CN103546909A - WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法 - Google Patents

Abstract

WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，终端只处于激活状态或睡眠状态；当终端接入时为激活状态；AP有缓存数据时向各终端广播控制信息GAS信令，各终端向AP竞争发送GAS-Respond信令；根据先到先传算法确定终端的传输顺序；进行时钟同步，确定各终端在一次传输周期内的睡眠期和激活期；所有终端完成一次数据接收后一次传输周期结束；然后开始下一次传输过程。本发明中终端能根据AP发送的传输序列信息改变其睡眠和激活状态，避免终端在等待信道空闲时处于空闲状态而浪费能量，在接入终端较多的情况下节能效果尤为明显。相对于传统节能方法，本发明节能效果显著。

Description

WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法。 

背景技术

随着社会的不断进步，绿色环保、节能减排的思想不断深入人心。在个人通信不断发展普及的今天，在提供更高频谱利用率、更高速率和更丰富多媒体业务的同时，终端功耗问题显得尤为严重。为了最大程度支持终端移动性，保证优良的用户业务体验，需要在保证用户服务质量的前提下，尽可能的延长终端续航时间。无论是WLAN（Wireless Local Area Networks）系统还是LTE（Long Term Evolution）系统，都对节能机制进行了标准化工作，从一定程度上说明了节能的重要性。 

802.11协议标准中定义了一种节能模式PSM（Power Saving Mode），这是一种时间驱动的Wi-Fi接口动态关闭机制。PSM定义了终端可以处于激活，空闲和睡眠三种状态。PSM将时间轴分为连续的beacon周期，通过相关的缓存数据信息来控制终端的工作状态，使终端在没有缓存数据的情况下进入睡眠状态节省能耗，达到节能的目的。在一个beacon周期内，AP发送的TIM信令告知终端STA的缓存信息，所有目的STA等待信道空闲后，竞争信道（DCF）接收数据。PSM规定了终端在有缓存数据时，在一个beacon周期内没有获得最后一个数据包前必须保持激活状态。因此，随着WLAN网络中负载的不断增大（接入终端STA过多），当一个STA占据信道传输数据时，其他未接收数据的STA则处于空闲状态的情况，从而造成能量的浪费。并且过多的终端接入也会造成严重的接入碰撞，从而减小系 统的吞吐量。因此，针对过多终端接入的情况，设计一种合理的终端功耗管理方案和节能方案是有必要的。 

近年来，很多学者在终端功耗方面做了很多工作，主要集中体现在传节能方案（PSM）方案的改进。文献[Yi Xie,Xiapu Luo,Chang,R.K.C,“Centralized PSM:An AP-centric powersaving Mode for802.11infrastructure networks,”Sarnoff Symposium,2009.SARNOFF09.IEEE,pp.1-5,March302009-April12009.]提出了一种AP集中式的节能方案（AP-centric PSM），通过AP根据传输情况为终端选择最优的PSM参数，例如beacon周期和监听周期LI（Listen Interval）的大小，以此来获取所有终端整体能量利用率的最大化。文献[S.Nath,Z.Anderson,and S.Seshan.“Choosing beacon periods toimproveresponse times for wireless HTTP clients,”In Proc.MobiWac,2004.]提出了一种根据当前TCP握手协议的时间来动态的选取合理的监听周期LI。在文献[R.Krashinsky and H.Balakrishnan.“Minimizing energy for wireless webaccess with bounded slowdown,”Wireless Networks,11,2005.]中，详细分析了这种将时间分成beacon周期，终端的不连续连接对最小化终端能量消耗的影响。这些的改进和分析工作都是选择合理的PSM参数来进一步提到节能性能，没有从根本上解决终端处于空闲状态造成的能量浪费。在文献[Li Ning,Xu Yan,Xie Shengli,“A Modified Version of IEEE802.11Power-Saving Protocol,”In Proc.Journal Of System Simulation,Vol.17,No.1,Jan,2005.]中，作者在传统PSM基础上做出一定改进，在每次传输过程中，让与该次传输无关的终端进入睡眠状态来节约能量。但作者没有考虑过多终端接入时PSM会发生较大的碰撞概率，从而造成错误传输和重传次数增加，这也是一种能量浪费。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，能够在较多终端STA接入WLAN网络的情况下，有效的提高终端STA能量利用率。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为： 

WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，终端STA只处于激活状态或睡眠状态，AP(Access Point,无线接入点)为接入终端STA缓存数据，AP和终端STA之间通过802.11u协议中的GAS(Generic advertisement service,公共广播服务)信令进行信息交换，一次传输周期内有缓存数据的终端STA都能获取一次接收数据的机会； 

具体包括以下步骤： 

1)当终端STA接入WLAN网络时处于激活状态，等待AP发送GAS信令； 

2)AP根据缓存信息向所有接入的终端STA发送GAS信令； 

3)当AP有缓存数据时，AP广播附带数据传输目的终端ID的GAS信令，接收到GAS信令的所有终端STA判断其是否有数据缓存在AP中，并且AP开启应答竞争窗口RCW（Respond Contention Window），在应答竞争窗口中所有目的终端根据DCF竞争规则向AP竞争发送GAS-Respond信令，非目的终端直接进入睡眠状态； 

4)AP接收到所有缓存数据的目的终端发送的GAS-Respond信令之后，应答竞争窗口关闭，根据先到先传算法确定目的终端的传输顺序，进入传输阶段； 

5)AP开始传输时广播GAS信令进行时钟同步，所有目的终端根据其携带的传输序列和传输数据的长度来确定其在一次传输周期内的睡眠期和激活期； 

6)每个终端STA开始接收数据时，AP都发送GAS信令进行时钟同步，所有 目的终端完成一次数据接收后一次传输周期结束；然后开始下一次传输过程，重复步骤2）至步骤5）。 

其竞争接入方式为：802.11协议中所有终端STA都以分布式协调功能DCF作为MAC层的基本访问方式。 

所述的步骤2）中当AP无缓存数据时，开启计时器，并向终端STA发送睡眠控制信息，使终端STA睡眠至计时器溢出时刻，此时终端STA被唤醒，唤醒后终端STA继续接收AP发送的GAS信令，若此时AP仍无缓存数据，则重新开启计时器，使终端STA继续睡眠至计时器溢出时刻，终端STA被唤醒后重复上述步骤，直至AP有缓存数据时进行步骤3）。 

所述的步骤3）中使用802.11u协议中GAS信令预留的元素标识使GAS信令携带目的终端的ID和其所要接受的数据长度和接受顺序，其中目的终端所要接受的数据长度被用来在接收到传输序列后确定其睡眠期时长。 

所述的步骤3）中的应答竞争窗口为降低终端STA竞争信道时碰撞概率所设置。 

所述的步骤3）中在应答竞争窗口中成功发送GAS-Respond信令后的终端STA不再参与信道竞争，对于第i个竞争成功的终端STA，其竞争信道时不发生碰撞的概率P_i为： 

$P_i-1-\underset{j-2}{\overset{\mathrm{Ni}|1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N-i+1}^j{p}^j---\left(8\right)$

其中p^j为j个终端STA都选择同样的退避时间的概率，j为网络中的其他终端STA，N为接入网络中总的终端STA数。 

所述的步骤5）中每个终端STA仅在其传输时处于激活状态，在时间上处于激 活期，其余时间为睡眠期，第j个终端STA在一次传输周期内的睡眠期的总时长T_sleep（j）如式（5）所示， 

$T_{\mathrm{sleep}}\left(j\right)=\underset{i=1,i\≠j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(5\right)$

其中T_i(i=1,…,N）分别表示终端S_i（i=1，…，N）接收一次数据所需的时间，N为接入网络中总的终端STA数。 

所述的步骤5）中终端STA根据其携带的传输序列和传输数据的长度来确定其在一次传输周期内的睡眠期和激活期的具体操作为：目的终端接收GAS信令后，根据传输序列确定出其处于传输序列的位置，并根据先于其传输的目的终端传输数据的长度进一步确定其睡眠期和唤醒时刻，从而在该时刻处于激活状态来接收数据。 

相对于现有技术，本发明的有益效果为： 

本发明针对传统的PSM方案和802.11u协议，提出一种序列可知的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，目的是在大量支持802.11u终端STA自动选择接入网络的情况下，终端STA可以根据接入点AP发送的传输序列信息来改变其睡眠和唤醒状态，以此避免终端STA在等待信道空闲时处于空闲状态而浪费能量。本发明在网络接入终端STA较多的情况下节能效果尤为明显。在该方法中终端STA只有激活状态和睡眠状态这两种状态，并且在一次传输周期中有缓存数据的终端STA都能获取一次传输机会，在有缓存的情况下，AP通过802.11u协议中的GAS信令向终端STA发送附带有目的终端ID、传输序列和传输数据长度的控制信息，终端STA以此来判断其睡眠期和激活期，在每次传输时，AP广播GAS信令，处于激活状态的终端STA根据GAS信令进行时钟同步后开始 接收数据，这样终端STA就会在没有数据传输的时候进入睡眠状态来节省电量，而不是像PSM方法中的终端STA会处于空闲状态来浪费能量。因此本发明能够达到降低终端STA能耗的目的，能够在较多终端STA接入WLAN网络的情况下，有效的提高终端STA能量利用率。 

进一步的，本发明中，在AP无缓存数据的情况下，AP开启计时器，不再检测缓存内容，终端STA进入睡眠状态，当计时器溢出时，所有终端STA被唤醒并且AP重新检测缓存情况，如果有缓存数据，则按照上述传输过程进行传输，如果没有，则再次启动计时器，终端STA再次进入睡眠状态。计时器的设置使得在没有缓存数据时，降低AP不断的检测缓存数据的频率，从而避免终端STA一直处于接收GAS信令而无所作为的情况，避免了能量的浪费，进一步提高了能量利用率。 

进一步的，本发明考虑到在负载大的时候，PSM方法中每次传输时SAT的碰撞概率较大，从而引入了应答竞争窗口，在引入应答竞争窗口后，在一次传输周期内，当AP成功接收到一个终端STA发送的GAS-Respond信令后，在下次竞争时该终端STA就不再参与竞争了，这样就大大降低了碰撞概率；并且在一次传输周期内有缓存数据的终端STA都能够获取一次接收数据的机会，这样就保证了一定的公平性。由于减小了碰撞概率，这就减少了错误传输和重传的次数，对系统的吞吐量有一定的提升。因此本发明能够在提高能量利用率的基础上进一步减小碰撞概率，提高系统吞吐量。 

附图说明

图1是系统模型结构示意图。 

图2是GAS信令结构示意图。 

图3是本发明与PSM方法中终端STA处于不同状态的平均时间对比图，其中a为本发明方法的睡眠状态的平均时间，b为本发明方法的激活状态的平均时间，c为PSM方法的睡眠状态的平均时间，d为PSM方法的竞争状态的平均时间，e为PSM方法的空闲状态的平均时间。 

图4是本发明与PSM方法中终端STA的平均能量消耗对比图，其中a为本发明的平均能量消耗，b为PSM方法的平均能量消耗。 

图5是本发明与PSM方法中系统吞吐量对比图，其中a为本发明的系统吞吐量，b为PSM方法的系统吞吐量。 

图6是本发明中有无计时器时终端STA处于不同状态的平均时间对比图，其中a为有计时器时的睡眠状态的平均时间，b为无计时器时的睡眠状态的平均时间，c为无计时器时的空闲状态的平均时间。 

图7是本发明中有无计时器时终端STA的平均能量消耗对比图，其中a为有计时器时的平均能量消耗，b为无计时器时的平均能量消耗。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 

本发明提供的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法（Schedule-Aware Power Saving Mode，S-PSM）的实现场景如下：在WLAN网络中，AP为接入终端STA缓存数据，AP和所有终端STA都支持802.11u协议，并且AP和终端STA之间通过802.11u协议中的GAS信令进行信息交换。终端STA所处的状态分别为：激活状态和睡眠状态。一次传输周期为有缓存数据的终端STA都能获取一次接收数据机会。当AP中有终端STA的缓存数据时，AP通过802.11u协议中定义的GAS信令向终端STA发送缓存数据信息，告知终端STA有缓存数 据。AP在竞争窗口期间接收到所有目的终端发送的GAS-Respond信令（应答帧）后，在GAS信令中附带着有数据传输的目的终端ID、传输序列和传输数据的长度，目的终端以此来判断其睡眠期和激活期，使其在与自己无关的传输时期处于睡眠状态来节省电量。当AP中无缓存数据时，AP发送GAS信令告知终端STA进入睡眠状态（睡眠时长和计时器溢出时刻相同），并开启计时器。在计时器溢出之前，AP不再频繁的检测缓存情况。当计时器溢出后，AP再次检测缓存情况判断是否有缓存数据，并且所有终端STA被唤醒处于接收AP发送的控制信息。其竞争接入方式为：802.11协议中所有终端STA都以分布式协调功能DCF作为MAC层的基本访问方式。 

本发明的具体步骤如下： 

1)当终端STA接入WLAN网络时处于激活状态，等待AP发送GAS信令； 

2)AP根据缓存信息向所有接入的终端STA发送GAS信令； 

当AP无缓存数据时，开启计时器，并向终端STA发送睡眠控制信息，使终端STA睡眠至计时器溢出时刻，此时终端STA被唤醒，唤醒后终端STA继续接收AP发送的GAS信令，若此时AP仍无缓存数据，则重新开启计时器，使终端STA继续睡眠至计时器溢出时刻，终端STA被唤醒后重复上述步骤，直至AP有缓存数据时进行步骤3）。 

3)当AP有缓存数据时，AP广播附带数据传输目的终端ID的GAS信令，接收到GAS信令的所有目的终端判断其是否有数据缓存在AP中，并且AP开启应答竞争窗口RCW（Respond Contention Window），在应答竞争窗口中所有目的终端根据DCF竞争规则向AP竞争发送GAS-Respond信令，非目的终端直接进入睡眠状态； 

使用802.11u协议中GAS信令预留的元素标识使GAS信令携带目的终端的ID和其所要接受的数据长度和接受顺序，其中目的终端所要接受的数据长度被用来在接收到传输序列后确定其睡眠期时长。 

应答竞争窗口为降低终端STA竞争信道时碰撞概率所设置。在应答竞争窗口中成功发送GAS-Respond信令后的终端STA不再参与信道竞争，对于第i个竞争成功的终端STA，其竞争信道时不发生碰撞的概率P_i如式（8）所示。 

4)AP接收到所有缓存数据的目的终端发送的GAS-Respond信令之后，应答竞争窗口关闭，根据先到先传算法确定目的终端的传输顺序，进入传输阶段； 

5)AP开始传输时广播GAS信令进行时钟同步，所有目的终端根据其携带的传输序列和传输数据的长度来确定其在一次传输周期内的睡眠期和激活期； 

每个终端STA仅在其传输时处于激活状态，在时间上处于激活期，其余时间为睡眠期，第j个终端STA在一次传输周期内的睡眠期的总时长T_sleep（j）如式（5）所示。 

终端STA根据其携带的传输序列和传输数据的长度来确定其在一次传输周期内的睡眠期和激活期的具体操作为：目的终端接收GAS信令后，根据传输序列确定出其处于传输序列的位置，并根据先于其传输的目的终端传输数据的长度进一步确定其睡眠期和唤醒时刻，从而在该时刻处于激活状态来接收数据。 

6)每个终端STA开始接收数据时，AP都发送GAS信令进行时钟同步，所有目的终端完成一次数据接收后一次传输周期结束；然后开始下一次传输过程，重复步骤2）至步骤5）。 

下面对本发明的节能原因进行说明。 

在传统PSM方法中：在WLAN网络中，终端竞争信道采用分布式协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)，假设在一个WLAN网络中有N个终端需要接入网络接收数据，用T_i(i=1，…N)分别表示终端S_i（i=1，…，N)接收一次数据所需的时间，则对于所有终端接收数据的序列个数为N!。用M_k尺表示第k个传输序列，用

表示第k个传输序列传输完成时所终端的空闲时间（假设该传输序列为：S₁,S₂,……,S_N-1,S_N) 

$\begin{array}{c}{I}_{M_k}=T_1+(T_1+T_2)+\·\·\·+(T_1+\·\·\·+T_{N-3}+T_{N-2})\\ +(T_1+\·\·\·+T_{N-2}+T_{N-1})\end{array}---\left(1\right)$

则对于完成一个序列的传输所有终端空闲时间的期望为： 

$E\left[T\right]=\underset{N!}{\overset{1}{}}\underset{k=1}{\overset{N1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{M_k}---\left(2\right)$

根据数学归纳法，可以得到： 

$\underset{k=1}{\overset{N!}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{M_k}=(N-1)!\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}i\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i=\frac{N!(N-1)}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(3\right)$

由此，可以得到一个随即传输序列传输完成后所有终端的空闲时间期望为： 

$E\left[T\right]=\frac{1}{N!}\underset{k=1}{\overset{N1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{M_k}=\frac{(N-1)}{2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(4\right)$

所以，在传统的PSM节能方案中，在每个beacon周期内终端的空闲时间受到接入终端数的影响，当过多的终端接入网络时，终端所处的空闲时间就会变得很大，从而造成能量的浪费。 

而本发明中，考虑终端STA可以根据AP发送的传输序列和数据长度来判断 自身的睡眠和唤醒状态，因此在每一次传输过程，终端STA只有在自己传输时处于激活状态，其余时间为睡眠状态。则第j个终端STA处于睡眠状态的时间为： 

$T_{\mathrm{sleep}}\left(j\right)=\underset{i=1,i\≠j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i---\left(5\right)$

其中T_i(i=1，…，N)分别表示终端S_i(i=1，…，N)（第i个终端STA）接收一次数据所需的时间，N为接入网络中总的终端STA数。 

这样终端STA就不会处于空闲状态，从而达到节能的目的。 

下面对本发明的减小碰撞概率的原因进行说明。 

在传统的PSM方法中：在终端竞争信道过程中，初始状态时所有终端的退避窗口为CW_min，每个终端随机得到的退避时间BT(0＜BT≤CW_min)的概率为： 

$p=\frac{1}{{\mathrm{CW}}_{\min }}---\left(6\right)$

在传统的PSM节能方法中，由于在一个beacon周期内，终端完成一次数据接收后，检查TIM帧中的MORE DATA地址判断是否被置零，如果没有被置零，这该终端还要参与信道竞争直到最后一个数据包被取回后才进入睡眠状态。因此，对于第i个终端接收一次数据，它竞争信道时不发生碰撞的概率为： 

$p_i^{\mathrm{psm}}-1-\underset{j-2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_M^j{p}^j,M\≥N-i+1---\left(7\right)$

其中p^j为j个终端都选择同样的退避时间的概率，j为网络中的其他终端，N为接入网络中总的终端数，M表示此时网络内参与竞争的终端个数。 

本发明中，为了减小碰撞的发生，将终端STA的竞争过程集中起来，并且规 定成功发送竞争信道后不在参与信道竞争，因此，对于第i个竞争成功的终端STA，它竞争信道时不发生碰撞的概率P_i为： 

$P_i=1-\underset{j=2}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N-i+1}^j{p}^j---\left(8\right)$

其中p^j为j个终端STA都选择同样的退避时间的概率，j为网络中的其他终端STA，N为接入网络中总的终端STA数。 

比较两个成功竞争信道的概率，可以得到： 

$\begin{array}{cc}{p}_i-p_i^{\mathrm{psm}}-\underset{j=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_M^j{p}^i-\underset{j=2}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{N-i+1}^j{p}^i& \\ =\left\{\begin{array}{c}\underset{j=N-i+2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_M^j{p}^j+\underset{j=2}{\overset{n-i+1}{\mathrm{\Σ}}}(C_M^j-C_{n-i+1}^j)p^j>0\\ 0\end{array}\right.& \begin{array}{c}M>N-i+1\\ M=N-i+1\end{array}\end{array}---\left(9\right)$

所以，有P_i≥P_i ^psm由此可知，本发明可以减小碰撞概率，增大终端STA成功传输的概率。 

仿真过程如下：使用Matlab现实仿真环境，主要实现了本发明提供的方法（简写为S-PSM方法）和传统的PSM方法的终端接收数据这一过程。终端STA数据到达服从泊松分布，终端STA在信道空闲状态下接收数据。仿真时间20s，分别统计终端STA的吞吐量，能耗和终端STA在激活，空闲和睡眠状态下的时间。 

根据图1的系统结构模型，在本发明提出的S-PSM方法中，定义终端STA所处的状态分别为：激活状态和睡眠状态。AP为所有接入的终端STA缓存数据，当AP中有终端STA的缓存数据时，AP通过GAS信令代替PSM中的TIM向终端STA发送缓存数据信息，在GAS信令中，附带着有数据需要传输的目的站点的ID、 传输序列和传输数据长度，以此来控制终端STA的睡眠和唤醒时期。在的系统模型中，定义为所有有缓存数据的终端STA都接收一个自己的数据为一次传输周期。在这个传输周期内：AP广播GAS信令后，接收到GAS信令的终端STA判断自己是否有数据缓存在AP中，并且AP开启应答竞争窗口RCW(Respond Contention Window)，所有终端STA根据DCF竞争规则向AP竞争发送GAS-Respond信令，AP接受到全部有缓存数据的终端STA的GAS-Respond信令之后，然后根据先到先传算法（First Come First Serve algorithm）确定数据传输序列。此时，应答竞争窗口关闭，开始进入传输阶段。AP广播GAS信令，处于激活状态的终端STA根据GAS信令进行时钟同步，并且根据其携带的数据发送顺序和数据长度来确定自身的睡眠期和唤醒时期。在每次传输时，AP广播GAS信令，处于激活状态的终端STA根据GAS信令进行时钟同步后开始接收数据。这样终端STA就会在没有数据传输的时候进入睡眠状态而不会处于空闲状态来浪费能量。但是由于没有采用周期性唤醒终端STA的驱动模式，因此所有的终端STA只能根据AP广播的GAS信令控制自身状态的改变，因此就出现了没有数据缓存时，AP不断的检测缓存，终端STA一直处于接收GAS信令而无所作为的情况，从而造成能量的浪费。因此，通过设置一个空闲定时器来解决这种情况。在AP没有任何终端STA的缓存数据时，AP发送GAS信令告知所有终端STA进入睡眠状态并开启计时器（睡眠时间为计时器的溢出时间）。在计时器开启过程中，AP不在检测缓存情况，所有终端STA处于睡眠状态。在计时器溢出后，所有终端STA被唤醒，AP检查是否有缓存数据并发送GAS信令。如果有数据，则按照上述传输过程进行传输，如果没有，则再次启动计时器，终端STA再次进入睡眠状态。 

图3是本发明与PSM方法中终端STA处于不同状态的平均时间对比图，其中 a为本发明方法的睡眠状态的平均时间，b为本发明方法的激活状态的平均时间，c为PSM方法的睡眠状态的平均时间，d为PSM方法的竞争状态的平均时间，e为PSM方法的空闲状态的平均时间。从图3中可以看到传统的PSM节能方法在接入终端STA数过多的情况下，终端STA大部分时间处于空闲状态，并且睡眠时间几乎为零。而本发明的S-PSM方法中终端STA可以获得较长的睡眠时间。 

图4是本发明与PSM方法中终端STA的平均能量消耗对比图，其中a为本发明的平均能量消耗，b为PSM方法的平均能量消耗。从图4中可以看到本发明的S-PSM方法中终端STA的能量消耗很小，较传统的PSM方法的能耗有大幅度降低，这与图3中终端STA处于较长时间的睡眠状态达到节能目的相一致。 

下面对本发明中的一些细节进行详细叙述： 

（1）竞争接入方式： 

802.11协议中所有终端STA都是以分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)作为MAC层的基本访问方式。DCF实现过程为：在终端STA发送数据前通过物理载波检测和虚拟载波检测结合的方式检测信道是否空闲，若信道空闲时间大于与之对应的帧间间隔，则判定信道空闲，否则判定为信道忙，终端STA推迟发送。在判定信道空闲后终端STA准备发送信息，在发送信息前终端STA生成一个随机退避时间推迟发送，通过退避减小碰撞的可能性，同时所有的终端STA竞争信道，当只有一个终端STA的退避时间为零时，该终端STA可以发送信息。 

（2）GAS信令： 

GAS信令携带有目的终端的ID和所要发送数据的长度，其中数据长度被用来在接收到传输序列后确定其睡眠时间和唤醒时间。使用802.11u协议中GAS信令预留的元素标识来实现上述功能，GAS信令结构如图2所示，每一个终端STA的相关标识和缓存数据长度都携带在其中。 

（3）应答竞争窗口(RCW): 

802.11u协议中明确规定了在MAC层广播和多播数据包的基本传输方式——DCF，必须遵守基本的接入过程CSMA/CA和RTS/CTS规则。因此在G-PSM中，引入了应答竞争窗口来让终端STA向AP竞争发送应答信息GAS-Respond（类似于PSM中的PS-Poll），在竞争窗口中，所有终端STA都遵守DCF竞争接入规则，AP接收到GAS-Respond信令后，向终端STA发送GAS信令确认信息，当接收到所有终端STA发送的GAS-Respond信令后，竞争窗口关闭，开始进入数据传输阶段。引入竞争窗口是考虑到在负载大的时候，PSM中每次传输所有的终端STA都进行竞争，当一个终端STA成功接收到一次数据后，检查子记得MORE DATA field没有置零，在下一次竞争中又会加入竞争信道的行列，而引入竞争窗口后，再一次传输周期内，当AP成功接收到一个终端STA发送的GAS-Respond信令后，在下次竞争时该终端STA就不再参与竞争了，这样就大大降低了碰撞概率。并且规定再一次传输周期内，有缓存数据的终端STA都获取一次数据接收的机会，这样就保证了一定的公平性。由于减小了碰撞概率，这就减少了错误传输和重传的次数，对系统的吞吐量有一定的提升。 

图5是本发明与PSM方法中系统吞吐量对比图，其中a为本发明的系统吞吐量，b为PSM方法的系统吞吐量。在图5仿真结果中可以看到在终端STA数量较多的情况下，本发明相对于传统PSM方法，系统吞吐量有一定的提升。 

（4）计时器(Idle Timer): 

本发明的S-PSM方法是一种报文驱动的方法，没有采用周期性唤醒终端STA的模式来告知终端STA缓存信息，所有终端STA只能根据AP广播的GAS信令控制自身状态的改变，因此就出现了没有数据缓存时，AP不断的检测缓存，终端STA一直处于接收GAS信令而无所作为的情况，从而造成能量的浪费。因此，通过设置一个空闲定时器来解决这种情况。在AP没有任何终端STA的缓存数据时，AP发送GAS信令告知所有终端STA进入睡眠状态并开启计时器（睡眠时间为计时器 的溢出时间）。在计时器开启过程中，AP不再检测缓存情况，所有终端STA处于睡眠状态。在计时器溢出后，所有终端STA被唤醒，AP检查是否有缓存数据并发送GAS信令。 

图6是本发明中有无计时器时终端STA处于不同状态的平均时间对比图，其中a为有计时器时的睡眠状态的平均时间，b为无计时器时的睡眠状态的平均时间，c为无计时器时的空闲状态的平均时间。图7是本发明中有无计时器时终端STA的平均能量消耗对比图，其中a为有计时器时的平均能量消耗，b为无计时器时的平均能量消耗。图6和图7的仿真结果可以看到计时器对本发明能耗的影响，即在终端STA数量较小的情况下设置计时器能够明显降低能耗。 

Claims (8)

1.WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，其特征在于：终端STA只处于激活状态或睡眠状态，AP为接入终端STA缓存数据，AP和终端STA之间通过802.11u协议中的GAS信令进行信息交换，一次传输周期内有缓存数据的终端STA都能获取一次接收数据的机会； 

具体包括以下步骤： 

1)当终端STA接入WLAN网络时处于激活状态，等待AP发送GAS信令； 

2)AP根据缓存信息向所有接入的终端STA发送GAS信令； 

3)当AP有缓存数据时，AP广播附带数据传输目的终端ID的GAS信令，接收到GAS信令的所有终端STA判断其是否有数据缓存在AP中，并且AP开启应答竞争窗口RCW，在应答竞争窗口中所有目的终端根据DCF竞争规则向AP竞争发送GAS-Respond信令，非目的终端直接进入睡眠状态； 

4)AP接收到所有缓存数据的目的终端发送的GAS-Respond信令之后，应答竞争窗口关闭，根据先到先传算法确定目的终端的传输顺序，进入传输阶段； 

5)AP开始传输时广播GAS信令进行时钟同步，所有目的终端根据其携带的传输序列和传输数据的长度来确定其在一次传输周期内的睡眠期和激活期； 

6)每个终端STA开始接收数据时，AP都发送GAS信令进行时钟同步，所有目的终端完成一次数据接收后一次传输周期结束；然后开始下一次传输过程，重复步骤2）至步骤5）。 

2.根据权利要求1所述的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，其特征在于：其竞争接入方式为：802.11协议中所有终端STA都以分布式协调功能DCF作为MAC层的基本访问方式。 

3.根据权利要求1所述的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管 理方法，其特征在于：所述的步骤2）中当AP无缓存数据时，开启计时器，并向终端STA发送睡眠控制信息，使终端STA睡眠至计时器溢出时刻，此时终端STA被唤醒，唤醒后终端STA继续接收AP发送的GAS信令，若此时AP仍无缓存数据，则重新开启计时器，使终端STA继续睡眠至计时器溢出时刻，终端STA被唤醒后重复上述步骤，直至AP有缓存数据时进行步骤3）。 

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，其特征在于：所述的步骤3）中使用802.11u协议中GAS信令预留的元素标识使GAS信令携带目的终端的ID和其所要接受的数据长度和接受顺序，其中目的终端所要接受的数据长度被用来在接收到传输序列后确定其睡眠期时长。 

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，其特征在于：所述的步骤3）中的应答竞争窗口为降低终端STA竞争信道时碰撞概率所设置。 

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，其特征在于：所述的步骤3）中在应答竞争窗口中成功发送GAS-Respond信令后的终端STA不再参与信道竞争，对于第i个竞争成功的终端STA，其竞争信道时不发生碰撞的概率P_i为： 

其中p^j为j个终端STA都选择同样的退避时间的概率，j为网络中的其他终端STA，N为接入网络中总的终端STA数。 

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的WLAN网络中基于802.11u协议的终 端节能功耗管理方法，其特征在于：所述的步骤5）中每个终端STA仅在其传输时处于激活状态，在时间上处于激活期，其余时间为睡眠期，第j个终端STA在一次传输周期内的睡眠期的总时长T_sleep（j）如式（5）所示， 

其中T_i、(i=1…，N)分别表示终端S_i，(i=1，…，N)接收一次数据所需的时间，N为接入网络中总的终端STA数。 

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的WLAN网络中基于802.11u协议的终端节能功耗管理方法，其特征在于：所述的步骤5）中终端STA根据其携带的传输序列和传输数据的长度来确定其在一次传输周期内的睡眠期和激活期的具体操作为：目的终端接收GAS信令后，根据传输序列确定出其处于传输序列的位置，并根据先于其传输的目的终端传输数据的长度进一步确定其睡眠期和唤醒时刻，从而在该时刻处于激活状态来接收数据。 

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