想要节能减排 从“逐包功率控制”开始

  【天极网网络频道】一、“无线报文传输”简析

  在WLAN等无线射频系统中，各种信息和报文是以电磁波的形式在空中传播的。无线信号从发射端发射出后，无线信号在空中传播过程中将发生能量衰减，距离越远，衰减越严重，并且在传播过程中还会经常受到干扰。如果发送报文的电磁波能量不足，报文将无法到达接收端;或者到达时的能量过小，其中携带的信息模糊或报文因受干扰而失效，导致接收端解析报文失败。并且，WLAN系统支持无线报文的重传机制。如果发射端没有收到接收端的确认帧，发射端将重发上一个报文，这将更长时间的占用无线信道而导致其它用户不能通信。

  但是，并不是说发送报文时的能量越大越好。这是因为：

  接收端的报文解调器是有一定的工作范围的，如果收到的报文能量过大，超出它的解调范围，同样不能正确的解析报文;

  无线环境的特点是共享式的，也就是说，无线环境中的所有用户都使用同一个无线媒介。如果报文的能量过大，造成干扰的范围就大，会影响其它较远距离的正在通信的用户。

  对于上述发送能量大小的问题，可以用“在一个场所中多个人交谈”的生活场景来类比。当你在向另一个人说话时，如果声音过小，距离过远，同时有其他人在交谈，对方会听不到或听不清你说的话;但如果你说话的声音太大且距离很近，对方的耳朵反而会被暂时“振聋”，并且其它人的谈话也会因这个过大的声音而受到影响。

  二、“逐包功率控制”原理

  针对上述无线报文的传输特性，“逐包功率控制”就是在确保报文能成功传输的前提下动态调节AP设备对各个用户的发射功率，以达到减少能耗和干扰的一种方法。其基本过程如下：当一个客户端连接AP上线后，如果AP和这个客户端之间能以较高的速率交换数据，说明它们之间的无线信道较好，于是以保证两者的高速传输为前提在AP上逐步降低对这个客户端的发射功率。但如果因无线环境变差或发射功率过低而产生丢包或降速的现象，AP将提升其发射功率。这样，随着无线环境和客户端信号强度的变化，AP始终力求与客户端达到速率和发射功率间的最佳平衡。“逐包功率控制”功能的处理流程图简述如图1所示。

  图1 “逐包功率控制”的处理流程图

  另外，在降低和升高发射功率的过程中，“逐包功率控制”功能还使用了“可变步长”的技术。具体的，当无线环境较好能够降低发射功率时，AP设备的发射功率以最小幅度的步长(0.5dBm)下降;当环境变差需要升高发射功率时，步长则是以先大渐小的过程升高的(既不是瞬间的突变，也不是小幅度的渐变)。升高和降低发射功率值的变化示意图如图2所示。

  图2 升高和降低发射功率值的渐变过程

  由图2可见，发射功率从20降低到12的过程需要8倍的统计时间，且是等步长渐变的。而升高发射功率的过程却很快，只需要4倍的时间，且步长从大变小。这样的设计既能快速的响应无线环境的实时变化，应对无线环境下的瞬时干扰，又能给客户端足够的时间的来适应对端发射功率的变化情况。

  三、“逐包功率控制”所带来的收益

  节能降耗

  在无线接入设备的实际应用场景中，在同一个区域下通常会部署多台AP，以达到对多用户的全面覆盖和客户端移动时的无缝切换效果。而且，通信设备通常以“7 (天)X24(小时)”的方式不间断运行的。那么，“逐包功率控制”功能在实际应用中能起到多大的节约能耗效果呢？我们来计算一下。一般AP射频口的最大发射功率是25dBm，这时整个射频卡的功耗是4W。采用“逐包功率控制”功能后，在较理想的无线环境下，射频口的发射功率会保持在15dBm左右，这时射频卡的功耗是1.3W，相比最大功率时有67.5%的功耗降低。如果换算成用电量，每个射频卡每天能节省0.0648度的电。也就是说，当有16个射频卡同时工作时，每天就能节省1度电。现在的AP设备大多是双频设备，那么，使用“逐包功率控制”功能后，理想情况下每8个AP每天就能节省1度电。

  另据研究表明，设备的能耗的突然变化会消耗更多的能源。上述的“逐包功率控制”的“可变步长”特性就能很好的防止能耗的突变。当无线环境变好或变坏时，AP的发射功率是逐渐变化的，而不是瞬间跳变成最大或最小。这样既能够降耗和减小对设备的冲击，还能够很好的应对无线环境中的瞬时干扰。

  提高信道重用度

  在批量部署的应用场景下，通过动态调节发射功率，可使无线传输的成功率得到提高，并使多个无线设备之间的干扰减小。这样能使无线信道的复用程度得到提升，用户的可用带宽有了较大提高，整个无线环境将变得更加“绿色”和“顺畅”。

  最简单的密集部署情况如图3所示，在同一场所下部署两台AP，且都有客户端与之通信。当两个相邻的AP都以较大的发射功率发送报文时，两者的覆盖范围有重叠(如图3的两个“红圈”)，它们之间存在相互干扰。依据无线信道的CSMA/CA访问原则，在这两个AP构成的ESS内的4个无线设备两两之间是不能同时通信的。引入“逐包功率控制”后，两个AP的覆盖范围都智能的减小了，两者的覆盖范围不再重叠(如图3的两个“绿圈”)，这时，各AP内部是能够同时通信的，即用户的可用带宽提高了一倍。在这种情况下，当有一个客户端向外移动时，只是与之相连的AP的发射功率会增加，增大覆盖范围;另一个AP的覆盖范围不变(如图3的一个“红圈”和一个“绿圈”)。这时两个AP的覆盖范围仍不重叠，仍能为客户提供最大的可用带宽。

  图3 多AP下的功率覆盖范围

  部署更加简便

  以前在同一个场所下部署多台AP时，是把AP设备先安装好后再使用专业仪器测量多个地点的信号强度，然后由专业人员靠经验来调整各个AP的发射功率，以使各点达到信号足够强但不会有太大干扰的效果。引入“逐包功率控制”后，将使部署无线网络更加省时省力。现在只需把AP按场所的实际情况布置、安装好，然后使能“逐包功率控制”功能。接下来就由AP自己来实时的、动态的调节和控制对其它无线设备的发射功率和覆盖范围。这样，将略去原来部署方法中的“多点测量”和“调节功率”阶段，节省大量的人时投入。而且在实际运营时，整网能够更快的响应无线环境的变化和持续优化多用户的实际可用带宽。

  延长产品寿命和降低辐射

  减小产品能耗也能使产品自身的运行环境温度和器件的损耗降低，从而延长了产品的使用寿命，节省了用户的长期投入。

  众所周之，电磁波是一种能量。当电磁辐射限制在一定范围内对人体是无害的。但我们仍希望通过“逐包功率控制”来动态的调节AP设备的发射功率，在无线环境较好时能够把发射功率降低，以进一步降低对人体的辐射。

  四、结束语

  自进入二十一世纪以来，节能环保和善待环境的意识已经深入人心。站在高科技顶端的IT业界更是想方设法的为用户提供更加 “低碳”、优质的产品和服务。在各种具体的实现方法上，除了最常用的使用环保材料和节能器件等方法外，还应从产品的功能和运行过程等方面深入思考，持续优化。“逐包功率控制”就是一种应用在WLAN环境下的环保新技术。它能根据当前的无线环境和各个客户端的信号强度来动态调整AP设备对该客户端的发射功率。在无线环境较好时，逐步降低无线设备的发射功率和覆盖范围，从而达到节能减排和优化网络应用的效果。当然，该技术在实际应用中还体现出了“部署更加简便”和“延长产品寿命、降低辐射”等优点，值得大力推广。