（通信与信息系统专业论文）基于ieee80216e的睡眠模式的研究及改进.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 无线城域网的出现为用户带来了高速率、高带宽、大容量的业务服务。在2 0 0 5 年的1 2 月7 日，i e e e 发布了更新的版本i e e e 8 0 2 1 6 e 以增强对于移动用户的移 动性要求。i e e e 8 0 2 1 6 e 标准在i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 瞳3 标准的基础上提供了改进，可 以支持在车辆速度下的移动台的接入从而形成了一个可以支持固定和移动宽带无 线接入的系统，它填补了宽带无线接入网络和高速移动蜂窝网络之间的空白。 由于i e e e 8 0 2 1 6 e 所追求的移动性特点，移动台的使用将会受到电池电量的 限制。有效管理能量的机制成为i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的一个重要的组成部分，为此 提出了睡眠模式的概念口钉拍制。睡眠模式是一种状态，在这种状态下移动台脱 离了基站的空中接口服务，在基站看来此时的移动台没有进行下行( 从基站到移 动台) 或者上行( 从移动台到基站) 的操作。睡眠模式可以减少移动台能量的使 用并且降低基站空中接口资源的使用。 本文在简要介绍w i m a x 口8 1 的主要标准规范的酊提下，重点描述了睡h 民模式的 操作过程，对睡眠模式的关键参数进行了分析，并提出了一些改进想法。本人的主 要工作如下： 1 介绍i e e e 8 0 2 1 6 e 的标准睡眠模式的特性，然后给出一个基于超爱尔兰分 布的模型，对能量消耗和数据包时延做进一步的分析。从仿真结果可以看出能量 消耗和时延的性能特点，最后研究了关键参数对于性能的影响。 2 首先对两种睡眠模式的能量消耗和时延性能进行了分析，然后引入马尔可 夫判定过程，给出一种睡眠模式的选择算法，以满足对于能量消耗和时延的要求， 从而达到一种在不同性能要求下的权衡，仿真结果给出了这种选择算法的性能特 点。 3 提出了一种改进的睡眠模式的控制算法，该算法将根据接入速率的变化动 态的调整睡眠模式的睡眠周期。然后将给出四种实际模型，在这些模型下对 i e e e 8 0 2 1 6 e 的标准算法与改进算法进行比较，可以看出改进算法在低接入速率 下能更有效的节约能量，在高接入速率下与标准算法趋于一致。 山东大学硕士学位论文 4 使用马尔可夫模型对i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠模式的能量消耗和时延进行分析。 通过分析得知在能量消耗和时延之间有一个权衡，其中的关键因素就是初始的睡 眠周期。为此提出一个根据传输速率调整初始睡眠周期大小的自适应算法。仿真 结果表明与8 0 2 1 6 e 标准相比白适应算法能节约2 0 的能量，仅仅损失了一点时 延。 5 介绍i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的睡眠模式的特性，然后给出一种基于可变睡眠周 期能量的改进机制，并在四种实际模型下与标准机制进行比较。从仿真结果可以 看出改进机制比标准机带i 。更有效的节约能量，最后研究了关键参数对于改进机 制性能的影响。 关键词：宽带无线接入；i e e e 8 0 2 1 6 e ；睡眠模式；能量节约；改进算法 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( w i r e l e s sm a n ) i se m e r g i n ga sah i g h l y p r o m i s i n gb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s ( b w a ) t e c h n o l o g yt op r o v i d eh i g h s p e e d ，h i g h b a n d w i d t ha n dh i g h - c a p a c i t ym u l t i m e d i as e r v i c e s o n7 ，d e c 2 0 0 5 ，i e e er e l e a s e dt h e l a t e s tv e r s i o ni e e e8 0 2 16 e ( m b w a ) e n h a n c i n gt h eo r i g i n a ls t a n d a r dw i t hm o b i l i t y , t a r g e t i n ga tt h es e r v i c ep r o v i s i o nt ot h em 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 ) t h a tc a n m o v ed u r i n gs e r v i c e s a sa l le n h a n c e m e n tt oi e e e 8 0 2 16 2 0 0 4 ，i e e e 8 0 2 16 es u p p o r t f i x e da n dm o b i l es e r v i c e sf o rb o t he n t e r p r i s ea n dc o n s u m e rm a r k e t s i tw i l lf i l lt h eg a p b e t w e e nv e r yh i g hd a t ar a t ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ka n dv e r yh i g hm o b i l i t yc e l l u l a r s y s t e m b u t ，d u et ot h ep r o m i s i n gm o b i l i t yc a p a c i t yi ni e e e 8 0 2 16 e ，m sw i l lb es e v e r e l y c o n s t r a i n e db yb a t t e r yc a p a c i t y t h em e c h a n i s mw h i c hc a ne f f e c t i v e l ym a n a g et h e l i m i t e de n e r g yi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tf o r t h es t a n d a r do fi e e e 8 0 2 16 e i no r d e rt o m a n a g et h el i m i t e de n e r g ye f f e c t l y ，t h es l e e pm o d em e c h a n i s mi si n t r o d u c e d s l e e p m o d ei sas t a t ei nw h i c ha nm sc o n d u c t sp r e n e g o t i a t e dp e r i o d so fa b s e n c ef r o mt h e s e r v i n gb sa i ri n t e r f a c e o b s e r v e df r o mt h es e r v i n gb s ，t h e s ep e r i o d s a r ec h a r a c t e r i z e d b yt h eu n a v a i l a b i l i t yo ft h em st od o w n l i n ka n du p l i n kt r a f f i c t h es l e e pm o d ec a n m i n i m i z et h em sp o w e rc o n s u m p t i o na n dd e c r e a s eu s a g eo ft h es e r v i n gb sa i r i n t e r f a c er e s o u r c e s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c ew i m a xs t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n s ，t h e nf o c u so nt h e d e s c r i p t i o no fs l e e pm o d eo p e r a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs l e e pm o d ek e y p a r a m e t e r s ，a tl a s tg i v es o m ei m p r o v e di d e a m yw o r ki sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rc h a r a c t e r i z e st h es t a n d a r d i z e ds l e e pm o d ei ni e e e 8 0 2 16 ea n dg i v e s am o d e lb a s e do nt h eh y p e r - e r l a n gf o ra l le x t e n s i v ea n a l y s i so ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o n a n dp a c k e td e l a y t h r o u g ht h es i m u l a t i o nw ec a ns e et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dp a c k e td e l a y a tl a s tw es t u d yt h ei m p a c to fk e yp a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c e 3 山东大学硕士学位论文 2 t h i sp a p e rf i r s t l y g i v e s a na n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e l a y p e r f o r m a n c ea b o u tt w om o d e s t h e nw eg i v eas l e e pm o d es e l e c t i o na l g o r i t h mt om e e t t h er e q u i r e m e n to fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e l a yp e r f o r m a n c eb yu s i n gt h em a r k o v d e c i s i o np r o c e s s e s w eh i g h l i g h tt h et r a d e o f f sb e t w e e ne n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e l a y p e r f o r m a n c ea m o n gd i f f e r e n to p e r a t i o n a lm o d e s t h r o u g ht h es i m u l a t i o nw ec a ns e e t h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss e l e c t i o na l g o r i t h m 3 t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e ds l e e pm o d ec o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c ha d j u s t s a d a p t i v e l yt h es l e e pm o d ei n t e r v a la c c o r d i n gt ot h et r a f f i cr a t e t h e nw ec o m p a r et h e 8 0 2 16 es t a n d a r da l g o r i t h ma n dt h ei m p r o v e da l g o r i t h mu n d e rf o u ra c t u a lm o d e l s i t h a sb e e no b s e r v e dt h a to u rp r o p o s e da l g o r i t h mf o rs l e e pm o d es a v e ss u b s t a n t i a l a m o u n to fe n e r g ya tl o w e rt r a f f i ca n da l m o s ts a m ea th i g h e rt r a f f i ca sc o m p a r e dt o 8 0 2 1 6 e 4 t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ed e l a yo fi e e e 8 0 2 16 e s l e e pm o d eo p e r a t i o nw i t hat h e o r e t i c a lm a r k o vc h a i nm o d e l t h ea n a l y t i c a lr e s u l t s s h o wt h a tt h e r ei sat r a d e o f fb e t w e e nt h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ed e l a y , a n dt h ek e y o ft h et r a d e o f fi st h ei n i t i a ls l e e pw i n d o w t h e nw ep r e s e n ta na d a p t i v ea l g o r i t h mt o a d j u s tt h ei n i t i a ls l e e pw i n d o wd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h et r a f f i cl o a d t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nw ec a ns e et h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ni m p r o v et h ep o w e rc o n s u m p t i o nu p t o2 0 c o m p a r e dt ot h ei e e e 8 0 2 16 es t a n d a r d ，t h ep r i c ei sj u s tl i t t l ei n c r e a s eo ft h e d e l a y 5 t h i sp a p e rc h a r a c t e r i z e st h es t a n d a r d i z e ds l e e pm o d ei ni e e e 8 0 2 16 e ，a n dt h e n w eg i v ea ni m p r o v e dm e c h a n i s mb a s e do nv a r i a b l es l e e pi n t e r v a lp o w e ra n dc o m p a r e w i t ht h es t a n d a r dm e c h a n i s mu n d e rf o u ra c t u a lm o d e l s t h r o u g ht h es i m u l a t i o nw ec a n s e et h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e dm e c h a n i s mi sb e t t e rt h a nt h es t a n d a r dm e c h a n i s m i np o w e rs a v i n g ，a tl a s tw es t u d yt h ei m p a c to fk e yp a r a m e t e r so nt h ei m p r o v e d m e c h a n i s mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：b w a ；i e e e 8 0 2 16 ；s l e e pm o d e ；e n e r g ys a v i n g ；i m p r o v e da l g o r i t h m 4 a r q b e b s b w a c i d c p s c s c t d l d s l f b s s g s m h a r q i e e e i t i t u l o s m a c m 蝌 山东大学硕士学位论文 英文缩略语 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b e s te f f o r t b a s es t a t i o n b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r s c o m m o np a r ts u b l a y e r c o n v e r g e n c es u b l a y e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y d o w n l i n k d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e f a s tb a s es t a t i o ns w i t c h i n g 自动重传请求 尽力而为服务 基站 宽带无线接入 连接标识符 公共部分子层 汇聚子层 通信技术 下行 数字用户线 快速基站交换 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n全球移动通信系统 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合自动重传 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s 电气和电子工程师协会 i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 信息技术 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n国际电信联盟 l i n eo fs i g h t 视距 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k 城域网 5 山东大学硕士学位论文 m b w am o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s移动宽带无线接入 m d h om a c r od i v e r s i t yh a n do v e r m sm o b i l es t a t i o n 宏分集切换 移动台 n r t - v rn o n r e a l t i m ev a r i a b l er a t es e r v i c e非实时可变速率业务 o f d m p h y p m p p s c q o s r f 豫 s s u g s u l v o i p w i b r o w i f i w i m a x w l a n w m a n 6 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x 正交频分复用 p h y s i c a ll a y e r p o m tt om u l t i p o i n t p o w e rs a v i n gc l a s s q u a l i t yo fs e r v i c e 物理层 点到多点 节能类型 服务质量 r e a l - t i m ev a r i a b l er a t es e r v i c e实时可变速率业务 s u b s c r i b e rs t a t i o n u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e u p l i n k v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c o l w i r e l e s sb r o a d b a n ds e r v i c e w i r e l e s sf i d e l i t y 用户站 主动授予服务 上行 因特网语音业务 无线宽带业务 无线保真 w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s全球通用微波接入 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k无线局域网 w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k 无线城域网 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 堂! 圣兰担 e l期：堡皇：兰：竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幽枉导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章引言 当前随着通信业向传输宽带化、业务多样性的趋势发展，宽带无线接入以其 组网灵活迅速、升级维护方便以及高速双向数据传输等优点赢得了业界的青睐， 技术发展同新月异，业务应用r 益广泛。面对技术的变革和人们对信息需求的增 长，宽带接入j 下在向产业界展现出一个巨大的市场。有资料表明，在美国未来的 5 - 1 0 年，无线宽带接入市场将达1 0 0 亿美金。在中国，随着中国电信业的迅猛 发展，宽带网络建设j 下展现出前所未有的发展态势。中国电信、中国联通、中国 网通、中国移动等中国主要运营商，都注重建设高速宽带数据通信网。无疑，针 对这些电信运营商的宽带骨干网而言，新一轮的竞争将是宽带无线接入。 作为宽带无线接入中基于局域网和城域网的标志性技术，w i f i 和w i m a x 技 术不断发展和成熟，对q o s 支持的不断改善，推动了宽带无线接入技术的发展和 进步，刺激了市场的增长。 w i f i 联盟的成立，旨在保证不同设备商产品的兼容性和互操作性，今天w i f i 几乎与i e e e 8 0 2 1 1 和w l a n 成了同名词。与此类似，w i m a x 作为推动 i e e e 8 0 2 1 6 标准和产品发展的国际组织，在宽带无线接入领域的影响日益增强。 今天w i m a x 也几乎成为了i e e e 8 0 2 1 6 的同名词。 近两年来w i m a x 发展迅速，逐渐成为城域网宽带无线接入技术发展的热点。 在2 0 0 4 年1 0 月，i e e e 工作组正式发布固定宽带无线接入技术i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准 ( 8 0 2 1 6 d 的最终版本) 后，为了迎合全球通信产业发展移动化和宽带化结合的趋 势，w i m a x 论坛于2 0 0 5 年1 2 月推出了最新的支持移动性的宽带无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 ，从而使移动终端能够在不同基站问进行切换和漫游。 1 1wim a ) ( 的主要标准规范 i e e e 8 0 2 1 6 s e 作组阳1 最初成立的目的是开发固定无线接入的标准并给出相应 的运行建议n 阳 1 1 o 目前，i e e e8 0 2 1 6 空中接口技术标准主要包括两种，分别是i e e e 8 0 2 16 2 0 0 4 和i e e e8 0 2 16 e 2 0 0 5 。 7 8 山东大学硕士学位论文 表1 1i e e e8 0 2 1 6 e 与其他技术的总体比较 信道带宽f d d t d d下行峰值上行峰值组织 b i t s s e c h z g p r s 1 6 0 k b p s1 6 0 k b p s o 8 0 2 0 0 k h z f d d e d g e4 8 0 k b p s4 8 0 k b p s2 4 0 3 g p p w c d m af d d t d d 2 m b p s 2 m b p s 0 4 0 5 m h z h s d p a f d d1 4 4 m b p s 7 m b p s 2 8 8 3 g l x 6 4 0 k b p s 4 5 0 k b p s o 5 1 e v d o1 2 5 m h zf d d 3 i m b p si 8 m b p s 3 g p p 22 4 8 e g d v 3 i m b p s1 8 m b p s 2 5 6 w i m a x u p t o2 0 m h zf d d 厂r d d u p t o7 5 m b p su p t o7 5 m b p s i e e e3 7 5 f l a r i o n1 2 5 m h zf d d 3 2 m b p s9 0 0 k b p s 2 5 6 表1 2i e e e8 0 2 1 6 e 与8 0 2 1 6 d 的比较 项目1 6 d 1 6 e 内容 1 6 e n 一, - 覆盖1 6 d 的应用场 应用场景同定 固定，移动 景 多址接入 t d m ao f d m a 1 6 d 不能构成蜂窝网络 m 1 m o a a s 要求 否是1 6 e 比1 6 d 具有更好性能 16 e 支持子信道化和 非视距支持否是m i m o a a s ，能殳好支 持二 乍视足巨 移动件支持否是 室内m o d e m ， 终端 室# l - m o d e m p c m c i a p d a 1 6 d 的终端价格高 手持设备 安装困难 可自己安装 1 6 e 的安装及其简单 山东大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 是固定无线接入标准，对前几个i e e e 8 0 2 1 6 标准进行了整合 和修订，是相对比较成熟并且最具有实用性的标准版本。该标准可以应用于2 g h z 1 1 g h z 非视距( n l o s ) 传输和1 0 g h z - - - 6 6 g h z 视距( l o s ) 传输，定义了支持多 种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。 i e e e 8 0 2 1 6 e 一2 0 0 5 是8 0 2 1 6 2 0 0 4 的增强版，与前几个8 0 2 1 6 系列标准n 幻n 3 1 4 1 的最大区别在于对移动性的支持。该标准可同时支持固定和移动宽带无线接入系 统，工作在 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的睡眠模式的研究 一种i e e e 8 0 2 16 e 睡眠模式的选择算法 i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠模式下动态调整初始睡眠间隔的自适应算法 一种i e e e 8 0 2 1 6 e 睡h 民模式的睡眠间隔控制算法 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的睡眠模式的改进机制 在研究这些关键技术中，本人以第一作者在国家核心期刊上发表学术论文4 篇，非核心期刊上发表学术论文2 篇。 1 4 论文内容安排 论文对基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的睡眠模式的关键技术进行了研究和改进，总共分 为六章： 第一章引出了研究课题。本章从w i m a x 技术的发展以及对能量管理的需求 引出了本研究课题。 第二章研究了i e e e 8 0 2 1 6 e 移动w i m a x 的能量机制。本章首先介绍了睡h 民 模式的类型，然后建立了一个仿真模型，仿真分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠模式下的 能量消耗和时延。 第三章分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 的睡眠模式的特点。本章介绍了单播服务连接条 件下的睡眠模式的选择问题。 第四章对i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠模式的标准算法进行了改进。主要是提出了睡眠 周期控制算法和动态调整初始睡眠周期的自适应算法。 第五章提出了一种i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠模式的改进机制。本章首先研究了 i e e e 8 0 2 1 6 e 现有的睡眠机制，然后设计了一种改进的调整睡眠周期功率的机制， 最后，对8 0 2 1 6 e 标准机制跟改进机制进行比较。 第六章对本论文所进行的研究进行了总结，并对课题未来的研究方向作出了 展望。 1 4 山东大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章介绍了w i m a x 技术的主要标准规范以及对于能量节约的需求，从而引 出了本文的研究课题i e e e 8 0 2 1 6 e 睡h 民模式的的研究及改进。同时给出了本 文的5 个关键技术点，最后给出了本论文的内容安排。 1 5 山东大学硕士学位论文 第二章 le e e 8 0 2 16 e 睡眠模式的研究 由于终端移动性，i e e e 8 0 2 1 6 e 将进一步扩大其在宽带无线接入方案的市场 占有率。但是，作为电池供电的移动终端，其系统配置必将受限于电池容量。除 了采用基于低功耗元器件的物理层设计以外，m a c 层睡眠模式机制是一个重要的 能量节省方案。 为了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，进入 睡眠模式的移动终端在预先协商好的时间段内离开基站空中接口，同时通过周期 性地监听同步信息以保持与基站同步。对应于不同的服务连接，i e e e 8 0 2 1 6 e 提供 了3 种睡眠模式：功率节省类型l ( p s c1 ) ，功率节省类型i i ( p s ci i ) ，功率节 省类型i i i ( p s c1 1 1 ) 。 正常模式 1 6 正常模式 ( a ) 功率节省类型i 的睡眠模式 ( b ) 功率节省类型i i 的睡眠模式 囹 睡眠间隔 口监听间隔 ( c ) 功率节省类型i i i 的睡眠模式 图2 1 不同功率节省类型的睡眠模式 正常模式 正常模式 山东大学硕士学位论文 2 1i e e e 8 0 2 1 6 e 的睡眠模式 功率节省类型是一组拥有共同命令属性的连接。基于不同的参数设置、进入 退出流程、移动终端主动发送数据策略等，总共有3 种功率节省类型。功率节省类 型i 用于b e ( b e s te f f o r t ) 、n r t - v r ( n o n - r e a l - t i m ev a r i a b l er a t e ) 服务类型；功率节省 类型i i 用于u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 、r t v r ( r e a l t i m e v a r i a b l er a t e ) 服务类型； 功率节省类型i i i 主要用于组播连接服务，例如周期性寻呼( p e r i o d i cr a n g i n g ) 。 2 1 1 功率节省类型i 图2 1 ( a ) 显示了移动终端处于功率节省类型i 的睡眠模式操作过程。一旦移动 终端进入该睡眠模式，睡眠间隔和监听间隔交替出现，监听间隔具有固定的时问 长度( 气) 。当第1 个睡眠间隔( k ；。) 完成后，下一个睡眠间隔长度是上一个睡眠间隔 长度的两倍( 2 t 。m ) ，睡眠间隔两倍增长到最大值( 乞。) 后将保持不变，其中，l 代 表第n 个睡眠间隔。乙代表第，1 个睡眠间隔的时间长度如式( 2 一1 ) 所示。 f ：2 ”1 t m i 。2 ” t m ， 。 2 1 2 功率节省类型l i 图2 - 1 ( b ) 显示了移动终端处于功率节省类型i i 的睡眠模式操作过程。一旦 移动终端进入该睡眠模式，睡眠问隔和监听间隔交替出现，监听问隔具有固定的 时间长度( 气) ，所有的睡眠间隔也具有相同的长度( ) 。 2 1 3 功率节省类型ii i 本文以周期性寻呼作为功率节省类型l i i 的典型代表分析其特性。图2 1 ( c ) 显 示了移动终端处于功率节省类型i i i 睡眠模式的操作过程。进入周期性寻呼的功率 节省类型i i i 睡眠模式，移动终端从基站发送的r n g _ r s p 消息中提取下一个睡眠间 隔( 蛔) 和监听间隔( ) 长度参数。监听间隔具有固定的时间长度，睡眠间隔可 1 7 山东大学硕士学位论文 以由基站动态改变。 为了便于理解和分析，本文今后使用睡眠模式i ，睡眠模式i l ，睡眠模式1 1 1 分别代表功率节省类型i ，功率节省类型i i ，功率节省类型i i i 。 2 2ie e e 8 0 2 16 e 睡眠模式的操作过程 本部分以睡h 民模式i 为例介绍睡眠模式的操作过程，睡眠模式下基站和移动终 端的操作过程如下： m s s 进入 睡眠间隔1 监听间隔1 睡眠间隔2 监听间隔2 睡眠间隔n 监听间隔n 返回 b s i v i l d 。o l r 。肚、上 m o b s l p r s p - 眠模式 m o b t r f i n d ( 消极) m o b t r f i n d ( 消极) m o b t r f i n d ( 积极) 图2 2i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠模式的操作过程 图2 2 给出了在基站和移动终端之间的睡眠模式信息交换。在进入睡眠模式 前，移动终端发送一个请求信息m o b s l p r e q 给基站来征得转入睡眠模式的 允许。在接收到请求后，基站将会返回一个信息m o b s l p 一尺肛。这个返回信 1 8 山东大学硕士学位论文 息包括三个参数，分别是初始睡眠间隔f 曲、最大睡眠间隔k ，和监听间隔乞。在 接收到m o b 一皿尸一尺铲后，移动终端进入睡眠模式。 进入睡眠模式后，第一个睡眠间隔大小等于，在第一个睡眠间隔后，移 动台进入监听间隔，监听来自基站的m o b 一刀矿一i n d 。这个消息指示了在睡眠 间隔t 期间，是否有要传送给移动终端的数据到达，如果m o b t r f 一1 n d 包含 了一个消极的指示，那么移动终端就在监听间隔后继续下一个睡h 民间隔。否则， 也就是m o b 一刀矿一1 n d 包含了一个积极的指示，则移动终端将返回正常模式。 如果移动终端继续睡眠模式，下一个睡眠间隔将从前一个监听间隔的结束时 刻丌始，并且问隔大小是前一个睡眠l 、日j 隔的2 倍。只要睡眠问隔的大小没有达到 乞。这个过程将循环进行。如果睡眠问隔达到了，则睡眠间隔大小将保持f 一。 也就是说，第n 个睡眠问隔的大小将是： f 。：j 胪l ( 2 2 ) 月1 m i n ( 2 ”一1 f 。i 。，t m a x ) 咒 1 、二二7 图2 3 给出了一个移动终端的正常模式和睡眠模式之间的转换过程。可以看 出移动终端总是在正常模式和睡眠模式之间交替。 如果基站有要传送给处于睡眠问隔的移动终端的数据包，基站将缓存数据包， 移动终端将在接下来的监听间隔接收到数据到达指令从而结束睡眠模式。 正常模式l 睡眠模式i 正常模式i 睡眠模式l 正常模式 睡眠周期li 睡眠周期2 举l 翠l 葶i 警l 一一一 间隔i 间隔i 间隔i 间隔i lili2i 2 l 睡眠i 监听 间隔l 间隔 nl n 图2 - - 3i e e e 8 0 2 1 6 e 正常模式和睡眠模式的转换 时间 1 9 山东大学硕士学位论文 2 3ie e e 8 0 2 16 e 睡眠模式的性能研究 开始睡眠模式 t 。it lit 2ft lf jt nlt li。 tt 7 基站没有数据 基站没有数据 停止睡眠模式 ”1 y t d 数据到达 t d ，r 数据到达 图2 4i e e e 8 0 2 1 6 e 睡眠模式的分析模型 间 图2 4 给出了睡眠模式下的能量消耗和数据时延的分析模型2 3 1 2 4o 定义乞为 数据到达的时间间隔，其均值为了1 ，概率密度函数为厶( f ) ，累积分布函数为气( f ) 。 为了普遍的适用和计算的简单，假设屯服从超爱尔兰分布。超爱尔兰分, - 已被证 明是能够任意近似正随机变量和测试数据的一个分布【2 5 】。而且，它的普遍近似特 性已被应用在很多情况中【2 6 1 。 超爱尔兰分布的概率密度函数为： 卯，= 姜q 酱p 嘲f 3 ， 其中哆= 1 ，日和岛是j 下整数，q 和乃是j 下的实常数，且有o q 1 ，丑o 。 2 0 对于一个实数口，整数b 和时间变量t ，满足如下方程： 丛乞一纵d x = l - 孓咝吲 丙( 6 一1 ) !智! 由上式可知，超爱尔兰分布的累积分布函数为： 聃，= 似胁一羔i = 1q 篓学咱和 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 山东大学硕士学位论文 为了进一步的分析，定义数据到达的剩余时间间隔岛r ，乞，为两个连续数据 到达中间的睡眠起始时刻到第二个数据的到达时刻，剩余时间问隔的概率密度函 数和累积分布函数分别为丘，( f ) 和气，( f ) 。根据剩余时间理论，可以得到概率密 度函数： 无，( f ) = 名f ( x ) 出= 饥1 一( 明 由( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 可以得到： f ( f ) ：力争箩盟吐蚋 厶，( 垆五善q 荟学呐和 同样可以得到累积分布函数为： w = 胁枷姜螽篓塞学嘲， 2 3 1 睡眠模式的能量消耗 ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 在图2 4 中，假设在第i t 个睡h 民间隔有数据到达，因此移动终端将在第珂个 睡眠间隔结束后停止睡眠模式。用e 表示移动台在第n 个睡眠间隔的能量消耗， 则总的睡眠模式的能量消耗为： e = e ( = 刀溅 ( 2 - 9 ) 定义巨和臣分别为睡h 民问隔和监听间隔的单位时间能量消耗，则e 可以表 示成如下形式： e = t j e , + o 一1 ) l e 上 ( 2 1 0 ) 接下来将给出随机变量的概率分布，为了表示简便，定义形为，1 个睡眠间 隔和监听间隔的总和，即为： 形= ( 0 + ) ；刀1 ( 2 - 11 ) 2 1 山东大学硕士学位论文 当= 1 时表示在第一个睡眠间隔有数据到达，也讥- - 疋e l 岛，比第1 个睡眠问隔 的大小要小，于是可以表示成如下形式： p m 啪，= 胁舻孙h 一譬磊芸骞学铂( 2 - 1 2 ) 当n 1 时，在前n 一1 个睡眠间隔没有数据到达，而在第n 个睡眠问隔有数据 到达，也就是哌一。- l 乞，形- l ，于是可以表示成如下形式： p ( = 刀) = e ( 形一。一三s 乙，呢一三) = 三。，o ) a t 2 气，( 形一) 一气，( 呢一- 一三) = 五姜磊鬈委学蝴讯刮p 嘲吧删仑，( 2 - 1 3 ) 通过公式( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 可以得到睡眠模式的能量 消耗。 2 3 2 睡眠模式的数据时延 睡眠间隔越大越能节约能量从而延长移动终端的服务时间。但是，较大的睡 眠间隔也会导致移动终端的较长的反应时间。因此，移动终端不能在瞬问处理下 行数据，这就带来了数据延时的问题。定义d 表示数据的时延，d 代表平均时延。 假设在第一个睡眠间隔有一个数据到达基站，数据在基站只能等待移动终端 进入第一个监听间隔。此时可以得到时延为如下形式： d = 一岛， ( 2 1 4 ) 岛，的平均值可以表示成： i = 器= 南 协 其中 么= 慨啪= 五善hq 篆警p e 嘲。出( 2 - 1 6 ) 山东大学硕士学位论文 则 为了表示的方便，定义函数包( 口，b ；f 1 ) = r x e - p d x ，满足如下条件： 幺( a , t r , d ：三 码叫( 岛历历一( b e - ：o 一矿矿庳) 幺 2 去 码叫( 岛历历一 一矿扩) o o