面向移動(dòng)終端的無(wú)線傳輸優(yōu)化與節(jié)能機(jī)制研究.pdf

1、近年來(lái)移動(dòng)服務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)促進(jìn)了對(duì)于更高傳輸帶寬的需求，現(xiàn)有的兩種無(wú)線技術(shù)，WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)成為移動(dòng)終端應(yīng)用最為廣泛的通信方式。蜂窩移動(dòng)通信采用蜂窩無(wú)線組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)終端在活動(dòng)中與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相互通信，具有越區(qū)切換和跨本地網(wǎng)自動(dòng)漫游功能。WiFi是基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)路通信技術(shù)，該技術(shù)使用的2.4GHz和5GHz附近的頻段進(jìn)行傳輸。蜂窩移動(dòng)通信具有廣覆蓋、高移動(dòng)性和中低等數(shù)據(jù)傳輸速率的特性，而WiFi則可以提供短距離高

2、速率傳輸，兩種傳輸技術(shù)從而可以形成互補(bǔ)。
　　對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸需求的急劇增加預(yù)示著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中能耗產(chǎn)生也會(huì)大量增加。不同于傳統(tǒng)PC設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備例如智能手機(jī)、平板電腦往往受限于有限的電池容量，因此在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的能耗問(wèn)題顯得更為突出。除去電池容量有限的因素，產(chǎn)生該問(wèn)題的原因有多種。首先由于無(wú)線通信技術(shù)自身特性，其傳輸過(guò)程中能耗開銷較高，尤其在使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)為減少傳輸延遲往往需要使設(shè)備持續(xù)保持高能耗狀態(tài)，由此產(chǎn)生的“長(zhǎng)尾能耗”占

3、據(jù)了傳輸能耗相當(dāng)大比例，信道衰減以及設(shè)備移動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定也會(huì)加劇上述問(wèn)題；同時(shí)，上層移動(dòng)應(yīng)用不合理的傳輸調(diào)度機(jī)制也降低了能耗效率。
　　因此移動(dòng)終端在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能耗問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外對(duì)于移動(dòng)終端傳輸?shù)墓?jié)能與優(yōu)化研究主要集中于兩個(gè)方面：一方面針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，例如盡量減少長(zhǎng)尾片段的產(chǎn)生；另一方面是結(jié)合上層應(yīng)用傳輸特性，采取延遲或者預(yù)取傳輸?shù)炔呗跃酆蟼鬏敂?shù)據(jù)達(dá)到節(jié)能效果。但現(xiàn)有研究大多針

4、對(duì)其中單一方面進(jìn)行解決，忽略了上層應(yīng)用與傳輸緊密的耦合關(guān)系，往往無(wú)法保證用戶體驗(yàn)。然后，在混雜無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動(dòng)設(shè)備采用帶寬合并傳輸時(shí)能耗會(huì)進(jìn)一步增加，相關(guān)研究也存在空白。最后，目前針對(duì)單一設(shè)備傳輸策略的研究其節(jié)能效果往往有限，在多設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，協(xié)同通信架構(gòu)可以進(jìn)一步聚合傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線傳輸優(yōu)化與節(jié)能機(jī)制的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，解決此類問(wèn)題。
　　首先，針對(duì)移動(dòng)終端傳統(tǒng)優(yōu)化傳輸策略節(jié)能效果有限的問(wèn)題，提出了一種基

5、于數(shù)據(jù)流分析的動(dòng)態(tài)調(diào)度節(jié)能傳輸機(jī)制。不同于傳統(tǒng)策略中靜態(tài)設(shè)定延遲傳輸參數(shù)，該研究利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)流，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)包的延遲參數(shù)，從而根據(jù)不同應(yīng)用采取不同的延遲調(diào)度策略，在減少長(zhǎng)尾能耗的同時(shí)保證上層用戶體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明該策略相比傳統(tǒng)調(diào)度方法能夠進(jìn)一步節(jié)能20％左右。
　　其次，針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸中頻繁出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的特征，提出了一種面向敏感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的節(jié)能傳輸調(diào)度機(jī)制，研究從移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)性出發(fā)，分析了單任務(wù)傳輸和多任務(wù)傳輸?shù)?/p>

6、離線調(diào)度模型，并且給出了理論最優(yōu)解。在此基礎(chǔ)上給出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境敏感的動(dòng)態(tài)在線調(diào)度策略，在任務(wù)可以容忍的時(shí)間范圍內(nèi)，采取避免長(zhǎng)尾效應(yīng)的原則，盡量選取最優(yōu)的傳輸單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到能耗優(yōu)化的目的。在網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)環(huán)境下的多任務(wù)在線調(diào)度測(cè)試中，該策略最多可以節(jié)約24%傳輸能耗。
　　再次，針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)終端多網(wǎng)絡(luò)聚合的問(wèn)題，提出了一種面向異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的聚合傳輸中間件架構(gòu)，此架構(gòu)能夠有效聚合多網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行傳輸，從而大幅度提升傳輸帶寬，同時(shí)無(wú)需

7、對(duì)現(xiàn)有協(xié)議棧以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行修改，并且在此基礎(chǔ)之上考慮了不同網(wǎng)絡(luò)端口能耗特性，通過(guò)相應(yīng)調(diào)度策略在保證上層應(yīng)用體驗(yàn)基礎(chǔ)上盡可能降低多鏈路傳輸?shù)哪芎模瑢?shí)驗(yàn)證明該中間件能夠減少約40%的傳輸時(shí)間，同時(shí)相比默認(rèn)傳輸策略，節(jié)能策略減少了16%的雙端口能耗開銷。
　　最后，針對(duì)單設(shè)備調(diào)度策略節(jié)能效果有限的問(wèn)題，提出了一種基于協(xié)同通信的多設(shè)備節(jié)能傳輸策略，移動(dòng)設(shè)備通過(guò)隨機(jī)森林算法動(dòng)態(tài)分析數(shù)據(jù)流，將自身“非密集數(shù)據(jù)”選擇性地遷移給附近其他中繼設(shè)備