基于延時容忍任務的Wi-Fi低功耗方法

摘要：針對Wi-Fi接口長時間保持活動（ACTIVE）狀態導致電池電量快速消耗的不足，對數據傳輸模式和延時容忍任務進行分析并提出一種基于延時容忍任務的無線網絡接口低功耗管理方法.該方法采用延時策略，通過檢查無線網絡接口狀態，推遲發送延時容忍任務的非實時數據，延長空閑（IDLE）狀態時間，保證數據在ACTIVE狀態批量傳輸，同時設置最大等待時間閾值以在確保用戶體驗質量的前提下使得數據傳輸的總能耗減少.實驗結果表明：與未應用延時策略相比，延時策略降低了4.5%的數據傳輸能耗.

關鍵詞：Wi-Fi；低功耗方法；延時容忍任務；上行流量；延時策略；用戶體驗質量

中圖分類號：TP334.7文獻標志碼：A

0引言

Wi-Fi網絡接口是嵌入式系統的重要通信組件［1］.與通用移動通信技術的長期演進（long term evolution，LTE）和第4代移動通信技術（the 4th generation mobile communication technology，4G）相比，Wi-Fi成本更低且能效更高.Wi-Fi的高傳輸速率減少了數據傳輸時間，延長了空閑（IDLE）狀態的時間，為使用低功耗方法降低Wi-Fi能耗提供了條件［2-3］.下行流量低功耗方法已有深入的研究［4-6］，而針對延時容忍應用程序上行流量低功耗方法的研究卻較少.延時敏感和延時容忍任務對數據傳輸實時性要求不同，通過擴展IDLE狀態和降低狀態切換次數，能為延時容忍任務提供更多節能機會.本研究分析了數據傳輸模式和Wi-Fi接口功耗特性，提出了針對延時容忍應用程序的Wi-Fi低功耗策略，通過延時數據傳輸降低802.11接口能耗.

1無線網絡接口功耗管理

1.1Wi-Fi功耗模型

Wi-Fi接口存在空閑（IDLE）、提升（PROMOTION）、活動（ACTIVE）和尾部（TAIL）4類功耗狀態.每種狀態有不同的功耗和系統性能，且狀態切換會產生延時和能耗成本.

1）IDLE狀態是低功耗狀態.該狀態下組件功耗記為Pidle.Wi-Fi接口在有數據傳輸時將從IDLE狀態切換到ACTIVE狀態.

2）PROMOTION狀態是IDLE狀態切換到ACTIVE狀態過程的中間功耗狀態，其功耗記為Ppro，且切換延時記為Tpro.實驗發現，PROMOTION狀態的功耗高于IDLE狀態和ACTIVE狀態.

3）ACTIVE狀態是具有傳輸和接收2種模式的高功耗狀態，功耗記為Pactive.傳輸模式表示數據正從終端上傳到接入點.接收模式表示數據正從接入點下載到終端.Wi-Fi接口的數據傳輸和接收功耗都依賴于數據傳輸吞吐量.

4）TAIL狀態是I/O組件特有的尾部功耗狀態，也是ACTIVE狀態過渡到IDLE狀態的中間狀態，其功耗記為Ptail，且切換延時記為Ttail.數據傳輸后，Wi-Fi接口會保持較高功耗的TAIL狀態，新傳輸任務到達時能快速回到ACTIVE狀態，降低系統延時.若延時Ttail后仍無數據傳輸，則重回IDLE狀態.

Wi-Fi接口1次數據傳輸過程的狀態包括IDLE、PROMOTION、ACTIVE和TAIL等4類狀態，因此1次數據傳輸過程的能耗可以表示為式（1），

E=Eidle+Epro+Eactive+Etail（1）

Wi-Fi接口在ACTIVE狀態時，其功耗與數據傳輸吞吐量成比例［7］，如式（2）所示.

Pactive=αutu+αdtd+β（2）

式中，tu和td分別表示上行吞吐量和下行吞吐量；αu、αd和β表示與設備相關的功耗常量.本研究使用的功耗常量與文獻［8-9］一致.

若用功耗代替式（1）中的能耗，1次完整數據傳輸過程的能耗又可以表示為式（3），

E=Pidle·Tidle+Ppro·Tpro+∫Pactive dt +Ptail·Ttail（3）

1.2延時敏感和延時容忍應用程序

移動應用程序可以劃分為延時敏感和延時容忍2種類型.延時敏感應用程序實時性要求高，例如語音、視頻和其他交互式應用程序.延時容忍應用程序允許延時執行，例如郵件、文件傳輸和其他批量處理任務.任務延時的長度為不影響用戶體驗的最大時間間隔.數據延時傳輸能有效避免Wi-Fi接口狀態頻繁切換.

圖1顯示了延時敏感應用程序即科技、娛樂與設計（technology，entertainment，design，TED）和延時容忍應用程序即電子郵件（electronic-mail，E-mail）的數據傳輸模式.數據傳輸模式存在明顯間歇性.由于TED視頻播放器屬于延時敏感應用程序，Wi-Fi接口需要從接入點實時接收視頻流數據.圖1（a）顯示了TED播放1個視頻短片620 s過程中下行流量的變化情況.E-mail屬于非即時通信程序，對文件收發時間的要求不如視頻播放器嚴格，屬于延時容忍應用程序.圖1（b）顯示了E-mail在5 142 ms、31 148 ms和78 100 ms分別傳輸3.6 MiB、5.9 MiB和451.9 KiB大小的3個附件時傳輸字節隨時間發生變化的情況.

本研究使用圖2所示的數據通信脈沖來刻畫應用程序的數據傳輸模式.數據通信脈沖是數據達到時間間隔小于閾值θ的連續通信序列.數據到達時間間隔是數據傳輸任務之間的時間間隔.閾值θ等于TAIL狀態的時間長度.脈沖長度Tb是1次數據通信脈沖包含的第1次和最后1次數據傳輸任務之間的時間間隔，在該時間段內可以包含1個或多個數據傳輸任務.Tb內的數據吞吐量tb包括上行吞吐量tu和下行吞吐量td.脈沖間隙Ti是1個脈沖最后1個數據傳輸任務和下個脈沖第1個數據傳輸任務之間的時間間隔.Wi-Fi接口等待1個穩定的TAIL狀態延時Ttail后進入IDLE狀態.因此，Ti包括Ttail和Tidle.數據通信箱Tbin包括脈沖長度Tb和脈沖間隔Ti，可由式（4）計算得到.

Tbin=Tb+Ti=Tpro+Tactive+#（tail）·Ttail+Tidle（4）

1個數據通信箱消耗電量Ebin包括狀態PROMOTION能耗、ACTIVE能耗、TAIL能耗和IDLE能耗等4部分，由式（5）計算獲得.

Ebin=Pidle·Tidle+Ppro·Tpro+∫（αutu+αdtd+β）dt+#（tail）·Ptail·Ttail（5）

式中，#（tail）表示通信箱TAIL狀態的個數.

假設下行和上行任務的執行時間無重疊，則ACTIVE狀態包含了下行和上行任務的時間.整個數據傳輸過程T內，Wi-Fi接口總能耗可以由式（6）所示.

E=#（bin）·Ebin

s.t.T=#（bin）·（Tpro+#（tail）·Ttail+Tidle+Tu+Td）（6）

#（byte）=#（bin）·（tu·Tu+td·Td）

式中，#（bin）表示數據通信箱個數；#（byte）表示需要傳輸的數據量.

2延時提交低功耗方法

數據通信箱個數#（bin）影響Wi-Fi接口狀態轉換次數，而狀態轉換存在能耗和時間成本.通過控制任務調度時間來擴展IDLE狀態的長度，減少#（bin），從而降低狀態切換成本.本研究設計了針對延時容忍應用程序的任務調度框架，如圖3所示.

為避免任務τ在隊列中等待時間過長而影響用戶體驗質量，每個任務進入隊列后需要設置最大等待時間閾值Wmax.該閾值表示延時容忍應用程序的最大允許延時時間.調度器接收到延時容忍應用程序的數據請求后，檢查網絡接口狀態.若是IDLE狀態，任務被增加到隊列中，否則調度器發送數據到Wi-Fi接口.調度器輪詢任務隊列，將達到最大延時時間的任務及隊列中其他任務一起發送到Wi-Fi接口，直到隊列為空.

延時容忍任務調度算法如下：

Set T =

while TRUE do

Receive the data transmission request from delay tolerant application and encapsulate it into a task object，τi，with the maximum waiting time threshold Wimax

Let s be the current power state of Wi-Fi NIC

if s == IDLE then

Put task τi into T

else

Send τi to Wi-Fi NIC

for each τj in T do

Let wj be the waiting time of task τj

if wj≥Wjmaxthen

Remove τj from T and send it to Wi-Fi NIC

for each τk in T do

Remove τk from T and send it to Wi-Fi NIC

延時容忍任務調度算法的具體步驟描述如下：1）隊列T存儲延時容忍應用程序釋放的數據傳輸任務，初始化為空；延時容忍應用程序釋放數據傳輸任務τi，為其設置最大等待時間閾值為Wimax；調度器讀取Wi-Fi網絡接口卡狀態s；2）若當前s是低功耗狀態IDLE，則推遲任務執行，將其增加到隊列T，否則表示網絡接口當前處于高功耗狀態或具有較高功耗的中間狀態，則直接執行任務；3）在無應用程序釋放數據傳輸任務時，調度器輪詢隊列T，獲取每個任務τj的等待時間wj，若存在任務的等待時間wj達到或超過最大等待時間閾值Wjmax，調度器調度該任務及其隊列中其他任務，確保延時任務能在1次ACTIVE狀態下完成數據傳輸.

由以上算法可知，批量處理隊列T中的延時數據傳輸任務，能有效減少Wi-Fi接口的狀態切換成本.

3實驗結果及分析

為了驗證算法的有效性，本研究在配置有博通BCM4330的COMBO芯片智能手機上完成了延時策略應用前及應用后Wi-Fi能耗對比的實驗，其中選擇E-mail作為延時容忍應用程序.表1給出了Wi-Fi接口功耗特性，其中，Ppro、Ptail和Pidle分別表示PROMOTION、TAIL和IDLE狀態的功耗，而Tpro和Ttail分別表示PROMOTION和TAIL狀態的延時.

圖4（a）顯示了E-mail程序完成10個文件上傳過程中的數據傳輸模式.Wi-Fi網絡接口在未應用延時策略的數據傳輸過程中有20次狀態切換.狀態切換消耗的電量為（10·（Ppro·Tpro+Ptail·Ttail）），狀態切換引起的延時為（10·（Tpro+Ttail））.應用延時低功耗策略后，10個文件被延時批量傳輸，且Wi-Fi表1Wi-Fi接口功耗特性

功耗組件Ppro /mwTpro/sPtail/mwTtail/sPidle/mwαd/（mw/（Mibit/s））αu/（mw/（Mibit/s））β/mwWi-Fi NIC124.40.08119.30.2477.2137.01283.17132.86接口在IDLE狀態的時間被延長，狀態切換次數也從20次降到2次.圖4（b）顯示了Wi-Fi接口的能耗對比結果.未應用延時策略時，10個文件分離發送導致能耗階梯上升.應用延時策略后，文件在87 529 ms被推遲發送.87 529 ms前，Wi-Fi接口處于IDLE狀態，Wi-Fi能耗增長放緩.87 529 ms開始，Wi-Fi接口進入ACTIVE狀態，使用最高速率發送數據導致能耗急劇上升.相比未應用延時策略的能耗情形，數據延時傳輸策略節省了1 483 mJ的電池電量.

4結論

本研究針對延時容忍應用程序提出了一種Wi-Fi接口低功耗策略，設計了延時任務調度器推遲數據傳輸的方法.本研究首先分析延時容忍和延時敏感任務的數據傳輸模式，接著探討Wi-Fi接口工作狀態和功耗模型，最后在配置有802.11 a/b/g/n Wi-Fi接口的智能手機上完成模擬實驗.實驗結果表明，應用延時策略可以節省4.5%的電池電量.

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（實習編輯：黃愛明）

Low-Power Approach for Wi-Fi Based on Delay Tolerant Task

DUAN Lintao1，2，WANG Zhiguo1，WANG Haiying2（1.School of Information and Software Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China;

2.School of Computer Science，Chengdu University，Chengdu 610106，China）Abstract：In order to overcome the high-power consumption of the Wi-Fi network interface when the port always stays in an ACTIVE state，the data transmission pattern is analyzed and a low-power management approach for wireless network interface based on delay tolerant task is proposed.The delay policy is adopted to check the network port of Wi-Fi and to delay transmitting non-real-time data of delay tolerant application，prolong the IDLE state interval，and ensure the batch data transmission in ACTIVE power state.Meanwhile，by considering the quality of user experience，delay policy reduces the total energy consumption of data transmission according to the maximum waiting time threshold.The experimental results show that，compared with no-delay policy applied to data transmission，delay policy is able to reduce transmission energy consumption by 4.5%.

Key words：Wi-Fi;low-power approach;delay tolerant task;uplink traffic;delay policy;quality of user experience