WIFI6 TWT机制介绍

前言

TWT（target wake time）最早在802.11ah中提出，在802.11ax（WIFI 6）中也进行了应用。TWT使设备可以决定唤醒并发送/接收数据的时间和频率，可以提升节电效果。

在TWT中，终端和AP之间建立了一张时间表（该时间表是终端和AP协定的），时间表是由TWT时间周期所组成的。当终端和AP所协商的时间周期到达后，终端会醒来，并等待AP发送的触发帧，并进行一次数据交换。当本次传输完成后，返回睡眠状态。每一个终端和AP都会进行独立的协商，每一个终端都具有单独的TWT时间周期。AP也可以将终端们根据设定的TWT时间周期进行分组，一次和多个终端进行连接，从而提高节能效率。

1. wifi传统节电模式介绍

1.1 802.11设备工作模式

802.11设备共有4种工作模式：休眠、接收空闲、接收和发送。其中休眠模式的能耗最低，接收空闲模式时，节点侦听信道但并不接收数据。实际过程中，为保证发送和接收没有冲突，节点需长时间处于空闲状态而消耗能量，所以引入休眠模式来代替接收空闲模式，达到节能目的。

1.2 被动请求机制

802.11提供被动请求机制，使STA可以控制AP给自己发送相应的下行帧。具体包含缓存和PS-Poll过程。缓存过程中，AP不直接给STA发送数据，而是以MSDU的形式缓存；PS-Poll机制中，若STA休眠结束，则对AP发送PS-Poll帧来请求数据，AP检查相应缓存并下发。

1.3 信标

1.3.1 信标帧结构

1.3.2 TIM字段结构

DCIM计数：表示距离下一个DTIM信标帧还有多少个信标

部分虚拟位图用于指示AP是否缓存了STA的数据

1.4 控制帧

1.5 传统节电模式

1.5.1 传统节电模式工作过程

控制帧的功率管理字段控制STA在活跃和节能模式之间转换。

STA处于睡眠时，若这段时间有发给STA的数据，那么这些数据将被AP缓存起来，等STA唤醒再传输。AP通过信标中的TIM（传输指示映射）字段来指示是否有缓存数据要给节能的STA。AP周期性在每个TBBT（target beacon trasmission time）广播信标帧，STA也周期性根据自己的侦听间隔唤醒，接收信标帧，若查看TIM后发现没有自己的缓存数据则继续睡眠，若有数据缓存在AP端则STA向AP发送PS-poll请求索取数据。如果AP有不止一个数据要给STA，则将控制帧的more data置1。

1.5.2 传统节电机制的不足

某些数据并不一定需要很低的时延，可以经过几个beacon周期后再接收也可以，但是的节电模式是多组数据多次唤醒STA并传输，TWT是多组数据单次唤醒STA并传输。此外，AP没有分别与每个STA协商唤醒的时间，在发送缓存的多播帧时，让所有的STA都一直保持唤醒，这样对不接收多播帧或只接收部分多播帧的STA来说，造成了不必要的电源消耗。

如上图，在TWT模式下，User 1和User 2分别和AP协定了两个TWT时间周期，分别为TW1和TW2。终端User 1和User 2默认就工作在睡眠模式下（sleep mode），保持一个较低的功耗。当TWT时间周期到达时，AP会发送一个触发帧（Trigger）给终端，终端进而苏醒并和AP执行数据交换，当数据交换完成后，终端恢复睡眠模式。如果是传统PS模式，若本轮beacon帧中提示有User 1的信息，那么其不会在TW1时间内睡眠，会保持苏醒，直到数据交换完成。

TWT和传统PSM模式的差别是，终端只在TWT时间开始的时候苏醒，而在PSM模式中，从该beacon周期开始，终端就会通过该beacon帧中的DTIM信息，观察AP是否由缓存了自己的数据帧，如果有的话，那么就保持苏醒，直到接收完成后，才恢复到睡眠模式。即beacon与设备休眠时间不再具有紧密联系，STA可以请求在将来的任意时间唤醒。（TWT可以以一个或多个beacon周期为单位）

1.6 TWT

1.6.1 TWT IE

TWT中，AP与STA之间发送带有TWT IE（information element）的管理帧来协商TWT服务周期。

TWT Request为0表示是请求端发出的TWT，为1表示是响应端发出的TWT。

TWT Command字段设置如下：

0：Request TWT，表示请求端请求相应端给出TWT参数；

1：Suggest TWT，表示请求端给出了建议的TWT参数，但是可以接受响应端的TWT参数；

2：Demand TWT，表示请求端给出了命令的TWT参数，不接受响应端的TWT参数。

Alternate TWT表示响应端给出与请求端不同的参数，但可以接受请求端的参数。

Dictate TWT表示相应端给出与请求端不同的参数，不接受请求端的参数。

Rejict TWT表示响应端拒绝TWT建立，TWT建立失败。

TWT Flow Identifier表示协商的TWT编号，AP可以与同一个STA协商多个TWT服务期（最多3个）。

1.6.2 trigger

1.6.3 TWT建立过程

STA是TWT发起端，AP是TWT响应端。

STA利用IE的Command字段告知AP请求一个TWT参数或给出自己的建议或命令参数，AP根据实际情况（如TWT服务期的信道空闲情况，预计活动持续时间等）回复带有IE的管理帧与STA协商。

1.6.4 TWT的三种工作模式

TWT一共有三种工作模式，分别是： 1）Individual TWT， 2）Broadcast TWT， 3）Opportunistic PS。

1）Individual TWT

• 终端想要建立一个TWT连接，其会将自己的节能调度信息告知给AP
• AP将会分配TWT周期，并将该周期反馈给终端
• 终端一直保持睡眠状态，直到TWT时间到达。终端苏醒，并接收AP的触发帧，即TWT Trigger。当终端接收到该触发后，其会和AP进行数据帧交互。于此同时，AP会告知终端下一次的TWT时间（在显式TWT中），终端会在新的TWT时间定时苏醒并执行数据帧交换。
• 在本轮交换中，会分成显式和隐式两种工作模式
  • 在本次数据帧交换中，AP会显式告诉终端，下一轮的TWT周期
  • 终端会在新的指定的TWT周期时苏醒，并再一次和AP进行数据帧交换
  • 在本次数据帧交换中，AP不会告诉终端，下一轮的TWT周期
  • 终端会自己计算出下一轮的TWT周期（通过在当前TWT周期上增加一个特定的时间）
  • 终端会在自己计算的TWT周期时苏醒，并再一次和AP进行数据帧交换
  • 显式工作模式
  • 隐式工作模式

2）Broadcast TWT

广播TWT机制是一种由AP负责管理的工作机制。在该机制下，没有协商过程，TWT时间周期是由AP宣告，通常AP会在每一个beacon帧中宣告本轮的TWT时间周期。在一些特殊的情况下，AP也会在其他的管理帧中宣告。

在Broadcast TWT中，存在加入组和离开组的交互动作，终端需要向AP申请加组才可以执行Broadcast TWT，这个加组交互动作也是通过在终端和AP交换管理帧中，通过携带TWT elements完成的。当终端完成加组后，终端会按照最近接收到的TWT时间周期进行工作。终端在TWT时间周期到达后进行苏醒，AP会发送广播的触发帧，发现哪些已经加组的终端正在处于苏醒状态，并向这些终端发送数据帧，这里由于是广播通信，所以只有AP向节点发送。当AP发送完成后，终端恢复到睡眠状态，直到下一次广播TWT时间到达。

3）Opportunistic PS

机会节电模式没有AP和STA的协商过程。AP会在每一个Beacon内，公开宣告一个TWT时间。任意终端可以选择在这个公开TWT时间内进行苏醒，并和AP执行数据帧交换。这个交换可以是单个节点的，也可以是多个节点苏醒，采用OFDMA机制进行交换。

1.6.5 TWT功能的优点

TWT 功能充分体现了Wi-Fi 6 在多用户、多场景和多需求下的优势。TWT 配合OFDMA 技术，AP 可以设定编排议程并将TWT 值提供给多个用户，双方之间不需要存在个别的TWT 协议即可唤醒多个设备实现传输视频、语音和数据等不同业务的多设备并行连接，并可以根据不同业务调整流量比例和优先级，从而提升用户体验。TWT 可以为电池供电的IOT 设备节约25% 以上的电量。