基于Wi—Fi直連技術軟AP節能優化算法的研究與仿真

摘 要：本文研究了一種新型無線互聯技術Wi-Fi直連的節能優化算法，對該算法在共享外部網絡的無源AP終端設備應用情境中的節能運作原理進行了分析，并仿真了該算法的節能性能。內容包括Wi-Fi直連電源管理機制分析、節能優化算法原理研究和算法節能性能仿真設計等方面。優化算法節能性能仿真測試通過Matlab實施設計和驗證，經過仿真驗證了該算法的節能效果，體現了一定的應用價值。

關鍵詞：節能優化算法；仿真；Wi-Fi直連

1 概述

1.1 Wi-Fi直連技術

Wi-Fi直連是WFA近年推出的短距離無線互聯技術，可使Wi-Fi設備無需接入傳統AP實現彼此連結。該技術基于Wi-Fi基礎設施模式，在802.11MAC層[1-2]增加Wi-Fi直連管理幀，賦予新的發現、電源管理和企業管理[3]等機制。通過該技術認證的Wi-Fi設備同時具有成為GO（小組擁有者，相當于AP）和客戶端（相當于STA）的能力。設備之間可建立1對1或1對多的網絡結構，每個網絡有一個GO設備，充當小組的管理者，以及若干個客戶端設備。

1.2 Wi-Fi直連電源管理機制

⑴OppPS節能機制。OppPS是為GO設計的新型節能機制，GO于每次信標幀后開啟CTWindow窗口，運行GO設備功能。窗口結束時，GO檢查小組內客戶端運行狀態，若都處于睡眠模式，GO將進入睡眠狀態。反之，維持運行模式。窗口長度由GO在信標幀的NoA屬性字段設置，介于信標幀間隔和10倍TU之間，以保證Wi-Fi設備之間發現機制正常運行。

⑵NoA節能機制。NoA機制使GO始終在出席期缺席期之間切換，周期進入睡眠模式，切換計劃由信標幀的NoA字段設定，該字段各子域包括Count：計劃中GO缺席期的重復次數，Duration：缺席期的持續時長，Interval：NoA間隔時長，Start Time：缺席計劃啟動時間。

2 自適應節能優化算法研究

2.1 算法適用環境搭建

本文研究的算法針對無線智能便攜設備，在無需AP專用設備下，通過軟AP技術承擔AP功能同其他Wi-Fi設備組網，共享自身外網訪問能力。網絡小組內Wi-Fi客戶端可以是具有Wi-Fi功能的手機、平板電腦等，充當軟AP的設備為便攜設備，且為電源受限設備，采用Wi-Fi直連電源管理機制，作為GO承載數據轉發和小組管理。情境中GO通過HSPA接入互聯網，下行數據率為7.2Mbps，Wi-Fi客戶端同GO組網采用802.11g模式為例，實際速率達到25Mbps。

2.2 自適應出席期間隔算法

情景中，GO需要周期發送信標幀，并根據小組內客戶端外網訪問承擔數據轉發，屬耗能運作。考慮到小組組網模式為802.11g，傳輸速率遠遠高于GO共享外部網絡的訪問速率，可見客戶端上網數據率取決于GO通過HSPA訪問互聯網數據率。基于GO設備采用的Wi-Fi直連電源管理機制OppPS和NoA的運行框架，本文研究了一種節能優化算法，即自適應出席期調整算法[4]，自適應調節GO設備采用的OppPS中的窗口期時間或NoA機制中的出席期間隔，達到平衡GO設備能耗和內部客戶端的外網訪問需求的目的。

該算法工作在MAC子層。在信標幀發送前，計算最小的GO設備出席期時長Tp，權衡小組內客戶端外網訪問需求和自身能耗，跟蹤小組內客戶端外網訪問流量的變化調整Tp大小。GO將計算出的Tp設定在信標幀內，廣播給所有客戶端，Tp隨小組內客戶端外網訪問流量調整規則使用公式1實現。

式中Tp（n+1）為本次GO窗口時長或切換計劃中出席期時長，Tp（n）為上次信標幀間隔內設定的窗口時長或出席期時長。K為收斂系數，R∈[0，1]為目標出席期利用率，K和R為常量，由經驗值設定。r（n）為上次Tp（n）的利用率。可見，由公式1GO的Tp（n+1）將隨著r（n）作適當調整，從而達到GO出席期時長Tp始終隨著小組內客戶端外網訪問流量的變化而變化，實現自適應調整出席期的目的。公式1中r（n）通過公式2得出。

式中，Tframe為GO在Tp內接收和發送幀時間總和，Tcontention為802.11競爭機制下，所有幀發送時的信道訪問退避時間總和。通過公式1和2，GO將算出的Tp設定在每次信標幀的NoA屬性中，廣播給所有客戶端，調整OppPS機制下的窗口期或NoA機制的下的GO出席期與缺席期切換計劃。

3 節能優化算法仿真設計

本文采用Matlab對該優化算法應用效果進行仿真，通過仿真驗證了，當上一次出席期利用率增加時，GO設定的下一次出席期時長將隨之自動增長；反之，隨之減少，從而使GO能夠根據小組內客戶端外網訪問流量自適應調整節能計劃。

綜上所述，本文針對軟AP技術在便攜設備組網應用的能耗問題，基于wifi直連技術電源管理機制研究了一種節能優化算法，分析算法在OppPS和NoA機制框架上的運行原理，并仿真節能性能，驗證算法有效性。為所研究算法在此類組網應用中的廣泛推廣，做出了一定的理論依據和啟發，具有較強的應用價值。

[參考文獻]

[1]William Stallings.數據與計算機通信[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]唐雄燕.寬帶無線接入技術及應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]韓毅剛，等.計算機網絡與通信[M].北京：機械工業出版社，2013.

[4]Daniel Camps-Mura，Xavier P′erez-Costaa，Sebasti`a Sallent-Ribesb.Designing Energy Efficient Access Points with Wi-Fi直連[J].Preprint submitted to Elsevier，May 2011.