一種基于功率調(diào)控的WiFi Direct 節(jié)能優(yōu)化機(jī)制?

郭鎮(zhèn)北,李福亮,梁博成,張小瑞,孫 磊

(東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

WiFi Direct 也被稱(chēng)為WiFi Peer-to-Peer(P2P),是WiFi Alliance 提出的一項(xiàng)Device-to-Device 的連接解決方案,用來(lái)補(bǔ)充WiFi Hotspot 在本地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)牟蛔?所有經(jīng)過(guò)WFD 驗(yàn)證的設(shè)備(如安卓手機(jī)、打印機(jī)等)都可以直接使用WFD 連接,并分享各種多媒體資源、應(yīng)用等[1].隨著硬件、軟件的發(fā)展,如今的多媒體資源或應(yīng)用程序的大小可以輕松達(dá)到幾GB(GigaByte)或者幾十GB.對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō),當(dāng)人們想與附近的人共享這些資源時(shí),使用運(yùn)營(yíng)商流量進(jìn)行分享的代價(jià)太高.常用的D2D 通信方式,如使用藍(lán)牙傳輸,它的速度太慢.這些問(wèn)題使得本地設(shè)備之間急需尋找一個(gè)高速、成本低廉的本地通信方式來(lái)進(jìn)行資源分享.WFD 基于IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn),因此在D2D 通信中能夠保證較低的時(shí)延以及較高數(shù)據(jù)傳輸速率.通過(guò)WFD 構(gòu)建D2D 通信,可以有效地解決上述問(wèn)題.與藍(lán)牙相比[2,3],WFD 的傳輸速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于藍(lán)牙,最高可達(dá)250Mb/s,藍(lán)牙只有3Mb/s.但是藍(lán)牙的能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于WFD,而能耗依然是使用電池供能的設(shè)備所關(guān)注的主要問(wèn)題.

與傳統(tǒng)的Wi-Fi 熱點(diǎn)相比,WFD 具有自己獨(dú)特的特性[1].

?首先,它定義了3 種不同的方式去構(gòu)成一個(gè)P2P 通信組,且每一個(gè)方式所需要的步驟以及時(shí)間都不相同.在一個(gè)基于WFD 的P2P 通信組中,包含了兩種不同的設(shè)備角色:組主(group owner,簡(jiǎn)稱(chēng)GO)以及組員(group member,簡(jiǎn)稱(chēng)GM).組主可以直接向任意組員發(fā)送數(shù)據(jù),但是組員之間無(wú)法相互通信,需要組主的轉(zhuǎn)發(fā).

?其次,隨著網(wǎng)卡的虛擬化技術(shù)的發(fā)展,WFD 在進(jìn)行本地D2D 通信的同時(shí),也可以連接到WLAN 或者蜂窩網(wǎng)絡(luò).

?最后,WFD 自帶了兩種不同的節(jié)能機(jī)制:Opportunistic Power Save(OPS)和Notice of Absence(NoA).在OPS 中,組主只有在所有組員進(jìn)入到休眠模式之后才能切換到休眠模式.需要注意的是,組主沒(méi)有權(quán)限去驅(qū)使任何一個(gè)組員進(jìn)入到休眠模式.OPS 是一種被動(dòng)節(jié)能的方式,即:在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸,所有組員都處于休眠模式時(shí),組主才能夠啟用OPS.與OPS 剛好相反,NoA 是一個(gè)主動(dòng)的節(jié)能方式,組主能夠向組員廣播一個(gè)缺席時(shí)間段(absence periods).在這個(gè)缺席時(shí)間段中,組主開(kāi)啟節(jié)能模式,不進(jìn)行任何的數(shù)據(jù)傳輸操作,并關(guān)閉信道.此外,在NoA 中,只要組主進(jìn)入到缺席時(shí)間段,組員不能夠主動(dòng)地去喚醒組主.對(duì)于這兩種節(jié)能方式,當(dāng)它們啟用時(shí),組主都不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作,即,WFD 沒(méi)有能夠在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)行節(jié)能的節(jié)能機(jī)制.目前,對(duì)于WFD 的研究工作中,大部分研究都集中在WFD 的通信性能以及多組通信實(shí)現(xiàn)上.只有少數(shù)的研究工作試圖優(yōu)化原有的兩種節(jié)能機(jī)制,但是它們并沒(méi)有考慮在WFD 通信組中不同角色(組主和組員)的能耗情況.

本文提出一種基于功率調(diào)控的WiFi Direct 節(jié)能優(yōu)化機(jī)制,其包括兩個(gè)部分,分別是功率調(diào)控(power control)和切換(switching):功率調(diào)控能夠優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗,是整個(gè)節(jié)能優(yōu)化機(jī)制的基礎(chǔ);而切換能夠平衡不同角色之間的能量消耗.此外,每個(gè)WFD 通信組的組大小(含有的設(shè)備數(shù))能夠極大地影響當(dāng)前的通信性能.因此,本文在不同的組大小下驗(yàn)證提出的節(jié)能機(jī)制,其性能指標(biāo)包括能耗和吞吐量.本文的主要貢獻(xiàn)如下:

(1) 本文在安卓設(shè)備上對(duì)WFD 通信組中的組主和組員進(jìn)行了能耗測(cè)試(第2 節(jié)中介紹),發(fā)現(xiàn)了組主的消耗要高于組員的情況.因此,本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的切換機(jī)制來(lái)平衡組主的能耗.

(2) 本文證明了組主的選舉是一個(gè)NP-Hard 問(wèn)題,并用納什平衡去解決.此外,由于網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的,本文也設(shè)置了不同的控制參數(shù)來(lái)調(diào)控提出的節(jié)能機(jī)制.本文在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中展示了節(jié)能機(jī)制不同參數(shù)下的吞吐量以及能耗.與沒(méi)有啟用節(jié)能機(jī)制相比,本文提出的節(jié)能機(jī)制能夠在獲得11.86%節(jié)能效果的同時(shí),只有2%的吞吐量損失.

本文第1 節(jié)對(duì)WFD 的其他相關(guān)的工作進(jìn)行介紹.在第2 節(jié)中,本文在智能手機(jī)上構(gòu)建基于WFD 的通信組,并展示相關(guān)的電量消耗測(cè)試結(jié)果.第3 節(jié)對(duì)提出的節(jié)能機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的介紹,包括功率調(diào)控、切換以及涉及到的相應(yīng)公式、算法等.第4 節(jié)中對(duì)節(jié)能機(jī)制進(jìn)行仿真驗(yàn)證以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.最后,在第5 節(jié)中對(duì)全文進(jìn)行總結(jié),并對(duì)未來(lái)的工作進(jìn)行展望.

1 相關(guān)工作

部分研究工作主要涉及WFD 的傳輸性能、特征的研究上[4?8].Camps-Mur 等人[4]對(duì)WFD 定義的各種屬性進(jìn)行了全面的概述,包括架構(gòu)、通信組形成方式、節(jié)能機(jī)制、安全等.Sun 等人[5]提出了一種降低WFD 設(shè)備發(fā)現(xiàn)延時(shí)的有效方案.Feng 等人[6]分析了WFD 信道中的丟包情況,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制.而對(duì)于WFD 網(wǎng)絡(luò)丟包行為的早期性能檢測(cè),則由Khan 等人[7]完成.由于WFD 是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸技術(shù),針對(duì)組主同時(shí)面對(duì)多個(gè)傳輸請(qǐng)求時(shí)的情況,Mao 等人[8]采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)機(jī)制來(lái)保證組主在多目標(biāo)傳輸期間的公平性.

大多數(shù)研究工作集中在如何有效地構(gòu)建一個(gè)基于WFD 的網(wǎng)絡(luò),以及優(yōu)化基于WFD 網(wǎng)絡(luò)的性能.由于WFD的較大的覆蓋范圍,能夠支持一定數(shù)量的設(shè)備構(gòu)建本地網(wǎng)絡(luò)[9?19].Turkes 等人[3]使用WFD 和藍(lán)牙搭建了一個(gè)機(jī)會(huì)Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò).在機(jī)會(huì)Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)備可以傳輸輕量級(jí)的數(shù)據(jù),如位置信息、輕量級(jí)的廣告等.Nadir 等人[9]使用WFD 構(gòu)建了一個(gè)本地的多跳網(wǎng)絡(luò),并與使用WiFi 熱點(diǎn)和LTE 連接時(shí)的性能進(jìn)行比較.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,相比于其他兩種,基于WFD 的本地多跳網(wǎng)絡(luò)能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和下載.Conti 等人[10]調(diào)查了WFD 組網(wǎng)時(shí)的靈活性,并進(jìn)一步討論基于 WFD 的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò).他們使用藍(lán)牙的 Service Set Identifier(SSID)以及 WFD 的Universally Unique Identifier(UUID)作為輕量級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸載體.Alami 等人[11]則借助WFD 形成多跳的D2D 網(wǎng)絡(luò),他們將WFD 設(shè)備視作一個(gè)熱點(diǎn),連接云端的設(shè)備可將云端的內(nèi)容通過(guò)這些熱點(diǎn)快速地傳輸?shù)狡渌O(shè)備.Fuai 等人[12]探索了基于WFD 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)多跳Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)的不同策略.在LTE-Advanced 系統(tǒng)中,其中一個(gè)重要的研究問(wèn)題是如何有效地利用無(wú)線頻譜資源,LTE-Direct 與WFD 都是該問(wèn)題有效的解決方式[13,14].針對(duì)這兩種D2D 技術(shù),Condoluci 等人[13]對(duì)兩者進(jìn)行了詳細(xì)的性能對(duì)比.與此同時(shí),Gong 等人[14]論證了基于WFD 的LTE 協(xié)同視頻流技術(shù)的可行性.WFD 本身并不支持多組通信,然而已經(jīng)有部分研究使用WFD 去實(shí)現(xiàn)多組通信.Casetti等人[15]使用WFD 實(shí)現(xiàn)了多組通信,并以此構(gòu)建了一個(gè)基于內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò).在此基礎(chǔ)上,他們分析了不同組的成員之間的路由性能.Sadio 等人[16]利用WFD 在車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建多跳通信來(lái)滿足高交通密度特征環(huán)境下的資源分配問(wèn)題,并采用OpenFlow 來(lái)進(jìn)行管理.Engelhart 等人[17]在真實(shí)的安卓設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了WFD 的多組通信,他們給出了使用的架構(gòu)以及在該架構(gòu)下的多組通信性能.WFD 擁有3 種不同的成組方式[1],在不同的設(shè)備進(jìn)行交互時(shí),會(huì)留下彼此的設(shè)備信息,可利用這些緩存的設(shè)備信息加快WFD 通信組的形成[18,19].Demir 等人[18]利用設(shè)備使用WFD 時(shí)緩存的設(shè)備信息,加快了構(gòu)建WFD 通信組的過(guò)程.并且使得在組主設(shè)備產(chǎn)生故障時(shí),能夠自動(dòng)且快速地重新配置WFD 通信組.類(lèi)似的自動(dòng)重配置方法同樣被Faulkenberry 等人[19]使用.他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明,通過(guò)利用這些緩存的設(shè)備信息,能夠快速地重新配置WFD 通信組,從而減少了數(shù)據(jù)包的丟失,提高了吞吐量.

少數(shù)工作涉及到了WFD 的能耗研究,并且這些研究工作的主要工作原理是避免低電量設(shè)備傳輸數(shù)據(jù),或者其他使用WFD 的高能耗行為[20?24].Camps-Mur 等人[20]考慮在WFD 通信組中,組主可以使用3G 網(wǎng)絡(luò),然后組主通過(guò)WFD 向其他組員分享下載的內(nèi)容.在此過(guò)程中,探究WFD 原有的節(jié)能機(jī)制的性能.然而在文獻(xiàn)[20]中,作者只考慮了一個(gè)WFD 通信組的情況,即只考慮了組內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,沒(méi)有考慮組外多跳傳輸?shù)那闆r.Laha 等人[21]為WFD 設(shè)計(jì)了一種新的基于分布式集群的路由協(xié)議來(lái)節(jié)約WFD 設(shè)備的電量消耗,該協(xié)議能夠感知設(shè)備的剩余電量,生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層面的偽通信組,并通過(guò)將流量導(dǎo)向電量充足的設(shè)備來(lái)平衡所有設(shè)備的電量消耗.文獻(xiàn)[22]通過(guò)增加WFD 設(shè)備休眠的占比時(shí)間達(dá)到節(jié)能目的;文獻(xiàn)[23]通過(guò)優(yōu)化WFD 發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備所經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng)來(lái)節(jié)約能耗;而文獻(xiàn)[24]通過(guò)對(duì)特定環(huán)境中收發(fā)數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì),生成一個(gè)隱馬爾可夫模型,并通過(guò)該模型來(lái)決定WFD 設(shè)備休眠的時(shí)長(zhǎng)來(lái)節(jié)約設(shè)備能量.在文獻(xiàn)[22?24]中,都為WFD 設(shè)計(jì)了有效的能耗機(jī)制,但是它們都是在原有的節(jié)能機(jī)制上進(jìn)行改進(jìn),而原有的機(jī)制只能在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)生效.

不同于上述研究,Usman 等人[25]為WFD 提出了一個(gè)新的節(jié)能機(jī)制.該機(jī)制通過(guò)使用Friis 傳播損失模型來(lái)控制設(shè)備的發(fā)射功率,從而達(dá)到節(jié)能的目的.但是作者并沒(méi)有考慮WFD 通信組中不同角色的能耗問(wèn)題:當(dāng)一個(gè)設(shè)備擔(dān)任過(guò)久的組主時(shí),它的能耗消耗要高于組員.當(dāng)組主的能量耗盡,當(dāng)前WFD 就會(huì)被迫解散,這對(duì)當(dāng)前多跳網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔兄鴺O大的影響.同時(shí),在文獻(xiàn)[25]中,WFD 通信組的設(shè)備組成是固定的,即WFD通信組是不變的.然而,由于設(shè)備具有移動(dòng)性,設(shè)備可能會(huì)因此脫離組主的連接范圍;或者因?yàn)檫^(guò)遠(yuǎn)的傳輸距離,吞吐量下降以及發(fā)射功率增加導(dǎo)致能耗上升等問(wèn)題.因此,需要一個(gè)有效的切換機(jī)制來(lái)處理這些問(wèn)題.在本文中,使用對(duì)數(shù)距離路徑損失模型(log-distance path loss model)[26,27]來(lái)控制設(shè)備的發(fā)射功率(該模型能夠更有效地模擬室內(nèi)的無(wú)線信號(hào)傳播損失情況),使得設(shè)備即使在數(shù)據(jù)傳輸期間也能夠有效地進(jìn)行功耗控制.此外,本文通過(guò)設(shè)計(jì)同組之間實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)切換來(lái)平衡組主和組員之間的能量消耗,防止個(gè)別設(shè)備一直擔(dān)任組主造成過(guò)高的能耗.與此同時(shí),本文也設(shè)計(jì)了組與組的成員之間的切換機(jī)制,用于保證每個(gè)組的組主與它們的組員都保持較近的距離,避免組員過(guò)遠(yuǎn)從而脫離組主的連接范圍;或者因?yàn)榫嚯x過(guò)遠(yuǎn),發(fā)射功率上升造成能耗增加.

2 WiFi Direct 電量消耗測(cè)試

在本節(jié)中,本文在智能手機(jī)(Xiaomi Note4X)上對(duì)WFD 的電量消耗情況進(jìn)行了一系列的測(cè)試,并將測(cè)試分為了兩部分.

?在第1 部分中,記錄了WFD 在不同狀態(tài)(空閑和工作)下的電流變化情況.本文從Android 中專(zhuān)門(mén)記錄電流的內(nèi)核文件獲取相應(yīng)的電流大小,通過(guò)記錄其電流變化情況從而判斷其能耗情況.

?在第2 部分中,構(gòu)建不同組大小的通信組,并在不同的傳輸速率下傳輸一定時(shí)間以后,分析設(shè)備之間的電量消耗情況.

使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分為兩個(gè)狀態(tài)——空閑狀態(tài)和工作狀態(tài),如圖1 所示.

?智能手機(jī)所處的空閑狀態(tài)分成兩種:第1 種是僅僅打開(kāi)WFD,智能手機(jī)之間沒(méi)有連接,沒(méi)有任何操作;第2 種是智能手機(jī)之間僅僅通過(guò)WFD 連接,智能手機(jī)之間沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù),它們之間并不做任何操作.

?其次,在本文定義的智能手機(jī)工作狀態(tài)中,包括設(shè)備使用WFD 進(jìn)行掃描(默認(rèn)掃描即能夠同時(shí)掃描2.4GHz 和5GHz 下的設(shè)備)以及通過(guò)WFD 傳輸或者接收數(shù)據(jù).在測(cè)量傳輸過(guò)程中的電流大小時(shí),其數(shù)據(jù)傳輸是持續(xù)不斷的,直到測(cè)試結(jié)束.

Fig.1 Different working states of the smartphone圖1 智能手機(jī)的不同工作狀態(tài)

本文同時(shí)記錄了手機(jī)沒(méi)有任何連接和操作時(shí)的電流大小作為一個(gè)對(duì)比.需要注意的是,WFD 能夠工作在2.4GHz 和5GHz 下.本文記錄其在不同頻率下的電流變化.為了直觀地比較各狀態(tài)下的電流大小,本文選取每個(gè)狀態(tài)下電流大小的平均值,并且按照從高到低排列,其結(jié)果見(jiàn)表1.

在表1 中可以清楚地看到:WFD 的所有狀態(tài)的電流都高于手機(jī)空閑時(shí)的狀態(tài),WFD 處于5GHz 下的電流要高于2.4GHz.但是需要注意的是:當(dāng)WFD 處于非工作狀態(tài)時(shí),它們的電流會(huì)存在不同程度的波動(dòng).這是由于WFD 在原有的休眠機(jī)制下,從休眠中周期性地喚醒并提升功率去感知周?chē)钠渌O(shè)備.或者由于其他設(shè)備發(fā)來(lái)的探測(cè)包,而被動(dòng)的喚醒引起的電流增長(zhǎng).以處于2.4GHz 下的空閑狀態(tài)為例,如圖2 所示.

從圖2 中可以看到,頻繁的波動(dòng)導(dǎo)致了WFD 在非工作狀態(tài)下的電流要高于手機(jī)空閑狀態(tài)時(shí).若將上述WFD 非工作狀態(tài)下喚醒帶來(lái)的電流波動(dòng)去掉,那么WFD 非工作狀態(tài)下的電流僅僅略高于手機(jī)空閑時(shí)的狀態(tài),即WFD 原有的節(jié)能機(jī)制能夠高效地工作.但是當(dāng)WFD 處于工作狀態(tài)時(shí),其電流大小猛增.尤其數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始以后,在5GHz 時(shí)能達(dá)到300.91%;在2.4GHz 發(fā)送時(shí),增量也達(dá)到了131%.由于WFD 原有的節(jié)能機(jī)制只能在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)啟用,所以需要一個(gè)針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的節(jié)能機(jī)制,能夠在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)盡量降低其功率,在保證傳輸速率的同時(shí),達(dá)到節(jié)能目的.

Table 1 Average current in each state of Wi-Fi Direct表1 WiFi Direct 各狀態(tài)的平均電流

Fig.2 Average current of WFD connected idle圖2 WFD 連接閑置時(shí)的平均電流

在第2 部分測(cè)試中,本文使用Iperf(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具)來(lái)輔助進(jìn)行測(cè)量.在WFD 處于2.4GHz的情況下(5GHz 下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示的趨勢(shì)一致),成立不同組大小(3～5 臺(tái)設(shè)備)的WFD.使用Iperf 在不同的傳輸速率下(1Mb/s～10Mb/s)持續(xù)傳輸3h,然后查看所有設(shè)備的耗電量.其中,耗電量的計(jì)算方式是通過(guò)獲取安卓?jī)?nèi)核文件中所記錄的電量消耗等級(jí),然后與電池的總量相乘.其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示.

Fig.3 Power consumption of WiFi Direct圖3 WiFi Direct 的電池消耗

在圖3(a)和圖3(b)中,本文將組大小設(shè)為3,即每個(gè)WFD 通信組擁有3 個(gè)設(shè)備.從圖中可以清楚地看到:無(wú)論是在不同的傳輸速率或者總傳輸時(shí)間下,組主的消耗在任何情況都要高于組員的消耗.在圖3(c)中,本文比較了不同組大小下組主的消耗情況.可以看出:當(dāng)組大小越大時(shí),組主的消耗越大.需要注意到的一點(diǎn)是:當(dāng)速度超過(guò)7Mbit/s 時(shí),部分組員會(huì)存在速度受限,甚至掉線的情況,導(dǎo)致了組主電量消耗變低.從圖3 中可得出:組主的消耗在任何情況下都要高于組員;并且組員越多,組主的消耗越大.

根據(jù)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn),可將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果總結(jié)如下.

1)通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)的WFD 進(jìn)行能耗測(cè)試,并通過(guò)電流大小反饋能耗等級(jí).WFD 在空閑時(shí)的能耗極低,得益于其原有的節(jié)能機(jī)制.但處于工作狀態(tài)下,耗電量大大增加.因此,WFD 需要一個(gè)可以在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用的節(jié)能優(yōu)化機(jī)制,并作為原有節(jié)能機(jī)制的補(bǔ)充.

2)通過(guò)在不同組大小下的能耗測(cè)試,組主的能耗始終高于組員;且組大小越大,組主的消耗越高.因此需要一個(gè)切換機(jī)制來(lái)平衡不同角色之間的能耗,盡量避免一個(gè)設(shè)備擔(dān)任過(guò)久的組主而造成極高的消耗.

根據(jù)上述兩點(diǎn),本文提出的節(jié)能機(jī)制可以分為兩個(gè)部分:首先是采用發(fā)射功率調(diào)控,減少WFD 工作時(shí)的能量消耗;其次,采用切換機(jī)制以平衡組主的能量消耗,避免擔(dān)任組主的設(shè)備一直處于高消耗的狀態(tài).同時(shí),也通過(guò)動(dòng)態(tài)的切換保證組主和組員保持較近的距離,降低發(fā)射功率從而降低消耗.

3 WiFi Direct 節(jié)能優(yōu)化機(jī)制

在這一節(jié)中,首先介紹本文使用的系統(tǒng)模型;隨后介紹提出的WiFi Direct 節(jié)能優(yōu)化機(jī)制;最后介紹使用的調(diào)度算法.其中,節(jié)能優(yōu)化機(jī)制包括兩個(gè)部分,分別是功率調(diào)控以及切換機(jī)制.

3.1 系統(tǒng)模型

WFD 的多組通信模型[12]如圖4 所示.

Fig.4 Network model圖4 網(wǎng)絡(luò)模型

在該多組通信模型中,WFD 通信組中的組主充當(dāng)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)自己組與其他組的數(shù)據(jù)交換.此外,每個(gè)組的組主除了在自己的組擔(dān)任組主之外,它也在別的組充當(dāng)一個(gè)組員,此時(shí)的組主相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)兩個(gè)組之間的數(shù)據(jù)交換.如第2 組的組主在第1 組內(nèi)充當(dāng)一個(gè)組員,而第1 組的組主則在第10 組內(nèi)充當(dāng)組員.需要注意的是:這里有一個(gè)特殊的組主,即第9 組的組主,它是唯一一個(gè)沒(méi)有在其他組內(nèi)擔(dān)任組員的組主.本文使用NS-3 模擬器去進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).共使用50 個(gè)節(jié)點(diǎn)去模擬一個(gè)基于WFD 的自組織網(wǎng)絡(luò),使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)目足夠去模擬一些現(xiàn)實(shí)生活的例子,例如聚會(huì)、會(huì)議和一些小型的公共場(chǎng)所等.圖4 中顯示的是組大小為5 的情況,WFD 通信組的組大小范圍是2～15 個(gè)[3].在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),會(huì)對(duì)不同組大小的WFD 通信組進(jìn)行性能測(cè)試.WFD 建立在IEEE 802.11協(xié)議的基礎(chǔ)上,采用半雙工模型工作.由于采用了避免沖突的載波感知多址(carrier sense multiple access with collision avoidance,簡(jiǎn)稱(chēng)CSMA/CA)的工作機(jī)制,因此存在一個(gè)間隔時(shí)間段Inter-Frame Space(IFS)來(lái)避免沖突.因此,一個(gè)組中進(jìn)行通信的設(shè)備越多,設(shè)備等待的時(shí)間就越多.更多的等待時(shí)間延長(zhǎng)了設(shè)備工作的時(shí)間,不斷地監(jiān)聽(tīng)信道導(dǎo)致了更多的能源消耗.此外,由于這段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,同時(shí)也導(dǎo)致了更低的吞吐量.其次,由于帶寬是有限的,在一個(gè)組中越多的設(shè)備將導(dǎo)致分配的帶寬更小,甚至有些設(shè)備由于競(jìng)爭(zhēng)帶寬的失敗而失去連接.最后,設(shè)備的處理能力是有限的.當(dāng)組主設(shè)備在運(yùn)行時(shí),組越大,負(fù)載越大,對(duì)性能的影響也越大.這些說(shuō)明了組大小是直接影響整體性能的關(guān)鍵參數(shù).因此,本文會(huì)通過(guò)分析不同組大小的網(wǎng)絡(luò)性能,選擇最佳的組大小.

3.2 功率調(diào)控

本文使用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型來(lái)計(jì)算設(shè)備之間的發(fā)射功率.對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型是室內(nèi)傳播模型常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?其計(jì)算公式如下.

其中,L是傳播過(guò)程中的路徑損耗;L0是在參考距離d0下的路徑損耗,通常使用Friis 路徑損耗模型進(jìn)行計(jì)算;d0是參考距離,單位是m;n是衰減參數(shù),通常依賴(lài)于周?chē)h(huán)境和建筑物的類(lèi)型;d是設(shè)備之間的實(shí)際距離,單位是m.

在使用式(1)之前,本文需要先計(jì)算L0.使用到的Friis 自由空間傳播模型公式如式(2)所示.

其中,Pt是發(fā)送功率,Pr是接收功率,Gt是發(fā)送增益,Gr是接收增益,λ是波長(zhǎng),d是設(shè)備之間的通信距離.根據(jù)路徑損耗與Pr和Pt的關(guān)系,有:

將式(3)代入式(2),就有:

將式(4)中的距離d設(shè)置為參考距離d0,即得到L0.在本文中,本文將發(fā)送增益Gt設(shè)置為1dB,接收增益Gr設(shè)置為?10dB.這些值是智能手機(jī)中典型的Wi-Fi 天線的設(shè)置[28].在NS-3 模擬器中使用802.11g 協(xié)議,工作在2.4GHz以下,因此λ的值設(shè)置為0.125m,參考距離設(shè)置為1m.把以上的數(shù)值帶入式(4),即可得到=30.05dBm.這個(gè)損耗將作為參考損耗被用在對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型的計(jì)算中.將L0帶入到式(1)中,得到:

其接收功率Pr、發(fā)送功率Pt與路徑上的傳播損耗關(guān)系如式(6)所示.

本文將接收功率設(shè)置為?75dBm[25],這是一個(gè)最低的功率值,保證了無(wú)線設(shè)備之間有一個(gè)良好的連接.然后將衰減參數(shù)n和參考距離d0分別設(shè)置為3 和1,這是NS-3 中得默認(rèn)值.最后將這些參數(shù)以及式(5)帶入到式(6)就能得到最終的功率計(jì)算公式:

通過(guò)式(7)就可以計(jì)算任意距離d下的路徑損耗.在式(7)下,其發(fā)射功率和距離的關(guān)系如圖5 所示.

Fig.5 Distance and TxPower圖5 距離與發(fā)射功率

3.3 切換機(jī)制

在切換機(jī)制中包含了組主與組員之間的切換機(jī)制和組間不同組員的切換機(jī)制:前者是為了平衡組主的能量消耗;而后者是讓組員通過(guò)切換到一個(gè)更近的組主,減少發(fā)射功率從而降低能量消耗.

A.組主切換機(jī)制

在第2 節(jié)的WiFi Direct 電量消耗的第2 個(gè)測(cè)試中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,組主的消耗一直高于組員,并且設(shè)備的數(shù)量越多,組主的消耗就越大.所以擔(dān)任組主的設(shè)備在擔(dān)任一定時(shí)間以后需要進(jìn)行切換,盡量降低該設(shè)備的消耗.文獻(xiàn)[20]對(duì)設(shè)備的能耗和網(wǎng)絡(luò)的效率進(jìn)行了研究,提出了每10min 進(jìn)行一次設(shè)備切換,這個(gè)時(shí)間段被證實(shí)是平衡能耗和效率的最佳值.因此在本文中,組主每10min 切換一次,其過(guò)程如圖6 所示.

Fig.6 Switching process of group owner圖6 組主切換過(guò)程

組主切換觸發(fā),每組的組員進(jìn)行能耗排名,從能耗消耗最低的組員開(kāi)始選擇.如果該組員愿意成為組主,那么該組員將成為新的組主;如果該組員不愿意充當(dāng)組主以避免消耗過(guò)多的能耗,則自動(dòng)選擇下一個(gè)組員進(jìn)行判斷;如果所有組員設(shè)備都不愿意充當(dāng)組主,那么原有的組主將繼續(xù)擔(dān)任組主.當(dāng)所有新組主被選出以后,廣播給其他所有的非組主設(shè)備,其他設(shè)備根據(jù)距離通過(guò)搶占的方式,加入距離自己最近的組主.

在確定新組主時(shí),如圖6 所示,組員可能愿意成為新組主,也可能不愿意.這涉及到博弈.此外,每個(gè)組員都有獨(dú)立的選擇,且組員的選擇會(huì)影響最終的結(jié)果.因此,新組主的選擇過(guò)程是一個(gè)NP-Hard 問(wèn)題.

問(wèn)題1.在組主切換過(guò)程中,新組主的選擇是一個(gè)NP-Hard 問(wèn)題.

證明,假設(shè)擁有N個(gè)容量為C的盒子,M個(gè)大小為s的小球,且s

在本文中,將采用納什平衡(Nash equilibrium,簡(jiǎn)稱(chēng)NS)來(lái)解決上述的NP-Hard 問(wèn)題.假設(shè)設(shè)備總數(shù)為N,有設(shè)備的意愿策略組an={a1,a2,…,an}∪N,an的初值為1,且表示為

意愿策略組即設(shè)備是否想成為組主的意愿值集合.每個(gè)組員都有兩個(gè)意愿決策值進(jìn)行選擇,且每個(gè)組員的意愿決策值都初始化為1.當(dāng)組主切換發(fā)生之后,所有的組員節(jié)點(diǎn)按照能耗水平進(jìn)行排名,從能耗最低的設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行判斷.如果此時(shí)an的值為1,則當(dāng)前設(shè)備愿意成為組主,且an的值設(shè)為0;如果此時(shí)an的值為0,該設(shè)備不愿成為組主,將此時(shí)an的值設(shè)為1,并跳過(guò)當(dāng)前的設(shè)備.在最壞的情況下,設(shè)備都不愿意成為組主,即an的值都是0.但是通過(guò)納什平衡,它們的值被設(shè)置為1.在下一次的組主切換中,它們都希望成為新的組主.通過(guò)納什平衡設(shè)置兩個(gè)意愿決策值,尋找到了NP-Hard 的局部解來(lái)解決問(wèn)題1.

B.組主切換機(jī)制

組員切換中,沒(méi)有10min 的限制,組員的切換是實(shí)時(shí)的.組員通過(guò)切換到一個(gè)較近的組主,更近的通信距離有效地降低了組主和組員的發(fā)射功率,從而降低了功率消耗.然而,如果組員感知到更近的組主就進(jìn)行切換,頻繁的切換會(huì)極大地影響網(wǎng)絡(luò)性能.此外,因?yàn)槊總€(gè)組主所連接的設(shè)備數(shù)量有限,這種行為也會(huì)導(dǎo)致其他設(shè)備不得不選擇更遠(yuǎn)的設(shè)備,導(dǎo)致更高的能耗.

如圖7 所示,在切換之后,組員12、組員6 和組主1 距離較近,加入了組主1,從而導(dǎo)致組員2 和組員4 不得不選擇較遠(yuǎn)的組主.因此,在本文中提出了一個(gè)切換概率Pswitch來(lái)控制組主節(jié)點(diǎn)是否切換到另外一個(gè)可用的網(wǎng)絡(luò).Pswitch有4 個(gè)參數(shù),如式(9)所示.

其中,d是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離,d0是最大切換距離,N是當(dāng)前組的設(shè)備數(shù)量,α是指數(shù)控制因子.在本文中,所有的節(jié)點(diǎn)分布在半徑為100m 的圓形區(qū)域內(nèi),因此將d0設(shè)置為100m.當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離大于100m 后,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)切換選擇到一個(gè)更近的可用網(wǎng)絡(luò),此時(shí)概率Pswitch公式如下:

本文在仿真實(shí)驗(yàn)中采用不同的指數(shù)控制因子α,并根據(jù)能耗以及吞吐量選擇最佳的指數(shù)控制因子α.

Fig.7 Uncontrolled switching圖7 無(wú)控制的切換

3.4 調(diào)度算法

本文中一共使用了4 種調(diào)度算法,其中,第1 種算法(算法1)負(fù)責(zé)調(diào)度其他3 種算法.第1 種算法初始化以后,循環(huán)激活提出的節(jié)能機(jī)制,如算法1 所示.

在算法1 中,使用loopInRuntime作為算法1 的函數(shù)名.它擁有3 個(gè)參數(shù)——GONodeSet、GMNodeSet和RunTime:GONodeSet是組主節(jié)點(diǎn)的集合;GMNodeSet是一個(gè)二維數(shù)組,第1 列是組主節(jié)點(diǎn),后面跟的是這些組主節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的組員節(jié)點(diǎn),這兩個(gè)同樣是全局變量;RunTime代表已經(jīng)運(yùn)行的時(shí)間.在NS-3 模擬器中,使用GetSeconds(?)函數(shù)去獲取當(dāng)前的時(shí)間,并賦予給CurrentTime進(jìn)行判斷哪一部分需要去調(diào)用.在算法開(kāi)始階段,將RunTime的時(shí)間初始化給TempTime.如果是第1 次運(yùn)行,那么RunTime的時(shí)間為0;如果不是第1 次,那么它會(huì)繼承上一次的運(yùn)行時(shí)間.如果CurrentTime和TempTime的差值大于 600s(每 10min 切換一次),就調(diào)用NetConfiguration(算法4),并將CurrentTime的時(shí)間賦予給TempTime作為新時(shí)間點(diǎn),用于下次調(diào)用時(shí)RunTime的初始化;如果差值小于600s,則調(diào)用每個(gè)組的組主和他們的組員節(jié)點(diǎn)到NodeSwitch中(算法3)去決定是否進(jìn)行組員切換.nodeArray是一個(gè)臨時(shí)數(shù)組,用來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)組主的所有組員節(jié)點(diǎn),它用來(lái)調(diào)用SetNewPower(算法2).Schedule是一個(gè)調(diào)度函數(shù),有3 個(gè)參數(shù).它根據(jù)第1 個(gè)參數(shù)的時(shí)間延遲調(diào)度第2 個(gè)參數(shù),第2 個(gè)參數(shù)在本文中是算法1 本身.第3 個(gè)參數(shù)this代表了算法1 的3 個(gè)參數(shù):GONodeSet,GMNodeSet和TempTime.GONodeSet和GMNodeSet會(huì)被更新,然后,TempTime會(huì)在下一個(gè)loopInRuntime中作為RunTime.

第2 種算法,根據(jù)距離設(shè)置發(fā)射功率,如算法2 所示.

在算法2 中,使用SetNewPower作為算法2 的函數(shù)名,它有兩個(gè)參數(shù):GONode和nodeArray.GONode是一個(gè)組主節(jié)點(diǎn),而nodeArray是該組主節(jié)點(diǎn)的組員集合.它們用來(lái)計(jì)算當(dāng)前的組主與組員的距離,并設(shè)置相應(yīng)的發(fā)射功率.函數(shù)CalculateDistance用來(lái)計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離,然后,CalculatePower根據(jù)CalculateDistance的結(jié)果計(jì)算相應(yīng)的發(fā)射功率,其計(jì)算公式使用的是式(7).在算法開(kāi)始時(shí),初始化3 個(gè)變量:tempPower,finalPower和distance.依次計(jì)算nodeArray的每個(gè)組員與組主的距離,結(jié)果為distance.并計(jì)算相應(yīng)的發(fā)射功率,計(jì)算出的發(fā)射功率為tempPower,賦予對(duì)應(yīng)的組員,使用SetPower函數(shù).此時(shí),將tempPower與finalPower比較:如果tempPower較大,則將tempPower的值賦予給finalPower.當(dāng)所有組員的功率設(shè)置完畢以后,此時(shí)finalPower是組員中最大的發(fā)射功率,將finalPower賦予給組主節(jié)點(diǎn).

第3 種算法,控制組員節(jié)點(diǎn)切換,如算法3 所示.

在算法3 中,使用NodeSwitch作為算法3 的函數(shù)名.他擁有兩個(gè)參數(shù):GONode和GMNode.GONode是一個(gè)組主節(jié)點(diǎn),GMNode是一個(gè)它的組員節(jié)點(diǎn).他們被算法1 和算法4 調(diào)度.算法3 是用來(lái)控制組員節(jié)點(diǎn)是否切換到其他更近的可用網(wǎng)絡(luò),屬于組員切換.在算法開(kāi)始時(shí),初始化3 個(gè)變量:距離distance初始化為0,切換標(biāo)志Switching設(shè)置初始化為False,初始化臨時(shí)的組主數(shù)組TempGONodeArray.首先,通過(guò)函數(shù)CalculateDistance計(jì)算組主和組員的距離,將結(jié)果賦予distance;然后,將distance帶入JudgeSwitch,該函數(shù)是用來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)行切換,其計(jì)算公式是式(10).函數(shù)JudegeSwitch的結(jié)果賦給切換變量Switching,如果Switching的值是True,則代表當(dāng)前的組員節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行切換,離開(kāi)當(dāng)前組,并且更新當(dāng)前組主的組員節(jié)點(diǎn)數(shù)組以及當(dāng)前的組大小.需要注意的是,每個(gè)組的組大小也是作為一個(gè)全局變量.隨后離開(kāi)的節(jié)點(diǎn)搜索任何可以切換的組主,并將其加入到TempGONodeArray中,隨后選擇一個(gè)最近的組主加入.在切換完成以后,隨即更新整個(gè)GMNodeSet和每個(gè)組的組大小.雖然組員在第4 步的時(shí)候就宣布離開(kāi)了組主,但為了盡量降低硬切換導(dǎo)致的斷開(kāi)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的極大影響,組員實(shí)際上還是留在組中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,當(dāng)前的聲明只是為了給其他想切換的組員提供切換的空間.當(dāng)其他組員加入后,當(dāng)前的宣布離開(kāi)的組員才會(huì)真正地離開(kāi),或者等整個(gè)切換機(jī)制即第9 步完成以后,真正地離開(kāi)當(dāng)前組.

第4 種算法,組主切換如算法4 所示.

在算法4 中,使用NetConfiguration作為算法4 的函數(shù)名.它擁有兩個(gè)參數(shù):GONodeSet和GMNodeSet.算法4 每10min 被調(diào)用一次.當(dāng)被調(diào)用以后,為每一組選擇下一任組主,該算法是作為組主切換.當(dāng)被調(diào)用時(shí),初始化一個(gè)臨時(shí)的組主數(shù)組TempGONodeSet,并把目前的組主序列GONodeSet賦予TempGONodeSet.隨后,算法重置GONodeSet的序列為空,然后開(kāi)始將每組的組員消耗開(kāi)始進(jìn)行排列.從TempGONodeSet的第1 個(gè)組主開(kāi)始,首先從各自的組員中選擇消耗最低的組員.如果選擇的組員想成為新組主,開(kāi)始更新組主、組員列表以及組大小,隨后從當(dāng)前組的循環(huán)跳出,開(kāi)始下一個(gè)組的循環(huán).如果當(dāng)前被選擇的組員不愿意作為新組主,則選擇下一個(gè)成員.當(dāng)所有的新組主被選擇完畢以后,從新組主的第1 個(gè)組主開(kāi)始,剩下的組員中選擇是否加入當(dāng)前組主,每次選擇完成以后,都需要更新所有的數(shù)組以及組大小.

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為了清楚地觀察到不同組大小下的性能差異,節(jié)點(diǎn)被直接按照組大小分為若干個(gè)組,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可能會(huì)出現(xiàn)不同組大小的現(xiàn)象.例如,當(dāng)組大小為6 時(shí),有8 個(gè)組大小為6 的組,有一個(gè)組大小為2 的組.因此,進(jìn)行性能評(píng)價(jià)時(shí),本文按照當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的平均組大小進(jìn)行評(píng)價(jià).運(yùn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),將運(yùn)行兩個(gè)實(shí)驗(yàn),分別是:a.禁用節(jié)能機(jī)制;和b.啟用節(jié)能機(jī)制.其中,禁用節(jié)能機(jī)制中將會(huì)作為對(duì)照組.除了禁用節(jié)能機(jī)制外,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中,除了發(fā)射功率,其他設(shè)置完全一樣.對(duì)于提出的節(jié)能機(jī)制,每10min 進(jìn)行一次組主切換,組員切換和功率調(diào)控則實(shí)時(shí)控制.在節(jié)能機(jī)制禁用時(shí),其發(fā)射功率被設(shè)置為20dBm,這是正常用戶使用時(shí)的默認(rèn)值[25].當(dāng)節(jié)能機(jī)制啟用并且組主切換發(fā)生時(shí),其發(fā)射功率也會(huì)被設(shè)置為20dBm.當(dāng)組主選擇完成以后,算法2 就會(huì)計(jì)算新的發(fā)射功率.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,共50 個(gè)節(jié)點(diǎn),其中,每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)組成一組數(shù)據(jù)發(fā)送/接收搭檔.一個(gè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)向另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),該過(guò)程持續(xù)1h.所有節(jié)點(diǎn)的接收功率將會(huì)被設(shè)置為?75dBm,這是設(shè)備之間保持一個(gè)良好連接的最低保障.

4.2 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示.所有節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)發(fā)射功率被設(shè)置為20dBm[25],20dBm 是設(shè)備正常發(fā)射時(shí)使用的功率.當(dāng)禁用節(jié)能機(jī)制時(shí),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,設(shè)備的發(fā)射功率保持默認(rèn)值不變,并持續(xù)到實(shí)驗(yàn)結(jié)束(運(yùn)行1h).因此,此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗通過(guò)計(jì)算為55.56dB.在組主切換期間,組主的發(fā)射功率也會(huì)保持為默認(rèn)發(fā)射功率,以確保覆蓋足夠多的設(shè)備.

Fig.8 Experimental results圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同組大小的能量消耗如圖8(a)所示,可以看到:當(dāng)切換指數(shù)因子α=0 時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗是最低的;并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量隨著指數(shù)α的增加而增加,兩者呈現(xiàn)一個(gè)正比的關(guān)系.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:根據(jù)本文所提出的切換機(jī)制,α越小,組員切換得就越頻繁,頻繁的切換就導(dǎo)致了組主和組員始終保持一個(gè)較小的距離,從而擁有一個(gè)較低的發(fā)射功率,降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的消耗;與此相對(duì)的是α越大,切換概率越低,WFD 通信組就越穩(wěn)定.由于設(shè)備具有移動(dòng)性,當(dāng)組主、組員距離增加時(shí),消耗增加.當(dāng)組大小為5 且α為0 時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最低的能量消耗,為41.70dB.相比于禁用節(jié)能機(jī)制,獲得了23.32%的能量增益.整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在組大小為2 且α=2 時(shí),獲得了最大的能量消耗,為45.14dB,此時(shí)也獲得了11.02%的能量增益.從圖8(a)中可以發(fā)現(xiàn),小規(guī)模的組通常比大規(guī)模的組擁有一個(gè)更高的能量消耗.例如,組大小為2,3 時(shí),要明顯高于組大小為9,10 等大規(guī)模的組.這是由于本文采用的網(wǎng)絡(luò)模型(如圖4 所示)在小規(guī)模組中,大部分的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)組主(AP),而少量的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)組員.如圖9 所示,網(wǎng)絡(luò)中一共有9 個(gè)設(shè)備,組大小為2 的情況時(shí),只有一個(gè)組員,其余的設(shè)備都作為組主存在;在組大小為5 的情況時(shí),組主數(shù)量明顯減少,組員數(shù)量大量地增加.由于組主負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的跨組傳輸,不斷地跨組通信、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)致能量消耗較高.且組主為了保證所有的組員擁有一個(gè)良好的連接,都處于大功率的狀態(tài)(由于移動(dòng)性,組員和組主的距離可能會(huì)隨著移動(dòng)方向的不同逐漸增加).因此在小規(guī)模組的情況下,龐大的組主數(shù)量導(dǎo)致了更高的能量消耗.隨著組大小的增加,組主數(shù)量的減少,充當(dāng)組員的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多,組內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送比例增加.因此,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗開(kāi)始降低.

Fig.9 Devices in different group sizes圖9 不同組大小的設(shè)備情況

組主和組員的平均發(fā)射功率如圖8(b)所示,對(duì)于所有的指數(shù)因子α,他們得到的結(jié)果都展示了相同的趨勢(shì).因此,本文中選擇參數(shù)因子等于1/3 的情況作為實(shí)例.圖8(b)中展示了不同角色之間的平均發(fā)射功率,以及組主和組員兩個(gè)角色與所有節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率的對(duì)比.從整體上來(lái)看:組主的發(fā)射功率要比組員的發(fā)射功率要高,并且它也隨著組大小的增加而增加.這意味著在整個(gè)過(guò)程中,組主的能量消耗一直高于組員的能量消耗,并且組大小越大,能量消耗越高.這一點(diǎn)與在真機(jī)實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論一致.

圖8(c)表明了本文所提出的節(jié)能機(jī)制能夠有效地平衡組主的效率,降低了組主的消耗.本文提出的節(jié)能機(jī)制的另外一個(gè)目的是平衡組主的能量消耗.在這一部分中,本文選擇了組大小為12,且參數(shù)因子為1/3 時(shí)作為示例.這個(gè)例子同時(shí)也代表了在大規(guī)模組中擁有高切換靈活性的例子.圖8(c)中記錄了3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率,它們都是作為組主節(jié)點(diǎn).組主切換每10min(600s)發(fā)生一次,因此,它們的平均發(fā)射功率大于或者等于所有組主的平均發(fā)射功率.在第1 次組主切換發(fā)生以后,它們不再擔(dān)任組主,它們的平均發(fā)射功率開(kāi)始下降,并且與組員的平均發(fā)射功率處于相同的水平上.需要注意的是:曾經(jīng)擔(dān)任組主2 的節(jié)點(diǎn)2,此時(shí)仍然具有很高的發(fā)射功率.這是因?yàn)樗辉贀?dān)任組主后,此時(shí)也離新的組主較遠(yuǎn),并且暫時(shí)沒(méi)有任何較近的可切換的網(wǎng)絡(luò)供它切換,因此它保持一個(gè)較高的發(fā)射功率.在2 400s 之后,它的發(fā)射功率也開(kāi)始下降,意味著它的能量消耗也開(kāi)始下降.

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)獲得的吞吐量如圖8(d)所示.在圖8(d)中,吞吐量分為兩個(gè)部分:第1 個(gè)部分是禁用節(jié)能機(jī)制時(shí)獲得的吞吐量;第2 個(gè)部分則是啟用節(jié)能機(jī)制,在不同的指數(shù)因子α下獲得的吞吐量情況.從整體上來(lái)看,禁用節(jié)能機(jī)制時(shí)獲得的吞吐量都高于啟用節(jié)能機(jī)制時(shí)獲得的吞吐量.禁止節(jié)能機(jī)制并且組大小為2 時(shí),獲得最高的吞吐量為48.58Mb/s.當(dāng)啟用節(jié)能機(jī)制時(shí),吞吐量隨著指數(shù)因子α值的增加而增加,兩者呈一個(gè)正比的關(guān)系.造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是:由于本文提出的切換公式中,α的值越大,網(wǎng)絡(luò)的切換概率就越低,因此網(wǎng)絡(luò)就可以保持一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的傳輸,獲得較高的吞吐量.當(dāng)節(jié)能機(jī)制啟用時(shí),本文在組大小為2 且α=1 時(shí)獲得最高的吞吐量,為47.61Mb/s.與此同時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗為44.82dB.意味著本文提出的節(jié)能機(jī)制能在獲得11.86%的能量增益的同時(shí),獲得大約2%的吞吐量損失.除此之外,同樣在組大小為2 的情況下,在α=0 時(shí)獲得最佳的節(jié)能效果,為44.4dB.此時(shí)的吞吐量為45.92Mb/s,獲得14.35%的能量增益,但是伴隨著5.48%的吞吐量損失.從圖8(d)中可以看出,吞吐量隨著組大小的增加而快速降低.當(dāng)組大小很小時(shí),一個(gè)組里面的設(shè)備碰撞概率就大大降低,并且在小規(guī)模的WFD 通信組內(nèi),有很多節(jié)點(diǎn)擔(dān)任組主角色來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā).然而隨著組大小的增大,組主隨著組員的數(shù)量的增加而急劇減少.例如,在組大小為2 時(shí),有49 個(gè)組主;當(dāng)組大小為3 時(shí),有18 個(gè)組主;當(dāng)組大小為5 時(shí),只有10 個(gè)組主.組大小越大,組主數(shù)量越少,這意味著只發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加,越來(lái)越少的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā).由于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理能力有限,當(dāng)大量的數(shù)據(jù)涌入時(shí),會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的擁擠和吞吐量的下降.并且在大規(guī)模的組里面,碰撞的概率大大增加,就會(huì)增加更多的IFS 時(shí)間去避免碰撞,也會(huì)造成吞吐量的下降.當(dāng)組大小大于8 時(shí),吞吐量有輕微的上漲.這是由于相比于前面幾個(gè)組,當(dāng)組大小大于8 時(shí),組主和組員的比例差距明顯.組內(nèi)通信的增加,組間通信的減少.

4.3 指數(shù)因子

組大小和指數(shù)因子α共同決定了切換的靈活性.越小的組大小和切換指數(shù)因子α,切換的概率越大,網(wǎng)絡(luò)的靈活性就越強(qiáng);與之相反,越大的組大小和切換指數(shù)因子α則會(huì)導(dǎo)致切換的概率越小,網(wǎng)絡(luò)就越穩(wěn)定.然而,頻繁的切換會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,但長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定傳輸又會(huì)造成過(guò)高的能量消耗.因此,在吞吐量和能量消耗之間需要做出一個(gè)權(quán)衡的選擇.當(dāng)面對(duì)實(shí)際情況時(shí),應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)合適的指數(shù)因子α來(lái)權(quán)衡吞吐量和能量消耗.

在本文中提出一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)選擇一個(gè)適合的α,其評(píng)價(jià)公式如式(11)所示.

在式(11)中,將評(píng)價(jià)公式分為a和b兩個(gè)部分,a和b代表了不同的側(cè)重比例;a代表能量增益的分?jǐn)?shù),而b則代表獲得的吞吐量分?jǐn)?shù),其中,a+b=100.通過(guò)a和b的不同比例下的分?jǐn)?shù)來(lái)獲得合適的指數(shù)因子α.在a部分中,TxPower代表了當(dāng)節(jié)能機(jī)制啟用時(shí),所有節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率.發(fā)射功率越小,獲得的能量增益越高,則分?jǐn)?shù)越高.在b部分中,T代表了在啟用節(jié)能機(jī)制時(shí)獲得的吞吐量,而Tdisable則代表了禁用節(jié)能機(jī)制時(shí)獲得的吞吐量.啟用節(jié)能機(jī)制時(shí)獲得的吞吐量的值越大,代表了損失的吞吐量越低,則獲得的分?jǐn)?shù)越高.當(dāng)只考慮節(jié)能效果時(shí),α的值應(yīng)該設(shè)置為0.此時(shí)的組員切換效率最高,能量增益效果最好.當(dāng)只考慮吞吐量時(shí),α的值應(yīng)該設(shè)置為2.此時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性最高,獲得的吞吐量最高,但是能量消耗最高.除去這兩種極端的情況,本文考慮了3 種比例:側(cè)重于節(jié)能(70:30)、平衡(50:50)、側(cè)重于吞吐量(30:70).不同比例下的不同指數(shù)因子下的情況如圖10 所示.

Fig.10 Experiment results at different ratio for different α圖10 不同比例下的不同指數(shù)因子α的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖10 中,雖然組大小為2 時(shí)擁有最高的吞吐量,但是根據(jù)評(píng)價(jià)公式,它并沒(méi)有最高的性能分?jǐn)?shù).圖中的結(jié)果意味著:當(dāng)涉及到輕量級(jí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景中,WFD 通信組的組大小設(shè)置擁有更多的選項(xiàng).當(dāng)側(cè)重于節(jié)能效果時(shí),指數(shù)因子α的值通常都偏小,大部分的組在α小于等于2/3 時(shí)取得較高的分?jǐn)?shù).而當(dāng)處于平衡狀態(tài)時(shí),組大小偏小時(shí),則指數(shù)因子α的取值較大;組大小偏大時(shí),指數(shù)因子α的取值較小.當(dāng)偏重于吞吐量時(shí),大部分組的取值都大于1,少部分的組的取值較小.組與組之間的最佳指數(shù)因子都不盡相同,并且在部分組中以及不同的側(cè)重下,其最佳值也不一樣.因此,面對(duì)實(shí)際的情況時(shí),應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的需求選擇一個(gè)合適的指數(shù)因子.

4.4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

在這一節(jié)中,本文在NS-3 模擬器中對(duì)提出的節(jié)能機(jī)制進(jìn)行仿真,并和沒(méi)有啟用節(jié)能機(jī)制時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.此外,本文也討論了不同組大小時(shí)的性能,并設(shè)置了不同的指數(shù)因子α.最后,提出了一個(gè)公式用以評(píng)價(jià)不同的指數(shù)因子α.其實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下.

1)提出的節(jié)能機(jī)制能夠在數(shù)據(jù)傳輸時(shí),有效地降低能耗.能夠在獲得11.86%的能耗增益的同時(shí),只損失2%的吞吐量(組大小為2,且α=1).

2)從圖8(b)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,組主的功耗要高于組員.這與真機(jī)WFD 測(cè)試的結(jié)論一致.兩者相互驗(yàn)證.

3)從圖8(c)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,提出的節(jié)能機(jī)制能夠有效地平衡組主的功耗.

4)在指數(shù)評(píng)價(jià)中,本文設(shè)置了不同的側(cè)重(應(yīng)用場(chǎng)景),用以測(cè)試不同指數(shù)因子的性能表現(xiàn).在同一側(cè)重下,規(guī)模越小的組,最佳的指數(shù)因子越大;規(guī)模越大的組,最佳的指數(shù)因子最小.這是由于越小的組越希望穩(wěn)定,而較大的組則希望更頻繁的切換;其次,不同組、不同側(cè)重下的最佳指數(shù)因子都不相同.這說(shuō)明當(dāng)該機(jī)制實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、能耗和吞吐量期望等情況進(jìn)行權(quán)衡,以找到最適合的指數(shù)因子.同時(shí),也反映了通過(guò)設(shè)置不同的指數(shù)因子,提出的節(jié)能機(jī)制有很強(qiáng)的適應(yīng)性.

5 總結(jié)

WFD 能夠帶來(lái)高速的數(shù)據(jù)傳輸速率,但是也帶來(lái)了高能耗的問(wèn)題.此外,本文在安卓上對(duì)WFD 通信組進(jìn)行了一系列的能耗測(cè)試,結(jié)果顯示,組主的能耗要高于組員.針對(duì)上述的問(wèn)題,本文提出一種基于功率調(diào)控的WFD節(jié)能優(yōu)化機(jī)制,用于降低設(shè)備使用WFD 傳輸數(shù)據(jù)的能量消耗;同時(shí),加入切換機(jī)制平衡組主的能耗.提出的節(jié)能機(jī)制也能夠作為WFD 原有的節(jié)能機(jī)制的補(bǔ)充.本文探索不同的參數(shù)組合,選擇合適的組大小和參數(shù)α來(lái)優(yōu)化能耗和吞吐量.仿真結(jié)果表明,該機(jī)制能夠優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗,并能有效平衡組主的能耗.

在未來(lái)的工作中,可以利用無(wú)線充電技術(shù)[29,30]對(duì)所提出的機(jī)制進(jìn)行改進(jìn),提高D2D 設(shè)備的使用時(shí)間.此外,本文計(jì)劃在智能終端上推行及評(píng)估建議的節(jié)能機(jī)制.