基于IEEE 802.11 PCF的光載無線網(wǎng)絡(luò)接入控制協(xié)議能效分析

官 錚 錢文華 何 敏 楊志軍,2

(1云南大學(xué)信息學(xué)院, 昆明 650091)(2云南省教育廳教育科學(xué)研究院, 昆明 650223)

基于IEEE 802.11 PCF的光載無線網(wǎng)絡(luò)接入控制協(xié)議能效分析

官 錚1錢文華1何 敏1楊志軍1,2

(1云南大學(xué)信息學(xué)院, 昆明 650091)(2云南省教育廳教育科學(xué)研究院, 昆明 650223)

為提高網(wǎng)絡(luò)能效,提出了一種基于IEEE 802.11 PCF工作模式的并行門限服務(wù)輪詢(PGP)接入控制策略,用于光載無線分布式天線系統(tǒng)的媒體接入控制中.首先,通過休眠/喚醒和捎帶機制降低接入能耗,通過門限服務(wù)方式提高數(shù)據(jù)傳輸效率,從而實現(xiàn)接入能效的提升;然后,建立平均周期分析模型,得到接入能效與系統(tǒng)負載、數(shù)據(jù)到達率等參數(shù)之間的定量關(guān)系閉式表達式;最后,通過仿真實驗對所提出的接入策略進行性能測試.測試結(jié)果表明,PGP系統(tǒng)接入能效最高可達到PCF的700%和綠色輪詢的350%.

光載無線網(wǎng)絡(luò);媒體接入控制協(xié)議;輪詢;能效

RoF-DAS中基站在下行鏈路采用同播方式,通過多個遠程天線單元RAU向用戶站點傳輸無線信號,用戶站點的上行數(shù)據(jù)經(jīng)RAU轉(zhuǎn)換為光信號后,通過不同長度的光纖鏈路接入位于中心局的網(wǎng)絡(luò)接入點AP.目前,針對RoF-DAS系統(tǒng)的研究以網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的設(shè)計和鏈路實現(xiàn)為主[1-2].在MAC協(xié)議研究中,關(guān)于RoF架構(gòu)對傳統(tǒng)無線通信MAC協(xié)議影響的討論較多,針對RoF新型MAC協(xié)議設(shè)計的研究相對較少.RoF-DAS的無線接入基本沿用了無線局域網(wǎng)的隨機接入DCF機制.然而,RoF-DAS固有的中心處理機制和多RAU的分布式特征決定了PCF接入方式更有利于分布式動態(tài)光載無線接入的實現(xiàn)[3].

基本的PCF接入方式存在靈活性差和信道利用率低等不足.大量研究以系統(tǒng)吞吐量、時延等性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù),對PCF進行優(yōu)化[3-7],較少考慮系統(tǒng)能耗因素.近年來,隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不斷擴大和基站的密集分布,部分學(xué)者開始關(guān)注高能效MAC協(xié)議設(shè)計[8-10].文獻[9]通過捎帶技術(shù)和休眠機制改進了系統(tǒng)能耗,但仍存在數(shù)據(jù)傳輸效率低和未考慮光纖引入時延等不足.文獻[10]通過優(yōu)化覆蓋區(qū)域內(nèi)的RAU數(shù)量來實現(xiàn)能效的提升,但在能效分析和評估方法上仍采用計算機仿真,缺乏一種有效的理論分析模型.Palacios等[11]建立了輪詢控制模式下的數(shù)據(jù)包接入能效計算模型,但該模型僅能完成最優(yōu)能效計算,無法體現(xiàn)數(shù)據(jù)到達率等環(huán)境參數(shù)對能效的影響.

本文以提高數(shù)據(jù)傳輸效率、降低系統(tǒng)能耗為目的,從數(shù)據(jù)聚合和動態(tài)休眠機制的角度,提出了一種并行門限服務(wù)方式下的PCF優(yōu)化接入策略,并建立平均周期能效分析模型,完成接入能效與站點隊長、查詢周期之間的定量關(guān)系分析.

1 PGP控制模型

基于IEEE 802.11 PCF,采用輪詢控制來實現(xiàn)PGP接入模式的執(zhí)行過程.在PCF接入方式下,AP在無競爭周期(CFP)期間依照輪詢表順序向終端站點發(fā)送查詢請求,站點正確接收輪詢請求后向AP發(fā)送1個數(shù)據(jù)幀;若請求站點無數(shù)據(jù)則回傳一個空幀,AP完成確認后向下一站點發(fā)出輪詢請求.由于輪詢請求和確認階段無有效數(shù)據(jù)傳輸,站點間的頻繁切換和對空閑站點的請求都將造成網(wǎng)絡(luò)能耗增加以及吞吐量降低.

相比于PCF,PGP的優(yōu)點在于:① 采用并行機制,通過捎帶方式將站點請求和數(shù)據(jù)確認過程并行處理,以此降低控制幀開銷;② 采用數(shù)據(jù)聚合服務(wù),發(fā)送站點查詢時刻前到達的所有數(shù)據(jù),以提高傳輸效率;③ 采用休眠機制,對空閑站點和活動站點分別設(shè)置休眠和喚醒策略,減小偵聽和接收能耗.

1.1 并行機制

PGP在AP發(fā)往當(dāng)前站點的確認幀(ACK)中捎帶對下一站點的請求信息,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和請求的并行處理.若請求對象有數(shù)據(jù)發(fā)送,則在接收到該ACK后經(jīng)過一個SIFS時間開始發(fā)送數(shù)據(jù);若請求對象無數(shù)據(jù)發(fā)送而處于休眠狀態(tài),則無站點回應(yīng).如果AP在等待時間TPIFS*后仍未收到有效數(shù)據(jù),則向下一站點發(fā)送輪詢請求,其中TPIFS*=TPIFS+TACK,TACK為ACK發(fā)送時間,TPIFS為引入光纖傳輸時延后PIFS時間TPIFS_IEEE802.11的修正值,作為全局參數(shù),TPIFS=TPIFS_IEEE802.11+2L×5,考慮到RAU的分布式部署,光纖長度L應(yīng)按最遠端RAU計算[12].

1.2 數(shù)據(jù)聚合服務(wù)方式

相較于PCF每次輪詢僅允許站點發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組,PGP規(guī)定在AP訪問時刻之前到達的所有數(shù)據(jù)均在本輪服務(wù)過程中發(fā)送,起到了分組聚合的作用.如圖1所示,當(dāng)STA1接收到AP的請求信息時緩存中有3個數(shù)據(jù)分組,則這3個數(shù)據(jù)分組均可在本輪服務(wù)過程中發(fā)送.圖中,Pt為發(fā)送功率;Pr為接收功率;Pi為偵聽功率;Ps2i,Pi2s分別為休眠、喚醒轉(zhuǎn)換功率；Ps為休眠功率;Tsw為休眠、喚醒轉(zhuǎn)換時間.

圖1 PGP接入模式

1.3 休眠/喚醒機制

PGP采用動態(tài)休眠/喚醒機制.AP發(fā)送信標(biāo)(B)和CFP結(jié)束幀(CE)標(biāo)記CFP的起始和終止.站點根據(jù)緩存區(qū)狀態(tài)選擇對應(yīng)的休眠模式.休眠模式包括如下2種:① 空閑站點(如STA2)在接收信標(biāo)后完成NAV更新,隨后立即進入休眠狀態(tài),并根據(jù)時間戳在NAV結(jié)束前被喚醒.站點在休眠期間如有數(shù)據(jù)到達,則在喚醒后等待AP的輪詢請求,在回復(fù)的ACK中標(biāo)記待發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)量,并在下一輪CFP中傳輸.若站點持續(xù)空閑,則在下一輪CFP完成NAV更新后進入休眠狀態(tài).② 活動站點(如STA1,STA3)在完成數(shù)據(jù)發(fā)送后計算NAV剩余時間,若剩余時間大于狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時間(2Tsw),則進入休眠狀態(tài);否則,在下一輪完成NAV更新后,根據(jù)緩沖區(qū)狀態(tài)決定是否休眠.

2 能效分析

(1)

式中,下標(biāo)X表示接入機制類型,且X∈{PCF,PGD}.

2.1 數(shù)學(xué)模型及假設(shè)條件

假設(shè)信道處于理想狀態(tài),站點緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)溢出,且信道糾錯由物理層差錯檢測機制處理.系統(tǒng)包含N個站點,令隨機變量ξi(n)表示AP在tn時刻輪詢站點時站點i(i=1,2,…,N)中等待的數(shù)據(jù)分組數(shù),則系統(tǒng)狀態(tài)變量為{ξ1(n),…,ξi(n),…,ξN(n)}.AP完成與站點i的數(shù)據(jù)交換,在tn+1時刻輪詢站點i+1,此時系統(tǒng)狀態(tài)變量為{ξ1(n+1),…,ξi(n+1),…,ξN(n+1)}.

站點i需滿足如下假設(shè)條件:

若系統(tǒng)滿足穩(wěn)定工作條件∑λi(βi+γi)<1[13],則具有如下的穩(wěn)態(tài)概率分布:

(2)

式中,P[ξi(n)=xi;i=1,2,…,N]為系統(tǒng)狀態(tài)的概率分布;πi(x1,x2,…,xN)為系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)態(tài)分布.

AP在tn時刻查詢站點i時系統(tǒng)狀態(tài)的概率母函數(shù)為

Gi(z1,z2,…,zi,…,zN)=

(3)

(4)

由式(3)可得,AP在tn+1時刻查詢站點i+1時系統(tǒng)狀態(tài)變量的概率母函數(shù)為

(5)

按照PCF接入方式時,有

Gi+1(z1,z2,…,zi,…,zN)=

[Gi(z1,z2,…,zi,…,zN)-

(6)

按照PGP接入方式時,有

Gi+1(z1,z2,…,zi,…,zN)=

(7)

2.2 性能分析

2.2.1 PCF的性能分析

(8)

CFP周期內(nèi)平均有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組數(shù)為

(9)

當(dāng)∑λi(βi+γi)≥1時,系統(tǒng)處于過飽和狀態(tài),此時的平均查詢周期和平均發(fā)送數(shù)據(jù)量分別為

(10)

(11)

2.2.2 PGP性能分析

令gi,j表示站點i在tn時刻開始接受查詢時站點j緩存中平均排隊的數(shù)據(jù)分組數(shù),可由系統(tǒng)狀態(tài)概率母函數(shù)一階求導(dǎo)得到,即

站點i在接受查詢時處于空閑狀態(tài),站點j緩存中平均排隊的數(shù)據(jù)分組數(shù)為

i=1,2,…,N;j=1,2,…,N

(13)

根據(jù)式(7)和(12)可得

(14)

(15)

由式(14)和(15)計算可得

(16)

根據(jù)站點數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)則,當(dāng)前服務(wù)的數(shù)據(jù)包均為上一循環(huán)周期內(nèi)到達,因此有

(17)

由式(16)和(17)計算得到

(18)

式中,lambertw()為朗伯W函數(shù).

當(dāng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件∑λiβi<1時,有

(19)

(20)

2.3 能耗分析

2.3.1 PCF 能耗分析

CFP周期中,AP及站點產(chǎn)生的總能耗包括發(fā)送能耗Et、接收能耗Er和偵聽能耗Ei.PCF接入總能耗為

EPCF=Et+Er+Ei

(21)

式中

Ei=(TPIFS+(2N+1)TSIFS)(N+1)Pi

式中,TB,TCE,TSIFS分別為信標(biāo)、CFP結(jié)束幀發(fā)送時間和短時幀間間隔時間.

將式(21)和(9)代入式(1),可以得出PCF策略接入能效計算閉式表達式.

2.3.2 PGP能耗分析

PGP將對空閑站點進行休眠.定義N(1)和N(0)分別為輪詢周期中活動站點和空閑站點的平均數(shù)量,則

(22)

(23)

輪詢周期內(nèi)始終保持活動狀態(tài)的站點數(shù)量為

(24)

式中

PGP因引入休眠機制而增加休眠能耗Es以及休眠/喚醒轉(zhuǎn)換能耗Esw,接入總能耗EPGP為

EPGP=Et+Er+Ei+Es+Esw

式中

N(0)(TPOLL+2TACK)+TCE)Pt

Er= (NTB+KTCE)Pr+

Ei= (N+1)TPIFSPi+(N(1)(N(1)+2)+

K(K-1)+2N(1)+1)TSIFSPi

Esw=(N-K)(TswPi2s+TswPs2i)

Es=TsPs

(TCE-2Tsw)(N-K)

(25)

式中,TPOLL為請求幀發(fā)送時間.

將式(25)和(19)代入式(1),可以得出PGP策略接入能效計算閉式表達式.

3 仿真實驗和數(shù)值分析

假設(shè)信道為理想狀態(tài),所有信息分組成功發(fā)送.仿真實驗在Matlab平臺上完成,生成隨機序列模擬各站點中單位時間內(nèi)到達的數(shù)據(jù)分組數(shù)量.參照IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)(見表1).

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

仿真環(huán)境包含1個AP和20個站點,最遠RAU光纖長2 km.時間軸按時隙劃分,1個時隙為100 μs.系統(tǒng)負載隨數(shù)據(jù)到達率的變化而改變.

相同環(huán)境參數(shù)下PGP,GP和PCF接入能效比較結(jié)果見圖2.圖中結(jié)果為1 000次蒙特卡洛實驗統(tǒng)計結(jié)果.由圖可知,相同參數(shù)設(shè)置下,數(shù)據(jù)到達率小于0.01時系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),PGP能效最高可達GP的350%和PCF的700%;數(shù)據(jù)到達率大于0.01時,GP和PCF雖然能維持最高能效,但此時系統(tǒng)已處于過飽和狀態(tài),無法提供時延保障.究其原因在于,低數(shù)據(jù)到達率情況下站點空閑率較高,PCF能量消耗以控制信息收發(fā)和空閑偵聽為主,未能產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)吞吐量;隨著數(shù)據(jù)到達率的增加,能效隨有效數(shù)據(jù)交換率的增加而提高.GP通過休眠降低了能耗,但與PCF相同,每次查詢僅允許一個有效數(shù)據(jù)發(fā)送至AP,低傳輸效率成為接入能效提升的瓶頸.相對而言,PGP通過休眠/喚醒機制減少低負載環(huán)境下的空閑偵聽.如圖3所示,PGP偵聽及接收能耗占總能耗的百分數(shù)相比PCF顯著降低.此外,數(shù)據(jù)聚合發(fā)送方式提高了高負載時的有效數(shù)據(jù)吞吐量,有利于接入能效的提升.

圖2 接入能效比較圖

(a) PCF接入方式

(b) PGP接入方式

當(dāng)丟包率分別為0,1%和5%時,系統(tǒng)接入能效仿真值與理想信道接入能耗理論分析值的對比見圖4.圖中結(jié)果為1 000次蒙特卡洛實驗統(tǒng)計結(jié)果.由于理論模型中未考慮重傳和丟包率因素,故隨著丟包率的增加,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量減少,理論分析值與仿真值之間的偏差相應(yīng)增大.

圖4 不同丟包率下PGP接入能效計算結(jié)果

4 結(jié)論

1) 并行門限服務(wù)輪詢接入控制策略通過休眠/喚醒和捎帶機制降低能耗，采用門限服務(wù)方式提高數(shù)據(jù)接入效率，從而實現(xiàn)了接入能效的提升.

2) 相同網(wǎng)絡(luò)條件下，并行門限服務(wù)輪詢接入控制策略能效最高可達IEEE802.11 PCF接入策略的700%.

3) 平均周期分析模型可用于輪詢控制類接入控制策略的能效分析，實現(xiàn)系統(tǒng)接入能效與系統(tǒng)負載、數(shù)據(jù)到達率等參數(shù)之間的定量關(guān)系分析.

4) 基于平均周期分析模型的系統(tǒng)接入能效理論分析值與理想信道環(huán)境下仿真值基本一致，兩者之間的誤差隨丟包率增加而增加.

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Energy efficiency analysis of access control protocol for radio on fiber network based on IEEE 802.11 PCF

Guan Zheng1Qian Wenhua1He Min1Yang Zhijun1,2

(1School of Information Science and Technology, Yunnan University, Kunming 650091, China)(2Educational and Scientific Institute, Educational Department of Yunnan Province, Kunming 650223, China)

To improve the network energy efficiency, an access control protocol named parallel-gated poll (PGP) based on IEEE 802.11 point coordination function (PCF) is proposed for the media access control (MAC) of radio-over-fiber based distributed antenna systems (RoF-DAS). First, the sleep/awake mechanism and the piggyback mechanism are developed to reduce the energy consumption. The parallel gated service mechanism is used to improve the transmit efficiency, and then the access energy efficiency is increased. Secondly, the average period analysis model is built to obtain the closed form expressions for the quantitative relationship among the energy efficiency, the traffic load and the data arrival rate. Finally,the performance of the proposed protocol is tested by simulation experiments. The experimental results demonstrate that the energy efficiency for network access of PGP is 700% of that of the PCF, and 350% of that of the green poll (GP).

radio on fiber network; media access control protocol; polling; energy efficiency

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.005

2016-10-11. 作者簡介: 官錚(1982—),女,博士,副教授,gz_627@sina.com.

國家自然科學(xué)基金資助項目(61461054,61463049,61463051)、云南省教育廳科學(xué)研究資助項目(2014Z010).

官錚,錢文華,何敏,等.基于IEEE 802.11 PCF的光載無線網(wǎng)絡(luò)接入控制協(xié)議能效分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(3):444-449.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.005.

TN929.5

A

1001-0505(2017)03-0444-06