IEEE 802.16m网络下的新型节能机制设计

© 2013由Elsevier B.V.发布。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）38 - 432013年电子工程与计算机科学IEEE802.16m网络朱国智 *，黄子琪，温哲伟台湾桃园市龙华科技大学电子工程系摘要IEEE 802.16m定义了三种省电机制来降低移动设备的功耗。然而，没有一个机制是针对实时（RT）数据和非实时（NRT）数据同时出现在网络中的情况而设计的。本文根据RT和NRT数据的特点设计了一种新的节能机制。我们的省电机制使用调度方案来延迟NRT数据的传输，直到RT数据被传输，然后在同一帧中传输RT和NRT数据，以节省移动设备中的功率。在模拟实验中，我们表明，我们的节能机制可以节省更多的功率比IEEE 802.16m官方机制时，移动设备接收RT和NRT数据。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：IEEE 802.16m，省电机制，WiMAX1. 介绍IEEE 802.16m [1]是在城域网中使用的流行无线标准。用户只要在IEEE 802.16m基站的信号范围内，就可以随时接入互联网。典型的IEEE 802.16m网络，其中高级基站（ABS）控制整个网络。先进* 通讯作者。联系电话：+886-2-82093211-5634;传真：+886-2-82095165。电子邮件地址：kcchu@mail.lhu.edu.tw2212-6678 © 2013作者由爱思唯尔公司出版在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.007Kuo-Chih Chu等/ IERI Procedia 4（2013）3839如果移动站（AMS）在ABS的信号范围内，则移动站（AMS）可以直接与ABS通信，或者如果移动站（AMS）不在ABS的信号范围内，则移动站（AMS）可以通过高级中继站（ARS）的中继间接与ABS通信，以便访问因特网。当用户享受无线网络带来的便利时，移动设备中的省电成为一个重要问题。IEEE 802.16m利用休眠周期来节省移动设备中的功率。睡眠周期由监听窗口和睡眠窗口组成。在侦听窗口中，AMS保持活动状态，以便按需接收和发送数据。当AMS切换到睡眠窗口时，它会关闭收发器以节省电力。IEEE 802.16m定义了如下三个功率节省类（PSC），用于传输不同类型的数据。PSC I是为NRT数据设计的省电机制。在AMS进入休眠周期之前，它与ABS协商关于初始休眠窗口、扩展监听间隔、最大休眠窗口和监听窗口的参数。AMS进入休眠周期后，第一个休眠窗口的长度为初始休眠窗口。如果AMS稍后切换到监听窗口而没有从ABS接收到任何数据，则下一个休眠窗口的长度是前一个休眠窗口的两倍长度。相反，如果AMS切换到监听窗口并从ABS接收数据，则下一个休眠窗口的长度被重置为初始休眠窗口的长度。PSC II是为RT数据设计的省电机制，它考虑了RT数据在固定周期内要求带宽的特点。因此，AMS在进入休眠周期之前与ABS协商参数。之后，每个睡眠窗口具有固定长度的监听窗口和睡眠窗口。PSC III是为多播而设计的。在AMS进入睡眠周期之前，它与ABS协商睡眠周期的长度。当休眠周期结束并且AMS进入另一个休眠周期时，它必须再次与ABS协商。已经提出了许多功率节省机制。[2]认为ABS应该考虑每个AMS的信号强度，并为每个AMS选择合适的调制方法来传递上行链路数据，以节省带宽和功率。作为一种基于PSC II的节能机制，[3]考虑了RT数据的延迟和带宽要求，以找到休眠窗口和侦听窗口的最佳长度[4]调度AMS的多个上行链路和下行链路连接中的数据以节省功率。根据现在的用户习惯，用户经常使用可能同时产生RT和NRT数据的不同应用。然而，IEEE 802.16m和现有的提案没有考虑传输中的两种数据类型的特征。因此，当处理两种数据类型时，功率节省机制不能有效地工作以节省功率。为了在处理RT和NRT数据时有效地节省功率，本文提出了一种功率节省机制，其使用调度方案来减少唤醒AMS以从ABS接收数据的频率。2. 混合服务类我们在本节中介绍了该提议，即称为TPM（Traffic Merge Mechanism的缩写）的功率节省机制。TPM使用调度方案将目的地为同一AMS的连续数据安排在单个帧中。因此，TPM可以唤醒AMS一次以接收多个数据，并且通过更长的睡眠窗口使AMS节省更多的功率。为此，TPM稍微延迟NRT数据的传输，因为NRT数据在延迟方面没有限制。TPM通过在帧中同时发送NRT数据和RT数据来调整发送NRT数据的时间。为了避免延迟NRT数据的传输太长时间，TPM定义了最大延迟时间间隔（即，NRT数据的TN，其规定了NRT数据在传输到AMS之前可以在ABS中延迟的TN帧的数量）。TPM遵循Eq. (1)计算ABS必须发送第k个NRT数据的截止时间（即Time_NRTk）时间_NRTk =Tk（1）40Kuo-Chih Chu等/ IERI Procedia 4（2013）38其中Tk是第k个NRT数据的到达时间。TPM是ABS中的一种节能机制，由准入控制和调度器组成。当互联网中的站点请求ABS向IEEE802.16m网络中的AMS发送数据时，ABS执行接纳控制以检查可用带宽，并确定可用带宽是否能够满足站点的要求。如果可用带宽不足，ABS将拒绝该请求。相反，如果可用带宽足够，ABS使用调度器来安排传输数据的时间，并将该安排通知AMS。医疗辅助队会按照安排接收该站的数据。2.1. 接纳控制接纳控制详述如下，其中在NRT数据之前处理RT数据。TPM允许RT数据在到达ABS后立即进入准入控制。一旦RT数据进入准入控制，TPM在下一帧中传输它。我们假设第k个RT数据在第j帧到达ABS。准入控制遵循Eq. (2)以确定是否可以在第（j+1）帧中发送数据。BW_R_RTj，k BW_total-BW_RT_total（j+1）-BW_NRTd_total（j+1）（2）BW_R_RTj，k是第j帧中的第k个RT数据的带宽分配，BW_total是网络中的总带宽，BW_RT_total（j+1）是第（j+1）帧中的RT数据的总带宽分配，BW_NRTd_total（j+1 ）是截止期时第（j+1）当RT数据满足Eq.(2)，准入控制使用Eq. (3)将数据的带宽分配添加到BW_RT_total（j+1）。BW_RT_total（j+1） = BW_RT_total（j+1） + BW_R_RTj，k（3）如果RT数据不符合Eq. (2)，数据传输将被拒绝。在所有RT数据进入接纳控制之后，处理NRT数据。我们假设ABS在第j帧中接收第k个NRT数据。我们使用方程式(1)计算ABS应该发送的NRT数据的截止期限。然后，我们使用Eq。(4)以确定可用带宽是否足够用于NRT数据的传输。BW_R_NRTj，k BW_total-BW_NRTd_total（j+TN）（4）其中BW_R_NRTj，k是第j帧中的第k个NRT数据的所需带宽，并且BW_NRTd_total（j+TN）是第（j+TN）帧中的NRT数据的总带宽。我们将在第j帧中发送NRT数据推迟到在第（j+TN）帧中发送它，使得我们有更多的机会在一帧中同时发送RT和NRT数据。在接纳控制批准NRT数据之后，我们使用等式：(5)将其带宽分配添加到BW_NRTd_total（j+TN）。BW_NRTd_total（j+TN） = BW_NRTd_total（j+TN） + BW_R_NRTj，k（5）当系统完成所有NRT数据的接纳控制时，调度器被激活。Kuo-Chih Chu等/ IERI Procedia 4（2013）38412.2. 调度器调度程序有四个步骤，即调度、RT调度、NRT调度和取货。调度器尝试在帧中同时发送目的地为相同AMS的不同数据。调度程序的工作方式如下。Dispatch：Dispatch根据每个数据的目的AMS，将其放入相应的队列中。换句话说，发往同一目的地的所有数据将被放入同一队列。RT调度：RT调度在NRT数据之前处理RT数据，因为RT数据需要及时传输。RT调度在帧中安排每个RT数据，直到队列中的所有RT数据都被处理NRT调度：NRT调度检查队列中每个NRT数据的截止日期。如果满足NRT数据的截止日期，则NRT调度将其安排在帧中。拾取：在调度程序完成四个步骤后，系统使用等式。(6)来计算剩余带宽。BW_remainder（j+1） =BW_total-BW_RT_total（j+1）-BW_NRTd_total（j+1）（6）其中BW_remainder（j+1）是在调度器经过四个步骤之后第（j+1）如果在第（j+1）帧中存在剩余带宽，则我们的机制将被安排用于传输的数据的目的地与尚未被安排用于传输的数据的目的地进行比较。调度器使用Eq. (7)以确定剩余带宽是否能够满足尚未被安排用于传输的数据的要求。如果满足要求，则调度器通过将它们与该帧中的其他安排的数据一起发送来提前它们的截止日期。BW_NRT（j+r），k BW_remainder（j+1）（7）其中BW_NRT（j+r），k是第（j+r）帧中的第k个NRT数据的带宽，并且r被设置在2和TN之间。将NRT数据的截止期限提前以将它们与帧中的其他数据一起发送不仅有效地利用了带宽，而且还使得AMS在监听窗口中接收多个数据以节省功率。当数据被确定为与帧中的其他数据一起传输时，我们使用等式：(8)和等式(9)以调整BW_remainder（j+1）和BW_NRTd_total（j+r）。BW_remainder（j+1） = BW_remainder（j+1）-BW_NRT（j+r），k（8）BW_NRTd_total（j+r） =BW_NRTd_total（j+r）-BW_NRT（j+r），k（9）3. 仿真实验在本节中，我们将介绍我们的仿真环境，然后使用AMS进行实验，以比较TPM和IEEE 802.16m的功耗模拟参数列于选项卡。1.一、我们比较了TPM和IEEE 802.16m中的AMS在RT数据和NRT数据以不同比例同时出现在网络中时的节能性能。我们分别使用3：7、5：5和7：3作为RT数据与NRT数据的比率。我们观察到如下的某些性能。我们比较了TPM和IEEE 802.16m中的AMS在RT数据和NRT数据以不同比例同时出现在网络中时的节能性能。我们分别使用3：7、5：5和7：3作为RT数据与NRT数据的比率。我们观察到如下的某些性能。42Kuo-Chih Chu等/ IERI Procedia 4（2013）38平均功耗：平均功耗（APC）是帧中的平均功耗，并且可以根据等式2计算。（十）、APC=（lw le +sw （se）/（lw +sw）（10）其中，Lw是在模拟实验中使用的监听窗口的数量，Sw是休眠窗口的数量，Le是监听窗口中的功耗，Se是休眠窗口中的功耗。平均拾取数：平均拾取数表示在一帧中平均有多少NRT数据与RT数据一起传输。平均拾取数越大，在独立帧中发送的NRT数据的频率越低。因此，AMS可以具有更长长度的睡眠窗口。图1比较了TPM和IEEE 802.16m在不同负载下使用不同RT数据与NRT数据比率时的平均功耗。图1示出了TPM的性能大大优于IEEE 802.16m，因为TPM通过将在不同时间到达ABS的数据传输到AMS来降低AMS的唤醒频率。此外，我们观察到TPM对于RT数据与NRT数据的比率为3：7时效果最好，因为TPM立即传输每个RT数据，但延迟每个NRT数据，直到RT数据被传输。由于ABS以3：7的比率传输RT数据比以其他比率传输RT数据少得多，因此3：7的比率可以比TPM和IEEE 802.16m中的其他比率节省更多的功率。表1：模拟参数参数值RT数据的数据速率50 kbpsNRT数据的平均数据包大小512 NRT数据的最大延迟时间间隔7帧监听窗口的能量消耗（le）280 mW睡眠窗口的能量消耗（se）10 mW初始睡眠窗口2帧监听窗口1帧Fig. 1.平均功耗比较30025020015010050IEEE 802.16m 3：7TPM 3：7IEEE 802.16m 5：5TPM 5：5IEEE 802.16m 7：00.10.20.30.40.50.60.70.80.91负载APC（mW/帧）Kuo-Chih Chu等/ IERI Procedia 4（2013）3843图二. TPM的平均取数图2显示TPM的平均拾取次数。我们可以观察到，所有平均拾取数根据负载增长，因为当RT和NRT数据频繁到达ABS时，NRT数据有更多的机会与帧中的其他RT数据一起发送。在7：3的比例中，当负载达到0.6时，平均拾取数停止增长，因为RT数据比NRT数据多，这使得NRT数据在到达ABS时立即被ABS发送。4. 结论IEEE 802.16m是近年来比较流行的标准。如何节省移动设备的功率是无线网络用户面临的一个关键问题。在本文中，我们提出了一种节能机制命名为TPM。TPM是针对RT数据和NRT数据同时出现在网络中的情况而设计的。从技术上讲，TPM使用尝试在帧中同时传输NRT数据和RT数据的调度方案，以节省移动设备中的功率。在仿真实验中，我们比较了在TPM和IEEE 802.16m中使用不同的RT数据与NRT数据比率时AMS的平均功耗。我们观察到TPM的性能大大优于IEEE 802.16m。此外，我们还比较了在不同的RT数据与NRT数据比例下TPM的平均拾取数。根据仿真结果，我们确认TPM可以节省更多的功率比IEEE802.16m，这允许用户使用他们的移动设备更长的时间。确认这项工作得到了国家科学委员会的支持，合同号为NSC 101 -2221-E-262-025。引用[1] IEEE标准802.16m-2011. 宽带无线接入系统的空中接口2011年。[2] J.P. Yoon，W.J. Kim，J.Y. Baek，Y.J. Suh. IEEE802.16 OFDMA系统中用于功率节省的高效上行链路资源分配。IEEE车辆技术会议，2008年。[3]第三章L.曾玉P. Hsu，C.- H. Hsu，P.- H. Tseng，K.- T.Fen.一种宽带无线网络最大功率节省调度算法。IEEE WCNC，2008; 1877-1882。[4]Y. L. Chen，S. L.老曹宽带无线接入系统的节能休眠模式操作。IEEE第64届车辆技术会议，2006; 1-5。65432TPM3：7TPM5：5100.10.20.30.40.50.60.70.8个单位0.91负载平均取数