面向移动终端的无线传输优化与节能机制研究

摘要

近年来移动服务的爆炸式增长促进了对于更高传输带宽的需求，现有的两种无线技术，WiFi和蜂窝网络成为移动终端应用最为广泛的通信方式。蜂窝移动通信采用蜂窝无线组网方式，实现终端在活动中与网络设备相互通信，具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。WiFi是基于IEEE802.11系列标准的无线网路通信技术，该技术使用的2.4GHz和5GHz附近的频段进行传输。蜂窝移动通信具有广覆盖、高移动性和中低等数据传输速率的特性，而WiFi则可以提供短距离高速率传输，两种传输技术从而可以形成互补。
　　对于移动网络传输需求的急剧增加预示着网络数据传输过程中能耗产生也会大量增加。不同于传统PC设备，移动设备例如智能手机、平板电脑往往受限于有限的电池容量，因此在网络传输中的能耗问题显得更为突出。除去电池容量有限的因素，产生该问题的原因有多种。首先由于无线通信技术自身特性，其传输过程中能耗开销较高，尤其在使用蜂窝网络时为减少传输延迟往往需要使设备持续保持高能耗状态，由此产生的“长尾能耗”占据了传输能耗相当大比例，信道衰减以及设备移动导致的信号强度不稳定也会加剧上述问题；同时，上层移动应用不合理的传输调度机制也降低了能耗效率。
　　因此移动终端在无线网络中进行数据传输时的能耗问题引起了广泛关注。国内外对于移动终端传输的节能与优化研究主要集中于两个方面：一方面针对无线网络通信协议进行相关优化，例如尽量减少长尾片段的产生；另一方面是结合上层应用传输特性，采取延迟或者预取传输等策略聚合传输数据达到节能效果。但现有研究大多针对其中单一方面进行解决，忽略了上层应用与传输紧密的耦合关系，往往无法保证用户体验。然后，在混杂无线网络环境下，移动设备采用带宽合并传输时能耗会进一步增加，相关研究也存在空白。最后，目前针对单一设备传输策略的研究其节能效果往往有限，在多设备网络环境下，协同通信架构可以进一步聚合传输数据。通过对移动设备的无线传输优化与节能机制的几个关键技术进行研究，解决此类问题。
　　首先，针对移动终端传统优化传输策略节能效果有限的问题，提出了一种基于数据流分析的动态调度节能传输机制。不同于传统策略中静态设定延迟传输参数，该研究利用神经网络技术实时分析数据流，动态调整数据包的延迟参数，从而根据不同应用采取不同的延迟调度策略，在减少长尾能耗的同时保证上层用户体验，实验表明该策略相比传统调度方法能够进一步节能20％左右。
　　其次，针对无线网络传输中频繁出现网络抖动的特征，提出了一种面向敏感网络环境的节能传输调度机制，研究从移动蜂窝网络的波动性出发，分析了单任务传输和多任务传输的离线调度模型，并且给出了理论最优解。在此基础上给出网络环境敏感的动态在线调度策略，在任务可以容忍的时间范围内，采取避免长尾效应的原则，尽量选取最优的传输单元进行数据传输，达到能耗优化的目的。在网络抖动环境下的多任务在线调度测试中，该策略最多可以节约24%传输能耗。
　　再次，针对异构网络中移动终端多网络聚合的问题，提出了一种面向异构无线网络的聚合传输中间件架构，此架构能够有效聚合多网络链路进行传输，从而大幅度提升传输带宽，同时无需对现有协议栈以及网络架构进行修改，并且在此基础之上考虑了不同网络端口能耗特性，通过相应调度策略在保证上层应用体验基础上尽可能降低多链路传输的能耗，实验证明该中间件能够减少约40%的传输时间，同时相比默认传输策略，节能策略减少了16%的双端口能耗开销。
　　最后，针对单设备调度策略节能效果有限的问题，提出了一种基于协同通信的多设备节能传输策略，移动设备通过随机森林算法动态分析数据流，将自身“非密集数据”选择性地迁移给附近其他中继设备，后者再通过一系列聚合调度策略进行传输，在尽可能不增加中继节点负载的情况下，降低整体网络的传输能耗。在大规模测试中，该策略相比传统单设备节能策略节能45%左右。
　　上述研究从多个方面有效地降低了移动终端在无线网络中进行数据传输时的能耗开销，同时保证了上层应用使用时的用户体验，并且从链路聚合和协同传输等技术领域为无线网络通信提出了新的探讨尝试，从而为移动云计算提供基础支撑。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 论文组织结构

2 基于数据流分析的动态节能传输机制

2.1 问题提出

2.2 基于特征向量的数据流实时分析

2.3系统设计与实现

2.4 节能分析与性能测试

2.5 小结

3 面向敏感网络环境的节能传输机制

3.1 问题提出

3.2 单任务传输调度模型

3.3 多任务传输调度模型

3.4 实时传输调度策略

3.5 性能测试

3.6 小结

4 面向异构无线网络的聚合传输中间件

4.1 问题提出

4.2 基于应用层多接口链路合并

4.3 多端口节能优化传输机制

4.4 性能指标与系统测试

4.5 小结

5 基于协同通信的多设备节能传输策略

5.1 问题提出

5.2 非密集数据传输

5.3系统设计

5.4 T-Detector实现

5.5 协同通信协议

5.6 性能指标测试

5.7 小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间参与项目