80211beacon和省电功能讲稿.docx
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80211beacon和省电功能讲稿
介绍演讲的主题是无线电的省电功能。
各位同学，今天要讲的主题title很长，所以我就不念了，不过关键在hybrid，所以我会把一些整合的现有的系统作一个呈现，那这些keyword以下都会在我们投影片里看到，那就请大家看一下。
本来那个演讲一开始都要讲一些笑话，那我不太会讲笑话，所以我就用动画来代替。
这里有一中国的谚语是"人休息是为了走更远的路"，把他翻成英文就是这样。
这里有个动画，那这有两个娃娃阿，那这两个娃娃他们平常是感情很好，他们一定要随时能互相联系，那这两个娃娃是用电池来驱动，他们为了能够...因为他个两个娃娃能量有限，他们为了能够省更多的能量阿，所以他们经常在不需要讲话的时候进入休眠模式，也就是睡觉模式；结果他们有个需求就是随时又要能够互相联络一下，所以就讲好了，在同一个时间睡觉，然后固定时间到了，又一起醒来，然后互相大家对话几句，然后又很放心的继续睡觉，好，那目的是休息是为了走更长远的话，那这个是第一个动画。
那我们再看一个动画，这里又有两个娃娃，他们感情一样很好，所以呢，他们也要要随时能够聊上几句，那同样的他们也是要休息是为了走更长远的路，那一样，他们经常进入所谓的休眠模式，然后在定期的时候又醒来，他们又同时要讲上几句话，联系一下。
那你可以看到上面的动画和下面的动画他们不一样的是，上面他们的睡跟省是同步的，睡三分钟比如醒来60秒，然后又睡三分钟醒来60秒。
那底下这个是睡醒是不同步的，所以比如说我醒来，刚好你也醒来，那我们就能讲上几句话，那常常碰到一个状况就是左边的娃娃醒来的时候右边的娃娃正好睡着了，那或是相反地，只要是这种状况喔，一个娃娃醒来而另外一个娃娃没醒的话，他们就对不上话，所以久了以后感情就疏离了，不能像以前感情很好的状况，那这个就是今天我演讲要讲的东西。
一样的，在今天的通讯设备能够在省电的情况之下，能够保证他们在定期的时间内能够用无线电联络的上，那你就能了解为甚么这个问题。
那当然无线电设备最省电的情况就是要能够一起睡一起醒，比如说一起把无线电打开，一起把无线电关掉，那有几个状况就是无线电的时间跟讯号没办法百分之百同步，那这个时候你要用以下这两个状况来讨论，那这个会比较省电，那这个会比较不省电，但是他有个特性就是会比较时机一点，所以我们以下介绍的方法就是会结合以上同步的方式跟不同步的方式，也就是这个hybrid的方式，问题是我们大家把，现在无线电最流行的wireless的localgatewaynetwork的标准802.11拿来当作我们研究的基础，我们讲一下什么是802.11所串成的limits，或是我们未来的随意网，802.11的随意网，然后再讲为甚么要讨论让你的设备用的更久，休息是为了走更远的路，然后我们要怎样把两个不同类型的计算机，同步的跟异步的把他合在一起，然后讲一下一些母体结构的东西。
说明使用802.11的一些好处，以及价格与产能的相关性
首先介绍802.11的随意网络，那802.11很有名喔，在座的很多同学拿notebook，上面应该都有802.11的网络卡，那在1997年IEEE就批准世界标准，那在1999年又有一个session出来，我们知道从商业上来看，这里有一个价格的预测，还有出货量的预测，还有我们看看他的出货量在我们现在所在的2006年大概有50个million，在他的价格上下降到了100美元，或5,60美元，这其实就是一个经济规模的曲线，他告诉我们这个东西已经变成我们日常生活中一个经济产能，出货量会持续的上升，价格可能会持续的下降，当然这里会有一条稳定的线，这里会有一个趋近的线而这里也会有一个趋近的线，这里价格会相当低，那他的数量仍然会持续的增加到一定的数量，这个是他的family，这个不是我们今天的主题喔，所以这边让大家看一下就好，这里有大家所熟悉的802.11b，802.11g，还有802.11a，还有现在802.11superg，速度可以达到108Mb/s，这是告诉我们802.11的family非常多个workinggroup，在使的通讯协议更加顺畅，这里列的只是一部分，包括作security，包括作QoS，包括作这个（...）等等，都要有非常好的support，所以用这个802.11绝对不用担心会有未来都不会出现不会继续进步的状况。
802.11有两种模式：
Infrastructuremode&AdHocmode，与multihopAdHocnetwork的简单原理和应用领域
那802.11有两种模式，一个模式叫Infrastructuremode，一个叫做AdHocmode，基本上使用者在使用笔记型计算机的时候作数据存取，都会有基础建设，AP就是你的基础建设，有些AP是透过一些后面的有线网络作联机，数据存取的到你的AP，那基本上你就不会注意到，这就是所谓的Infrastructuremode。
那么用过无线电网络卡就会知道那里还有一个mode叫AdHocmode，也是随易模式，他就是以下这个图标，就是没有基地台，就叫做AdHocmode。
那AdHocmode就是不需要基地台，那你的笔记型计算机或PDA的网络卡可以作互通，就叫做AdHocmode。
那802.11的AdHocmode他是定义在所谓的onehop环境，就是所谓的单跳模式，就是说我们彼此在对方的无线电的通讯范围之内的时候，是可以这个....彼此在互相的无线电的传输范围内可以联机，就叫onehopAdHocmode。
那你刚刚看到的动画里面，出现了一个状况就是，刚刚这里有一个PDA，他往左边移的时候呢，那会造成一个新的联机，他会感应到在我的左侧其它的，也是开在AdHocmode的计算机出现，那就会有一个新的联机出现，那你看到这里有什么变化？
那其实因为这个新的联机，所以我这里的A计算机会透过onehop，twohop，threehop与这边的E计算机联机上，所以这就是一个threehop的一个path，所以当你在使用你的AdHoc模式，在你的计算机上作无线电传输的时候，那你其实所采用的就是所谓multihopAdHocnetwork。
那这个onehop的AdHocnetwork比较简单，大家都在彼此的附近范围传输，也有类似centralcontrol的味道，一个封包一送所有的人都收到，这个是比较简单的状况。
那我们会讨论比较复杂的状况就是，假如你的网络是经过多跳的，能够互相通讯的情况之下，那其实是通常的多，那当然它也是广泛的多，应用的广泛，所以我们今天要讨论的是multihopAdHocnetwork这样子的模式。
那这样的模式在国际上的研究其实已经十多年了，那最早是IEEE的InternetSocietyIETFTaskForce，InternetEngineeringTaskForce因特网工程跟编组里面有一个小组MARS，就是ManageonSMAR，那manage就是noAdHocnetwork这样的缩写，那这个讨论的就是我们刚刚讲的，ofwirelessnormalhostmobileontemporary，一个临时构成的网络，比如说Aof?
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istheinfrastructure，没有临时扩充网络的这样的一个环境，而且希望不要有任何的藉助，centralized网络的环境。
那其实有这样的需求了，大概就是我们看看，那最有需求的就是军方，就在战场上的时候，战场上很难得会有基础建设，所以大家很快的把notebook打开，或是把PDA打开，就可以串成网络；或者disasterrescue，那如灾难现场阿，921地震以后全台断电，那基地台都失效了，那怎么办？
还能有网络吗，可以阿，Adhocmode一切阿，大家都往那边串上，所以那个在急救灾难现场，是可以用的。
跟某个同学在外面不期而遇，那实际上我们都没有网络的传输，如果我们有AdHoc模式的话，我们可以打开计算机就做通讯。
那为了outdooractivity，假如我们今天不在这演讲而是到户外去演讲，那到后山去演讲，那边或许假如假设没有基地台的话，那我们还是希望互相能够存取资料的话，那我们可以透过AdHocnetwork来达成，所以AdHocnetwork没有基地台，所以就有不同的应用，就是Applications。
802.11在不同的layer有不同的省电研究方向
所以我们刚刚所讲的网络里面，一个Singlehop，那有Multihop的，Singlehop是我们刚刚讲过它是不会connected?
?
，所有的人都在彼此的传输范围里面，那Multihop呢，就是节点式透过另外一个，ㄜ...透过sharedofintermediatenode跟另外一个节点作通讯，那这个Multihopnetwork其实复杂多了，他会构成一些有效的partition的问题：
网络分成两半阿，彼此都不ˋ知道对方存在，然后还有一个网络冗何的问题，怎样把分成两半的网络再合接，这个比较会讨论一下。
所以我们今天的主题是Multihop的AdHocnetwork。
所以我们来看，这样的网络上面，我们为什么挑这个网络的问题来讨论？
那因为在这些total的device，我们一一的讲，就是可携式的，可携式计算机，那都是靠电池来驱动的，透过这样的电力来源，那我们知道电池的技术进步的相当缓慢，我们IC有所谓的穆尔定律，或者有后穆尔定律，每一八个月，IC的密度就会增加一倍，让我们的运作速率也变快，那电池没有这样一个技术的进步在那，所以电池其实严重落后我们其它的技术的发展，所以我们如何省电变成一个关键的问题，，所有的device都是由battery来support，这就是我们为什么要挑这个问题来研究，可以的话可以帮我们学校省电，那在这个802.11上面呢，powersavingproblems，或者solutiontopowersavingproblems，从三个方向去讨论。
第一个方向在physicallayer讨论，那控制传输范围从硬件上去控制无线电的传输范围，那第二个层次是在MAClayer做讨论，就是在媒体存取控制层，那这个地方讲的就是，在我可以有时候把无线电关掉而省电，那你要会看一个统计图表，统计窗体，就是无线电网络卡关掉无线电模式之后他的耗电量是原来的二十分之一，所以我可以省掉二十分之十九的电，所以我们就讨论一下在MAClayer下我们可以做一些省电的管理，还有一些相关的研究，那在另外还有一些是在networklayer所做的研究，就是我怎样能够在遶径的时候，能够考虑省电的因素，这里也有一些相关的研究，我就列了一些，而且在近期2004,2005,2006还是有很多研究在这边做探讨。
Physicallayer的省电例子：
缩小通讯范围，增加空间的利效率
那我们现在稍微把physicallayer所做的事情稍微讨论一下，那这个...这里有三个六对无线电的传输设备A,B,C，A正在送数据给B，那D正好要送数据给C，恩..C正好要送数据给D，D正好要送数据给F，所以在这个情况之下，我们要问一个状况，假如A正在送数据给B的情况下，那我们要问，C可以同时送给D吗？
那D可以同时送给F吗？
那我们的答案是不可以的，因为无线电的干扰，基本上是在数据发送源固定半径范围里面，那就会产生的干扰，那假设A的无线电干扰范围是这么大，传输范围是这么大，那同时你让C把数据送给D，对D来讲他是干扰，他收不到，因为他跟A，他也收到A的讯号，也收到C的讯号，所以干扰。
那同样的，F也是同样的状况，同时也收到F的无线电讯号，同时也收到D的无线电讯号，他也是干扰的况状。
那有没有一个方式可以让A,B,C,D跟E,F同时传送数据呢？
那我们可以这样作，那么我们发现A希望把数据送给B的时候，A,B的距离不是很远，所以A只要缩小他的传输，无线电传输距离喔，那可以省下很多电力，无线电的传输几本上是跟距离的a次方成正比，a可以得到5，所以那是...不是，不只是距离成正比，而是根距离的2到5次方成正比。
所以当我们能够把传输距离缩小的时候，我缩小下来了这个...我省下了这个功率几乎是距离的a次方，最少a平方，这时A可以省下很多电，那因为我A把这个无线电传输距离缩小了，那所以这个时候，F就收不到A的讯号了，B也收不到A的讯号了，那所以同时A,B跟C,D和E,F三组传输就可以同时进行，这个就是无线电里面一鱼二吃的最好例子。
那既省电，而且又可以同时增加彼此的spaceefficiency，就是空间上更多人可以同时传输。
好，那这是第一个，大概有一类就是做这种transitionpowercontrol的，那我只是随便举个例子喔，大概还有很多不同的研究主题，不同角度省去能量，这是一个。
MAClayer的省电例子：
关掉无线电，周期性的开启无线电以便接受讯号
好，那第二个就是刚刚讲的MAClayer，媒体存取层，那就是...我们同样举个例子喔，A正在送资料给B，那问你说，C有必要保持醒着吗？
譬如说，C有必要把无线电打开吗？
那我们的答案是no，因为A正在送数据给B的同时，那其实这个时候C也不必醒着，因为他也收不到，那同时C其实也不能把数据送出去，因为他一送数据，他也会干扰到B，那所以他不能收也不能送，那就不用醒着，那不用醒着就可以永远不用醒着吗？
所以我们会把他的无线电关掉，但是你随便把一台设备的无线电关掉，那你要让它周期性的醒来，以便能够等一下万一喔，这个A跟B的数据已经传送结束以后，那A这时候他要送资料给C，刚刚C看到A正在送资料给B阿，他就把无线电无穷无限期的关掉，那万一等下A有数据要送给C，那C不就是没办法收到了吗，所以他一定要周期性的醒来，把无线电打开，然后看看有没有讯号进来，是要开个封包，所以这个就是一个所谓mode，activemodemanagement。
那无线电关掉，进入省电模式，大概只要用二十分之一的电力就够了，但是我要周期性的把我的无线电打开，短期的进入activemode，以便能够接收到正好有讯号进来，那这边有非常多的研究在这边进行。
networklayer的省电例子：
利用不同的routingalgorithm找到最适合的传输路径
那我们再看networklayer，这边有一个例子喔，这里有一个sourcenode，我要找一条路径透过multihoppath，把我的封包送到destinaiton，所以从S送到A，那很明显的，正好有条绿色的path是三个hop，onehop,twohop,threehop，以下也有一条红色的path，也是三个hop，好，那我们会选那一个路径来送？
那就会有很多选项了，那在我们这里面呢，可能会，有些算法会说不定会选这条路，那他的理由是什么？
因为这里面呢，每一个中间节点电力都是还是比较充足的，好那为什么不选上面这条路径呢？
那因为这个路径里面，这个设备的电力已经非常不充足了，那帮忙转送几个封包之后，他可能就...电力用完，他就挂掉了。
好，那我们在网络上，通常会有一个..在多跳网络上，通常有一个节点挂掉的时候，常常会使整个网络的连通性消失，所以在criteria之下，我们希望选到这条路径。
当然你可以有不同的criteria，那有时候有些criteria可能会会选这条路径，而你的着眼点是省能，就是走耗电量较小的你可能就会选这条，可能这里是三公尺，这里是三公尺，这里是五公尺，总耗电量比较小你会选这条路，那这条路可能这里是十公尺，这里是二十公尺，这里是三十公尺，那传输距离比较远比较耗电，总耗电量比较大，你有时候就不选这条，所以不同的criteria会影响你的路径的选择，还是以你要采哪一个criteria去看，那你也可以一起考虑，那么这边也有一堆research做这个研究，所以可以考虑一下去找些relatedpaper去看一下，假如你有兴趣的话，你等一下，刚刚讲说做省电，无线通讯随意网络，随意网络上面省电大概省了三倍，phisicallayer,MAClayer和networklayer，那我们今天focus在MAClayer，就是做powermanagement，有时候我们把无线电关掉，节省一些电力，当我们不用传讯传输讯息的时候我们把无线电关掉，省掉一点电力。
无线电关掉电源是最省电的方式，但一直关会收不到讯号
好，那我们看这个把无线电暂时关掉有什么好处？
这是一个实际的数据，我们采取这个nocall，当这个网络卡在11Mbps的时候，在工作，我把无线电暂时切入省电模式或是睡觉模式，你只要耗掉60mW，千分之六十瓦特的功率就好了，但是只要你一把无线电打开，那不管你是在送数据，在收数据或者只是把无线电开着，在那边等人家...监控有没有无线电讯号进来的话，至少也要805mW，所以你可以比较一下，一个至少有...最多就可以差到20倍，那就超过20倍，那这里至少有几倍的差距，有到13倍以上的差距，所以无线电关掉对他是省电的事情，或者换句话讲，把无线电设备传输的模块是很耗电的单位、很耗电的模块，没事就应该把他关掉。
但是我们不能一直关阿，一直关会收不到，这是他的缺点。
802.11的省电控制设定
所以802.11他本身就有一些设定，所以我们刚刚看到上面的动画，注意一下他是同步的。
每个设备的时间是对话时间，对话时间我们讲一秒钟大家醒来一次，大概在内部频率每一秒的开头就会把无线电打开打开十分之一秒，规格是这样定义的，每个设备定好时间之后，就每次一秒钟为单位，一秒钟到的时候，就醒来十分之一秒，其它的十分之九秒就回到无线电关掉的省电模式回到synchronizemode。
把synchronizemode搬到多跳环境的问题
当然synchronizemode有一些问题，当我们把synchronizemode搬到多跳环境的时候就会产生一些问题，刚刚忘了提synchronizedmode是用在单跳的环境，单跳环境有一个好处，刚刚讲过就是作为一个节点广播一个封包叫大家定时、对时，大家的时间都一致，所以他的synchronize比较容易做到。
当然我们把单跳模式的这个省电通讯协议搬到多跳的模式，对时就变的很困难。
所以就需要异步的一个通讯协议，等一下有别的投影片会讲的比较清楚。
Beacon的介绍
所以在802.11他有自己定义的省电通讯协议，他可以做单跳的省电控制，但是在多跳就需要用到异步的，但不管单跳或多跳都需要用送Beacon，讯标，或者叫信标，信标作对时跟做一些有没有数据量传送的控制，什么是Beacon，Beacon在无线电设备里面是很普通的零件，无线电设备因为没有实体的联机，必须不时的送一些讯号来告诉其它的无线电设备说我在这里，我有一个无线电频道可以来跟我联机，所以无线电设备里面Beacon是一个很重要的一个讯号。
在802.11的省电方面协议里面还有一个很重要的功能是tosynchronizeclocks所以大家可以把无线电塞一个clock收到以后大家就互相对时，所以这是Beacon的作用。
所以Beacon在无线电里面很重要循环通知别人我在这，通知别人可以对时了。
802.11如何用Beacon来对时
那802.11怎样用Beacon来对时呢？
刚刚讲过，他把时间切成一秒一秒的为单位，每一个单位称为一个信标周期，对每个信标周期他会送一个信标出来，所以每一个信标周期开始呢，叫做Beacontransitiontime，每个信标周期一开始准备要送出信标了，跟发光一样，光走一圈很多量子，量子有周期的。
一堆人一堆设备，比如说一堆人在同一房间里用notebook，现在都是onehop这些设备都在省电模式底下，一秒钟后时间到了大家都要抢着送出信标，假如大家都送，那大家都通通撞在一起，所以一定要有一个机制，让他能够把信标只有一个人可以成功传送，所以他的第一个动作就是，每个人都会选一个randombackofftime，一个随机后退时间，所以我可能选8，连老师可能选2，所以在一开始的时候大家都会后退一段时间，我选到8有8个时槽，那连老师选2有两个时槽，在我等待的中间，假如没有收到Beacon的传送，等到我8的时间到了，就不能送了。
那如果我选8，我等到2的时候，连老师他在2的后退时间发现0和1都没有人送，他其实在第2个时槽就送出Beacon，那连老师送了Beacon，当然我就接受到Beacon当然我在第8个时槽就不送了。
所以每个人都随机选一个后退时间，所以只要是节点数够不会太多，后退时间够分散的话，基本上，大概大部分的时刻都只有一个Beacon会成功传送出来，而且传出来大家都收到了，那这个例子里面只有两个节点，A送出来，B收到了，那B收到以后呢，就会透过一个timesynchronizationfunction去把他做时间同步。
那同学有没有注意到这其实是onehop很好做，因为onehop大家都在彼此的无线电传输范围内，只有一个节点会送出Beacon，大家会根据那个节点的Beacon来对时，里面会塞一个时间信息，所以就把大家的时间都同步了。
所以一秒钟对表一次，那802.11的误差，出槽的误差上限是200bpm，就是一百万秒才会误差两百，所以一秒对一次误差就会很小。
所以大家时间都会很准，一秒对表一次。
所以假如送Beacon的时窗里面大家把无线电打开了送Beacon，收Beacon，等看看有没有任何人要收送数据，假如都没有任何的讯号出来的话，就表示没有人有送资料，所以我就可以进入powersavingmode，进入省电模式。
所以我十分之一秒无线电打开，收Beacon对表，然后呢，假如没有任何讯号要送给我，我就进入省电模式，所以我有十分之九的时间进入省电模式，用大概二十分之一的电力维持。
我有十分之一的时间收送Beacon，大概百分之一百无线电打开来维持，所以这就是他的省电量。
大概这个省电量就会像刚刚一样达到十分之九的省电，可能比十分之九还少一点，大家可以算一下，因为这里还有二十分之一的电力要维持。
那假如每一个一秒钟，第二秒钟开始，大家又抢着开始要送Beacon，同样的，基本上有很大的机率只有一个人会传送成功，那每个人就跟他对表，那不要担心A的表跟B的表会差很多，不会！
因为刚刚一秒对一次，偏差是200bpm，不会差太多，所以谁送Beacon对表都没关系，都会把他对的很准。
那Beacon送完以后，大家还是维持在十分之一这样一个无线电的状态之下，这个情况下，在这个例子里，假如A有资料要送给B的时候，会发一个通知给B，B因为正好把无线电打开，会收到并会回一个讯号，代表只经知
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