Wi-Fi 场景下低功耗模式介绍

[English]

本节将结合纯系统下的功耗模式来介绍 Wi-Fi 场景下的低功耗模式。因为 Wi-Fi 场景的复杂性,本节会首先介绍 Wi-Fi 省电的基本原理,然后再介绍具体的低功耗模式。本节主要针对 station 模式。

Wi-Fi 场景如何选择低功耗模式

在介绍具体内容前先给出 Wi-Fi 场景下低功耗模式总结表,以方便用户根据需求快速选择想要了解的内容,选择合适的低功耗模式。

项目

Modem-sleep

Modem-sleep+DFS

Auto Light-sleep

Deep-sleep

休眠

自动

自动

自动

手动

唤醒

自动

自动

自动

配置唤醒源

Wi-Fi连接

保持

保持

保持

断开

CPU

开/降频

暂停

系统时钟

外设

DTIM1

31.14 mA

11.71 mA

2.48 mA

/

DTIM3

29.06 mA

12.4 mA

2.96 mA

/

DTIM10

28.5 mA

12.15 mA

2.69 mA

/

平均电流

/

/

/

5 μA

备注

上表中所有电流均为平均电流,所测数据均在屏蔽箱中测试得出。表中术语在下文均有介绍,用户可根据需求进行查看。

Wi-Fi 省电的基本原理

首先,在 station 的工作过程中,为在接收发送过程中避免冲突,需要长时间监听信道,能耗较大的 RF 模块会一直处于工作中,浪费电量。为此,Wi-Fi 协议引入省电模式。

省电模式的基本原理是通过减少不必要的监听时间来降低耗能。AP 会缓存进入省电模式的 station 的包,同时周期发送包含 TIM 信息的 beacon 帧,TIM 会指示 AP 缓存的单播包。TIM 中,DTIM 较为特殊,其会缓存广播包,并以 n 个(由 AP 决定)TIM 为周期发送。对 station 来说,TIM 非必听,而 DTIM 为必听。因此,station 可以选择只在每一个 DTIM 帧前醒来打开 Wi-Fi 相关模块(RF 模块),而不必时刻处于监听状态,这样就能有效降低功耗。

                      DTIM                DTIM
        TIM             │                   │
         │    │    │    │    │    │    │    │    │    │    │
         │    │    │    │    │    │    │    │    │    │    │
AP    ───┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────


                     ┌────┐             ┌────┐
                     │    │             │    │
                     │    │             │    │
                     │    │             │    │
Sta  ────────────────┴────┴─────────────┴────┴─────────────────

                    DTIM4 省电模式示意图

其次,station 从打开到再次关闭 Wi-Fi 相关模块的时间也会影响功耗。除必要的数据传输处理时间外,主要有四项配置会影响时间长短:

  • 时钟准确性导致的 time offset,主要原因是时钟或多或少都会与理想的时间存在偏移,同时偏移的正负不定。

  • 处理 beacon 漏听后的时间,如漏听后持续监听时间、允许最多丢失 beacon 数目等,这段时间存不存在以及存在多久都不定,但是可以配置范围。

  • 为了确保能够接受突发数据包而添加的 active 时间,可由配置决定。

  • ILDE 时间是具体某些功耗模式进入条件要求。因此在满足通信需求的情况下,降低工作时间可以改善功耗表现。

┌────────────┬────────────┬────────────┬────────────┬────────────┐
│            │            │            │            │            │
│time offset │ 必要处理时间 │   beacon   │   active   │   IDLE     │
│            │            │ 漏听处理时间 │    时间     │   时间     │
│            │            │            │            │            │
└────────────┴────────────┴────────────┴────────────┴────────────┘
                    芯片工作时间组成图

此外,在 station 没有处于 Wi-Fi 接收或发送状态时,影响功耗的因素变成了芯片的其他模块。不同的功耗模式会配置不同的时钟源,或者动态调整一些模块的工作频率如 CPU,同时还会关闭不同数量的功能模块,这将有效降低芯片的功耗。用户可根据需求自己选择合适的配置。

如果以时间为横轴,电流大小为纵轴建立坐标轴,那么处在低功耗模式下芯片的理想工作电流图可以简化成下图:

     ▲
电流  |
大小  |
     |            interval                period
     |        │ ◄──────────► │           │ ◄─► │
     |     ┌─────┐        ┌─────┐        ┌─────┐
     |     │     │        │     │        │     │
     |     |     |        |     |        |     | base current
     |     |     |        |     |        |     |   |
     |     |     |        |     |        |     |   ▼
     |  ───┘     └────────┘     └────────┘     └──────
     |
     └───────────────────────────────────────────────►
                                                时间
            理想情况下 Wi-Fi 场景低功耗模式电流图

其中 station 要进行 Wi-Fi 通信时,Wi-Fi 相关模块 (PHY) 开启,电流会显著上升,在工作完成前,电流会一直维持在一个较高的水平。工作完成后,芯片会关闭 Wi-Fi 相关模块,这时电流又会降低到一个较低水平。

可以看出影响功耗表现的主要有三点:interval、period 和 base current。

  • interval 是 station Wi-Fi 相关模块工作的间隔,既可以由低功耗模式自定义,也可根据 Wi-Fi 协议省电机制(详细内容请见 Wi-Fi 省电的基本原理),由 DTIM 周期决定。可以看出在同等情下,interval 越大,功耗表现会更好,但是响应会更慢,影响通信的及时性。

  • period 可以看作每次 station Wi-Fi 工作的时间,这段时间的长度也会影响功耗的表现。period 不是一个固定的时长(详细内容请见 Wi-Fi 省电的基本原理),在保证 Wi-Fi 通信正常的情况下,period 持续时间越短,功耗表现越好。但是减少 period 时间,必然会影响通信的可靠性。

  • base current 是 Wi-Fi 相关模块不工作时芯片的电流,影响其大小的因素很多,不同的功耗模式下休眠策略不同。所以,在满足功能的情况下,优化配置降低该电流大小可以提高功耗表现,但同时关闭其余模块会影响相关功能和芯片的唤醒时间。

知道了影响功耗的三点因素之后,要想降低功耗应从这三点入手,接下来介绍两种低功耗模式,Modem-sleep 模式、Auto Light-sleep 模式。两种模式主要区别就是对三点因素的优化不同。

Modem-sleep 模式

Modem-sleep 模式主要工作原理基于 DTIM 机制,周期性的醒来处理 Wi-Fi 相关工作,又在周期间隔之间进入休眠,关闭 PHY(RF 模块)来降低功耗。同时通过 DTIM 机制,station 可以与 AP 保持 Wi-Fi 连接,数据传输。

Modem-sleep 模式会在 Wi-Fi 任务结束后自动进入休眠无需调用 API,休眠时仅会关闭 Wi-Fi 相关模块 (PHY),其余模块均处在正常上电状态。

Modem-sleep 模式默认会根据 DTIM 周期或 listen interval(于 Modem-sleep 模式配置 中介绍)醒来,相当于系统自动设置了一个 Wi-Fi 唤醒源,因此用户无需再配置唤醒源,同时系统主动发包时也可以唤醒。

Modem-sleep 模式是一个开关型的模式,调用 API 开启后一直自动运行,其工作流程十分简单,具体如下图。

┌───────────┐      Wi-Fi 任务结束       ┌───────────┐
│           ├────────────────────────►│   modem   │
│   active  │                         │   sleep   │
│           │◄────────────────────────┤           │
└───────────┘        DTIM 周期到来      └───────────┘
                        / 主动发包

                Modem-sleep 模式工作流程图

根据上文的基本电流图,结合 Modem-sleep 模式的工作原理,以 Min Modem 模式(于 Modem-sleep 模式配置 中介绍)为例可得理想情况下电流变化图。

电流  ▲
大小  |
     |                 DTIM 周期
     |             │ ◄──────────► │
     |          ┌─────┐        ┌─────┐        ┌─────┐
     |          │     │        │     │        │     │
     |   DTIM   |     |        |     |        |     |
     |   到来前  |     |        |     |        |     |  Wi-Fi 任务结束
     |       \  |     |        |     |        |     | /
     |        \ │     │        │     │        │     │/
     |  ────────┘     └────────┘     └────────┘     └──────
     |
     └─────────────────────────────────────────────────────►
                                                       时间
                   Min Modem-sleep 模式理想电流图

Modem-sleep 模式一般用于 CPU 持续处于工作状态并需要保持 Wi-Fi 连接的应用场景,例如,使用 ESP32-S2 本地语音唤醒功能,CPU 需要持续采集和处理音频数据。

DFS + Modem-sleep 模式

Modem-sleep 模式休眠状态中 CPU 仍处在工作状态,而 DFS 机制主要作用于 CPU 和 APB 工作频率来降低功耗,因此 DFS + Modem sleep 模式可以进一步优化功耗表现,又因为 Wi-Fi 任务会申请 ESP_PM_CPU_FREQ_MAX 电源锁来保证 Wi-Fi 任务快速运行,所以 DFS + Modem-sleep 模式产生调频只会发生在 base current 阶段,即 Wi-Fi 任务结束后。

在 Wi-Fi 场景下,为了让用户抓住主要的变化,DFS 可以进行一定的状态简化。具体来说,虽然 DFS 主要根据 CPU 和 APB 两把锁的最高需求来调频,但是 Wi-Fi 场景都需要 CPU 的频率最大化来工作,同时 Wi-Fi 任务结束后,也可以理想化的认为,没有其余的工作要完成,这样就可以简单认为经过一段时间会释放两把锁进入空闲状态(IDLE 状态),也同时忽略这段时间锁的变化导致的电流变化,简化状态。

在 Wi-Fi 场景下,DFS 最终简化为如下流程:

                                ┌────────┐
                                │        │
                                │  DFS   │
                                │        │
                                └───┬────┘
                                    │
                                    ▼
┌──────────┐     系统空闲      ┌──────────┐
│          │  ─────────────►  │          │
│          │                  │          │
│  active  │                  │   IDLE   │
│          │                  │          │
│          │  ◄─────────────  │          │
└──────────┘    系统非空闲      └──────────┘

          Wi-Fi 场景 DFS 简化流程图

在 Wi-Fi 工作的 active 状态与系统空闲的 IDLE 状态转换,Wi-Fi 任务结束后,系统经过一段时间释放了所有锁进入 IDLE 状态,此时 DFS 机制降低频率到设定最低值,忽略了转换状态期间的调频动作,方便理解。

简化过后的 DFS + Modem sleep 模式理想状态下的电流大小如下图所示:

电流 ▲                  Wi-Fi 任务结束
大小 |                  / modem sleep
    |                 /
    |          ┌─────┐                 ┌─────┐
    |          │     │                 │     │
    |          |     |                 |     |   锁释放完
    |          |     |                 |     |   DFS 降频
    |          |     |                 |     |   IDLE
    |          |     |                 |     |    /
    |          |     |                 |     |   /
    |          |     │                 |     │  /
    |          │     └─┐               │     └─┐
    |  ────────┘       └───────────────┘       └─────────
    |
    └─────────────────────────────────────────────────────►
                                                      时间
            DFS + Modem sleep 模式理想电流图

Auto Light-sleep 模式 + Wi-Fi 场景

Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下是 ESP-IDF 电源管理机制、DTIM 机制和 Light-sleep 模式的结合。开启电源管理是其前置条件,auto 体现在系统进入 IDLE 状态超过设定值后自动进入 light sleep。同时 Auto Light-sleep 模式同样遵循 DTIM 机制,会自动苏醒,可以与 AP 保持 Wi-Fi 连接。

Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下休眠机制与纯系统下一样,仍然依赖于电源管理机制,进入休眠的条件为系统处于 IDLE 状态的时间超过设定时间,并且系统会提前判断空闲时间是否满足条件,若满足直接休眠。该过程为自动进行。休眠时会自动关闭 RF、8 MHz 振荡器、40 MHz 高速晶振、PLL,门控数字内核时钟,暂停 CPU 工作。

Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下遵循 DTIM 机制,自动在 DTIM 帧到来前苏醒,相当于系统自动设置了一个 Wi-Fi 唤醒源,因此用户无需再配置唤醒源。同时系统主动发包时也可以唤醒。

Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下工作流程较为复杂,但全程都是自动进行,具体如下图所示:

                              ┌────────┐
                              │        │
                              │  DFS   │
                              │        │
                              └───┬────┘
                                  │
                                  ▼
┌──────────┐     系统空闲      ┌──────────┐   超过设定时间    ┌──────────┐
│          │  ─────────────►  │          │  ────────────►  │         │
│          │                  │          │                 │   auto  │
│  active  │                  │   IDLE   │                 │  light  │
│          │                  │          │                 │   sleep │
│          │  ◄─────────────  │          │                 │         │
└──────────┘    系统非空闲      └──────────┘                 └────┬────┘
  ▲                                                              │
  │                    DTIM 周期到来 / 主动发包                     │
  └──────────────────────────────────────────────────────────────┘

                    Auto Light-sleep 模式工作流程图

Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下经常与 Modem-sleep 模式同时开启,这里给出 Modem + Auto Light-sleep 模式的理想电流图,关键节点均在图上标出。

                            DTIM 周期
电流 ▲             │ ◄───────────────────► │
大小 |          ┌─────┐                 ┌─────┐
    |          │     │ \               │     │
    |          |     |  \              |     |
    |          |     | Wi-Fi 任务结束   |     |
    |          |     |  modem sleep    |     |
    |          |     |                 |     |
    |          |     |                 |     |      系统判断空闲
    |  DTIM    |     |     系统 IDLE    |     |     时间超过设定值
    |  到来前   |     │     DFS 降频     |     │       light sleep
    |       \  |     └─┐    /          |     └─┐    /
    |        \ │       └─┐ /           │       └─┐ /
    |  ────────┘         └─────────────┘         └─────────
    |
    └─────────────────────────────────────────────────────►
                                                      时间
          Modem + Auto Light-sleep 模式理想电流图

Auto Light-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下可用于需要保持 Wi-Fi 连接,可以实时响应 AP 发来数据的场景。并且在未接收到命令时,CPU 可以处于空闲状态。比如 Wi-Fi 开关的应用,大部分时间 CPU 都是空闲的,直到收到控制命令,CPU 才需要进行 GPIO 的操作。

Deep-sleep 模式 + Wi-Fi 场景

Deep-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下与纯系统下基本相同,详情可以参考 Deep-sleep 模式,这里不再介绍。

如何配置 Wi-Fi 场景下低功耗模式

介绍完 Wi-Fi 场景下低功耗模式后,本节将介绍公共配置选项、每种模式独有的配置选项,以及相应低功耗模式 API 的使用说明,同时给出相应模式推荐的配置(包含纯系统下的低功耗推荐配置)以及该配置的具体表现。

备注

下文为配置选项的简单介绍,点击相应链接获取详细内容。

公共配置选项

Modem-sleep 模式配置

  • 可配置选项

    • Min Modem

      该参数表示 station 按照 DTIM 周期工作,在每个 DTIM 前醒来接收 beacon,这样不会漏掉广播信息,但是 DTIM 周期由 AP 决定,如果 DTIM 周期较短,省电效果会降低。

    • Max Modem

      该参数表示 station 会自定义一个 listen interval,并以 listen interval 为周期醒来接受 beacon。这样在 listen interval 较大时会省电,但是容易漏听 DTIM,错过广播数据。

  • 配置方法

    • 调用 API,选择模式参数

      typedef enum {
          WIFI_PS_NONE,
          WIFI_PS_MIN_MODEM,
          WIFI_PS_MAX_MODEM,
      } wifi_ps_type_t;
      esp_err_t esp_wifi_set_ps(wifi_ps_type_t type);
      

      若选择 WIFI_PS_MAX_MODEM,还需配置 listen interval,示例如下:

      #define LISTEN_INTERVAL 3
      wifi_config_t wifi_config = {
          .sta = {
          .ssid = "SSID",
          .password = "Password",
          .listen_interval = LISTEN_INTERVAL,
        },
      };
      ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_mode(WIFI_MODE_STA));
      ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_set_config(ESP_IF_WIFI_STA, &wifi_config));
      ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());
      
  • 推荐配置

    这里给出的推荐配置是 Min Modem-sleep 模式 + DFS 开启的配置

    配置名称

    设置情况

    WIFI_PS_MIN_MODEM

    ON

    CONFIG_PM_ENABLE

    ON

    RTOS Tick rate (Hz)

    1000

    max_freq_mhz

    160

    min_freq_mhz

    40

    light_sleep_enable

    false

    • 配置表现

      CPU 频率

      DFS

      DTIM

      平均电流 (mA)

      最大电流 (mA)

      最小电流 (mA)

      160 MHz

      ON

      1

      11.71

      83.87

      5.04

      160 MHz

      OFF

      1

      31.14

      160.26

      29.04

      160 MHz

      ON

      3

      12.4

      84.85

      10.0

      160 MHz

      OFF

      3

      29.06

      178.67

      28.25

      160 MHz

      ON

      10

      12.15

      84.18

      10.01

      160 MHz

      OFF

      10

      28.5

      176.69

      28.21

Auto Light-sleep 模式 + Wi-Fi 场景配置

Auto Light-sleep 在 Wi-Fi 场景下的配置比纯系统下少了唤醒源的配置要求,其余几乎与纯系统下配置一致,因此可配置选项、配置步骤、推荐配置的详细介绍可以参考上文 Deep-sleep 模式。同时 Wi-Fi 相关配置保持默认。

  • 配置表现

    该配置表现为 Auto Light-sleep 模式纯系统推荐配置 + 默认的 Wi-Fi 相关配置在 Wi-Fi 场景的表现。

    CPU 频率

    DTIM

    平均电流 (mA)

    最大电流 (mA)

    最小电流 (mA)

    160 MHz

    1

    2.48

    94.88

    0.96

    160 MHz

    3

    2.96

    97.15

    2.25

    160 MHz

    10

    2.69

    98.66

    2.25

Deep-sleep 模式 + Wi-Fi 场景配置

Deep-sleep 模式在 Wi-Fi 场景下的配置与纯系统下配置基本一致,因此可配置选项、配置步骤、推荐配置的详细介绍可以参考上文 Deep-sleep 模式。同时 Wi-Fi 相关配置保持默认。

  • 配置表现

    该配置表现为 Deep-sleep 模式纯系统推荐配置 + 默认的 Wi-Fi 相关配置在 Wi-Fi 场景的表现。

    平均电流约 5.0 μA


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