前言

　　無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)由固接式進(jìn)展到移動(dòng)式，首當(dāng)其沖的便是耗電問(wèn)題。首先，由于用戶(hù)裝置大多使用電池來(lái)維持運(yùn)作，在移動(dòng)的同時(shí)又進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)工作，勢(shì)必快速消耗電池電量。透過(guò)空氣接口鏈接的客戶(hù)端(MS)與基站(BS)兩端裝置，電源必須保持在開(kāi)啟狀態(tài)以維持通信正常，因此即便在沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，用戶(hù)裝置仍持續(xù)消耗電量。另一方面，客戶(hù)端為維持在大區(qū)域移動(dòng)時(shí)的信號(hào)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(huì)伴隨著大量的控制信息傳送與等待時(shí)間，不但耗電也降低頻寬利用率。

　　目前無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)所制定省電模式，通常利用數(shù)據(jù)傳輸管理機(jī)制，讓客戶(hù)端與基站的通信暫時(shí)中斷，或是簡(jiǎn)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 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(hù)成本上有明顯差異，本文將分別就兩者基本概念與運(yùn)作原理提出說(shuō)明，并探討其差異。

　　睡眠模式

　　睡眠模式目的在于節(jié)省客戶(hù)端電量，并降低基站頻寬資源的使用。客戶(hù)端在執(zhí)行初始網(wǎng)絡(luò)登入程序(Network Entry)之后，即開(kāi)始使用服務(wù)基站(Serving BS)提供的傳輸服務(wù)。由于客戶(hù)端與基站并非隨時(shí)都有封包在收送，因此兩端可以事先預(yù)測(cè)并協(xié)議出不需收送封包的時(shí)間，謂之不可用時(shí)段(Unavailable Interval)。睡眠模式即是讓兩端的鏈接在不可用時(shí)段里進(jìn)入無(wú)作用狀態(tài)，此時(shí)的客戶(hù)端可暫時(shí)關(guān)掉裝置電源或掃描周?chē)幕疽蕴崆叭〉眠B結(jié)數(shù)據(jù)。

　　因?yàn)閃iMAX的傳輸鏈接屬于聯(lián)機(jī)導(dǎo)向(Connection-oriented)，封包必須分配到已建立好的聯(lián)機(jī)(Connection)后才予以收送。在正常操作下，客戶(hù)端與基站可隨時(shí)使用各聯(lián)機(jī)來(lái)收送封包;一旦開(kāi)啟睡眠模式，就會(huì)限制聯(lián)機(jī)的使用，尤其在不可用時(shí)段里更將停用所有聯(lián)機(jī)。由此可知，在睡眠模式下聯(lián)機(jī)并非被移除，而只是暫時(shí)無(wú)法使用，其目的是讓客戶(hù)端離開(kāi)睡眠模式后即能直接收送封包，并不需重新建立聯(lián)機(jī)。

　　為適應(yīng)睡眠模式的傳輸特性，客戶(hù)端必須調(diào)整封包傳輸?shù)呐懦獭槭顾吣Ｊ降氖褂貌挥绊懧?lián)機(jī)的傳輸服務(wù)質(zhì)量，封包的排程計(jì)算必須以各聯(lián)機(jī)的QoS參數(shù)為下限值。若要推算不可用時(shí)段，則還需把當(dāng)時(shí)系統(tǒng)資源及頻寬資源使用情形列為評(píng)量標(biāo)準(zhǔn)。

　　由于各聯(lián)機(jī)傳輸封包的行為不同，頻寬需求的方式也不同，使用省電類(lèi)別(Power Saving Class)可讓聯(lián)機(jī)的管理較有系統(tǒng)。省電類(lèi)別即是一群具有共通或相近傳輸特性的聯(lián)機(jī)。被歸屬在同一省電類(lèi)別的聯(lián)機(jī)，其傳輸行為就必須遵從當(dāng)時(shí)所設(shè)置的屬性，因此客戶(hù)端只要調(diào)整省電類(lèi)別的屬性值即可套用到各聯(lián)機(jī)。目前這些屬性包含何時(shí)啟用睡眠模式，何時(shí)允許封包傳輸，何時(shí)進(jìn)入低耗電狀態(tài)，何時(shí)須離開(kāi)睡眠模式等。

　　開(kāi)啟睡眠模式就是啟用省電類(lèi)別。省電類(lèi)別啟用后，其不允許收送封包的時(shí)間為睡眠時(shí)段(Sleep Interval)，暫時(shí)開(kāi)放收送封包的時(shí)間則為聆聽(tīng)時(shí)段(Listening Interval)。每當(dāng)一個(gè)睡眠時(shí)段結(jié)束后，跟著便進(jìn)入一個(gè)聆聽(tīng)時(shí)段，兩者將不斷重復(fù)交錯(cuò)直至省電類(lèi)別被停用為止。在睡眠時(shí)段，省電類(lèi)別所屬的各聯(lián)機(jī)上不準(zhǔn)有封包存在;唯有當(dāng)省電類(lèi)別回到聆聽(tīng)時(shí)段或被停用之后，始可把封包送到聯(lián)機(jī)上去傳送。

　　一旦省電類(lèi)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(gè)省電類(lèi)別即已涵括當(dāng)時(shí)所有聯(lián)機(jī)時(shí)，則其睡眠時(shí)段即是該客戶(hù)端的不可用時(shí)段;但若聯(lián)機(jī)被分配在不同的省電類(lèi)別時(shí)，則各省電類(lèi)別之睡眠時(shí)段交集所成的時(shí)間，才是該客戶(hù)端的不可用時(shí)段。

　　省電類(lèi)別共分為3種類(lèi)型，如圖1所示。其不同點(diǎn)包括啟用停用的程序、允許封包傳輸?shù)臅r(shí)段、及可設(shè)置的參數(shù)項(xiàng)目等。以下分別說(shuō)明各類(lèi)型的特性與適用的聯(lián)機(jī)類(lèi)型。

　　類(lèi)型I：

　　類(lèi)型I由多個(gè)聆聽(tīng)時(shí)段及睡眠時(shí)段交錯(cuò)組成，其中前者是固定長(zhǎng)度，后者則是可變動(dòng)長(zhǎng)度且長(zhǎng)度會(huì)逐次兩倍遞增。省電類(lèi)別啟用后，基站必須定時(shí)廣播流量信息(Traffic Indication)，讓客戶(hù)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(shí)，會(huì)先確認(rèn)兩端鏈接正常后才開(kāi)始傳送，故較能避免封包傳輸出錯(cuò)。另外，客戶(hù)端在使用聯(lián)機(jī)收送封包的同時(shí)，會(huì)直接停用對(duì)應(yīng)的省電類(lèi)別;而基站在收到某聯(lián)機(jī)的頻寬需求信息后，也會(huì)主動(dòng)停用省電類(lèi)別，因此可減少客戶(hù)端發(fā)送的控制信息數(shù)目。

　　只有類(lèi)型I才提供設(shè)定的參數(shù)有：睡眠時(shí)段的起始長(zhǎng)度與最大長(zhǎng)度、省電類(lèi)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(lèi)型I即能適用各種類(lèi)型的聯(lián)機(jī)，但其維護(hù)成本與計(jì)算復(fù)雜度卻也相對(duì)較高。目前非實(shí)時(shí)性的聯(lián)機(jī)類(lèi)型(如nrtPS/BE等)，較建議使用類(lèi)型 I。

　　類(lèi)型II：

　　類(lèi)型II為類(lèi)型I之特例，不同的是睡眠時(shí)段為固定長(zhǎng)度。另外，封包被限定在聆聽(tīng)時(shí)段收送，但不會(huì)因此而停用省電類(lèi)別;不需理會(huì)流量信息，但省電類(lèi)別的啟用與停用只能透過(guò)控制信息傳達(dá)給基站。每隔固定時(shí)間即有封包傳輸需求的聯(lián)機(jī)類(lèi)型(如UGS/rtPS等)，即可考慮使用類(lèi)型II。

　　類(lèi)型III：

　　類(lèi)型III僅會(huì)有一個(gè)睡眠時(shí)段。在此睡眠時(shí)段到期后，省電類(lèi)別便會(huì)自動(dòng)停用;但若想再次啟用省電類(lèi)別，仍須發(fā)送控制信息通知基站。目前如定期測(cè)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(jī)便適合歸類(lèi)在類(lèi)型III。

　　閑置模式

　　睡眠模式大致上已解決了用戶(hù)裝置的耗電問(wèn)題，但當(dāng)客戶(hù)端在大范圍區(qū)域移動(dòng)，因換手次數(shù)增加而產(chǎn)生大量耗電的狀況亦隨之而來(lái)，此時(shí)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(jī)，完成這些步驟既耗時(shí)又耗電。在閑置模式下，假使客戶(hù)端并沒(méi)有封包需要收送，則客戶(hù)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(dòng)性的客戶(hù)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(dòng)管理

　　欲實(shí)現(xiàn)閑置模式，WiMAX導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)分層管理機(jī)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(lái)成一群組，稱(chēng)為傳呼群(Paging Group)，如圖2所示。因?yàn)楦鱾骱羧嚎赡軙?huì)有部份區(qū)域重迭，一個(gè)基站可能同時(shí)是數(shù)個(gè)傳呼群的成員。一個(gè)傳呼群會(huì)有傳呼主控臺(tái)(Paging Controller)擔(dān)任客戶(hù)端位置信息的維護(hù)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(jī)專(zhuān)任。

　　除了傳呼群架構(gòu)，在移動(dòng)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(yùn)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(hù)端所在的傳呼群，卻不知客戶(hù)端現(xiàn)在是連到哪一個(gè)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(hù)端的位置。傳呼的動(dòng)作是由傳呼主控臺(tái)發(fā)起，在固定的時(shí)間里透過(guò)所屬的基站廣播傳呼信息(Paging Advertisement)，客戶(hù)端收到后必須依信息內(nèi)容執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

　　(2) 位置更新

　　在閑置模式下，客戶(hù)端只能透過(guò)位置更新程序與傳呼主控臺(tái)溝通。若客戶(hù)端從基站取得的傳呼群識(shí)別碼(PG Identifier)已發(fā)生改變，應(yīng)執(zhí)行位置更新，把將客戶(hù)端的位置信息轉(zhuǎn)送到后端網(wǎng)絡(luò)。其次，由于客戶(hù)端原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)被暫置在傳呼主控臺(tái)內(nèi)保存，在保存效期結(jié)束前，客戶(hù)端可透過(guò)位置更新來(lái)表達(dá)延長(zhǎng)維護(hù)效期的意愿。另外，客戶(hù)端若確定裝置要關(guān)機(jī)，應(yīng)執(zhí)行位置更新，讓傳呼主控臺(tái)提前清除聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)。最后，若傳呼主控臺(tái)太久未傳呼某客戶(hù)端，則客戶(hù)端必須執(zhí)行位置更新來(lái)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(wú)擔(dān)保(Unsecure)兩類(lèi)，差別只在初始測(cè)距(Initial Ranging)信息是否受到安全保護(hù)。若基站能夠從認(rèn)證端(Authenticator)取得有效的金鑰資料，并以之驗(yàn)證信息內(nèi)容無(wú)誤后，則完成初始測(cè)距后便可返回閑置模式。但若金鑰數(shù)據(jù)已失效或是驗(yàn)證信息失敗，則基站會(huì)要求客戶(hù)端執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入，迫使客戶(hù)端提前離開(kāi)閑置模式。

　　使用傳呼群架構(gòu)，就會(huì)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(shí)，應(yīng)該要衡量客戶(hù)端的省電效益與此使用成本。理論上客戶(hù)端只要在一個(gè)傳呼群區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，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(lái)追查客戶(hù)端，其產(chǎn)生大量的廣播信息會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，也浪費(fèi)頻寬資源。反之若傳呼群區(qū)域設(shè)定太小，則位置更新勢(shì)必經(jīng)常發(fā)生而讓客戶(hù)端的電量持續(xù)消耗。

　　閑置模式使用

　　客戶(hù)端或后端網(wǎng)絡(luò)均可透過(guò)注冊(cè)撤銷(xiāo)程序(Deregistration)來(lái)啟動(dòng)閑置模式。基站將釋放目前使用的聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)，不再提供服務(wù)給此客戶(hù)端。在啟動(dòng)同時(shí)，客戶(hù)端會(huì)告知原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)是否要暫存于傳呼主控臺(tái)內(nèi)，以及聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)的保存效期。只要客戶(hù)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(jī)即可被復(fù)原。

　　在閑置模式下，大部分時(shí)間皆屬不可用時(shí)段?？蛻?hù)端可隨時(shí)關(guān)掉裝置電源，但仍須偶爾醒來(lái)掃描周?chē)幕?。客?hù)端會(huì)以當(dāng)時(shí)通信狀況最佳者作為偏好基站(Preferred BS)，負(fù)責(zé)客戶(hù)端與后端網(wǎng)絡(luò)之間的訊息轉(zhuǎn)送工作。若當(dāng)時(shí)選用偏好基站屬于另一個(gè)傳呼群，則客戶(hù)端必須要接著執(zhí)行位置更新。

　　客戶(hù)端可從傳呼信息里得到偏好基站的定期傳呼時(shí)段(BS Paging Interval)，只要到了預(yù)定的傳呼時(shí)段，客戶(hù)端即應(yīng)醒來(lái)聆聽(tīng)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(tái)要求客戶(hù)端回報(bào)最新位置信息，此時(shí)客戶(hù)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(hù)端，則客戶(hù)端將被指示執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入。對(duì)客戶(hù)端而言，若有封包需要收送或是原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)效期已過(guò)，則客戶(hù)端在任何時(shí)刻只要執(zhí)行了網(wǎng)絡(luò)重登入，便算是要離開(kāi)閑置模式。圖3為閑置模式的使用案例：客戶(hù)端進(jìn)入閑置模式后，前后共選用了3個(gè)偏好基站，且執(zhí)行了一次位置更新;在最后一個(gè)傳呼時(shí)段里，客戶(hù)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(yǔ)

　　當(dāng)前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)因應(yīng)移動(dòng)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(hù)端發(fā)起，并決定各時(shí)段長(zhǎng)度及啟用時(shí)機(jī)。在睡眠模式時(shí)，除了需隨時(shí)維護(hù)聯(lián)機(jī)的封包傳輸正常外，該執(zhí)行的定期測(cè)距與換手程序都不能省略。雖然睡眠模式實(shí)際可省電的時(shí)間較為片段，但卻能適時(shí)調(diào)整以兼顧各聯(lián)機(jī)的傳輸服務(wù)質(zhì)量。而閑置模式雖可由客戶(hù)端發(fā)起，但實(shí)際多由后端網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)。在閑置模式下，兩端不再維護(hù)聯(lián)機(jī)，原始聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)則由傳呼群暫時(shí)保管，客戶(hù)端平時(shí)僅更新位置信息。但若有封包必須傳送時(shí)，一定得執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)重登入，且若原先聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)已被清除，則聯(lián)機(jī)還必須重新建立，因此數(shù)據(jù)傳遞延遲時(shí)間勢(shì)必拉長(zhǎng)，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(duì)應(yīng)的算法來(lái)評(píng)估推算兩者使用的時(shí)機(jī)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。