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802.11 Power Save(节电/省电/节能)机制总结

發布時間：2025/4/5 编程问答 38 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 802.11 Power Save(节电/省电/节能)机制总结小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

背景介紹

了解WIFI節能的機制之前，首先要了解WIFI能耗的消耗發生在什么狀態下，顯而易見，發送和接收肯定是消耗能量的，還有一點是要認識到的，Power Save通常是在STA端進行的，AP需要一直廣播并且很多AP都是固定位置并接電源的，移動性小，所以AP的power save基本上是要求支持STA的power save，不至于STA進入省電跟AP不兼容，我當前的認識里只有2個AP是可以省電的，一個就是TPC，可以對AP進行發射功率配置；另一個是SMPS，協商選擇關閉某些天線的收發來達到節能效果?；剡^來接著講耗能的狀態，其實一般的WIFI設備還有兩個狀態：sleep狀態（別以為sleep status下不耗能）和接收空閑狀態。下面是四個狀態：

· Sleep ：節點進入休眠狀態，關閉接收和發送，能耗最低；

· Rx idle：接收空閑狀態，其實這個是CCA檢測狀態，并未進行數據的接收；

· RX：接收狀態，STA檢測到要發送給自己的數據，對數據進行接收；

· TX：發送狀態，就是發送數據。

這四種狀態是可以相互轉換的，譬如數sleep狀態轉換成RX idle，然后RX idle可以轉換到RX或者TX狀態。數據通信的部分都是發生在TX和RX狀態下，但是為了不產生傳輸沖突，WIFI大部分狀態是處于Rx idle下的，而且這個狀態下接近于RX狀態，良好的使用power save機制是可以很大限度的進行節能的。

沿著這個思路其實就是要盡量降低RX idle的時間和增加Sleep的時間，從而引出了AP的緩存技術和STA的PS機制，這里只講PS機制。

Power save機制

省電模式的前提機制

省電模式的前提機制，AP的beacon中攜帶TIM（Traffic indication Map）字段，里面包含DTIM Count，DTIM Period，Bitmap Control和Part Virt Bmap字段，下文會有詳細介紹，先看DTIM period，這個通常在AP的配置上可以設置，不同廠商這個DTIM周期值會不同，有配置2也有配置3的，這個值如果較大，那么對AP的緩存能力有較高要求，設置較小sta 需要頻繁從sleep中喚醒，PS效果不佳，這個值的意義就在于處于PS狀態下的STA會在多少個beacon幀后醒來，就是sta的喚醒周期；而DITM Count就是對period的計數，表明當前beacon是period的第幾個。這種狀態是sta和AP關聯上之后的場景，另一個是STA并未關聯上AP，此時的STA狀態是不定時地去進行信道掃描，每隔一些時間掃描一次，掃描后進行sleep，周期性的從sleep中醒來再掃描一次，這是未關聯時的省電方式。

傳統省掉模式（Legacy Power Save）

有了上面的了解，下面說一下傳統省電模式的原理，也是我們所說的乒乓模式。假設某個時間STA進入sleep，它通過發送數據幀或null-date幀來告訴AP我進入省電了，這個幀的節能位會被置1，如下圖：

AP收到這個幀后就不發數據幀給處于省電模式下的STA了。然后DITM period后STA wake up，并收到AP的beacon，在beacon 中DTIM 信息元素中根據AID 來告訴sta，在你sleep的時候有發給你的數據，我替你存下了，你現在醒了，快來取吧。這個時候STA發送PS-Poll幀給AP，告訴AP我來取數據了，AP收到PS-Poll后就將對應sta的緩存數據發給STA,，如果有多個數據幀的話那就在數據幀的more data位上置1，表示后續還有緩存數據，STA繼續發送PS-Poll給AP，AP再傳數據幀，一來一回，一來一回，直到data幀的more date位為0，AP會給STA發一個Null-data。LPS的流程示意圖：

PS-Poll幀的結構可以參考如下信息：

可以明顯看到PS-poll并沒有Duration/ID信息，看地址信息也只有BSSID和Transmitter，沒有包含Source AD,這里多了一個AID來告訴AP，我是來取這個AID的緩存數據的。Null-data還是很正常的。

傳統省電模式的不足

PS-Poll省電機制定義在802.11的協議中，這個機制存在兩個不足：一是效率低，二是時延大。

1. 效率低主要是STA要獲到緩存于AP中的數據，必須通過發送PS-Poll幀，完成一次完整的交互過程（PS-Poll，ACK）。每次幀交互都需要進行退避機制及信道接入，造成額外開銷增多，效率比較低。

2. 時延比較大，是因為STA每次根據DTIM間隔定時醒來接收AP的廣播幀，如果AP為STA緩存數據幀，則STA發送PS-Poll，否則STA繼續進入睡眠狀態。因為DTIM一般Beacon間距的整數倍，Beacon間距時間一般為100ms，所以STA與AP進行數據交互的時延比較大，對一般時間敏感的業務數據（如語音或視頻數據）并不能很好的支持。如果STA使用傳統省電機制，如果需要進行語音數據傳輸，一般有兩種做法，一是讓STA保持ACTIVE狀態，二是降低DTIM間距。

快速省電模式（Fast Power Save）

快速省電模式是在L PS的基礎上來的，被稱為PS-NULL-Poll機制。這個PS-null-Poll的機制是當STA wake up后，解析到beacon中有自己的緩存幀，則會發送一個null data幀給AP，并將PS位置為0，表示不節能了，需要獲取所以緩存的數據，AP收到這個null-data后，從緩存隊列中依次取出一個緩存data幀發送給STA，直到所有的緩存數據幀發送完，當然最后一個data幀的more data位會被置0。STA收到所有緩存幀后，直接發一個null data幀給AP，并將PS位置1，表示自己再次進入PS狀態。

快速PS和LPS的區別顯而易見，LPS是一個PS-poll獲取一個緩存幀，一次一幀，而且ps-poll ack都不能少，而Fast PS是一次null-data表示sleep or wake狀態。并獲取所以緩存幀，就好比搬運貨物，LPS是徒手，一次一個箱子，來回跑，而Fast PS是用傳送帶，建立連接后，箱子一個一個的往傳送帶上搬運。

快速省電模式的不足

提升了LPS的效率，但是對敏感優先級的data不友好，時延問題并未解決。

APSD（Automatic Power Save Delivery）

APSD是基于802.11e新增的PS機制，這里面包含了帶有QOS屬性的PS機制，其實APSD是有些類似FAST PS的，也是一次觸發，多次傳輸。APSD有兩種模式：S-APSD(基于調度的自動省電模式)和U-APSD(非排程自動省電模式)。

S-APSD（Scheduler - Automatic Power Save Delivery）

S-APSD更像一個PCF下的PS模式，大家都知道PCF是AP來輪詢下面的STA是否有數據要收發，若有數據上下行，只有AP輪詢到某一個STA的時候，這個STA才會進行接入信道進行數據的收發，這種模式很少見，在常用的wifi收發中用到的基本上都是U-APSD，而S-APSD實際也沒啥包可抓，下圖是S-APSD的一個簡單的工作模式。

在S-APSD中，SP（Service Period）是預先AP調度的，在調度時間將要到來之時，QOS-AP會發送一個triger frame，同時QOS-STA也會提前醒來接受該幀，從而開啟一個服務時間。該服務時間是通過管理幀中的Schedule Element字段進行調度的，所以QOS-STA可以提前知道什么時候應該醒來。在上圖中，QOS-AP發送的triger就是PS-Poll，然后就開始和QOS-STA交換數據，即STA向AP反饋數據之后，AP再向STA反饋數據，這樣交替切換，直到SP時間結束。

在這里，QOS-AP和QOS-STA交換數據還是上下行按序切換的。

U-APSD（Unscheduled Automatic Power Save Delivery）

U-APSD這個才像是DCF下的qos-PS模式。比較常見的一種WMM –PS模式，包很容易抓到。AP 支持省電在WMM IE 信息元素其中的一個bit位會表明是否支持WMM 省電（即U-APSD support）。STA 支持省電在關聯請求中查看WMM IE 的Qos info字段4個AC 是否支持UAPSD（即比特位為1），抓包見下圖:

U-APSD 是對傳統省電的改進，在客戶端關聯的時候雙方確定了哪些AC（BE/BK/VI/VO---qos的屬性

）具有發送屬性，哪些AC 有觸發屬性，以及觸發后最多允許的發送報文數量--MAX-SP；客戶端在休眠的時候，發往客戶端的具有發送屬性的AC將緩存在發送緩存隊列，客戶端需要發送具有觸發屬性的AC 去獲取緩存幀。AP收到觸發報文后，按照接入時候確定的發送報文數量，發送屬于發送隊列的幀。沒有發送屬性的 AC 仍然使用802.11傳統的方式來傳送。

在UAPSD省電下的STA 只有兩種狀態 DOVE和AWAKE；AP只能在STA 在AWAKE下才能給STA發數據，AP在STA DOVE的情況下給STA 緩存數據；換個角度想STA 可以在任何的情況下向AP 發送數據，因為AP永遠是awake；

UAPSD的主要設計思想在于稱作U-SP(unscheduled service period)。

STA 發送觸發幀(空幀或數據幀)給AP ，AP向STA回復ACK后,U-SP被啟動，AP通過EDCA的方式開始向STA發送緩存數據，U-SP的長度有MAX-SP(service period)決定；MAX-SP在WMM IE 的Qos info 中被定義，用于定義發往客戶端的報文數量（在關聯時候就被定義）。

MAX-SP在關聯和重關聯的時候被定義，在U-SP期間，AP必須向STA發送至少一個數據幀，如果AP沒有緩存幀，則發送一個空幀，但是不能超過最大幀數；在U-SP期間，AP收到的STA的幀數據不叫做觸發幀。U-SP結束后，AP通過在Qos 控制字段里的EOSP（Eed of service period）字段置為1來結束一次U-SP（EOSP在發送的緩存幀中查看是否最后一個置為1）。STA收到這個幀后，STA 就可以進入DOVE，AP 繼續為STA緩存數據直到下一個U-SP傳輸開始；AP通過協調幀控制字段中的More Data字段來通知STA有更多的緩存幀，如果EOSP=1，more data=1 ，在立即發起一次新的U-SP傳輸，如果AP 沒有數據發送給STA ，則發送一個空幀給STA；

展示一個QOS-null-data的幀：

APSD省電主要應用在具備優先級的數據中，沒有優先級的data還是按照傳統的省電模式進行。

UAPSD省電的優缺點

UAPSD克服了PS-Poll省電機制的缺點，提升了效率，同時時延相對較小。如果STA每20ms向AP發送數據，則AP也可以每20ms向STA發送數據，因此數據時延大致為20ms，相對PS-Poll時延為n*100ms小。UAPSD也有缺點，因為STA通過向AP發送觸發幀來發起一次U-SP傳輸，當STA發送觸發幀后，STA進入AWAKE狀態，并且等待AP向STA發送數據幀或空幀，直到AP發送的幀數據中EOSP字段被置1，STA才能重新進入省電模式DOVE。注釋（必須等待AP 發的幀數據EOSP 字段被職位1 才能進去省電）。上圖的EOSP位就是置1的。

PSMP(Power-Save Multi-Poll)

備注：來源于網上。

實際上從802.11e中引入TXOP，Block ACK，802.11n中引入的RIFS，幀聚合，802.11ac中引入MU-MIMO，這些技術都會導致AP的突發（burst）下行傳輸的效率相比上行接入效率要高。

所以從節能模式的角度而言，在APSD中，先分節點，再分上下行的傳輸模式，就沒有先分上下行，再分節點的傳輸效率高，那么后者就是PSMP設計的基本想法。

PSMP（Power-Save Multi-Poll）：在802.11n中新增的模式，可以理解是引入了更嚴格的調度機制，其首先利用一個PSMP幀來調度整個節能模式的傳輸周期，將其分成PSMP下行傳輸時段，PSMP-DTT（PSMP Downlink Transmission Time）和PSMP上行傳輸時段，PSMP-UTT（PSMP Uplink Transmission Time）。在PSMP-DTT過程中，AP進行突發傳輸，其中幀間間隔可能會更小，比如RIFS。RIFS的時間會比SIFS會更小，SIFS時間是包含了一個發送狀態到接受狀態的切換時間，而RIFS僅僅是兩次發送狀態之間的切換時間。在該過程中，節點可以不采用CCA，直接在被調度的具體時間內醒來，并接受數據，從而可以獲得更多的休眠時間，從而節能。在PSMP-UTT時間內，節點僅僅會在被調度的周期內醒來，并反饋上行數據幀，從而也減少了較多的監聽過程，節約了能量。在PSMP中，若AP的下行傳輸中存在廣播/組播包，那么會在PSMP-DTT時間內，第一個數據幀進行發送，這點實際上和之前的PSM模式傳輸組播或者廣播幀是一樣的。

如下圖表述了一個PSMP的時序調度：

那么AP首先發送一個PSMP幀，該幀中包含了后續時間內，下行鏈路和上行鏈路具體的調度安排。然后開始進入PSMP-DTT時間，第一個是發送本地緩存的組播/廣播幀（即PSMP-DTT1時刻內），然后按序發送節點所對應的緩存單播幀，這里PSMP-DTT時間內，幀間間隔可以采用RIFS，以達到更高的效率。對于ACK的部分，由于筆者沒有做詳細考證，所以沒有加以描述。當PSMP-DTT時間結束后，節點會依次在自己對應的上行調度周期內，發送數據幀，如STA1就在PSMP-UTT1中發送上行數據。當PSMP-UTT時間結束后，這一輪PSMP的數據交換就完成了。

通過上述過程，也可以看出PSMP基本上也是一種基于調度的PS機制，使用到新的IFS，目前我也沒有見過類似的基于RIFS的PS商用產品。優缺點個人感覺是對AP的調度要求高，對于傳動的基于DCF競爭機制的AP會有一定的難容性。當然技術上實現也會難一些。

SMPS(Spatial Multiplexing Power Save)

SMPS是空間復用省電機制，也是11n引入的基于多天線引入的省電機制?；诘脑砗芎唵?#xff0c;當業務量很少，負載不大時，選擇關閉其中部分天線的收發功能來達到省電的目的。實際上STA不好貿然關閉自己的天線，因為AP端有可能單流也可能多流，發送流大于接收流的話，會造成無法正確接收。所以STA在SMPS的機制中需要跟AP有溝通，協商并配合完成通道關閉和激活。

在SMPS中有設置中有三種，3關閉SMPS，0靜態SMPS，1動態SMPS，出自802.11n-2009—page68—table 7-43j。

SMPS的能力信息位表示在HT Capability info 的SM Power Save字段上或者通過SMPS Action幀交互SMPS能力信息。如圖：

備注：我抓到很多SMPS位是11，但是他表示的卻是：Spatial Multiplexing enable，我表示很無奈啊。

靜態SMPS的流程很簡單，STA需要1根天線來進行收發時，STA發送一個ACTION幀告訴AP你要切換到單流進行發送幀，若要恢復到多流則發送一個SMPS 靜態disable的ACTION幀給AP，來結束單條流的下行。下圖是靜態SMPS的流程圖：

動態SMPS聽名字就可以理解它的作用，就是根據情況在單流和多流之間切換進行下行操作。交互幀是跟靜態有區別的，看下圖：

其中當STA發送一個動態模式的action frame后，需要通過接收一個單流的RTS使能多接收通道；當接收到目的地地址是自己的MAC地址的時，接收者切換到對應的多個接收通道，并且在接收結束時，關閉多流模式切換回原有的模式。而在靜態模式中，這個切換需要一個顯示的action frame，這里需要注意一點，SMPS不能區分多流傳輸之前的RTS/CTS和其他RTS/CTS，所以STA收到RTS后，給CTS后就會切入到多流收發狀態下。

問題：為什么要發單流的RTS 才能使能多接收通道，如何讓STA知道要接收MIMO 數據？

這個用一個單播幀就可以，協議建議用RTS，當然單播數據幀也可以，看廠商實現方式了。收到發送給自己的RTS，就認為有雙流數據發送給自己，就需要切換到多通道；SMPS默認只開一條天線，如果收到RTS就把所有天線都打開。

綜上：

· 靜態的SMPS模式下，STA僅維護一個接收通道空閑，AP不會發送MIMO數據給處于Static SMPS模式的STA。HT STA可以使用SMPS Action幀交互SMPS狀態；一個非AP的HT STA 可以利用HT Capability info域中的SM Power save 字段達到相同的目的。后者，使能STA關聯后立刻用單通道接收。

· SMPS使得STA在一段時間內只激活一條接收通道，若STA處于動態的SMPS，也只有當AP 發送多流數據時才會根據AP發送的RTS切換為多接收通道，從而達到節能目的；

· SMPS Frame是一種HT 管理幀，用來指示SMPS的狀態改變。AP和STA可以通過該幀來交互SMPS狀態；

· SMPS幀控制字段信息其中：

Category字段為7，即HT類型。

HT Action字段為1，即SMPS。

TXOP-PS（Transmit Opportunity-Power Save）

TXOP的含義，當STA需要傳輸MSDU時，并不會在獲得接入機會的同時接入信道，而是等待一段時間后再進行發送，一個STA從其獲取接入信道的機會到其開始傳輸的時間叫做一個TXOP。

TXOP-PS是802.11AC協議新加的一種STA測的節能機制。其思想是“盡可能的早地識別出當前接收幀是否發給自己”，如果不是，則STA可以在該幀所處的當前TXOP剩下的時間內進入TXOP節能模式，待下一個TXOP才重新醒來，通過這種方式，可以實現TXOP內的少量節能。

TXOP-PS需要AP和STA同時都支持才可以實現，并且只有VHT AP和STA才有可能支持。

在VHT Cap info域中，B21代表TXOP-PS的能力，而AP 通過 beacon 、probe response、association response幀宣告自己具有TXOP-PS能力，而STA通過probe request、association request宣稱自己具有TXOP-PS 能力。

VHT 能力域中對 VHT PS 字段的定義及解析:

我以為沒法抓到支持VHT-TXOP的AP，但實際上我竟然看到一個支持的AP，挺強：

問題1：在TXOP-PS中STA怎么做到識別該幀不是發給自己的，然后在剩下時間段的TXOP內進入省電？

11AC并沒有引入BSS顏色(11AX才引入)，而這里的其實是根據PPDU的SGI字段的信息來進行判斷，先看一下11AC VHT的物理幀格式：

其中前面的是傳統的preamble信息，后面有VHT的preamble這里面還有兩個信息：VHT-SGI-A和VHT-SGI-B。跟LP的定義一樣，VHT preamble的信息也記錄了調制方式、速率、時間同步等信息。這里面VHT-SGI-A是用來區分VHT PPDU和HT PPDU,非HT PPDU，SGI-B是用來區分不同帶寬的。其同樣是采用BPSK調制，以1/2速率的二進制卷積碼進行傳輸的。下面看下SGI的結構。

這里面就包含了AID和TXOP-PS如果STA 的PHY接收到1個PPDU，解析SGI中的Partial AID跟自己的AID不一致，站點將停止后續的接收，進入TXOP-PS狀態。
問題2：在TXOP-PS 階段內，硬件會先判別終端發來的幀是否是我們的幀，如果我不是我們的幀，硬件會把包丟棄，沒有交到上層。上層是處于什么狀態呢？

首先要明確TXOP-PS所處于的狀態是active狀態下的，上層其實是醒來的狀態，這個醒可以認為就是省電狀態下的醒，而TXOP-PS只是覺得，雖然我是醒的狀態，但是包不是給我的，我都懶得再繼續解析了；一般的醒來是還要解析到MAC頭，看目的地址是不是發給我的，不是我的就丟掉，而這個是提前了。

協議上的一些信息貼在這，供學者參考。

上面來自于P802.11ac_D2.0的10.2章節。

總結&遺留問題

到這里Power save算是基本說完了，但是可能有同學有疑問，一個AP下那么多STAs，sta是通過什么機制確定AP有自己的緩存幀呢，如果STA關聯上AP后一致沒業務，占著茅坑不拉X怎么辦，AP怎么不踢掉這樣的STA呢，所以下面的內容做一下補充。

TIM域信息講解：

AID的取值范圍：0-2007

AID的分配：關聯時在關聯響應包中存在AID信息

AID確定后在后面sleep時可以通過AP的beacon中的TIM信息確認AP為哪個STA緩存數據。

·?Element ID：元素識別碼，用來標識beacon幀中所包含的不同字段。

·?Length：長度，描述的是該Element的長度，實際上Element ID和Length是一般管理幀中information element必備的元素。

DTIM Count，DTIM Period：DTIM計數以及間隔的時間。在802.11協議中，我們可以看到三個概念，TIM，DTIM，ATIM。TIM是一種基本的流量指示圖的結構，標準的TIM中僅僅指示AP緩存的單播信息，DTIM（Delivery Traffic Indication Map）是一種特殊的TIM，其除了緩存的單播信息，也同時指示AP緩存的組播信息。

Bitmap Control，Partial Virtual Bitmap：該字段就是Bitmap的具體字段，實際上與我們一開始描述的bitmap結構還存在一些區別。以下我們重點描述下協議中具體使用的bitmap結構。

AP是采用一種Bitmap結構，用來通知節點自己的buffer信息的，若將其看做一個矩陣的話，那么該矩陣的每一行有8列，最下包含1行，最大包含251行，換言之該矩陣最大的存儲空間為251行，251*8-1=2007（除去多播標識）。

而Bitmap Control的信息代表了起AID的偏移量，假設AID=88，然后找出88號在Bitmap的哪一行，先看下Bitmap Control的位信息代表的意思：

第一位如果置1則代表緩存有多播幀，這里先討論單播緩存的場景，第一位置0，若第二位置1，則緩存數據屬于Bitmap矩陣圖的第二行，若要計算此STA的AID值，首先起始值從2*8=16開始算起，然后如何確認具體AID，這個具體AID=起始AID之和+偏移量。而我們所說的偏移量就需要通過Part Virt Bmap的信息來確定。

就拿上面所說的AID=88,起始AID很容易推算出是X3位，因為X3位代表起始AID=8*8=64,而X4位是16*8=128，大于88，所有BitMap control的X3位置1,88=64+24，24介于2*8—4*8之間，所有X1位也置1，綜上Bitmap control的信息位為：0 1 0 1 0 0 0 0。然后在計算具體的偏移量。

88=64+16+a，很顯然可以計算a=8，所有偏移量Part Virt Bmap的值應該0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0，轉化為16進制就是80.

從TIM域信息也可以反推AID的值，實際情況可以抓包驗證下。

Keep-alive 機制

Keepalive機制其實就是一種?；顧C制，在長時間沒有業務的情況下維持自己的連接狀態，這個比較簡單，流程一般如下：

· 使能?；顧C制：

1. STA關聯上AP；

2. 長時間沒業務，STA每隔30s （時間可以自定義）會給AP發一個QOS-null-data/Null-data數據，根據省電的模式來的，告知AP我還沒走；

3. AP會回一個ACK表示我知道了；

· Disable保活機制：