基于IEEE 802.11 PCF的光载无线网络接入控制协议能效分析

官 铮 钱文华 何 敏 杨志军,2

(1云南大学信息学院, 昆明 650091)(2云南省教育厅教育科学研究院, 昆明 650223)

基于IEEE 802.11 PCF的光载无线网络接入控制协议能效分析

官 铮1钱文华1何 敏1杨志军1,2

(1云南大学信息学院, 昆明 650091)(2云南省教育厅教育科学研究院, 昆明 650223)

为提高网络能效,提出了一种基于IEEE 802.11 PCF工作模式的并行门限服务轮询(PGP)接入控制策略,用于光载无线分布式天线系统的媒体接入控制中.首先,通过休眠/唤醒和捎带机制降低接入能耗,通过门限服务方式提高数据传输效率,从而实现接入能效的提升;然后,建立平均周期分析模型,得到接入能效与系统负载、数据到达率等参数之间的定量关系闭式表达式;最后,通过仿真实验对所提出的接入策略进行性能测试.测试结果表明,PGP系统接入能效最高可达到PCF的700%和绿色轮询的350%.

光载无线网络;媒体接入控制协议;轮询;能效

RoF-DAS中基站在下行链路采用同播方式,通过多个远程天线单元RAU向用户站点传输无线信号,用户站点的上行数据经RAU转换为光信号后,通过不同长度的光纤链路接入位于中心局的网络接入点AP.目前,针对RoF-DAS系统的研究以网络体系架构的设计和链路实现为主[1-2].在MAC协议研究中,关于RoF架构对传统无线通信MAC协议影响的讨论较多,针对RoF新型MAC协议设计的研究相对较少.RoF-DAS的无线接入基本沿用了无线局域网的随机接入DCF机制.然而,RoF-DAS固有的中心处理机制和多RAU的分布式特征决定了PCF接入方式更有利于分布式动态光载无线接入的实现[3].

基本的PCF接入方式存在灵活性差和信道利用率低等不足.大量研究以系统吞吐量、时延等性能指标作为目标函数,对PCF进行优化[3-7],较少考虑系统能耗因素.近年来,随着网络覆盖的不断扩大和基站的密集分布,部分学者开始关注高能效MAC协议设计[8-10].文献[9]通过捎带技术和休眠机制改进了系统能耗,但仍存在数据传输效率低和未考虑光纤引入时延等不足.文献[10]通过优化覆盖区域内的RAU数量来实现能效的提升,但在能效分析和评估方法上仍采用计算机仿真,缺乏一种有效的理论分析模型.Palacios等[11]建立了轮询控制模式下的数据包接入能效计算模型,但该模型仅能完成最优能效计算,无法体现数据到达率等环境参数对能效的影响.

本文以提高数据传输效率、降低系统能耗为目的,从数据聚合和动态休眠机制的角度,提出了一种并行门限服务方式下的PCF优化接入策略,并建立平均周期能效分析模型,完成接入能效与站点队长、查询周期之间的定量关系分析.

1 PGP控制模型

基于IEEE 802.11 PCF,采用轮询控制来实现PGP接入模式的执行过程.在PCF接入方式下,AP在无竞争周期(CFP)期间依照轮询表顺序向终端站点发送查询请求,站点正确接收轮询请求后向AP发送1个数据帧;若请求站点无数据则回传一个空帧,AP完成确认后向下一站点发出轮询请求.由于轮询请求和确认阶段无有效数据传输,站点间的频繁切换和对空闲站点的请求都将造成网络能耗增加以及吞吐量降低.

相比于PCF,PGP的优点在于:① 采用并行机制,通过捎带方式将站点请求和数据确认过程并行处理,以此降低控制帧开销;② 采用数据聚合服务,发送站点查询时刻前到达的所有数据,以提高传输效率;③ 采用休眠机制,对空闲站点和活动站点分别设置休眠和唤醒策略,减小侦听和接收能耗.

1.1 并行机制

PGP在AP发往当前站点的确认帧(ACK)中捎带对下一站点的请求信息,实现数据传输和请求的并行处理.若请求对象有数据发送,则在接收到该ACK后经过一个SIFS时间开始发送数据;若请求对象无数据发送而处于休眠状态,则无站点回应.如果AP在等待时间TPIFS*后仍未收到有效数据,则向下一站点发送轮询请求,其中TPIFS*=TPIFS+TACK,TACK为ACK发送时间,TPIFS为引入光纤传输时延后PIFS时间TPIFS_IEEE802.11的修正值,作为全局参数,TPIFS=TPIFS_IEEE802.11+2L×5,考虑到RAU的分布式部署,光纤长度L应按最远端RAU计算[12].

1.2 数据聚合服务方式

相较于PCF每次轮询仅允许站点发送一个数据分组,PGP规定在AP访问时刻之前到达的所有数据均在本轮服务过程中发送,起到了分组聚合的作用.如图1所示,当STA1接收到AP的请求信息时缓存中有3个数据分组,则这3个数据分组均可在本轮服务过程中发送.图中,Pt为发送功率;Pr为接收功率;Pi为侦听功率;Ps2i,Pi2s分别为休眠、唤醒转换功率；Ps为休眠功率;Tsw为休眠、唤醒转换时间.

图1 PGP接入模式

1.3 休眠/唤醒机制

PGP采用动态休眠/唤醒机制.AP发送信标(B)和CFP结束帧(CE)标记CFP的起始和终止.站点根据缓存区状态选择对应的休眠模式.休眠模式包括如下2种:① 空闲站点(如STA2)在接收信标后完成NAV更新,随后立即进入休眠状态,并根据时间戳在NAV结束前被唤醒.站点在休眠期间如有数据到达,则在唤醒后等待AP的轮询请求,在回复的ACK中标记待发数据包数量,并在下一轮CFP中传输.若站点持续空闲,则在下一轮CFP完成NAV更新后进入休眠状态.② 活动站点(如STA1,STA3)在完成数据发送后计算NAV剩余时间,若剩余时间大于状态转换所需时间(2Tsw),则进入休眠状态;否则,在下一轮完成NAV更新后,根据缓冲区状态决定是否休眠.

2 能效分析

(1)

式中,下标X表示接入机制类型,且X∈{PCF,PGD}.

2.1 数学模型及假设条件

假设信道处于理想状态,站点缓冲区没有数据溢出,且信道纠错由物理层差错检测机制处理.系统包含N个站点,令随机变量ξi(n)表示AP在tn时刻轮询站点时站点i(i=1,2,…,N)中等待的数据分组数,则系统状态变量为{ξ1(n),…,ξi(n),…,ξN(n)}.AP完成与站点i的数据交换,在tn+1时刻轮询站点i+1,此时系统状态变量为{ξ1(n+1),…,ξi(n+1),…,ξN(n+1)}.

站点i需满足如下假设条件:

若系统满足稳定工作条件∑λi(βi+γi)<1[13],则具有如下的稳态概率分布:

(2)

式中,P[ξi(n)=xi;i=1,2,…,N]为系统状态的概率分布;πi(x1,x2,…,xN)为系统状态稳态分布.

AP在tn时刻查询站点i时系统状态的概率母函数为

Gi(z1,z2,…,zi,…,zN)=

(3)

(4)

由式(3)可得,AP在tn+1时刻查询站点i+1时系统状态变量的概率母函数为

(5)

按照PCF接入方式时,有

Gi+1(z1,z2,…,zi,…,zN)=

[Gi(z1,z2,…,zi,…,zN)-

(6)

按照PGP接入方式时,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周期内平均有效传输的数据分组数为

(9)

当∑λi(βi+γi)≥1时,系统处于过饱和状态,此时的平均查询周期和平均发送数据量分别为

(10)

(11)

2.2.2 PGP性能分析

令gi,j表示站点i在tn时刻开始接受查询时站点j缓存中平均排队的数据分组数,可由系统状态概率母函数一阶求导得到,即

站点i在接受查询时处于空闲状态,站点j缓存中平均排队的数据分组数为

i=1,2,…,N;j=1,2,…,N

(13)

根据式(7)和(12)可得

(14)

(15)

由式(14)和(15)计算可得

(16)

根据站点数据服务规则,当前服务的数据包均为上一循环周期内到达,因此有

(17)

由式(16)和(17)计算得到

(18)

式中,lambertw()为朗伯W函数.

当满足系统稳定工作条件∑λiβi<1时,有

(19)

(20)

2.3 能耗分析

2.3.1 PCF 能耗分析

CFP周期中,AP及站点产生的总能耗包括发送能耗Et、接收能耗Er和侦听能耗Ei.PCF接入总能耗为

EPCF=Et+Er+Ei

(21)

式中

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

式中,TB,TCE,TSIFS分别为信标、CFP结束帧发送时间和短时帧间间隔时间.

将式(21)和(9)代入式(1),可以得出PCF策略接入能效计算闭式表达式.

2.3.2 PGP能耗分析

PGP将对空闲站点进行休眠.定义N(1)和N(0)分别为轮询周期中活动站点和空闲站点的平均数量,则

(22)

(23)

轮询周期内始终保持活动状态的站点数量为

(24)

式中

PGP因引入休眠机制而增加休眠能耗Es以及休眠/唤醒转换能耗Esw,接入总能耗EPGP为

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为请求帧发送时间.

将式(25)和(19)代入式(1),可以得出PGP策略接入能效计算闭式表达式.

3 仿真实验和数值分析

假设信道为理想状态,所有信息分组成功发送.仿真实验在Matlab平台上完成,生成随机序列模拟各站点中单位时间内到达的数据分组数量.参照IEEE 802.11n标准,设置系统参数(见表1).

表1 系统参数表

仿真环境包含1个AP和20个站点,最远RAU光纤长2 km.时间轴按时隙划分,1个时隙为100 μs.系统负载随数据到达率的变化而改变.

相同环境参数下PGP,GP和PCF接入能效比较结果见图2.图中结果为1 000次蒙特卡洛实验统计结果.由图可知,相同参数设置下,数据到达率小于0.01时系统处于稳定状态,PGP能效最高可达GP的350%和PCF的700%;数据到达率大于0.01时,GP和PCF虽然能维持最高能效,但此时系统已处于过饱和状态,无法提供时延保障.究其原因在于,低数据到达率情况下站点空闲率较高,PCF能量消耗以控制信息收发和空闲侦听为主,未能产生有效数据吞吐量;随着数据到达率的增加,能效随有效数据交换率的增加而提高.GP通过休眠降低了能耗,但与PCF相同,每次查询仅允许一个有效数据发送至AP,低传输效率成为接入能效提升的瓶颈.相对而言,PGP通过休眠/唤醒机制减少低负载环境下的空闲侦听.如图3所示,PGP侦听及接收能耗占总能耗的百分数相比PCF显著降低.此外,数据聚合发送方式提高了高负载时的有效数据吞吐量,有利于接入能效的提升.

图2 接入能效比较图

(a) PCF接入方式

(b) PGP接入方式

当丢包率分别为0,1%和5%时,系统接入能效仿真值与理想信道接入能耗理论分析值的对比见图4.图中结果为1 000次蒙特卡洛实验统计结果.由于理论模型中未考虑重传和丢包率因素,故随着丢包率的增加,传输的数据数量减少,理论分析值与仿真值之间的偏差相应增大.

图4 不同丢包率下PGP接入能效计算结果

4 结论

1) 并行门限服务轮询接入控制策略通过休眠/唤醒和捎带机制降低能耗，采用门限服务方式提高数据接入效率，从而实现了接入能效的提升.

2) 相同网络条件下，并行门限服务轮询接入控制策略能效最高可达IEEE802.11 PCF接入策略的700%.

3) 平均周期分析模型可用于轮询控制类接入控制策略的能效分析，实现系统接入能效与系统负载、数据到达率等参数之间的定量关系分析.

4) 基于平均周期分析模型的系统接入能效理论分析值与理想信道环境下仿真值基本一致，两者之间的误差随丢包率增加而增加.

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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. 作者简介: 官铮(1982—),女,博士,副教授,gz_627@sina.com.

国家自然科学基金资助项目(61461054,61463049,61463051)、云南省教育厅科学研究资助项目(2014Z010).

官铮,钱文华,何敏,等.基于IEEE 802.11 PCF的光载无线网络接入控制协议能效分析[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(3):444-449.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.005.

TN929.5

A

1001-0505(2017)03-0444-06