CN1495588A - 无线计算装置中网络接口模块能量消耗的管理方法和系统 - Google Patents

Abstract

无线装置中使用的能量管理方案通过有选择的将网络接口模块置于低能耗状态一段空闲时间来降低无线装置网络接口模块的能量消耗。当网络接口模块被置于计算空闲时间的低能耗状态时。我们通过计算空闲时间的长度，得到期望的延迟积聚通信数据是小于或等于预先选择的阈值。延迟通信数据量作为空闲时间的函数，可以用从业务统计数据推出的平均到达间隔和服务速率采模型化。

Description

无线计算装置中网络接口模块能量消耗的管理方法和系统

(1)技术领域

本发明主要涉及无线计算装置，尤其涉及用电池作为电源的无线计算装置的能量管理问题。

(2)发明背景

无线计算装置，比如膝上型计算机，个人数字化助理装置正变得越来越受欢迎，这些装置通过无线传送与其他装置进行通信。无计计算装置通常是以电池为能源。因为电池所能提供的能量非常有限，所以对那些装置而言，如何通过使能量消耗达到最小来延迟电池供给能源装置的工作时间变成了一个重要的议题。

无线装置中显著消耗能量的一个组成部分是网络接口模块，它处理网络通信数据传送的接收。据估计，无线膝上型计算机的平均约20％的能量消耗是用在了无线局域网(LAN)接口通信上。绝大部分的能量被用来进行无线数据传送与接收。为了降低能量消耗，绝大多数的无线装置使用能量管理方案，这个方案使得网络接口模块能够在不同能量状态之间切换，在各个状态下，能量消耗值不同。那些状态包括高能耗状态和低能耗状态，在高能耗状态下，发送器的供能来进行网络通信数据的传送与接收，在低能耗状态下，网络接口模块被置于休眠模式或者被关闭。网络接口装置被置于低能耗状态的时间周期通常被定为“空闲时间”。由于当网络接口模块处于低能耗状态时，发送器是被关闭的，所以这就耽搁了网络业务数据的传送，并且被延迟的业务数据不得不被暂时存贮在队列中，等到网络接口模块被切换回高能耗状态时再传送。如果接口网卡被置于低能状态次数太频繁或时间太长的话，那么大量的延迟网络业务数据就会积聚成传送列。这样，我们有必要在节省电池能量和避免网络业务过度拥挤之间达成合理的平衡。因此，对新的能量管理组合方法而言，我们有必要来决定什么时候将无线装置的网络接口模块切换到低能耗状态，以及究竟需要多长时间来提供充分的能量节省以避免引起网络业务过度延迟和积聚(比如说，通信拥塞)。

(3)发明内容

依前述观点，本发明提供了一种用来管理无线计算装备网络接口模块的能量管理方案。能量管理方案使用网络业务统计数据，用来产生数学模型参数，用以预测作为网络接口模块处于低能耗状态的时间的函数而累计的延迟业务数据量。此如说，这些参数包括：网络接口模块处业务数据包的平均到达间隔(inter-arrival)速率和在处理业务数据包时系统的平均服务速率。根据这些数学模型和得出的参数，无线装置能计算目标空闲时间值，在该时间内，预测的队列中的积聚业务数据两小于或等于预定的阈值。

如果无线装置与基础无线网络的访问点相关，装置的网络接口模块就被设定为计算目标空闲时间的低能耗状态。如果这个装置与一专用网络相关，那么该装置首先在专用网络内传送它的目标空闲时间，然后收听专用网络内其他无线装置计算和传送的目标空闲时间。然后，该装置选择网络中无线装置传送的最小空闲时间，作为装置的共同空闲时间，然后将网络接口模块切换到对应于该共同空闲时间的低能耗状态。

(4)附图说明

读者在参照附图阅读了下文的详细描述以后，将会更清楚地了解本发明和它的优点。其中，

图1是本发明一个实施例的典型计算机装置机构的示意图；

图2是本发明能量管理方案一种实施例的无线计算装置典型操作环境的示意图；

图3a是本发明能量管理方案一种实施例中形成无线装置模型的状态机的示意图；

图3b是无线装置的网络接口模块活动与空闲状态周期的时间线。

图4是为管理与访问点或专用网络相连的无线装置中的能耗而执行的步骤的流程图；

图5是为预测无线装置的网络接口模块的空闲时间而执行的步骤的流程图；

图6a是网络接口模块工作循环的时间线，其中，接口模型扫描从其他无线装置发出的探测请求信号；以及

图6b是在无线装置连接到无线网络之前，管理该无线装置中的能耗的典型方法的流程图。

(5)具体实施方式

本发明工作在带有用于访问无线网络的网络接口模块和电源(电池盒)的无线装置中。但是，电池盒中存储的能量有限。由于在发送器开启时网络接口模块会消耗大量的能量，因此人们想通过将网络接口模块置于低能耗状态来降低能耗，在低能耗状态下，发送器与接收器处于降低能量消耗状态。本发明提供了一个能量管理方案来完成这个任务。在参照图2～6详细描述该发明之前，我们先参考图1来描述该发明可实施的一个典型计算装置。

我们可以在使用不同类型机器的系统中实施该发明，这些机器包括于手机、手持装置、无线监视装置、基于微处理的可编程用户电子装置或是类似的使用指令的装置，比如由处理器执行的程序模块。通常，程序模块包括例行程序、对象、组件、数据结构和类似的能完成特定任务或实施过程的特定抽象数据类型。术语“程序”包括一个或多个程序模块。

图1示出该发明一个实施例的典型计算装置100。就它的通常基本配置而言，该计算装置100至少包括处理单元102和存贮器104。根据计算装置的类型和准确配置，存贮器104可以是易失的(比如说RAM)，非易失性的(比如ROM，闪存等)，或者是两者的组合。这个通常的基本配置在图1中用虚线106表示。另外，装置100也可以具有其它的特性/功能。例如，装置100也可以包括附加存贮器(可移动的和/或不可移动的)，包括(但并不局限于)磁盘(带)或光盘。附加存贮器在图1中用可移动存贮器108和不可移动存贮器110来表示。计算机存贮媒体包括易失的和非易失的，可移动和不可移动媒体，这些是用来存贮信息的方法和技术，这些信息包括计算机可读指令数据结构、程序模块或其他数据。内存104、可移动存贮器108和不可移动存贮器110都是计算机存贮媒体的例子。计算机存贮媒体包括(但不局限于)RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存贮技术、CDROM、数字万用盘(DVD)或其他光学存贮设备、磁带盒、磁带、磁盘存贮器或其他磁性存贮设备，或者任何其他能被用来存贮所需信息并能被装置100访问的媒介。这些计算机存贮媒体是装置100的一部分。

装置100也可包括一个或多个通信连接器112，它允许该装置与其他设备进行通信。通信连接器112是通信媒体的一个范例。通常，通信媒体具体表现为计算机可读指令、数据结构、程序模块或是调制数据信号中的其他数据，比如说载波或其他传输方法，包括一些提取媒体信息。术语“调制数据信号”表示有一个或多个特性的信号，用一种方式来设置或变更这些特性，使之进行信号所含信息的编码。举例说(但不局限于此)，通信媒体包括有线媒体，比如有线网或直线连接。还包括无线媒体，比如说声音的、RF、红外线的和其他无线媒体。如上所谈到的，这里所用的计算机可读媒体术语既包括存贮媒体，又包括通信媒体。

装置100也可以包括一个或多个输入设备114，比如键盘、鼠标、插入笔、语言输入设备，触摸输入设备等。也包括一个或多个输出设备116，比如说显示器、扬声器、打印机等。所有这些设备是本领域所熟知的，这里就不赘述了。

为了与该发明的预期专利申请相吻合，装置100被配置为无线移动设备。为达到那个目的，装置100供有便携式电源120，比如电池组，燃料盒或类似设备。电源120为装置100的计算和无线数据传送提供动力。如图2所示，无线计算装置100进一步包括与不同类型无线网络进行通信的网络接口模块201。网络接口模块包括发送器122，它与天线206耦合，用来在合适频率段上无线传送数据。接收器126也与天线206耦合，用于无线接收从与该设备进行通信的网络发送过来的通信数据包。图1中，网络接口模块201与天线206是通信连接的一部分。在一个实施例中，网络接口模块201使用基于IEEE 802.11的无线配置服务来简化网络配置，包括基础网络和专用网络。一个典型的网络接口是PCMCIA无线卡。应当理解，网络接口调制器的物理配置对发明而言并不是关键的。比如，网络接口调制器就不必做在单独的一张卡上，它可以置于计算机的母板上，甚至可以将其植入处理器。

通过无线网络接口调制器，无线计算装置100可以与不同类型的无线网络进行通信。比如，如图2所示环境，无线装置100可以通过其访问点231与基础网络230无线连接。无线连接100也可以是对等结构网络220的一部分，也可称为专用网络，它包括其他无线装置，如无线装置221、222和223。在连接到基础网络或专用网络220的访问点231之前，无线装置100可能处于搜寻相关设备状态。这是通过周期性的扫描由访问点或其他装置发出的探测请求信号来完成的。

网络驱动器208控制网络接口模块201的工作。网络驱动器208可以是无线装置100操作系统的一部分，也可以是在无线装置100上运行的单独可执行程序。微软公司的视窗管理仪器(WMI)就是一个典型的网络驱动器。网络驱动器208包括管理与下面所描绘的本发明的网络接口模块能量消耗的能量管理器202。系统队列205被用来存贮来自用户210的通信数据包，这些通信数据包将等待由发送器122发出。系统队列也被用来存贮由接收器126接收的存贮包。

装置100进一步包括用来存贮业务统计数据的数据库204，在该发明的能量管理方案中，用这些数据来决定网络接口模块目标空闲时间，这将会在下面更详细地描述。队列205和业务统计数据库204可能驻留在如图1所示的系统内存104、可移动存贮器108或不可移动存贮器110中。在一个实施例中，业务统计数据通过操作系统来维持，计数器可以被设置为代表在不同到达间隔和服务速率处测得的离散信息分布的目标鉴别器。

能量管理器202的随机判定器203通过使用随机方法来分析数据库104中的业务统计数据，以鉴别无线业务的历史模式和做出能量管理决策。基于由随机判定器203提供的决策，能量管理器202动态地在高能耗状态和低能耗状态之间切换网络接口模块201，其中，在高能耗状态时，我们供给发送器能量来发送数据包；在低能耗状态下发送器被关闭以节省能量。

如上所提及的，网络接口模块201有多能量状态，包括用于发送和接收无线数据包的高能耗状态和低能耗状态。处于低能耗状态时，网络接口模块要么处于休眠模式，要么被关闭。在休眠模式和关闭模式之间的选择通常依赖于周围环境。比如说，如果我们在一段期间内使用像IEEE 802.1x那样的复杂验证机制，那么NIM可能只被置于休眠模式。相反，在验证方法简单或者根据没有的家庭中，NIM可以完成关闭以更多节约能量。

在高能耗状态，因为发送器122被供给能量，所以我们节省了大量能量。相反地，在低能耗状态，发送器和接收器被置于降低能量消耗状态，这就导致了能量消耗的显著降低。将网络接口模块201置于高能耗状态或置于低能耗状态依赖于系统队列中为避免在处理队列通信数据时严重延迟的而积聚的业务数据量。例如，当队列业务数据量很大时，网络接口模块应工作于高能耗状态以处理队列通信数据。另一方面，当队列业务数据量小时，我们可允许让网络接口模块201处于“半休眠”或将它关闭以节省能量。为了高效的使用能量，网络接口模块201的能量状态模式在理想状态下应与业务数据的依照时间变化发生模式一致，这通常在实际应用中具有随机特性，但能够被统计预测。

依照这个概念，本发明提供了能量管理方案，它使用历史业务数据来分析直到当前时间点的业务发生模式，并用分析结果来预测如果网络接口模块被置于低能耗状态一段时间(称“空闲时间”)时，积聚了多少未发送的网络通信数据。然后，我们就可选择在处理积聚业务数据(如，业务拥塞)时不会导致过度延迟的目标空闲时间。

更具体地说，我们使用数学模型来预测接口模块置于低能耗状态时系统队列中期望积聚的未处理的业务数据量。数学模型中的参数通过分析业务统计数据得出。基于这个已求得参数的数学模型，我们通过计算得到目标空闲时间，在这个时间内，期望业务积聚量小于或等于预定的阈值。

在这一点上，预定阈值代表业务量的实际限值，这个业务量由于发送器的关闭而被延迟。在这一点上，当通过网络连接传送数据时，操作系统及应用软件具有缓冲区来存贮和保持信息。例如，我们可以选择与最小缓冲区大小一致的阈值，该缓冲区大小可以保持而不导致在预定能量节省状态时无线卡上数据包损失。

在一个实施例中，从业务统计数据得到的数学模型参数包括平均到达间隔速率和平均数据服务速率。该数学模型以及这两个参数的推导将在下面更详细描述。通常，拥塞是数据包数据量不能在暂停前处理，或者由于可用缓冲区大小超出而导致数据包丢失。到达间隔速率是指数据包从远终端到达服务器的速率。尽管数据包可能以一个特定的速率到达主机，但是正由主机发出的数据包以不同的速率进行处理，这个速率是与网络处理特定包的平均时间相一致的。在瞬时网络条件下，当数据包以高于由网络服务的速率到达特定点时，数据业务被延迟了。通常情况下，在网络环境下，这会发生在访问点水平处，那里许多移动主机互相连接，每个网络节点的平均处理速率暂时降低了。网络间或网络内连接的专用网络，在共享媒体访问(访问点)中出现的问题一般不会出现。对一个稳定的网络，平均服务速率大于或等于在稳定状态条件下的平均到达速率。

回到图2，在所示的系统中，可以在能量管理器202的控制下实施能量管理方案。在一个实施例中，能量管理器的随机判定器203周期检索数据库204中的业务统计数据，并对数据进行随机分析。周期是无线装置扫描从其他设备发出的无线通信信号的预定扫描时间间隔的一部分。例如，IEEE 802.11协议的无线配置服务规定无线装置的扫描时间为60秒，探测请求间隔周期是0.1秒。这时，比方说，能量管理器可以决定接口模块是否在多个时间间隔内处于低能耗状态，而这些时间间隔是探测请求间隔的函数。

在一个实施例中，业务统计数据包括一系列历史到达间隔速率和一系列历史服务速率。每个历史到达间隔速率代表大量过去在一个特定单位时间间隔中到达网络接口模块的业务数据元素(如数据包)。每个服务速率代表大量在单位时间间隔内通过网络接口模块处理的业务数据。为了统计描述已检索的分布数据，我们定义到达间隔分布函数和服务速率分布函数。具体的说，到达间隔速率分布函数形成到达间隔速率对时间间隔的依赖关系的模型，而服务速率分布形成服务速率对时间间隔的依赖关系的模型。从已检索的历史业务分布数据中，随机判定器203摘录了一系列参数，其中包括根据各分布函数的平均到达间隔速率和平均服务速率。从摘录的平均到达和服务数据速率中，随机判定器203能预测业务数据的量，如果网络接口模块被置于低能耗状态于一段给定长度的空闲时间，这些通信数据将会被加到系统队列中。通常，空闲时间越长，节省的能量就越多。然而，延迟业务数据量也随着空闲时间增加而增加。这样，我们有必要选择合理长的空闲时间，这样可能节省大量的能量，也不会因时间太长而导致不好的业务拥塞。通过设定目标空闲时间来获得此平衡，这个时间引出与预定阈值相当的延迟业务量。在决定好空闲时间后，能量管理器202测量网络接口模块的当前到达间隔速率和服务速率，并更新存贮任历史数据库204中的历史分布数据。

如果确定空闲时间是无效的或等于零，那么网络接口模块被置于高能耗状态，也就是网络接口模式201的默认能耗状态。如果确定的空闲时间是有效的，那么对于计算的目标空闲时间，网络接口模块是否处于低能耗状态取决于无线装置是否与基础网络或专用网络相连。如果无线装置100与基础网络访问点231相连，那么能量管理器202在计算的空闲时间里，将网络接口模块201切换到低能耗状态。另一方面，如果无线装置100与专用网络220相关联，那么无线装置100就在专用网络220中传送其计算的空闲叶间，并收听由其他无线装置221、222和223传送的空闲时间值。专用网络中的每一个无线装置，包括装置100，然后选择所传送的最小空闲时间值作为使用的空闲时间。

其后，网络接口模块201被置于低能耗状态，并由能量管理器202在最小空闲时间内保持在低能耗状态。

有时候，无线装置100会发现自己并没有与基础网络的访问点或专用网络中的其他设备相连。在这种情况下，无线装置100定期输入扫描模式，在此模式下，无线装置100定期输入扫描模式，在此模式下，它从可能与其相连的其他设备处接收探测请求和探测响应信号。在一个实施例中，能量管理方案定义了包括活动周期和休眠周期的工作循环，其中两个周期的和与固定扫描时间相等，如由IEEE 802.11无线配置服务所规定的扫描时间。这样，在每个周期内，网络接口模块201在休眠期保持在低能耗状态下以减少能量，然后在活动周期内切换到高能耗状态，在此期间进行扫描。

在实施能量管理方案的过程中，无线装置100可形成如图3a所示的能量状态机300的模型。能量状态机300包含两种高能耗状态“开”和“扫描”。“开”状态301代表网络接口模块201(图2)接收或发送无线数据包的状态，而“扫描”状态302代表网络接口模块扫描与网络的连接的状态。除了高能状态之外，能量状态机300还包括两个低能耗状态：“半休眠”和“关”状态。“半休眠”状态304代表网络接口处于空闲状态(即，不发送或接收通信数据)，而“关”状态303代表网络接口模块处于关闭状态。网络接口模块能在这两种能量状态间转变，随机判定器103决定是否进行改变。

在系统启动后，网络接口模块被设定为默认的“开”状态301。在这一点上，无线装置还设有与网络相连。接口模型定期(每个扫描时间间隔Tscan)输入“扫描”状态302，并依据IEEE 802.11标准通过发送探测请求信号扫描网络。在无线装置形成无线网络连接之后，随机判定器103定期计算数据库204中基于业务统计数据的目标空闲时间。

如果计算的空闲时间为零或是无效值，那么网络接口模块201保持在“开”状态301。否则，如果计算的空闲时间有效，且无线装置与基础网络相连，那么网络接口模块转变到“半休眠”状态304，并在计算的空闲时间里，保持这个状态来节省能量。在空闲时间用完后，网络接口模块转变回“开”状态301。在这段空闲时间内，网络接口模块可以转变到“关”状态303。当空闲时间用尽时，网络接口模块转为到“开”状态301。

如上所述，空闲时间是根据数学模型来计算的，这个模型可以预测作为空闲时间函数的业务延迟量，并可以预先选择业务延迟阈值。计算的空闲时间可以比IEEE 802.11无线配置服务所规定的扫描时间长，如图3b所示。在图3b中，虚线扫描线系列代表依据IEEE 802.11的无线配置服务的扫描时间315。空闲时间313随另一个活动时间312之后。在活动周期内，网络接口模块处于高能耗状态。在空闲时间周期内，网络接口模块工作在低能耗状态。在所示的例子中，空闲时间313延伸超过扫描时间线。空闲时间可能比扫描时间间隔短，如空闲时间314，它在一个扫描间隔内。

图4概述了能量管理方案的一个实施例的实施步骤。从这时起，计算网络接口模块的空闲时间，以决定空闲时间值，我们期望这个值引起与预决的阈值相等的延迟业务数据量。确定计算的空闲时间的有效性(步骤402)。如果空闲时间为零，那么网络接口模块被设置为高能耗状态(步骤403)。否则，确定该无线装置是否与专用网络相关，或确定访问点(步骤404)。如果确定无线装置与访问点相关，那么网络接口模块就设置为在计算的空闲时间里为低能耗状态(步骤406)。另一方面，如果无线装置与专用网络相关联，那么专用网络中的每个无线装置确定并传送它自己的空闲时间(步骤405)，并收听从专用网络中其他无线装置传送的空闲时间(步骤407)。然后，选择所传送的空闲时间中的最小空闲时间(步骤408)，作为专用网各中所有网络装置中的所有网络接口模块的共同空闲时间(步骤409)。然后，每个网络接口模块在共同空闲时间里被设置为低能耗状态(步骤410)。

以下的说明描述了用在网络接口模型中计算目标空闲时间的一个实施例的数学模型。参考图5，步骤501，业务统计数据从数据库204(图3)中检索业务统计数据用于分析。业务统计数据包括到达间隔速率和服务速率，其中，每个到达间隔速率代表在单位时间间隔内到达网络接口模块的业务数据量，每个服务速率代表在单位时间间隔内由网络接口模块处理的业务数据量。这些检索的到达间隔速率和服务速率分别作为等式1和2所示的指数分布函数和Pareto分布函数模型(步骤502)。

${\mathrm{Pr}}_{\exp }=1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{0}t}$

(公式1)

${\mathrm{Pr}}_{\mathrm{Pareto}}=1-{\left(\frac{\mathrm{\α}}{t}\right)}^{\mathrm{\β}},\mathrm{\α},\mathrm{\β}\≥0,t\≥\mathrm{\α}$

(公式2)

这里λ₀、α、β是由数据确定的变量，t是逝去的时间。通过将指数分布函数和Pareto分布函数分别应用在到达间隔和服务速率检索数据上，获得平均到达间隔速率λ_ave以及平均服务速率μ_ave(步骤503)。更具体地说，平均到达间隔速率λ_ave由下式计算：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ave}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{\mathrm{Pr}}_{\exp }=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i(1-e^{{\mathrm{\λ}}_0/{\mathrm{\λ}}_i})$

(公式3)

这里λ_i是是第i个到达间隔速率。平均服务速率μ_ave按下式计算：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ave}}=\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i{\mathrm{Pr}}_{\mathrm{Pareto}}=\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i\mathrm{\β}{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\β}}{{\mathrm{\μ}}_i}^{-\mathrm{\β}-i}=\underset{\mathrm{\α}}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\β\α}}^{\mathrm{\β}}{\mathrm{\μ}}^{-\mathrm{\β}-1}\mathrm{d\μ}=\frac{\mathrm{\α\β}}{\mathrm{\β}-1}$         (公式4)

空闲时间T_idle初始化为需求λ_ave的平均到达间隔速率的倒数，活动时间T_on被初始化为平均服务速率μ_ave的倒数(步骤504)，如下等式5和6所示。

T_idle＝1/λ_ave              (公式5)

T_on＝1/μ_ave                (公式6)

给定它初始化的空闲时间和活动时间，我们确定空闲时间与活动时间的和是否超过由IEEE 802.11无线配置服务所规定的扫描时间T_scan。如果没有，那么提示系统队列中的业务数据可能较大。其中，空闲时间T_idle被重新设置为扫描时间T_scan与活动时间T_on之差(步骤510)，如等式7所示。

T_idle＝T_sacn-T_on            (公式7)

通过收集当前业务统计分布信息，更新历史分布信息，其中，当前业务统计分布信息包括当前到达间隔速率、服务速率、系统队列，并将收集的分布数据存入图2中所示的数据库204中。然后，提供空闲时间T_idle作为输出，并终止计算过程(步骤512)。用以上的等式作为模型和模拟目的，也可被用作设置初始阈值的工具。

如果初始化空闲时间和活动时间的和超过由IEEE 802.11规定的扫描时间间隔，那么，这就表明在不久的将来系统队列中的业务数据量可能很小，网络接口模块可能在一个相对长的周期内处于半休眠状态，同时空闲时间计算过程继续。随机判定器按照形成模型的历史分布数据，预测系统队列Q中的业务数据量(步骤506)。业务数据有两个贡献，一是来自无线装置，由N_wd表示，另一个是来自另一个无线装置的业务数据，例如，访问点或专用网络中的无线设备，由N_ap表示，N_wd可由等式8解出。

N_wd＝k_p+λ_aveT_scan-μ_aveT_on          (公式8)

这里k_p是无线装置系统队列中的残余业务数据量。λ_aveT_scan项表示在扫描时间内到达的平均业务数据量，μ_aveT_on项表示被无线装置处理并已发出的平均业务数据量。类似的，N_ap可由下式计算：

N_ap＝μ_aveT_scan-λ_aveT_on             (公式9)

这里μ_aveT_on项表示在扫描周期内，被其他无线装置处理的平均业务数据量，λ_aveT_on项表示在活动周期内到达其他无线装置的平均业务数据量。这两项之差给出了发送到无线装置的业务数据的期望平均值。组合等式8和9，系统队列中的业务数据预测值可以表示为：

Q＝N_wd+N_ap＝λ_aveT_idle-μ_aveT_idle+k_p      (公式10)

依照本发明，如果系统队列中延迟业务数据的期待量较小，网络接口模块可被设置为低能耗状态。为此，用预先选择的业务阈值ε来代表延迟业务数据可接受量的上限。例如，我们可选ε为1500个数据位。期望业务量Q被设置为与ε相等，如等式11所示，并依据等式12得到空闲时间(步骤507)。

Q＝N_wd+N_ap＝λ_aveT_idle-μ_aveT_idle+k_p＝ε  (公式11)

T_idle＝(ε-k_p)/(λ_ave-μ_ave)              (公式12)

如果等式12没有T_idle的正解(步骤508)，那么空闲时间被设为零(步骤509)。另一方面，正值表示有效空闲时间。更新网络业务分布信息(步骤511)。随机判定器向能量管理器提供该空闲时间(步骤512)。

如上所提及到的，除了当无线装置连接到网络上时管理能量消耗外，在无线装置还设连接到无线网络上时，能量管理方案也定期地将无线网络接口模块置于低能耗状态。现在参考图6a和6b来讨论能量管理方案的这个方面。当装置未连接到网络上时，为了减少无线装置网络接口模块的能量消耗，网络接口模块进行如图6a所示的工作循环。该工作循环包括发送探测请求信号616、等待网络接口模块等待探测请求信号的响应的等待周期R614、以及半休眠一段空闲周期617。工作循环610的持续时间用D来表示。等待周期有两个组成部分，往返时间周期RTT 611和随机时间612，随机选择空闲时间615，以避免网络接口模块与其他无线接口模块同步。

参考图6b，要找到无线装置能连接上的网络，无线装置定期地发出探测请求信号(步骤601)，等待等待时间(步骤602)随后。在等待周期内，网络接口模块确定来自另外无线装置上的探测请求信号或者对探测请求信号的响应是否被发出或接收到(步骤603)。下面描述作为空闲时间函数的期望节省能量值。网络接口模块在空闲时间内置于半休眠模式(步骤605)。如果在等待周期内另外装置接收到探测请求信号或响应(步骤603)，那么无线装置就与网络连接上了(步骤606)。在这种情形下，图4和图5中所讨论的能量管理方案被应用到无线装置上。

下面，我们讨论作为空闲时间长度函数的节省能量的估计方法。假设第一无线装置在第二无线装置的附近，并且这两个无线装置试图通过发送探测请求信号互相之间进行通信。第二无线装置接收到从第一无线装置发出的探测请求的概率X可以表示为X＝R/D，其中，R是等待周期，D是图6a中所示的工作循环持续时间。在等待周期R内，由第一无线装置接收到来自第二无线装置的探测请求的概率也是X。那么，在包含等待周期和半休眠周期的一个工作循环内，两个无线装置接收到来自对方的探测请求的概率可以表示为1-(1-x)²。因此，两个互相关联的无线设备的平均工作周期数N为N＝1/[1-(1-x)²]，那么对两个互相关联的无线装置，需要的时间T为T＝N×D＝D/[1-(1-R/D)²]。因为D固定为由IEEE 802.11无线配置服务所规定的扫描时间，所以R被用来调节时间T，例如，将D设为等于60秒，通过选择R为20秒，我们可以节省67％的能量。

Claims (26)

1.对具有网络接口模块的无线计算装置，在传送和接收无线网络通信数据时管理能量消耗的方法，其特征在于，所述方法包含：

分析业务统计数据，以得出模型参数，所述模型参数用来预测网络接口模块在置于低能状态时按时间函数关系积聚的延迟业务数据量，此时，所述网络接口模块停止发送网络通信数据；以及

根据用所述导出的参数而得到的模型，计算所述网络接口模块的目标空闲时间，其中，用所述模型来预测将所述网络接口模块置于所述目标空闲时间的低能耗状态会导致延迟业务数据两小于或等于预选的阈值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

确定无线装置与基础网络的访问点相连；

将所述网络接口模块切换到对所述目标空闲时间的低能耗状态。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

确定所述无线装置与专用无线网络相连；

在所述专用无线网络中，向其他无线装置传送所述目标空闲时间；

接收所述专用无线网络中其他无线装置计算并传送的目标空闲时间；

选择传送的最小一个目标空闲时间，作为所述专用无线网络中无线装置的共同空闲时间；以及

将所述网络接口模块切换到对共同空闲时间的低能耗状态。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用来预测延迟的业务数据量的模型参数包括平均到达间隔速率和平均服务速率，其中，分析业务统计数据的步骤包括：

检索所述业务统计数据包括一组历史到达间隔速率、一组历史服务速率和一组系统队列中业务数据量；

用第一分布函数，形成历史到达间隔速率的模型，并用第二分布函数，形成历史服务速率的模型；以及

分别根据第一和第二分布函数，导出平均到达间隔速率和平均服务速率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括通过收集当前到达间隔速率和当前服务速率来更新业务统计数据。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一分布函数是指数分布函数。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二分布函数是Pareto分布函数。

8.一种具有计算机可执行指令的计算机可读媒体，它用来执行具有网络接口模块的无线计算装置的管理能量消耗的步骤，该网络接口模块用来发送和接收无线网络通信数据，其特征在于，它包含：

分析业务统计数据，以得出模型参数，所述模型参数用来预测网络接口模块在置于低能状态时按时间函数关系积聚的延迟业务数据量，此时，所述网络接口模块停止发送网络通信数据；以及

根据用所述导出的参数而得到的模型，计算所述网络接口模块的目标空闲时间，其中，用所述模型来预测将所述网络接口模块置于所述目标空闲时间的低能耗状态会导致延迟业务数据两小于或等于预选的阈值。

9.如权利要求8所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述计算机可执行指令用以执行下述步骤：

确定无线装置与基础网络的访问点相连；

将所述网络接口模块切换到对所述目标空闲时间的低能耗状态。

10.如权利要求8所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述计算可执行指令用以执行下述步骤：

确定所述无线装置与专用无线网络相连；

在所述专用无线网络中，向其他无线装置传送所述目标空闲时间；

接收所述专用无线网络中其他无线装置计算并传送的目标空闲时间；

选择传送的最小一个目标空闲时间，作为所述专用无线网络中无线装置的共同空闲时间；以及

将所述网络接口模块切换到对共同空闲时间的低能耗状态。

11.如权利要求8所述的计算机可读媒体，其特征在于，预测延迟业务数据量的模型参数包括平均到达间隔速率和平均服务速率，其中，分析所述业务统计数据的步骤包括：

检索所述业务统计数据包括一组历史到达间隔速率、一组历史服务速率和一组系统队列中业务数据量；

用第一分布函数，形成历史到达间隔速率的模型，并用第二分布函数，形成历史服务速率的模型；以及

分别根据第一和第二分布函数，导出平均到达间隔速率和平均服务速率。

12.如权利要求11所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述计算机可执行指令用于通过收集当前到达间隔速率和当前服务速率，执行更新业务统计数据步骤。

13.如权利要求11所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述第一分布函数是指数分布函数。

14.如权利要求11所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述第二分布函数是Pareto分布函数。

15.一种在具有网络接口模块的无线计算装置中使用的能量管理系统，所述模块用来发送和接收无线网络通信，其特征在于，它包括：

用来存贮业务统计数据的业务统计数据率，所述数据包括一组历史到达间隔速率和一组历史服务速率；以及

有选择地将网络接口模块设置于低能耗状态的能量管理器，所述能量管理器使具有随机判定器，用以分析业务统计数据，以导出平均到达间隔速率和平均服务速率，并根据平均到达间隔速率和平均服务速率，计算所述网络接口模块的目标空闲时间，所述目标空闲时间的预测，用以在所述网络接口模块置于对服务空闲时间的低能耗状态时，产生小于或等于预选的阈值的延迟网络业务数据量。

16.如权利要求15所述的能量管理系统，其特征在于，当所述无线装置连接到基础网络的访问点时，对所述能量管理器编程，用来将所述网络接口模块切换到对目标空闲时间的低能耗状态。

17.如权利要求15所述的能量管理系统，其特征在于，对所述能量管理器编程，以执行下列步骤：

确定所述无线装置与专用无线网络相连；

向所述专用无线网络中的其他无线设备传送所述目标空闲时间；

接收由所述专用无线网络中其他无线设备计算并传送的目标空闲时间；

选择最小传送目标空闲时间，作为对专用无线网络中无线装置的共同空闲时间；以及

将所述网络接口模块切换到所述共同空闲时间的低能耗状态。

18.如权利要求15所述的能量管理系统，其特征在于，对随机判定器进行编程，来执行以下步骤：

用第一分布函数来形成历史到达间隔速率模型，并用第二分布函数形成历史服务速率模型；以及

分别根据第一和第二分布函数，导出平均到达间隔速率和平均服务速率。

19.如权利要求18所述的能量管理系统，其特征在于，所述第一分布函数是指数分布函数。

20.如权利要求18所述的能量管理系统，其特征在于，到达第二分布函数是Pareto分布函数。

21.如权利要求18所述的能量管理系统，其特征在于，对能量管理器进一步编程，用以通过收集当前到达间隔速率和当前服务速率来更新业务统计数据。

22.一种移动计算装置，其特征在于，它包括：

对移动装置供电的电源；

用来发送和接收无线网络通信的网络接口模块；

用来存贮业务统计数据的业务统计数据库，所述数据包括一组历史到达间隔速率和一组历史服务速率；

有选择地将网络接口模块设置于减小电源能耗的低能耗状态的能量管理器，所述能量管理器具有随机判定器，用以分析所述业务统计数据，以导出平均到达间隔速率和平均服务速率，并根据所述平均到达间隔速率和平均服务速率，计算所述网络接口模块的目标空闲时间，所述目标空闲时间的预测，用以在网络接口模块置于对目标空闲时间的低能耗状态时，得到小于或等于预选的阈值的延迟网络业务数据量。

23.如权利要求22所述的移动计算装置，其特征在于，所述电源包括电池盒。

24.如权利要求22所述的移动计算装置，其特征在于，所述电源是燃料盒。

25.如权利要求22所述的移动计算装置，其特征在于，当所述无线装置与基础网络的访问点相连时，对所述能量管理器进行编程，以将所述网络接口模块切换到对目标空闲时间的低能耗状态。

26.如权利要求22所述的移动计算装置，其特征在于，对所述能量管理器进行编程，以执行以下步骤：

确定无线装置与专用无线网络相连；

向所述专用无线网络中的其他无线设备传送目标空闲时间；

接收专用无线网络中由其他无线装置计算并传送的目标空闲时间；

选择最小传送目标空闲时间，作为对专用无线网络中无线装置的共同空闲时间；

将网络接口模块切换到对共同空闲时间的低能耗状态。

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