802.11a/g 相对于 802.11b 的低功耗优势

德州仪器公司无线 LAN 业务部

引言

802.11无线局域网 (WLAN) 或无线保真 (Wi-Fi®) 技术正在全球范围内的企业与家庭中得到成功部署。随着 Wi-Fi 的实施不断发展，基于其上运行的新型应用数量也不断上升。起初，人们认为 Wi-Fi 只是家庭与商业网络中以太网以及工业移动计算的简单替代，但过去一年以来已显现了新的趋势。由于 WLAN 实现了成本节约及更多的功能，因此对以前未与任何WLAN连接的范围广阔的各种设备而言，都成了富有吸引力的解决方案。上述的设备与新型应用包括：

手机／智能电话，包括企业所用的带有因特网协议语音功能 (VoIP) 的手机；

个人数字助理 (PDA)；

带有Wi-Fi VoIP功能的无绳电话；

电子游戏控制器、无线音响喇叭、在墙上型平面显示器上放映MPEG视频的视频调谐器；

用于安全及其他用途的感应器和照像器；

功耗与电池寿命对大多数具备 Wi-Fi 功能的新型设备来说都是至关重要的，特别对移动电话及 PDA 而言更是如此。大多数 Wi-Fi 应用 90% 至 95% 的时间内一般都处于待机状态，而不是处于进行数据传输或接收的工作状态。显然，等待操作状态中功耗极低是延长电池寿命的一种必需。为了解决这一问题，TI 开发了增强型低功耗 (ELP") 技术，实现了同类型中最佳的待机功耗。

本白皮书将讨论以下问题：

对于延长具备 Wi-Fi 功能的便携式设备的电池寿命来说，哪种 Wi-Fi (802.11) 物理层 (PHY) 技术最适合？

PHY 选择为：

802.11b

802.11g or 802.11a／g

从理论上说，更简单、吞吐量较小的 802.11b 调制方案似乎能够实现更低的电池功耗。举例来说，如果我们考虑传输或接收一个字节数据所消耗的功率，那么我们发现，802.11b 设备就相同数量的数据而言比与其相当的 802.11a／g 设备少消耗约 30% 的功率。但是，我们分析时如果仅考虑设备有源方式传输或接收数据时每比特位或每字节的功耗，那么所得结果可能会具有相当的迷惑性。

802.11 设备整体功耗的另一关键因素在于，设备传输或接受一定量的数据时必须保持有源方式的时间长度。电池寿命不光是与有源方式每比特位数据功耗有关，而且还与设备传输或接受有意义的应用数据量时必须保持有源方式的时间长度有关。

举例而言，尽管 802.11b 设备可能在执行单一传输或接收操作时比 802.11a／g 设备少消耗30% 的功率，但该 802.11b 设备传输或接收相同数据量情况下保持工作状态的时间必须比802.11a／g 设备长三至四倍。因此，如果我们就实际使用情况进行分析，那么就会发现平均而言，802.11b 移动设备在典型操作过程中比 802.11a／g 设备多消耗约二至三倍的功率，因此其会缩短电池寿命。

本白皮书其余的部分将提供研究、分析以及例证以支持上述结论。VoIP 是用于应用的实例之一，因为其比简单的网络浏览或其他几种应用所消耗的电池电量更多。

802.11 分组结构

由于有源方式花费的时间对于移动设备的功耗而言意义重大，因此我们讨论分组结构就能够说明为什么在此方面各种 802.11 调制方案彼此不同。

在 802.11 分组组装期间，来自 IP 层的有效负载数据（即正被传输的数据）与 MAC（媒体访问控制器）数据以及作为校验和的四字节数据片断（也称作 CRC 或 FCS）被封装在一起。所有上述数据都组合入 MPDU（MAC 分组数据单位）。当传输分组时，PHY层附加同步化报头。完整的 802.11 分组如下图所示。

图 1、802.11 分组封装

研究显示，网络流量以较短的猝发数据为主。下一页的图示显示了 IEEE 所进行的研究，其也证明了这一点。

图 2、IEEE 网络流量分组大小模型

该研究显示，54% 的 IP 流量都由长度不足 127 字节的数据包组成。68% 的网络流量都由长度不足 256 字节的数据包组成。基于上述研究结果，我们可以下结论说，分析较短数据包对功耗的影响能够对实际情况下 WLAN 应用的功耗多少给出准确的指示。

VoIP 应用为典型 802.11 网络中所遇到的数据包大小给出了良好的例子。举例而言，应用经过配置可组装 20 msec 的编码语音。根据所实施语音编解码器类型的不同，数据包中语音数据有效负载的大小也不同，如下表 1 所示。

编解码器

长度（字节）

G.711

160

G.726 (16 kbps)

40

G.729 (8 kbps)

20

表 1：根据 VoIP 应用中编解码器的不同而产生的语音数据有效负载大小或长度差异

以上显示的有效负载随后组装在 IP 数据包中。我们可首先附加在 IP 网络内支持 QoS 的 RSVP 协议报头。随后再附加 UDP 报头。最后，根据 IPv4 或 IPv6 协议的命令，分组得以完成。整个 IP 分组总的开销因此为：

IPv4 为 44 字节

IPv6 为 64 字节

除了 IP 开销之外，还必须添加 802.11 MAC 开销以形成 MPDU。在这种情况下，已将最新的802.11e WME MAC 报头和 FCS 添加至分组，这就又使其长度加长了 32 字节。

最后，802.11 PHY 报头必须连接至 MPDU。PHY 报头的长度根据 802.11 调制方法的不同而差异很大。几种 802.11 调制方案固定的报头长度如下所示：

802.11b 短 96 usec

802.11b 长 192 usec

802.11a／g 20 usec

上述数据反映出，802.11b 要求附加于每个分组的报头长度比 802.11a／g 分组要长 5 至 10 倍。

下图显示了整个封装过程及有关开销：

图 3、VoIP 分组的 IP 与 802.11 封装

开销总结

特别当 802.11 分组较短时，开销将占据 802.11 流量的大部分。如果对标准的 IPv4 协议进行实施，则约 45% 的 WLAN 流量可归为 802.11 MAC 封装开销。此外，802.11b 带有严格为开销的报头，最低也比 802.11a／g 报头长 5 倍。

以下部分将说明较低的数据速率与较长的报头将导致 802.11b WLAN 比 802.11a／g 网络的功耗高很多。

根据调制方案划分的 802.11 分组时间长度

下面的例子显示了 802.11b 和 802.11g 调制方案二者有源传输或接收时间的明显不同。我们在下面的分析中将采用 20 msec 的 G.729 VoIP 语音分组。为了尽量对传统的 802.11b 数据保持公平，我们的分析假定已经实施了较短的 96 usec PHY 报头。

基于上述假定，下图显示了 802.11a／g 与 802.11b 相比在传输或接受 VoIP 分组所需时间方面的明显优势。

图 4、根据调制方案不同划分的 802.11b 与 802.11a／g G.729 语音分组时间长度

上述情况不仅适用于带有短数据包的流量，而且也适用于所有 TCP／IP 数据流量，如下图对 512 字节分组流量所显示的情况。

图 5、根据调制方案不同而划分的 802.11b 与 802.11a／g 数据包长度

分析显示，802.11b 分组可能比 802.11a／g 分组长达五倍，而且大多数典型的 802.11b 分组都至少比 802.11a／g 分组长三至四倍。此外，如果 802.11 PHY 报头包括在分析中的话，那么较短的分组（如 VoIP 应用中较典型的分组）不管 802.11a／g 调制速率如何都会较较长的分组有着显著优势。

下面的表 2 总结了 802.11b 与采用一定 802.11a／g 调制速率的相当分组相比长出的倍数。在本例中，VoIP 分组具有 20 字节的有效负载，而分组则带有 512 字节的有效负载。

调制

数据包

VoIP

a/g - 6 Mbps

0.652

1.141

a/g - 9 Mbps

0.965

1.604

a/g - 12 Mbps

1.271

2.000

a/g - 18 Mbps

1.864

2.700

a/g - 24 Mbps

2.430

3.240

a/g - 36 Mbps

3.490

4.050

a/g - 48 Mbps

4.444

4.629

a/g - 54 Mbps

4.906

4.909

表 2：采用不同的 802.11a／g 调制方案时，802.11b 分组与 802.11a／g 分组相比长出的倍数 (xN)

一旦了解了 802.11b 与 802.11a／g 分组长度之间的显著不同，我们就可以讲清楚 802.11a／g 的节约功耗优势了。

比较 802.11b 与 802.11a／g 的功耗

在实际的 Wi-Fi 网络中，我们必须考虑到几种特性，其中包括用户设备离接入点越远时调制速率也会降低等。此外，802.11a／g 和 802.11b 功耗之间的差别在用户满意程度方面也是一个至关重要的因素。

下图显示了用户离接入点的不同距离、离接入点距离不同情况下的调制速率以及测量活动站传输每比特位所需能量而得出的功耗。我们假定为典型的办公室环境传输模型，损失比例为R^3.3，而不是假定为损失比为 R^2 的理想传输模型。我们在分析中也包括了调制复杂性与峰值至平均速率的变化等。

图 6、传输每比特位所耗能量的最差情况（802.11b 与 802.11a／g 进行对比）

（蓝线为 802.11b，而绿线为 802.11a／g）

上页中图示所采用的数据显示，由于 802.11a／g 的功效高于 802.11b，因此也就使传输每比特位所耗的功率至少节约了 2.5 倍 (2.5x)，优势是相当明显的。我们在得到上述功效优势时还采用的是最差情况，所用的 802.11a／g 分组比在一般情况下要长。在带有较短 802.11a／g 分组的典型 WLAN 中，802.11a／g 与 802.11b 相比，其功耗拥有增至 3 倍 (3x) 以上的优势。

结论及其他考虑事项

尽管和人们直觉感觉不同，但事实仍然是 802.11a／g 调制的功效比 802.11b 高出二至三倍。这使得我们在 WLAN 上操作时，移动设备的电池寿命能够获得显著改善。

尽管 802.11b 在某个时间瞬间所耗的功率可能较少，但在 802.11b 网络上传输／接收有意义的应用数据量的时间却可能比 802.11a／g WLAN 长出五倍。支持更长的传输／接收时间所需的功率使 802.11b 的功效大大低于 802.11a／g。

为了充分利用 802.11a／g 的功效，芯片组必须对电池操作进行优化。电池组应做到：

空闲状态下功耗极低。TI 的解决方案在目前现有的所有芯片组中实现了最低的闲置功耗；

从空闲到工作状态的唤醒周期非常迅速；

能够智能处理 802.11 标志。（TI 的 ELP 操作模式是例子之一。）；

传输功率控制；

能够支持 802.11e WME 与 WSM QoS 模式。

TI 的 TNETW1130 及 TNETW1230 MAC 控制器／基带处理器以及 Auto-Band" 系列射频前端 (RFFE) 包括所有上面列出的要求，此外还拥有许多其他功能。TI 的 Wi-Fi 芯片组已成为 PDA、智能电话、多媒体电话与设备以及 Wi-Fi 外设等新一代具备 Wi-Fi 功能的 VoIP 及数据服务的选择。

本白皮书仅集中讨论改善 802.11 移动设备的电池寿命，但实际上 802.11a／b／g "全局频带"芯片组还能提供其他优势。这些优势包括：

1. 802.11a／b／g 全局频带 WLAN 具备 30 多个 Wi-Fi 通道，而 802.11b 部署仅具备三个通道。

a. 由于通道数量多，因此 802.11a／b／g Wi-Fi 网络与只有三个通道的 WLAN 相比就能够有效避免相互间的干扰。

2. 802.11a／b／g Wi-Fi 网络的吞吐量及容量是仅支持 802.11b 的 WLAN 的四倍多。

a. 具备更高吞吐量及容量的 WLAN 可支持更广泛的应用集，其有着更高的性能要求，也带来了更大量的用户设备。

对上述问题的详细讨论并非本白皮书的范围，不过 TI 今后几个月将发布新的白皮书以对上述课题进行讨论。

如欲了解更多信息，敬请访问 TI 网站：www.ti.com/wlan。

ELP 与 Auto-Band 均为德州仪器的商标。Wi-Fi 是 Wi-Fi 联盟的注册认证标志。