基于WirelessMAN—Advanced的節能實驗研究

侯婧媖 鄺月娟

【摘 要】休眠模式是IEEE 802.16m節能模式之一，為了在保證服務質量的前提下節能更多的能量，本文根據數學方法，分析在自相似流業務分布的基礎上，討論了按照默認協議二倍指數增長方式后的能量消耗問題和服務質量問題。結論證明休眠算法有待改進，應該采用更有效的方式控制休眠機制，從而提高網絡性能。

【關鍵詞】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，已經被定義為4G標準之一，廣泛應用與軍事領域。它與IEEE802.16e一樣都屬于移動無線標準。對于移動無線標準，為了節能終端電能，在IEEE802.16e和IEEE802.16m中都引用了功率管理功能。功率管理主要通過休眠模式和空閑模式來節省終端耗電[1-2]。

空閑模式是在較長時間沒有工作的情況下啟用，就當從能量方面考慮比休眠模式更節能，但是為了滿足4G的服務質量，要求考慮業務的服務質量如時延方面的指標。休眠模式是連接狀態的一種子狀態，終端會按照預先協商的周期，停止與服務基站進行空中交互從而節約部分能量。休眠周期的功率消耗小于監聽窗口的功率。休眠周期內監聽窗口和休眠窗口的長度可以動態進行擴展。當數據包在休眠窗口時到達，數據包處于等待狀態，為此等待時間越長，時延越大，進而影響服務質量。為了綜合考慮，Bong Dae Choi等[3]考慮忙期長度和休眠周期長度的大小關系。S.Baek， J.J.Son[4，5]等也通過使用排隊模型對休眠性能進行了分析。

隨著互聯網的發展，視頻等業務的增加網絡流量不是簡單的泊松分布而更多的呈現自相似性[7]。作者在先前研究中提出了按照二倍指數遞增的模式算法，如果沒有監聽到數據，下一個休眠周期是前一個休眠周期的二倍直到最大值。自相似流我們采用patero分布函數

通過公式分析則平均等待時間為公式（1）

（1）

令ES， EL分別為休眠間隔和監聽間隔消耗的功率，則平均能量消耗E（en）為公式（2）

（2）

2 參數性能評估

為了分析休眠算法中各參數（Tmin ， Tmax ， a）對平均等待時間和平均能量消耗的性能影響，通過MATLAB分別對各參數選取不同的值進行仿真實驗。參數設置分別如下： a = 2， L = 5ms， Tmin= 1ms， Tmax =1024ms， ES =1， EL =5，在不同參數的評估中再進行相應調整。

2.1 a的影響

參數a是流量分布的指數，實驗中a的取值范圍大于1，參數a越大，流量分布的長尾分布越明顯，通過實驗發現，平均時延隨著a的增長而增長（如圖1左圖所示）；平均能耗也隨著a的增長而增長（如圖1右圖所示）。

圖1 a對性能的的影響

2.2 Tmin的影響

對應最小休眠周期對休眠算法性能的影響。仿真實驗中的最小休眠間隔Tmin從1增加到100，a=2，最大休眠周期為1024。算法在平均等待時間與平均能量消耗上的仿真結果如圖2左、圖2右所示。實驗表明，隨著Tmin的增大，平均時延和平均能耗都增大了。

圖2 Tmin對平均能量能耗的影響

圖3 Tmax 對性能的影響

2.3 Tmax的影響

最大休眠間隔Tmax從32增長到1024。 Tmax在平均等待時間與平均能量消耗方面對算法的性能影響分別如圖3左、圖3右所示。

從仿真結果可以看出：隨著Tmax的增大，平均等待時間和能耗都在增大。

通過分析發現，如果休眠窗口按照二倍指數的休眠算法進行動態變化，發現在自相似分布情況下，平均時延和平均能耗都將隨著參數的增加而增加。在如今網絡流量呈現自相似情況下，數據語音視頻流越來越大，那么即使在終端進入了休眠狀態，那么數據即將到來的概率也越來越大，如果進行按照二倍指數遞增的方式進行休眠，將增大平均時延，同時也將消耗更多能量。

3 結語

論文通過matllab驗證了如果休眠模式按照二倍指數遞增的方式增長，平均等待時間和能量消耗的問題，接下來作者將提出新的休眠算法。

參考文獻：

[1] 杜瀅.IEEE802.16m寬帶無線技術與系統設計[M].人民郵電出版社，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] 鄺月娟，歐陽煒昊.基于IEEE 802.16M的節能算法研究.《網絡安全技術與應用》，2015年 第6期.