CN101815347A - 无线网络中通过中控设备调度休眠/唤醒周期的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线网络中通过中控设备调度唤醒/休眠周期的方法，所述无线网络包括至少一个移动设备。所述方法包括：为每个移动设备设置一个唤醒/休眠周期的长度，其中所述唤醒/休眠周期的长度是一个系统参考周期的整数倍；在每个移动设备的所述唤醒/休眠周期中分配一个休眠期和一个唤醒期；并且对每个移动设备的唤醒/休眠周期进行安排以避免其唤醒期与其他移动设备的唤醒期发生冲突。

Description

无线网络中通过中控设备调度休眠/唤醒周期的方法

技术领域

本发明总体上涉及无线网络的功耗管理(power management)，更具体地，涉及一种无线网络中通过中控设备(central device)调度休眠/唤醒周期的方法。

背景技术

对于许多移动应用(例如移动电视、VOD(视频点播)等)而言，一项重要的限制是移动设备的电池的有限容量和使用寿命。有报告称，在例如PDA(个人数字助理)的小型移动设备中，由无线接口消耗的能量最高能够达到整个系统能耗的50％。如果不对无线接口进行功耗管理，移动设备的电能很快就会耗尽。因此，无线接口的功耗管理日益成为一项重要的研究课题。

考虑到上述问题，针对无线网络提出了一种休眠模式，其中在理想情况下，移动站(下文用MS表示)在没有数据来接收或发送时将关闭其与基站(下文用BS表示)之间的无线接口以进入休眠状态，只有在具有数据时才被唤醒。休眠模式的目的在于使MS的功耗最小化并且降低BS的无线接口资源(air interface resources)的使用率。为了使功耗最小化，对于MS的无线接口的状态(即休眠或唤醒)的转换进行调度也是功耗管理的一项重要任务，这是因为休眠和唤醒的状态转换也将消耗电能。为了降低状态转换的频率，对于休眠模式提出了一种方案，其中数据被缓存并以脉冲方式(in a burst manner)发送，例如通过DVB-H的分片技术(slicingtechnology)发送。

图1示出了现有技术中用于无线网络MS的节能的脉冲方式的调度方法。图1(a)示出了直接发送方式(immediate transmission manner)的休眠模式，与图1(b)示出的脉冲方式的休眠模式进行比较。

如图1(a)所示，MS在休眠时隙中进入休眠状态，并在图中脉冲部分所示的唤醒时隙被唤醒以发送或接收数据分组(data packet)。请参看图1(b)，在脉冲方式的周期性休眠模式中，MS的休眠周期(sleep cycle period)被分为休眠窗口(sleep window)和监听窗口(listening window)。在休眠窗口中，MS关闭相应的无线接口或者将无线接口设置为低能耗。在监听窗口中，MS被唤醒，即打开无线接口以接收和/或发送其数据分组。到达或者目的地址为该MS的分组被缓存，并在监听窗口中以脉冲方式发送。

在进入周期性休眠模式之前，MS就监听窗口的长度(在物理(PHY)帧单元中)、休眠窗口的长度以及MS开始周期性休眠周期的起始PHY帧进行协商。如图1(b)所示，休眠窗口可以设置为此MS的最大分组延迟。

与图(a)所示的直接发送方式相比，脉冲方式的休眠模式明显能够降低状态转换的频率，这进而能够降低能耗。但是从另外一个方面来看，这种方案将导致较长的分组延迟(packet delay)。用于IEEE802.11网络的节能与分组延迟之间的均衡已经得到过研究。

但是，用于IEEE802.11功耗管理的现有调度方法在明确规定了QoS(业务质量)的无线网络(例如IEEE802.16e)中不能够同时稳定地满足节能和保持QoS保证的目的。

另外，对于IEEE802.16e系统而言，现有研究仅仅着眼于用于网页浏览和单一MS环境的自适应休眠模式。但是，在实际应用中，在一个BS体系内通常有一个以上的MS。

上面对用于无线网络的MS节能的休眠模式进行了说明。关于休眠模式的详细内容请参看IEEE标准“IEEE802.16e-2005”。

在无线网络中，如果多个MS与一个BS相关联，这些MS的通信量的传输将相互影响，这是因为系统无线资源(radio resources)由这些MS共享，而不是由某个MS独占。图2显示了现有技术中多MS无线网络的资源碰撞问题。图2中示出了三个MS，即MS1、MS2和MS3，它们根据用于单一MS环境的传统节能调度方法分别被分配了5、11和18个时隙作为休眠周期。在每个休眠周期中，图中的脉冲部分表示该MS的监听窗口所用时隙。休眠周期一般小于在该MS上运行的应用程序的最大分组延迟要求。否则的话，业务的QoS要求就无法得到保证。

如图2所示，在时分协议中，一个时隙只能分配给一个MS作为监听窗口。如果第10时隙被分配给MS1作为监听窗口以满足其节能调度，则不能同时满足MS的调度需求。否则就会在第10时隙发生资源碰撞，如图2中黑色部分所示。这种类型的碰撞还发生在第35、54和55时隙。因此，设计一种对于多MS环境的具有QoS保证的良好节能调度方案具有更实际的价值，但同时也更复杂。

针对IEEE802.16e网络已经设计出了多种调度方案，能够进行多MS的节能调度，同时满足QoS保证。

在论文“Improving mobile station energy efficiency in IEEE 802.16eWMAN by burst scheduling，G.Fang，E.Dutkiewicz，Y.Sun，J.Zhou，J.Shi，Z.Li，IEEE Globecom，2006”所描述的方案1中，达到最大比特率要求所需时间最短的MS被选为主MS。BS的调度器将脉冲中的几乎全部带宽分配给主MS，而对于其他唤醒状态的MS只分配足够的带宽以满足其最小数据率要求。

方案1并未考虑具有分组延迟限制的实时业务(非实时业务没有这种限制)。研究显示，方案1对于具有静态周期性调度方式的TV类多播业务并不能有效节能。另外，该方案要求许多信令交换，这不仅会占用带宽，而且会引入信令传输延迟。请注意，数据传输业务的类型，包括实时业务和非实时业务，定义在上述标准IEEE802.16e-2005中，对于每种类型的业务的定义和要求都可以从该标准中得到。

论文“Energy efficient integrated scheduling of unicast and multicasttraffic in 802.16e WMANs，Lin Tian，et.al.，IEEE GLOBECOM 2007”描述了方案2，其提出首先将资源以周期性脉冲方式分配给实时多播业务以节约电能。在方案2中，剩余的资源按照首先分配给多播组成员MS然后分配给只有单播业务的MS的顺序分配给非实时单播业务。分配给多播组成员MS的单播业务的资源邻近用于其多播业务的资源。图3是方案2所述节能调度方法的示意图。图3(a)显示了资源首先分别分配给MS1至MS4的单播和多播业务。图3(b)显示了分配个每个MS的单播和多播业务的资源彼此相邻。事实上，方案2假设所有实时多播业务的延迟约束是相同的。但这不能扩展到多个实时业务(例如VoIP和视频)具有不同延迟约束的环境中。

根据论文“Energy Efficient Scheduling with QoS Guarantee forIEEE802.16e Broadband Wireless Access Networks Shih-Chang Huang，Rong-Hong Jan，Chien Chen，(2007IWCMC)”所述的方案3，在多个MS具有实时业务而所述实时业务具有不同延迟约束的情况下，通过选择MS的全部业务中最小延迟约束确定一个通用休眠周期。所有MS都采用该通用休眠周期进行周期休眠和唤醒以接收数据。图4显示了方案3所示的节能调度方法。如图4所示，此实例中的通用休眠周期对于MS A、B、C、D和E都是6帧长。BS计算出其业务的MS的帧数量。由于一个帧只能分配给一个MS，BS将第1帧调度给MS E，并将MS D、C、B和A的起始时间分别延迟至每个休眠周期中的第2、第4、第5和第6帧。这样，可以对帧进行调度以避免重叠，即避免资源碰撞问题。

方案3的优点是算法简单。但是，对于全部MS都使用一个通用调度(休眠)周期，具有较大延迟约束即具有比所述通用休眠周期大的休眠周期的MS将不得不进行比单MS环境下更频繁的状态转换。如上所述，休眠与唤醒之间的状态转换将消耗大量能量，通常比一个单元的唤醒状态消耗能量更多。因此，对于延迟约束大于通用休眠周期的MS，方案3将导致更大的能耗。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种无线网络中通过中控设备调度唤醒/休眠周期的方法。所述无线网络包括至少一个移动设备。所述方法包括：为每个移动设备设置一个唤醒/休眠周期的长度，其中所述唤醒/休眠周期的长度是一个系统调度周期的整数倍；在每个移动设备的所述唤醒/休眠周期中分配一个休眠期和一个唤醒期；并且对每个移动设备的唤醒/休眠周期进行安排以避免其唤醒期与其他移动设备的唤醒期发生冲突。

本发明的另外一个方面提供了一种用于调度移动设备的唤醒/休眠周期的方法。所述方法包括：从一中控设备接收用于唤醒/休眠周期的调度数据，其中所述唤醒/休眠周期的长度被定义为一个系统调度周期的整数倍；并根据调度数据将相关电路唤醒和设置为休眠。

附图说明

通过下面参照附图对本发明实施方式的详细说明，本发明的上述方面、特点和优势将得到更清楚的理解。其中：

图1是根据现有技术的用于无线网络中MS的解决的脉冲方式的调度方法示意图；

图2是根据现有技术的多MS无线网络中资源碰撞的示意图；

图3是一种根据现有技术的节能调度方法的示意图；

图4是另一种根据现有技术的节能调度方法的示意图；

图5是根据本发明实施方式的调度方法的示意图；

图6是根据本发明实施方式的节能调度方法的流程图；和

图7是一种用于调节MS的休眠周期的方法的流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施方式的各个方面进行说明。为了使本发明得到充分理解，将对具体结构和细节进行详细说明。但是本领域普通技术人员可以理解，本发明并不局限于这些具体结构和细节。

考虑到上述现有技术中各个调度方案的缺陷，本发明的一个实施方式提供了一种用于具有多类型业务的多个MS的节能调度方法。根据本发明的一般原理，首先设计一种相对静态的业务调度方案以降低具有实时业务的MS的能耗并满足其最小QoS要求。因为具有实时业务的全部MS在每次建立业务之前都就最小QoS率和最大延迟进行过协商，因此从业务调度角度而言可以视为预知通信量。另外，对无法预知的通信量(例如由网页浏览和FTP下载产生的通信量)在运行中(on the fly)进行调度，以充分利用剩余的系统资源并同时获得公平性和降低能耗。

对于具有实时业务的MS的调度，存在如图2所示的资源碰撞问题。根据本实施方式的方法，首先确定一个系统参考周期，然后每个MS的休眠周期(也可称为该MS的调度周期)的长度设置为该系统参考周期的整数倍。每个MS的休眠周期中分配休眠窗口和唤醒窗口，并且对每个MS的休眠周期进行安排以避免各个MS的唤醒窗口碰撞。根据本发明的实施方式，在调度的开始，每个MS的休眠模式的起始帧在一个系统调度周期内调整以避免可能的资源碰撞。即，一旦资源碰撞问题在调度的开始得到解决，在后续的调度周期内就不需要对资源碰撞进行调度。

在本实施方式中，系统参考周期小于具有实时业务的全部MS的延迟约束(delay constrain)的最小值。MS的“延迟约束”可以定义为在MS上运行的全部实时业务中的最大延迟约束。

MS的调度周期可以设置得尽可能的大，但要小于其最大延迟约束。另外，每个MS可以将其自己的休眠窗口设置得尽可能大，只要其唤醒窗口与其他MS的唤醒窗口不碰撞。

图5示出了根据本发明实施方式的一个实施方式，其目的在于使每个MS能够保持尽可能大的休眠周期，同时保证QoS要求并有效利用系统带宽。

在图5(a)中显示了与图2所示情形相似的3个MS即MS1、MS2和MS3的调度。如图5(a)所示，三个MS的休眠周期都被设置为一个系统参考周期(例如在本实施方式中为5个时隙)的整倍数。作为一个例子，MS1的休眠周期被设置为5个时隙，与图2所示情形相同。而根据本实施方式，MS2和MS3的休眠周期分别从图2所示的11和18个时隙调整为10和15个时隙。

在上述实施方式中，所有MS中的最大延迟约束、即5个时隙、被设置为系统参考周期。每个MS的休眠周期可以设置为系统参考周期最大整数倍但小于其最大延迟约束。因此，每个MS用于接收QoS保证的通信量的监听窗口可以计算出来。如何选择系统参考周期和每个MS的休眠周期的详细说明将在后面结合图6进行说明。

然后，作为一个例子，在第一最小系统调度周期中，对每个MS的休眠周期的起始帧安排以避免资源碰撞。结果，在后面的调度周期中就不会发生资源碰撞。

根据此实施方式，如果由图5(b)中MS4所示的另外一个MS进入了系统，则图5(a)所示的调度方案无法容纳新通信量。为了充分利用系统带宽，或者使系统容量最大化，某些具有较大休眠周期的MS的休眠周期可以被缩短。例如在图5(c)中所示，MS2的休眠周期可以被从10个时隙缩短至5个时隙，其监听窗口也相应地从2个时隙缩短为1个时隙。结果，MS2释放了1个时隙的资源，用于在图5(c)所示的第一系统周期中将MS4安排进来。采用此微小的调整并将新MS4的休眠周期设置为5个时隙，MS4的通信量可以被系统容纳，同时系统中的MS的能耗也能得到降低。为了让新MS4加入系统，原本具有较大休眠周期的MS2的休眠周期被缩短，从而系统资源可以被充分和公平地利用，同时也能降低能耗。

根据本实施方式的一个方面，每个MS的休眠周期可以一直保持为最初设置的长度。另外，信令开销(signalling overhead)可以保持在合理水平。用于实时业务的休眠参数(休眠周期、监听窗口和起始帧)在调度器和每个MS之间只交换一次，这将只引入最小量的信令开销。

图6是根据本发明一个实施方式的节能调度方法的流程图。为了便于描述，下面在表1中给出说明书中所用符号的含义，在表2中给出不同类型的业务及其QoS要求。

表1：符号含义

符号	含义
		M	具有节能要求的MS的总数
m	MS的标识号，m∈[1，M]
		x	业务类型的标识号，x＝1，2，3，4分别对应于UGS、rtPS、nrtPS和BE业务
y	连接的标识号
		Cm，x，y	MS m的业务类型x的第y个连接
Rm，x，y min	MS m的业务类型x的第y个连接的最小保留比特率
		Rm，x，y max	MS m的业务类型x的第y个连接的最大可持续比特率
Dm，x，y	MS m的业务类型x的第y个连接的最大分组延迟约束
		ξm，x，y	Cm，x，y的可调延迟阈值，ξm，x，y∈(0，Dm，x，y)。紧急数据指等待周期超过ξm，x，y的数据。
dm，x，y	Cm，x，y的缓存中的分组的最大延迟.
		Tm，x，y base	用于测量通信量的时间基础，例如分配给连接Cm，x，y的资源在期间Tm，x，y base内不能小于Tm，x，y base·Rm，x，y min。该时间为秒的量级。
Ωk	资源单元的容量(比特)。根据所选调制&编码方案(MCS)，k∈[1，K]。具有K种MCS。

符号	含义
		Tframe	PHY帧持续时间
EL	当MS处于唤醒状态时每资源单元消耗的能量
		ET	休眠至唤醒转换消耗的能量

表2：IEEE 802.16中定义的业务类型及其QoS参数

首先，BS体系内的全部MS根据其具有的业务优先级被分为两种类型。在本实施方式中，作为例子，实时业务具有较高优先级，而非实时业务具有较低优先级。由A表示的一个集合包括具有实时业务的MS，由A表示的一个集合包括剩余的MS。一个相对静态的业务调度模式被用于降低集合A中的MS的能耗并满足其最小QoS要求(或者“QoS速率”)。另外，“非QoS速率”通信量是不可预测的并在运转过程中及时调度以充分利用剩余的系统资源，从而同时获得公平并降低能耗。

此处，“QoS速率”定义为用于QoS保证的瞬时速率：

$R_{m,x,y}^q=\min \left\{\min \right\{R_{m,x,y,}{R}_{m,x,y}^{\max }\},\max \{R_{m,x,y,}^{\mathrm{em}}{R}_{m,x,y}^{\min }\left\}\right\}$

其中R_m，x，y ^em，R_m，x，y表示对于连接C_m，x，y传输紧急数据(emergencvdata)的速率和传输全部缓存数据的速率，紧急数据是等待期间超过ξ_m，x，y的数据。因此，一个连接的“非QoS速率”定义为：

$R_{m,x,y}^{\mathrm{nq}}=R_{m,x,y}-R_{m,x,y}^q$

“非QoS速率”通信量包括rtPS通信量的一部分和全部nrtPS和BE数据。

所述方法首先进行用于具有实时业务的MS的静态调度阶段，其包括下述步骤：(a)确定一系统参考周期；(b)确定每个MS的休眠周期和监听窗口以保持所述休眠周期尽可能的大但同时要避免资源碰撞；和(c)在第一个系统调度周期中调整每个MS的休眠周期的起始时间以避免资源碰撞。

作为上述步骤(a)的一个实例，系统参考周期可以是集合A中全部MS中的最小延迟约束，如下面的公式(1)给出：

$T^S=\min \{T_m^C,m\∈A\}---\left(1\right)$

对于步骤(b)，每个MS的休眠周期和监听窗口可以由下列公式(2)和(3)给出：

$T_m^S=[T_m^C/T^S]\·T^S,$ m∈A                    (2)

MS的调度周期用作集合A中的MS的休眠周期。集合A中的MS的监听窗口T_m ^L定义如下：

$T_m^L|\left({\mathrm{\Σ}}_{x=1}^3{\mathrm{\Σ}}_y{R}_{m,x,y}^{\min }\right)\·T_m^s/{\mathrm{\Ω}}_1|=[R_m^{\min }\·T_m^s/{\mathrm{\Ω}}_1],m\∈A---\left(3\right)$

在公式(3)中，基于帧的最小容量计算分配给MS的帧的数量。这就为不可预测的通信量的调整和调度留出了空间，因为在MS和BS之间的信道条件变好时帧的容量能够增加。另外，因为具有实时业务(UGS，rtPS)的MS的周期性唤醒是不可避免的，最好充分利用每个监听窗口也来传输nrtPS连接的“QoS速率”。

相应地，MS的休眠窗口是：

$T_m^I=T_m^S-T_m^L$ (帧)

如上所述，在第一个系统调度周期中每个MS的休眠周期的起始时间通过步骤(c)来调整以避免资源碰撞。由于在第一个系统调度周期中没有资源碰撞，在后面的全部调度周期中也不会由资源碰撞。

具体而言，具有实时业务的MS的休眠周期T_m ^C被定义为：

x∈[1，2]  (帧)

$T_m^C=\min \left\{\underset{y\∈[1,Y_{m,\mathrm{UGS}}]}{\min }\right\{T_{m,1,y}^C\},\underset{y\∈[1,Y_{m,\mathrm{rtpS}}]}{\min }\{T_{m,2,y}^C\left\}\right\}$

根据公式(1)，系统参考周期可以是集合A中全部MS中的最小延迟约束。或者，系统参考周期的最优值和每个MS的调度周期可以通过联合优化功率效率函数来获得。

具体而言，将MS m的调度周期T_m ^S设为系统参考周期的整数倍，但是不能大于MS的独立休眠周期，数学表示即为下列公式：

$T_m^S=n_m\·T^s---\left(4\right)$

其中整数n_m满足

显然，当下面的公式(5)等于公式(2)。能量效率公式

具有两个变量，TS和变量集

最优系统参考周期

和对于全部

的最优调度周期可以通过下面的功率效率函数获得：

只要MS的全部通信量小于系统容量，通过求解公式(5)即可获得最优解对。但是当变量空间较大时，列举方法将需要大量计算，因此作为替代，可以使用例如公式(1)、(2)和(3)的启发式推理算法。

在图6所示方法中，当由于由新的MS加入而使MS的数量增加，可以将在上述步骤(a)和(b)中设置的具有较长休眠周期的MS的休眠周期缩短，以充分利用系统带宽以容纳新的MS。调整休眠周期的一个实例示于图7中，对图6介绍完毕之后再对图7进行详细说明。

然后，方法进入运行中调度阶段，调度器将剩余的零散资源分配给“非QoS”通信量。运行中调度可以包括下列步骤：(d)如果某帧在静态阶段未被分配并且其邻近帧的MS处于集合A并且具有等待发送的数据，则首先根据业务优先级然后根据公平原则将该帧分配给其邻近帧的MS；如果公平性指数高于一阈值，则将该帧释放给其他等待发送“非QoS”通信量的MS；(e)根据优先级、公平性指数和MS的信道条件将帧分配给rtPS的非QoS通信量、nrtPS和BE业务；如果没有通信量等待发送，则不分配帧；(f)当集合A中有数个MS具有相同条件(例如优先级)的业务时，将资源分配给具有良好信道条件的MS。这样做的原因在于，如果传输错误率非常高，那么将MS唤醒以接收数据是对电能的浪费。

请参看图7所示一个方法的流程图，该方法调节具有较大休眠周期的MS的休眠周期以充分利用系统带宽从而容纳新MS并同时使每个MS尽可能长时间地保持其休眠周期。具体而言，如果集合A中的每个MS的监听窗口的调度无法避免在一个系统调度周期中的资源碰撞时，如公式(6)所示，则某些MS的休眠周期将被缩短：

${\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{M_A}{T}_m^L>T^S---\left(6\right)$

其中M表示集合A中MS的数量。

对于MS的休眠周期的调整，需要考虑几个问题，例如，哪一个(些)MS将被影响以及其休眠周期应当有多少帧长。不同的选择将导致不同的节能性能。在图7所示的方法中，休眠周期首先缩短一个系统参考周期，然后两个系统参考周期，如此类推下去。在每一轮休眠周期调整中，具有较大监听窗口的MS将首先被考虑。在休眠周期被缩短时能够释放一个资源单元(例如一帧)的MS将首先被选取出来进行休眠周期改变，而不能释放一个资源单元的MS将保持其休眠周期不变。当全部MS都被容纳时，休眠周期调整过程停止。如果集合A中全部MS的休眠周期都被缩短至系统参考周期并且公式(6)仍然无法满足，则系统则不得不拒绝新MS加入。

本领域普通技术人员可以理解，在由所附权利要求书限定的本发明的范围之内，可以对上述实施方式进行多种修改。

Claims (9)

1.一种无线网络中通过中控设备调度唤醒/休眠周期的方法，所述无线网络包括至少一个移动设备，所述方法包括：

为每个移动设备设置一个唤醒/休眠周期的长度，其中所述唤醒/休眠周期的长度是一个系统参考周期的整数倍；

在每个移动设备的所述唤醒/休眠周期中分配一个休眠期和一个唤醒期；并且

对每个移动设备的唤醒/休眠周期进行安排以避免其唤醒期与其他移动设备的唤醒期发生冲突。

2.根据权利要求1所述方法，其中安排每个移动设备的唤醒/休眠周期步骤包括调整每个移动设备的唤醒/休眠周期的起始时间以避免该移动设备的唤醒期与其他移动设备的唤醒期发生冲突。

3.根据权利要求1或2所述方法，其中一个或者多个移动设备具有高优先级业务。

4.根据权利要求3所述方法，其中实时业务具有所述高优先级。

5.根据权利要求4所述方法，其中将具有实时业务的全部移动设备中对实时业务的延迟约束的最小值设为所述系统参考周期。

6.根据权利要求4所述方法，其中具有实时业务的移动设备的唤醒/休眠周期设置为在不大于所述移动设备的实时业务的最大延迟要求条件下所述系统参考周期的最大整数倍。

7.根据权利要求4所述方法，其中所述移动设备的唤醒期根据所述移动设备的实时业务的服务质量要求设置。

8.根据权利要求1所述方法，还包括：

当有新的移动设备与所述中控设备相关联时，将一个或多个具有较大唤醒/休眠周期长度的移动设备的唤醒/休眠周期长度改变为所述系统调度周期的较小整数倍。

9.一种用于调度移动设备的唤醒/休眠周期的方法，包括：

从一中控设备接收用于唤醒/休眠周期的调度数据，其中所述唤醒/休眠周期的长度被定义为一个系统参考周期的整数倍；并且

根据调度数据将相关电路唤醒和设置为休眠。

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