楊 明 吳文甲 羅軍舟

(東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

基于功率配置和關(guān)聯(lián)管理的WLAN能耗優(yōu)化算法

楊 明 吳文甲 羅軍舟

(東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

為實(shí)現(xiàn)WLAN節(jié)能并保證網(wǎng)絡(luò)性能,研究并提出了一種基于功率配置和關(guān)聯(lián)管理的WLAN能耗優(yōu)化算法．首先,采用細(xì)粒度的能耗模型來(lái)定義AP功率,并利用整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)對(duì)能耗優(yōu)化問題進(jìn)行形式化描述,即通過(guò)調(diào)度射頻接口的活躍/休眠狀態(tài),配置AP的信號(hào)發(fā)射功率,以及管理AP與用戶的關(guān)聯(lián)關(guān)系,在保證用戶帶寬需求的前提下,降低網(wǎng)絡(luò)能耗．然后,提出一種高效的啟發(fā)式算法,以迭代的方式選擇開啟的AP及功率級(jí),并確定所關(guān)聯(lián)的用戶．在每次迭代中,以最大化能效的策略進(jìn)行AP及其功率級(jí)的選擇．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法能有效實(shí)現(xiàn)WLAN節(jié)能,并具有較高的運(yùn)行效率,能夠適用于大規(guī)模的WLAN．

無(wú)線局域網(wǎng);能耗優(yōu)化;功率配置;關(guān)聯(lián)管理;能耗模型

IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)是一種重要的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),能夠?yàn)橛脩綦S時(shí)隨地提供高速的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[1-2]．目前,WLAN網(wǎng)絡(luò)已成為3G,4G等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充,為其分擔(dān)大量的數(shù)據(jù)流量[3]．隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和用戶數(shù)量的快速增長(zhǎng)[4],對(duì)WLAN在覆蓋、帶寬等方面的需求也不斷提高．目前,在校園、機(jī)場(chǎng)等用戶眾多的場(chǎng)所,大規(guī)模密集WLAN已經(jīng)成為一種趨勢(shì)．

隨著全球?qū)G色網(wǎng)絡(luò)和低碳節(jié)能的關(guān)注,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能耗問題日益凸顯[5]．在WLAN中,雖然單個(gè)接入點(diǎn)(AP)的能耗十分有限,但在大規(guī)模密集WLAN中,AP數(shù)量會(huì)達(dá)到數(shù)千甚至上萬(wàn),其產(chǎn)生的能耗將不容忽視．因此,WLAN能耗優(yōu)化對(duì)于節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展以及降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行成本,都具有重要意義．

現(xiàn)有的WLAN能耗優(yōu)化手段涉及低功耗芯片、高能效MAC層協(xié)議、按需資源管理等多個(gè)方面[5]．其中,按需資源管理是一種重要且有效的節(jié)能方法,例如,可按需調(diào)度AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài)．通常情況下,WLAN根據(jù)區(qū)域內(nèi)用戶流量需求進(jìn)行規(guī)劃并部署AP．由于用戶流量需求分布在時(shí)間和空間上具有明顯的波動(dòng)性(受用戶作息、移動(dòng)規(guī)律等影響),某個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持較低水平,與峰值負(fù)載相距甚遠(yuǎn),甚至?xí)霈F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間空載．若所有AP一直處于開啟狀態(tài),空載或負(fù)載較低的AP就會(huì)造成能源浪費(fèi)．因此,可通過(guò)調(diào)度AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能．Jardosh等[6]提出了一種按需分配無(wú)線資源的策略,根據(jù)用戶的位置和帶寬需求,動(dòng)態(tài)地調(diào)度AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài),從而有效實(shí)現(xiàn)WLAN的能耗優(yōu)化．為了在滿足用戶需求的前提下開啟最少數(shù)量的AP,Sivaraman等[7]提出了一種活躍AP選擇算法,綜合考慮AP的服務(wù)能力(可覆蓋的用戶數(shù)量)和能耗成本,采用貪心策略進(jìn)行活躍AP的選擇．Ortin等[8]則考慮了AP狀態(tài)切換所需的時(shí)間,并提出相應(yīng)的優(yōu)化算法,在保證網(wǎng)絡(luò)性能的前提下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗．

然而,上述研究大多采用簡(jiǎn)單的能耗模型,假設(shè)AP在開啟狀態(tài)下的功率為定值,未考慮到信號(hào)發(fā)射功率可調(diào)節(jié)、AP能耗與收發(fā)數(shù)據(jù)量相關(guān)等因素,不能準(zhǔn)確反映AP能耗．Garroppo等[9]采用了細(xì)粒度的能耗模型,根據(jù)用戶流量需求調(diào)度AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài)并配置AP的信號(hào)發(fā)射功率,從而優(yōu)化WLAN的能耗．他們雖然給出了能耗優(yōu)化的整數(shù)規(guī)劃模型,但沒有提出高效的優(yōu)化算法,無(wú)法適用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景．此外,用戶關(guān)聯(lián)策略對(duì)于WLAN性能優(yōu)化至關(guān)重要,已被廣泛應(yīng)用于負(fù)載均衡、網(wǎng)絡(luò)公平性等方面[10-11]．而由于節(jié)能調(diào)度是根據(jù)用戶帶寬需求配置AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài)及其發(fā)射功率,用戶關(guān)聯(lián)對(duì)于WLAN能耗優(yōu)化也有著重要影響．因此,本文提出一種高效的啟發(fā)式算法,通過(guò)調(diào)度AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài)、配置AP的信號(hào)發(fā)射功率,以及管理用戶與AP間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)WLAN能耗的優(yōu)化．

1 系統(tǒng)模型與問題描述

企業(yè)級(jí)WLAN通常采用集中控制型架構(gòu),部署WLAN控制器來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的AP進(jìn)行統(tǒng)一配置與管理．目前,該架構(gòu)已有多種實(shí)現(xiàn)方式,例如,CAPWAP協(xié)議[12]可實(shí)現(xiàn)控制器與AP之間的交互與控制;IEEE 802.11v標(biāo)準(zhǔn)[13]給出了在MAC層對(duì)終端進(jìn)行集中式管理的解決方案;軟件定義網(wǎng)絡(luò)也可應(yīng)用于WLAN,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理[14]．因此,本文的工作可基于該架構(gòu),通過(guò)WLAN控制器以集中的方式獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息并執(zhí)行能耗優(yōu)化決策,包括AP調(diào)度、功率配置、關(guān)聯(lián)管理等．能耗優(yōu)化的執(zhí)行可采用周期執(zhí)行或觸發(fā)執(zhí)行2種方式:若為周期執(zhí)行,可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中用戶帶寬需求的動(dòng)態(tài)性決定時(shí)間間隔;若為觸發(fā)執(zhí)行,可在用戶帶寬需求的變化量超過(guò)一定閾值時(shí)觸發(fā)．

1.1 系統(tǒng)模型

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文采用有向圖G(A∪V,E)來(lái)表示W(wǎng)LAN,如圖1所示．其中A為AP集合,V為用戶需求點(diǎn)(user demand node, UDN)集合,E為無(wú)線鏈路集合．對(duì)于任意接入點(diǎn)a∈A,其信號(hào)發(fā)射功率可調(diào)節(jié),有L級(jí)可用的功率,可用功率集合為{p1,p2, …,pL},p1>p2>…>pL．WLAN中的用戶是動(dòng)態(tài)的,但可假設(shè)用戶帶寬需求的分布在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定．因此,UDN不是指具體的某個(gè)終端,而是由網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的用戶帶寬需求離散化所形成的[15]．對(duì)于任意用戶需求點(diǎn)u∈V, 具有一個(gè)需求值,反映其鄰近的用戶終端的聚合流量需求,記為du．用戶到AP的關(guān)聯(lián)關(guān)系,則由AP與UDN之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系表示．

圖1 WLAN的網(wǎng)絡(luò)模型

在WLAN中,與下行流量相比,上行流量可以忽略[11]．因此,本文僅考慮下行流量,即從AP到UDN的流量．WLAN支持多速率,接入點(diǎn)a與用戶需求點(diǎn)u間的鏈路速率由u處的信噪比決定,信噪比計(jì)算公式如下:

SNRa,u,k=30+lg(pk)-PL(dist(a,u))-N

(1)

式中,SNRa,u,k表示接入點(diǎn)a的信號(hào)發(fā)射功率設(shè)置為pk時(shí),用戶需求點(diǎn)u處的信噪比;30+lg(pk)為接入點(diǎn)a的信號(hào)發(fā)射功率,dBm;dist(a,u)為接入點(diǎn)a與用戶需求點(diǎn)u之間距離;PL(dist(a,u))為路徑損耗功率;N為環(huán)境中背景噪聲的功率．

本文用ra,u,k表示接入點(diǎn)a的信號(hào)發(fā)射功率設(shè)置為pk時(shí),接入點(diǎn)a與用戶需求點(diǎn)u間的鏈路速率．e∈E表示AP與UDN間的鏈路,則E={(a,u) |ra,u,1> 0,a∈A,u∈V},即AP與UDN間存在鏈路的前提是AP的信號(hào)發(fā)射功率調(diào)至最高時(shí),UDN處的信噪比所支持的傳輸速率大于0．

此外,假設(shè)信道資源足夠多,可通過(guò)合理的信道分配,使得鄰近AP工作在不同的正交信道上,從而避免AP之間的干擾．因此,本文不考慮AP之間的干擾．

1.1.2 能耗模型

本文考慮到AP的信號(hào)發(fā)射功率可配置、AP能耗與收發(fā)數(shù)據(jù)量相關(guān)等因素,采用細(xì)粒度的能耗模型[9,16]．AP功率包括2部分:

1) 基本功率．AP開機(jī)后,單位時(shí)間內(nèi)交流直流轉(zhuǎn)換、基本電路供電、流量處理等消耗的能量．假設(shè)該部分功率是常量,對(duì)于任意接入點(diǎn)a∈A,用ba表示．

2) 信號(hào)收發(fā)功率．AP在發(fā)射/接收無(wú)線信號(hào)時(shí),單位時(shí)間內(nèi)射頻接口及相關(guān)部件消耗的額外能量．由于本文僅考慮下行流量,該部分功率僅涉及AP發(fā)射無(wú)線信號(hào),與發(fā)射信號(hào)功率和AP利用率(AP發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間占比)正相關(guān)．

因此,對(duì)于任意接入點(diǎn)a∈A,若AP未開啟,則其功率為0;若AP開啟,信號(hào)發(fā)射功率為pk,其功率為

(2)

式中,ηa為信號(hào)收發(fā)功率因子;Va為關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)a的UDN集合．

WLAN總功率則為所有已開啟的AP功率之和，即

(3)

式中,Aon為已開啟AP的集合．

1.2 問題描述

本文研究WLAN能耗優(yōu)化問題,以降低WLAN總功率為目標(biāo),同時(shí)需滿足每個(gè)UDN的帶寬需求．

定義1(WLAN能耗優(yōu)化問題) 給定一個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)G(A∪V,E)以及所有UDN的帶寬需求,以最小化網(wǎng)絡(luò)總功率為目標(biāo),調(diào)度AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài),配置AP的信號(hào)發(fā)射功率,并管理UDN與AP的關(guān)聯(lián)關(guān)系,使其滿足所有UDN的帶寬需求．

由于上述問題可規(guī)約到集合覆蓋問題,因此是NP-hard問題．本文利用整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)方法對(duì)該問題進(jìn)行形式化描述,建立數(shù)學(xué)模型．該模型使用2組決策變量,分別是功率配置變量集和關(guān)聯(lián)管理變量集．

定義2(功率配置變量xa,k) 對(duì)于?a∈A,k∈{1,2,…,L},用0-1變量xa,k來(lái)表示接入點(diǎn)a的信號(hào)發(fā)射功率是否配置為第k級(jí):xa,k=1表示接入點(diǎn)a的信號(hào)發(fā)射功率配置為第k級(jí);xa,k=0表示接入點(diǎn)a的信號(hào)發(fā)射功率沒有配置為第k級(jí)．

定義3(關(guān)聯(lián)管理變量ya,u,k) 對(duì)于?a∈A,u∈V,k∈{1,2,…,L},用0-1變量ya,u,k來(lái)表示用戶需求點(diǎn)u是否關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)a(發(fā)射信號(hào)功率配置為第k級(jí)):ya,u,k=1表示用戶需求點(diǎn)u關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)a;ya,u,k=0 表示用戶需求點(diǎn)u沒有關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)a．

結(jié)合式(2)和(3),可得該問題的優(yōu)化目標(biāo):

(4)

此外,該優(yōu)化問題還需滿足一系列約束條件:

1) 功率配置約束．對(duì)于?a∈A,接入點(diǎn)a在同一時(shí)刻至多配置一個(gè)功率級(jí)．若該AP沒有配置功率級(jí),表明該AP處于關(guān)閉狀態(tài)．因此,有如下約束:

(5)

2) 覆蓋約束．對(duì)于?a∈A,u∈V,k∈ {1,2,…,L},關(guān)聯(lián)管理變量ya,u,k還需滿足覆蓋約束．用ca,u,k表示接入點(diǎn)a與用戶需求點(diǎn)u之間的覆蓋關(guān)系:

(6)

因此,用戶需求點(diǎn)u關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)a(第k功率級(jí))的前提是接入點(diǎn)a配置信號(hào)發(fā)射功率級(jí)為第k級(jí),且用戶需求點(diǎn)u在其覆蓋范圍內(nèi),具體約束如下:

ya,u,k≤ca,u,kxa,ka∈A,u∈V,k∈{1,2,…,L}

(7)

3) 關(guān)聯(lián)約束．對(duì)于?u∈V,用戶需求點(diǎn)u需關(guān)聯(lián)到AP上,且在同一時(shí)刻只能關(guān)聯(lián)到一個(gè)AP上．因此,有如下約束:

(8)

4) 帶寬需求約束．對(duì)于?a∈A,需滿足所關(guān)聯(lián)的UDN的帶寬需求．因此,有如下約束:

(9)

此外,2組決策變量為0-1變量．對(duì)于?a∈A,k∈ {1,2,…,L},滿足如下約束:

xa,k∈{0,1}

(10)

而對(duì)于?a∈A,u∈V,k∈{1,2,…,L},滿足如下約束:

ya,u,k∈{0,1}

(11)

綜合上述優(yōu)化目標(biāo)和約束條件,可得WLAN能耗優(yōu)化的ILP模型,即優(yōu)化目標(biāo)為式(4),約束條件為式(5)和(7)～(11)．

2 啟發(fā)式算法

對(duì)于WLAN能耗優(yōu)化的ILP模型,可借助優(yōu)化軟件Gurobi[17]進(jìn)行求解．當(dāng)WLAN規(guī)模較小時(shí),可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到解決方案．但是當(dāng)WLAN規(guī)模較大時(shí),解空間急劇增大,由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和內(nèi)存的限制,這種求解方法難以在可接受的時(shí)間得到結(jié)果．因此,本文提出一種啟發(fā)式算法,以適用于較大規(guī)模的WLAN．

該算法的核心思想是以迭代的方式選擇開啟的AP及功率級(jí),并確定所關(guān)聯(lián)的UDN,直至所有UDN的帶寬需求被滿足為止．算法的具體步驟如下:

算法1WLAN能耗優(yōu)化啟發(fā)式算法

輸入:G(A∪V,E),L, {p1,p2,…,pL},du,ra,u,k,ba,ηa

輸出:Ptotal, A-PW, UA

Ptotal=0

A-PW=?, UA=?

AU=A,VU=V

whileVU≠? do

for eacha∈AU,k∈{1,2,…,L}

選擇UDN集合Va?VU進(jìn)行AP關(guān)聯(lián)

計(jì)算其能效ψa,k

end for

ifVee-a=? then return NULL//沒有可行解

A-PW=A-PW ∪ {(ee-a,ee-k)}

for eachu∈Vee-a: UA=UA ∪ {(ee-a,u)}

VU=VUVee-a

Ptotal=Ptotal+Pee-a,ee-k

AU=AU{ee-a}

end while

returnPtotal, A-PW, UA

算法1中,A-PW為AP的功率配置集合,其元素為二元組(a,k),表示接入點(diǎn)a配置的功率級(jí)為k;UA為用戶關(guān)聯(lián)集,其元素為二元組(a,u),表示用戶需求點(diǎn)u關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)a．算法1首先初始化Ptotal、A-PW、UA、待配置的AP集合AU和待關(guān)聯(lián)的UDN集合VU．然后以迭代的方式從AU中選擇AP進(jìn)行功率配置,并完成相應(yīng)的UDN關(guān)聯(lián),直至VU為空．最后,返回結(jié)果Ptotal，A-PW和UA．

為實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化,在每次迭代中,AP及其功率級(jí)的選擇采用最大化能效的策略,即對(duì)于?a∈AU,k∈{1,2,…,L},計(jì)算其能效,選擇能效最大的AP,并執(zhí)行相應(yīng)的配置方案．其中,AP能效的定義如下:

(12)

式中,Va表示當(dāng)前可關(guān)聯(lián)到接入點(diǎn)a的UDN的集合．可見,AP能效與AP所滿足的UDN帶寬需求成正比,與AP功率成反比．

而對(duì)于接入點(diǎn)a,其功率級(jí)為k,本文采用如下策略確定當(dāng)前所關(guān)聯(lián)的UDN:① 從VU中選擇,不包括在前面迭代中已經(jīng)被其他AP關(guān)聯(lián)的UDN,同時(shí)需在該AP覆蓋范圍內(nèi),滿足鏈路速率大于0．② 優(yōu)先考慮鏈路速率大的UDN,因?yàn)檎加肁P的時(shí)間較少,使得AP可以滿足更多的帶寬需求;③ 優(yōu)先考慮覆蓋度較小的UDN,覆蓋度是指AU中能覆蓋該UDN的AP的數(shù)量,因?yàn)楦采w度較大的UDN后面有更多機(jī)會(huì)關(guān)聯(lián)到其他AP．因此,可定義UDN權(quán)重,按UDN權(quán)重從大到小的順序,依次選擇其與AP進(jìn)行關(guān)聯(lián),直至AP不能滿足其帶寬需求．用戶需求點(diǎn)u權(quán)重的定義如下:

wa,u,k=ra,u,k2-deg(u)

(13)

式中,deg(u)表示當(dāng)前用戶需求點(diǎn)u的覆蓋度．

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文在一個(gè)二維平面上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為大小相等的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為40 m×40 m，在每個(gè)網(wǎng)格的中心位置部署AP,然后在每個(gè)Grid中隨機(jī)產(chǎn)生相同數(shù)量的UDN節(jié)點(diǎn)．例如,圖2是由4個(gè)AP和32個(gè)UDN構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景．

圖2 網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景示意圖

為模擬室內(nèi)環(huán)境,采用下式計(jì)算路徑損耗[18]:

PL(dist(u,v))=40+10×3.3lg(dist(u,v))

(14)

此外,設(shè)置環(huán)境中的背景噪聲N=-93 dBm．因此,可計(jì)算UDN處的信噪比．本文假設(shè)WLAN采用IEEE 802.11n協(xié)議,且工作在40 MHz信道上,可由表1得到相應(yīng)的鏈路速率[19-20]．

表1 SNR與鏈路速率對(duì)照表

此外,場(chǎng)景規(guī)模(AP數(shù)量、UDN數(shù)量)、功率級(jí)、能耗模型參數(shù)、UDN帶寬需求等則在不同的實(shí)驗(yàn)中有針對(duì)性地進(jìn)行配置．本文對(duì)于相同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置,生成20個(gè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,并將平均結(jié)果作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果．

本文仿真實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境是Intel Core i7 3.40 GHz處理器、8 GB內(nèi)存;操作系統(tǒng)是Windows 7;開發(fā)與仿真環(huán)境是Matlab 2015b．

3.2 算法性能比較

3.2.1 場(chǎng)景規(guī)模的影響

本組實(shí)驗(yàn)比較能耗優(yōu)化啟發(fā)式算法與基于ILP的能耗優(yōu)化方法的節(jié)能效果及運(yùn)行時(shí)間．基于ILP的能耗優(yōu)化方法是指利用優(yōu)化軟件Gurobi對(duì)本文給出的ILP模型進(jìn)行求解,其解接近模型的最優(yōu)解．考慮3種不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,分別是:AP數(shù)量為4,UDN數(shù)量為32;AP數(shù)量為25,UDN數(shù)量為200;AP數(shù)量為100,UDN數(shù)量為800．AP發(fā)射信號(hào)功率級(jí)數(shù)為3,功率級(jí)分別為0.1, 0.05, 0.025 W；UDN帶寬需求為3 Mbit/s．對(duì)于AP能耗模型,基本功率為9 W,信號(hào)收發(fā)功率因子為30．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示．當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí),啟發(fā)式算法和基于ILP的方法都可用于解決WLAN能耗優(yōu)化問題,兩者能耗優(yōu)化效果(網(wǎng)絡(luò)總功率)接近,表明啟發(fā)式算法可以有效實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化．同時(shí),啟發(fā)式算法的運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)小于基于ILP的方法,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí),ILP方法不再可行,而啟發(fā)式算法在可接受的時(shí)間內(nèi)獲得了解決方案．因此,本文提出的啟發(fā)式算法在運(yùn)行效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì),可用于解決大規(guī)模WLAN網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化問題．

表2 場(chǎng)景規(guī)模對(duì)算法性能的影響

3.2.2 UDN帶寬需求的影響

本組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證UDN帶寬需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的影響．場(chǎng)景規(guī)模如下:AP數(shù)量為100,UDN數(shù)量為800;對(duì)于AP能耗模型,基本功率為9 W,信號(hào)收發(fā)功率因子為30;UDN的帶寬需求從1 Mbit/s遞增至10 Mbit/s;信號(hào)發(fā)射功率級(jí)數(shù)分別為3和1．

當(dāng)信號(hào)發(fā)射功率級(jí)數(shù)L為3時(shí),功率級(jí)分別為0.1, 0.05, 0.025 W;當(dāng)信號(hào)發(fā)射功率級(jí)數(shù)L為1時(shí),功率級(jí)只有0.1 W,相當(dāng)于功率不可調(diào)節(jié),只可調(diào)度AP的開啟/關(guān)閉狀態(tài)．本文同時(shí)采用基于信號(hào)強(qiáng)度的用戶關(guān)聯(lián)算法作為對(duì)比,該算法將AP全部開啟,用戶選擇信號(hào)最強(qiáng)的AP進(jìn)行連接．由于該算法沒有采用任何節(jié)能策略,可作為基準(zhǔn)驗(yàn)證能耗優(yōu)化啟發(fā)式算法的節(jié)能效果．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示．與基于信號(hào)強(qiáng)度的用戶關(guān)聯(lián)算法相比,本文提出的啟發(fā)式算法可大大降低網(wǎng)絡(luò)總功率．隨著UDN帶寬需求的增大,網(wǎng)絡(luò)總功率也隨之增大．可見,能耗優(yōu)化啟發(fā)式算法可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中用戶的帶寬需求,按需配備網(wǎng)絡(luò)資源,從而有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗．對(duì)比算法在L=3和L=1時(shí)的網(wǎng)絡(luò)總功率,發(fā)現(xiàn)細(xì)粒度的功率配置可進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)總功率,隨著UDN帶寬需求的增大,優(yōu)化的效果逐漸明顯．

圖3 UDN帶寬需求對(duì)能耗優(yōu)化的影響

3.2.3 AP類型的影響

本組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證AP類型對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的影響．場(chǎng)景規(guī)模如下:AP數(shù)量為100,UDN數(shù)量為800;AP發(fā)射信號(hào)功率級(jí)數(shù)為3,功率級(jí)分別為0.1, 0.05, 0.025 W；UDN帶寬需求為3 Mbit/s．

本文給出4種類型的AP,其能耗模型參數(shù)不同．假設(shè)各類型AP的最大功率均為12 W[9],其能耗模型參數(shù)如表3所示．

表3 AP能耗模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,分別給出了AP是類型1、類型2、類型3、類型4和異構(gòu)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)總功率．當(dāng)AP是異構(gòu)時(shí),4種類型的AP各占25%．由圖4可見,無(wú)論AP是何種類型,與基于信號(hào)強(qiáng)度的用戶關(guān)聯(lián)算法相比,本文提出的啟發(fā)式算法可有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗．對(duì)比算法在L=3和L=1時(shí)的網(wǎng)絡(luò)總功率,發(fā)現(xiàn)細(xì)粒度的功率配置可進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)總功率．對(duì)于信號(hào)收發(fā)功率因子較大的AP,信號(hào)發(fā)射功率調(diào)整對(duì)AP功率的影響較大,其節(jié)能效果更為顯著．

圖4 AP類型對(duì)能耗優(yōu)化的影響

4 結(jié)論

1) 利用ILP數(shù)學(xué)模型對(duì)能耗優(yōu)化問題進(jìn)行形式化描述,在滿足所有UDN帶寬需求的前提下,以最小化網(wǎng)絡(luò)總功率為目標(biāo),通過(guò)AP開啟/關(guān)閉狀態(tài)的調(diào)度、AP信號(hào)發(fā)射功率的配置和AP-UDN關(guān)聯(lián)關(guān)系的管理,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化．

2) 提出了一種高效的啟發(fā)式算法,以迭代的方式選擇開啟的AP及功率級(jí),并確定所關(guān)聯(lián)的用戶．在每次迭代中,以最大化能效的策略進(jìn)行AP及其功率級(jí)的選擇．

3) 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了上述算法能有效實(shí)現(xiàn)WLAN節(jié)能,并具有較高的運(yùn)行效率,能夠適用于大規(guī)模的WLAN．

下一步的工作是研究能耗優(yōu)化、負(fù)載均衡和用戶切換之間的權(quán)衡,避免將用戶負(fù)載過(guò)度集中于部分AP,避免在能耗優(yōu)化的過(guò)程中頻繁、過(guò)多地切換用戶,從而可在能耗優(yōu)化的同時(shí),保證網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)．

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OptimizationofWLANenergyconsumptionbasedonpowerconfigurationandassociationmanagement

Yang Ming Wu Wenjia Luo Junzhou

(School of Computer Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

To save the energy consumption and guarantee network performance in wireless local area networks (WLANs), an energy consumption optimization algorithm based on power configuration and association management is proposed. First, a fine-grained energy consumption model is adopted to define the power of access points(APs), and the optimization problem is formulated as an integer linear programming (ILP) model. It aims to minimize the energy consumption of APs through scheduling the radios to be active or sleeping, configuring the transmit power, and managing the associations between APs and users, while satisfying the bandwidth requirements of users. Then, an efficient heuristic algorithm is proposed by iteratively choosing an AP to be active, selecting the transmit power level and determining user associations. In each iteration, the AP and its power level with the maximum value of energy efficiency is selected. Simulation results show that the proposed algorithm can save energy consumption effectively. It also demonstrates that the algorithm has significant advantages in execution efficiency, and can be well applied in large-scale WLANs.

wireless local area network(WLAN); energy consumption optimization; power configuration; association management; energy consumption model

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.001

TP393

A

1001-0505(2017)06-1079-07

2017-05-28.

楊明 (1979—)，男，博士，副教授，yangming2002@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61402104,61572130,61502100,61532013,61320106007)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20140648,BK20150637)、東南大學(xué)江蘇省網(wǎng)絡(luò)與信息安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(BM2003201)、東南大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(93K-9).

楊明,吳文甲,羅軍舟.基于功率配置和關(guān)聯(lián)管理的WLAN能耗優(yōu)化算法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(6):1079-1085.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.001.