是绝对而已。

PSMP（Power-Save MulTI-Poll）

实际上从802.11e中引入TXOP，Block ACK，802.11n中引入的RIFS，帧聚合，802.11ac中引入MU-MIMO（PS：协议中仅仅是AP下行可以使用MU-MIMO，上行未包含），这些技术都会导致AP的突发（burst）下行传输的效率相比上行接入效率要高。

所以从节能模式的角度而言，在APSD中，先分节点，再分上下行的传输模式，就没有先分上下行，再分节点的传输效率高，那么后者就是PSMP设计的基本想法。

PSMP（Power-Save MulTI-Poll）：在802.11n中新增的模式，可以理解是引入了更严格的调度机制，其首先利用一个PSMP帧来调度整个节能模式的传输周期，将其分成PSMP下行传输时段，PSMP-DTT（PSMP Downlink Transmission Time）和PSMP上行传输时段，PSMP-UTT（PSMP Uplink Transmission Time）。在PSMP-DTT过程中，AP进行突发传输，其中帧间间隔可能会更小，比如RIFS。RIFS的时间会比SIFS会更小，SIFS时间是包含了一个发送状态到接受状态的切换时间，而RIFS仅仅是两次发送状态之间的切换时间。在该过程中，节点可以不采用CCA，直接在被调度的具体时间内醒来，并接受数据，从而可以获得更多的休眠时间，从而节能。在PSMP-UTT时间内，节点仅仅会在被调度的周期内醒来，并反馈上行数据帧，从而也减少了较多的监听过程，节约了能量。在PSMP中，若AP的下行传输中存在广播/组播包，那么会在PSMP-DTT时间内，第一个数据帧进行发送，这点实际上和之前的PSM模式传输组播或者广播帧是一样的。

如下图表述了一个PSMP的时序调度（参考《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》）

那么AP首先发送一个PSMP帧，该帧中包含了后续时间内，下行链路和上行链路具体的调度安排。然后开始进入PSMP-DTT时间，第一个是发送本地缓存的组播/广播帧（即PSMP-DTT1时刻内），然后按序发送节点所对应的缓存单播帧，这里PSMP-DTT时间内，帧间间隔可以采用RIFS，以达到更高的效率。对于ACK的部分，由于笔者没有做详细考证，所以没有加以描述。当PSMP-DTT时间结束后，节点会依次在自己对应的上行调度周期内，发送数据帧，如STA1就在PSMP-UTT1中发送上行数据。当PSMP-UTT时间结束后，这一轮PSMP的数据交换就完成了。

PS：一些PSMP的细节在《Cambridge.Next Generation Wireless LANs.802.11n》一书第9章中，所述较为详细，有兴趣可以扩展阅读。

SMPS（Spatial Multiplexing Power Save）

最后，我们描述一下在802.11n中所叙述的SMPS模式，即多天线模式下的节能模式。在该模式下，节点可以选择关于多余的天线，从而达到节能目的。但在实际过程中，节点是不好贸然关闭自己的天线的，因为其无法确定AP是按照多空间流的形式，还是按照单空间流的形式向其发送数据。若AP采用多流发送下行数据，而节点仅仅是单根天线的工作模式，那么是无法正确接收的（这里与发送分集不同，若发送分集也是需要AP按照分集模式进行发送，而不是空分复用的形式发送，其预编码的策略不同）。所以节点要与AP有关关闭天线该动作，进行适当的沟通，那么该机制就对应到SMPS的使用。

SMPS（Spatial Multiplexing Power Save）：该模式下，节点会关闭多余的天线，仅仅使用一根天线进行工作，从而达到节能的目的。在SMPS中还分为两种模式，一者静态工作模式（Static SM Power Save），一者动态工作模式（Dynamic SM Power Save）。

上图表示的是一个静态工作模式下的SMPS，其中我们可以看到，节点说先需要发送一个action frame，将AP切换为单流发送下行帧，以让节点节约一些能量。若需要恢复回多流工作模式，则需要反馈一个action frame，其中显式注明static mode disabled，从而AP接下来发送的帧才会是多流模式。

上图是动态工作模式下的SMPS，其中当STA发送一个动态模式的action frame后，AP紧接着反馈的下行帧中就会采用单流模式（图中的下行帧是RTS，实际上也可以是数据帧）。当该帧反馈后，AP发送下一个帧的时候，则会回到默认发送的多流模式，主动从单流模式切换回来，而在静态模式中，这个切换需要一个显示的action frame，故这里就是静态和动态SMPS的一个区别。