（信号与信息处理专业论文）ieee80216e无线网络节点的节能算法及性能分析.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 e 无线网络节点的节能算法及性能分析 摘要 i e e e8 0 2 1 6 e 标准支持用户移动性，节点需要电池供电，因此，节能是基于i e e e8 0 2 1 6 e 标准的无线网络的一个重要课题。i e e e8 0 2 1 6 e 标准引入了三类节能模式，即节能类型i 、 节能类型i i 和节能类型i i i 。 本文主要对节能类型i i 进行研究，侧重于时延约束下的能耗问题，主要贡献与创新之 处在于： 1 提出了“两阶段可靠多播策略”，让移动站根据数据包接收情况缩短监听窗口且延长 休眠窗口长度，以此降低能耗 2 引入了网络编码对丢失的数据包进行编码重传，这种方法不需要发送方重传，也不 需要接收方确认，可以在延时约束下使接收方通过解码还原所丢失的数据包，让链路可靠 性高的移动站比其它移动站较早地进入休眠以节省能耗。 此外，对提出的“两阶段可靠多播策略”进行仿真实验和性能分析。仿真结果表明，本 文提出的算法在减少移动用户的能量消耗和数据包的丢失率方面是有效的。 关键词：w i m a x ，节能，多播，实时业务，可靠数据传 p o w e r s a v i n ga l g o r i t h ma n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rn o d e si n i e e e 8 0 2 16 eb a s e dw l r e l e s sn e t w o r k a b s t r a c t t h em o b i l i t yo fs u b s c r i b e ri ss u p p o r t e db yt h ei e e e 8 0 2 16 es t a n d a r d t h es u b s c r i b e ri s p o w e r e db yb a a e r y , h e n c e ，p o w e r - s a v i n gi sa ni m p o r t a n c er e s e a r c ht o p i ci ni e e e 8 0 2 16 eb a s e d w i r e l e s sn e t w o r k t h r e ec a t a g o r i e so fs l e e p i n gm o d e si si n t r o d u c e di ni e e e 8 0 2 16 e ，i e ， p o w e r - s a v i n gc l a s si ( p s ci ) ，p o w e r - s a v i n gc l a s si i ( p s ci i ) a n dp o w e r - s a v i n gc l a s si i i ( p s c i i i ) t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tp s ci ia n df o c u so ne n e r g yc o n s u m p t i o np r o b l e mu n d e rd e l a y c o n s t r a i n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n di n n o v m i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 at w o - s t a g er e l i a b l em u l t i c a s t i n gs c h e m e ( t r m s ) i sp r o p o s e d ，a n df o rr e d u c i n gt h e e n e r g y , m ss h o r t e n st h el i s t e n i n gw i n d o wa n dp r o l o n gt h es l e e p i n gw i n d o wa c c o r d i n gt ot h e s i t u a t i o no fr e c e i v i n gd a t a 2 t h en e t w o r kc o d i n gh a sb e e ni n t r o d u c e dt or e b r o a d c a s tt h ed a t ao fl o s e ，w h i c hm a k e s r e c e i v e rw o r k so u tt h el o s ed a t aw i t h o u td e s t r o yt h ed e l a y , a n dt h i sm e t h o dd o n tn e e dt h es e n d e r t or e t r a n s m i s s i o na n dt h er e c e i v e rt oe n s u r e ，a l s ot h em sw h i c hr e c e i v e s d a t aw i t hah i g h p o s s i b i l i t yc a ne n t e rs l e e p i n gm o d ee a r l i e rt h a no t h e r sw h i c hr e c e i v e sd a t aw i t hal o wp o s s i b i l i t y f o rs a v i n ge n e r g y w h a t sm o r e ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n d p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nf o rt r m sa r ep r e s e n t e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o p o s e dt r m se x h i b i t sm o r ee f f e c t i v ei nt h e r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ep a c k e tl o s sr a t e k e yw o r d s ：w i m a x ，p o w e rs a v i n g ，m u l t i c a s t ，r e a lt i m es e r v i c e ，r e l i a b l ep a c k e td e l i v e r y 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，随着市场日益增长的宽带无线接入( b w a ，b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ) 需求和 个人数据通信业务的发展，以及具有强大功能的多媒体终端和便携式数据终端的广泛应 用，以8 0 2 1 l 技术为代表的宽带无线接入技术的设计不能满足这些需求。这些技术存在宽 带、用户数方面和通信距离等一些问题，所以不能很好的适用于室外的无线宽带接入。基 于上述情况，作为宽带无线通信推动者的美国电器和电子工程师协会i e e e ( i n s t i t u t eo f e 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 ) 在19 9 9 年设立8 0 2 16 工作组，制定了2 6 6g h z 频带的 无线接入系统空中接口物理层( p h y ，p h y s i c a ll a y e r ) 与媒质接入控制层( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 的标准，以及与空中接口协议相关的一致性测试和不同无线接入系统之间的 共存规范。i e e e 8 0 2 1 6 标准是一个工作在2 - 6 6g h z 频带的无线空中接口规范，它的主要 应用是无线城域网【l 】( w m a n ，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 ) 。目前，8 0 2 16 标准主 要包括8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 r e v d 和8 0 2 1 6 e 1 | ，这三个标准分别于2 0 0 3 年1 月、2 0 0 4 年第三 季度和2 0 0 5 年底被i e e e 正式批准通过。8 0 2 16 a 的设计是为工作在2 1 lg h z 无线频段 的非视距宽带固定接入系统而进行的，8 0 2 1 6 r e v d 是8 0 2 1 6 a 的增强版本，其主要目的是 支持室内用户驻地设备( c p e ) ，而8 0 2 1 6 e 是i e e e8 0 2 1 6a d 的进一步延伸，它的目的是在 已有的标准中增加数据移动性，也被称为移动w i m a x 。近些年来，用户对移动性数据的 要求进一步提高，但是移动节点( m s ，m o b i l es t a t i o n ) 主要依赖电池供电，因此无线通信系 统未来所面临的一个重要研究课题就是如何降低m s 的能量消耗。 据此i e e e 8 0 2 1 6 e 标准提出休眠机制用来节约移动m s 的能量消耗。协议中定义了三 种节能类型( p o w e rs a v i n gc l a s s ) ：节能类型i ，节能类型i i 和节能类型i i i 。在节能类型i 和节能类型i i 中，m s 均有三种状态：睡眠状态( s l e e ps t a t e ) ，监听状态( l i s t e ns t a t e ) 和清醒 状态( w a k es t a t e ) 。不同之处在于节能类型i i 的监听窗口能够处理一定量的数据包，而节能 类型i 的监听窗口仅仅用来与基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 进行对话，它要处理数据必须切换到清 醒状态。节能类型1 1 1 只有一个睡眠窗e l ，当它结束时，m s 立即进入清醒状态。由 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准可知，节能类型i 适用于尽力而为( b e ) 和非实时可变速率( n r t - v r ) 的业 务，容许一定时延及其变化，实时性要求相对低。节能类型i i 主要适用于非请求授予服务 浙江工业大学硕士学位论文 f u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 和实时可变速率( r t - v r ，r e a lt i m ev a r i a b l er a t e ) 业务，对时延敏 感。节能类型1 1 i 被推荐为多播连接和管理操作，如周期性寻呼等。 因此，合理的调度这些节能类型，实时选择节能类型，具有重要的意义。目前，如何 调度激活实用的休眠类型，配置合理的休眠参数，建立合理的数学模型和实际模型，以及 精辟的理论分析和完善的系统仿真成为研究热点。所以，本文致力于研究i e e e 8 0 2 1 6 e 节 点的节能调度算法，以降低节点的能耗和延长节点电池的寿命。 1 2 国内外研究现状 节能类型i 适用于b e 业务和n r t - v r 业务，它能容许一定的时延和变化，实时性要 求相对较低，所以近年来对节能类型i 研究的比较深入。y a n gx i a o 分析了8 0 2 1 6 e 休眠模 式指数增长算法。该文假设m s 数据帧的到达服从p o i s s o n 分布，针对不同的参数分析了 休假窗口指数增长算法的性能，并设定初始休眠窗口及最大休眠窗口，给出了数据帧平均 响应时间及平均能量消耗的表达式【2 】；他又在文献 3 1 7 1 入输入帧和输出帧并对休眠模式节 能类型i 进行了分析。j a l m h a n a t 4 1 等提出用混合指数分布代替重尾分布来描述m s 的空 闲分布，用在线算法得到了混合指数分布的各个参数，且获得了比较明确的性能参数表达 式。z h a n g q i a n gh u o 5 等考虑下行流量建立带有多重假期的离散时间g e o m g 1 队列模型分 析了具有节能类型i 的睡眠模式，利用嵌入马尔科夫链得到了系统的队列长度和平均逗留 时间，从而得到了能量节省效率和包的平均时延。m i n g o nk i m t 6 等提出一种加强的节能 机靠i i ( e p s m ) ，e p s m 通过记录前一个睡眠期长度自适应操作睡眠模式参数最小睡眠窗口 ( t m i n ) 和最大睡眠窗i ( t m a x ) 。而且分析m s 当前剩余能量状态，如果少于预先设置的阀 值，则增大t m i n 和t m a x 的值，忽略时延使m s 处于睡眠的时间增多；反之，如果m s 当前剩余能量大于预先设置的阀值，则考虑包的时延，此时适当减小t m i n 和t m a x 。从而 延长了电池的寿命。s h a o f e il u 【7 】等考虑在负载低的情况下，针对节能类型i 提出一种新 颖的节能算法，此算法将二倍增长睡眠窗i s l 机制改为幂函数增长睡眠窗口机制，通过理论 分析和仿真实验证明了提出的机制性能比线性增长睡眠窗口机制的性能要好。d o n gg e u n j e o n g s l 等针对节能类型i 首先提出二倍增长睡眠窗口机制用正整数倍增长机制代替，接着 根据前一个睡眠循环最后一个睡眠窗口的大小来更新下一个睡眠循环的初始睡眠窗口。并 建立了马尔科夫模型同时分析了上行与下行业务流量，在轻负载情况下这种节能机制是非 常有效的。q i n gl i a o 9 等考虑低服务流量环境下提出一种线性混合算法，将节能类型i 中 二倍增长睡眠窗口机制改为线性增长睡眠窗口机制。j a 1 m h a n a 【1 0 】等为了建立一种独立于 塑垩三些奎堂堡主兰垡笙奎 一 流量的节能机制，用关闭时间具有一般分布的o n o 行过程来建模单个用户的流量模型，并 且在多种流量模式下比较了i e e e 8 0 2 1 6 e 节能机制与k & o 节能策略和m & s 节能策略，得 出k & o 节能策略要胜过i e e e 8 0 2 1 6 e 节能策略，并且k & o 节能策略容易实现。唐朝伟1 1 l j 等针对第一类休眠模式提出了两种休眠间隔增长算法，退步平方增长算法和步进增长算 法，探讨了休眠间隔增长速度对节能综合性能的影响，并通过仿真实验证明两种增长算法 均优于i e e e 8 0 2 1 6 e 采用的指数增长算法。又在文献【1 2 】中提出用对数增长第一类休眠模 式休眠窗口的算法，在能耗和时延性能方面得到了优于标准中指数增长休眠窗口的方法。 l e ik o n g t l 3 1 等提出了简单但是准确的分析模型，根据模型计算节能类型i 和节能类型 i i 的能量效率和数据包的接入时延，从而比较了两类节能类型的能量效率和时延性能。通 过模型分析指出这两种节能类型应该对时延和能量效率进行权衡，提出了在不同流量条件 下的能量转换策略，从而获得优化的能量效率。j i n g l i ns h i 【1 4 】等提出一种叫最大虚拟突发 ( l o n g e s tv i r t u a lb u r s tf i r s o i 周度算法对移动站( m s ) 的下行数据包进行调度，减少了m s 处于 闲置状态的平均时间以及m s 进行状态转换的次数，从而最大化了m s 的电池寿命。 s e u n k w o nc h o 1 5 】等提出利用估计的两个连续数据包到达的时间间隔来更新节能类型】的初 始化窗口的大小，并且这种机制也适用于节能类型i i 。薛建彬f 1 6 】等提出一种动态调整时间 门限的方案，通过设立动态检测时间并启发式调整休眠时间建立的体眠模式的马尔可夫链 分析模型，分析该方案对能量效率和数据包延时的影响。仿真实验表明保证数据实时性的 同时降低了移动站能量消耗。z 【l7 j 等针对第一类休眠模式，用广义流量过程匹配电视流 量来建立模型，分析了移动终端的能耗和数据时延。 c - h h s u 1 a 等针对节能类型i i 固定的监听窗口，提出一种叫做自适应监听窗口a l w ( a d a p t i v el i s t e n i n gw i n d o w ) 的方法，这种方法根据包的到达数目，包的重传数目和时延约束 动态调整监听窗1 2 1 的长度，减少了能耗和包的丢失率。s h u n f uj i n 1 明等提出了带有两种假期 的队列模型获得了节能类型i i 的工作原理，分析了能量节省效率，状态转移率和平均反应 时间。利用能量节省效率和平均反应时间建立了一个花费函数，并用花费函数来决定睡眠 窗口的最优长度，从而使得系统的花费降到最小。 t u a n - c h ec h e n p o 等考虑了当m s 有多个属于节能类型i i 的业务连接时，应用中国剩 余定理调整节能类型i i 的开始睡眠时间参数，从而找到了最大的不可利用区间0 v i u i ) 用来 睡眠，节省了能量。t u a n c h ec h e n z z 1 等又扩展了m u i 的范围，同时考虑一个m s 有多种 节能类型，如类型i 和类型i i 的混合，把扩展的m u i 称为加强的最大化不可利用期r e m u i ) ， 减少了m s 的能耗和包的延时。s a n g w o o kk w o n 2 2 1 等针对一个m s 有两个业务连接，这两 个业务连接分别属于节能类型i 和节能类型i i ，提出了一种动态的节能机制，此机制调整 一塑鎏三些奎兰堡主兰垡笙奎 一一 节能类型i 的监听窗口与节能类型i i 的监听窗口尽可能多的重叠，同样也可以找到最大的 不可利用区间。m i n g o nk i m t 2 3 1 等基于m s 有两种类型i 的业务连接，提出一种新的节能 调度策略，此策略通过操作节能类型i 的参数如最小睡眠窗口，最大睡眠窗口以及睡眠的 开始时间更新初始化睡眠窗1 ：3 ，使得两种连接的实时睡眠窗口大小一致，并且完全同步。 s h u n 如j i n 2 4 1 等提出了睡眠延时策略，建立了假期延时的离散时间多假期队列模型捕获节 能类型l i i 的工作原理，对节能类型i i i 的性能进行了深入分析。l e ik o n g 2 s l 等提出通过半 马尔科夫决策过程来选择适合m s 的最优节能类型，使得在不同的流量模式下都有最小的 能量消耗和数据包的时延。s - c h u 锄g 【2 6 】等则提出统一各个移动站的休眠循环的长度，在 相同的休眠循环内分别对各个移动站进行数据的调度，这使得各移动站之间的监听窗口不 会重合，减少了移动站因竞争不到信道而丢失数据，但它只适合负载较轻的系统，当系统 的负载比较高时这种调度算法并不实用。当单播数据和多播数据共存时，l t i a i i l 2 7 j 等提出 基于调度集合的联合调度算法，该算法将所有的移动站划分到多播调度集合或单播调度集 合中，在多播数据传输的相邻时隙内发送多播调度集合中所有终端的单播数据，而对于单 播调度集合中的终端，则通过凸优化方法求得使终端休眠时间最长的单播业务调度方案， 以达到降低终端能耗的目的。当单播和多播数据混杂在一起时，r c o h e n t 2 s j 等综合考虑了 能量消耗和吞吐量的权衡问题，提出了三种调度算法，以最大化信道吞吐量最小化系统的 能量消耗。s s h a r a n g i 2 9 1 等人研究了无线多媒体视频流的多播问题它主要焦聚在视频流的 质量问题和m s 的能量消耗问题，提出前者是一个n p 完全问题，并设计一个多项式时间 近似算法来解决这个问题，最大化了视频质量；而通过在突发模式下传输被选择的子流来 解决能量消耗问题，最小化了m s 的能量消耗。 国内朱斌【3 0 j 等调整新加入连接休眠模式的启动时间，使得各移动站的侦听窗e l 尽量分 散，实现负载在o f d m 帧上的均匀分布，提高了节能效果，但当负载较多时很容易使得某 些移动站丢失数据。文献 3 1 】提出了一种动态调整最小休眠窗口的自适应算法，该算法研 究了i e e e 8 0 2 1 6 e 的能量消耗以及数据延迟，并得出权衡能量节省和数据延迟的关键因素 是初始休眠周期的结论。文献 3 2 1 提出了下行时延模型，并证明了采用休眠模式能够减少 移动终端的能耗，但同时增加了下行数据的时延，同时给出了优化参数设置的方案。文献 3 3 】考虑休眠模式指数增长算法在低业务量情况下，数据的响应时间过长，据此提出了线 性增长算法，同时给出了证明。朱斌【3 4 1 等对多业务场景下移动站休眠模式的能量消耗进行 了理论分析，并提出一种多功率节省类的协作节能算法( c o o p e r a t i v ep o w e rs a v i n g m e c h n i s m ，c o p s ) ，通过调整节能类型i 的参数，同步节能类型i 和i i 的监听窗1 2 1 ，从而提 高了节能效率和m a c 帧的反应时间。卢文伟【3 5 3 6 1 等基于网络编码思想提出一种免重传的 浙江工业大学硕士学位论文 路由算法，该算法降低了系统的能耗，减轻了节点之间的无线电干扰，节省了节点用于重 传数据包所需配置的缓存。d o n gn g u y e n 3 7 】等针对多播单跳模式提出三种网络编码策略， 其主要思想都是发送者将丢失的数据包以网络编码的方式组合在一起进行重传，以达到发 送者仅发送一次编码包，而多个接收者均能同时接收其丢失的数据包。减少了数据包的次 数，增加了带宽的利用率。l l i n 3 s 等针对多播和广播轮询机制，在假设有限个移动终端 和理想的信道条件下，提出准确的分析模型计算移动终端利用传输机会的概率。并说明传 输机会的利用主要依赖于初始竞争窗口的大小。 总之，国内外对该课题的研究取得了一定的成果，本文在这些基础上，对i e e e 8 0 2 1 6 e 的节能问题进行进一步的分析和研究。 1 3 本论文的主要内容及创新之处 本文主要研究了基本的节能类型i i 及其调度算法，并基于多移动用户接收基站多播的 实时业务前提下提出“两阶段休眠策略”，实时改变了第2 类休眠循环监听窗口的大小，进 一步引入网络编码技术对丢失的多播数据进行编码重传，既避免了移动用户多余的能量消 耗又减少了数据的丢失。本文的主要工作及创新之处在于： ( 1 )分析了休眠模式的具体过程，介绍了休眠模式支持的业务类型，并对这些业务类 型的具体参数进行了分析比较；根据这些业务类型引出了对三类休眠模式的介 绍，包括支持的业务类型和基本参数，并对类型i 与类型i i 的能耗和时延性能进 行了研究分析。 ( 2 )针对第二类休眠模式即节能类型i i 建立马尔科夫建模模型，并在数据包到达服 从泊松分布的情况下对第二类休眠模式的能耗和数据的平均接入时延进行了分 析；介绍了单用户自适应监听窗口算法和最大化不可利用区问算法，以及基于实 时业务流量的多用户休眠调度算法。其中，不管是基于单用户还是多用户的算法 都仅考虑的是基站的单播数据。 ( 3 )针对多移动用户接收多播实时业务的情况，提出了“支持w i m a x 节点灵活休眠 的两阶段可靠多播策略”算法，即在第1 阶段，基站多播数据包，各移动站进行 接收并确认；在第2 阶段，基于网络编码，采用免重传与确认机制对丢失的数据 包进行可靠重播。 ( 4 )对“两阶段可靠多播策略”的平均繁忙帧与平均丢包率进行了分析与研究，并通过 仿真实验与i e e e 8 0 2 16 e 标准中的第二类休眠模式进行了比较。仿真结果表明， 浙江工业大学硕士学位论文 在基于多用户接收多播实时业务的情况下，“两阶段可靠多播策略”无论是在降低 能耗还是在减少用户数据的丢失方面都要胜过标准的第二类休眠模式。 本文的章节内容安排如下： 第1 章，阐述了i e e e8 0 2 1 6 e 无线网络节点节能算法的研究背景与意义，介绍了国内 外关于i e e e 8 0 2 1 6 e 节能算法的研究现状，并描述了本文的主要研究内容和创新之处。 第2 章，介绍了i e e e8 0 2 1 6 e 标准的休眠模式，以及体眠模式支持的各类应用业务和 各类应用业务各自的特性；并详细叙述了三种节能类型( 节能类型i 、i i 和l i d ，分析了节能 类型i 和i i 的能耗和时延性能。 第3 章，介绍了i e e e8 0 2 1 6 e 中基于实时业务连接的各种调度算法，这些算法均以减 少移动用户能耗为目的，但都是基于单播实时业务连接。 第4 章，针对第三章，各类调度算法均基于数据的单播这一限制，提出本文的创新算 法“支持w i m a x 节点灵活休眠的两阶段可靠多播策略( t r m s ) ”。该算法针对i e e e8 0 2 1 6 e 第二类休眠模式具有固定监听窗口这一特性进行改进，即各移动用户根据自身数据包的接 收情况动态调整各自的监听窗口大小，降低了多余的能耗，提高了数据传输的可靠性。 第5 章，利用m a t l a b 仿真工具对t r m s 进行仿真实现，并对仿真结果进行比较分 析，以说明t i 蝴s 的有效性。 第6 章，总结全文工作，并展望下一步研究工作。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章 i e e e8 0 2 1 6 e 的三类休眠模式及其性能 2 1i e e e8 0 2 1 6 e 的休眠模式与支持的业务 由于i e e e8 0 2 1 6 e 标准支持用户的移动性，能量消耗是不容小觑的一个方面，除了 物理层设计采用低功耗元器件外，与其它标准一样，对移动用户休眠模式的研究是一个不 可或缺的课题。根据不同的业务类型，i e e e 8 0 2 1 6 e 的m a c 层采用不同的q o s 参数，所 以，适应于这些不同的业务类型的休眠模式也不尽相同，i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中定义了三类 休眠模式，下面首先介绍这些休眠模式及其支持的业务类型。 2 1 1 i e e e8 0 2 1 6 e 休眠模式的概述 休眠模式是指移动站m s ( m o b i l es t a t i o n ) 所处的一种状态，在这种状态下m s 关闭 无线空中接口以节省能耗。休眠模式是用来最小化m s 能量的消耗、减少基站b s ( b a s e s t a t i o n ) 空中接口资源的利用。从b s 来说，无论是上行链路( u l ，u pl i n k ) 或下行( d l ，d o w n l i n k ) 链路，这段时间是m s 的不利用时间；不可利用时间是指所有m s 的休眠窗口都重叠 的这段持续时间，而可利用时间是指任何不可利用时间都不重叠。 对每个进行休眠的m s 来说，b s 保持一种或多种情况，每一种情况对应一种节能类型。 节能类型是一组连接，这些连接具有共同的需求特性；例如所有的b e ( b e s te f f o r t ) 和 n r t - v r ( n o n - r e a l - t i m ev a r i b l er a t es e r v i c e ) 连接可能归入同一个节能类型，而如果两个 u g s 0 d n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 连接分配了不同的时问区域，则它们可能属于不同节能类型。 一种节能类型可能包含多个活跃期( 工作状态) 和不活跃期( 休眠状态) 。 在不可利用时间b s 将不发送任何信息给m s ，所以m s 可以关闭一个或多个物理操作 组件，也可以进行其它活动而不需要与b s 通信或浏览其它关联的b s s 。在可利用时间， b s 期望m s 接收所有的d l 信息，与m s 在正常工作状态下一样( 不休眠状态) ；此外，m s 还将核对d c d ( d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r ) 和u c d ( u pc h a n n e l d e s c t o r ) 等其它信 息。 下图2 - 1 描述了在两种不同节能类型下m s 的状态行为n 1 ，类型a 包含几种b e 和 n r t - v r 连接，类型b 包含单个的u g s 连接。对于节能类型a ，b s 分配了一系列固定的 监听窗口和两倍增长的休眠窗口；而对节能类型b ，b s 则分配一系列连续的固定的监听窗 一塑望三些奎兰堡主堂堡笙茎 一一一 口和休眠窗口。节能类型a 和节能类型b 休眠窗口的交叉时间即是m s 的不可利用时间( 可 以关闭无线接口) 。 u g s 数据发送 u g s 数据发送+ u g s 数据发送 u g s 数据发送 节能类a ：b e 和 n r t - v r 连接 一圈目 节能类b ： u g s 连接 一 2 1 2i e e e8 0 2 1 6 e 支持的各类业务 i e e e 8 0 2 16 e 【1 1 定义了五种q o s 业务类型：主动授权业务( u g s ) 、扩展的实时轮询业务 f e r t p s ，e x t e n d e dr e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 、实时轮询业务( r t p s ，r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 、非 实时轮询业务( n r t p s ，n o n r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 和尽力而为业务( b e ) 。每种业务都有各自 的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 参数，如最小吞吐量需求和演示约束等，表2 - 1 列出了这些业务 的各种参数f 1 1 。 表2 - 1 各种业务q o s 参数对照 业务类型 q o s 参数 允许抖动、最大延时、最小保证业务速率、最大持续速率 u g s 允许抖动、最大延时、最小保证业务速率、业务优先级 e r t p s 最大延时、最小保证业务速率、业务优先级、主动授权间隔衄s 最小保证业务速率、业务优先级、最大持续业务速率 n r t p s 业务优先级、最大持续业务速率、数据传输带宽请求策略 b e 浙江工业大学硕士学位论文 请求。u g s 是为固定比特速率( c b r ，c o n s t a n tb i tr a t e ) 实时流量设计的，如e l t 1 电路仿 真。主要的q o s 参数是最大的持续速率，最大时延和容忍抖动( 最大延时变化) 。 e r t p s ：这种业务的设计是为了支持静音压缩的v o l p 。在静音期不需要发送信息。e r t p s 业务相似于u g s ，在活跃模式b s 分配最大持续速率，但e r t p s 在静音期不分配任何带宽。 但在静音期b s 需要定期询问m s 静音期是否结束。它主要的q o s 参数与u g s 的主要参 数是相同的。 r t p s ：这种业务类型是为如m p e g 压缩视频等可变比特速率的实时业务设定的。不同 于u g s ，r t p s 的带宽需求是可变的，所以b s 需要有规律的询问每个m s 来决定带宽的分 配。它的q o s 参数与u g s 的相似，但最小保证业务速率和最大持续速率需要预先给出。 而对于u g s 和e r t p s 业务，这两种参数如果存在的话则是相同的。 n r t p s ：这种业务类型是为非实时可变速率且没有延时保证的流量设定的。这种业务仅 需要保证最小速率。文件传输协议( f t p ，f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 流量是利用这种类型的一 个应用例子。 b e ：大多数数据流量都属于这一类型。这种类型既不保证延时也不保证吞吐率。b s 分配给这种业务类型的带宽是其它类型遗留下来不需要利用的。 对于n r t p s 流量，优先权同样是一个区分相同类型不同连接的参数。考虑上行带宽请 求机制，u g s ，e r t p s 和r t p s 是实时流量。u g s 必须有一个稳定的分配；u g s 和r t p s 的分 配综合起来就是e r t p s 的分配需求。当m s 提出带宽请求以时，b s 会有两种分配带宽的 方式( 应答消息包含在ul m ap ( u pl i n km a p ) 消息中) ： b s 单独为某个连接分配带 宽，这种情况仅适合于m s 数目较少的情况，而且需要较大的额外比特开销；b s 为多 个m s 分配带宽，m s 之间再进行带宽的具体分配。这就允许一个智能用户站在用户中再 分配带宽，这有利于在商业和居民建筑物中更有效的分配带宽资源。 2 2 i e e e s 0 2 1 6 e 的休眠类型 当处于休眠模式下，m s 停止了与b s 的一切通信，这段休眠时间间隔叫做休眠窗口。 如果在m s 的休眠期间有任何到达b s 且属于m s 的数据包，b s 将这些数据包先缓存下 来，并等待m s 休眠醒来通知m s 有数据要接收。m s 接收b s 的告知信息后进入活跃模 式接收数据。m s 保持活跃的时间段叫做监听窗口。如果有时延约束，b s 在时延约束下 将这些数据发送给m s 。根据休眠窗口和监听窗口的不同设定，i e e e 8 0 2 1 6 e 中定义了三 种类型的节能模式，下面分别对这三种节能类型进行介绍。 浙江工业大学硕士学位论文 一 - _ - _ _ _ _ i - _ - i _ _ _ _ _ 一 2 2 1 节能类型i 这种节能类型适用于b e 和n r t - v r 业务。为了激活一个或多个节能类型i ，m s 发送 m o b _ s l p - r e q ( 休眠请求信息) 或带宽请求和上行休眠控制头( 仅用于激活) ；当接收到m s 的请求信息后b s 将回应m o b s l pr s p ( 休眠答复信息) 或者是下行控制扩展子头。在一 定时间范围内如果没有收到m o bs l pr s p 信息m s 将重发m o bs l p - r e q 信息。 这种节能类型定义了六种参数：初始化休眠窗口，最终休眠窗口基数，监听窗口，最 终休眠窗口指数，第一个休眠窗口的开始帧数和业务出发唤醒标志。m s 的体眠状态开始 于第一个休眠窗口的开始帧，等休眠第一个窗口结束后进入监听窗口查看来自b s 的信息 指示，如果得知有数据要收发则m s 结束休眠模式进入活跃状态，否则以前一休眠窗口大 小的两倍进入下一个休眠窗口，依次循环直到最大休眠窗口，便以最大的休眠窗口进行休 眠，如下图2 - 2 所示【1 】。 一活跃模式 口监听窗口休眠窗口 图2 2 第一类休眠模式操作过程 问 2 2 2 节能类型i i 这种节能类型被推荐用于u g s 和r t - v r 业务类型。它的参数有：初始休眠窗口，监 听窗口和第一个休眠窗口的开始帧数。这种节能类型的休眠操作过程不同于节能类型i ， 在这种节能类型下，m s 在监听窗口可以处理休眠循环内到达的数据。所以它的休眠过程 是m s 在第一个休眠窗口开始进入休眠窗口，等休眠窗口结束后进入监听窗口，并在监听 窗口收发到达的数据，然后进入下一个休眠窗口；如果没有明显的终止指示信息m s 则以 这种休眠方式循环下去，下图2 3 表示了这种休眠循环的操作过程【1 】。 预、江工业穴亍顸士子值谕壳 卜一休眠模式 活跃模式口监听窗口i 休眠窗口 图2 - 3 第二类休眠模式操作过程 问 2 2 3 节能类型i i i 节能类型i i i 适用于多播连接和操作管理，如周期性测距等。它的参数有最终休眠窗 口基数，最终休眠窗口指数和开始休眠帧数。这种节能类型开始于开始休眠帧数，它仅有 一个休眠窗口，没有监听窗口，在休眠窗口结束后m s 醒来进入活跃模式，开始从事一些 辅助性工作。它的工作模式如下图2 - 4 所示【l 】： i 一 休眠模式叫 卜- - 一一一一一一一一一一一一一一最终休眠窗口一一一一一一一一一一一一一一一_ - 活跃模式口监听窗口i 休眠窗口 图2 4 第三类休眠模式操作过程 问 2 3i e e e 8 0 2 16 e 休眠模式的性能分析 i e e e 8 0 2 1 6 e 中引入休眠是为了节能，所以各种节能类型的应用必然以能量消耗作为 评价这些节能类型的一个性能；同样，有休眠则必然有数据的延时，所以时延也作为分析 i e e e 8 0 2 1 6 e 节能类型的一个性能。通常，直观上来讲节能就要休眠，而休眠就必然引起 数据的时延；反之，如果要减少数据的时延，就必须减少休眠时间，则会增加m s 能量消 耗。所以，必须综合考虑m s 的能量消耗和数据的时延。设c o 表示每次醒来m s 的能量消 耗，( 9 由两部分组成【l o 】，第一部分是m s 由休眠到空闲的转换消耗的能量；第二部分是 m s 醒来处于空闲状态监听信令信道消耗的能量。设c 表示一个正常数，它表示一个单位 时间延时的开销，它依赖于网络设计对反应时延的关心程度。设，表示一个一般分布的时 间段，并设它的分布时间函数( c d f ) 为只d ，概率密度函数( p d f ) 为苁f ) 。假设m s 醒来的时 刻为 脸0 ) ，且x o = o ，则m s 平均醒来次数可表示如下【lo j ： 一11 浙江工业大学硕士学位论文 w a k e u p n u m , 。= ( 后+ 1 ) ，( 以+ 1 ) 一f ( x t ) 】 ( 2 1 ) 平均反应时延为【1 0 】： 眈伽一2 荟e “ x k + 1 - - t 抓f ) 斫 = o o + ，【f ( x k + 1 ) 一f ( ) 】一f 矿( ，) 魂 ( 2 2 ) = 以+ 。 f ( x ) 一f ( x t ) 卜研f 】 不同网络设计对能量消耗和时延的要求不同，可以权衡考虑这两种性能，即可以找到一系 列醒来时刻 砭o ) 舻o 使得口最小，g 定义为花费函数，如下式所示【1 o 】： g 2 篆f 瞅“) 斛c ( x k + - - 1 ) 衍( 2 - 3 ) 2 3 1 节能类型i 的能耗和时延 这种节能类型只要一有数据到达就会结束休眠状态进入正常工作模式。当m s 没有数 据收发时它向b s 发送休眠请求信息，请求信息中包含休眠时间的长度；当接收到b s 积极 的反馈信息时，m s 关闭收发器并进入休眠模式。如果在m s 的休眠时间内有数据到达， b s 将数据缓存下来并在m s 的监听窗口发送信息告知m s 告知有数据接收，m s 停止休眠 模式；否则m s 以两倍前一休眠窗口的大小进行下一轮休眠直到最大休眠窗口。设m s 的 休眠窗口的大小为死，即磊可以表示如下【l 】： 瓦= 警”纩急 亿4 ， 这里肌= 1 + il 0 9 2 ( 乙) i 。 下图2 5 给出了m s 休眠模式的示意图h 引，从图中可以看出，m s 的时间可分为活跃 时间和休眠时间，在活跃时间m s 进行数据的收发；而在休眠期m s 仅在固定的t l 时间内 与基站进行通信，死表示m s 监听窗口长度，乃到死表示m s 每个休眠窗口的长度。 浙江工业大学硕士学位论文 毅韬到达 一 怀眠期 r i l i t - i t l i t 2 l t l f i t k i t l v 一 iiil 时f l jl i i 有数据收发 活跃期 无数据缓存在基站 m s 进入活跃期 图2 5i e e e 8 0 2 1 6 e 第一类休眠模式的分析模型 由于他死比较小，可近似的取，x 护砒严7 死，即m s 醒来时刻可近似的取作 7 汁死，p 0 。 设表示m s 单位休眠时间的能量消耗，廓表示m s 第k 个休眠消耗的能量消耗，则晟 表示可表示为：e e = t k e s + o d 。由( 2 - 1 ) 式可得数据到达服从一般分布情况下m s 的平均能量 消耗为e l = w a k e u p n u m e k 。 而数据到达服从一般分布的情况下平均反应时延近似为d 1 = d e 纫，口坩。 2 3 2 节能类型i i 的能耗和时延 第二类休眠模式具有固定的监听窗口和休眠窗口，并在监听窗口m s 可以处理一点量 的数据，所以处在这种休眠模式的m s 往往不需要中断休眠就可以处理完所有b s 发送的 数据。它的休眠窗口可以表示为：t k = t 1 ，图2 - 6 为其分析模型副4 8 1 。所以它的能量消耗为： 局= 区野卜= 舔死+ ；而数据可能在休眠窗口的任意时刻到达，设在第k 个休眠窗口的时刻 f 有数据到达，则时延可以表示为：d 2 = r 1 【+ 。一t f ( t ) d t 。其中苁力表示数据到达服从的 4 一般概率密度函数。 一仆b 代朋 r 数据到达数据到达 数据到达 t ；i t l il 0l t l l lt k ；i t l i + 争+ ， iii 时f iii 处理数据 处理数据处理数据 图2 - 6i e e e 8 0 2 1 6 e 第二类休眠模式的分析模型 2 4 本章小结 本章首先对i e e e8 0 2 1 6 e 中休眠模式进行了介绍，不同操作参数的休眠模式对应不 一1 3 一 浙江工业大学硕士学位论文 同的休眠类型，其中对不可利用时间和可利用时间进行了叙述，不可利用时间是指所有 m s 的监听窗口都不重叠的这段持