短程合作的移动设备节能垂直交接

文摘

多个配置无线网络使用异构技术的可用性和当代的多路存取支持移动设备允许无线连接优化,通过垂直交接(VHO)操作。然而,这是在高能源消耗的移动设备由于本身的性质的一些相关操作。这项工作提出了利用短程合作集中的移动设备来提高能源效率的垂直切换操作。通过低能耗主动交换handover-related信息短程通信技术,像蓝牙,可以帮助消除昂贵的信号在需要VHO时的步骤。开发一个模型来捕获的平均能量消耗这种优化VHO方案的相关因素的封闭表达式。演示了模型的描述能力通过调查各种典型的使用场景,并通过仿真验证。结果表明,该方案具有性能优越在几个现实的使用场景考虑重要的相关因素,包括网络可用性、移动设备的局部密度,技术合作的范围。最后,本文探讨了成本效益权衡与短程相关合作协议。证明,协议可能是参数化,以便权衡成为近优化和维护成本负担得起的范围广泛的业务场景。

1。介绍

现代无线网络的特点是多个电台访问的可用性技术,如wi - fi (IEEE 802.11), 3 g / 4 g移动网络,和WiMAX (IEEE 802.16),重叠以及互补的覆盖区域。可用的访问机会,这种多样性的扩散移动设备配备多个无线接口,和即将出现的新一代(5 g)移动网络提供一个很好的机会无处不在,不间断连接。一个必要成分沿着这种方式是一种机制使移动节点(MNs)异构无线接入网络之间的无缝漫游,通常被称为垂直交接(VHO)。这种机制可以作为一个推动者的关键管理操作,如移动性管理和卸载。

存在已建立的标准,包括3 gpp [1)和IEEE 802.21 (2),指定multiradio流动性管理框架中实现VHOs与方式回归,即通过抽象行为隔离他们从底层的无线接入技术的细节。这些框架包括不同handover-related操作相关的方面,包括签发移交触发器,的确定候选人交接目标的网络列表,选择一个目标网络的候选人,和执行的交接(包括相关“簿记”操作)(见,例如,3])。

虽然能力VHOs无疑会导致整体的服务体验的增强,高代价的移动设备在能源消耗方面,因为相关的一些操作本质上是昂贵的。在当今世界battery-limited设备不间断可用性变得越来越重要,显然需要有一个更节能意识multiradio流动性管理框架。

记住上面的,本文旨在使节能垂直交接。为此,我们提出一种利用短程合作机制在移动设备的优化对提高能源效率VHO操作(部分3)。的核心思想是低能短程通信技术的使用,比如蓝牙配置MNs之间的周期性handover-related信息的交换。这些信息存储在缓存内存在每个MN和触发VHO使用一次。获得的位置信息有助于减少或完全消除昂贵VHO操作的数量,如扫描,有效地使整个VHO更有效率。

此外,我们开发一种性能模型捕捉短程合作的成本和收益,表达的平均能量消耗(部分4)。模型简明地封装了各种合作和handover-related参数如收音机链接条件交接的地方发生,网络加载条件的候选人网络,邻居在合作区域内的密度,他们将与每个候选网络的趋势,和短程通信技术的范围。这些都是重要的因素在考虑交接和模型管理包装简洁但描述性的封闭表达式,还考虑到合作成本。模型的描述能力进一步证明了考虑一些典型的使用场景和开发定制版本的建模结果每一个部分5)。专业的表达产生更多的了解各种参数的影响MNs的平均能量消耗。

我们验证建模结果通过仿真和执行一项研究探索相关参数的影响cooperation-assisted交接的性能计划采用模拟和模型,还涉及到一个比较与传统方法(部分6)。结果存在一些现实的场景cooperation-assisted计划被认为优于传统VHO方法。通过这些结果,我们发现影响cooperation-enabled机制的效率最重要的因素是平均网络负载,邻居在合作区域内的密度,和协会的偏好与特定的网络。进一步的结果提出了关于成本和收益的权衡源于短程合作协议。结果表明,有可能这权衡成为近优化,与剩下的成本负担得起的范围广泛的操作场景通过适当的参数化的协议。

在更实际的角度来看,本文还讨论了实现方面的短程合作机制(部分7),考虑到启用蓝牙和无线电台访问技术。

方面的相关工作,有几个作品采用短程合作作为优化的方法从不同的角度(例如,4- - - - - -9]),但作者的所知这是第一个试图利用这一概念域的VHO管理。VHO管理的背景下,最近的精神,本文的工作报告(10),地理位置信息是用于提高质量的经验。然而,(10)不涉及短程同行合作,不节能目标。关于本文的建模方面,这是第一次尝试综合建模与垂直交接机制相关的能源成本。唯一的其他工作承担部分相关性是(11),负责调查相关的能源需求VHOs的执行。然而,(11)地址只有传统回归框架和收益的基础上直接测量原型异构网络的实验。

提到这篇文章是一个大大扩展和增强版本的会议论文(12]。《华尔街日报》版本提供了几个新的贡献,包括典型的使用场景和讨论的正式治疗引起的额外的见解,成本/收益权衡的广泛调查与合作机制,和协议实现方面的考虑。

在下一节中,我们给出一个简短的概述与交接(MIH)操作及其相关的能源效率的瓶颈,为发展提供概念基础上本文后续部分中描述的小说的贡献。

2。与交接业务和相关的瓶颈

激励我们提出的短程合作机制作为一个推动者的快速和节能的交接,我们给的简要概述传统与交接计划根据普遍标准,如3 gpp [1IEEE 802.21[]或2]。虽然每个垂直交接框架定义了自己的实体和一组不同的操作和消息,handover-related操作的本质是相同的框架。因此,下面的评论的重要操作(从文章的角度来看)是通用术语和表达仅限于操作本质上与本研究相关。

一旦触发一个垂直交接,MN查询候选名单的信息服务网络,也就是网络服务区域MN所在地和可访问的电台访问技术支持的锰。尽管所有这样的网络列表中原则上候选人成为的目标交接,并不能保证他们会MN可用。一个原因可能是网络收音机链接到一个候选人可能由于差定位的MN,尽管当地的网络覆盖。因此,MN需要扫描候选网络验证链接质量通过测量接收到的信号强度(RSS)。

此外,即使在,一个候选人通过无线电网络访问MN链接质量好,它还必须有足够的资源来分配一个协会。因此,除了扫描,MN需要查询可用的网络资源。如果这两个操作是成功的,可以选择网络作为目标交接。中列出的行动就有研究,例如,(11),显示的扫描操作可以是非常昂贵的能源甚至一个数量级或更多。此外,咨询信息服务是一个动作,可以导致延迟整个垂直交接过程中,因为这样的服务可以被放置在一个服务器多个跳走了。

刚刚描述的一般操作可以在几个方面结合形成一个完整的移交计划。例如,MN可以扫描所有候选网络然后查询这些扫描成功的资源。图1说明了这样一个普遍采用方案,将这里称为先扫视。这项计划始于MN的候选列表网络信息服务。每个网络由扫描检查,以检查是否收音机链接质量好,随后立即查询资源情况下的一个成功的扫描。第一个网络都操作成功回归选为目标,没有检查其余的网络中包含候选网络列表。

在本文的其余部分中,我们将采用先扫视作为参考“传统”计划和依据部署短程cooperation-assisted提出增强。然而,它同样可以采用提出的短程合作援助与传统回归的任何替代安排操作。相应地,性能模型的相关部分4(和特殊形式5这种替代)很容易适应。

3所示。采用短程高效VHOs合作

短程合作机制背后的想法是,MN不等待交接触发发生开始收集相关的信息。相反,它不断地与同行MNs交流相关信息,采用短距离无线技术。这种安排了一些昂贵的handover-related行动的可能性,会强制在传统与VHO计划,如扫描和咨询信息服务,可以避免在需要交接时。

更具体地说,每个MN定期广播一个通知关于网络目前连接(频率、网络名称、无线接入技术类型等)使用一个低能短程通信接口(例如,蓝牙)。每个听MN收集信息广播的邻国和更新缓存候选人网络,以便它可以使用后,VHO启动一次。短期缓存越多,更准确的信息将锰。

这一机制的有效性很大程度上依赖于获得信息的相关性。当合作技术采用只有很短的范围内(即运行。,a few meters or at most tens of meters), it is highly likely (even though not guaranteed) that the network conditions observed by the peer MNs will also be very similar for most primary communication technologies that normally have a much larger range (e.g., Wi-Fi, LTE, or 5G NR). This locality of the obtained information could allow an MN to reduce or even completely eliminate the expensive VHO operations.

3.1。选择一个适当的短程合作协议

由于合作机制是用于改善VHO能源效率的操作,允许MNs保持短程接口不断活跃,经常听广播信息集中的同行,不会是明智的,因为它会导致高能源消耗甚至在节能技术的情况下像蓝牙低能量(祝福)。定期将因此更为可取如果MNs停用短程接口来节约能源和激活他们只有在他们需要交换上下文信息。然而,就在这种方法的能源节约的成本更加困难之间的协调合作的节点,因为这些协调只能发生在异常活跃的时期。因此,需要异步节能机制,允许协调MNs中一个简单的交换方式,而不需要额外的控制消息。

有几个工作高效的合作机制。然而,大多数麻烦对于我们的目的。例如,[13)需要与GPS定位和设备(14)需要一个二级广播界面分页,而一些工作,例如,(15,16),提出先进的广播机制具有高能源需求。

这项工作中采用的解决方案是基于[17),提出了节能MAC协议在基于IEEE 802.11的特设网络信息交流。文献[17)提出了三个协议,即dominating-awake-interval, periodically-fully-awake-interval quorum-based协议,允许移动主机定期切换到低功耗睡眠模式。后评估这些协议的能源效率,我们选择这个工作略有periodically-fully-awake-interval协议的修改,因为它最适合我们的应用程序设置和显示提供更好的性能energy-wise相比其他两个(17]。

这里采用的修改在[原17)协议是针对在MAC层进行操作。原因是,相同的解决方案可以应用在不同的通信技术在不改变其基本概念。另一个原因是为了适应的可能性短程通信接口由其他进程也可以同时使用不同的操作。在MAC层优化无线技术专为工作合作机制可能不可预测的和不受欢迎的副作用的过程。通过应用协调协议在更高的层面,合作机制可以用来节约能源为目的,同时允许其他进程执行的操作不变(例如,通过使用短程接口在空闲时间的合作机制)。

现在我们简要回顾一下periodically-fully-awake-interval的主要特色。还讨论了通用术语,避免了mac的相关细节与我们无关上下文。根据协议,信息的交换是使用异步执行的操作模式。每个节点操作使用自己的时钟,没有做出任何假设其他MNs的时钟。信息交流发生在灯塔,每持续一段时间等于灯塔间隔(BI)。每个BI进一步细分MN的时间可以从附近的MNs或发送和接收上下文信息仍然闲置。在空闲期间,短程接口不用于信息交流,可以关闭,设置在节电模式,或用于其他操作无关的合作机制。信息的传播持续一段时间等于广告窗口(AW)和接待一段时间等于听窗口。通常情况下,信号传输和保持空闲的时间。然而,每一个th信标充分活跃和传输是紧随其后的是听力阶段。参数BI,啊,LW,是全球性的,所有MNs申请。这种机制见图2为两个节点和 。

该方案保证将由邻国在听到一个节点灯塔不管多少他们的时钟漂移(17]。很容易看到,通过使用更低能量比完全主动的灯塔,可以获得大的空闲时间,在此期间,很少或根本没有能源将被短程接口。的价值就越大是,节能的空闲时间变得越高,牺牲handover-related信息更新慢。

3.2。利用信息交换通过短程合作垂直交接

VHO一旦被触发,MN试图连接到一个合适的人选。周边的一些网络节点,通过咨询信息存储在缓存中。缓存项是使用时间戳标记显示他们中引入基于阈值存储的记忆和保持最近的展示。阈值越低,越快一个条目需要赶出缓存。只要MN的缓存最近举行的信息和来自集中的MNs(由于短程技术用于合作),MN不需要验证缓存中的无线链接网络,查询缓存中的每个候选网络资源,没有扫描。如果没有网络在缓存中拥有足够的资源来支持连接,MN落回到传统VHO方案和候选人的名单网络检查程序中描述的部分2经过预处理去除网络的连接尝试已经取得了。执行的步骤MN当启用了短程合作机制见图3。

短程合作机制运作的方式可以有多个优势传统VHO方案。交换信息的最重要的优势是,使用这种方法可以帮助消除固有的昂贵的信号的步骤,在能量或延迟,当出现VHO的必要性。更具体地说,正如已经解释说,因为一个短程使用蓝牙技术,将获得的信息准确的MN有非常高的概率,允许省略昂贵的扫描操作,以确保网络连接。此外,MN可以尝试执行VHO使用其缓存条目,没有咨询信息服务,有效地减少了交接延迟。应该注意的是,这种提高并不带有延迟罚金的价格使用合作机制,由于MNs的协调是一个主动过程不断地在后台运行。

4所示。量化模型的好处Cooperation-Assisted VHO机制

我们现在开发一个模型来量化相关的成本cooperation-assisted VHO机制而言,候选人的可用性和状态网络,节点密度在合作领域,以及这些MNs和候选人之间的无线电网络。成本量化的意思是能源消费经验的MN /交接。cooperation-assisted机制,成本可以分为两个部分:成本的协调和信息交流MNs和执行实际的成本VHO过程。传统方案,唯一的成本是用于执行实际VHO过程。

4.1。意味着成本执行垂直交接

以下4.4.1。传统的方案

我们首先指的是平均每交接在传统成本计划。我们考虑一个观察MN的交接流程启动。这个MN需要发现候选人网络和试图选择一个交接的目标。然而,局部可用候选人网络不能保证MN访问。我们使用一个参数(模型参数的总结)指定的概率观察MN将有一个广播网络链接的候选人。的参数特征位置特性对广播条件,所以假设相同的参数值适用于所有候选人网络在该地区。一个接近1表明,周围观察到的MN(和短程邻国)与良好的无线电条件有关,而低的值表明无线电条件差。

即使有良好的无线电条件,没有保证观察MN将管理与给定候选网络,因为网络可能没有足够的资源分配,由于网络过载。捕捉这种加载考虑,我们介绍一个不同的参数作为候选人的概率网络查询资源走向回归的目标将做出积极的回应。为了捕获的总体影响过载和正常加载条件和保持参数空间的简单,一个共同的价值应用均匀(但独立)观察MN的所有候选网络。请注意,(相反的关系收音机链接条件)的值接近1表明低或中度网络负载,而值接近0表示过载。

考虑到链接和加载参数只是讨论,我们现在来谈谈VHO操作在传统计划(图1)。首先,观察到的MN需要联系一个信息服务以获得一组候选网络。然后,MN需要扫描这些网络反过来验证链接质量。沿着这一过程,如果候选人成功扫描网络,MN将查询这个网络资源,使其回归的目标如果回答是正的,终止交接过程。这些VHO-related MN的操作中会产生一些开销。让 , ,和咨询信息服务的成本,执行扫描,分别和查询的网络资源。

表示由候选人网络的数量可观察到的锰。与其他参数上面所讨论的,是观察到的MN的属性。不同MNs受制于交接一般会与不同数量的候选人网络。每交接就等于平均总成本 条款(1)封装查询信息服务的成本和扫描和查询的平均成本候选网络资源,考虑到成功和失败的尝试通过参数和 。的证明(1)可以在附录中找到。

4.1.2。短程Cooperation-Assisted方案

我们现在来谈谈每交接短程cooperation-assisted成本计划。再一次,候选人网络被认为是可观察到的MN交接。然而,虽然网络是先天的,MN可能不会意识到它们的存在。给定网络候选人将已知的MN只有在至少一个短程的邻居连接,并提供了相关信息的MN的问题。因此,为了评估候选人的概率网络MN,知道我们需要模型短程邻居的存在。

为此,我们利用的概念空间齐次泊松过程如下。的设备可以作为短程同行认为发生空间泊松过程的密度(表示在单位面积上的设备)和无线电技术用于短程通信范围合作是假定特性 ,占地面积等于 。然后,设备的数量范围内观察MN遵循泊松过程的速率 显然,这种封装设备信息密度和速度范围的短程通信技术。

虽然观察MN对待它先天的候选网络可用以同样的偏好,没有任何优先级,这种对称不一定传播到短程合作同行的感知。的一组候选网络反映了观察MN的连接功能,这些可能不同于一些同行的功能。例如,观察到的MN可能支持基于订阅的网络在该地区和这个网络可能不可用锰大部分的短程同行合作。观察到的结果,不同的候选人网络MN有不同的被其短程同行合作的可能性。在下面,这peer-likelihood也被称为(peer-association)偏好。使用术语“偏好”在这个意义上不应意味着任何形式的优先级,当个人同行治疗他们自己的网络组候选人。

候选人的偏好的短程同行合作网络可以观察到锰可以通过概率来表示。具体地说,让 , , ,是一个随机的概率合作同行会附加到候选人网络 。的参数 ,特别是,表达对等MNs的概率将会连接到一个网络中没有候选人网络的观察MN,例如,一个基于订阅的网络或网络的观察MN没有适当的无线接口。注意,如 ,的概率 , ,一个属性具体观察锰。其他MNs可能被关联到一个不同的组价值观和一个不同的值 。

合作的一个先验的偏好特定候选人对等网络关联是不够的。一样的传统VHO协会前提存在足够的无线电通信线路和网络资源的可用性。的相关参数和 ,接下去的概率随机同行合作将会与候选人相关网络等于 因此,对等将连接到一个网络不是候选人(或没有连接)的概率 鉴于(概率3)和(4)以及分裂属性的泊松过程,计算过程相关的短程邻居观察MN连接到网络发生在独立的泊松过程 。

节中已经讨论过3,每个MN的缓存存储网络发现通过短程合作机制。观察到的节点将有网络存储在缓存中只有至少发现了邻国之一是连接到这个网络。刚才讨论的泊松结构,这一事件发生的概率 和相关的指标函数的事件 。网络为信息的总数是可以通过短程合作机制 与分布

条件的事件 MN会检查网络和先后尝试连接。用相关的条件意味着成本 。如果刚才提到过程失败,MN将退回到传统VHO方法通过咨询信息服务和执行网络扫描,以发现可用的候选人。在这种情况下,从候选人提供的信息服务网络,MN只会检查剩下的 网络没有发现的短程合作机制。

检查的条件意味着成本网络

这个表达式反映了,意味着成本包括成本的成功连接到其中的一个网络或未能连接到其中任何一个。此外,它可以观察到,唯一运营成本这个表达式包括执行资源查询有关候选网络。这是按照描述cooperation-assisted VHO机制、扫描和咨询信息服务的忽略,直到所有网络发现通过短程机制进行了研究。

使用(6)和(7),无条件的平均成本检查并可能连接到一些候选人可以获得使用短程合作机制 在哪里是生成函数

此外,通过回忆的检查候选人失败的概率 并采用(1),我们就能很容易地计算平均成本与传统VHO方案“备份”,使用后无法连接所使用的网络最近相邻节点。具体地说,

平均总成本进行交接 ,所以通过结合(8)和(10),我们得到

通常情况下,占据了其他成本常数的数量级。这个观察,一起当候选人网络的数量的事实不是太小 ,导致一个简化的形式(11),所表达的近似 使用也()的近似形式(1)。表达式(12)链接的平均成本cooperation-assisted VHO机制(包括信息交流的成本)为常规VHO平均成本的方法。看到等于改善因素 。

4.2。能源消耗为移动节点的协调

让连续两个VHOs之间的平均时间。同时,让 , ,和由移动节点的总能量消耗在一次啊,LW,或空闲期,分别。可以被设置为一个比较低的值,如果接口用于短程合作已进入节电模式,或为零,如果它完全释放。

节中已经讨论过3.1,协调计划雇佣了一个完全活跃的每一个灯塔灯塔。这意味着一轮时间等于后完成这个计划因此轮的总数在连续两个VHOs将之间的时间间隔 平均。此外,从图很容易看到2这一轮将所需的能量 。因此,总能量, ,平均花了两个VHOs之间的协调机制

5。典型的使用场景

在本节中,描述性的模型证明了调查的条件如何与短程同行的可能性与观察到的各种候选网络MN(即。的概率)会影响时观察到的平均能耗MN VHOs表演。后一节中提到的(12)是改善能源成本cooperation-assisted提供的机制是通过因子表达 。因此,我们调查的影响与各种现实场景生成器通过相应的形式(9)。

5.1。观察到的候选网络MN同样的邻居

在这个场景中,假设短程同行希望候选人网络几乎同样可能。这可能是一个典型的场景,在该场景中,所有可用的无线网络在只使用众所周知的技术(例如,802.11,LTE, UMTS,等等),这是由大多数移动设备和不是基于订阅的支持。我们仍然允许短程同行的可能性也可能除了观察MN的连接到网络候选人网络,所以,一般来说,可能是零。根据这些观察, , 。这组参数,(5)的收益率 和(9)简化

此外,如果是足够高, 为充分表达了这样一个事实:许多候选人网络的价值变得对这种网络的数量,只有依赖设备密度和合作范围(通过率表示泊松过程的(2)),在广播中条件和网络负载状况,通过和 ,分别和可能性同行的连接到非实际候选人网络。

这个(渐近)不变性的候选网络可以直观地解释说,考虑到观察MN可能会设法连接到第一个几个网络发现使用短程合作方法,因此不管有多少网络实际上是发现,没有尝试查询资源或连接将他们中的大多数。

与能源消耗有关的改进(12),用 (16)的收益率 这表明,网络负载的效率有更大影响cooperation-assisted VHO机制比链接质量(二次效应的相对于线性的影响的指数(17))。类似的言论也应用于其他使用场景考虑以后在这一节中。

5.2。候选人网络不同的可访问性

在这个场景中,我们假设有两种类型的无线网络:那些可能会优先考虑,对应于一个高概率的 ,和那些不太可能,对应于一个小概率 。典型场景可能发生这种情况会同时存在多个802.11网络在同一地区,其中的一些将会完全免费,其中一些将会遭受到用户或情况下,观察到的MN的接口,是罕见的在某些方面(比如,一个欧洲的移动设备在一个国家拥有WiMAX网络)。

让的数量有可能更喜欢网络和让 可能网络的数量。自的概率很小,就变成了 应用程序(5)现在导致 使用这些结果和事实 ,(9)成为

自 ,这个表达式的第一因子接近1,因此就约等于第二个因素(20.)。与(15)表明这个因素等于生成函数的值只要结果极有可能网络。再一次,这是一个直观的结果,因为小概率使发现的节点连接到不受欢迎的网络不可能合作。作为第一个因素(20.)表明, 不受欢迎的网络仍然有所贡献的能源效率cooperation-assisted VHO机制(表示通过进一步减少的价值低于1),但这个贡献小的效果喜欢网络。

5.3。无线网络的地区不支持的锰

在这种情况下,假设大多数的网络受欢迎的短程同行之间的覆盖范围是基于订阅或使用技术观察MN的没有一个合适的接口。在这种情况下,我们假设接近于1;因此, 很小。此外,对于每一个 ,一个 ,所以其他所有也是小和(5)成为 通过这个结果结合(9),这一事实 ,每当 ,一个获得

这个结果的不变性支持的直觉,当大多数短程同行观察MN喜欢网络不同候选网络,就不可能MN发现和利用候选网络,不管他们的号码。最有可能,MN需要回到传统的机制。事实上,使用(22),一个看到的能耗改进因素(12)现在变成了 ,这是接近统一(无论网络负载和无线链接条件)因为 很小。

它指出,右边的(22)也可以通过使用(16),注意 很小。然而,结果(22)是强大的,因为它不假定一个足够高或同等优先候选人网络。

6。验证和性能评估

6.1。通过仿真模型验证

验证模型,我们使用一个定制版本的知名ns-3模拟器,增强与cooperation-assisted VHO功能。合作机制是实现应用程序的形式运行在MAC层的顶部的MNs根据部分中描述的协议和操作3。邻国之间的短程通信设备的限制范围内 m。灯塔的持续时间和两个完全活跃信标之间的间隔相等 年代和 ,分别。广告的持续时间窗口(AW)内将灯塔BI,即0.32 s。个人VHO-related操作的成本是基于测量(11)( J, J, J),而通过短程发射和接受的功耗技术是基于蓝牙的测量(18)( J和 J,职责)。它也认为,在空闲期间,短程接口是禁用;因此 。

仿真场景下研究10个不同的无线网络在一个短程通信和被捕获在一个方形网格交接操作 。所有的涉及无线网络使用的默认参数ns-3(日志距离传播模型(19)、发射功率和能量检测阈值(20.),导致一系列问题 。因此,所有的网络有效地充当候选人网络,而MNs总是至少有一个的范围内(但可能更多)无线网络。

网络被分为两种类型: 网络是一个类型的,代表网络提供优质服务;剩下的 的B型,代表开放网络。这两种类型的网络部署广场上均匀网格。MNs的人口也是异构: 参与的MNs被分配给我,其余的设备类 设备类II。类的MNs我是将所有的能力 网络,而二类的MNs只能联系起来的开放网络。应该提到的设备类的我认为没有偏好与候选人联系网络A或B型;也就是说,网络并没有下令根据他们的类。

各种设备密度为多个用例被认为从农村环境与只有少数设备操作在一个广阔的区域内密集的城市地区。MNs参与模拟运行的数量乘以计算设备密度参数值的情况下研究仿真网格的面积。密度测量的密度是基于评估(21]。对流动性和自短程合作机制主要是平均节点密度的影响不考虑具体的流动模式,我们使用标准的随机路径流动模型已经ns-3仿真平台中可用。MNs可以自由进出该地区正在研究用随机10 m / s的速度。指出,平均间隔时间VHOs没有设置为静态,任意值。相反,它是通过初步确定为每个场景模拟运行被认为是通过测量VHOs经历了由移动节点的数量在一个预定义的时间。在此设置中,VHO是触发一次MN连续错过了基站的信号数量与小姐(这意味着移动网络的覆盖范围)。

为了正确地匹配分析模型的参数仿真设置,网络偏好的短程同行建立合作,根据MNs的类是指,根据网络的数量和类型,前面提到的。具体来说,MNs我可以访问所有的类 网络,所以他们与一组相关联的概率 , 。其中,指数 指的是一个随机的概率短程同行(可能属于任何的锰类I或II)可能与索引网络类型的其余指标 指随机同行协会与网络类型的b。相应地,MNs II级与一组相关联的概率 , ,指数 是指随机同业协会的B型网络。

设备类的我,网络的类型只能通过邻居发现也属于类。这些邻居们更愿意与任何的关联网络以同样的概率 因为这些MNs形式总人口的概率 , ,成为 。剩余的B型网络,每个MN分配给类有偏好 第二,而每个MN分配给类的偏好 。因此,概率 , ,成为 。在此基础上,它遵循 。使用类似以前的参数情况下,概率 , ,就等于 因此 。

所需的最后一个参数模型的比较结果来模拟链接质量和网络负载 。这些参数是固有的场景下研究,因此再次匹配仿真设置。参数的值是通过以下方法:与100年300年代进行了模拟运行MNs使用传统VHO方案。在此期间,交接记录每个请求的总数MN和交接的数量从网络请求超时由于没有应答。的参数然后计算平均超时的总数的比率交接所有MNs的尝试。这种方法背后的理念是,超时的原因是handover-related消息丢失的锰或网络由于糟糕的信号质量,而MN在动。参数被发现大约等于0.4,对应于平均链接质量。

参数的值计算以类似的方式的差异,而不是记录的数量移交请求超时,我们记录了拒绝发送的消息由候选人网络协会请求由于没有资源可用。而参数取决于仿真拓扑,取决于网络资源可以分配给相关的异常。因此,为了模拟不同的意思是网络负载,我们不同的MNs的数量,每个网络可以接受,与高阈值导致低意味着网络负载,反之亦然。使用这种方法,我们成功地实现低,中,和高网络负载对应大约值为0.85,0.5和0.15的模型参数 。

基于这种方法,我们进行了模拟与各种设备密度和网络负载MNs的两类。结果中可以看到数据4(一)和4 (b)分析模型的结果相比,当使用来源于仿真的参数设置。指出,结果cooperation-assisted VHO包括短程的能源花费的能源合作协议,选择回归的目标。它可以观察到,仿真验证模型两种方法给所有的情况下研究结果非常相似。此外,可以看出cooperation-assisted计划可以更节能相比,传统的计划在几个有趣的情况下,变得更糟糕的是只有在农村地区,邻近节点的发现将是一个罕见的事件。

在第二次看,我们也可以观察到平均能源消耗每交接和平均网络负载遵循类似的趋势,高网络负载导致更高的能源消耗为类的设备。此外,可以看出高网络负载可以抵消cooperation-enabled机制的好处即使在非常密集的环境。这是因为交接的尝试会失败的概率很高,无论通过合作网络发现的数量,因此需要更多的网络资源查询,增加意味着能源消耗。此外,我们可以观察到设备的II级较低意味着能源消耗类设备相比,我在所有情况下,随着差距的增加网络负载的增加。这是直观的,因为设备类的我有一个广泛的网络可供选择,因此他们会花更多的精力平均水平,而网络查询更多的候选人。最后一个的话,我们可以看到,使用全局“平均”的价值工作得很好,甚至在与多个网络课程设置,模拟的。值得一提的是,传统的方案收益率相同的能耗结果无论场景,因为唯一的变化是节点密度,这对于传统的情况是一个无关紧要的因素。

我们现在进行的能源需求的进一步分析cooperation-assisted计划通过能量分解数据所示4 (c)和4 (d)。我们可以观察到,在这两种情况下,这个方案的最大能源成本来自于实际VHO过程。短程通信的能量消耗要小得多,从只有5%到17%的总成本取决于场景下研究(网络负载和无线电信号质量)。应该注意的是,短程通信成本是恒定的一级和二级MNs(约4 J / VHO)。这是因为短程协议的参数配置以相同的方式对两类MNs,同时使用的流动模式导致了几乎相同的VHOs总数。

短程通信的影响还取决于MNs的流动和配置的间隔灯塔。这是仿真结果图中所示5,我们不同的周期性充分活跃的灯塔(参数)以及两个VHOs之间的平均时间(通过操纵MNs的速度)。注意,图中显示的值代表了总能量消耗每交接,包括短程合作的开销和“缓存错过”的影响导致的调用更昂贵的传统VHO方案。

我们可以观察到,当MNs执行VHOs更频繁(小 ,由于更高的流动性),它们消耗较小的能量每交接。这是因为网络信息通过合作机制是更频繁地利用每交接一个较小的成本(因为合作线性依赖于能源开销 ;看到(13))。因此,合作效益成本比率增大频率较高的交接。

活动这种效果,我们还可以看到,随着时间两个完全活跃灯塔的增加,能量急剧下降在一定程度上仍然几乎不变,,最终,再次增加(速度远小于初始下降)。最初的大幅下降的能耗来自储蓄MNs通过减少同行广告网络的频率信息。能量增加的趋势增长非常大(和活跃的灯塔变得稀疏)是因为它变得更困难的MNs发现网络通过合作机制。这迫使他们回到传统的方案更加频繁,从而导致更高的能源消耗。最后,事实上,每个交接的能量仍然几乎不变的中间值表明短程合作机制的效率相对不敏感的精确值(范围内)。

在此基础上分析,我们可以看到,虽然最优的选择取决于操作环境,容易几乎可以确定一个最优值。的确,正如图中的结果5,设置该参数值接近20之间提供了一个很好的权衡网络的能源消耗和发现通过短程合作机制为范围广泛的操作条件。

短程合作的最后一个重要的方面是相关的成本机制短程无线接入技术的频谱利用率。这种机制可以看作是一个过程,利用频谱在TDM时尚,短程无线电资源的技术可以被其他应用程序使用期间空闲时间。基于图2,可能是看到短程通信信道是空闲的时间分数等于 。采用BI和AW的值用于先前提出的仿真结果,表1显示空闲时间的百分比对应不同的价值观 。我们可以观察到,从图的所有实际的场景5短程技术仍然闲置超过82%的总时间,允许其他应用程序依赖于短程通信共存同一移动设备。

6.2。进一步基于该模型的数值结果

在验证模型开发的部分4,我们可以用它来扩大我们的评估cooperation-enabled VHO机制。结果在本节中,我们假设所有MNs属于同一类,所有候选人相同类型的网络。此外,平均时间连续之间的交接准备和设备的密度是固定的 对应于一个密集的城市区域。链接的质量和网络负载参数和调整根据评估场景下研究,其余参数保持“总结模型参数”部分中描述的一样吗6.1。

我们开始通过评估的能源消耗cooperation-assisted VHO机制,比较它与传统方案中描述的部分2。评估是由数量可用的候选网络领域的MN和各种网络偏好的邻居,表示的值 。更具体地说,我们检查的性能cooperation-assisted VHO计划在一个区域网络的低平均负载( )和良好的链接质量( )三种情况。第一个场景(我在图6(一))对应于一个设定的短程邻居观察MN展览比较偏好候选网络可以观察到的锰。这对应于设置在部分讨论5.1和建模 , , 。节中已经讨论过5.1,这可能是一个典型的场景,在该场景中,所有可用的无线网络只使用一个地区知名的技术并不基于订阅的。第二个场景(二世在图6(一)),两个候选人网络被认为是不受欢迎的短程的邻居。这对应于设置在部分讨论5.2并采用建模 , , ,在那里是不太可能的概率网络和的概率是网络,可能会优先考虑。在这种情况下,它只考虑场景的至少是有意义的 网络(2不受欢迎和至少一个流行)。最后,第三,它类似于一个部分中讨论5.3,我们给一个小概率,让所有的网络接近1。这可能是一个场景,在该场景中,MN不同寻常的无线接口,例如,WiMAX接口的地方WiMAX是少见。

能量的结果三个场景和传统VHO方案显示在图中6(一)作为候选人的函数网络 。因为它可以观察到,平均能量消耗的情况下,我是50%低于传统的计划。MN执行一个交接的环境特征的情况下,我很可能会发现候选人网络通过短程邻国,避免传统的昂贵的扫描方案。此外,我们可以看到,随着候选人网络的数量的增加,每个交接的平均能源消耗逐渐收敛于一个极限值。这是因为随着网络的数量增加,观察到的MN可能会设法连接到第一个发现一些网络使用短程合作方法,因此不管有多少网络实际上是发现,没有尝试查询资源或连接将他们中的大多数。这是符合节中讨论5.1和的结果(16)。

案例二,短程cooperation-assisted计划执行略微比如果我当候选人网络的数量很小,但即使网络数量的增加。本例中的能源消耗是按照部分的结果5.2,与消费的高度可能的网络。因为我们保持较低的网络数量固定的,对于一个小的网络总数,发现其中一个通过短程合作的概率是很低的,迫使MN大多数时候回落到传统VHO方案(以及更高的能源消耗)。然而,随着网络的数量增加,高度疑似网络成为多数,这意味着MN发现网络通过短程合作的可能性增加,减少昂贵的需要扫描的概率。因此,一些不受欢迎的网络的存在变得无关紧要,收敛性能的场景我。

最后,对于场景三世,短程cooperation-assisted方案表现出较低的性能,比传统的更糟。的情况下接近1,(22)就几乎等于1,因此(12)的收益率 。结果,cooperation-assisted计划花费几乎相同数量的能源常规执行实际的交接手续。然而,合作计划已经执行的额外开销短程合作协议,这将导致更高的能源消费总量。

转向一个不同的方面,我们现在检查VHO方案的性能相关的参数的函数在该地区(表示通过无线电线路条件)和候选网络的负载(表示通过)的平均能源消耗常规和cooperation-assisted VHO方案。我们考虑的各种组合收音机链接条件(0.2)好对应0.9和坏和加载条件的候选人网络(高对应于低0.2和0.9)。结果如图所示6 (b)。

我们可以观察到,在前两个负载高的情况下,传统的计划几乎与cooperation-assisted无论一个链接的质量。另一方面,当网络负载变得较低,传统cooperation-assisted方案变得更加节能的无线链路质量,表明负载参数cooperation-assisted方案相比,有更大的影响质量的链接。这样做的原因是,当网络负载条件影响的所有方面的合作方案,参数的影响是有限的,因为之前没有扫描查询候选网络资源。因此在没有影响协会试图通过短程合作网络发现。这些结果也一致的讨论部分5.1,看到网络负载的变化影响更大比的链接质量(二次效应的变化相对于线性的影响的指数(17))。

从部分进一步强调这一观点5,我们求助于最终的结果在图7。在这方面,我们测量获得的能量(而不是绝对支出)/交接,如果我们从一个环境移动无线电通信线路条件差( )一个环境良好的条件( ),所有可能的网络负载( )。我们比较这与获得的能量从一个环境与高网络负载( )的环境低负荷( 为所有可能的无线电线路条件() )。我们可以观察到,当网络负载下降,我们得到的利益总是高于获得当收音机链接情况有所改善。

7所示。实现方面

periodically-fully-awake-interval方案的基本要求从事这项工作是支持广播消息。尽管该计划,部分将对此进行说明3是故意针对运行在MAC层,同样重要的是,看看机制可以应用在各种短程无线接入技术。因此,在本节中,我们简要讨论方面的实际实现短程相关合作协议,考虑两个无线技术目前在几乎所有商业移动设备:蓝牙和无线网络。当然,一个特定的选择影响(通信范围和能量消耗),必须由适当考虑定制模型中相关参数的值在部分4。

蓝牙。而传统的蓝牙技术(通常称为蓝牙2. x)可能不适合使用在这个工作环境中由于其无法传输数据没有配对,新的蓝牙版本本质上提供广播支持。更具体地说,蓝牙低能量(祝福)22)提供了一个报警机制,它允许设备广播短消息(31个字节长)。而这些信号的大小不够大,允许所需的所有网络信息的传播由锰、祝福提供了一种机制,允许一个侦听器通过后续消息从广播请求更多信息。为了进一步改善,最近的蓝牙5 (23)允许设备大广播消息(255字节),这意味着所有相关信息可用的无线网络可以宣传。

无线网络。广播信息短程相关协议可以支持wi - fi在很多方面。在最简单的情况下,一个锰可以广播网络相关的AW期间的信息变成AP并使用适当的格式化的信标帧传输的信息。在LW,它可能会回客户端和扫描可用的灯塔。然而,这种方法的问题是,(我)可以非常耗能的MN和(2)为其他使用wi - fi接口不可用。更合适的方式实现periodically-fully-awake-interval方案将利用wi - fi的新功能。例如,网络信息可以使用wi - fi直接播放(24)(例如,Android的服务发现功能使用其wi - fi P2P框架(25])或使用wi - fi意识到标准26),它允许移动设备发现,订阅和发布信息到其他周边设备。

8。结束语

介绍了短程合作节能垂直交接的概念,开发了一个模型来捕获相关的平均能量消耗每交接的封闭表达式。模型封装各种重要合作和handover-related参数和允许的比较cooperation-assisted VHOs传统交接方案。

仿真结果验证了该分析模型和强调了节能效益的方案在各种现实场景。其他方面的合作机制进行评估通过分析模型和各种相关因素的影响进行了研究。结果表明网络可用性、无线电联系当地的条件,在候选人网络和网络负荷条件的关键影响因素。短程的成本/收益权衡合作协议也研究,显示可以通过适当的参数化近最小化成本的协议。总的来说,结果表明,该合作方案优于传统方法而言,能源效率在几个现实的使用场景。

能源成本建模方法表达了每个操作通过适当的系数。然而,该方法可以直接解决的意思是交接延迟,而不是能源消费,每个操作,只需使用延迟系数代替能量系数。延迟的短程协调和地位交换成本是零,这是积极的后台进程一旦VHO发起没有额外的延迟影响。

最后评论并给予短程通信的特点,与安全相关的问题,尽管本文的范围,可以非常重要的实用性的机制。他们可以通过使用一个高的层次以信任为基础的解决机制来防止恶意节点。模型可以弥补这个通过调整空间的密度泊松过程来表示只有可信节点,例如,通过一个方法类似于之后在27]。

作为未来的工作,我们打算让合作机制适应周围的环境为了进一步提高能源效率的方案。根据相邻节点的密度,MN可以自适应地选择(de)激活短程合作协议后,考虑到潜在的节能可以从每个配置。例如,如果一个MN指出,它座落在一个人烟稀少的地区(如农村),在发现网络通过短程合作机制是不可能的,它应该会自动关闭的协议,只有定期检查是否激活的节点密度变化有利的协议。作为未来的另一个任务工作,考虑到部分的观察5和6关于网络负载的影响(通过参数来表达)的效率cooperation-assisted计划,这将是有趣的调查的方式获取网络负载条件在细尺度的变化。

附录

在这里,我们提供的证明(1)传统的计划意味着能源总成本每交接。

信息服务器查询一次,候选人名单的网络,这个收益率第一项(1)。然后,候选人网络列表中依次检查。对于每一个网络,执行扫描来确定无线电线路的质量从MN网络。如果这个质量是不够的(概率 ),处理列表中的下一个网络。如果链接质量好(概率),网络将对资源的查询。如果有足够的资源(概率),这个网络是选为交接目标;否则处理列表中的下一个网络。

鉴于上述情况,扫描的总数等于网络检查的总数,这本身就是等于独立的伯努利试验的成功概率 ,直到第一次或者直到成功试验了。因此,相关的成本的一部分扫描= 第二项括号内对应的情况下检查候选人网络没有成功。可以看到上面的结果等于第二项(1)。

考虑现在的意思是数量的资源查询,条件的事件检查网络,与序列结束成功。最后检查是成功的,所以它必然包含一个资源查询。每一个前 检查失败。这次失败是由于扫描(失败概率 网络上的),考虑到空调检查的整体失败),在这种情况下没有尝试资源查询,或由于消极应对与互补的资源查询(此事件发生的概率 )。鉴于这些言论,资源查询的条件意味着数量等于 。

现在直接获得无条件意味着成本相应资源的查询 这是等于第三项(1)。注意外括号内的第二个任期在上面左边对应所有的事件网络检查失败。

总结模型参数

:	足够的无线电链路质量的概率
:	网络资源的可用性的概率
:	数量的候选人网络
:	网络偏好的同行合作
:	单位面积上的MNs
:	短程技术的通信范围
:	成本咨询信息服务,执行扫描,和查询网络资源
:	连续两个VHOs之间的平均时间
:	灯塔间隔
:	间隔两个完全活跃的灯塔
:	总能量消耗在AW、LW或空闲时间。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的部分欧洲FP7项目之下GREENET (FP7 itn -人- 2010 - 264759)之下。

引用

1. 3 gpp,架构增强non-3GPP访问,Rel-13卷3 gpp TS 23.402,2015年。
2. IEEE 802.21工作组,IEEE标准为当地和市区网络- 21部分:媒体独立的交接,卷802,IEEE 2009。
3. n . Dimitriou l . saraki争取到了d . Loukatos g . Kormentzas和c . Skianis“垂直交接(VHO)框架为未来合作的无线网络,”国际期刊的网络管理,21卷,不。6,548 - 564年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. j·索托、美国奎罗斯和m . Nogueira”管理传感与合作分析认知无线电PUE袭击特设网络”学报》2012年第八届国际网络和会议服务管理(CNSM 12)美国,页219 - 223,2012年10月。视图:谷歌学术搜索
5. m . Papadopouli和h . Schulzrinne电源保护的影响,无线覆盖和移动设备之间的数据传播合作,”《2001年ACM国际研讨会上移动Ad Hoc网络和计算(MobiHoc ' 01)美国,页117 - 127,2001年10月。视图:谷歌学术搜索
6. a . Radwan和j·罗德里格斯,“节能在多重标准移动终端通过短程合作,”EURASIP无线通讯和网络》杂志上,卷2012,不。1,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. h·山、w .壮族和z . Wang“分布式无线网络合作MAC多次反射,”IEEE通讯杂志卷,47号2、126 - 133年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. j . Alonso-Zarate大肠Kartsakli、c . Verikoukis和l .阿隆索“持久RCSMA: MAC协议在无线网络分布式合作ARQ方案,“EURASIP在信号处理的发展》杂志上,卷2008,不。1,文章ID 817401, 2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. l . j . Alonso-Zarate阿隆索,c . Verikoukis“持久的继电器的性能分析载波感知多重存取协议,”IEEE无线通信,8卷,不。12日,第5831 - 5827页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. j . m . Marquez-Barja h·艾哈迈迪,s m . Tornell et al .,“打破了车载无线通讯障碍:异构网络垂直切换技术,”IEEE车辆技术,卷64,不。12日,第5890 - 5878页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d . a . Wassie d . Loukatos l . saraki争取到了k . Kontovasilis和c . Skianis“垂直交接操作:能源需求的计量结果IEEE 802.21框架”学报2012年IEEE 17日国际研讨会上计算机辅助建模和设计的通信链路和网络(CAMAD 12)西班牙,页145 - 149年,2012年9月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. x Foukas、k . Kontovasilis和m . k .滨”利用短程合作节能垂直切换操作,”学报》第11届国际会议上网络和服务管理(CNSM 15)IEEE,页292 - 300年,巴塞罗那,西班牙,2015年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 美国公园和S.-M。柳”,一个高效可靠的单在移动ad hoc网络播出,“特设网络,11卷,不。1,19-28,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. c . Schurgers y Agarwal, r·古普塔“按需动态电源管理使用分页网络化嵌入式系统,”2005年亚洲和南太平洋设计自动化学报》会议(ASP-DAC ' 05)IEEE,页755 - 759年,上海,中国,2005年1月。视图:谷歌学术搜索
15. 吴j . f .戴,“效率与保证保险在移动ad hoc网络广播,”IEEE移动计算,4卷,不。3、259 - 270年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. h·r·Mahjourian m .泰国f . Chen翟,r .女子和y方,“一个近似算法,能够在无线ad hoc网络广播调度,”学报》第九届ACM国际研讨会上移动Ad Hoc网络和计算(MobiHoc ' 08)2008年5月,页331 - 340。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 研究。曾,c。许,T.-Y。谢,“节能协议基于IEEE 802.11的种特设网络,”计算机网络,43卷,不。3、317 - 337年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. j·s·李,y . w . Su, c . c .沈,“无线协议的比较研究:蓝牙、超宽频、无线个域网,wi - fi,”学报》第33届IEEE会议电子工业协会(IECON ' 07),页46-51,台北,台湾,2007年11月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. “NS-3日志距离传播模式”,https://www.nsnam.org/doxygen/classns3_1_1_log_distance_propagation_loss_model.htmlNS-3日志距离传播模型。视图:谷歌学术搜索
20. “NS-3 802.11 PHY层模型”,https://www.nsnam.org/doxygen/classns3_1_1_yans_wifi_phy.htmlNS-3 802.11 PHY层模型。视图:谷歌学术搜索
21. g .奥尔诉Giannini,即Godor et al .,“细胞能源效率评价框架,”学报2011年IEEE 73车辆技术会议(职业训练局的11-Spring)2011年5月,页1 - 6,。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 蓝牙技术联盟”,蓝牙核心规范4.2版”,蓝牙系统的规范,2014年。视图:谷歌学术搜索
23. 蓝牙技术联盟”,蓝牙核心规范5.0版”,蓝牙系统的规范,2016年。视图:谷歌学术搜索
24. d . Camps-Mur a Garcia-Saavedra, p . Serrano”设备间通信无线直接:概述和实验,”IEEE无线通讯杂志,20卷,不。3、96 - 104年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 谷歌,“无线点对点”,2017-08-28,https://developer.android.com/guide/topics/connectivity/wifip2p.html。视图:谷歌学术搜索
26. 无线网络联盟”,wi - fi意识到,“2017-08-28,https://www.wi-fi.org/discover-wi-fi/wi-fi-aware。视图:谷歌学术搜索
27. 马诺洛波洛斯,k . Kontovasilis i Stavrakakis, s . c . a . Thomopoulos”利用有效的路由拓扑结构和行为属性在移动网络”学报2013第十届会议上无线点播网络系统和服务(赢得13)3月,页101 - 103,加拿大,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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