一種多業(yè)務(wù)流程的最優(yōu)省電模式

一種多業(yè)務(wù)流程的最優(yōu)省電模式

基于標(biāo)準(zhǔn)分布協(xié)調(diào)性的11個(gè)無(wú)線區(qū)域（包括直接點(diǎn)（ap））具有廣泛應(yīng)用于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施。電力管理是設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的關(guān)鍵之一。由于無(wú)線站通常由電池供電，能量有限。為了描述江蘇省的能源模式（mac），11個(gè)采用媒體訪問(wèn)控制（mac）層的詳細(xì)規(guī)范，允許無(wú)線站在“照明狀態(tài)”或“睡眠狀態(tài)”工作。無(wú)線局域網(wǎng)中幀的碰撞浪費(fèi)時(shí)間和功率,是造成性能下降的重要原因,也是研究人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一.文獻(xiàn)提出通過(guò)將回退時(shí)間預(yù)先廣播,以減少?zèng)_突;文獻(xiàn)認(rèn)為連續(xù)多次成功發(fā)送表明目前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕,故應(yīng)調(diào)小競(jìng)爭(zhēng)窗口以提高效率;文獻(xiàn)提出由AP計(jì)算允許競(jìng)爭(zhēng)下行信道的處于省電模式的站點(diǎn)個(gè)數(shù)限制競(jìng)爭(zhēng),但這個(gè)個(gè)數(shù)是根據(jù)beacon間隔和傳輸持續(xù)時(shí)間計(jì)算的,而非以成功競(jìng)爭(zhēng)到的站點(diǎn)最多為目標(biāo)得到的最優(yōu)個(gè)數(shù);文獻(xiàn)指出,通過(guò)調(diào)度AP中緩存幀的隊(duì)列可提高網(wǎng)絡(luò)整體性能;SPSM機(jī)制放棄固定的beacon幀間間隔,設(shè)定最優(yōu)的序列以期提升性能;文獻(xiàn)還對(duì)MAC層協(xié)議和傳輸層協(xié)議做了跨層聯(lián)合優(yōu)化,以改善802.11無(wú)線局域網(wǎng)的功耗性能.本文針對(duì)802.11無(wú)線局域網(wǎng)分布協(xié)調(diào)功能提出了一種最優(yōu)省電模式(OPSM),以成功競(jìng)爭(zhēng)到信道的站點(diǎn)個(gè)數(shù)最大化為目標(biāo),推導(dǎo)了最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)站點(diǎn)數(shù).據(jù)此站點(diǎn)數(shù)修改beacon幀中的業(yè)務(wù)指示表(TIM)域,以減輕碰撞.通過(guò)定義下行優(yōu)先級(jí)區(qū)分度參數(shù)α描述不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的差異程度;同時(shí)還建立了下行固定比特速率業(yè)務(wù)性能模型.分析和仿真驗(yàn)證了OPSM機(jī)制相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)PSM以及受限TIM(R-TIM)機(jī)制,能顯著改善網(wǎng)絡(luò)的多項(xiàng)性能.1ap以減輕競(jìng)爭(zhēng)為中心控制點(diǎn)OPSM機(jī)制修改beacon幀中的TIM域,將參與競(jìng)爭(zhēng)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)限制為最優(yōu)值以減輕競(jìng)爭(zhēng).AP作為中心控制點(diǎn)可以完成簡(jiǎn)單的調(diào)度功能,從而為OPSM通過(guò)改進(jìn)AP的功能限制參與競(jìng)爭(zhēng)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)提供了便利.1.1rts/cts接入機(jī)制OPSM機(jī)制中,無(wú)線站點(diǎn)對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況進(jìn)行估計(jì),并將估計(jì)值報(bào)告給AP.對(duì)于不使用請(qǐng)求發(fā)送(RTS)/清除發(fā)送(CTS)的接入機(jī)制,在每個(gè)PS-Poll幀和數(shù)據(jù)幀的頭部增加8bit的暫停時(shí)間(PT)域,表示在此幀位于MAC層發(fā)送隊(duì)列隊(duì)首后,在被成功傳送之前的等待時(shí)間內(nèi),信道由閑變忙的次數(shù).將此被暫停的次數(shù)記做nPT.對(duì)于有RTS/CTS的接入機(jī)制,在每個(gè)PS-Poll幀和RTS幀的頭部增加同樣的PT域.nPT的取值范圍是0～255,0≤nPT<255表示信道由閑變忙nPT次;nPT=255表示由閑變忙的次數(shù)大于或等于255次.AP建立PT表(PTT),每次收到包含PT字段的幀后將nPT的值加入PTT.在每個(gè)目標(biāo)beacon傳輸時(shí)間(TBTT),計(jì)算PTT中所有項(xiàng)的平均值nPT-mean后清空PTT.1.2無(wú)線局域網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的解析定義1IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)中的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)站點(diǎn)數(shù)定義為,能使成功競(jìng)爭(zhēng)到信道站點(diǎn)個(gè)數(shù)的平均值最大化的參與競(jìng)爭(zhēng)的站點(diǎn)個(gè)數(shù).用NTotal表示無(wú)線局域網(wǎng)中無(wú)線站點(diǎn)的總個(gè)數(shù);NCont表示一次競(jìng)爭(zhēng)中參與競(jìng)爭(zhēng)站點(diǎn)的個(gè)數(shù);NSuc表示一次競(jìng)爭(zhēng)中成功競(jìng)爭(zhēng)到信道的站點(diǎn)個(gè)數(shù).用ˉΝCWNˉˉˉCW表示競(jìng)爭(zhēng)窗口平均大小;N0CW表示競(jìng)爭(zhēng)窗口初始大小.本文中,1次傳輸定義為2次相鄰的競(jìng)爭(zhēng)階段之間的階段以及在此階段前的競(jìng)爭(zhēng)階段;1次競(jìng)爭(zhēng)定義為1次傳輸中的競(jìng)爭(zhēng)階段.這里關(guān)注的是MAC層,因此暫不考慮物理層差錯(cuò)及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性影響.當(dāng)且僅當(dāng)某站點(diǎn)選擇的回退時(shí)隙與其他站點(diǎn)選擇的回退時(shí)隙都不同時(shí),此站點(diǎn)能成功競(jìng)爭(zhēng)到信道.站點(diǎn)選擇任一回退時(shí)隙的概率為1/ˉΝCW1/NˉˉˉCW,因此站點(diǎn)i選擇第k個(gè)時(shí)隙,并成功競(jìng)爭(zhēng)到信道的概率是Pk=1-1ˉΝCW1?1NˉˉˉCWNCont-1ˉΝCW(1)NˉˉˉCW(1)因此在1次競(jìng)爭(zhēng)中,站點(diǎn)i能成功競(jìng)爭(zhēng)到信道的概率為P=ΝCW∑k=1∑k=1NCWΡik=ˉΝCWΡik=Pik=NˉˉˉCWPik=1-1ˉΝCW1?1NˉˉˉCWNCont-1(2)由于網(wǎng)絡(luò)在飽和點(diǎn)附近時(shí)性能會(huì)受到明顯影響,因此重點(diǎn)考慮飽和情況.假設(shè)在競(jìng)爭(zhēng)階段中有多于此最優(yōu)個(gè)數(shù)的站點(diǎn)有分組緩存在AP中.由此計(jì)算某站點(diǎn)的某數(shù)據(jù)幀競(jìng)爭(zhēng)成功前,與其他站點(diǎn)的幀發(fā)生碰撞的平均次數(shù)為ˉΝCollision=(1-Ρ)Ρ+2(1-Ρ)2Ρ+?=1/Ρ-1(3)NˉˉˉCollision=(1?P)P+2(1?P)2P+?=1/P?1(3)而競(jìng)爭(zhēng)窗口的平均大小與發(fā)生碰撞的次數(shù)有關(guān).由于競(jìng)爭(zhēng)窗口在發(fā)生碰撞后指數(shù)增大,因此ˉΝCW=Ν0CW(1-2)ˉΝCollision+11-21ˉΝCollision=Ν0CWˉΝCollision2ˉΝCollision+1(4)NˉˉˉCW=N0CW(1?2)NˉˉˉˉCollision+11?21NˉˉˉCollision=N0CWNˉˉˉCollision2NˉˉˉCollision+1(4)聯(lián)立式(2)～(4)得到超越方程組.要求出ˉΝCWNˉˉˉCW的解析解很困難,因此使用圖像法得到近似解.當(dāng)無(wú)線局域網(wǎng)中競(jìng)爭(zhēng)被限制、碰撞較少時(shí),ˉΝCWNˉˉˉCW與N0CW近似相等.每個(gè)無(wú)線站點(diǎn)選擇時(shí)隙的事件獨(dú)立,于是能成功競(jìng)爭(zhēng)到信道的站點(diǎn)平均個(gè)數(shù)為NSuc(NCont)=NContPi=NCont1-1ˉΝCW1?1NˉˉˉCWNCont-1(5)為了使式(5)中的NSuc(NCont)最大化,求導(dǎo)數(shù)dΝSucdΝCont=ˉΝCW-1ˉΝCWNCont-1+NContˉΝCW-1ˉΝCWNCont-1lnˉΝCW-1ˉΝCW)(6)令式(6)為0可得到式(5)的極點(diǎn)為NPole-cont=ln-11-1ˉΝCW)(7)NPole-cont是式(5)的最大值點(diǎn).用[·]表示取整函數(shù),則NOpt-cont=[NPole-cont]為最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)站點(diǎn)數(shù).參與競(jìng)爭(zhēng)信道的站點(diǎn)不僅包括TIM域所指示的站點(diǎn),還包括有上行幀要發(fā)送的站點(diǎn).通過(guò)PTT表項(xiàng)的平均值NPT-mean估計(jì)有上行數(shù)據(jù)要發(fā)送站點(diǎn)的個(gè)數(shù),從而得到TIM域比特位為1的最優(yōu)數(shù)目為NTIM=[NTotal(NOpt-cont-NPT-mean)/NTotal-NPT-mean](8)1.3下一步的網(wǎng)絡(luò)飽和時(shí)設(shè)在AP發(fā)送beacon幀前的時(shí)刻,有NBuf-PSM個(gè)站點(diǎn)有數(shù)據(jù)緩存在AP中,這些站點(diǎn)的集合為SStd.在OPSM機(jī)制中,若NTIM≥NBuf-PSM,不需要做任何改變;若NTIM<NBuf-PSM,考慮單一業(yè)務(wù)和有不同QoS要求的多業(yè)務(wù)2種情況.對(duì)于單一業(yè)務(wù),從SStd中隨機(jī)選擇NTIM-0=NBuf-PSM-NTIM個(gè)站點(diǎn),將其在TIM域所對(duì)應(yīng)的比特位設(shè)為0;對(duì)于多業(yè)務(wù),設(shè)最高優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)的集合為Spri-1、次高優(yōu)先級(jí)集合為Spri-2,依次類(lèi)推.不失一般性,本文只考慮有2種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò).給出如下定義.定義2802.11無(wú)線局域網(wǎng)中的下行優(yōu)先級(jí)區(qū)分度定義為,網(wǎng)絡(luò)飽和時(shí),高優(yōu)先級(jí)下行業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)信道的概率與低優(yōu)先級(jí)下行業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)信道的概率之差.設(shè)2種業(yè)務(wù)的下行優(yōu)先級(jí)區(qū)分度為α,因此高優(yōu)先級(jí)下行業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)信道的概率為Ppri-1=(1+α)/2,低優(yōu)先級(jí)為Ppri-2=(1-α)/2.若參與競(jìng)爭(zhēng)的高優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)數(shù)量NH-pri≥[NTIMPpri-1]且參與競(jìng)爭(zhēng)的低優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)數(shù)量NL-pri≥[NTIMPpri-2],則α=ΝΤΙΜ-Η-priΝΤΙΜ-ΝΤΙΜ-L-priΝΤΙΜ(9)式中NTIM-H-pri和NTIM-L-pri分別表示TIM域中對(duì)應(yīng)高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)站點(diǎn),且比特位為1的個(gè)數(shù).令ΝΤΙΜ-Η-pri={Μ11ΝΗ-pri≥Μ11且ΝL-pri≥Ν11Μ12ΝΗ-pri≥Μ11且ΝL-pri＜Ν11Μ21ΝΗ-pri＜Μ11且ΝL-pri≥Ν11Μ22ΝΗ-pri＜Μ11且ΝL-pri＜Ν11(10)ΝΤΙΜ-L-pri={Ν11ΝΗ-pri≥Μ11且ΝL-pri≥Ν11Ν12ΝΗ-pri≥Μ11且ΝL-pri＜Ν11Ν21ΝΗ-pri＜Μ11且ΝL-pri≥Ν11Ν22ΝΗ-pri＜Μ11且ΝL-pri＜Ν11(11)矩陣M和N定義為Μ=(ΝΤΙΜ(1+α)2ΝΤΙΜ-ΝL-priΝΗ-priΝΗ-pri)(12)Ν=(ΝΤΙΜ(1+α)2ΝL-priΝΤΙΜ-ΝΗ-priΝL-pri)(13)令SStd-H-pri表示使用標(biāo)準(zhǔn)的802.11PSM時(shí)TIM域中對(duì)應(yīng)高優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)且比特位為1的個(gè)數(shù);NStd-L-pri則表示對(duì)應(yīng)低優(yōu)先級(jí)站點(diǎn)且比特位為1的個(gè)數(shù).若NTIM-H-pri<NH-pri,在SStd-H-pri中隨機(jī)選擇NTIM-H-pri-0=NH-pri-NTIM-H-pri個(gè)站點(diǎn),將其在TIM域中對(duì)應(yīng)的比特位置為0;同樣方法設(shè)置低優(yōu)先級(jí)站點(diǎn).2分析與模擬結(jié)果2.1tdat的結(jié)果OPSM機(jī)制只改變下行數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制,因此對(duì)無(wú)線站點(diǎn)功耗的分析暫不考慮上行傳輸,并認(rèn)為所有無(wú)線站點(diǎn)處于功率管理模式.考慮無(wú)線局域網(wǎng)中的下行固定比特速率(CBR)業(yè)務(wù),設(shè)在每次TBTT站點(diǎn)緩存在AP中的下行幀個(gè)數(shù)均大于1.NBuf表示其平均個(gè)數(shù);TBI表示beacon幀間間隔;TCBR表示AP產(chǎn)生去往同一站點(diǎn)的2個(gè)相鄰幀的時(shí)間間隔.對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)PSM機(jī)制的網(wǎng)絡(luò),緩存幀完成下行傳輸所需的時(shí)間與NBuf及無(wú)線站點(diǎn)總個(gè)數(shù)NTotal有關(guān),記為T(mén)DL(NBuf,NTotal).可得方程組{ΤDL(ΝBuf,ΝΤotal)=ΤCont(ΝΤotal)+ΝΤotal(ΝBuf+Νbuf2)ΤDataΝBuf2=[ΤDL(ΝBuf,ΝΤotal)/2]ΤCBR=ΤDL(ΝBuf,ΝΤotal)2ΤCBR(14)式中,NBuf2為某站點(diǎn)在獲得接收下行幀權(quán)力的時(shí)刻與上一次TBTT之間的時(shí)間段內(nèi)新增的下行幀的平均個(gè)數(shù).TData表示數(shù)據(jù)幀及其后續(xù)幀傳輸?shù)目倳r(shí)間,包括數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間、ACK幀傳輸時(shí)間和3個(gè)SIFS時(shí)間.TCont為完成所有下行傳輸所需的競(jìng)爭(zhēng)階段平均時(shí)間,ΤCont(ΝΤotal)=ΤDΙFS+ΤΤSΝCW2+[ΝCont-times(ΝΤotal)-1]?ΤEΙFS+ΤΤSΝCW2+NCont-times(NTotal)TPS-Poll(15)其中,TDIFS、TEIFS、TPS-Poll和TTS分別表示DIFS、EIFS、PS-Poll幀和時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度;NCont-times表示完成所有下行幀傳輸所需要的競(jìng)爭(zhēng)的平均次數(shù),可以通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算的方法得到.解出ΤDL(ΝBuf,ΝΤotal)=ΤCont(ΤΤotal)+ΝΤotalΝBufΤData1-ΤData/ΤCBR(16)另有[ΤBΙ-ΤDL(ΝBuf,ΝΤotal)/2]ΤCBR=ΝBuf(17)可解出ΝBuf=2ΤBΙΤCBR-ΤBΙΤData-ΤCBRΤCont(ΝΤotal)2Τ2CBR+(ΝΤotal-1)ΤCBRΤData(18)因此每個(gè)站點(diǎn)在一個(gè)TBI內(nèi)的平均蘇醒時(shí)間為Τawake=ΤBeacon+ΤSΙFS+ΤDL(ΝBuf,ΝΤotal)2+(ΝBuf+ΝBuf2)ΤData(19)式中,TBeacon為beacon幀傳輸時(shí)間;TSIFS為SIFS時(shí)間.無(wú)線站點(diǎn)在一個(gè)TBI內(nèi)的平均發(fā)送時(shí)間TTransmit可由成功發(fā)送PS-Poll所需要的平均競(jìng)爭(zhēng)次數(shù)以及PS-Poll幀的時(shí)間長(zhǎng)度和ACK幀的時(shí)間長(zhǎng)度得到;平均競(jìng)爭(zhēng)次數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)迭代得到.由于空閑和接收的功率基本相同,因此將2種狀態(tài)合并計(jì)算.由TBI、Tawake和TTransmit可計(jì)算得到空閑/接收的時(shí)間及睡眠時(shí)間Tdoze,進(jìn)而得到使用標(biāo)準(zhǔn)PSM機(jī)制時(shí)的平均功耗.OPSM的分析與上述基本一致,只需重寫(xiě)式(17)為ˉΝCW[ΤBΙ-ΤDL(ΝBuf,ΝΤotal)/2]ΝΤotalΤCBR+(ΝBuf+ΤBΙ/ΤCBR)(ΝΤotal-ˉΝCW)ΝΤotal=ΝBuf(20)并由式(20)重新計(jì)算NBuf.平均功耗分析的數(shù)值結(jié)果見(jiàn)圖1.取N0CW=15、TCBR=125ms、TSIFS=10μm、TDIFS=50μm、TEIFS=262μm、TTS=20μm、TBI=200ms,數(shù)據(jù)凈負(fù)荷800B,數(shù)據(jù)幀速率11Mbit/s,控制幀速率1Mbit/s,重試次數(shù)15次,幀長(zhǎng)度與協(xié)議規(guī)定一致.采用LucentWaveLANIEEETurbo11MbPCcard的參數(shù),發(fā)送功率1.4W,接收/空閑功率1.2W,睡眠功率0.15W.分析與仿真結(jié)果一致,采用標(biāo)準(zhǔn)PSM機(jī)制的無(wú)線站點(diǎn)功耗隨站點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加線性增長(zhǎng);而采用OPSM機(jī)制時(shí)基本保持不變.2.2opsm性能為驗(yàn)證OPSM機(jī)制的性能,仿真比較了使用標(biāo)準(zhǔn)PSM協(xié)議、文獻(xiàn)的R-TIM機(jī)制以及OPSM機(jī)制的無(wú)線局域網(wǎng)性能.圖2中網(wǎng)絡(luò)不區(qū)分業(yè)務(wù),仿真參數(shù)同圖1,但設(shè)上下行業(yè)務(wù)對(duì)稱(chēng),均為λ=8的泊松分布,數(shù)據(jù)幀凈負(fù)荷長(zhǎng)度800B.由圖(a)可見(jiàn),由于使用OPSM機(jī)制以及R-TIM機(jī)制的無(wú)線站點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間較短,所以功耗較低;而使用OPSM機(jī)制時(shí)平均功耗最低.OPSM減少了碰撞帶來(lái)的丟幀,因此有最好的飽和吞吐量性能,飽和點(diǎn)最高,見(jiàn)圖(b).圖3仿真了2種業(yè)務(wù),即無(wú)線站點(diǎn)中一半為高優(yōu)先級(jí)的Serv1,參數(shù)與圖2所用參數(shù)一致;另一半為低優(yōu)先級(jí)的Serv2,λ=28,數(shù)據(jù)幀凈負(fù)荷長(zhǎng)度