节能下行传输中使用低功耗无线局域网唤醒收音机

文摘

的下行无线局域网,省电模式是一个典型的方法来降低功耗。然而,这通常会导致很大的延迟。最近,通过低功耗唤醒远程唤醒控制无线电(WuR)引入了立即激活节点收到的数据包从一个接入点(AP)。但链接质量不是考虑每个节点的唤醒和协议开销比较大。要解决这些问题,本文提出了一种基于广播唤醒控制框架,和一个低功耗WuR用于接收来自美联社的交通指示图,监控链路质量和执行载波监听。数据包的节点之间的缓冲在美联社,只有那些信噪比阈值以上将被激活,通过适当的竞争竞争窗口接收数据包从美联社。最佳信噪比阈值,通过理论分析推导出,有助于减少传输碰撞和虚假唤醒(唤醒延迟所致),提高传输速率。广泛的仿真证实了该方法(i)有效降低节点功耗与其他方法相比,(ii)延迟低于省电模式的交通,和(3)达到更高的吞吐量比其他方法在饱和状态。

1。介绍

无线局域网(WLAN) [1)发挥着越来越重要的作用在卸载移动蜂窝网络的流量不断增加。下行流量是大多数无线局域网,其传输通常面临着两个问题。(我)一个是能源浪费由于闲置等待。因为一个数据包的到达时间提前不知道,每个节点的无线局域网模块必须保持清醒,立即收到任何包。这个常数清醒模式会导致能源浪费。省电模式(1)(和自适应PSM (2)是一个典型的方法来降低功耗。在这种方法中,无线局域网的节点模块定期醒来收到美联社(访问点)与交通信号灯塔,如果数据包到达时,他们保持清醒来接收这些包。然而,在这种频宽比模式(3),节省更多的权力需要更长一段,这通常会导致更大的延迟。(2)第二个低透射率甚至包丢失是由于多径衰落。这是因为一个美联社没有信道状态信息(CSI)对其节点。

至于(i),有许多远程唤醒控制研究[4,5]。的基本思想是使每个节点的低功耗唤醒无线电(WuR),这始终是积极接受唤醒请求(6- - - - - -8]。然后,耗电的部分节点被放入睡眠和远程激活。这是首次研究了传感器网络(9- - - - - -11]。在传感器网络,因为几乎没有交通,大多数现有的工作采取了宽松WuR和传感器模块的集成。

最近,唤醒控制也应用于WLAN的想法。在简单的下行唤醒控制(12),AP唤醒消息传送(WuM)到一个特定的节点。WuR接收WuM匹配自己的地址激活其托管的WLAN模块需求。然而,这单播唤醒每个节点产生开销,和变速器可以在低利率甚至丢包发生在多路径衰落的存在。

至于(ii),许多努力一直致力于应用多用户调度提高传输速度,还有积极的研究在这个领域(13,14]。多路访问上行,许多节点认为访问共享信道传输美联社。性能取决于两个重要因素:(i)碰撞概率和(2)传输速率。因为每个节点独立经历衰退,通过限制竞争节点链接质量高,平均可以提高传输速率和碰撞概率可以减少。有一些方法建议割缝阿罗哈(15,16)和CSMA网络(17]。这也是应用于下行传输通过让每个节点认为启动接收来自美联社,基于他们的链接质量(18]。但WLAN模块保持清醒监控频道不断获得新的CSI,导致能源浪费。

与之前的作品相比,分别解决上面的问题,在这个工作中,我们共同努力解决这些问题,应用多用户调度提高传输速度,同时减少唤醒的协议开销控制和监测通道的能量开销,通过使用低功耗WuR。为此,我们提出一个新的框架,基于广播唤醒控制。在这个框架中,AP定期广播的WLAN模块WuM携带交通指示图(TIM) [1),由书(On-Off-Keying)调制的OFDM信号的包络(19]。收到这个WuM包络检波在每个节点的低功耗WuR装备。WuR用于监控链路质量、执行载波监听,并激活其托管的WLAN模块通过分布式争用。

基于广播唤醒控制带来了新的问题。当两个以上节点认为,将会有碰撞和传播虚假唤醒。WLAN模块不能传输接收后立即唤醒指令从WuR唤醒延迟的存在。唤醒期间的一个节点,其他WuRs感觉通道空闲和错误的激活他们的WLAN模块,导致虚假唤醒(20.)和电力浪费。虚假唤醒的问题是因为倒扣计数器的初始值两个或两个以上WuRs差异小于唤醒周期的长度。这个问题在解决20.)通过调整竞争窗口,它使用更大成本的竞争窗口更空闲插槽。在这项工作,这个问题是通过设置解决信噪比(信噪比)阈值和应用的分布式调度唤醒控制和传输。这减少了传输碰撞。

本文的主要贡献三个方面如下:(1)一个新的框架基于广播唤醒控制使分布式唤醒调度。(2)基于广播唤醒控制减少协议开销和提高渠道效率而唤醒每个节点。(3)这三个问题,多径衰落、传输碰撞,和虚假唤醒,同时得到解决,通过设置一个合适的信噪比阈值。

最佳信噪比阈值是通过理论分析推导出。广泛的仿真验证该方法(i)有效降低节点功耗与其他方法相比,(ii)延迟低于省电模式的交通,和(3)实现更高的吞吐量比其他方法在饱和状态。

本文的其余部分组织如下:部分2介绍了拟议的框架,部分3由理论分析,给出了最优参数部分4显示了仿真评估的结果,最后一节5本文总结道。

2。该方法

该方法的框架如图1。在这个框架中,低功耗WuR被添加到每个节点激活其托管的WLAN模块。抑制功耗,WuR代替耗电WLAN模块用于监视通道并执行载波监听。为此,WuR股票相同的通道与WLAN传输模块和一个WuM WuR AP的WLAN模块。

2.1。唤醒模型

不同的方法可以用来传达从WLAN WuM模块(AP) non-WLAN WuR如下。(我)无线局域网信号的帧长度可以调节提供唤醒消息从WLAN模块(发射机)WuR [21- - - - - -23]。(2)无线局域网模块,时钟频率低,可以作为检测WuR WuM嵌入在WLAN的先兆信号(24]。(3)的书可以模拟调制传输的WuM调制OFDM信号的包络(19]。在这项工作中,我们采用(iii)因为WuR包络检波可以使用低功率消耗,和本书调制比帧长度调制效率更高。

WLAN的WuM放在信封WuR用包络检波信号检测。应该注意的是,模仿书灯都有自己的成本。例如,100 kbps的速度、传输与40位WuM需要0.4毫秒,导致大部分开销叫醒每个节点。减少协议开销,采用广播唤醒策略在这个工作,而不是让AP分别激活每个节点接收数据包。为此,每个WuM携带一个蒂姆,多个节点同时通知包可用性。然后,它是节点,美联社,而是认为启动数据接收(25]通过传输CTS(清除发送)框架美联社。这CTS告诉美联社,传输节点已经改变了从睡眠模式到主动模式。

每个WuM启动所有数据包的传输WuM表示。框架在每个数据帧控制领域有更多的数据标志(1],美联社通知一个节点是否仍为该节点接收任何数据(为了确保公平调度,AP清除更多的数据可以标记一个节点时,该节点分配的时间已经耗尽,尽管实际上仍然有数据包等待传输节点)。一个节点没有任何更多的数据会睡觉,之后通知美联社。

WuM序言一样一个WLAN的信号。因此,WuR可以估计信噪比/ RSSI WuM和在此基础上执行载波监听,竞争激活其托管的WLAN模块。如果多个节点同时醒来,他们的争论可能会导致冲突。减少碰撞,只有WuRs高信噪比高于阈值和数据包将参与这个竞争做好了准备。由于唤醒延迟,该频道不断的唤醒时间空闲节点刚刚赢得了信道争用。因此,其他WuRs感觉通道空闲和可能错误地激活他们的托管的WLAN模块(20.]。设置一个信噪比阈值有助于减少虚假唤醒。它需要通过适当的控制完全高信噪比的一个节点被激活,以免误唤醒和碰撞,提高传输速率。

在这里,归一化信噪比(18),而不是使用绝对的信噪比,它被定义为瞬时信噪比的比率平均的一个节点。使用归一化信噪比有助于确保比例公平调度节点之间有不同的品质在一个长期的联系。但是使用一个固定的信噪比阈值可能防止深衰落中的一个节点访问通道在短期内。为了缓解这个问题,信噪比阈值是适应竞争节点的数量。

的数量竞争节点可以接收数据包的变化随着时间的推移,信噪比阈值。美联社继续传输中的所有数据包到同一个节点突发模态,在帧间隔的sif(短帧间空间)。节点之间的切换显示空间的dif (DCF帧间空间,长于sif)。通过检查这个dif,可以更新竞争节点的数量。后来,在节3,最佳信噪比阈值获得的最新竞争节点的数量。通过这种方式,信噪比阈值随竞争节点的数量,这有助于缓解短期的公平问题。

链接质量动态变化,倒扣柜台后没有恢复每一个论点,但是每争用回合使用一个固定的竞争窗口初始化(CW)。

2.2。主要过程

该方法的主要过程描述如下:(1)AP定期广播WuM通过应用显得调制WLAN的包络信号,携带蒂姆指示数据包的可用性。(2)WuR措施RSSI接到WuM /信噪比,从这个WuM蒂姆,发现竞争节点的数量。然后,基于竞争节点的数量,每个WuR决定其信噪比阈值(基于一个表)。(3)如果有包准备及其归一化信噪比大于阈值,一个WuR发起倒扣计数器,一个随机的值从一个连续波,减少其倒扣计数器/空闲插槽。WuR立即醒来WLAN模块,当其倒扣计数器达到0。(4)一个激活WLAN模块执行载波监听了。如果通道仍然闲置,WLAN模块传送CTS启动接收来自美联社。否则,频道已经忙,这是一个错误的唤醒,WLAN模块再睡觉。(5)收到CTS帧从一个节点,美联社传送所有数据包的节点在破灭,相邻帧之间的sif,和通知的破裂通过清除更多的数据标志。(6)传输节点完成时,将会有一个空间dif,之后会认为启动其他节点接收来自美联社。dif的空间或更长时间表示的数量减少1竞争节点,和信噪比阈值更新。然后,程序步骤是重复的。

偶尔,所有剩余节点的信噪比(还没有收到他们的数据包)发生在低于指定的阈值。后dif,没有节点传输,信道仍然闲置,直到美联社重播新WuM恢复节点之间的争用。

碰撞发生在多个节点同时传输CTS。在这种情况下,美联社,未能获得预期的CTS,传递一个新的WuM重新同步的所有节点。

一个简单的例子如图2,WLAN由美联社和3节点。起初美联社发送WuM,表明有包准备好 , ,和 。在第一轮争用,归一化信噪比和高于阈值,WuRs和开始争夺渠道。WuR发生在启动与一个小的倒扣计数器值3和赢得竞争。激活它的WLAN模块发送的CTS帧进行接收和从美联社。与此同时,在唤醒(长度的时期) ,信道是空闲的,WuR减少它的补偿。恰好WLAN的模块也被激活,这是一个虚假的唤醒。为了减少功耗,错误地激活节点再次进入睡眠模式,和虚假唤醒的概率将通过调整控制信噪比阈值。dif空间表明前面的节点()已完成其接收和节点的数量减少了。频道重复访问,根据最新的信噪比阈值对应的剩余节点数还没有收到他们的数据包。

3所示。性能分析

在这里,我们分析该方法的性能,推导出最优参数。在分析中,我们使用以下符号:是连续波的值,是归一化信噪比与一个PDF(概率密度函数)和一个提供(累积分布函数) ,和信噪比阈值。在瑞利衰落的情况下,如果瞬时绝对节点的信噪比( )是和它的平均值 ,它的归一化信噪比, ,被定义为 , 和 所有节点都是相同的。

起床时间的长度, ,随设备和主要取决于高频振荡器的性能。根据(24),需要139μ年代从1/4时钟频率转换到完整的时钟频率和大约需要200年μ年代来生成一个稳定的载波频率在50 kHz的期望值MAX7032 (https://www.maximintegrated.com/en/products/comms/wireless-rf/MAX7032.html/)。在分析中,假定为唤醒延迟 μ年代,大约 槽与 μ年代。1列出主要的符号。

3.1。开槽争用的基本分析

在所有节点,有节点与包准备好(随着时间的变化)。这些节点的概率 的归一化信噪比超出阈值的节点 。

考虑到th争用窗口的位置,多个无线局域网模块可以同时激活,因为他们倒扣计数器是槽的第一次下降到0。应该注意的是,任何WuR的倒扣计数器达到0槽后立即槽,也错误地激活它的WLAN模块,因为没有节点传输唤醒。错误的激活节点放入又睡着了。

有三种可能的情况后每个信道争用。

(我)所有节点归一化信噪比低于和任何节点传输(图3(b)表示),它有一个概率 信道是空闲一段时间 然后,美联社重播WuM开始下一个焦点。

(2)一个节点传输没有任何碰撞(图3(c)表示)。这种情况如果一个节点选择最定时器值 ,有一个概率 和整体的成功概率 每一个成功的传输消耗的时间 和其平均= 和成功传输的数量每争用圆=

其他的 节点的剩余倒扣计数器达到0 槽,在随后的达到0槽将经历虚假唤醒。这相当于一个二项分布26)与 在 试用因此,节点的平均数量将虚假唤醒等于经验 错误的数量下些传输等于成功

(3)两个或两个以上的节点同时传输,导致碰撞(图3(d)表示)。会发生碰撞 节点选择相同的定时器值 ,有一个概率 碰撞导致通道浪费的时间 和其平均= 同时传输节点的数目等于碰撞 和其平均=

其他的 节点的剩余倒扣计数器达到0 槽,在随后的达到0槽将经历虚假唤醒。这相当于一个二项分布 在 试用因此,节点的平均数量将虚假唤醒等于经验 假些碰撞下的平均数量=

3.2。最优参数

每一轮的平均时间的加权和三个部分(空闲等待,成功的传播,和碰撞)如下: 平均传输速度是平均超过所有节点。传输速率(为th节点)从绝对的信噪比估计( )、基于香农容量和操作员代表了期望的计算。 每轮的平均能量 是一笔三个部分: 成功的传播, 碰撞, 因为假唤醒如下: 在哪里 计算从 成功传输的平均数量, 计算从 平均数量的节点参与碰撞,和 计算从 节点的平均数量出现虚假唤醒。

首先,能源效率,定义为总体比特数的比例平均传输时间和平均能量的产物,被认为是如下: 图4(一)显示了结果,这情节能源效率对归一化信噪比阈值()。能源效率,根据不同的竞争窗口大小(),几乎相同的峰值,这表明最大能源效率竞争窗口的大小不是很敏感。小争用窗口通常不能删除虚假唤醒,在这种情况下需要使用大的信噪比阈值,和信噪比范围狭窄。相比之下,使用相对较大的连续波有助于消除碰撞和虚假唤醒部分和一个较小的信噪比阈值可以使用。

一个问题是,平均传输速率 取决于每个链接绝对的信噪比,在分布式环境中很难获得。我们注意到信噪比阈值有助于提高传输速率和删除错误的唤醒。通过分别考虑两个项目 和 在(21),也就是说,保留和删除另一个,我们发现,减少虚假唤醒通常需要更高的信噪比阈值。

因此,我们选择删除 从(21),使用下面的能源效率的定义: 图4 (b)显示了能源效率 ,它有一个类似的趋势图4(一)。稍后会解释说,高信噪比阈值的概率会增加没有节点的信噪比高于阈值由于信道相干时间的限制。因此,低信噪比阈值是首选,竞争窗口选择一个相对较大的值,它是固定的 当有不少于5节点。然后,(22)用于计算最佳信噪比阈值。

4所示。绩效评估

在仿真评估,我们比较以下4种方法。首先是PSM模式(1不使用WuR]。WLAN模块定期接受蒂姆醒来,如果有任何包缓冲在美联社,保持清醒在整个时期灯塔。后仿真结果将表明,在这种方法中一个WLAN模块将消耗更多的电量比其他方法由于空闲等待。二是自适应PSM模式(PSMAdapt) (2没有WuR]。这是建立在PSM模式,但是一个节点收到所有数据包缓冲在美联社将立即进入睡眠模式。这有助于减少大部分的空闲等待PSM模式,虽然它会导致巨大的延迟因为数据包到达节点后睡觉之前不会收到下一个蒂姆时机。第三是唤醒每个节点(WuR)。美联社激活每个节点分别,没有提到他们的链接质量。第四是多用户调度的唤醒(WuRMUS),该方法。

我们建立了一个包级别模拟器在MATLAB环境中。我们考虑一个WLAN AP和变量的节点数(平均绝对信噪比= 20 dB)和评估其性能与不同交通设置。包到达遵循泊松过程。在评估中,我们将考虑四个指标:延迟,信道利用率(的时间百分比通道很忙,包括sif, dif,和补偿槽),每个节点功耗,和吞吐量。结果平均50分不同的种子。传输速率是由信噪比决定27]。采用IEEE 802.11和包长度是1000字节。主要参数如表所示2。在所有的方法中,投机取巧的聚合(包28)使用,所以多个数据包传输时间之前到达传播在一起如果他们可以聚合(约束,传输时间不会超过一个用于传输一个数据包时的最低速度)。

4.1。WuM时期的影响

在该方法中,WuM时期扮演重要的角色。我们评估该方法的性能在不同WuM时期,和结果如图所示5。意料之中的是,每个包的延迟增加WuM期(图5(一个))。图5 (b)表明,信道利用率降低WuM时期增加。这是因为一个大WuM时期增加了包的机会聚合和提高渠道效率。这将减少一个节点保持清醒的时间收到的数据包在美联社缓冲。因此,每个节点功耗降低随着WuM期增加,如图5 (c)。因为一个很小的WuM期间会增加开销和能量消耗而WuM期间会增加延迟很大,在下面,WuM时期选择10 ms。

4.2。在不同数量的节点

我们评估不同的方法的性能对WLAN的节点数量。在这个评估中,整体流量是固定的500包/ s和每个节点的流量会随着节点数的增加。因为包到达不同的时间,不同的节点的节点数量,包缓冲在美联社随时间变化。

图6(一)在不同的方法显示了每个包的延迟。WuRMUS位于PSM和WuR之间,PSMAdapt最大的延迟。在PSM,每个节点醒来/ TIM时间(时间= 200毫秒)和转移到睡眠状态如果没有包可用。任何数据包到达一个节点后立即睡觉将会出现一个很大的延迟。至于PSMAdapt,节点转移到睡眠模式更积极,从而导致更大的延迟。在WuRMUS,每个包的延迟与节点的数量增加。随着节点数的增加,更多的节点缓冲包并将参与传输调度。这时,一个更高的信噪比阈值将被选中。但不改变频道在很短的时间内(信道相干时间),没有节点的概率和信噪比高于指定的信噪比阈值增加,这就增加了延迟WuRMUS。每包延迟WuR几乎总是接近0,在更多的开销和能量消耗的成本。

图6 (b)用不同的方法显示了信道的利用率。信道利用率最高的WuR WuM由于其传播的每个节点。PSMAdapt信道利用率较低和PSM相比,与睡眠更激进的政策,因为更多的数据包在蒂姆缓冲时间,使更多的机会包聚合和减少开销。在WuRMUS,信道利用率降低随着节点数的增加,由于两个原因。(我)信噪比阈值与节点的数量增加,而在延迟的成本,增加了包的机会聚合。但WuRMUS比PSM通过使用一个较小的延迟较小WuM时期。(2)有更多的节点,多用户分集的效果变得更加明显,提高传输速率。

图6 (c)显示每个节点能耗。在PSM不出所料,功耗是最高的,因为每个节点,一旦检测有一个包可以收到据蒂姆包含在灯塔,将等到下一个宣布没有包仍然是灯塔。PSMAdapt使用更激进的省电模式有效降低了能耗和PSM相比,但功耗仍然几乎不变,因为一些节点未能捕获通道首先要保持清醒,等待其他节点接收完成。WuR WuRMUS,功耗降低随着节点数的增加,这是因为(i)的WLAN模块节点活动只有在收到包,和(2)的整体流量是固定的,每个节点的流量减少,每个节点的活动时间。每个节点WuRMUS进一步降低功耗与WuR相比,和它的范围从40%提高到43%。这是通过(i)提高传输速度,通过设定一个信噪比阈值和(2)增加数据包的机会聚合通过定期传送WuMs。

4.3。在不同交通量

接下来我们修复20节点的数目和调整整个交通调查延迟的变化、功耗和系统吞吐量。

图7(一)显示了每个包的延迟。随着整体交通的数量增加,平均延迟降低PSM。但延迟WuRMUS有不同的趋势。虽然整体节点的数目是固定的,有更多的流量,与缓冲包的节点数量的增加,信噪比阈值。然后,没有节点的信噪比的概率高于指定的信噪比阈值增加,这就增加了延迟WuRMUS。但延迟WuRMUS仍不到PSM。

图7 (b)显示每个节点功耗增加的流量。无论如何,在WuRMUS功耗一直是最低的。小流量时(≤300包/ s)的优越性WuRMUS WuR不是很明显。但是更多的流量,WuRMUS每节点,降低能耗35%到55%,相比之下,WuR。

图7 (c)表明吞吐量增长的总体流量和最终趋于恒定值在所有方法网络饱和烃。尽管WuR和WuRMUS有相对较大的开销在轻交通的时候,在饱和状态,许多数据包聚合和唤醒的开销控制不是很明显。因此,在饱和状态,WuR就是一点点的吞吐量低于PSM和PSMAdapt。WuRMUS比其他方法实现更高的吞吐量,因为它利用多用户调度提高传输速率。应该注意的是,WuRMUS并不意识到吞吐量节点之间的公平。相反,它确保了比例公平,有兴趣的读者可以参考(18为更多的细节。

总之,WuRMUS与其他方法相比的同时降低功耗。在轻交通的时候,WuRMUS也减少了延迟与PSM和PSMAdapt相比,减少信道利用率与WuR相比。在介质流量或许多节点,节点缓冲包的数量的增加,这就增加了信噪比阈值。但不改变通道完全随机信道相干时间的极限。因此,在WuRMUS,没有节点的信噪比的概率大于指定的信噪比的增加,导致大的延迟。如何解决这个问题是作为一个未来的工作。在交通拥挤的时候,叫醒的开销控制WuRMUS包聚合后不明显。相反,应用多用户调度有助于提高系统的吞吐量。

5。结论

本文研究在WLAN的下行传输调度使用唤醒无线电远程激活WLAN模块接收数据包。不要叫醒每个节点,我们提出了一个基于广播唤醒控制框架来减少开销,提高传输速度。这带来了新的问题,如传输碰撞和虚假的唤醒。这些问题得到解决,通过设置一个信噪比阈值。通过这种方式,该方法减少了传输碰撞和虚假唤醒和提高传输速度。仿真评估验证该方法(i)有效降低节点功耗与最先进的方法相比,(2)减少延迟和省电模式下的光流量相比,和(3)提高系统吞吐量与其他方法相比处于饱和状态。在未来,我们还将研究如何进一步减少延迟的方法。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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