docs(wifi):update TWT docs

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yinqingzhao 2024-06-21 11:36:19 +08:00
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@ -731,3 +731,293 @@ Deep-sleep 有如下可配置选项:
.. only:: esp32c2
平均电流约 4.9 μA
.. only:: esp32c6
目标唤醒时间 (TWT)
----------------------------------
目标唤醒时间 (Target Wake Time, TWT) 是 Wi-Fi 6 中引入的一项特性,旨在降低设备功耗和提高网络效率。
在以往的 Wi-Fi 节能机制中,设备可能需要在每个 DTIM 周期醒来与 AP 交换数据,而在 TWT 机制中支持 AP 和设备协商得到特定的唤醒时间,设备会在这些时间点醒来与 AP 进行数据交换而其余时间则处于休眠状态。TWT 协商的唤醒和休眠时间取决于设备具体的应用需求。例如,有些传感器设备需要定时上传数据,在该场景下设备可以与 AP 建立 TWT 协商,相隔多个小时交换一次数据。实际应用中可根据具体需求定制唤醒时间,在不影响设备正常工作的情况下降低功耗。
AP 可以与多个设备建立 TWT 协商。利用 Wi-Fi 6 的多用户特性AP 可以对上行和下行数据传输做出合理协调,从而减少信道竞争,提高传输效率。
TWT 类型
++++++++++
根据协商类型和工作模式,可以把 TWT 分为:
- **Individual TWT (iTWT)**
iTWT 模式下AP 与终端设备建立的是一对一的 TWT 协商。
- **Broadcast TWT (bTWT)**
在 bTWT 模式下AP 通过 Beacon 帧广播 TWT 信息,以组的形式来管理多个终端设备的 TWT 过程。终端设备可以根据 Beacon 中的 TWT 信息选择执行加组操作。
.. note::
在建立 TWT 协商前,需要确认 AP 是否支持并开启了 TWT 功能。{IDF_TARGET_NAME} 当前只支持 iTWT 模式。
TWT 工作流程
++++++++++++
TWT 工作流程一般分为 TWT 协商建立、TWT 协商暂停/恢复、TWT 协商终止。TWT 协商建立后Station 就可以按照协商的参数进入休眠状态,直到约定好的下一个 TWT 时间点到来时苏醒。
对已经建立的 TWT用户可以根据需求协商暂停/恢复 TWT 或者终止 TWT。
- TWT 协商建立
- Individual TWT 协商建立
在 iTWT 协商建立过程中,通常由 Station 充当请求发起方发送 TWT 请求,而后 AP 作为接收方对该请求做出回应。AP 也可以主动向 Station 发起 TWT 协商建立过程。
在成功建立起 iTWT 协商后Station 可以进入休眠状态,直到约定好的下一个 TWT 时间点到来时苏醒,该时间点通过和 AP 间的协商得到。Station 醒来后和 AP 进行数据交换,这段时间被称为 TWT 服务时间 (Service Period, SP)。
TWT SP 的持续时间被称为 TWT Wake Duration其最小值为 256 微秒。当一次 TWT SP 结束后Station 进入休眠状态直到下次 TWT SP 醒来进行数据传输。本次 TWT SP 的起始到下次 TWT SP 的起始的时间间隔被称为 TWT Wake Interval。下图为基本的 iTWT 示例:
.. figure:: ../../_static/itwt_setup.png
:align: center
Individual TWT 协商建立过程示例
Station 在 iTWT 协商建立时可以发送不同类型的请求AP 会根据请求类型及参数做出对应的回复。用户需要根据 AP 回复中的类型和具体参数决定后续的操作逻辑。Station 所发送的请求类型有 ``Request````Suggest````Demand``
AP 的回复类型可分为 ``Accept````Alternate````Dictate``。下表描述了发送不同请求时 AP 可能的回复以及不同情况下对应的含义:
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 20 10 40
* - 请求类型
- AP 回复
- 含义
* - Request, Suggest or Demand
- No response
- 在该情况下 AP 不会与 Station 建立 iTWT 协商。
* - Suggest or Request
- Accept
- AP 同意建立 iTWT 协商,其使用的参数以回复中 TWT 参数为准。回复中的 TWT 参数有可能与请求中不一致。
* - Demand
- Accept
- AP 同意建立 iTWT 协商,且回复中的 TWT 参数与请求中的一致。
* - Demand or Suggest
- Alternate
- AP 使用该回复类型代表给 Station提供一组备选 TWT 参数,此时不会建立 iTWT 协商。后续 Station 可以发送新的请求,但 AP 仍有可能使用该组参数。
* - Demand or Suggest
- Dictate
- AP 使用该回复类型代表给 Station 提供一组备选 TWT 参数,此时不会建立 iTWT 协商,同时也表明 AP 不接受除该组参数以外的其他参数。后续 Station 可以发送新的请求,但只有参数与所提供的备选参数一致才会收到 Accept 回复。
* - Request, Suggest or Demand
- Reject
- 在该情况下 AP 不会与 station 建立 iTWT 协商。后续 Station 可以更改 TWT 参数发送新的请求。
在 TWT SP 中依照数据交互时的操作可以将 TWT 进一步地细分为多种类型,下表描述了这些类型间的差异:
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 10 20
* - Types
- 含义
* - Trigger-enabled
- AP 会在 SP 中使用 Trigger 帧来协调 Station 的数据传输。
* - Non trigger-enabled
- 在 SP 中不需要使用 Trigger 帧。
* - Announced
- Station 会发送 QoS Null 帧告知 AP 其唤醒状态。
* - Unannounced
- 不需要发送 QoS Null 帧。
- Broadcast TWT 协商建立
与 iTWT 不同的是,在 bTWT 模式下 AP 将 TWT 信息放在 Beacon 帧中进行广播宣告。Station 接收到 Beacon 后,可以向 AP 发送请求申请选择加入某个 TWT。
当建立起 bTWT 协商后, Station 和 AP 会在协商好的 TWT SP 中进行数据传输。
与 iTWT 类似,可以把 bTWT 进一步分成 Trigger-enabled 和 Non trigger-enabled 类型,以及 Announced 和 Unannounced 类型,具体的行为差异可以参考 iTWT 中的描述。
- TWT 协商暂停/恢复
建立起 TWT 协商后, Station 可以通过向 AP 发送 TWT Information 帧暂停或者恢复指定的 TWT 协商。由 flow_id 来标识需要暂停或者恢复的 TWT 协商,具体可以参考 TWT 参数配置。
.. figure:: ../../_static/itwt_suspend.png
:align: center
Individual TWT 协商暂停/恢复过程示例
- TWT 协商终止
建立起 TWT 协商后, Station 可以通过向 AP 发送 TWT Teardown 帧终止指定的 TWT 协商。由 flow_id 来标识需要终止的 TWT 协商,具体可以参考 TWT 参数配置。
.. figure:: ../../_static/itwt_teardown.png
:align: center
Individual TWT 协商终止过程示例
TWT 参数配置
++++++++++++
在使用过程中,需要配置 TWT 和低功耗模式的相关参数,其中低功耗模式相关参数决定了设备在休眠状态下的行为模式。本小节将主要阐述如何配置 TWT有关低功耗模式下的参数配置请参考 `如何配置 Wi-Fi 场景下低功耗模式`_
- Individual TWT 参数配置
在建立 Station 和 AP 间的 iTWT 时,使用 :component_file:`esp_wifi/include/esp_wifi_he_types.h` 中定义的结构体 :cpp:type:`wifi_twt_setup_config_t` 来配置 TWT 的相关参数,其定义如下:
.. code-block:: C
typedef struct
{
wifi_twt_setup_cmds_t setup_cmd;
uint16_t trigger :1;
uint16_t flow_type :1;
uint16_t flow_id :3;
uint16_t wake_invl_expn :5;
uint16_t wake_duration_unit :1;
uint16_t reserved :5;
uint8_t min_wake_dura;
uint16_t wake_invl_mant;
uint16_t twt_id;
uint16_t timeout_time_ms;
} wifi_twt_setup_config_t;
:cpp:type:`wifi_twt_setup_config_t` 中各个字段的含义如下:
.. list-table::
:header-rows: 1
:widths: 15 45
:align: center
* - 字段
- 描述
* - setup_cmd
- 指示了 TWT 建立时请求和回复使用的命令类型,具体类型请参阅 :cpp:type:`wifi_twt_setup_cmds_t`
* - trigger
- 值为 1 时配置 TWT 类型为 Trigger-enabled值为 0 时配置为 Non trigger-enabled。
* - flow_type
- 值为 1 时配置 TWT 类型为 Unannounced值为 0 时配置为 Announced。
* - flow_id
- 当建立起一个 iTWT 协商后AP 会为其分配 flow_id。Station 在协商建立请求中可以指定 flow_id但在 AP 的回复中该字段可能会被改变。
* - wake_invl_expn
- TWT Wake Interval 指数部分。
* - wake_duration_unit
- TWT Wake Duration 计数单元。为 0 代表 256 微秒,为 1 代表以 TU (1024 微秒) 为单位。
* - reserved
- 保留字段。
* - min_wake_dura
- 该字段代表 Station 期望处于唤醒状态的时间,以 ``wake_duration_unit`` 作为基本单位。
* - wake_invl_mant
- TWT Wake Interval 尾数部分。
* - twt_id
- TWT 配置标识。在发起多个 TWT 请求时,该字段用于在 handler 中区分不同的 TWT 参数配置。
* - timeout_time_ms
- TWT 请求超时时间,单位为毫秒。
需要指出的是Station 在协商中所期望的 TWT Wake Interval 为 wake_invl_mant * 2\ :sup:`wake_invl_expn`\,单位是微秒。
而所期望的 TWT Wake Duration 为 min_wake_dura * wake_duration_unit。
.. note::
注意, TWT Wake Interval 和 TWT Wake Duration 的差值需要大于 10 毫秒。
配置示例如下:
.. code-block:: C
wifi_twt_setup_config_t setup_config = {
.setup_cmd = TWT_REQUEST,
.flow_id = 0,
.twt_id = 0,
.flow_type = 0,
.min_wake_dura = 255,
.wake_duration_unit = 0,
.wake_invl_expn = 10,
.wake_invl_mant = 512,
.trigger = 1,
.timeout_time_ms = 5000,
};
以上配置指定建立 TWT 请求时使用的类型为 Trigger-enabledAnnounced期望的 TWT Wake Interval 为 524288 微秒, TWT Wake Duration 为 65280 微秒。配置好 :cpp:type:`wifi_twt_setup_config_t` 后,调用 API :cpp:func:`esp_wifi_sta_itwt_setup` 向 AP 发起 iTWT 建立请求。
.. note::
{IDF_TARGET_NAME} 支持用户调用 API :cpp:func:`esp_wifi_sta_itwt_set_target_wake_time_offset` 配置相对于目标唤醒时间的偏移时间。
TWT 事件
++++++++++
- WIFI_EVENT_ITWT_SETUP
发送请求后,用户可以在 :cpp:enumerator:`WIFI_EVENT_ITWT_SETUP` 事件的对应处理程序中获取请求结果并自定义处理逻辑。事件结果保存在 :cpp:type:`wifi_event_sta_itwt_setup_t` 结构体中,其成员变量 status 指示了此次事件的状态。
当 status 为 :c:macro:`ITWT_SETUP_SUCCESS` 时代表请求成功收到了对应回复,为其他值代表请求失败。在得到请求成功的状态后,用户可以从该结构体中的 config 成员变量中得到 AP 回复中的具体参数,并根据具体参数决定后续的处理逻辑。
例如Station 发送了类型为 Demand 的 TWT 请求,收到 AP 的回复类型为 Dictate用户此时可以考察回复中的 TWT 参数是否可行,若可行便可以发送一个新的 TWT 请求与 AP 继续建立 TWT 协商,并且该请求中的 TWT 参数需要与 AP 回复中一致。
在 Station 未主动发送请求时也有可能触发 :cpp:enumerator:`WIFI_EVENT_ITWT_SETUP` 事件,这种情况下对应的是 AP 主动向 Station 发起 iTWT 协商建立过程,此时 AP 向 Station 发送的帧中会带有 TWT 参数。同样地,用户可以在 :cpp:enumerator:`WIFI_EVENT_ITWT_SETUP` 事件的对应处理程序中获取结果并自定义处理逻辑。
用户需要检查 config 成员变量中 AP 发送的 TWT 参数类型,一般有两种情况:
1. AP 发送的 TWT 参数为 Accept 类型,此时 Station 会与 AP 建立起使用该 TWT 参数的 iTWT 协商。若用户不希望建立此 iTWT 协商,可以向 AP 发送 Teardown 帧。
2. AP 发送的 TWT 参数为 Alternate 或 Dictate 类型,此时 Station 不会与 AP 建立起 iTWT 协商,但可以在接下来使用该参数向 AP 发起 iTWT 协商建立请求。
- WIFI_EVENT_ITWT_SUSPEND
在调用 API :cpp:func:`esp_wifi_sta_itwt_suspend` 请求暂停已经建立的 iTWT 协商时, 用户可以在 :cpp:enumerator:`WIFI_EVENT_ITWT_SUSPEND` 事件的对应处理程序中获取请求结果并自定义处理逻辑。事件结果保存在 :cpp:type:`wifi_event_sta_itwt_suspend_t` 结构体中,其成员变量 status 指示了此次事件的状态。
当 status 为 :c:macro:`ESP_OK` 时代表成功暂停了指定的 iTWT 协商,为其他值代表请求暂停失败。
.. note::
注意,调用 API :cpp:func:`esp_wifi_sta_itwt_suspend` 请求暂停 iTWT 时,用户需要指定对应 iTWT 的 flow_id 以及暂停时间。需要注意的是,当暂停时间大于 0 时,对应 iTWT 会在暂停指定时间后恢复,而当暂停时间为 0 时,对应的 iTWT 会暂停,直到被用户调用 API 手动恢复为止。
- WIFI_EVENT_ITWT_TEARDOWN
在调用 API :cpp:func:`esp_wifi_sta_itwt_teardown` 请求终止 iTWT 时,用户可以在 :cpp:enumerator:`WIFI_EVENT_ITWT_TEARDOWN` 事件的对应处理程序中获取请求结果并自定义处理逻辑。事件结果保存在 :cpp:type:`wifi_event_sta_itwt_teardown_t` 结构体中,其成员变量 status 指示了此次事件的状态。
当 status 为 :cpp:enumerator:`ITWT_TEARDOWN_SUCCESS` 时代表成功终止了指定的 iTWT 协商,为其他值代表终止 iTWT 失败。调用 API 时用户需要指定需要终止的 iTWT 的 flow_id。
- WIFI_EVENT_TWT_WAKEUP
当 Station 在休眠中醒来时Wi-Fi 驱动程序将会上报 :cpp:enumerator:`WIFI_EVENT_TWT_WAKEUP` 事件,用户可以在该事件的对应处理程序中自定义处理逻辑。事件结果保存在 :cpp:type:`wifi_event_sta_twt_wakeup_t` 结构体中,成员变量 twt_type 指示了此次事件 TWT 的类型,成员变量 flow_id 指示了此次醒来的具体的 TWT。
- WIFI_EVENT_ITWT_PROBE
调用 API :cpp:func:`esp_wifi_sta_itwt_send_probe_req` 在 iTWT 期间发送 probe request 时,用户可以在 :cpp:enumerator:`WIFI_EVENT_ITWT_PROBE` 事件的对应处理程序中获取请求结果并自定义处理逻辑。事件结果保存在 :cpp:type:`wifi_event_sta_itwt_probe_t` 结构体中,其成员变量 status 指示了此次事件的状态。
当 status 为 :cpp:enumerator:`ITWT_PROBE_SUCCESS` 时代表成功发送 probe request 并且接收到 AP 回复的 probe response为其他值代表发送或者接收 probe 失败。
有关 iTWT 使用的更多信息,可以参考示例 :example:`wifi/itwt`
TWT 功耗分析
+++++++++++++
为了展现 TWT 在节省设备功耗方面的优势,我们使用功率分析仪追踪了 {IDF_TARGET_NAME} 在不同模式下的电流情况。如下图所示,{IDF_TARGET_NAME} 首先处于 DTIM 模式,接着与 AP 建立起 iTWT 协商TWT Wake Interval 为 10 s在 TWT SP 结束后,{IDF_TARGET_NAME} 会进入 Light-sleep 状态直到下个 SP 到来时唤醒。
其中 :cpp:type:`wifi_twt_setup_config_t` 配置示例如下:
.. code-block:: C
wifi_twt_setup_config_t setup_config = {
.setup_cmd = TWT_REQUEST,
.flow_id = 0,
.twt_id = 0,
.flow_type = 0,
.min_wake_dura = 255,
.wake_duration_unit = 0,
.wake_invl_expn = 10,
.wake_invl_mant = 10000,
.trigger = 1,
.timeout_time_ms = 5000,
};
.. figure:: ../../_static/itwt_10s_current.png
:align: center
DTIM 与 iTWT 模式下的电流图
进一步,将 TWT 协商中的 TWT Wake Interval 参数更改为 30 s下图展现了参数变化对于电流的影响。
其中 :cpp:type:`wifi_twt_setup_config_t` 配置示例如下:
.. code-block:: C
wifi_twt_setup_config_t setup_config = {
.setup_cmd = TWT_REQUEST,
.flow_id = 0,
.twt_id = 0,
.flow_type = 0,
.min_wake_dura = 255,
.wake_duration_unit = 0,
.wake_invl_expn = 10,
.wake_invl_mant = 30000,
.trigger = 1,
.timeout_time_ms = 5000,
};
.. figure:: ../../_static/itwt_30s_current.png
:align: center
更改参数后的 DTIM 与 iTWT 模式下的电流图