le系統(tǒng)變功率休眠模式的研究

le系統(tǒng)變功率休眠模式的研究

1無(wú)線接入網(wǎng)長(zhǎng)期演進(jìn)隨著社會(huì)的發(fā)展，人們不僅對(duì)通信的需求變得越來(lái)越緊迫，而且對(duì)通信的要求也越來(lái)越高。理想的目標(biāo)是不管在任何時(shí)候、任何地方和任何人都能及時(shí)取得溝通并交流信息。這不僅要具有移動(dòng)通信,還必須確保通信終端的正常工作,而終端省電機(jī)制是一個(gè)解決及時(shí)溝通問題的技術(shù)。近些年,移動(dòng)用戶對(duì)高傳輸速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求促進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展。3GPP在2004年11月啟動(dòng)無(wú)線接入網(wǎng)長(zhǎng)期演進(jìn)(LongTermEvolution,LTE)的研究,以期實(shí)現(xiàn)B3G和4G的平滑演進(jìn),其更深層原因是移動(dòng)通信與寬帶無(wú)線接入(BoardbandWirlessAccess,BWA)技術(shù)的融合?！皩拵Ы尤胍苿?dòng)化”和“移動(dòng)通信寬帶化”勢(shì)必成為通信產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)和挑戰(zhàn),故3GPP開始關(guān)注“長(zhǎng)期演進(jìn)”的進(jìn)程。3GPP的LTE標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目分為2個(gè)階段:(1)2004年12月-2006年9月為SI(StudyItem)階段,進(jìn)行可行性研究,完成各種技術(shù)研究報(bào)告;(2)2006年9月-2007年9月為WI(WorkItem)階段,進(jìn)行系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的具體制定和編寫,完成技術(shù)規(guī)范起草工作。在完成標(biāo)準(zhǔn)制定工作后,計(jì)劃不久將向市場(chǎng)推出成熟的商品。文獻(xiàn)提到的恒功率休眠模式,是固定休眠周期的算法。文獻(xiàn)討論的I類休眠算法性能,對(duì)休眠模式的研究和改進(jìn)有一定的參考價(jià)值。在探討休眠模式前,需對(duì)LTE系統(tǒng)的監(jiān)聽過(guò)程有一定了解,文獻(xiàn)介紹LTE的監(jiān)聽過(guò)程。正是在對(duì)上述文獻(xiàn)的研究后發(fā)現(xiàn)恒功率休眠算存在當(dāng)?shù)蜆I(yè)務(wù)狀態(tài)的功耗和高業(yè)務(wù)狀態(tài)的功耗一樣時(shí),造成電量的浪費(fèi)的問題,針對(duì)這一問題,本文提出變功率休眠算法。2變功率睡眠模式簡(jiǎn)介恒功率休眠模式是監(jiān)聽間隔不變,固定休眠間隔的模式。若采用這種休眠模式,對(duì)于不同業(yè)務(wù)而言,移動(dòng)終端(MS)的平均功率消耗能保持不變。該模式雖然簡(jiǎn)單,但其以高業(yè)務(wù)、時(shí)功耗為參考標(biāo)準(zhǔn),在考慮到低業(yè)務(wù)的情況下,經(jīng)過(guò)相同時(shí)間間隔之后,到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)目相對(duì)于高業(yè)務(wù)所得數(shù)據(jù)包數(shù)目而言較少,按理應(yīng)該是平均功耗相應(yīng)減少,平均響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)較大,然而,恒功率休眠模式卻靠犧牲電能換取數(shù)據(jù)幀的響應(yīng)時(shí)間,這樣雖能及時(shí)接收到數(shù)據(jù),卻存在低業(yè)務(wù)高功耗的缺點(diǎn),浪費(fèi)電能。相對(duì)于恒功率休眠模式提出的變功率休眠模式,即變功率休眠算法,其是一種基于終端業(yè)務(wù)要求而動(dòng)態(tài)改變非連續(xù)接收周期的算法,即根據(jù)白天和晚上各個(gè)時(shí)間段終端業(yè)務(wù)量的不同,修改休眠間隔長(zhǎng)度。為提高終端的待機(jī)時(shí)間采取如下措施:在業(yè)務(wù)量較多的時(shí)候,減少休眠間隔長(zhǎng)度;在業(yè)務(wù)量較少的時(shí)候,增加休眠間隔長(zhǎng)度。3變功率休息算法3.1平均響應(yīng)時(shí)間及響應(yīng)能力該算法的目的是以滿足通信要求為基礎(chǔ),先通過(guò)對(duì)不同時(shí)間段業(yè)務(wù)量大小的判斷,決定對(duì)哪些休眠間隔長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)修改,最后達(dá)到移動(dòng)終端省電效果。雖然在低業(yè)務(wù)情況下,變功率休眠模式在數(shù)據(jù)平均響應(yīng)時(shí)間方面相對(duì)于恒功率休眠模式會(huì)較長(zhǎng),但是,只要不影響通信,都可以被接受,然而此時(shí)的平均功耗確實(shí)相對(duì)非常少,可為終端節(jié)省大量電能,從而保證終端的實(shí)用性。必須是在符合通信標(biāo)準(zhǔn),且不能改變通信過(guò)程中原使用系統(tǒng)參數(shù)的情況下,提出此類算法;在同時(shí)滿足平均響應(yīng)時(shí)間的指標(biāo)要求的情況下,減少系統(tǒng)終端功耗?，F(xiàn)對(duì)算法指標(biāo)要求如下:(1)在響應(yīng)時(shí)間性能方面,相對(duì)于恒功率休眠模式而言,平均響應(yīng)時(shí)間可以增多,但不能超過(guò)500ms;(2)在節(jié)能性能方面,相對(duì)于恒功率休眠模式而言,平均功耗不能比原算法差,且功耗節(jié)省率要達(dá)到4%~20%。3.2監(jiān)聽距離ms在對(duì)變功率休眠算法的理論推導(dǎo)分析之前,先定義一些參數(shù):監(jiān)聽間隔長(zhǎng)度為TLms;監(jiān)聽間隔期間移動(dòng)終端的單位時(shí)間功耗為ELmW;休眠間隔長(zhǎng)度為tsms;休眠間隔期間移動(dòng)終端的單位時(shí)間功耗為ESmW。在MS和基站(BS)確定休眠模式后,在一定的時(shí)間段內(nèi)使用固定的參數(shù),直到重新確定新的參數(shù)。假設(shè)數(shù)據(jù)幀到達(dá)MS,遵循泊松強(qiáng)度為λ的泊松分布,λ表示數(shù)據(jù)幀到達(dá)的平均速率,單位為f·ms-1。在不同的時(shí)間段內(nèi),由于終端的業(yè)務(wù)量不同,因此,不同時(shí)段的休眠間隔不同;在同一業(yè)務(wù)量時(shí)段內(nèi),休眠間隔相同。根據(jù)一定的實(shí)際情況,變功率休眠算法為改善恒功率算法低業(yè)務(wù)高功耗的缺點(diǎn),提出λ和休眠間隔存在一定關(guān)系,即休眠間隔ts隨著λ的減少而增大。該關(guān)系本文假設(shè)為:其中,k為負(fù)數(shù),b為正數(shù)。該泊松過(guò)程,t時(shí)段內(nèi)數(shù)據(jù)幀到達(dá)的概率可表示為式(1):其中,N(t)代表t時(shí)刻數(shù)據(jù)幀到達(dá)數(shù)目;k=0,表示s時(shí)刻到s+t時(shí)刻沒有數(shù)據(jù)幀到達(dá)。其概率可表示為式(2):由式(2)可得,若從s時(shí)刻到s+t時(shí)刻,則會(huì)有數(shù)據(jù)幀到達(dá),其概率可表示為式(3):設(shè)在同一λ情況下,休眠周期長(zhǎng)度為T,第i個(gè)休眠周期長(zhǎng)度為Ti,則可得式(4):設(shè)ie表示在第i個(gè)休眠周期,MS有數(shù)據(jù)幀到達(dá),那么,第i個(gè)休眠周期可監(jiān)聽到數(shù)據(jù)到達(dá),可用ie=true表示,否則,用ie=false表示。根據(jù)式(2)~式(4),在同一λ情況下,若前i-1個(gè)休眠周期沒有數(shù)據(jù)到達(dá),在第i個(gè)休眠周期才開始數(shù)據(jù)到達(dá),則其概率為式(5):由于數(shù)據(jù)幀到達(dá)服從泊松分布,即數(shù)據(jù)幀到達(dá)的時(shí)刻是隨機(jī)的,因此,若數(shù)據(jù)幀在第n個(gè)休眠間隔期間到達(dá),則移動(dòng)終端不會(huì)立即接收數(shù)據(jù),只有當(dāng)?shù)鹊奖O(jiān)聽時(shí)間到達(dá)之后才會(huì)接收。從數(shù)據(jù)幀到達(dá)直到接收數(shù)據(jù)這段時(shí)間叫做數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間,記作Tdnms。移動(dòng)終端經(jīng)過(guò)n個(gè)休眠周期消耗的功率記作EnmW。上面提到考察該算法省電能力的指標(biāo)是平均響應(yīng)時(shí)間和平均功耗,在此,設(shè)E[Tdn]為數(shù)據(jù)幀的平均響應(yīng)時(shí)間,該指標(biāo)反映算法對(duì)數(shù)據(jù)幀的響應(yīng)速度,單位是ms;E[En]為進(jìn)入休眠模式到接收到數(shù)據(jù)后跳出休眠模式的平均功耗,單位是mW,該指標(biāo)反映該算法的節(jié)能性能。雖然MS從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入監(jiān)聽狀態(tài)或從監(jiān)聽狀態(tài)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)要花時(shí)間和消耗功率,但該時(shí)間很小,單位時(shí)間內(nèi)的功耗和監(jiān)聽狀態(tài)的功耗一樣,故監(jiān)聽間隔加該段時(shí)間的功耗相當(dāng)于監(jiān)聽間隔增長(zhǎng)時(shí)的功耗。由于每種休眠模式都存在這種情況,且具有相同性,沒有可比性。因此,不對(duì)這種情況加以討論?，F(xiàn)對(duì)改進(jìn)算法的平均響應(yīng)時(shí)間和平均功耗作理論分析:若數(shù)據(jù)到達(dá)服從泊松分布,則說(shuō)明2次數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間間隔服從指數(shù)分布,由于數(shù)據(jù)到達(dá)具有隨機(jī)性,因此,導(dǎo)致數(shù)據(jù)可以在第i個(gè)休眠周期內(nèi)的任何時(shí)刻到達(dá),即在第i個(gè)休眠周期內(nèi)隨機(jī)取值,這也說(shuō)明在同一λ情況下,數(shù)據(jù)在第i個(gè)休眠周期內(nèi)到達(dá)的時(shí)刻服從該周期間隔區(qū)間[(i-1)T,iT]的均勻分布。由概率論可知在區(qū)間[a,b]的均勻分布的期望為(a+b)/2,則數(shù)據(jù)在時(shí)間區(qū)間[(i-1)T,iT]內(nèi)到達(dá)的平均時(shí)刻為[(i-1)T+iT]/2,則數(shù)據(jù)到達(dá)的等待響應(yīng)時(shí)間表示為式(6):根據(jù)式(5)和式(6)得,數(shù)據(jù)到達(dá)的平均響應(yīng)時(shí)間表示為式(7):在同一λ情況下,MS經(jīng)過(guò)i個(gè)休眠周期所消耗的功率表示為式(8):根據(jù)式(5)和式(8)得,終端消耗的平均功率表示為式(9):由于在式(7)和式(9)中,TL、EL和ES固定不變,因此,只需要分析參數(shù)ts和λ對(duì)平均響應(yīng)時(shí)間和平均功耗的影響。分析式(7)和式(9)得如下結(jié)論:(1)若數(shù)據(jù)到達(dá)的平均響應(yīng)時(shí)間只與休眠間隔ts有關(guān),休眠間隔只與λ有關(guān),則數(shù)據(jù)到達(dá)的平均響應(yīng)時(shí)間只與λ有關(guān),且當(dāng)λ越小的時(shí)候,休眠間隔ts越大,平均響應(yīng)時(shí)間越大。(2)若平均功耗也與休眠間隔和λ有關(guān),則當(dāng)λ越小的時(shí)候,休眠間隔ts越大,平均功耗越大。(3)若平均功耗固定不變,則λ減小,ts增大。這些結(jié)論可證明前面提到的ts和λ的關(guān)系為遞減關(guān)系。4ms/ms處理數(shù)據(jù)幀本文對(duì)恒功率休眠算法和變功率休眠算法進(jìn)行仿真,以便進(jìn)行仿真驗(yàn)證和對(duì)2種模式算法的對(duì)比。由于2種模式處理數(shù)據(jù)幀的功耗一樣,因此,在實(shí)驗(yàn)中不考慮MS處理數(shù)據(jù)幀的情況,僅考察對(duì)數(shù)據(jù)幀的響應(yīng)時(shí)間以及消耗功率。本文的仿真參數(shù)設(shè)置如下:ts=-12000λ+840ms,TL=1.0,EL=10.0,ES=1.0,λ由0.005增加到0.065,對(duì)每個(gè)λ仿真時(shí)間是43200s。4.1仿真結(jié)果分析圖1、圖2是理論和仿真的對(duì)比結(jié)果。由圖1、圖2可知,該仿真結(jié)果與理論的吻合度很高,說(shuō)明所使用的實(shí)驗(yàn)方法正確,同樣也能驗(yàn)證恒功率休眠算法仿真的正確性。4.2變功率睡眠模式為呈現(xiàn)變功率休眠算法具有的節(jié)能優(yōu)勢(shì),需對(duì)2種算法的平均響應(yīng)時(shí)間和平均功耗結(jié)果作對(duì)比,分別如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知,相對(duì)于恒功率休眠模式,改進(jìn)的休眠模式在功耗性能上可以達(dá)到省電效果,但付出的代價(jià)是數(shù)據(jù)幀平均響應(yīng)時(shí)間的增大,尤其是在低業(yè)務(wù)的情況下,節(jié)能性能更加顯著,但同時(shí)響應(yīng)效果也相對(duì)比較差。但由于此種模式的等待時(shí)間小于400ms,不影響通信,因此,這種改進(jìn)的休眠模式可取。變功率休眠相對(duì)于恒功率休眠的功耗節(jié)省率如圖5所示。由圖5可知,變功率休眠算法比恒功率休眠算法節(jié)省6%~12%的功耗。綜上分析可得,在平均響應(yīng)時(shí)間允許的范圍內(nèi),變功率休眠模式具有明顯的省電效果,具有實(shí)用性的實(shí)際意義。4.3監(jiān)聽間隔tl和b時(shí)平均響應(yīng)時(shí)間和平均有機(jī)耗為考察參數(shù)在同一λ下,不同的ts和監(jiān)聽間隔(TL)對(duì)平均響應(yīng)時(shí)間和平均功耗的影響,定義ts=k×λ+b,故分別選用不同的監(jiān)聽間隔和不同b進(jìn)行仿真,分析所得結(jié)果。當(dāng)其他仿真參數(shù)EL、ES、k不變,λ由0.005增加到0.065,則對(duì)每個(gè)λ的仿真時(shí)間是43200s。(1)在選取不同TL時(shí),平均響應(yīng)時(shí)間和平均功耗如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知,在同一λ情況下,隨著監(jiān)聽間隔的增加,平均響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)度減少,平均功耗的值卻增大。這是由于當(dāng)TL的增大,數(shù)據(jù)幀到達(dá)的時(shí)刻落在監(jiān)聽間隔附近的概率增大,響應(yīng)時(shí)間接近零的概率也增大,而平均響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨TL的增大而減小?？尚菝咧芷诳倲?shù)減少,當(dāng)監(jiān)聽時(shí)功耗遠(yuǎn)大于休眠時(shí)功耗,TL增大勢(shì)必造成整個(gè)過(guò)程平均功耗增大。(2)當(dāng)選取不同數(shù)值的b時(shí),平均響應(yīng)時(shí)間和平均功耗如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知,在同一λ情況下,隨著b的增大,平均響應(yīng)時(shí)間也增大,而平均功耗基本不變。這是因?yàn)楫?dāng)b增大,休眠間隔長(zhǎng)度增大,則數(shù)據(jù)幀落在休眠間隔的概率增大,平均響應(yīng)時(shí)間增大。由于當(dāng)可休眠周期總數(shù)減少時(shí),監(jiān)聽間隔累加起來(lái)消耗的功率會(huì)減少,且休眠時(shí)功耗遠(yuǎn)小于監(jiān)聽時(shí)功耗,依照理論而言,平均功耗應(yīng)隨b增大而減小,但b增大的值不夠大,則造成休眠間隔增加不夠多,因此,平均功耗出現(xiàn)不明顯變小。5變功率睡眠算法性能優(yōu)化為克服在恒功率休眠模式