背景介紹
了解WIFI節能的機制之前，首先要了解WIFI能耗的消耗發生在什麼狀态下，顯而易見，發送和接收肯定是消耗能量的，還有一點是要認識到的，Power Save通常是在STA端進行的，AP需要一直廣播并且很多AP都是固定位置并接電源的，移動性小，是以AP的power save基本上是要求支援STA的power save，不至于STA進入省電跟AP不相容，我目前的認識裡隻有2個AP是可以省電的，一個就是TPC，可以對AP進行發射功率配置；另一個是SMPS，協商選擇關閉某些天線的收發來達到節能效果。回過來接着講耗能的狀态，其實一般的WIFI裝置還有兩個狀态：sleep狀态（别以為sleep status下不耗能）和接收空閑狀态。下面是四個狀态：
· Sleep ：節點進入休眠狀态，關閉接收和發送，能耗最低；
· Rx idle：接收空閑狀态，其實這個是CCA檢測狀态，并未進行資料的接收；
· RX：接收狀态，STA檢測到要發送給自己的資料，對資料進行接收；
· TX：發送狀态，就是發送資料。
這四種狀态是可以互相轉換的，譬如數sleep狀态轉換成RX idle，然後RX idle可以轉換到RX或者TX狀态。資料通信的部分都是發生在TX和RX狀态下，但是為了不産生傳輸沖突，WIFI大部分狀态是處于Rx idle下的，而且這個狀态下接近于RX狀态，良好的使用power save機制是可以很大限度的進行節能的。
沿着這個思路其實就是要盡量降低RX idle的時間和增加Sleep的時間，進而引出了AP的緩存技術和STA的PS機制，這裡隻講PS機制。
Power save機制
省電模式的前提機制
省電模式的前提機制，AP的beacon中攜帶TIM（Traffic indication Map）字段，裡面包含DTIM Count，DTIM Period，Bitmap Control和Part Virt Bmap字段，下文會有詳細介紹，先看DTIM period，這個通常在AP的配置上可以設定，不同廠商這個DTIM周期值會不同，有配置2也有配置3的，這個值如果較大，那麼對AP的緩存能力有較高要求，設定較小sta 需要頻繁從sleep中喚醒，PS效果不佳，這個值的意義就在于處于PS狀态下的STA會在多少個beacon幀後醒來，就是sta的喚醒周期；而DITM Count就是對period的計數，表明目前beacon是period的第幾個。這種狀态是sta和AP關聯上之後的場景，另一個是STA并未關聯上AP，此時的STA狀态是不定時地去進行信道掃描，每隔一些時間掃描一次，掃描後進行sleep，周期性的從sleep中醒來再掃描一次，這是未關聯時的省電方式。
傳統省掉模式（Legacy Power Save）
有了上面的了解，下面說一下傳統省電模式的原理，也是我們所說的乒乓模式。假設某個時間STA進入sleep，它通過發送資料幀或null-date幀來告訴AP我進入省電了，這個幀的節能位會被置1，如下圖：
AP收到這個幀後就不發資料幀給處于省電模式下的STA了。然後DITM period後STA wake up，并收到AP的beacon，在beacon 中DTIM 資訊元素中根據AID 來告訴sta，在你sleep的時候有發給你的資料，我替你存下了，你現在醒了，快來取吧。這個時候STA發送PS-Poll幀給AP，告訴AP我來取資料了，AP收到PS-Poll後就将對應sta的緩存資料發給STA,，如果有多個資料幀的話那就在資料幀的more data位上置1，表示後續還有緩存資料，STA繼續發送PS-Poll給AP，AP再傳資料幀，一來一回，一來一回，直到data幀的more date位為0，AP會給STA發一個Null-data。LPS的流程示意圖：
PS-Poll幀的結構可以參考如下資訊：
可以明顯看到PS-poll并沒有Duration/ID資訊，看位址資訊也隻有BSSID和Transmitter，沒有包含Source AD,這裡多了一個AID來告訴AP，我是來取這個AID的緩存資料的。Null-data還是很正常的。
傳統省電模式的不足
PS-Poll省電機制定義在802.11的協定中，這個機制存在兩個不足：一是效率低，二是時延大。
1. 效率低主要是STA要獲到緩存于AP中的資料，必須通過發送PS-Poll幀，完成一次完整的互動過程（PS-Poll，ACK）。每次幀互動都需要進行退避機制及信道接入，造成額外開銷增多，效率比較低。
2. 時延比較大，是因為STA每次根據DTIM間隔定時醒來接收AP的廣播幀，如果AP為STA緩存資料幀，則STA發送PS-Poll，否則STA繼續進入睡眠狀态。因為DTIM一般Beacon間距的整數倍，Beacon間距時間一般為100ms，是以STA與AP進行資料互動的時延比較大，對一般時間敏感的業務資料（如語音或視訊資料）并不能很好的支援。如果STA使用傳統省電機制，如果需要進行語音資料傳輸，一般有兩種做法，一是讓STA保持ACTIVE狀态，二是降低DTIM間距。
快速省電模式（Fast Power Save）
快速省電模式是在L PS的基礎上來的，被稱為PS-NULL-Poll機制。這個PS-null-Poll的機制是當STA wake up後，解析到beacon中有自己的緩存幀，則會發送一個null data幀給AP，并将PS位置為0，表示不節能了，需要擷取是以緩存的資料，AP收到這個null-data後，從緩存隊列中依次取出一個緩存data幀發送給STA，直到所有的緩存資料幀發送完，當然最後一個data幀的more data位會被置0。STA收到所有緩存幀後，直接發一個null data幀 給AP，并将PS位置1，表示自己再次進入PS狀态。
快速PS和LPS的差別顯而易見，LPS是一個PS-poll擷取一個緩存幀，一次一幀，而且ps-poll ack都不能少，而Fast PS是一次null-data表示sleep or wake狀态。并擷取是以緩存幀，就好比搬運貨物，LPS是徒手，一次一個箱子，來回跑，而Fast PS是用傳送帶，建立連接配接後，箱子一個一個的往傳送帶上搬運。
快速省電模式的不足
提升了LPS的效率，但是對敏感優先級的data不友好，時延問題并未解決。
APSD（Automatic Power Save Delivery）
APSD是基于802.11e新增的PS機制，這裡面包含了帶有QOS屬性的PS機制，其實APSD是有些類似FAST PS的，也是一次觸發，多次傳輸。APSD有兩種模式：S-APSD(基于排程的自動省電模式)和U-APSD(非排程自動省電模式)。
S-APSD（Scheduler - Automatic Power Save Delivery）
S-APSD更像一個PCF下的PS模式，大家都知道PCF是AP來輪詢下面的STA是否有資料要收發，若有資料上下行，隻有AP輪詢到某一個STA的時候，這個STA才會進行接入信道進行資料的收發，這種模式很少見，在常用的wifi收發中用到的基本上都是U-APSD，而S-APSD實際也沒啥包可抓，下圖是S-APSD的一個簡單的工作模式。
在S-APSD中，SP（Service Period）是預先AP排程的，在排程時間将要到來之時，QOS-AP會發送一個triger frame，同時QOS-STA也會提前醒來接受該幀，進而開啟一個服務時間。該服務時間是通過管理幀中的Schedule Element字段進行排程的，是以QOS-STA可以提前知道什麼時候應該醒來。在上圖中，QOS-AP發送的triger就是PS-Poll，然後就開始和QOS-STA交換資料，即STA向AP回報資料之後，AP再向STA回報資料，這樣交替切換，直到SP時間結束。
在這裡，QOS-AP和QOS-STA交換資料還是上下行按序切換的。
U-APSD（Unscheduled Automatic Power Save Delivery）
U-APSD這個才像是DCF下的qos-PS模式。比較常見的一種WMM –PS模式，包很容易抓到。AP 支援省電在WMM IE 資訊元素其中的一個bit位會表明是否支援WMM 省電 （即U-APSD support）。STA 支援省電在關聯請求中檢視WMM IE 的Qos info字段4個AC 是否支援UAPSD（即比特位為1），抓包見下圖:
U-APSD 是對傳統省電的改進，在用戶端關聯的時候雙方确定了哪些AC（BE/BK/VI/VO---qos的屬性
）具有發送屬性，哪些AC 有觸發屬性，以及觸發後最多允許的發送封包數量--MAX-SP；用戶端在休眠的時候，發往用戶端的具有發送屬性的AC将緩存在發送緩存隊列，用戶端需要發送具有觸發屬性的AC 去擷取緩存幀。AP收到觸發封包後，按照接入時候确定的發送封包數量，發送屬于發送隊列的幀。沒有發送屬性的 AC 仍然使用802.11傳統的方式來傳送。
在UAPSD省電下的STA 隻有兩種狀态 DOVE和AWAKE；AP隻能在STA 在AWAKE下才能給STA發資料，AP在STA DOVE的情況下給STA 緩存資料；換個角度想STA 可以在任何的情況下向AP 發送資料，因為AP永遠是awake；
UAPSD的主要設計思想在于稱作U-SP(unscheduled service period)。
STA 發送觸發幀(空幀或資料幀)給AP ，AP向STA回複ACK後,U-SP被啟動，AP通過EDCA的方式開始向STA發送緩存資料，U-SP的長度有MAX-SP(service period)決定；MAX-SP在WMM IE 的Qos info 中被定義，用于定義發往用戶端的封包數量（在關聯時候就被定義）。
MAX-SP在關聯和重關聯的時候被定義，在U-SP期間，AP必須向STA發送至少一個資料幀，如果AP沒有緩存幀，則發送一個空幀，但是不能超過最大幀數；在U-SP期間，AP收到的STA的幀資料不叫做觸發幀。U-SP結束後，AP通過在Qos 控制字段裡的EOSP（Eed of service period）字段置為1來結束一次U-SP（EOSP在發送的緩存幀中檢視是否最後一個置為1）。STA收到這個幀後，STA 就可以進入DOVE，AP 繼續為STA緩存資料直到下一個U-SP傳輸開始；AP通過協調幀控制字段中的More Data字段來通知STA有更多的緩存幀，如果EOSP=1，more data=1 ，在立即發起一次新的U-SP傳輸，如果AP 沒有資料發送給STA ，則發送一個空幀給STA；
展示一個QOS-null-data的幀：
APSD省電主要應用在具備優先級的資料中，沒有優先級的data還是按照傳統的省電模式進行。
UAPSD省電的優缺點
UAPSD克服了PS-Poll省電機制的缺點，提升了效率，同時時延相對較小。如果STA每20ms向AP發送資料，則AP也可以每20ms向STA發送資料，是以資料時延大緻為20ms， 相對PS-Poll時延為n*100ms小。UAPSD也有缺點，因為STA通過向AP發送觸發幀來發起一次U-SP傳輸，當STA發送觸發幀後，STA進入AWAKE狀态，并且等待AP向STA發送資料幀或空幀，直到AP發送的幀資料中EOSP字段被置1，STA才能重新進入省電模式DOVE。 注釋（必須等待AP 發的幀資料EOSP 字段被職位1 才能進去省電）。上圖的EOSP位就是置1的。
PSMP(Power-Save Multi-Poll)
備注：來源于網上。
實際上從802.11e中引入TXOP，Block ACK，802.11n中引入的RIFS，幀聚合，802.11ac中引入MU-MIMO，這些技術都會導緻AP的突發（burst）下行傳輸的效率相比上行接入效率要高。
是以從節能模式的角度而言，在APSD中，先分節點，再分上下行的傳輸模式，就沒有先分上下行，再分節點的傳輸效率高，那麼後者就是PSMP設計的基本想法。
PSMP（Power-Save Multi-Poll）：在802.11n中新增的模式，可以了解是引入了更嚴格的排程機制，其首先利用一個PSMP幀來排程整個節能模式的傳輸周期，将其分成PSMP下行傳輸時段，PSMP-DTT（PSMP Downlink Transmission Time）和PSMP上行傳輸時段，PSMP-UTT（PSMP Uplink Transmission Time）。在PSMP-DTT過程中，AP進行突發傳輸，其中幀間間隔可能會更小，比如RIFS。RIFS的時間會比SIFS會更小，SIFS時間是包含了一個發送狀态到接受狀态的切換時間，而RIFS僅僅是兩次發送狀态之間的切換時間。在該過程中，節點可以不采用CCA，直接在被排程的具體時間内醒來，并接受資料，進而可以獲得更多的休眠時間，進而節能。在PSMP-UTT時間内，節點僅僅會在被排程的周期内醒來，并回報上行資料幀，進而也減少了較多的監聽過程，節約了能量。在PSMP中，若AP的下行傳輸中存在廣播/多點傳播包，那麼會在PSMP-DTT時間内，第一個資料幀進行發送，這點實際上和之前的PSM模式傳輸多點傳播或者廣播幀是一樣的。
如下圖表述了一個PSMP的時序排程：
那麼AP首先發送一個PSMP幀，該幀中包含了後續時間内，下行鍊路和上行鍊路具體的排程安排。然後開始進入PSMP-DTT時間，第一個是發送本地緩存的多點傳播/廣播幀（即PSMP-DTT1時刻内），然後按序發送節點所對應的緩存單點傳播幀，這裡PSMP-DTT時間内，幀間間隔可以采用RIFS，以達到更高的效率。對于ACK的部分，由于筆者沒有做詳細考證，是以沒有加以描述。當PSMP-DTT時間結束後，節點會依次在自己對應的上行排程周期内，發送資料幀，如STA1就在PSMP-UTT1中發送上行資料。當PSMP-UTT時間結束後，這一輪PSMP的資料交換就完成了。
通過上述過程，也可以看出PSMP基本上也是一種基于排程的PS機制，使用到新的IFS，目前我也沒有見過類似的基于RIFS的PS商用産品。優缺點個人感覺是對AP的排程要求高，對于傳動的基于DCF競争機制的AP會有一定的難容性。當然技術上實作也會難一些。
SMPS(Spatial Multiplexing Power Save)
SMPS是空間複用省電機制，也是11n引入的基于多天線引入的省電機制。基于的原理很簡單，當業務量很少，負載不大時，選擇關閉其中部分天線的收發功能來達到省電的目的。實際上STA不好貿然關閉自己的天線，因為AP端有可能單流也可能多流，發送流大于接收流的話，會造成無法正确接收。是以STA在SMPS的機制中需要跟AP有溝通，協商并配合完成通道關閉和激活。
在SMPS中有設定中有三種，3關閉SMPS，0靜态SMPS，1動态SMPS，出自802.11n-2009—page68—table 7-43j。
SMPS的能力資訊位表示在HT Capability info 的SM Power Save字段上或者通過SMPS Action幀互動SMPS能力資訊。如圖：
備注：我抓到很多SMPS位是11，但是他表示的卻是：Spatial Multiplexing enable，我表示很無奈啊。
靜态SMPS的流程很簡單，STA需要1根天線來進行收發時，STA發送一個ACTION幀告訴AP你要切換到單流進行發送幀，若要恢複到多流則發送一個SMPS 靜态disable的ACTION幀給AP，來結束單條流的下行。下圖是靜态SMPS的流程圖：
動态SMPS聽名字就可以了解它的作用，就是根據情況在單流和多流之間切換進行下行操作。互動幀是跟靜态有差別的，看下圖：
其中當STA發送一個動态模式的action frame後，需要通過接收一個單流的RTS使能多接收通道；當接收到目的地位址是自己的MAC位址的時，接收者切換到對應的多個接收通道，并且在接收結束時，關閉多流模式切換回原有的模式。而在靜态模式中，這個切換需要一個顯示的action frame，這裡需要注意一點，SMPS不能區分多流傳輸之前的RTS/CTS和其他RTS/CTS，是以STA收到RTS後，給CTS後就會切入到多流收發狀态下。
問題：為什麼要發單流的RTS 才能使能多接收通道，如何讓STA知道要接收MIMO 資料？
這個用一個單點傳播幀就可以，協定建議用RTS，當然單點傳播資料幀也可以，看廠商實作方式了。收到發送給自己的RTS，就認為有雙流資料發送給自己，就需要切換到多通道；SMPS預設隻開一條天線，如果收到RTS就把所有天線都打開。
綜上：
· 靜态的SMPS模式下，STA僅維護一個接收通道空閑，AP不會發送MIMO資料給處于Static SMPS模式的STA。HT STA可以使用SMPS Action幀互動SMPS狀态；一個非AP的HT STA 可以利用HT Capability info域中的SM Power save 字段達到相同的目的。後者，使能STA關聯後立刻用單通道接收。
· SMPS使得STA在一段時間内隻激活一條接收通道，若STA處于動态的SMPS，也隻有當AP 發送多流資料時才會根據AP發送的RTS切換為多接收通道，進而達到節能目的；
· SMPS Frame是一種HT 管理幀，用來訓示SMPS的狀态改變。AP和STA可以通過該幀來互動SMPS狀态；
· SMPS幀控制字段資訊其中：
Category字段為7，即HT類型。
HT Action字段為1，即SMPS。
TXOP-PS（Transmit Opportunity-Power Save）
TXOP的含義，當STA需要傳輸MSDU時，并不會在獲得接入機會的同時接入信道，而是等待一段時間後再進行發送，一個STA從其擷取接入信道的機會到其開始傳輸的時間叫做一個TXOP。
TXOP-PS是802.11AC協定新加的一種STA測的節能機制。其思想是“盡可能的早地識别出目前接收幀是否發給自己”，如果不是，則STA可以在該幀所處的目前TXOP剩下的時間内進入TXOP節能模式，待下一個TXOP才重新醒來，通過這種方式，可以實作TXOP内的少量節能。
TXOP-PS需要AP和STA同時都支援才可以實作，并且隻有VHT AP和STA才有可能支援。
在VHT Cap info域中，B21代表TXOP-PS的能力，而AP 通過 beacon 、probe response、association response幀宣告自己具有TXOP-PS能力，而STA通過probe request、association request宣稱自己具有TXOP-PS 能力。
VHT 能力域中對 VHT PS 字段的定義及解析:
我以為沒法抓到支援VHT-TXOP的AP，但實際上我竟然看到一個支援的AP，挺強：
問題1：在TXOP-PS中STA怎麼做到識别該幀不是發給自己的，然後在剩下時間段的TXOP内進入省電？
11AC并沒有引入BSS顔色(11AX才引入)，而這裡的其實是根據PPDU的SGI字段的資訊來進行判斷，先看一下11AC VHT的 實體幀格式：
其中前面的是傳統的preamble資訊，後面有VHT的preamble這裡面還有兩個資訊：VHT-SGI-A和VHT-SGI-B。跟LP的定義一樣，VHT preamble的資訊也記錄了調制方式、速率、時間同步等資訊。這裡面VHT-SGI-A是用來區分VHT PPDU和HT PPDU,非HT PPDU，SGI-B是用來區分不同帶寬的。其同樣是采用BPSK調制，以1/2速率的二進制卷積碼進行傳輸的。下面看下SGI的結構。
這裡面就包含了AID和TXOP-PS如果STA 的PHY接收到1個PPDU，解析SGI中的Partial AID跟自己的AID不一緻，站點将停止後續的接收，進入TXOP-PS狀态。
問題2：在TXOP-PS 階段内，硬體會先判别終端發來的幀是否是我們的幀，如果我不是我們的幀，硬體會把包丢棄， 沒有交到上層。上層是處于什麼狀态呢？
首先要明确TXOP-PS所處于的狀态是active狀态下的，上層其實是醒來的狀态，這個醒可以認為就是省電狀态下的醒，而TXOP-PS隻是覺得，雖然我是醒的狀态，但是包不是給我的，我都懶得再繼續解析了；一般的醒來是還要解析到MAC頭，看目的位址是不是發給我的，不是我的就丢掉，而這個是提前了。
協定上的一些資訊貼在這，供學者參考。
上面來自于P802.11ac_D2.0的10.2章節。
總結&遺留問題
到這裡Power save算是基本說完了，但是可能有同學有疑問，一個AP下那麼多STAs，sta是通過什麼機制确定AP有自己的緩存幀呢，如果STA關聯上AP後一緻沒業務，占着茅坑不拉X怎麼辦，AP怎麼不踢掉這樣的STA呢，是以下面的内容做一下補充。
TIM域資訊講解：
AID的取值範圍：0-2007
AID的配置設定：關聯時在關聯響應包中存在AID資訊
AID确定後在後面sleep時可以通過AP的beacon中的TIM資訊确認AP為哪個STA緩存資料。
· Element ID：元素識别碼，用來辨別beacon幀中所包含的不同字段。
· Length：長度，描述的是該Element的長度，實際上Element ID和Length是一般管理幀中information element必備的元素。
DTIM Count，DTIM Period：DTIM計數以及間隔的時間。在802.11協定中，我們可以看到三個概念，TIM，DTIM，ATIM。TIM是一種基本的流量訓示圖的結構，标準的TIM中僅僅訓示AP緩存的單點傳播資訊，DTIM（Delivery Traffic Indication Map）是一種特殊的TIM，其除了緩存的單點傳播資訊，也同時訓示AP緩存的多點傳播資訊。
Bitmap Control，Partial Virtual Bitmap：該字段就是Bitmap的具體字段，實際上與我們一開始描述的bitmap結構還存在一些差別。以下我們重點描述下協定中具體使用的bitmap結構。
AP是采用一種Bitmap結構，用來通知節點自己的buffer資訊的，若将其看做一個矩陣的話，那麼該矩陣的每一行有8列，最下包含1行，最大包含251行，換言之該矩陣最大的存儲空間為251行，251*8-1=2007（除去多點傳播辨別）。
而Bitmap Control的資訊代表了起AID的偏移量，假設AID=88，然後找出88号在Bitmap的哪一行，先看下Bitmap Control的位資訊代表的意思：
第一位如果置1則代表緩存有多點傳播幀，這裡先讨論單點傳播緩存的場景，第一位置0，若第二位置1，則緩存資料屬于Bitmap矩陣圖的第二行，若要計算此STA的AID值，首先起始值從2*8=16開始算起，然後如何确認具體AID，這個具體AID=起始AID之和+偏移量。而我們所說的偏移量就需要通過Part Virt Bmap的資訊來确定。
就拿上面所說的AID=88,起始AID很容易推算出是X3位，因為X3位代表起始AID=8*8=64,而X4位是16*8=128，大于88，所有BitMap control的X3位置1,88=64+24，24介于2*8—4*8之間，所有X1位也置1，綜上Bitmap control的資訊位為：0 1 0 1 0 0 0 0。然後在計算具體的偏移量。
88=64+16+a，很顯然可以計算a=8，所有偏移量Part Virt Bmap的值應該0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0，轉化為16進制就是80.
從TIM域資訊也可以反推AID的值，實際情況可以抓包驗證下。
Keep-alive 機制
Keepalive機制其實就是一種保活機制，在長時間沒有業務的情況下維持自己的連接配接狀态，這個比較簡單，流程一般如下：
· 使能保活機制：
1. STA關聯上AP；
2. 長時間沒業務，STA每隔30s （時間可以自定義）會給AP發一個QOS-null-data/Null-data資料，根據省電的模式來的，告知AP我還沒走；
3. AP會回一個ACK表示我知道了；
· Disable保活機制：
1. STA關聯上AP；
2. 長時間沒業務，STA給AP發送任何資訊，而AP會每隔5分鐘會給這個sta發送一個null-data，如果AP收到ack回複，則繼續上述操作，表示sta還在，如果AP沒收到ACK回複，AP會發三次，也就是15分鐘三個Null-data.；
3. AP三個Null-data都沒有收到ACK，AP就确認這個sta掉線了，會發單點傳播去關聯給這個STA，解除關聯狀态；
盡管他不是省電的内容，其實在了解省電的時候可能會有這種疑問，是以就把保活放在後面，以供參考。
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