CN101272557B - 移动站点休眠模式节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动站点休眠模式节能方法，在移动站点向基站发出休眠请求，并获得基站休眠响应后，进入休眠模式，基站返回给移动站点的参数有：初始休眠窗口长度T_min、最大休眠窗口基数B和最大休眠窗口指数E，最大休眠窗口长度T_max按照T_max＝B*2^E获得，第二个休眠窗口长度T₂为T_min，当2T_min＞T_max时，T₂＝T_max，从第三个休眠窗口开始，休眠窗口长度T_k＝T_min*Int[(k-1)²/2]，k表示第k个休眠窗口，当T_k＞T_max时，T_k＝T_max，移动站点处于休眠窗口状态时，停止收发数据。移动站点按照本发明提出的休眠窗口长度增长方式工作，产生的能耗和响应时间都有明显减小，综合性能提高。

Description

移动站点休眠模式节能方法

技术领域

本发明属于一种移动通信站点节能领域，尤其涉及一种基于IEEE802.16e标准的MAC(媒介访问控制)层的移动站点休眠模式节能方法。

背景技术

IEEE802.16e(美国电气与电子工程师学会制定的通信协议，编号为802.16e)标准在IEEE802.16基础上增加了支持移动性的功能，如何通过节能机制减少能量消耗、延长移动站点的电池使用时间成为IEEE802.16e系统中一个非常重要的问题。在IEEE802.16e国际标准中，移动站点和基站有两种操作模式：唤醒模式(wake-mode)和休眠模式(sleep-mode)。唤醒模式表示移动站点处于数据收发的通信状态，所有通信模块都打开处于工作状态；休眠模式表示移动站点在预协商的时间间隔内停止数据收发，所有通信模块都处于关闭状态以节省能量消耗。

休眠模式中包含有两种操作窗口：休眠窗口(sleep window)和侦听窗口(listening window)，休眠模式在两种窗口中切换。在休眠窗口中，移动站点的通信模块处于关闭状态，如果来自网络侧的的SDU(服务数据单元)在移动站点休眠期到达基站，则该SDU在基站的缓冲队列中缓存下来，直到移动站点返回唤醒状态再将SDU发送给移动站点。在侦听窗口中，移动站点需要与服务的基站取得下行同步，并侦听基站的指示消息以决定保持休眠模式或回到唤醒模式。

移动站点在唤醒模式下如果有一段时间(时间长度根据具体情况设定)没有进行数据收发，就向基站发送休眠请求报文，在获得基站的休眠响应报文后，移动站点进入休眠模式。休眠响应报文通常包含的参数有：休眠起始时间、初始休眠窗口长度T_min、最大休眠窗口基数B、最大休眠窗口指数E、侦听窗口长度T_L。最大休眠窗口长度T_max按照T_max＝B*2^E获得。从休眠起始时间开始的第一个休眠窗口为初始休眠窗口。进入休眠状态的移动站点在一个休眠窗口结束后，醒来侦听基站是否有SDU发送给它，若有，则转入唤醒模式，反之则继续休眠模式，进入下一个休眠窗口。

IEEE802.16e标准中定义了三种PSC(节能类型)，其中用于BE(尽力而为)业务及nrtPS(非实时轮询)业务的PSC最具有代表性，主要为用户提供网页浏览、FTP(文件传输协议)等服务，其中的休眠窗口长度按指数方式增长：在第一个休眠时段，休眠窗口长度为最小休眠时间长度T_min，之后的每一个休眠窗口长度为前一个休眠窗口长度的2倍，可表示为2^k-1T_min，其中k≥1，表示第k个休眠窗口，如图1所示。当2^k-1T_min大于最大休眠窗口时间长度T_max时，取T_ax为休眠窗口长度，第k个休眠窗口长度T_k可用下式表示：

$T_k=\left\{\begin{array}{cc}{2}^{k-1}{T}_{\min },& (2^{k-1}{T}_{\min }<T_{\max })\\ T_{\max },& (2^{k-1}{T}_{\min }\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.$

在IEEE802.16e中，将一个休眠窗口和与之对应的侦听窗口定义为一个休眠周期，第k个休眠周期时间长度S_k为：

S_k＝T_k+T_L    

移动通信系统一方面强调低能耗，另一方面也强调响应的时效性，因此平均等待时间和平均能量消耗是考察休眠机制性能的主要指标。SDU从网络侧到达基站的过程服从泊松分布，到达率为λ。休眠模式下，移动站点的平均等待时间E[T_W]可以用下式得出：

$E\left(T_W\right)=(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{S}_1})S_1/2+\underset{j=2}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}^{-\mathrm{\&lambda;}\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_I}(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{S}_j})S_j/2$

设休眠窗口和侦听窗口单位时间能耗分别为E_S和E_L，平均能量消耗E[E_n]可用下式得出：

$E\left(E_n\right)=(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{S}_1})(T_1{E}_S+T_L{E}_L)+\underset{j=2}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{e}^{-\mathrm{\&lambda;}\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_i}(1-e^{-\mathrm{\&lambda;}{S}_j})\underset{k=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}(T_k{E}_s+T_L{E}_L)$

移动站点采用这种休眠窗口长度以指数方式增长的节能机制，在SDU到达率降低时，移动站点在休眠模式中的能量消耗将快速增加，节能效果有限，平均等待时间也不够短。由于电池能量有限，用户都希望在相同的业务下能耗更少，使用时平均等待时间更短，为此，有些研究者对这种节能机制进行了改进。Fangmin Xu等提出了一种基于到达率的节能方法(A Novel Adaptive EnergySaving Mode in IEEE 802.16e System.Military Communication Conference，2006.MILCOM 2006 23-25 Oct.2006：1-6.)，在到达率高的时候采用较小的初始休眠窗口和较小的最大休眠窗口，到达率低时采用较大的初始休眠窗口和较大的最大休眠窗口，与指数增长节能机制相比，能耗降低8％，但是平均等待时间增加了11％。刘利等提出的线性增长方式(IEEE 802.16e休眠模式算法的研究和改进.计算机学报，Vol.30，No.1，2007.1：146-152.)，在减少平均等待时间上有较好的效果，但是节能效果不明显，只有在到达率极低时在功耗方面不比指数增长差。

现有技术的缺陷是：节能效果有限，平均等待时间也不够短。虽然有人对此进行了改进，但是综合性能都不是很理想。

发明内容

本发明的目的是提出一种移动站点休眠模式节能方法，能够综合降低移动站点处于休眠模式下的能耗，缩短平均等待时间。

本发明的具体方案是：一种移动站点休眠模式节能方法，在移动站点向基站发出休眠请求报文，并获得所述基站的休眠响应报文后，该移动站点进入休眠模式，该休眠响应报文包含的参数有：休眠起始时间、初始休眠窗口长度T_min、最大休眠窗口基数B和最大休眠窗口指数E，所述初始休眠窗口即从休眠起始时间开始的第一个休眠窗口，所述移动站点休眠窗口长度按顺序逐渐增加，最大休眠窗口长度T_max按照T_max＝B*2^E获得，所述移动站点处于休眠窗口状态时，停止收发数据，其关键在于：第二个休眠窗口的长度T₂为

$T_2=\left\{\begin{array}{cc}2*T_{\min },& (2*T_{\min }<T_{\max })\\ T_{\max },& (2*T_{\min }\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.;$

从第三个休眠窗口开始，随后的休眠窗口长度为

$T_k=\left\{\begin{array}{cc}{T}_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2],& (T_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2]<T_{\max })\\ T_{\max },& (T_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2]\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.,$

式中，k为大于2的正整数，表示休眠窗口顺序编号，T_k表示第k个休眠窗口大小，Int[·]表示向下取整运算，所述移动站点按照给定的休眠窗口长度休眠。

本发明是基于IEEE802.16e标准，对休眠窗口增长方式进行的改进，这种增长方式我们把它叫做退步平方增长。由于在k＝2时，由此算出T₂＝0，没有意义，因此第二个休眠窗口长度与其他休眠窗口增长方式不同。

所述休眠响应报文还包含有参数：侦听窗口长度T_L，所述休眠模式在所述休眠窗口与侦听窗口中切换。侦听窗口长度为固定值，在整个休眠模式中保持不变。

移动站点发出休眠请求报文，获得基站的休眠响应报文之后，就进入休眠模式。休眠模式下，移动站点在休眠窗口和侦听窗口间切换，当侦听到基站有SDU发送给它时，转入唤醒模式。如果移动站点在休眠模式下，休眠窗口的长度达到最大休眠窗口长度，在没有侦听到基站有SDU发送给它时，移动站点继续处于休眠模式，此时休眠窗口长度固定为最大休眠窗口长度。

这里比较在相同参数下，随着到达率的升高，移动站点分别采用指数增长方式和退步平方增长方式的平均能量消耗E[E_n]以及平均等待时间E[T_w]。

当T_max＝1024ms，T_L＝1ms，T_min＝5ms，E_S＝1，E_L＝10，到达率λ(SDU/s，即SDU/秒)从1到50变化时，两种增长方式产生的平均能量消耗和平均等待时间的对比分别如图2(a)、2(b)所示。从图2(a)可知，在到达率低的情况下，移动站点休眠窗口长度按本发明增长产生的平均能量消耗相对于指数增长方式而言，有所降低，尤其在到达率小于30SDU/s时，平均能耗降低10％左右。从图2(b)所知，在到达率小于30SDU/s的范围内，平均等待时间减少了30％以上。

图3、图4分别显示了相对于图2而言其他参数不变，仅改变T_min的大小时，移动站点分别采用两种增长方式产生的平均能耗与平均等待时间的对比，其中图3中T_min＝1ms，图4中T_min＝20ms。图5显示了相对图2而言，其他参数不变，仅改变T_max的大小时，移动站点分别采用两种增长方式产生的平均能耗与平均等待时间的对比。对比结果均表明：相对指数增长方式，移动站点采用退步平方增长方式时，产生的平均能耗明显要小，产生的平均等待时间明显要短。

本发明的显著效果是：提出一种移动站点休眠模式节能方法，通过改进基于IEEE802.16e标准的移动站点休眠窗口长度增长方式，有效地降低了移动站点处于休眠模式下的能耗，并缩短了平均等待时间，提高了移动站点的综合性能。

附图说明

图1是IEEE802.16e国际标准规定的休眠模式示意图；

图2是移动站点采用本发明与指数增长方式产生的平均能耗和平均等待时间上的对比，分别用带星和带圈曲线表示，(a)为平均能耗对比，(b)为平均等待时间对比，两种方式采用相同的参数：T_max＝1024ms，T_L＝1ms，T_min＝5ms，E_S＝1，E_L＝10；

图3是移动站点采用本发明与指数增长方式产生的平均能耗和平均等待时间上的对比，分别用带星和带圈曲线表示，(a)为平均能耗对比，(b)为平均等待时间对比，两种方式采用相同的参数：T_max＝1024ms，T_L＝1ms，T_min＝1ms，E_S＝1，E_L＝10；

图4是移动站点采用本发明与指数增长方式产生的平均能耗和平均等待时间上的对比，分别用带星和带圈曲线表示，(a)为平均能耗对比，(b)为平均等待时间对比，两种方式采用相同的参数：T_max＝1024ms，T_L＝1ms，T_min＝20ms，E_S＝1，E_L＝10；

图5是移动站点采用本发明与指数增长方式产生的平均能耗和平均等待时间上的对比，分别用带星和带圈曲线表示，(a)为平均能耗对比，(b)为平均等待时间对比，两种方式采用相同的参数：T_max＝512ms，T_L＝1ms，T_min＝5ms，E_S＝1，E_L＝10；

图6是本发明休眠模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图6所示：一种移动站点休眠模式节能方法，在移动站点向基站发出休眠请求报文，并获得所述基站的休眠响应报文后，该移动站点进入休眠模式，该休眠响应报文包含的参数有：休眠起始时间、初始休眠窗口长度T_min、最大休眠窗口基数B、最大休眠窗口指数E和侦听窗口长度T_L，所述初始休眠窗口即从休眠起始时间开始的第一个休眠窗口，所述移动站点休眠窗口长度按顺序逐渐增加，最大休眠窗口长度T_max按照T_max＝B*2^E获得，所述休眠模式在所述休眠窗口与侦听窗口中切换，所述移动站点处于休眠窗口状态时，停止收发数据，第二个休眠窗口的长度T₂为

$T_2=\left\{\begin{array}{cc}2*T_{\min },& (2*T_{\min }<T_{\max })\\ T_{\max },& (2*T_{\min }\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.;$

从第三个休眠窗口开始，随后的休眠窗口长度为

$T_k=\left\{\begin{array}{cc}{T}_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2],& (T_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2]<T_{\max })\\ T_{\max },& (T_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2]\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.,$

式中，k为大于2的正整数，表示休眠窗口顺序编号，T_k表示第k个休眠窗口大小，Int[·]表示向下取整运算，所述移动站点按照给定的休眠窗口长度休眠。

基站返回给移动站点的休眠响应报文中的参数：初始休眠窗口长度T_min＝5ms、最大休眠窗口基数B＝1ms、最大休眠窗口指数E＝10，可以得到最大休眠窗口长度T_max＝1024ms，此时第二个休眠窗口长度为10ms，第三个休眠窗口长度为10ms，第四个休眠窗口长度为20ms，……，第k个休眠窗口长度为5*Int[(k-1)²/2]ms或1024ms，……，1024ms。同时休眠响应报文中的参数还有侦听窗口长度T_L＝1ms，随着到达率的增加，移动站点产生的平均能耗和平均等待时间如图2带星的曲线所示。

其工作原理如下：

如图6所示：移动站点在唤醒模式下如果有一段时间(时间长度根据具体情况设定)没有进行数据收发，就向基站发送休眠请求报文，在获得基站的休眠响应报文后，移动站点进入休眠模式。休眠响应报文通常包含的参数有：休眠起始时间、初始休眠窗口长度T_min、最大休眠窗口基数B、最大休眠窗口指数E、侦听窗口长度T_L。最大休眠窗口长度T_max按照T_max＝B*2^E获得。在休眠模式下，休眠窗口和侦听窗口交替出现。按照休眠响应报文，移动站点从休眠起始时间开始进入第一个休眠窗口，长度为T_min，之后进入侦听窗口，经过T_L后，再进入第二个休眠窗口，长度为2T_min或T_max，之后进入侦听窗口，同样经过T_L后，进入第三个休眠窗口，长度为T_min*Int[(3-1)²/2]或T_max，之后进入侦听窗口，以此类推。

移动站点处于休眠窗口时，通信模块处于关闭状态，如果SDU在此时到达基站，则缓存在基站的缓冲队列中，休眠期结束之后进入侦听窗口，如果侦听到基站有SDU发送给移动站点，则进入唤醒模式，反之则进入下一个休眠窗口，继续休眠模式。如果移动站点在休眠模式下，休眠窗口的长度达到最大休眠窗口长度，在没有侦听到基站有SDU发送给它时，移动站点继续处于休眠模式，此时休眠窗口长度固定为最大休眠窗口长度。移动站点在这种方式下工作比按照IEEE802.16e标准定义的方式相比，在同样的参数下，产生的平均能耗明显要小，平均等待时间明显缩短。

Claims (2)

1.一种移动站点休眠模式节能方法，在移动站点向基站发出休眠请求报文，并获得所述基站的休眠响应报文后，该移动站点进入休眠模式，该休眠响应报文包含的参数有：休眠起始时间、初始休眠窗口长度T_min、最大休眠窗口基数B和最大休眠窗口指数E，所述初始休眠窗口即从休眠起始时间开始的第一个休眠窗口，所述移动站点休眠窗口长度按顺序逐渐增加，最大休眠窗口长度T_max按照T_max＝B*2^E获得，所述移动站点处于休眠窗口状态时，停止收发数据，其特征在于：第二个休眠窗口的长度T₂为

$T_2=\left\{\begin{array}{cc}2*T_{\min },& (2*T_{\min }<T_{\max })\\ T_{\max },& (2*T_{\min }\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.;$

从第三个休眠窗口开始，随后的休眠窗口长度为

$T_k=\left\{\begin{array}{cc}{T}_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2],& (T_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2]<T_{\max })\\ T_{\max },& (T_{\min }*\mathrm{Int}[{(k-1)}^2/2]\&GreaterEqual;T_{\max })\end{array}\right.,$

式中，k为大于2的正整数，表示休眠窗口顺序编号，T_k表示第k个休眠窗口大小，Int[·]表示向下取整运算，所述移动站点按照给定的休眠窗口长度休眠。

2.根据权利要求1所述移动站点休眠模式节能方法，其特征在于：所述休眠响应报文还包含有参数：侦听窗口长度T_L，所述休眠模式在所述休眠窗口与侦听窗口中切换。

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