（通信与信息系统专业论文）wimax网络中基于休眠窗口调整的节能算法.pdf

摘要 1 1 1 1 1i l li i i iu li ii i iiii iy 2 0 6 7 2 15 摘要 i e e e8 0 2 1 6 e 标准提出了三种休眠模式来节省移动台能耗。但标准中并没有根 据业务特性和信道状态来调整移动台的睡眠周期，对于标准的研究也很少考虑到 终端的转换能量消耗。 首先，针对标准的不足，本论文研究了基于业务整形和信道特性的终端睡眠 时间调整算法。在保证业务服务质量( q o s ) 的情况下，该算法能够根据实时信道 状况和业务量状态调整移动台睡眠周期，减少移动台的收发转换次数，从而降低 移动台的能量消耗。 接着本论文进一步研究了两种网络级的基于基站休眠的w i m a x 网络节能算 法，它们都是通过协调移动台的睡眠时间从而使基站休眠来到达w i m a x 网络节 能目的。然而两种算法区别在于：第一种算法中，基站单独计算每个移动台的睡 眠时间，根据最大延时需求值协调每个移动台的睡眠时间达到基站休眠的目的， 此算法仅适用于泊松业务模型；第二种算法中，基站根据延时需求值和业务等待 时间统一调整移动台睡眠时间来达到基站休眠的目的，此算法不会限制业务类型。 仿真结果表明，两种算法都能够提高网络能量的节省效率。 关键字：je e e 8 0 2 16 业务特性信道预测基站休眠能量节省 w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei e e e8 0 2 16 es t a n d a r d sd e f i n et h r e ec l a s s e so fs l e e p m o d et h a tc a nb ea p p l i e d t om o b i l es u b s c r i b e rs t a t i o n s ( m s s s ) f o rc o n s e r v i n gt h ep o w e ro fm o b i l et e r m i n a l s b 此 t h e s es t a n d a r d sd on o tf u l l yu t i l i z et h et r a f f i cf e a t u r e sa n dc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ct os a v e t h ee n e r g yo fm o b i l et e r m i n a l s a n dp r e v i o u ss t u d i e so i li e e e 8 0 2 16 eb a r e l yc o n s i d e r e d t h es t a t et r a n s i t i o n so ft h et e r m i n a l f i r s t l y ，ap o w e rs a v i n gs t r a t e g yb a s e do nt h ep r e d i c t i o no fb o t ht r a f f i cl o a da n d c h a n n e lq u a l i t yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f p r e d i c t i o n ，t h e e n e r g yc a nb es a v e db yr e d u c i n gt h ef r e q u e n c yo ft r a n s i t i o n sb e t w e e ns l e e ps t a t ea n d a c t i v es t a t ea tm o b i l es t a t i o n s f u r t h e r m o r e ，t w om e t h o d sf e a t u r i n gt h ec o o r d i n a t i o no ft h es l e e pw i n d o wo f m o b i l es t a t i o n sa r ep r e s e n t e d b o t ho ft h e mc a nm a k eb a s es t a t i o n ss h u td o w nt h e t r a n s c e i v e rc i r c u i tf o rr e d u c i n gi n t e g r a ln e t w o r ke n e r g yc o n s u m p t i o n h o w e v e r ，t h e r e e x i t so b v i o u sd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m i nt h ef i r s to n e ，b a s es t a t i o n sc o m p u t et h e s l e e pt i m eo fe a c hm o b i l es t a t i o na n ds e tt h e i rs l e e pw i n d o wb a s e do nt h em i n i m u m a l l o w a b l ed e l a yr e s p e c t i v e l y ，a n db a s es t a t i o n se n t e ri n t o s l e e po n l yf o ran o n - e m p t y m a x i m u mc o m m o ns l e e pw i n d o w b u t ，t h i sa l g o r i t h ma p p l i e so n l yt ot h ep o i s s o nm o d e l i nt h es e c o n da l g o r i t h m ，t h eb a s es t a t i o nc o o r d i n a t e st h es l e e pt i m eo fa l lm o b i l e s t a t i o n sb a s e do nt h ed e l a yr e q u i r e m e n ta n dt h ew a i t i n gt i m e t h i sa l g o r i t h ma p p l i e st o a n yt r a f f i cm o d e l t h es i m u l a t i o ns t u d i e sd e m o n s t r a t et h ep r o p o s e ds c h e m e sc a ns a v ea c o n s i d e r a b l ea m o u n to f e n e r g yw i t hl i t t l ei m p a c t0 1 1d e l a yc o m p a r e dw i t he x i s t i n gs l e e p s c h e d u l i n gs c h e m e s k e y w o r d ：w i m a x s e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c c h a n n e lp r e d i c t i o n b a s es t a t i o n s l e e pe n e r g ys a v i n g w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 随着高速率网络技术的发展，互联网中业务种类和数量的快速增长，网络的 能量消耗已经达到全世界能量消耗1 0 。通信行业不是传统意义上的高能耗产业， 但也绝对是不折不扣的耗能大户。在移动通信网络中，每个用户终端的能量消耗 是0 1 瓦，现在有三十亿个用户终端，那么总的能量消耗达到0 4 g w ，有三百多万 个基站，总的能量消耗达到4 5 千兆。所以从移动网络的能量消耗角度来看，基站 的能量消耗是主要的方面。移动业务的能量消耗占信息产业能耗的2 5 ，占全球 能耗的0 2 到0 2 5 。我国目前基站的数量已经超过4 0 万个，数据中心和机房数 目也在不断增加，高增长带来高能耗。 在移动通信行业想要达到节省能耗的目的，我们必须对通信网络中消耗能量 的主要设备有清楚的认识。根据移动网络中能量消耗的高低，我们把移动通信网 络分为三个部分，即接入部分、核心部分及传送部分。接入部分是节省能量消耗 的重点，通常所讨论的新能源的使用也主要应用在这个部分。核心层设备物理位 置通常比较集中，需要优化老化的设备。最后，在由路由器，交换机与光网络设 备构成的传送网中路由及网络的优化是节能的关键。 核心网的节能主要在物理层之上的数据链路层和网络层。对于数据链路层应 该尽量避免数据重传，因为数据重传就会面临更多的能量耗费和更大的延迟问题。 在网络层上路由协议和数据融合是重点。在数据路由过程中，通过数据融合减少 整个网络的流量是降低能耗的重要措施。围绕能量有效性的路由协议的研究也取 得了较快的进展。这方面主要的研究方向是保证通信状态下的能量有效性与空闲 状态下的能量有效性。节点在通信状态下消耗的能量，包括数据的发送与接收必 须消耗的能量和路由发现与维护所消耗的能量。数据传输的能量消耗与传输距离 有紧密的关系，一般数据传输的能量消耗与路径长度的幂次方成正比例关系。数 据被转发次数越多，路径长度越长，消耗的能量就越多，频繁地发现和维护路由 也会增加站点的能量消耗。现阶段主要的节能路由算法主要有s h a h 等人提出的能 量感知路由协议【l 】，l e a c h 层次路由算、法【2 1 ，和y e 等人提出的最小代价路由协 议【3 1 。 移动通信网络按照有无基础设施的支持可以分为两大类：有固定基础设施支 持的网络和没有固定基础设施支持的网络。在有固定基础设施的移动通信网络中， 移动终端和基站的数量远远大于其它设备的数量，随着移动网络覆盖范围和容量 的增大以及用户对业务需求的增大，移动终端的数量也在不断的增加，这部分的 能量消耗占据了网络能量消耗的大半以上。而在移动环境中，移动终端设备是靠 2 w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 电池来供电的，但是存储于电池中的电量是很有限的，而移动终端的电池技术的 发展也已经跟不上通信需求的增长。 为了延长移动终端的电池使用时间，最小化移动终端能量消耗，尽量减少对 基站空中接口资源的使用，i e e e 8 0 2 1 6 e 标准提出了三种功率管理机制，通过减少 移动终端的功率消耗来延长移动终端电池使用期刚3 1 。标准中定义了三种休眠模式， 分别用于三种相应的连接服务，反应除了三种不同的服务质量。移动终端分为睡 眠模式和正常模式，睡眠模式是有一系列的睡眠周期组成，而一个睡眠周期又有 监听窗口和睡眠窗口组成，其中监听窗口在前睡眠窗口在后。移动终端在睡眠状 态结束后进入监听状态，在监听窗口的第一帧期间，检查是否有来自基站的数据 到达。如果有，移动终端进入正常状态并接收数据，否则，移动终端继续进入睡眠状 态。休眠状态的持续时间长度是按二进制指数增长的趋势增加，直到达到一个最 大的睡眠时间保持不变。基站和移动终端建立连接时候会协商相关参数，并且保 持这些参数不变，这些参数包括监听窗口长度，初始睡眠窗口长度和最大睡眠窗 口长度。在监听窗口期内，移动终端只是接收管理信息，不接收数据信息，这样 当监听窗口数增多的时候，就会是能量有效性下降。针对以上8 0 2 1 6 e 移动终端休 眠模式的缺点，最新无线接入技术8 0 2 1 6 m 对其进行了改进。在遵循8 0 2 1 6 e 睡眠 模式的情况下，限制移动终端只能保持一种能量节省模式，并且监听窗口是可以 根据传输的数据业务进行调整的。当数据业务比较大的时候，监听窗口可以扩展 直到数据业务传输完，当数据业务比较小的时候，监听窗口期间可以扩展成睡眠 窗口，减少能量消耗。 节能作为控制全球变暖的一张重要王牌，已经变成了一种通信责任和一种通 信能力。减少能耗己成为一项需要全世界共同面对的重大课题。尤其是在二氧化 碳排放量仅次于美国的中国，其节能减排的实施更是受到世界广泛关注。今后如 何解决节能减排，已成为中国一项紧急的重大课题。而高效的节能策略对于保证 移动通信系统的性能和稳定性也具有深远的意义。 1 2 论文的主要工作 本论文的主要工作包括研究和仿真。首先深入研究i e e e 8 0 2 1 6 标准中的移动 终端休眠机制，根据标准中所提的休眠机制的不足，研究了基于业务特性和信道 预测的终端节能算法。本论文除了对于点到点的单个移动终端的休眠机制进行改 进以外，还对w i m a x 网络的节能算法进行了研究。本论文提出了两种基于基站 休眠的w i m a x 网络节能算法。除此之外，本论文还通过o p n e t 工具对于本论文 所提出的算法进行了仿真，分析各个参数对于系统性能参数的影响，并且将本论 文的算法和标准的进行比较，能够得到很好的性能。根据研究目标，本文的研究 第一章绪论 内容包括以下三个部分： 1 ) 基于休眠的移动终端能量节省技术的归纳总结 深入研究并且系统归纳总结了i e e e s 0 2 1 6 e 和i e e e 8 0 2 1 6 m 标准中提出的移 动终端能源管理机制。 2 ) 基于业务整形和信道预测的移动终端节能算法 重点综合研究分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 协议和i e e e 8 0 2 1 6 m 协议中所提出的移动 终端休眠机制，针对标准中调整移动终端睡眠时间所没有考虑的因素，研究了基 于业务整形和信道预测的移动终端休眠算法。本算法将移动终端在工作状态和睡 眠状态之间的转换状态也考虑进来，在保证业务时延要求的前提下，希望能够根 据业务特性和信道实时状态，通过将小的业务量聚合成大业务量从而降低转换次 数，进而使得移动终端的睡眠时间能够长一些，减少能量消耗。该算法是启发式 方法，对于任何业务类型都适合，不会限制业务类型。 3 ) 基于基站休眠的w i m a x 网络节能算法 研究了两种基于基站休眠的w i m a x 网络节能算法。两种算法都是通过协调 基站服务的移动终端的睡眠时间，使得连接到基站上的所有移动终端都能够休眠 相同的一段时间，从而使基站也可以关闭射频单元相同的一段时间，进而减少 w i m a x 网络的能量消耗。两种算法中的移动终端的时隙分配都是根据业务特性来 动态分配，而不是静态分配。然而两种算法的实现方式又有所不同。 在第一种算法中，首先，基站单独调整各个移动终端的睡眠时间，然后，根 据计算出来的各个移动终端的睡眠时间值和最大延时需求值，基站协调每个移动 终端的睡眠时间使得所有移动终端的休眠时间一致，从而达到基站休眠的目的。 在第二种算法中，基站根据业务延时需求和业务等待时间长度统一调整各个 终端的睡眠时间，从而到达基站休眠的目的，进而减少w i m a x 网络的能量消耗。 此算法不会限制业务类型。 1 3 论文的组织结构 根据本文的目标以及内容，本文其余部分具体的组织结构如下：第二章详细 介绍当前i e e e s 0 2 1 6 e 协议和i e e e 8 0 2 1 6 m 协议能量管理机制所提出的移动终端 休眠模式，并且分析了其优缺点。第三章和第四章是本论文的重点，第三章详细 介绍了基于业务整形和信道预测的移动终端休眠调整算法，并且进行了仿真。第 四章详细介绍了两种基于基站休眠的w i m a x 网络节能算法，并且进行了仿真。 第五章对于本论文的工作做了总结，并且提出了进一步的研究方向。 4 w i m a x 网络中基于休眠窗1 3 调整的节能算法研究 第二章移动终端能量节省技术的相关研究 第二章移动终端能量节省技术的相关研究 2 1i e e e 8 0 2 16 e 标准终端休眠模式 i e e e 8 0 2 1 6 e 1 6 是一种较新支持终端移动性的无线城域网接入标准，较 i e e e 8 0 2 1 6 增加了支持移动终端以车速移动的功能，能够支持高达7 5 m b p s 的带 宽，基站覆盖范围达到6 4 9 6 k m ，并且支持单载波，o f m d ，o f d m a 等多种物理 层技术，为移动终端提供了大范围的无线接入l 。由于移动的终端通常都是靠电池 来维持运转，其服务能力和系统配置必将受限于电池容量。为了扩展移动的终端 的电池使用期限，减少移动的终端的能量消耗，i e e e 8 0 2 1 6 e 标准提出了一种功率 管理机制，在数据链路层的公共子层里定义了三种功率节省类型【8 j ：用于尽力而为 和非实时业务连接的功率节省类型一，用于实时业务和u g s 连接的功率节省类型 二和用于多播连接和管理操作的功率节省类型三。下面简单介绍三种功率节省类 型：如图2 1 所示，i e e e 8 0 2 1 6 e 为移动终端引入了两种工作模式：睡眠模式和正 常模式【9 】。睡眠模式就是移动终端不能够发送和接收数据帧的模式，与之相对应， 正常模式就是移动终端能够正常接收和发送数据帧的模式。 工作状态睡眠状态工作状态睡眠状态 图2 1 移动终端状态 终端处于睡眠模式时有睡眠和监听两种状态。在睡眠状态后进入监听状态， 并检查期间是否有来自基站的数据到达，如果有，它将进入正常状态并接收数据， 否则，继续进入睡眠状态。在睡眠模式时，移动终端关掉相关的数据通信模块来 节省电源。进入睡眠模式的移动终端在预先协商好的时间段内里离开基站空中接 口，同时为了与基站保持同步，移动终端会周期性的监听同步信息。通过这种不 断地重复移动终端既可以减少能量的消耗，又可以进行正常的数据收发工作。但 是当移动终端处于睡眠模式时，除了能够节省能量以外，还会有一定的延迟时间。 对于每一个移动终端，可以与基站建立多个能量节省的操作，每一个操作对应了 一个功率节省类型。协议规定了基站必须支持睡眠模式，而对于移动终端来说是 可选的，并且还规定了两种发起睡眠的方式，一种是基站主动发起的，另一种是 移动终端主动发起的。 如图2 2 ，为了得到进入睡眠模式的允许，移动终端向基站发送睡眠请求信息 ( m o bs l p，基站会向移动终端发送回应信息 ，当移动r e q ) ( m o b s l pr s p ) 6 w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 终端收到基站发送的回应信息以后，进入到睡眠模式，在这种模式下，基站就会 关闭所有的无线接口，因此就没有数据在移动终端和基站之间传输。当基站和移 动终端的睡眠时间到达协商的时间以后，终端在监听窗口第一时隙期间监听业务 指示信息( m o bt r fi n d ) 检测到是否有数据到来。如果有，处于睡眠状态的移 动终端重新回到工作模式来收发数据。否则，移动终端返回到睡眠状态，如果在 此期间有到达移动终端的数据帧，基站会先缓存起来。 图2 2 移动终端功率节省类型流程图 在基站和移动终端建立连接期间，基站和移动终端会协商和p s c 相关的睡眠 参数，用于以后基站调整移动终端的睡眠时间长度。不同的功率节省类型，睡眠 时间的调整是不同的。 功率节省类型一p s c l ( p o w e rs a v i n gc l a s s1 ) 规定了睡眠窗口的大小是可以变 化的，而监听窗口一旦设定，就不能调节。其睡眠参数包括初始睡眠窗口，监听 窗口，最大睡眠窗口底数和最大睡眠窗口阶数。在睡眠周期里，一个睡眠窗口的 大小可以用公式( 2 1 ) 表示，从这个公式( 2 1 ) 里可以看出在一个睡眠周期里，下 一个睡眠窗口值是前一个睡眠窗口值的两倍，直到当前的睡眠窗口值达到睡眠窗 口最大值并保持不变。移动终端反复执行这些操作，直到它监听到数据帧到达的 第二章移动终端能量节省技术的相关研究7 指示然后返回至正常状态。 互厂 2 曲2 1 - 1 2 i - i 乏d e e p ： - “t i 咖s l e e p 二 弘， l = 1 石咖一 五m i nl u _ ， 功率节省类型二p s c 2 ( p o w e rs a v i n gc l a s s2 ) 规定监听窗1 3 和睡眠窗口都是固定 不变，即睡眠窗1 3 的增大系数是l ，可以用疋，= 五i n i t i a l 表示。所以其睡眠参数只 包括初始睡眠窗口和监听窗1 3 。并且监听窗1 3 和睡眠窗1 3 确定以后就保持不变。 这是他与功率节省类型一不同之处。并且功率节省类型二还规定在监听窗口期间， 移动终端可以发送或接收数据，这也是它与功率节省类型一的不同之处。 功率节省类型三p s c 3 ( p o w e rs a v i n gc l a s s3 ) 规定了一个睡眠周期只是包含了 一个睡眠窗口。移动终端在第一次睡眠时间结束后就立即进入正常状态。功率节 省类型三主要用于特殊用途，很少有研究。 图2 3 显示了移动终端的睡眠模式，图中参数说明如下：s 是初始睡眠窗1 ：3 ， 是最终睡眠窗1 3 ，l 是监听窗1 3 。s 表示在i 次睡眠周期中的睡眠窗1 3 。在p s c 2 中s ：+ l = s ：在p s c l 中s = m i n 2 s 一，瓯眦 。 - t h o b s a r r i v a l 图2 3 移动终端睡眠模式示意图 在i e e e 8 0 2 1 6 e 中，平均能量消耗随着最小睡眠窗口的减少而增大，随着监听 窗口的减少而减少，随着最大睡眠窗口的减少而增大。平均等待时间随着最小睡 眠窗口的减少而减少，随着监听窗口的减少而减少，随着最大睡眠窗口的减少而 减少。 2 2i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠机制的问题 现存的i e e e s 0 2 1 6 e 标准所提出的睡眠机制存在一些问题【10 1 ，如下： l 功率节省类型p s c 管理不当。当一个有很多的连接的移动终端能独立的为 他们的链接管理多个p s c 的时候，将会导致一个p s c 的睡眠窗口可能会覆盖其他 p s c 的监听窗口，如图2 4 所示的重叠时间间隔。在这种情况下，移动终端就不能 关断关掉相关的数据通信模块，也就不能节省能量。这是不同的业务类型有不同 w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 的服务质量要求所造成的。例如，功率节省类型二针对的是非时变速率小比特到 达的业务，其延时要求比较严格，这就需要基站及时的发送业务到移动终端；但 功率节省类型一针对的是尽力而为的业务，就不存在着严格的延时要求，因此基 站就不需要及时的发送业务到移动终端。 p s ci d l p s ci d 2 p s c _ i d 3 p s ci d 4 【】i 二二二 二二二】 二二s t a t eo fs s r 活动时间间隔厂 睡眠时间问隔- - 重叠时间间隔 图2 48 0 2 1 6 e 功率节省类型管理不当 2 参数的静态配置。当建立一个p s c ，基站和终端协商和p s c 相关的参数， 并且保持这些参数不变，并且对于功率节省类型二来说，在监听窗口只是接收管 理信息，不接收数据信息，这样当监听窗口数增多的时候，就会是能量有效性下 降。这样就很难估计一个适合的监听窗口，在这个监听窗口中移动终端可以接收 业务。例如，当基站为移动终端提供典型的周期性到达时延要求小r t - v r 业务时， 由于不确定性因素的原因，这个业务的业务量可能是变化的。在有些情况下，基 站可能还在传输业务，但是预定的监听窗口已经消耗完，结果就会导致部分业务 丢失，所以监听窗口需要灵活控制。此外，对于尽力而为的业务也是很难确定睡 眠窗口的大小。例如，使用功率节能类型一的移动终端可能会一直保持在睡眠模 式，这样很可能睡眠窗口会变成最大值。太长的睡眠窗口会导致很高的业务时延， 因此，尽管这种业务对延时不是很敏感，但是太长的睡眠窗口也是不允许的。 3 没有h a r q 确认【1 1 j 。在i e e e 8 0 2 1 6 中，h a r q 是可选的，但是对于实际 的服务来说却是必须的，因为它能够很大程度上减少数据传输的错误。当信道发 生错误时候，h a r q 重传就会发生在可用间隔期间。在这种情况下，重传时间可 能会超出这个可用时间间隔。这就意味着不管是h a r q 重传发生在下一个可用间 隔还是h a r q 重传发生了错误都是不允许的，因为这会引起服务中断。 如图2 5 左图所示，发端在可用时间间隔中发送数据包到对端，但是数据包传 输出错，于是对端发送一个否定应答信息到发端，发端接收到这个否定应答就需 要重新传输出错的数据包，但是在传输重传数据期间可用的时间间隔结束，导致 了数据丢失。如图2 5 右图所示，发端在可用时间间隔中发送数据包到对端，但是 数据包传输出错，于是对端发送一个否定应答信息到发端，但是在传输否定应答 第二章移动终端能量节省技术的相关研究 9 信息期间可用时间间隔却消耗完，导致了否定应到信息传输出错。假设发送端和 接收端都采用了选择重传技术，这样在两端分别都有接收窗口和发送窗口。以上 的情况就会造成如下的一些问题： 可用间隔 不可用间隔 p a c k 酎- 4 p - - - - - - n a c k 一 撕未、 1 r1 可用间隔 不可用间隔 图2 5 数据包丢失不意图 如图2 6 所示，由于无线信道原因，基站在接收p d u ( n - 1 ) 和p d u ( n ) 的时候出 错，接收到的是a c k 。这样接收窗口是n i 但是发送窗口是n + i 。这样在下一个 周期就不会接收到数据。 如图2 7 所示，由于在活动窗口期间，移动终端发送的与p d u ( n 1 ) 帧相应的 应答信息a c k 以及与p d u ( n ) 对应的否定应答信息n a c k 都没能成功发送到基站， 所以在接收端的窗口是n 但是发送端的窗口是n - 1 。这样在下一个活动周期内就会 有重传的情况，导致资源浪费。并且下一个活动期间的发送窗口值和接收端窗口 值是不同步的。 正常状态话务 到m s s 的多 到k s s 的多个p d u个p d u 心 正常状态睡眠状态 图2 6 数据包传输出错示意图 1 0w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 正常状态话务到m s s 的多 到m s s 的多个p d u个p d u 正常状态 睡眠状态 图2 7 不完全数据包传输示意图 2 3i e e e 8 0 2 1 6 m 标准终端睡眠模式 针对以上8 0 2 1 6 e 移动终端睡眠模式的缺点，最新无线接入技术8 0 2 1 6 m 对 8 0 2 1 6 e 睡眠进行了改进。i e e e 8 0 2 1 6 m 标准首先引入了两个概斜12 j ： 1 ) 监听窗口可调节：移动终端在监听窗口期间，以正常模式一样的方式不但 可以收发管理信息而且还能收发数据。而且根据业务类型的变化，这个监听窗口 的长度还能够动态调节。 2 ) 睡眠模式参数可以更新：基站移动终端可以根据业务类型的变化动态的更 新睡眠模式操作的参数( 8 0 2 1 6 e 中这个睡眠模式的参数是初始建立连接的时候协 商好的，不会改变) ，在不用退出睡眠模式的情况下，这个更新程序就可以执行。 8 0 2 1 6 m 在遵循8 0 2 1 6 e 睡眠模式的情况下，限制移动终端只能保持一种能量 节省模式，并且监听窗口是可以根据传输的数据业务进行调整的。当数据业务比 较大的时候，监听窗口可以扩展直到数据业务传输完，当数据业务比较小的时候， 监听窗口期间可以扩展成睡眠窗口，减少能量消耗。8 0 2 1 6 m 和8 0 2 1 6 e 的操作基 本上一样。在基站和移动终端建立连接是会先设置睡眠参数，这个睡眠参数包括： 初始睡眠周期、初始监听窗口和最大睡眠周期。其中监听窗口是可以调整的。 如图2 8 所示，移动终端( m s s ) 为了得到进入睡眠周期的允许，首先向基站( b s ) 发送睡眠请求信息( m o bs l pr e q ) ，基站会向移动终端发送睡眠回应信息 ( m o bs l p，移动终端收到睡眠请求信息以后，进入到睡眠周期，和 1 6 e 不同的是在睡眠周期内，睡眠周期又被分成了监听窗1 2 1 和睡眠窗口，在监听状态 下基站和移动终端之间是有数据传输的，只有在睡眠状态下，移动终端关闭相关 的数据发送模块。当基站和移动终端的睡眠时间到达协商的时间以后，基站在睡 眠周期监听窗1 2 1 的第一帧期间内发送业务指示信息( m o bt r f _ i n d ) 到移动终端 第二章移动终端能量节省技术的相关研究1 1 来控制移动终端的睡眠周期的长度。移动终端根据接收到的业务指示信息判断是 否休眠。分成下面两种情况： 钿 q o j b s a r r i v a l 厶 星星 金 姜 詈- & i盘 2i 一 u 室 u- 茸 曲 蚤 蚤 蚤。 詈 萋莹 山。 1r 呈 s l e e p a c t i v e s l e e di s l e e pl _s l e e p l j 5 t 叫a c t f v 砑 lil liiii j 一i liiill1lj li 1 一ij 图2 88 0 2 1 6 m 睡眠模式示意图 当有业务传送的时候，基站就会发送负向业务指示信息给移动终端，扩展监 听窗口为正常模式( 如图2 8 中的蜀) ，到达的数据会在移动终端的可变监听窗口期 间接收。如果在监听窗口没有将数据传送完，那么就会扩展监听窗口来继续传送 数据，直到扩展到最大值( 初始化睡眠周期) ；如果在监听窗口期间数据就已经传 完，那么就可以将剩下的监听窗口扩展成睡眠窗口。数据传输完成以后，移动终? 端终止监听窗口并且立即返回到睡眠状态。这时候的睡眠窗口被重新设置成了初 始睡眠窗口，并且移动终端一直在睡眠周期中保持。直到基站或者是移动终端明 确要求终止这个睡眠周期。如果连续一直没有业务要发送，还需要调整睡眠周期! 的大小，和i e e e 8 0 2 1 6 e 相似，i e e e 8 0 2 1 6 m 对于睡眠周期长度的调整也对应着两 种业务：实时业务和非实时业务。在实时业务下，每一次调整移动终端睡眠周期 都是固定的初始睡眠周期；在非实时业务下，每一次调整的睡眠周期的大小是按 照二进制指数增长的方式直到最大睡眠周期窗口，并且保持不变。 当没有业务传送的时候，基站就发送正向业务指示信息给移动终端，扩展监 听窗口为睡眠窗口( 如图2 8 中深黑色区域) 。相应的睡眠时间到达以后，转到监听 窗口第一帧期间在重新判断。 i e e e 8 0 2 1 6 m 对于i e e e 8 0 2 1 6 e 的改进仅仅是改善了i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的前两 个问题，对于第三个由于信道引起的数据包的丢失问题i e e e 8 0 2 1 6 m 没有给出相 应的改进方法。并且i e e e 8 0 2 1 6 m 对于移动终端睡眠周期的调整还是按照 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的调整方式，并且有考虑到业务的实时特性。 1 2 w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 第三章基于业务整形和信道预测的移动终端节能算法 1 3 第三章基于业务整形和信道预测的移动终端节能算法 为了提高移动终端的响应时间，现阶段对于8 0 2 1 6 e 标准睡眠模式研究工作主 要是节能算法的优化和性能评估。文献【1 2 】提出了一个统计睡眠窗口控制方式来提 高非实时下行业务的移动终端的能量有效性。这种方式构建了一个离散时间马尔 可夫调制泊松过程表示非实时业务状态，应用部分马尔可夫决策过程来估计当前 的业务状态。基于估计的业务状态和可以容忍的延时或者队列大小，提出了两个 次优策略：基于睡眠比例策略和基于能量花费策略。文献【l3 j 提出了一种线性增长 的节能算法，新的睡眠周期的睡眠间隔比前一个睡眠周期增加一个起始睡眠间隔， 仿真研究表明，在低业务的情况下，线性增长算法引起的功耗比指数增长算法的 能量消耗减少了1 0 2 0 ，并且线性增长算法在持续保持能量节省的同时，大大 减少了数据帧的响应时间。文献【1 4 l 提出了一种基于自相似流的指数递减睡眠算法， 基于概念统计理论分析了指数递减睡眠算法的性能，并对其进行了性能分析。仿 真结果表明，在不损耗功率的情况下，可以大大移动终端的响应时间。文献i l 副提 出了一种基于幂函数增长的节能算法，通过调整增长因子a 取值达到兼容几种已 有的节能算法，对a 0 的算法进行分析与仿真表明，幂函数增长较指数增长算法 有明显的改进，其能量消耗减少了1 1 ，平均等待时间比指数增长算法减少了5 5 ； 幂函数增长算法与线性增长算法相比，其平均等待时间增加了2 0 ，能量消耗减 少了3 。文献【1 6 】的仿真分析结果表明随着监听窗口的比例在增加，移动终端会消 耗更多的能量。并且还分析了初始睡眠周期，最终睡眠周期，默认监听窗口和变 化的业务到达类型对于能量节省的影响。文献【1 7 】通过一个离散时间模型来评估 i e e e s 0 2 1 6 m 的延时和能量消耗，并且给出了一个简单的表达式。仿真结果表明 了睡眠窗口越长节能有效性越好，同时延时时间越长。文献【l m 根据业务的响应时 间，首先提出了一个数值模型来决定最大的睡眠时间长度的范围，然后在固定的 最小睡眠时间长度下，提出了d g e s 算法通过优化最大睡眠时间长度来最小化能 量消耗。文献【1 9 】的研究表明频繁的睡眠引起了严重的延时。使用马尔可夫链模型， 我们分析了能量消耗和延时之间的关系。然后，我们提供了一个探索算法来使得 睡眠机制的参数适应网络条件和延时的需求。 以上研究都是基于移动终端收发模块三种操作模式的考虑。但是终端的收发 模块是有四种操作模式：发送、接收，睡眠和转换。终端的能量消耗分成了一下 三个部分：在没有数据传输期间时，终端关闭无线收发装置来转换到睡眠状态从 而降低了能量消耗；在有数据传输期间，终端就从睡眠状态转换到正常的工作状 态，打开无线收发装置，进行数据传输；除此之外，相当一部分的能量都消耗在 了数据传输和睡眠之间的状态转换上。而这种转换在协议的运行中是一个关键性 1 4 w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 的因素。以上的所有研究论文并没有考虑这种转换操作模式。 同时i e e e 8 0 2 1 6 e 和i e e e 8 0 2 1 6 m 协议调整移动终端睡眠窗口时间的方式也 有很多的问题： 1 ) 当基站是小突发业务时，每次在睡眠周期的监听窗口的第一帧期间，基站 都会发送正向业务指示信息给移动终端，移动终端就会被唤醒来传输小的突发业 务，这些数据传输完以后，移动终端睡眠周期内的监听窗口就会被扩展成睡眠窗 口。如果有连续很多次都是小的突发业务，因为小的突发业务的传输时间很短， 移动终端就会频繁的在监听窗口和睡眠窗口之间转换。移动终端在监听窗口和睡 眠窗口之间的转换也是很消耗能量的，这样就不利于节省能量。 2 ) 当基站有业务要传输时，就会发送正向业务指示信息给移动终端，移动终 端就会被唤醒。这时，就会在移动终端和移动终端之间传输数据，但是由于移动 终端移动速度的变化或者移动终端移动到了阴影区域，可能使得信道变坏，在信 道坏的条件下，如果继续传输数据，数据可能会出错，就需要重新传输，最坏的 一种情况是重传的数据帧要等到下一个睡眠周期的监听窗口来传输，不仅增加了 数据传输的延时而且增加了移动终端的能量消耗。 为了解决上述现有移动无线接入标准8 0 2 1 6 m 和8 0 2 1 6 e 中移动终端睡眠窗口 调整方法的问题，本论文研究了一种基于业务整形和信道预测的移动终端睡眠周 期调整方法，以减少移动终端频繁在监听窗口和睡眠窗口之间的转换和数据传输 的延时，进而减少移动终端的能量消耗。本论文所研究的调整方法是通过将小的 业务量聚合成大业务量从而降低转换次数，在数据传输期间能够根据预测的信道 状况来调整移动终端的睡眠时间，从而保证数据传输的有效性。因为本论文算法 是基于业务特性和信道状态的，所以在简单介绍业务类型和无线信道特性之后， 对与本论文的算法在重点介绍。 3 1 现有睡眠调整方法问题 在监听窗口期间，基站的缓冲区中有很少量的数据要发送到移动终端，根据 标准，基站是要发送正向业务指示信息到移动终端，移动终端根据接收到的正向 业务指示信息就会转到接收状态接收数据。对于到达率低时延不敏感的业务来说， 这会增加移动终端的状态转换次数，间接的增加了移动终端的能量消耗。在移动 终端收到正向业务指示信息转到传输状态接收数据期间，如果信道状态不好，数 据包就需要重新传输，不仅增加了数据包的延时，而且增加了数据包的传输时间， 间接的增加了移动站点的能量消耗。下面详细讲解这两个问题。 第三章基于业务整形和信道预测的移动终端节能算法 1 5 3 1 1 小业务量的问题 如图3 1 所示，当业务到达率相对比较低的情况，根据i e e e 8 0 2 1 6 e m 标准， 在监听窗口判决期间，基站缓存中只要有业务到达移动终端，哪怕只有一个数据 包，基站就会发送正向业务指示信息到移动终端，这样移动终端就会被唤醒来传 输这极少量的数据。这就会增加无谓的转换能量消耗。 _ 懒问口删问固蝴睁帧口撇嘲口 图3 1 小业务量的问题示意图 近年来有些学者针对在如何根据业务类型来适当的选择标准中的省电机制做 了研究。文献【2 0 】提出了基于业务流量的网络节能策略，即基站根据业务负载和业 务类型来估计移动终端累积的业务量能超出门限值的时间长度，而这段估计的时。 间长度就是移动终端的睡眠时间。文献【2 1 1 提出了通过使用半马尔科夫决策过程， 根据业务特性来决策i e e e 8 0 2 16 e 中的最优睡眠模式来实现最小的能量消耗或者 最小的业务延时。文献【2 1 1 分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 节能类型中的相关参数，并且根据 不同的业务类型来调整参数来满足最小能量消耗或者最大延时的要求。另外一些 学者根据特性的业务模型来计算业务类型下睡眠时间的长度。以上研究，不管是 根据业务类型来选择合适的省电模式，还是根据业务类型来估计合适的睡眠时间， 在论文分析时候，都没有考虑到转换的能量消耗。并且业务类型也是限制为泊松 过程。但是近年来，通过对一些高速网络w w w 和可变的比特率v b r 业务的流 量的精确测量发现，这些业务流量普遍存在长期相关性，也称为自相似性【2 3 1 。测 量结果表明：无论是局域网、广域网的流量，还是v b r 的流量，都会在大时间尺 度下呈现出统计自相似性，而且，不论网络的服务和利用类型、用户数量、拓扑结 构如何变化，这种自相似性始终存在。自相似过程的一个重要性表现就是赫斯特 效用，赫斯特效应表明样本中果将这种极端值持续时期理解为网络业务的突发性， 则h 值就可以用来描述业务突发性的强度。而且自相似性使得这种突发性不会因 聚集而被平滑掉，突发性呈现嵌套特点。自相似是分形的一种特性，也就是说， 1 6w i m a x 网络中基于休眠窗口调整的节能算法研究 某种事物以不同的尺度来观察，看起来总是一样。在通信系统中的自相似是指时 间序列的相关结果在不同的时间尺度上看都保持不变【2 卯。因此，使用泊松模型来 分析业务类型已经不适合。 所以，本章的目的是要把移动终端在工作状态和睡眠状态之间的转换状态也 考虑进来，希望针对到达率比较低且对延时的要求也是比较宽松的业务，移动终 端能够降低转换次数，延长睡眠时间能够长一些，从而减少平均能量消耗，在保 证了业务时延的要求下，用延时来换取能量消耗的进一步降低。本算法是启发式 方法，对于任何业务类型都适合，业务模型不会限制为泊松业务模型。 3 1 2 信道质量坏的问题 如图3 2 所示，在监听窗口期间，移动终端接收到来自于基站的正向业务指示 信息，移动终端判定有业务到达，就会将监听窗口扩展成传输窗口，开始接收来 自于基站的数据。在数据传输期间，信道状态变得不好，使得数据包丢失，数据 包需要重新传输，如数据包2 和4 ，数据包2 在本次睡眠周期内还能重传成功，但 是数据包4 在传输出错以后，就会转移到下次传输期间重新传输。以上的不管那 种情况，都会增加数据包的传输延时，并且会间接的增加移动终端的转换次数。 所以考虑信道状态也是有必要的。 图3 2 信道质量坏的问题示意图 3 2 改进的移动终端睡眠时间调整算法 3 2 1 改进的移动终端睡眠调整方法 为了解决上面提到的两个问题，下面详细介绍基于业务整形和信道预测的移 动终端睡眠周期调整方法。 首先，说明移动终端和基站之间交互信息的内容与作用，以及基站和终端在 第三章基于业务整形和信道预测的移动终端节能算法1 7 调整睡眠周期中各自的功能。每一次睡眠周期的调整，由基站来控制睡眠周期的 长度。基站是通过发送业务指示信息到移动终端来控制的，这个业务指示信息的 作用是指示移动终端是否需要被唤醒来接收数据，而且还携带了移动终端下一次 睡眠周期的长度。业务指示信息分为两种，第一种是正向业务指示信息 ( t i 强i n dp o s i t i v e ) ，这种信息指示移动终端需要被唤醒来接收数据但是不携带 移动终端下一次睡眠周期的长度；第二种是负向业务指示信息 ( t r fi n dn g e t i v e ) ，指示移动终端不需要被唤醒来接收数据，携带了移动终端 下一次睡眠周期的长度。基站具备将小的突发业务聚合成大的突发业务的能力。 移动终端具备信道预测的能力。移动终端在预测到信道质量不好时，移动终端可 以主动发送睡眠请求信息( m o bs l pr e q ) 至u j 基站，这个信息的作用是请求基站来 调整自己的下一次睡眠周期，并且携带当前信道的质量信息。基站会向移动终端 发送回应信息( m o bs l pr s p ) 。但移动终端下一次睡眠周期的具体长度是由基 站传输的负向业务指示信息给出。 其