[论文解读] Analytical Models for Energy Consumption in Infrastructure WLAN STAs Carrying TCP Traffic

Pranav Agrawal, Anurag Kumar+5 more|ArXiv.org|Sep 21, 2009

Wireless Networks and Protocols参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文開發分析模型以估算在基礎設施型WLAN站點（STAs）執行基於TCP的檔案傳輸時的能源消耗，比較持續活躍模式（CAM）與省電模式（PSM）。結果顯示，由於閒置功率降低，PSM在短檔案傳輸中表現優於CAM；然而，由於PSM的額外開銷，CAM在長時間連續下載中更具效率，此結論經由NS-2模擬與STA狀態轉移的馬可夫鏈建模驗證。

ABSTRACT

We develop analytical models for estimating the energy spent by stations (STAs) in infrastructure WLANs when performing TCP controlled file downloads. We focus on the energy spent in radio communication when the STAs are in the Continuously Active Mode (CAM), or in the static Power Save Mode (PSM). Our approach is to develop accurate models for obtaining the fraction of times the STA radios spend in idling, receiving and transmitting. We discuss two traffic models for each mode of operation: (i) each STA performs one large file download, and (ii) the STAs perform short file transfers. We evaluate the rate of STA energy expenditure with long file downloads, and show that static PSM is worse than just using CAM. For short file downloads we compute the number of file downloads that can be completed with given battery capacity, and show that PSM performs better than CAM for this case. We provide a validation of our analytical models using the NS-2 simulator. In contrast to earlier work on analytical modeling of PSM, our models that capture the details of the interactions between the 802.11 MAC in PSM and certain aspects of TCP.

研究动机与目标

• 針對WLAN STAs在TCP控制之檔案下載過程中的能源消耗進行建模，專注於CAM與PSM模式下的無線電能源消耗。
• 分析檔案大小（長與短）對CAM與PSM模式下能源效率的影響。
• 使用馬可夫鏈與處理器共享（PS）模型發展分析模型，以估算狀態佔用比例（閒置、接收、傳輸）與能源支出。
• 透過NS-2模擬驗證模型，並比較分析結果與模擬結果。
• 識別在不同流量模式與STAs數量下，PSM與CAM之間的效能權衡。

提出的方法

• 使用具有狀態相關轉移速率的連續時間馬可夫鏈，對STA無線電狀態轉移（閒置、接收、傳輸）進行建模。
• 運用馬可夫再生過程理論（MRGP）推導系統狀態的穩態機率。
• 使用處理器共享（PS）模型近似短檔案傳輸情境下的下行情況吞吐量，服務速率來自長檔案分析結果。
• 將預期能源支出公式化為狀態佔用比例與傳輸參數的函數。
• 納入實際的PSM行為：STAs在等待期間避免重傳PS-POLL訊框，以減少競爭。
• 使用具有指數分配檔案大小與思考時間的HTTP類似流量，將分析結果與NS-2模擬進行對照驗證。

实验结果

研究问题

• RQ1 在長時間TCP檔案下載期間，WLAN STAs在CAM與PSM模式下的能源消耗有何差異？
• RQ2 短檔案傳輸與思考時間對PSM與CAM能源效率的影響為何？
• RQ3 關聯STAs的數量如何影響PSM與CAM的效能與能源效率？
• RQ4 在高密度情境下，競爭與信標訊框開銷對PSM效能的劣化程度為何？
• RQ5 分析模型能否準確預測CAM與PSM模式下TCP流量的STA能源消耗？

主要发现

• 對於長檔案下載，由於PS-POLL訊框競爭與喚醒延遲的開銷，CAM的能源支出低於PSM。
• 對於具思考時間的短檔案傳輸，PSM能實現單位電池容量下顯著更多的檔案下載次數，因為STAs在低功耗睡眠狀態的時間更長。
• 分析模型預測的能源支出與檔案傳輸次數與NS-2模擬結果高度吻合，驗證了模型的準確性。
• 隨著STAs數量增加，PSM效率因對其他STAs目標訊框的過多接收而下降，降低睡眠狀態的效益。
• 多個STAs同時處於活躍狀態的穩態機率不可忽略，特別是在N=8時，顯示PSM可擴展性的一個關鍵瓶頸。
• 延長信標間隔可透過降低喚醒頻率來提升PSM效率，但代價是增加延遲。