基于Wi—Fi直連技術(shù)軟AP節(jié)能優(yōu)化算法的研究與仿真

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

關(guān)鍵詞：節(jié)能優(yōu)化算法；仿真；Wi-Fi直連

1 概述

1.1 Wi-Fi直連技術(shù)

Wi-Fi直連是WFA近年推出的短距離無線互聯(lián)技術(shù)，可使Wi-Fi設備無需接入傳統(tǒng)AP實現(xiàn)彼此連結(jié)。該技術(shù)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(fā)現(xiàn)、電源管理和企業(yè)管理[3]等機制。通過該技術(shù)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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)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(jié)能機制。OppPS是為GO設計的新型節(jié)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(jié)束時，GO檢查小組內(nèi)客戶端運行狀態(tài)，若都處于睡眠模式，GO將進入睡眠狀態(tài)。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(fā)現(xiàn)機制正常運行。

⑵NoA節(jié)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(shù)，Duration：缺席期的持續(xù)時長，Interval：NoA間隔時長，Start Time：缺席計劃啟動時間。

2 自適應節(jié)能優(yōu)化算法研究

2.1 算法適用環(huán)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(shù)承擔AP功能同其他Wi-Fi設備組網(wǎng)，共享自身外網(wǎng)訪問能力。網(wǎng)絡小組內(nèi)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和小組管理。情境中GO通過HSPA接入互聯(lián)網(wǎng)，下行數(shù)據(jù)率為7.2Mbps，Wi-Fi客戶端同GO組網(wǎng)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(fā)送信標幀，并根據(jù)小組內(nèi)客戶端外網(wǎng)訪問承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，屬耗能運作?？紤]到小組組網(wǎng)模式為802.11g，傳輸速率遠遠高于GO共享外部網(wǎng)絡的訪問速率，可見客戶端上網(wǎng)數(shù)據(jù)率取決于GO通過HSPA訪問互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)率?；贕O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(jié)能優(yōu)化算法，即自適應出席期調(diào)整算法[4]，自適應調(diào)節(jié)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(nèi)部客戶端的外網(wǎng)訪問需求的目的。

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

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(nèi)設定的窗口時長或出席期時長。K為收斂系數(shù)，R∈[0，1]為目標出席期利用率，K和R為常量，由經(jīng)驗值設定。r（n）為上次Tp（n）的利用率?？梢?，由公式1GO的Tp（n+1）將隨著r（n）作適當調(diào)整，從而達到GO出席期時長Tp始終隨著小組內(nèi)客戶端外網(wǎng)訪問流量的變化而變化，實現(xiàn)自適應調(diào)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(nèi)接收和發(fā)送幀時間總和，Tcontention為802.11競爭機制下，所有幀發(fā)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(diào)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(jié)能優(yōu)化算法仿真設計

本文采用Matlab對該優(yōu)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(jù)小組內(nèi)客戶端外網(wǎng)訪問流量自適應調(diào)整節(jié)能計劃。

綜上所述，本文針對軟AP技術(shù)在便攜設備組網(wǎng)應用的能耗問題，基于wifi直連技術(shù)電源管理機制研究了一種節(jié)能優(yōu)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(jié)能性能，驗證算法有效性。為所研究算法在此類組網(wǎng)應用中的廣泛推廣，做出了一定的理論依據(jù)和啟發(fā)，具有較強的應用價值。

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[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.