Wi-Fi 低功耗

概述

IEEE 802.11 规范中定义的 Wi-Fi STA 省电模式包括以下关键特性：

• 在未发送或接收数据时，进入休眠状态。

• 定期唤醒以接收 AP 的 Beacon 帧。

• 利用 Beacon 中的 TIM（Traffic Indication Map， 流量指示映射）进行数据管理。

站点休眠期间无法接收任何数据帧，因此 AP 需缓存待传数据帧，STA 需周期性唤醒检测信标帧。

Wi-Fi 省电模式的时序图如下：

基于上述标准 IEEE 802.11 省电机制，Ameba 系列 SoC 提供了三种 Wi-Fi 省电模式：

模式	全称	描述
IPS	非活动省电模式	在未连接时实现完全断电状态
LPS	传统省电模式	在 Wi-Fi 连接状态下，在活跃和休眠状态之间切换，并定期打开或关闭收发器以实现省电
WoWLAN	无线局域网唤醒	允许 SoC 系统在保持 Wi-Fi 连接的同时进入睡眠模式 系统可通过单播数据包、广播/组播数据包（可选）以及 AP 断连事件被唤醒

非活动省电模式（IPS）

非活动省电模式（Inactive Power Save，IPS）专为 Wi-Fi 未连接状态所设计，允许在没有网络连接时进入睡眠的状态，从而显著的延长电池续航的时间。

IPS 一般有两种睡眠层级：

• Wi-Fi 完全断电，此时处于最大程度的 Wi-Fi 省电状态。

• 电源门控（Power Gating）模式，以求可以更快速的退出 IPS。

编程接口

Ameba Wi-Fi 通过 wifi_set_ips_internal() 函数及一组相关参数，来实现对 IPS 行为的控制。IPS 控制流程如下图所示：

RTL8721DxRTL8720ERTL8710ERTL8726ERTL8713ERTL8730ERTL8721FRTL8735C

RTL8721Dx:

参数	类型	取值	描述	默认值
ips_enable	u8	0/1	关闭/使能 IPS	1
ips_level	u8	RTW_IPS_WIFI_OFF	IPS 状态下 Wi-Fi 断电	RTW_IPS_WIFI_OFF
		RTW_IPS_WIFI_PG	IPS 状态下 Wi-Fi 进入 PG 模式
ips_ctrl_by_usr	u8	0	结合 API 控制开关 IPS 机制	0
		1	结合 API 控制进退 IPS 模式

不同的组合方式功能参见如下表格：

ips_enable	ips_ctrl_by_usr	wifi_set_ips_internal	行为
0	0	Y	动态开关 IPS 机制 默认关闭 IPS
0	1	Y	关闭 IPS 机制
0	X	N	关闭 IPS 机制
1	0	Y	动态开关 IPS 机制 默认使能 IPS
1	1	Y	动态进退 IPS 模式 调用 wifi_set_ips_inetrnal() 可以快速退出 IPS 模式。
1	X	N	使能 IPS 机制 系统通过周期性监测 Wi-Fi 状态决定是否进入预设的省电等级。

传统省电模式（LPS）

传统省电模式（Legacy Power Save，LPS）的核心思想是允许客户端在 Wi-Fi 连接状态且不存在无线数据传输的情况下进入睡眠状态，此时接入点（Access Point）为其缓存下行数据从而达到节省功耗的目的。

LPS 模式下，客户端需要周期性唤醒来接收 AP 的信标帧，并通过解析信标帧中流量指示图 （Traffic Indication Map） 元素获知是否存在自己的数据等待接收，若存在则保持清醒继续和 AP 进行数据交互。

参数	类型	取值	描述	默认值
lps_enable	u8	0 / 1	关闭/使能 LPS	1
lps_listen_interval	u8	0	每个目标信标传输时间（Target Beacon Transmission Time）都唤醒来接收信标帧	0
		> 0	配置接收信标帧的间隔，单位：102.4ms（TBTT 间隔）

无线局域网唤醒模式（WoWLAN）

无线局域网唤醒模式（Wake on Wireless LAN，WoWLAN）下系统空闲时整个 SoC 进入 低功耗睡眠模式 ，同时由 Wi-Fi 维持已建立的连接。 WoWLAN 建立在 LPS 之上，复用与 传统省电模式（LPS） 完全相同的信标监听机制，二者的区别在于：

• LPS：仅 Wi-Fi 的 RF 在 beacon 间隙进入睡眠；

• WoWLAN：在此基础上让整个 SoC 关电/关时钟 ，Wi-Fi 子系统大部分模块（RF、BB 及部分 MAC ）被关电/关时钟，仅少量逻辑运行在 32K 时钟上。

WoWLAN 整体流程

在双核（AP + NP）架构上，WoWLAN 的睡眠与唤醒协同流程如下图所示：

• NP：运行 Wi-Fi 驱动，负责维持连接、解析收包、判断是否需要唤醒 AP。

• AP：运行应用程序与协议栈（如 lwIP），处理业务逻辑。

WoWLAN 进入流程

1. 应用侧通过以下两种方式释放 OS wakelock 进入 WoWLAN 模式：

   • 执行 AT+TICKPS=R 命令

     AT+TICKPS=TYPE,PG     # 可选，设置睡眠类型为 PG（默认）或 CG
     AT+TICKPS=R           # 释放 OS wakelock，允许系统进入睡眠
     

   • 调用 pmu_release_wakelock()

2. AP 由 Active 进入 Idle，在空闲任务中通过 wakelock 检查。

3. AP 向 NP 发送 tickless IPC 消息，随后进入 WFE 等待。

4. NP 收到 IPC 消息后关闭 AP 的时钟（AP CG）并释放自身的 wakelock。

5. NP 由 Active 进入 Idle 后进入睡眠；若睡眠类型为 PG，则 PMC 同时关闭 AP 的电源。

6. Wi-Fi 按配置周期性醒来接收 Beacon，从而维持 Wi-Fi 连接。

WoWLAN 唤醒流程

Wi-Fi 唤醒

SDK 默认配置 Wi-Fi 中断 WIFI_FISR_FESR_IRQ 为 NP 的唤醒源。系统睡眠期间，Wi-Fi 收包中断触发后 NP 恢复运行，解析收到的报文并判断是否需要唤醒 AP：

• 若 不需要 （例如仅是可由 Wi-Fi 自行处理的报文），NP 处理完后重新进入睡眠， AP 保持睡眠不受影响 。

• 若 需要，NP 恢复 AP 和 Wi-Fi 驱动。AP 恢复后通过 IPC 中断获知唤醒原因为 Wi-Fi，继续处理业务。

能够唤醒 AP 和 Wi-Fi 驱动的原因分为以下几类：

类别	说明
Wi-Fi 决定断线	连续丢失 Beacon 后发送 Null Data 探测 AP 连续无 ACK，判定断线唤醒重连
链路断开帧	收到 AP 下发的 Deauth / Disassoc 帧
收到单播数据包	收到单播数据 / 管理帧（TCP、UDP、ICMP、ARP、EAPOL-Key、 Action 等）
收到广播/组播数据包	可通过参数 wowlan_rx_bcmc_dis 开关此类唤醒

AP 唤醒

可为 AP 单独配置唤醒源，如 GPIO、AON Timer，配置方式参见 低功耗的开发者配置 。此类事件发生时，PMC 将首先唤醒 NP，再由 NP 恢复 AP 的时钟。

唤醒后 无需重新初始化协议栈，已建立的 TCP/UDP 连接与 socket 均保留，应用线程可直接收发数据。

WoWLAN 相关 API

• 静态配置

  通过修改 Wi-Fi 用户配置文件 中函数 wifi_set_user_config() 中的以下变量：

  参数	类型	取值	描述
  lps_listen_interval	u8	>= 0	监听间隔： 0（默认）：每个 TBTT 都醒来接收 Beacon； >0：每 lps_listen_interval * 102.4ms 醒来接收一次 Beacon
  wowlan_rx_bcmc_dis	u8	0 / 1	0（默认）：允许广播 / 组播帧唤醒系统； 1：禁止广播 / 组播帧唤醒系统
  lps_rx_unicast_pkt_timeout	u8	> 0	保持清醒等待 AP 发送首个缓存单播包的超时时间，单位 ms

• 动态配置

  可在运行时调用如下 API：

  API	说明
  wifi_set_lps_listen_interval()	设置 Beacon 监听间隔（单位 102.4ms）
  wifi_set_wowlan_rx_broadcast()	开启 / 关闭 WoWLAN 下广播 / 组播帧唤醒
  wifi_set_wowlan_ipv6_wake()	开启 / 关闭 WoWLAN 下 IPv6 报文唤醒
  wifi_set_broadcast_port_wakeup_white_list()	设置 TCP/UDP 广播包的端口白名单（最多 6 个）， 仅白名单内端口的广播包才唤醒，其余丢弃； 未调用时不过滤端口。