前言

　　無線通信系統(tǒng)由固接式進(jìn)展到移動式，首當(dāng)其沖的便是耗電問題,。首先,，由于用戶裝置大多使用電池來維持運作，在移動的同時又進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)工作,，勢必快速消耗電池電量,。透過空氣接口鏈接的客戶端(MS)與基站(BS)兩端裝置，電源必須保持在開啟狀態(tài)以維持通信正常,，因此即便在沒有傳輸數(shù)據(jù)時,，用戶裝置仍持續(xù)消耗電量。另一方面,，客戶端為維持在大區(qū)域移動時的信號質(zhì)量或是需求較高的傳輸服務(wù)質(zhì)量(QoS),，必須發(fā)起換手(Handover)。通常執(zhí)行換手會伴隨著大量的控制信息傳送與等待時間,，不但耗電也降低頻寬利用率,。

　　目前無線通信系統(tǒng)所制定省電模式" title="省電模式">省電模式，通常利用數(shù)據(jù)傳輸管理機制,，讓客戶端與基站的通信暫時中斷,，或是簡化換手程序與頻率，以減緩裝置電量損耗,?；贗EEE 802.16e-2005[1][2]標(biāo)準(zhǔn)的Mobile" title="Mobile">Mobile WiMAX" title="WiMAX">WiMAX，也制定了睡眠模式與閑置模式兩種的省電模式操作。由于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,，并探討其差異。

　　睡眠模式

　　睡眠模式目的在于節(jié)省客戶端電量,，并降低基站頻寬資源的使用,。客戶端在執(zhí)行初始網(wǎng)絡(luò)登入程序(Network Entry)之后,，即開始使用服務(wù)基站(Serving BS)提供的傳輸服務(wù),。由于客戶端與基站并非隨時都有封包在收送，因此兩端可以事先預(yù)測并協(xié)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接在不可用時段里進(jìn)入無作用狀態(tài)，此時的客戶端可暫時關(guān)掉裝置電源或掃描周圍的基站以提前取得連結(jié)數(shù)據(jù),。

　　因為WiMAX的傳輸鏈接屬于聯(lián)機導(dǎo)向(Connection-oriented),，封包必須分配到已建立好的聯(lián)機(Connection)后才予以收送。在正常操作下,，客戶端與基站可隨時使用各聯(lián)機來收送封包;一旦開啟睡眠模式,，就會限制聯(lián)機的使用，尤其在不可用時段里更將停用所有聯(lián)機,。由此可知,，在睡眠模式下聯(lián)機并非被移除，而只是暫時無法使用,，其目的是讓客戶端離開睡眠模式后即能直接收送封包,，并不需重新建立聯(lián)機。

　　為適應(yīng)睡眠模式的傳輸特性,，客戶端必須調(diào)整封包傳輸?shù)呐懦?。為使睡眠模式的使用不影響?lián)機的傳輸服務(wù)質(zhì)量，封包的排程計算必須以各聯(lián)機的QoS參數(shù)為下限值,。若要推算不可用時段,，則還需把當(dāng)時系統(tǒng)資源及頻寬資源使用情形列為評量標(biāo)準(zhǔn)。

　　由于各聯(lián)機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)可讓聯(lián)機的管理較有系統(tǒng)。省電類別即是一群具有共通或相近傳輸特性的聯(lián)機,。被歸屬在同一省電類別的聯(lián)機,，其傳輸行為就必須遵從當(dāng)時所設(shè)置的屬性，因此客戶端只要調(diào)整省電類別的屬性值即可套用到各聯(lián)機,。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(jìn)入低耗電狀態(tài)，何時須離開睡眠模式等,。

　　開啟睡眠模式就是啟用省電類別。省電類別啟用后,，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(dāng)一個睡眠時段結(jié)束后,，跟著便進(jìn)入一個聆聽時段,，兩者將不斷重復(fù)交錯直至省電類別被停用為止。在睡眠時段,，省電類別所屬的各聯(lián)機上不準(zhǔn)有封包存在;唯有當(dāng)省電類別回到聆聽時段或被停用之后,，始可把封包送到聯(lián)機上去傳送。

　　一旦省電類別被建立,，并得到基站的允準(zhǔn)后,，即可反復(fù)地啟用停用，亦或變更屬性后再啟用,。若一個省電類別即已涵括當(dāng)時所有聯(lián)機時,，則其睡眠時段即是該客戶端的不可用時段;但若聯(lián)機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,，才是該客戶端的不可用時段,。

　　省電類別共分為3種類型，如圖1所示,。其不同點包括啟用停用的程序,、允許封包傳輸?shù)臅r段、及可設(shè)置的參數(shù)項目等,。以下分別說明各類型的特性與適用的聯(lián)機類型,。

　　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,，后者則是可變動長度且長度會逐次兩倍遞增,。省電類別啟用后，基站必須定時廣播流量信息(Traffic Indication),，讓客戶端確認(rèn)基站的傳輸服務(wù)維持正常,。若基站欲下傳封包時，會先確認(rèn)兩端鏈接正常后才開始傳送,，故較能避免封包傳輸出錯,。另外，客戶端在使用聯(lián)機收送封包的同時,，會直接停用對應(yīng)的省電類別;而基站在收到某聯(lián)機的頻寬需求信息后,，也會主動停用省電類別，因此可減少客戶端發(fā)送的控制信息數(shù)目。

　　只有類型I才提供設(shè)定的參數(shù)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,、是否接收處理流量信息等。雖然使用類型I即能適用各種類型的聯(lián)機,，但其維護成本與計算復(fù)雜度卻也相對較高,。目前非實時性的聯(lián)機類型(如nrtPS/BE等)，較建議使用類型 I,。

　　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;不需理會流量信息，但省電類別的啟用與停用只能透過控制信息傳達(dá)給基站,。每隔固定時間即有封包傳輸需求的聯(lián)機類型(如UGS/rtPS等),，即可考慮使用類型II。

　　類型III：

　　類型III僅會有一個睡眠時段,。在此睡眠時段到期后,，省電類別便會自動停用;但若想再次啟用省電類別，仍須發(fā)送控制信息通知基站,。目前如定期測距(Periodic Ranging)等需多次信息交換的程序,，或是群播服務(wù)的封包下傳等，其使用的聯(lián)機便適合歸類在類型III,。

　　閑置模式

　　睡眠模式大致上已解決了用戶裝置的耗電問題,，但當(dāng)客戶端在大范圍區(qū)域移動，因換手次數(shù)增加而產(chǎn)生大量耗電的狀況亦隨之而來,，此時睡眠模式便不適用,。其原因在于換手后尚須執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入(Network Re-entry)，并回復(fù)或重建聯(lián)機,，完成這些步驟既耗時又耗電,。在閑置模式下，假使客戶端并沒有封包需要收送,，則客戶端即便已跨越基站也只需告知后端網(wǎng)絡(luò)其大略位置,，并不用去執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入。因此具高移動性的客戶端若采用閑置模式,，將取得比睡眠模式更好的省電效益,。

　　 WiMAX移動管理

　　欲實現(xiàn)閑置模式，WiMAX導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)分層管理機制,。分層即是把WiMAX網(wǎng)絡(luò)范圍劃分成管理區(qū)域,，并將區(qū)域內(nèi)的基站集合起來成一群組,，稱為傳呼群(Paging Group)，如圖2所示,。因為各傳呼群可能會有部份區(qū)域重迭,，一個基站可能同時是數(shù)個傳呼群的成員。一個傳呼群會有傳呼主控臺(Paging Controller)擔(dān)任客戶端位置信息的維護工作,，此角色可直接由傳呼群里的某一基站兼任,，或由后端網(wǎng)絡(luò)另一主機專任。

　　除了傳呼群架構(gòu),，在移動管理方面另有遠(yuǎn)程傳呼(Paging)與位置更新(Location Update)的支持，其功能與運作分述如下：

　　(1) 遠(yuǎn)程傳呼

　　在傳呼群架構(gòu)下,，后端網(wǎng)絡(luò)只知道客戶端所在的傳呼群,，卻不知客戶端現(xiàn)在是連到哪一個基站。為此,，閑置模式提供傳呼讓后端網(wǎng)絡(luò)可以追查客戶端的位置,。傳呼的動作是由傳呼主控臺發(fā)起，在固定的時間里透過所屬的基站廣播傳呼信息(Paging Advertisement),，客戶端收到后必須依信息內(nèi)容執(zhí)行對應(yīng)的動作,。

　　(2) 位置更新

　　在閑置模式下，客戶端只能透過位置更新程序與傳呼主控臺溝通,。若客戶端從基站取得的傳呼群識別碼(PG Identifier)已發(fā)生改變,，應(yīng)執(zhí)行位置更新，把將客戶端的位置信息轉(zhuǎn)送到后端網(wǎng)絡(luò),。其次,，由于客戶端原始聯(lián)機數(shù)據(jù)被暫置在傳呼主控臺內(nèi)保存，在保存效期結(jié)束前,，客戶端可透過位置更新來表達(dá)延長維護效期的意愿,。另外，客戶端若確定裝置要關(guān)機,，應(yīng)執(zhí)行位置更新,，讓傳呼主控臺提前清除聯(lián)機數(shù)據(jù)。最后,，若傳呼主控臺太久未傳呼某客戶端,，則客戶端必須執(zhí)行位置更新來確認(rèn)自身的存在性。

　　位置更新的程序分成有擔(dān)保(Secure)與無擔(dān)保(Unsecure)兩類,，差別只在初始測距(Initial Ranging)信息是否受到安全保護,。若基站能夠從認(rèn)證端(Authenticator)取得有效的金鑰資料，并以之驗證信息內(nèi)容無誤后,，則完成初始測距后便可返回閑置模式,。但若金鑰數(shù)據(jù)已失效或是驗證信息失敗,，則基站會要求客戶端執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入，迫使客戶端提前離開閑置模式,。

　　使用傳呼群架構(gòu),，就會有遠(yuǎn)程傳呼與位置更新的使用成本。后端網(wǎng)絡(luò)在決定傳呼群的涵蓋區(qū)域時,，應(yīng)該要衡量客戶端的省電效益與此使用成本,。理論上客戶端只要在一個傳呼群區(qū)域內(nèi)移動，就不需要更新位置信息,。雖然較大的傳呼群區(qū)域可減少位置更新的執(zhí)行次數(shù),，但若后端網(wǎng)絡(luò)要求執(zhí)行傳呼來追查客戶端，其產(chǎn)生大量的廣播信息會增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,，也浪費頻寬資源,。反之若傳呼群區(qū)域設(shè)定太小，則位置更新勢必經(jīng)常發(fā)生而讓客戶端的電量持續(xù)消耗,。

　　閑置模式使用

　　客戶端或后端網(wǎng)絡(luò)均可透過注冊撤銷程序(Deregistration)來啟動閑置模式,。基站將釋放目前使用的聯(lián)機數(shù)據(jù),，不再提供服務(wù)給此客戶端,。在啟動同時，客戶端會告知原始聯(lián)機數(shù)據(jù)是否要暫存于傳呼主控臺內(nèi),，以及聯(lián)機數(shù)據(jù)的保存效期,。只要客戶端在保存效期結(jié)束前完成了網(wǎng)絡(luò)重登入程序，則原先建立的聯(lián)機即可被復(fù)原,。

　　在閑置模式下,，大部分時間皆屬不可用時段?？蛻舳丝呻S時關(guān)掉裝置電源,，但仍須偶爾醒來掃描周圍的基站?？蛻舳藭援?dāng)時通信狀況最佳者作為偏好基站(Preferred BS),，負(fù)責(zé)客戶端與后端網(wǎng)絡(luò)之間的訊息轉(zhuǎn)送工作。若當(dāng)時選用偏好基站屬于另一個傳呼群,，則客戶端必須要接著執(zhí)行位置更新,。

　　客戶端可從傳呼信息里得到偏好基站的定期傳呼時段(BS Paging Interval)，只要到了預(yù)定的傳呼時段,，客戶端即應(yīng)醒來聆聽傳呼信息,。目前基站需要廣播傳呼信息的原因，可能是傳呼主控臺要求客戶端回報最新位置信息,，此時客戶端將被指示執(zhí)行位置更新;若后端網(wǎng)絡(luò)已有封包欲下傳至客戶端,，則客戶端將被指示執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入,。對客戶端而言，若有封包需要收送或是原始聯(lián)機數(shù)據(jù)效期已過,，則客戶端在任何時刻只要執(zhí)行了網(wǎng)絡(luò)重登入,，便算是要離開閑置模式。圖3為閑置模式的使用案例：客戶端進(jìn)入閑置模式后,，前后共選用了3個偏好基站,，且執(zhí)行了一次位置更新;在最后一個傳呼時段里，客戶端收到網(wǎng)絡(luò)重登入指示后便結(jié)束了閑置模式操作,。

　　結(jié)語

　　當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)因應(yīng)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閑置模式可供選擇,。兩者存在的差異如下：睡眠模式多數(shù)由客戶端發(fā)起,，并決定各時段長度及啟用時機。在睡眠模式時,，除了需隨時維護聯(lián)機的封包傳輸正常外,，該執(zhí)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(diào)整以兼顧各聯(lián)機的傳輸服務(wù)質(zhì)量。而閑置模式雖可由客戶端發(fā)起,，但實際多由后端網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo),。在閑置模式下，兩端不再維護聯(lián)機,，原始聯(lián)機數(shù)據(jù)則由傳呼群暫時保管,，客戶端平時僅更新位置信息。但若有封包必須傳送時,，一定得執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入,，且若原先聯(lián)機數(shù)據(jù)已被清除，則聯(lián)機還必須重新建立,，因此數(shù)據(jù)傳遞延遲時間勢必拉長,，傳輸服務(wù)質(zhì)量恐不易達(dá)成。另外,，閑置模式在使用上需要后端網(wǎng)絡(luò)支持,，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正由WiMAX ForumTM規(guī)劃制定中[3]。雖然IEEE 802.16e-2005標(biāo)準(zhǔn)已有制定睡眠模式與閑置模式的操作程序,，但使用上應(yīng)該要有一套對應(yīng)的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。