在电池供电的移动终端与 IoT 设备中，Wi-Fi 射频（RF）与基带芯片是整机功耗的主要来源之一。
Wi-Fi 协议提供了多种省电机制，可以先按休眠调度和工作规格调整来理解：
- 时域休眠（Sleep Scheduling）：在无数据收发时关闭射频与基带时钟，进入深度休眠；
- 减少空间流或带宽：在低吞吐需求时调整空间流数（NSS）或工作带宽（BW）。
下面整理这些机制的协议交互，以及驱动和固件调试时的检查项。
1. 协议省电机制演进
[1997 / 802.11 Legacy] ──> PS-Poll (基于 Beacon 中的 TIM / DTIM 轮询)
│
[2005 / 802.11e WMM-PS] ─> U-APSD (非计划自动省电，QoS 触发帧双向突发)
│
[2009 / 802.11n Wi-Fi 4] ─> SMPS (空间复用节能：2x2/4x4 动态切 1x1 单天线)
│
[2013 / 802.11ac Wi-Fi 5] ─> OMN (工作模式通知：动态收缩 80MHz -> 20MHz 与 NSS)
│
[2019 / 802.11ax Wi-Fi 6] ─> TWT (目标唤醒时间：协商唤醒周期，按需与 AP 交互)
2. 基础省电模式 (Legacy PSM / PS-Poll)
这是 802.11 最初定义的节能机制。
sequenceDiagram
autonumber
participant STA as 移动终端 (STA)
participant AP as 无线路由器 (AP)
Note over STA: 发送带 PM=1 的数据帧，进入 Sleep
STA->>AP: Data Frame (Frame Control: Power Mgmt bit = 1)
Note over AP: AP 识别 STA 处于 PSM，开始缓存该 STA 的下行报文
Note over AP,STA: 经过若干 Beacon 周期 (Listen Interval)
STA->>STA: 定时器到期唤醒 RF 接收 Beacon
AP->>STA: Beacon Frame (TIM 虚拟位图: STA_AID 对应置 1)
Note over STA: 解析 TIM 发现有下行缓存数据
STA->>AP: PS-Poll 控制帧 (携带 AID)
AP-->>STA: Data Frame 1 (More Data = 1)
STA->>AP: PS-Poll 控制帧 (继续请求下一包)
AP-->>STA: Data Frame 2 (More Data = 0)
Note over STA: 数据接收完毕，重新进入休眠
核心要素
- TIM 与 DTIM：
- TIM（Traffic Indication Map）：每个单播 Beacon 携带的位图，指示哪些关联 ID（AID）的 STA 存在下行单播缓存；
- DTIM（Delivery TIM）：周期性出现的特殊 TIM（例如每 3 个 Beacon 一个 DTIM），指示 AP 即将广播/组播数据，所有休眠 STA 必须在此周期唤醒。
- 局限性：每获取一个下行数据包均需发送一次
PS-Poll控制帧，交互开销较大，且必须等待下一个 Beacon 周期，时延较高。
3. WMM-PS / U-APSD (非计划自动省电传送)
针对 VoIP 语音等低延迟、双向对称流量，802.11e 引入了 U-APSD（Unscheduled Automatic Power Save Delivery）。
[ STA 休眠状态 ]
│
▼ (有上行语音包发出)
[ 发送 QoS Trigger 帧 ] ───> AP 接收触发帧后，立即连续下发缓存的所有下行语音帧 (Service Period)
│
▼ (收到最后一包 EOSP=1 标志)
[ 立即重新切入休眠 ]
- 触发帧唤醒：STA 不需要等待 Beacon 中的 TIM 提示，只要本地有上行数据产生，发送一个 QoS Data / QoS Null 触发帧即可开启一个服务周期（Service Period, SP）；
- 下行突发交付：AP 在 SP 期间连续向 STA 发送缓存的报文，并在最后一个数据包的 QoS Control 字段将 EOSP（End of Service Period）置 1，STA 收到后可立刻返回休眠。
4. 空间流与带宽降规机制 (SMPS / OMN / OMI)
当设备处于活跃连接但吞吐要求不高时，维持全规格 MIMO 与大信道带宽会增加射频耗电。
4.1 802.11n SMPS (Spatial Multiplexing Power Save)
- Static SMPS（静态模式）：STA 通知 AP 关闭辅助天线（例如从 2x2 MIMO 切换至 1x1 SISO），射频前端仅维持单路接收，减少静态功耗；
- Dynamic SMPS（动态模式）：平时以单天线监听。当 AP 有较大数据包需发送给 STA 时，先发送 RTS 握手，STA 收到后快速唤醒副天线并以 2x2 接收后续数据。
4.2 802.11ac OMN 与 802.11ax OMI
- OMN（Operating Mode Notification）：802.11ac Action 动作帧，允许 STA 动态宣告当前支持的信道带宽（如 80MHz 缩减至 20MHz）与空间流数（NSS）；
- OMI（Operating Mode Indication）：802.11ax 将此信令放入 MAC 帧头的 A-Control 字段中，无需额外发送 Action 管理帧即可随路指示带宽与流数调整。
5. Wi-Fi 6 TWT (Target Wake Time, 目标唤醒时间)
Wi-Fi 6 (802.11ax) 引入了 TWT 机制：
STA 状态: [ 深度休眠 (数十秒 ~ 数小时) ] ───> [ TWT 服务周期 (SP) ] ───> [ 深度休眠 ]
│ (按协商参数收发)
AP 调度: ┌────┴────────────┐
│ Trigger / OFDMA │
│ 或 EDCA 信道竞争 │
└─────────────────┘
- 协商唤醒时间点：STA 与 AP 协商固定的唤醒周期与持续时间（Individual TWT 或 Broadcast TWT）。在约定的 TWT 服务周期（SP）之外，STA 可以关闭射频时钟进入深度休眠，无需周期性唤醒监听 Beacon；
- 服务周期内的信道交互：在 TWT 窗口期内，AP 可以通过 Trigger Frame 调度专有 OFDMA RU 资源单元进行收发，也可以允许 STA 使用常规 EDCA / CSMA/CA 机制进行信道竞争。
6. 驱动与固件调试参考
在嵌入式 Linux / RTOS 系统中调试 Wi-Fi 功耗时，常见的排查项包括：
| 排查项 | 典型工具 / 命令 | 调试关注点 |
|---|---|---|
| STA PM 状态 | iw dev wlan0 get power_saveiw dev wlan0 set power_save on |
确认驱动与上层网络管理未关闭 PSM 开关。 |
| DTIM Skip 策略 | 固件参数（dtim_skip） |
在休眠状态下是否配置了跳过部分 DTIM（例如每隔 2~3 个 DTIM 接收一次），减少组播唤醒频次。 |
| ARP / NS 硬件卸载 | 固件 Offload 配置 | 屏幕休眠时是否由 Wi-Fi 芯片固件代答局域网 ARP 请求，减少对 Host CPU 的唤醒。 |
| 广播/组播过滤 | wlan_filter |
过滤无用的 mDNS、SSDP 广播报文，减少网卡唤醒中断。 |
| U-APSD AC 队列匹配 | wpa_supplicant.confuapsd_queues=VI VO |
确认语音（VO）和视频（VI）队列已正确开启 U-APSD 触发。 |
7. 总结
省电效果需要在目标设备上测量。延长休眠可能增加下行等待，减少空间流或带宽可能延长传输时间；协议支持也不等于驱动和固件已经启用。调参时应同时记录功耗、响应时延和丢包情况。
