智能手機(jī)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的尾能耗節(jié)能優(yōu)化策略研究

李陶深，李明麗，葛志輝

(1.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院, 廣西南寧530004;2.廣西高校并行與分布式計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004)

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智能手機(jī)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的尾能耗節(jié)能優(yōu)化策略研究

李陶深1,2，李明麗1，葛志輝1,2

(1.廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院, 廣西南寧530004;2.廣西高校并行與分布式計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西南寧530004)

摘要:智能手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中的頻發(fā)性和微量性特征增加了尾能耗的出現(xiàn)次數(shù)與占比，降低了傳輸能耗利用率。為了降低智能手機(jī)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的尾能耗，構(gòu)建基于RRC狀態(tài)機(jī)的LTE傳輸能耗模型，提出一種基于數(shù)據(jù)聚合的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)能機(jī)制(A-ESTD)。該機(jī)制通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸類型的劃分和蜂窩端口RRC狀態(tài)機(jī)的判斷，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸做出即時(shí)發(fā)送或延遲發(fā)送的不同策略。同時(shí)，綜合考慮即時(shí)型、心跳型數(shù)據(jù)出現(xiàn)周期和等待隊(duì)列中最早deadline時(shí)間等因素，在數(shù)據(jù)傳輸判斷機(jī)制上加入概率預(yù)測(cè)進(jìn)行機(jī)會(huì)成本的權(quán)衡。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該機(jī)制的節(jié)能效果優(yōu)于普通傳輸機(jī)制，節(jié)能效率維持在27%左右，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效率的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:智能手機(jī);LTE網(wǎng)絡(luò);尾能耗;優(yōu)化策略;聚合

智能手機(jī)是當(dāng)前最主流的移動(dòng)終端，人們常常使用智能手機(jī)通過第三代(the third generation，3G)和長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution，LTE)通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。智能手機(jī)中電池容量的有限性決定了它的續(xù)航工作時(shí)間也是有限的。隨著不斷增長(zhǎng)的能耗需求和有限的電池容量之間的矛盾日益加劇，如何提高智能手機(jī)的能量利用效率已經(jīng)成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的研究方向[1-2]。

作為智能手機(jī)的三大耗電元件之一的蜂窩端口在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸后，會(huì)產(chǎn)生大比例的尾能耗，造成手機(jī)電能的浪費(fèi)。對(duì)智能手機(jī)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的尾能耗特性進(jìn)行分析，不但可以獲知產(chǎn)生大比例尾能耗的具體原因，還可以據(jù)此對(duì)尾能耗進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低手機(jī)總能耗、延長(zhǎng)續(xù)航工作時(shí)間的目的。因此，智能手機(jī)尾能耗的研究與優(yōu)化是一項(xiàng)非常有意義的工作。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于智能手機(jī)尾能耗節(jié)能的研究主要從尾能耗聚合、尾能耗竊取和尾能耗調(diào)節(jié)這三個(gè)方面展開，取得了一些研究進(jìn)展。尾能耗聚合的研究思路：首先人為地判斷應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求是否具有延時(shí)容忍度，然后將具有延時(shí)容忍度的多次數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求聚集在一起做一次性發(fā)送，通過延遲發(fā)送將本應(yīng)多次出現(xiàn)的尾能耗降低為一次[3]?；谖材芎木酆系乃枷?，Niranjan等[4]設(shè)計(jì)了TailEnder協(xié)議，采用延遲發(fā)送的技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)端口能耗利用率。TailEnder協(xié)議減少了相同數(shù)據(jù)量的傳輸次數(shù)，對(duì)于中小型的郵件，節(jié)能效率達(dá)到了50%，但該協(xié)議只考慮了郵件這一類比較簡(jiǎn)單的延時(shí)容忍型程序的能耗利用率。Wang等[5]對(duì)智能手機(jī)的網(wǎng)頁(yè)瀏覽傳輸機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)，取消了將網(wǎng)頁(yè)的各對(duì)象分次發(fā)送的慣常行為，轉(zhuǎn)為基于RRC狀態(tài)對(duì)包頭和所選擇的內(nèi)容進(jìn)行壓縮，然后以整頁(yè)的形式發(fā)送到手機(jī)端。改進(jìn)后的傳輸機(jī)制不僅使網(wǎng)絡(luò)端口可以處于更長(zhǎng)時(shí)間的休眠狀態(tài)，而且減少了網(wǎng)頁(yè)瀏覽中下載次數(shù)，提高了用戶體驗(yàn)度，但是這種改進(jìn)沒有考慮到用戶自主選擇權(quán)的問題。Bhavish等[6]將云計(jì)算技術(shù)和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了Stratus模型，在云服務(wù)器中進(jìn)行手機(jī)下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎Q策與處理。該模型實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，節(jié)能效率顯著，但是只適用于下行鏈路的聚合傳輸，而且需要額外的云代理服務(wù)器開銷。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]分析了現(xiàn)有的傳輸協(xié)議，指出LTE在傳輸微量數(shù)據(jù)方面的能量利用效率低下，并從聚合發(fā)送的角度分別對(duì)傳輸協(xié)議做出了不同的改進(jìn)。

尾能耗聚合的方法對(duì)于延時(shí)容忍型的程序，特別是延時(shí)容忍度很大時(shí)，往往能取得較高的節(jié)能效率，但是對(duì)于目前智能手機(jī)中常用的即時(shí)通訊工具和需要保持長(zhǎng)鏈接狀態(tài)的進(jìn)程，其節(jié)能效率較低。針對(duì)現(xiàn)有尾能耗聚合方法存在的不足，本文從智能手機(jī)尾能耗形成的角度出發(fā)，圍繞如何有效合理地降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)端口傳輸能耗這一問題展開研究，在3G和LTE網(wǎng)絡(luò)RRC狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，提出基于數(shù)據(jù)分類和聚合的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)能機(jī)制(A-ESTD)，以降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)端口傳輸能耗。

1LTE傳輸能耗模型

無(wú)線資源控制協(xié)議(radio resource control，RRC)決定著能量受限的智能手機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)切換以及能量消耗。RRC狀態(tài)機(jī)已被廣泛應(yīng)用于LTE的網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗研究之中[9-10]，相同的RRC狀態(tài)在不同的機(jī)型中，功率是不相同的。

基于RRC狀態(tài)機(jī)的能耗模型已成為蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究的理論基礎(chǔ)，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)無(wú)線端口的RRC狀態(tài)進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)，模擬仿真得到的數(shù)值與真機(jī)實(shí)際能耗之間差別較小。而且基于RRC狀態(tài)機(jī)的能耗模型集中關(guān)注于數(shù)據(jù)傳輸行為對(duì)網(wǎng)絡(luò)端口能耗的影響，排除了智能手機(jī)中CPU、屏幕等其他元件的能耗干擾。本文構(gòu)建的LTE傳輸能耗模型中的RRC狀態(tài)機(jī)參數(shù)源自文獻(xiàn)[11]，對(duì)應(yīng)的智能手機(jī)型號(hào)為HTC G1。該文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)證明，根據(jù)這些RRC能耗參數(shù)進(jìn)行建模統(tǒng)計(jì)，與真機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差基本保持在6%以下。考慮到執(zhí)行不同網(wǎng)絡(luò)任務(wù)時(shí)CPU功率的波動(dòng)，這些能耗參數(shù)在計(jì)算純網(wǎng)絡(luò)端口傳輸能耗方面無(wú)疑是非常優(yōu)秀的。

1.1LET網(wǎng)絡(luò)中的RRC狀態(tài)機(jī)參數(shù)

在LET網(wǎng)絡(luò)中，蜂窩端口發(fā)送功率與上行和下行傳輸速率都有關(guān)系，其功率如式(1)所示[12]：

發(fā)送功率=上行傳輸速率×αu+下行傳輸速率×αd+β,

(1)

其中，參數(shù)αu和αd值分別為438、52 mW/Mbps，β是端口發(fā)送基礎(chǔ)功率，值為1 288 mW。

LTE的尾能耗最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間約為11.5 s，它是由尾能耗非活動(dòng)計(jì)時(shí)器TLTE_Tail控制的。在Long DRX和Short DRX的清醒階段，它們的功率和連續(xù)接收態(tài)是一樣的；而在沉睡階段，它們的功率降為原來(lái)的63%。這證明了LTE在CONNECTED狀態(tài)中運(yùn)用DRX機(jī)制是為了進(jìn)一步節(jié)能。LTE端口在CONNECTED狀態(tài)采用周期性的淺休眠機(jī)制，等待下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩?lái)臨，在達(dá)到節(jié)能目的的同時(shí)，避免了頻繁進(jìn)行信道申請(qǐng)和釋放所帶來(lái)的額外信令開銷。

1.2傳輸能耗模型的工作機(jī)制

1.2.1傳輸隊(duì)列生成

傳輸隊(duì)列用于模擬手機(jī)應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔和數(shù)據(jù)包大小，并模擬用戶在不同場(chǎng)景中的操作行為。在本文，采用指數(shù)分布來(lái)模擬傳輸請(qǐng)求的生成時(shí)間間隔，其累積分布函數(shù)如式(2)所示：

(2)

其中，λ用于表示單位時(shí)間內(nèi)事件出現(xiàn)的次數(shù)，該參數(shù)的設(shè)置主要參照國(guó)內(nèi)常見業(yè)務(wù)平均每小時(shí)交互次數(shù)，如：QQ每小時(shí)120次，UC瀏覽器每小時(shí)50次，優(yōu)酷每小時(shí)12次等。

傳輸隊(duì)列中包的大小的設(shè)置由隨機(jī)函數(shù)生成，其中30%的數(shù)據(jù)包小于1 Kb，70%的小于3 Kb。數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求中如果數(shù)據(jù)量較大時(shí)，可以根據(jù)最大傳輸單元(maximum transmission unit, MTU)進(jìn)行分片。

1.2.2傳輸能耗的統(tǒng)計(jì)

根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)中蜂窩端口RRC狀態(tài)切換的特點(diǎn)，本文將數(shù)據(jù)傳輸過程中的傳輸能耗劃分為提升能耗、發(fā)送能耗、尾能耗、休眠能耗等四個(gè)部分。

①提升能耗

提升能耗是指端口從休眠態(tài)切換至可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)過程中所消耗的能量。在LTE中表現(xiàn)為IDLE→Continuous Reception。LET網(wǎng)絡(luò)的提升能耗統(tǒng)計(jì)函數(shù)計(jì)算如式(3)所示：

提升能耗=提升功率×提升時(shí)間。

(3)

②發(fā)送能耗

發(fā)送能耗是指實(shí)際耗費(fèi)在數(shù)據(jù)傳輸中的能量，由式(1)計(jì)算得出，與上行和下行發(fā)送速率相關(guān)。LET網(wǎng)絡(luò)的提升能耗統(tǒng)計(jì)函數(shù)計(jì)算如式(4)所示：

發(fā)送能耗=發(fā)送功率×發(fā)送時(shí)間，

(4)

其中，發(fā)送時(shí)間取決于數(shù)據(jù)包大小、上行和下行的傳輸速率，其計(jì)算如式(5)所示：

發(fā)送時(shí)間=max( packet.volume×μ/speedup, packet.volume×(1-μ)/speeddown)，

(5)

式中，packet.volume表示數(shù)據(jù)包大小，μ表示上行數(shù)據(jù)量占包大小的比例，speedup和speeddown分別表示上行速率與下行速率，max表示在上行發(fā)送時(shí)間和下行發(fā)送時(shí)間之間取最大值。

發(fā)送功率可用式(6)計(jì)算：

發(fā)送功率= speedup×αu+ speeddown×αd+β，

(6)

因?yàn)榇嬖谥A(chǔ)功率β，所以還需要判斷傳輸過程中上行和下行的重疊時(shí)間。重疊發(fā)送時(shí)間的計(jì)算公式為：

重疊發(fā)送時(shí)間= min( packet.volume×μ/speedup, packet.volume×(1-μ)/speeddown),

(7)

其中，min表示在上行發(fā)送時(shí)間和下行發(fā)送時(shí)間中取最小值。

重疊發(fā)送功耗的計(jì)算公式為：

重疊發(fā)送能耗=重疊發(fā)送時(shí)間×(speedup×αu+ speeddown×αd+β)。

(8)

剩余發(fā)送能耗的計(jì)算公式為：

剩余發(fā)送能耗=剩余發(fā)送時(shí)間×剩余發(fā)送功率，

(9)

其中：剩余發(fā)送時(shí)間等于發(fā)送時(shí)間減去重疊發(fā)送時(shí)間。

剩余發(fā)送功率取決于在剩余發(fā)送時(shí)間中發(fā)送的是上行數(shù)據(jù)還是下行數(shù)據(jù)，如果是上行數(shù)據(jù)，剩余發(fā)送功率=speedup×αu+β，否則剩余發(fā)送功率=speeddown×αd+β。

于是，發(fā)送能耗的計(jì)算公式為：

發(fā)送能耗=重疊發(fā)送能耗+剩余發(fā)送能耗。

(10)

③尾能耗

尾能耗是指數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，蜂窩端口等待非活動(dòng)計(jì)時(shí)器達(dá)到閾值之前，或下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求產(chǎn)生之前，處于賦閑狀態(tài)所消耗的能量。

在LET網(wǎng)絡(luò)中，尾能耗主要發(fā)生在CONNECTED狀態(tài)的三個(gè)子狀態(tài)中。在數(shù)據(jù)傳輸完成后，蜂窩端口RRC狀態(tài)切換順序依次為：Continuous Reception→Short DRX→Long DRX→IDLE。共有三個(gè)非活動(dòng)計(jì)時(shí)器控制RRC狀態(tài)的切換，分別為Ta、Tb和Tc。尾功率也取決于RRC端口當(dāng)時(shí)的狀態(tài)。由于LTE的CONNECTED狀態(tài)中引入了DRX機(jī)制進(jìn)行節(jié)能，因此，在尾能耗統(tǒng)計(jì)函數(shù)中也需要DRX階段判斷函數(shù)，負(fù)責(zé)判斷下一個(gè)傳輸請(qǐng)求到來(lái)的時(shí)刻是處于DRX周期清醒階段還是沉睡階段。LTE尾能耗統(tǒng)計(jì)函數(shù)偽代碼描述如下：

if(尾時(shí)間

else if(尾時(shí)間>Ta&&尾時(shí)間

尾能耗1=連續(xù)接收態(tài)功率×Ta；

端口RRC狀態(tài)=DRX狀態(tài)判斷函數(shù)()；

if(端口RRC狀態(tài)處于Short DRX清醒階段)then

尾能耗2=Short DRX周期數(shù)×單個(gè)Short DRX周期能耗+Short DRX清醒階段功率×清醒期時(shí)間；

else尾能耗2=(Short DRX周期數(shù)+1)×單個(gè)Short DRX周期能耗；

尾能耗=尾能耗1+尾能耗2；

}

else if(尾時(shí)間>Ta+Tb&&尾時(shí)間

尾能耗1= 連續(xù)接收態(tài)功率×Ta；

尾能耗2= Short DRX周期功率×Tb；

端口RRC狀態(tài)=DRX狀態(tài)判斷函數(shù)()；

if(端口RRC狀態(tài)處于Long DRX清醒階段) then

尾能耗3=Long DRX周期數(shù)×單個(gè)Long DRX周期能耗+Long DRX清醒階段功率×清醒期時(shí)間；

else尾能耗3=(Long DRX周期數(shù)+1)×單個(gè)Long DRX周期能耗；

尾能耗=尾能耗1+尾能耗2+尾能耗3；

}

else尾能耗=連續(xù)接收態(tài)功率×Ta+ Short DRX周期功率×Tb+ Long DRX周期功率×Tc；

//end

④休眠能耗

休眠能耗是指端口處于IDLE狀態(tài)中，以DRX周期方式所消耗的能量。休眠能耗取決于休眠時(shí)間和下一次數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求到達(dá)時(shí)DRX處于清醒階段還是沉睡階段。

LTE蜂窩端口IDLE態(tài)DRX清醒或沉睡階段判斷函數(shù)偽代碼描述如下：

休眠時(shí)間=傳輸請(qǐng)求發(fā)生時(shí)刻-初始休眠時(shí)刻；

剩余時(shí)間=休眠時(shí)間%DRX周期時(shí)間;//%符號(hào)為取模符號(hào)

if(剩余時(shí)間

else端口處于DRX沉睡階段；

//end

當(dāng)端口處于DRX清醒階段時(shí)，由于數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求立即得到響應(yīng)，因此有：

休眠能耗=DRX周期數(shù)×IDLE態(tài)DRX周期能耗+清醒階段持續(xù)時(shí)間×清醒階段功率。

(11)

當(dāng)端口處于DRX沉睡階段時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求需要等到下一個(gè)DRX周期清醒階段才能獲得響應(yīng)，故有：

休眠能耗=(DRX周期數(shù)+1)×IDLE態(tài)DRX周期能耗。

(12)

1.2.3LTE蜂窩端口RRC狀態(tài)判斷函數(shù)

由于傳輸能耗模型是基于LET 蜂窩端口RRC狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間及其狀態(tài)切換來(lái)計(jì)算傳輸能耗，因此，還需要加上RRC狀態(tài)判斷函數(shù)來(lái)判斷下一次傳輸請(qǐng)求發(fā)生時(shí)LET蜂窩端口的RRC狀態(tài)。在LTE中，蜂窩端口可以細(xì)分為七種狀態(tài)：①連續(xù)接收態(tài)；②Short DRX清醒階段；③Short DRX沉睡階段；④Long DRX清醒階段；⑤Long DRX沉睡階段；⑥IDLE DRX清醒階段；⑦IDLE DRX沉睡階段。其端口RRC狀態(tài)判斷函數(shù)需要計(jì)算處于相應(yīng)狀態(tài)的時(shí)間凈值，用時(shí)間凈值對(duì)DRX周期取模，判斷剩余的時(shí)間是處于DRX周期的清醒階段還是沉睡階段。注意Ta、Tb和Tc這三個(gè)重要的非活動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)，無(wú)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生時(shí)，蜂窩端口才會(huì)切換至下一個(gè)能耗更低的RRC狀態(tài)。

2基于數(shù)據(jù)聚合的LET網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)能機(jī)制

在LET網(wǎng)絡(luò)中，尾能耗在傳輸能耗中占據(jù)比例巨大。基于此，本文對(duì)LTE的普通傳輸機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于聚合發(fā)送思想的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)能傳輸機(jī)制(aggregate-based energy saving data transmission, A-ESTD)，以便盡可能減少尾能耗帶來(lái)的額外能量花銷。

2.1數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求分類

根據(jù)延時(shí)容忍度和發(fā)送頻率的不同，本文將智能手機(jī)中的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求劃分為三類：

①即時(shí)型。該類數(shù)據(jù)最大的特點(diǎn)是需要即刻進(jìn)行傳輸，如QQ、微信等即時(shí)通訊軟件發(fā)送的聊天消息。

②延時(shí)型。該類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是對(duì)發(fā)送時(shí)間不敏感，可以在幾分鐘到幾小時(shí)內(nèi)推后發(fā)送，例如電子郵件、系統(tǒng)更新等。

③心跳型。該類數(shù)據(jù)也具有延時(shí)容忍度，但是其數(shù)值較小，一般在1分鐘到幾十分鐘之間。它還具有延時(shí)型數(shù)據(jù)所不具有的周期性。心跳型數(shù)據(jù)主要發(fā)生在：微博、移動(dòng)廣告等應(yīng)用為了保持TCP鏈路的長(zhǎng)連接狀態(tài)，定期與遠(yuǎn)端服務(wù)器交換微量數(shù)據(jù)包，以避免通訊鏈路中斷。

2.2A-ESTD機(jī)制的設(shè)計(jì)思路

在介紹A-ESDT機(jī)制原理之前，首先通過觀察一組在3 G和LET通信網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，了解在普通傳輸機(jī)制下，智能手機(jī)蜂窩端口的數(shù)據(jù)傳輸情況。模擬生成5次數(shù)據(jù)傳輸如表1所示。

在表1中，發(fā)送期限時(shí)間的值由延時(shí)容忍度和生成時(shí)間相加得到，它意味著在該時(shí)間到來(lái)之前必須發(fā)送該數(shù)據(jù)。在延時(shí)容忍度設(shè)置方面，將心跳型設(shè)置為1 min，延時(shí)型設(shè)置為5 min。從表1顯示：第1次和第2次數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求是心跳型，它們具有1 min的延時(shí)容忍度；第4次傳輸請(qǐng)求為延時(shí)型，它具有5 min的延時(shí)容忍度，因此，它們可以在各自容忍度內(nèi)進(jìn)行等待，與可能出現(xiàn)的下一次即時(shí)型數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行聚合，以減少尾能耗的出現(xiàn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

基于聚合思想，本文提出的A-ESTD機(jī)制的設(shè)計(jì)思路是采用延遲發(fā)送機(jī)制，將智能手機(jī)中具有延時(shí)容忍度的數(shù)據(jù)請(qǐng)求積攢到一起進(jìn)行發(fā)送，通過減少尾能耗的出現(xiàn)次數(shù)與持續(xù)時(shí)間，以及端口的提升次數(shù)來(lái)提高智能手機(jī)蜂窩端口的節(jié)能效率。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，先偵測(cè)蜂窩端口的RRC狀態(tài)，然后結(jié)合自身的數(shù)據(jù)傳輸類型判斷是立即發(fā)送還是加入等待隊(duì)列。如果數(shù)據(jù)請(qǐng)求符合立即發(fā)送的條件，則進(jìn)行發(fā)送，否則將其加入等待隊(duì)列。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能效率的穩(wěn)定，當(dāng)機(jī)制中心跳型和延時(shí)型數(shù)據(jù)在端口處于高能狀態(tài)(CONNECTED)時(shí)，使用即時(shí)型數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間間隔、延時(shí)等待隊(duì)列中的最早發(fā)送期限和心跳型數(shù)據(jù)的周期性三者共同計(jì)算既定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送概率，利用經(jīng)濟(jì)學(xué)中的機(jī)會(huì)成本概念，加入了對(duì)心跳型和延時(shí)型數(shù)據(jù)請(qǐng)求在未來(lái)聚合成功的概率進(jìn)行發(fā)送和等待的機(jī)會(huì)成本權(quán)衡，確定其發(fā)送策略。

2.3數(shù)據(jù)傳輸節(jié)能機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

2.3.1等待隊(duì)列與數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求處理策略

LTE的端口RRC主狀態(tài)只有CONNECTED和IDLE態(tài)，因此，心跳型數(shù)據(jù)只能在CONNECTED態(tài)中的連續(xù)接收子狀態(tài)下進(jìn)行傳輸。為此，LTE的數(shù)據(jù)請(qǐng)求等待隊(duì)列只設(shè)置一個(gè)，用于存放不符合立即發(fā)送條件的延時(shí)型數(shù)據(jù)請(qǐng)求和心跳型數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

A-ESDT傳輸機(jī)制在每次數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，采取的處理策略如下：

①對(duì)于即時(shí)型數(shù)據(jù)，不論蜂窩端口處于何種RRC狀態(tài)都要立即發(fā)送本次請(qǐng)求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

②對(duì)于心跳型和延時(shí)型數(shù)據(jù)，如果RRC狀態(tài)為CONNECTED態(tài)，首先在數(shù)據(jù)傳輸判斷機(jī)制上加入概率預(yù)測(cè)進(jìn)行機(jī)會(huì)成本的權(quán)衡，確定其發(fā)送策略，然后由發(fā)送策略確定數(shù)據(jù)是否傳輸。對(duì)于不能立即發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，將其加入等待隊(duì)列。

③在每次數(shù)據(jù)傳輸后，將等待隊(duì)列中的心跳型和延時(shí)型數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求一并進(jìn)行發(fā)送。

④等待隊(duì)列中的傳輸請(qǐng)求到達(dá)發(fā)送期限時(shí)，不論蜂窩端口RRC狀態(tài)如何，都立即進(jìn)行發(fā)送。

2.3.2機(jī)會(huì)成本權(quán)衡預(yù)判機(jī)制

經(jīng)濟(jì)學(xué)中的機(jī)會(huì)成本概念：為了做某件事情，而所要放棄的另一件事情的最大價(jià)值。對(duì)于LET網(wǎng)絡(luò)中的延時(shí)型和心跳型數(shù)據(jù)來(lái)說，當(dāng)蜂窩端口處于高能狀態(tài)時(shí)(CONNECTED)，它們可以有兩種互斥的操作選擇：①立即發(fā)送；②延時(shí)等待。因此，立即發(fā)送的機(jī)會(huì)成本就是損失端口已經(jīng)持續(xù)的尾能耗；而延時(shí)等待的機(jī)會(huì)成本是在它的延時(shí)容忍度內(nèi)聚合失敗，從而單獨(dú)產(chǎn)生一次完整的尾能耗。

如前所述，心跳型或延時(shí)型數(shù)據(jù)都具有一定的延時(shí)容忍度，因此本文需要計(jì)算這些類型數(shù)據(jù)的傳輸請(qǐng)求提出時(shí)刻到發(fā)送期限到來(lái)時(shí)刻之間的時(shí)間段內(nèi)下一次數(shù)據(jù)的發(fā)送概率。對(duì)于即時(shí)型數(shù)據(jù)的發(fā)送預(yù)判，采用時(shí)間序列預(yù)測(cè)中較為流行的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法[13]。預(yù)判機(jī)制實(shí)現(xiàn)原理如下：

首先考慮即時(shí)型數(shù)據(jù)的發(fā)送概率。設(shè)Ttolerant為本次延時(shí)型或心跳型數(shù)據(jù)請(qǐng)求的延時(shí)容忍度，Tarrive為數(shù)據(jù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)間，t1,t2,t3,…,tn為前n次即時(shí)型數(shù)據(jù)生成時(shí)間；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)工具，執(zhí)行單步預(yù)測(cè),得到下一次即時(shí)型數(shù)據(jù)的生成時(shí)間tn+1，其中tn+1=F(t1,t2,t3,…,tn)。利用古典概率定義，可以計(jì)算出即時(shí)型數(shù)據(jù)的發(fā)送概率，即本次數(shù)據(jù)請(qǐng)求的延時(shí)容忍度落入時(shí)間tn和tn+1之間的概率。此外還需要判斷下一次數(shù)據(jù)是即時(shí)型數(shù)據(jù)的概率。即有：

即時(shí)型數(shù)據(jù)發(fā)送概率=Ttolerant/(tn+1-Tarrive),

(13)

發(fā)送概率=即時(shí)型數(shù)據(jù)發(fā)送概率×P(數(shù)據(jù)請(qǐng)求為即時(shí)型),

(14)

其中，數(shù)據(jù)請(qǐng)求為即時(shí)型的概率通過統(tǒng)計(jì)的方法得出，即統(tǒng)計(jì)前m次數(shù)據(jù)請(qǐng)求中，即時(shí)型數(shù)據(jù)請(qǐng)求出現(xiàn)的次數(shù)為n，則數(shù)據(jù)請(qǐng)求為即時(shí)型的概率等于n/m。

發(fā)送概率還取決于延時(shí)等待隊(duì)列中的最早發(fā)送期限時(shí)間，當(dāng)延時(shí)等待隊(duì)列中的最早發(fā)送期限時(shí)間小于該次發(fā)送期限時(shí)間時(shí)，發(fā)送概率就等于1，否則為0。

發(fā)送概率也取決于心跳型數(shù)據(jù)的周期性產(chǎn)生。由于心跳型數(shù)據(jù)具有強(qiáng)烈的周期性，因此將過去的心跳型數(shù)據(jù)進(jìn)行不同應(yīng)用程序的分類。假設(shè)具有m類，即Y1,Y2,…,Ym，其延時(shí)容忍度分別為X1,X2,…,Xm。本文用一個(gè)大小為m的一維數(shù)組記錄每一類最近一次的發(fā)送時(shí)間T1,T2,…,Tm。當(dāng)該次數(shù)據(jù)請(qǐng)求的發(fā)送期限小于函數(shù)min(X1+T1,X2+T2,…,Xm+Tm)時(shí)，發(fā)送概率就等于1，否則為0。

比較三種方法中計(jì)算得到的發(fā)送概率，取三者之中的最大值，就是本次延時(shí)型或心跳型數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求在延時(shí)容忍度內(nèi)的下一次數(shù)據(jù)的發(fā)送概率。

2.3.3數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

LTE網(wǎng)輪中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)能機(jī)制的核心偽代碼編寫如下：

輸入：數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求

輸出：各部分傳輸能耗

Begin

if(數(shù)據(jù)請(qǐng)求是即時(shí)型){

傳輸該次請(qǐng)求；

傳輸?shù)却?duì)列中所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求；

}//end 即時(shí)型數(shù)據(jù)請(qǐng)求

else if(數(shù)據(jù)請(qǐng)求為心跳型或延時(shí)型){

if(當(dāng)前RRC狀態(tài)為CONNECTED){

計(jì)算端口已持續(xù)的尾能耗；

計(jì)算在該次數(shù)據(jù)請(qǐng)求的發(fā)送期限前，下一次數(shù)據(jù)的發(fā)送概率；

if((1-發(fā)送概率)*一次完整尾能耗>該次已持續(xù)的尾能耗){

發(fā)送該次數(shù)據(jù)請(qǐng)求；

傳輸?shù)却?duì)列的所有數(shù)據(jù)請(qǐng)求；

}

else 加入延時(shí)等待隊(duì)列;

}

else 加入延時(shí)等待隊(duì)列；

}//end心跳型和延時(shí)型數(shù)據(jù)請(qǐng)求

End。

3實(shí)驗(yàn)與節(jié)能效率分析

實(shí)驗(yàn)是利用本文構(gòu)建的傳輸能耗模型對(duì)智能手機(jī)的傳輸能耗進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)用的智能手機(jī)型號(hào)為HTC G1。實(shí)驗(yàn)中，將LTE網(wǎng)絡(luò)的速率設(shè)置為上行2 Mbps和下行5 Mbps。為了方便與上文的普通發(fā)送機(jī)制進(jìn)行傳輸能耗的對(duì)比，使用表1中的5次傳輸請(qǐng)求隊(duì)列作為能耗模型的輸入。

表2是在采用A-ESDT傳輸機(jī)制后，蜂窩端口發(fā)送請(qǐng)求時(shí)間點(diǎn)、實(shí)際傳輸時(shí)間點(diǎn)與傳輸完成時(shí)間點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可以發(fā)現(xiàn)，采用A-ESDT機(jī)制進(jìn)行傳輸后，第1次和第2次數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求進(jìn)行了聚合發(fā)送；第3次、第4次和第5次數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求進(jìn)行了聚合發(fā)送。聚合發(fā)送后，蜂窩端口由IDLE→DCH的提升次數(shù)減少了1次，總的尾能耗持續(xù)時(shí)間降低了約47%，實(shí)現(xiàn)了整體傳輸能耗的節(jié)約。

表2　A-ESDT傳輸機(jī)制時(shí)間點(diǎn)

圖1展示了采用普通傳輸機(jī)制和A-ESDT機(jī)制傳輸在LTE網(wǎng)絡(luò)中各部分傳輸能耗的對(duì)比情況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看到，LTE采用A-ESDT機(jī)制進(jìn)行傳輸后，提升能耗相對(duì)普通傳輸降低了33.3%，尾能耗降低了48.3%，休眠能耗增加了112.5%，總能耗降低了45.1%。這是因?yàn)樵诓捎肁-ESDT機(jī)制后，降低了尾能耗出現(xiàn)的幾率與持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。延遲傳輸和聚合發(fā)送使得不同的數(shù)據(jù)請(qǐng)求可以共享一次尾能耗，減少了蜂窩端口的啟動(dòng)次數(shù)，延長(zhǎng)了端口保持在休眠狀態(tài)進(jìn)行節(jié)能的時(shí)間。

為了測(cè)試不同的發(fā)送次數(shù)本文機(jī)制的節(jié)能效率，筆者對(duì)A-ESDT機(jī)制分別做蜂窩端口3次、5次、10次、20次、30次、50次、80次和100次的傳輸請(qǐng)求實(shí)驗(yàn)，得到的不同傳輸請(qǐng)求次數(shù)中A-ESDT機(jī)制的節(jié)能效率如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著發(fā)送次數(shù)的增加，利用A-ESDT機(jī)制進(jìn)行傳輸節(jié)約能耗的絕對(duì)值隨著總能耗的增加而逐漸增加，A-ESDT機(jī)制的節(jié)能效率在多次傳輸后也維持在27%左右。這是因?yàn)锳-ESDT機(jī)制通過對(duì)心跳型和延時(shí)型數(shù)據(jù)在蜂窩端口處于高能狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)會(huì)成本權(quán)衡預(yù)判，改進(jìn)了發(fā)送策略，避免了這兩類數(shù)據(jù)無(wú)謂地延長(zhǎng)尾能耗持續(xù)時(shí)間，達(dá)到了提高節(jié)能效率的目的。

圖1普通發(fā)送機(jī)制與A-ESDT

發(fā)送機(jī)制間傳輸能耗對(duì)比

Fig.1Thecomparison of various transmission

energy between normal transmission

and A-ESDT Mechanism

圖2不同傳輸請(qǐng)求次數(shù)中EA-ESDT

機(jī)制的節(jié)能效率

Fig.2The A-ESDT mechanism’s energy

saving efficiency among different

transmission request times

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)智能手機(jī)蜂窩端口在LTE網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的尾能耗特性進(jìn)行分析，基于RRC狀態(tài)機(jī)構(gòu)建了LTE網(wǎng)絡(luò)的傳輸能耗模型，為節(jié)能傳輸機(jī)制的研究奠定了實(shí)驗(yàn)環(huán)境基礎(chǔ)。在傳輸能耗模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于聚合傳輸思想的尾能耗優(yōu)化A-ESDT傳輸機(jī)制，該機(jī)制將聚合傳輸和機(jī)會(huì)成本權(quán)衡的思想運(yùn)用到智能手機(jī)的尾能耗優(yōu)化策略中，將蜂窩端口的RRC狀態(tài)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求類型及延時(shí)容忍度內(nèi)聚合成功幾率作為傳輸或延遲傳輸?shù)呐袛嘁罁?jù)，利用聚合傳輸有效地降低了尾能耗比例，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效率的穩(wěn)定。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了A-ESDT機(jī)制的有效性和可行性。

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(責(zé)任編輯梁碧芬)

On the optimization strategy of tail energy of smart phones in LET network

LI Tao-shen1,2, LI Ming-li1, GE Zhi-hui1,2

(1.School of Computer, Electronics and Information, Guangxi University, Nanning 530004, China;2. Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Parallel and Distributed Computing, Nanning 530004, China)

Abstract:The frequency and micro scale characteristics of data transmission in smart phones increase the frequency of occurrence and proportion of tail energy, which decreases the utilization rate of transmission energy. In order to reduce the tail energy of smart phones in LET network, a transfer energy consumption model based on the RRC state machine in LTE network is built, and a data aggregation-based energy saving data transmission mechanism (A-ESTD) is proposed. This mechanism takes data transmission types and cellular port recent RRC state into account to decide whether transmits the data instantly or later. Meanwhile, taking the periodicity of instant and heartbeat-type data and the earliest deadline in the waiting queue together into consideration, it adds the probability prediction into the original data transmission judgment to weigh the opportunity cost. The simulation results show that the mechanism enhances the energy efficiency compared to the normal mechanism, and can achieve stable energy saving efficiency that maintains at about 27%.

Key words:smart phones; LET(long term evolution) network; tail energy; optimization strategy; aggregation

中圖分類號(hào):TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)02-0526-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0526

通訊作者：李陶深(1957—)，男，廣西南寧市人，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；E-mail: tshli@gxu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61363067)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012GXNSFAA053226)

收稿日期：2015-12-05；

修訂日期：2016-01-12

引文格式：李陶深，李明麗，葛志輝.智能手機(jī)在LTE網(wǎng)絡(luò)中的尾能耗節(jié)能優(yōu)化策略研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(2)：526-534.