基于NDN架构的无线局域网节能方法及STA

摘要

本发明涉及无线局域网技术领域，公开了一种基于NDN架构的无线局域网节能方法及STA，以结合NDN网络的特点进一步降低STA的能耗。本发明方法包括：将NDN网络的STA与AP之间的PSM模式划分为五种状态，分别为：Deep Doze状态、Light Doze状态、Idle Listening状态、Tx状态和Rx状态；各所述STA结合Beacon周期、本地的PIT表和相应AP所发送的TIM信息在所述五种状态之间进行切换。

说明书

技术领域

本发明涉及无线局域网技术领域，尤其涉及一种基于NDN架构的无线局域网节能方法及STA(Station，站)。

背景技术

当前无线局域网由于其较低的安装成本和简单的可访问性，广泛部署在办公或者公共区域，给用户提供了极大的便利。同时随着嵌入式技术和新兴电子产品的发展，移动设备和可穿戴设备的迅速普及，它们接入互联网的方式也更多地选择了Wi-Fi网络，使得Wi-Fi网络日益成为人们研究的重点。然而，随着移动终端发展迅速，无线局域网也遍布全球，而当前移动设备的能量来源仍然是电池。随着移动终端功能的日益强大，能量消耗也相应增加，但是硬件发展仍然受限，电池容量逐渐难以满足移动终端的能量消耗，能量是制约无线网络发展的最主要因素之一，因此无线网络下的移动终端能量消耗问题亟待解决。

无线局域网络的节能更多的是在MAC层的研究，其中在节能模式(Power Savingmode,PSM)的基础上进行优化和改进是重要的方向。IEEE 802.11的节能模式基本思想是：AP(Access Point,接入点)缓存下行数据，只有当节点休眠结束后主动向AP请求，AP才进行下行数据的反馈。然而，IEEE 802.11基于TCP/IP端到端的通信机制,需要保持通信两端的连接性，无法预知数据什么时间返回，需要一直侦听信道，导致无线终端无法有效进入PSM模式。这里实际上存在一个问题，即节点不知道AP上有没有自己的缓存数据；故实际思路应该是，AP周期性向对应的节点其广播缓存区情况，例如通过Beacon(信标)帧中携带的TIM(Traffic Indication Map,流量指示图)字段，并且标识AP中有广播数据包的缓，从而节点可以知道自己是否被数据缓存了；在休眠结束后，被缓存数据的节点就会进行数据请求，反之就继续休眠。

另一方面，现有的研究中针对如何减少IL(Idle Listening，空闲侦听)时间的工作也有很多，由于PSM机制的Idle Listening的时间与侦听间隔(Listening Interval，LI)有密切关系，调整LI的周期能在一定程度上减少Idle时间，增加休眠时间。

此外，通过组播分发数据将导致无线终端接收到不属于它的数据，尽管该数据会被丢掉，但需要无线终端从休眠状态唤醒接收不属于它的数据，这样将浪费不必要的能耗。无线NDN(Named Data Networking,命名数据网络)网络中也要面临无线终端能耗节约问题。由于NDN自然支持组播机制，无线环境下均以广播形式分发数据，将导致严重的终端能耗浪费。

NDN作为一种革命式的未来互联网架构，以命名数据取代IP，直接以内容名字进行路由，数据传输采用“发布-请求-响应”模式，实现点到多点高效的内容分发。NDN路由机制上保留了类似IP路由的转发路由表(Forwarding Information Base，FIB)，增加了待处理请求表(Pending Interest Table，PIT)、以及内容缓存(Content Store，CS)数据结构，FIB用于匹配合适的转发接口，CS用于内容的缓存，PIT保留所收到的请求包，当和PIT中的某个请求对应的数据包发回时，将被传递到相应的接口。NDN使用和IP类似的基于存储在FIB和PIT中的信息的最长前缀匹配转发。NDN不仅在原理上避免了网络冲突和拥塞，摆脱了传输对端到端连接的依赖，实现了多链路路由，同时基于网络内缓存实现了就近获取、负载平衡，从而大大提高了大规模内容分发的性能、效率和可靠性。

在NDN网络中，关于STA的PSM模式，目前还没有明确的定义。若参照现有的IEEE802.11协议中的一些主张，由于其只定义了休眠、空闲、发送和接收四种状态，除上述面临的广播能耗大的问题之外，实际运行中，对应的STA大多处在空闲状态，而空闲状态相比休眠状态也会产生更多的耗能，因此，还能做进一步的改进；同时，STA从休眠状态唤醒需要多个Beacon周期，由此会造成数据返回延迟。

为解决无线终端能耗问题，本发明提出一种基于NDN架构的无线局域网节能方法，利用NDN特性，设计适合无线NDN网络节能方法。由于NDN网络节点维护了PIT和FIB信息，通过获取当前节点的PIT信息可获知网络中是否有待请求数据，并结合TIM信息进行合理的休眠调度，使得无线终端尽可能进入休眠状态，但同时保持较低的数据延迟。

发明内容

本发明目的在于公开一种基于NDN架构的无线局域网节能方法及STA，以结合NDN网络的特点进一步降低STA的能耗。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于NDN架构的无线局域网节能方法，包括：

将NDN网络的STA与AP之间的PSM模式划分为五种状态，分别为：Deep Doze(深度休眠)状态、Light Doze(浅休眠)状态、Idle Listening(空闲)状态、Tx(Transmitting，发送)状态和Rx(Receiving，接收)状态；

各所述STA结合Beacon周期、本地的PIT表和相应AP所发送的TIM信息在所述五种状态之间进行切换，具体切换包括：

STA创建Interest,检查本地CS中是否有对应所述Interest的数据，如果有，则返回数据；如果没有，将该Interest的前缀和对应的接口建立一条新的条目增加到PIT表中，然后发送Interest至相应的AP；此时，所述STA的PIT＝1，STA进入Light Doze状态；

当所述STA在Light Doze时，在设置的每个唤醒周期检查相应AP所发送的TIM是否有数据返回；如果TIM＝0，表示数据还没有返回AP，STA继续在Light Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝1，表示数据已经返回AP，然后STA切换至Idle Listening状态；

当在Idle Listening状态时，所述STA竞争与相应AP之间的信道，如果没有竞争到信道，则切换至Light Doze状态；如果竞争到信道，则转换至Tx状态；

当在Tx状态时，所述STA向相应AP请求数据，当接收完所有数据后，再次检查PIT是否为0，如果PIT＝0，则进入Deep Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝0，则进入Light Doze状态；

当在Deep Doze状态时，默认设置的唤醒周期为Beacon周期至少两倍以上的整数倍，并在需要发送Interest时被唤醒；当在Light Doze状态时，设置的唤醒周期为所述Beacon周期的整数倍；且所述STA对应Light Doze状态的唤醒周期小于或等于对应DeepDoze状态的唤醒周期；

其中，PIT＝1，表示相应STA的PIT表不为空，即有数据需要返回；反之，表示相应STA没有要请求的数据或者PIT的条目过期；以及

TIM＝1，表示相应AP缓存了相应STA的数据；反之，表示相应AP没有收到相应STA的数据。

本发明中，通常的Deep Doze唤醒周期一般设置为3个Beacon或者更久，但一般不超过9个Beacon周期。STA可以设置Light Doze的唤醒时间，如果设置为每个beacon都唤醒，这样数据延迟就很小；如果设置为和Deep Doze一样的唤醒周期，其节能和Deep Doze的一样；其不同之处在于唤醒后的检查机制，在Deep Doze被唤醒检测的是PIT，而在Light Doze被唤醒需要同时检测PIT和TIM。优选地，在上述方法中，还可以进一步采用下述改进或具体执行措施中的任意一种或任意组合：

1、当上述STA在Light Doze时，由STA检查PIT条目是否过期，如果过期，设置PIT＝0，并进入Deep Doze状态。

2、当在Tx状态时，上述STA在向相应AP请求数据时，通过相应AP所发送数据包中相应的位标识判断所有数据是否接收完毕。

3、上述STA在切换到Deep Doze状态前，向相应AP发送空帧以告知AP。

4、上述STA利用back off机制(一种发生冲突时的强制性重传延迟的退避机制)竞争信道，如果信道空闲，则STA发送PS-Poll帧请求数据。

与上述方法相对应的，本发明还公开一种STA，用于与NDN网络的相应AP进行交互，所述STA：用于将自身的PSM模式划分为五种状态，分别为：Deep Doze状态、Light Doze状态、Idle Listening状态、Tx状态和Rx状态；然后结合Beacon周期、本地的PIT表和相应AP所发送的TIM信息在所述五种状态之间进行切换，具体切换包括：

STA创建Interest,检查本地CS中是否有对应所述Interest的数据，如果有，则返回数据；如果没有，将该Interest的前缀和对应的接口建立一条新的条目增加到PIT表中，然后发送Interest至相应的AP；此时，所述STA的PIT＝1，STA进入Light Doze状态；

当所述STA在Light Doze时，在设置的每个唤醒周期检查相应AP所发送的TIM是否有数据返回；如果TIM＝0，表示数据还没有返回AP，STA继续在Light Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝1，表示数据已经返回AP，然后STA切换至Idle Listening状态；

当在Idle Listening状态时，所述STA竞争与相应AP之间的信道，如果没有竞争到信道，则切换至Light Doze状态；如果竞争到信道，则转换至Tx状态；

当在Tx状态时，所述STA向相应AP请求数据，当接收完所有数据后，再次检查PIT是否为0，如果PIT＝0，则进入Deep Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝0，则进入Light Doze状态；

当在Deep Doze状态时，默认设置的唤醒周期为Beacon周期至少两倍以上的整数倍，并在需要发送Interest时被唤醒；当在Light Doze状态时，设置的唤醒周期为所述Beacon周期的整数倍；且所述STA对应Light Doze状态的唤醒周期小于或等于对应DeepDoze状态的唤醒周期；

其中，PIT＝1，表示相应STA的PIT表不为空，即有数据需要返回；反之，表示相应STA没有要请求的数据或者PIT的条目过期；以及

TIM＝1，表示相应AP缓存了相应STA的数据；反之，表示相应AP没有收到相应STA的数据。

本发明具有以下有益效果：

本发明利用NDN架构特性，增加Light Doze状态，以解决无线NDN环境下终端能耗问题。为了使得STA更有效进入NDN-PSM机制，增加Light Doze状态以更细粒度区分各个状态，STA利用其PIT状态信息来判断是否有预期到达的数据报文，进而可以利用NDN-PSM机制让STA更多的时间处于休眠状态，进一步提高移动终端STA的能耗节约。同时，为了降低数据返回延迟，将等待接收数据的STA切换至Light Doze状态，这样不仅保证了STA的节能，而且最大程度降低数据的延迟。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的NDN-PSM状态迁移过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种基于NDN架构的无线局域网节能方法。

图1为本发明基于无线NDN环境下NDN-PSM节能机制状态迁移过程。如图1所示：

STA首先从Deep Doze状态唤醒创建Interest,检查本地CS中是否有对应Interest的数据，如果有，则返回数据；如果没有，将该Interest的前缀和对应的接口建立一条新的条目增加到PIT表中，然后发送Interest至相应的AP；此时，STA的PIT＝1，STA进入LightDoze状态。

当STA在Light Doze时，在每个Beacon周期唤醒检查相应AP所发送的TIM是否有数据返回；如果TIM＝0，表示数据还没有返回AP，STA继续在Light Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝1，表示数据已经返回AP，然后STA切换至Idle Listening状态。

当在Idle Listening状态时，STA竞争与相应AP之间的信道，如果没有竞争到信道，则切换至Light Doze状态；如果竞争到信道，则转换至Tx状态。

当在Tx状态时，STA向相应AP请求数据，当接收完所有数据后，再次检查PIT是否为0，如果PIT＝0，则进入Deep Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝0，则进入Light Doze状态。

当在Deep Doze状态时，默认的唤醒周期为Beacon周期的至少两倍以上，并在需要发送Interest时被唤醒。

本实施例中，还可以进一步采用下述改进或具体执行措施中的任意一种或任意组合：

1、当上述STA在Light Doze时，由STA检查PIT条目是否过期，如果过期，设置PIT＝0，并进入Deep Doze状态。

2、当在Tx状态时，上述STA在向相应AP请求数据时，通过相应AP所发送数据包中相应的位标识判断所有数据是否接收完毕。即通过在AP所发送的数据包增加额外的位标识(例如后续实施例中的More data位)是否有更多的数据，从而减少额外的等待IL，所以能够“预知”是否有数据要来及请求的数据是否已经传输完成，能够减少IL时间从而节约能量消耗。

3、上述STA在切换到Deep Doze状态前，向相应AP发送空帧以告知AP。

4、上述STA利用back off机制竞争信道，如果信道空闲，则STA发送PS-Poll帧(一种IEEE 802.11定义的帧)请求数据。

为便于本领域技术人员充分理解本实施例上述五种状态之间的分工与切换，将上述五种状态进一步汇总如下：

(1)Deep Doze：由于NDN是基于接收端驱动的，只有Consumer发送数据才会从DeepDoze状态唤醒。当PIT表为空的时候(PIT＝0)，STA向AP发送空帧(NULL Frame)然后进入Deep Doze状态。STA从Deep Doze状态唤醒的另一个标志是其自有的侦听间隔周期(Listeninterval,LI)。当到达LI周期后，STA会唤醒检查自身的PIT表和接收Beacon帧。

(2)Light Doze：如果STA在Light Doze状态，说明STA正在等待数据返回并在每个Beacon周期唤醒接收TIM。如果TIM为空(TIM＝0),表示AP没有缓存该STA的数据。STA将进入Light Doze状态。如果PIT＝0，表示STA没有数据要返回或者PIT条目过期，STA则直接进入Deep Doze状态。

(3)Idle Listening：如果STA进入Idle状态，说明有数据等待返回，STA侦听信道。如果PIT＝1和TIM＝1，表示有该STA的数据在AP上，STA利用back off机制竞争信道，如果信道空闲，则STA发送PS-Poll帧请求数据；如果信道忙，则STA进入Light Doze状态等待下一个Beacon周期进行信道竞争直到接收完数据。如果PIT＝1和TIM＝0，表示AP没有缓存该STA数据，则STA直接进入Light Doze状态等待数据。如果PIT＝0，则表示该STA请求的数据过期，则STA直接进入Deep Doze状态。

(4)Tx：STA处于发送状态时，当发送完数据后首先进入Light Doze状态，等待数据返回。

(5)Rx：如果STA处于接收状态，说明STA竞争到信道，STA发送PS-Poll帧至AP请求数据，直到More data位等于0，表示接收完所有数据。STA再次检查PIT是否为空，如果PIT为空，STA则直接进入Deep Doze状态；如果PIT不为空，则STA进入Light Doze状态。

综上，本实施例利用NDN架构特性，由PIT表来确定是否有未满足的Interest，即表示STA是否有预期达到的Data报文，可以更细粒度区分STA的能耗状态；为此，将现有的休眠状态进一步细分为Light Doze状态和Deep Doze状态，以解决无线NDN环境下终端能耗问题。换言之，即：

为了使得STA更有效进入NDN-PSM机制，增加Light Doze状态以更细粒度区分各个状态，STA利用其PIT状态信息来判断是否有预期到达的数据报文，进而可以利用NDN-PSM机制让STA更多的时间处于休眠状态，进一步提高移动终端STA的能耗节约。同时，为了降低数据返回延迟，将等待接收数据的STA切换至Light Doze状态，这样不仅保证了STA的节能，而且最大程度降低数据的延迟。

实施例2

本实施例公开一种执行上述实施例相应方法的STA，用于与NDN网络的相应AP进行交互以实现节能。

本实施例STA：用于将自身的PSM模式划分为五种状态，分别为：Deep Doze状态、Light Doze状态、Idle Listening状态、Tx状态和Rx状态；然后结合Beacon周期、本地的PIT表和相应AP所发送的TIM信息在五种状态之间进行切换，具体切换包括：

STA创建Interest,检查本地CS中是否有对应Interest的数据，如果有，则返回数据；如果没有，将该Interest的前缀和对应的接口建立一条新的条目增加到PIT表中，然后发送Interest至相应的AP；此时，STA的PIT＝1，STA进入Light Doze状态；

当STA在Light Doze时，在每个Beacon周期唤醒检查相应AP所发送的TIM是否有数据返回；如果TIM＝0，表示数据还没有返回AP，STA继续在Light Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝1，表示数据已经返回AP，然后STA切换至Idle Listening状态；

当在Idle Listening状态时，STA竞争与相应AP之间的信道，如果没有竞争到信道，则切换至Light Doze状态；如果竞争到信道，则转换至Tx状态；

当在Tx状态时，STA向相应AP请求数据，当接收完所有数据后，再次检查PIT是否为0，如果PIT＝0，则进入Deep Doze状态；如果PIT＝1且TIM＝0，则进入Light Doze状态；

当在Deep Doze状态时，默认的唤醒周期为Beacon周期的至少两倍以上，并在需要发送Interest时被唤醒。

同理，本实施例STA也可以采用下述改进或具体执行措施中的任意一种或任意组合：

1、当上述STA在Light Doze时，由STA检查PIT条目是否过期，如果过期，设置PIT＝0，并进入Deep Doze状态。

2、当在Tx状态时，上述STA在向相应AP请求数据时，通过相应AP所发送数据包中相应的位标识判断所有数据是否接收完毕。即通过在AP所发送的数据包增加额外的位标识(例如后续实施例中的More data位)是否有更多的数据，从而减少额外的等待IL，所以能够“预知”是否有数据要来及请求的数据是否已经传输完成，能够减少IL时间从而节约能量消耗。

3、上述STA在切换到Deep Doze状态前，向相应AP发送空帧以告知AP。

4、上述STA利用back off机制竞争信道，如果信道空闲，则STA发送PS-Poll帧(一种IEEE 802.11定义的帧)请求数据。

综上，本实施例中，为了使得STA更有效进入NDN-PSM机制，增加Light Doze状态以更细粒度区分各个状态，STA利用其PIT状态信息来判断是否有预期到达的数据报文，进而可以利用NDN-PSM机制让STA更多的时间处于休眠状态，进一步提高移动终端STA的能耗节约。同时，为了降低数据返回延迟，将等待接收数据的STA切换至Light Doze状态，这样不仅保证了STA的节能，而且最大程度降低数据的延迟。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。