基于WirelessMAN―Advanced的节能实验研究

【摘 要】休眠模式是IEEE 802.16m节能模式之一，为了在保证服务质量的前提下节能更多的能量，本文根据数学方法，分析在自相似流业务分布的基础上，讨论了按照默认协议二倍指数增长方式后的能量消耗问题和服务质量问题。结论证明休眠算法有待改进，应该采用更有效的方式控制休眠机制，从而提高网络性能。

【关键词】IEEE802.16m 休眠模式 功率管理

【Abstract】The sleep mode is one of IEEE 802.16m power saving mode， in order to save more energy in the premise of guaranteeing the service quality， based on the mathematical method， in the analysis of self similar traffic based on the distribution of the business， according to the default protocol two times after the exponential growth of energy consumption and the quality of service. Conclusion to improve sleep algorithm， should adopt a more effective way to control the dormancy mechanism， so as to improve the performance of the network.

【Keywords】IEEE802.16m； sleep mode； power management

1 引言

WirelessMAN-Advanced也就是802.16m，已经被定义为4G标准之一，广泛应用与军事领域。它与IEEE802.16e一样都属于移动无线标准。对于移动无线标准，为了节能终端电能，在IEEE802.16e和IEEE802.16m中都引用了功率管理功能。功率管理主要通过休眠模式和空闲模式来节省终端耗电[1-2]。

空闲模式是在较长时间没有工作的情况下启用，就当从能量方面考虑比休眠模式更节能，但是为了满足4G的服务质量，要求考虑业务的服务质量如时延方面的指标。休眠模式是连接状态的一种子状态，终端会按照预先协商的周期，停止与服务基站进行空中交互从而节约部分能量。休眠周期的功率消耗小于监听窗口的功率。休眠周期内监听窗口和休眠窗口的长度可以动态进行扩展。当数据包在休眠窗口时到达，数据包处于等待状态，为此等待时间越长，时延越大，进而影响服务质量。为了综合考虑，Bong Dae Choi等[3]考虑忙期长度和休眠周期长度的大小关系。S.Baek， J.J.Son[4，5]等也通过使用排队模型对休眠性能进行了分析。

随着互联网的发展，视频等业务的增加网络流量不是简单的泊松分布而更多的呈现自相似性[7]。作者在先前研究中提出了按照二倍指数递增的模式算法，如果没有监听到数据，下一个休眠周期是前一个休眠周期的二倍直到最大值。自相似流我们采用patero分布函数

通过公式分析则平均等待时间为公式（1）

（1）

令ES， EL分别为休眠间隔和监听间隔消耗的功率，则平均能量消耗E（en）为公式（2）

（2）

2 参数性能评估

为了分析休眠算法中各参数（Tmin ， Tmax ， a）对平均等待时间和平均能量消耗的性能影响，通过MATLAB分别对各参数选取不同的值进行仿真实验。参数设置分别如下： a = 2， L = 5ms， Tmin= 1ms， Tmax =1024ms， ES =1， EL =5，在不同参数的评估中再进行相应调整。

2.1 a的影响

参数a是流量分布的指数，实验中a的取值范围大于1，参数a越大，流量分布的长尾分布越明显，通过实验发现，平均时延随着a的增长而增长（如图1左图所示）；平均能耗也随着a的增长而增长（如图1右图所示）。

图1 a对性能的的影响

2.2 Tmin的影响

对应最小休眠周期对休眠算法性能的影响。仿真实验中的最小休眠间隔Tmin从1增加到100，a=2，最大休眠周期为1024。算法在平均等待时间与平均能量消耗上的仿真结果如图2左、图2右所示。实验表明，随着Tmin的增大，平均时延和平均能耗都增大了。

图2 Tmin对平均能量能耗的影响

图3 Tmax 对性能的影响

2.3 Tmax的影响

最大休眠间隔Tmax从32增长到1024。 Tmax在平均等待时间与平均能量消耗方面对算法的性能影响分别如图3左、图3右所示。

从仿真结果可以看出：随着Tmax的增大，平均等待时间和能耗都在增大。

通过分析发现，如果休眠窗口按照二倍指数的休眠算法进行动态变化，发现在自相似分布情况下，平均时延和平均能耗都将随着参数的增加而增加。在如今网络流量呈现自相似情况下，数据语音视频流越来越大，那么即使在终端进入了休眠状态，那么数据即将到来的概率也越来越大，如果进行按照二倍指数递增的方式进行休眠，将增大平均时延，同时也将消耗更多能量。

3 结语

论文通过matllab验证了如果休眠模式按照二倍指数递增的方式增长，平均等待时间和能量消耗的问题，接下来作者将提出新的休眠算法。

参考文献：

[1] 杜滢.IEEE802.16m宽带无线技术与系统设计[M].人民邮电出版社，2010.7.

[2] IEEE P802.16m/D3， December 2009.Sleep mode operation for IEEE802.16m，C802.16m-08/721r1， July 2008.Min-Gon Kim， Jung Yul Choi， and Minho Kang. Adaptive power saving mechanism considering the request period of each initiation of awakening in the IEEE 802.16e system [C].

IEEE Communications Letters， 2008.12（2）：106-108.

[3] S.Baek， J.J.Son， B.D.Choi Performance Analysis ofSleep Mode Operation for IEEE 802.16m Advanced WMAN， Communications Workshops， ICC Workshops2009， June 2009.

[4] J.Beran， R.Sherman， M. S.Taqqu， and W.Willinger， "Long-Range Dependence in VBR Video Traffic"， IEEE Transactions on Communications， February， 1995.

[5] E.Hwang， K.J.Kim， J.J.Son， B.D.Choi The Power Saving Mechanism with Binary Exponential Trafic Indications in the IEEE 802.16e/m， Queueing .Systems： Theory and Applications， Vol. 62， No. 3， pp.197{227， July 2009.

[6] 邝月娟，欧阳炜昊.基于IEEE 802.16M的节能算法研究.《网络安全技术与应用》，2015年 第6期.