Page 158 - 《软件学报》2021年第8期

2440 Journal of Software 软件学报 Vol.32, No.8, August 2021

Key words: Andorid; embedded; WiFi Direct; energy-saving; power control

WiFi Direct 也被称为 WiFi Peer-to-Peer(P2P),是 WiFi Alliance 提出的一项 Device-to-Device 的连接解决方
案,用来补充 WiFi Hotspot 在本地点对点传输的不足.所有经过 WFD 验证的设备(如安卓手机、打印机等)都可
[1]
以直接使用 WFD 连接,并分享各种多媒体资源、应用等 .随着硬件、软件的发展,如今的多媒体资源或应用程
序的大小可以轻松达到几 GB(GigaByte)或者几十 GB.对于智能手机来说,当人们想与附近的人共享这些资源
时,使用运营商流量进行分享的代价太高.常用的 D2D 通信方式,如使用蓝牙传输,它的速度太慢.这些问题使得
本地设备之间急需寻找一个高速、成本低廉的本地通信方式来进行资源分享.WFD 基于 IEEE 802.11 标准,因
此在 D2D 通信中能够保证较低的时延以及较高数据传输速率.通过 WFD 构建 D2D 通信,可以有效地解决上述
问题.与蓝牙相比 [2,3] ,WFD 的传输速率要远远高于蓝牙,最高可达 250Mb/s,蓝牙只有 3Mb/s.但是蓝牙的能耗要
远远低于 WFD,而能耗依然是使用电池供能的设备所关注的主要问题.
[1]
与传统的 Wi-Fi 热点相比,WFD 具有自己独特的特性 .
• 首先,它定义了 3 种不同的方式去构成一个 P2P 通信组,且每一个方式所需要的步骤以及时间都不相
同.在一个基于 WFD 的 P2P 通信组中,包含了两种不同的设备角色:组主(group owner,简称 GO)以及组
员(group member,简称 GM).组主可以直接向任意组员发送数据,但是组员之间无法相互通信,需要组
主的转发.
• 其次,随着网卡的虚拟化技术的发展,WFD 在进行本地 D2D 通信的同时,也可以连接到 WLAN 或者蜂
窝网络.
• 最后,WFD 自带了两种不同的节能机制:Opportunistic Power Save(OPS)和 Notice of Absence(NoA).在
OPS 中,组主只有在所有组员进入到休眠模式之后才能切换到休眠模式.需要注意的是,组主没有权限
去驱使任何一个组员进入到休眠模式.OPS 是一种被动节能的方式,即:在当前网络中没有数据传输,所
有组员都处于休眠模式时,组主才能够启用 OPS.与 OPS 刚好相反,NoA 是一个主动的节能方式,组主能
够向组员广播一个缺席时间段(absence periods).在这个缺席时间段中,组主开启节能模式,不进行任何
的数据传输操作,并关闭信道.此外,在 NoA 中,只要组主进入到缺席时间段,组员不能够主动地去唤醒
组主.对于这两种节能方式,当它们启用时,组主都不进行数据传输操作,即,WFD 没有能够在数据传输
时进行节能的节能机制.目前,对于 WFD 的研究工作中,大部分研究都集中在 WFD 的通信性能以及多
组通信实现上.只有少数的研究工作试图优化原有的两种节能机制,但是它们并没有考虑在 WFD 通信
组中不同角色(组主和组员)的能耗情况.
本文提出一种基于功率调控的 WiFi Direct 节能优化机制,其包括两个部分,分别是功率调控(power control)
和切换(switching):功率调控能够优化整个网络的能耗,是整个节能优化机制的基础;而切换能够平衡不同角色
之间的能量消耗.此外,每个 WFD 通信组的组大小(含有的设备数)能够极大地影响当前的通信性能.因此,本文
在不同的组大小下验证提出的节能机制,其性能指标包括能耗和吞吐量.本文的主要贡献如下:
(1) 本文在安卓设备上对 WFD 通信组中的组主和组员进行了能耗测试(第 2 节中介绍),发现了组主的消
耗要高于组员的情况.因此,本文设计了相应的切换机制来平衡组主的能耗.
(2) 本文证明了组主的选举是一个 NP-Hard 问题,并用纳什平衡去解决.此外,由于网络是动态的,本文也
设置了不同的控制参数来调控提出的节能机制.本文在实验结果中展示了节能机制不同参数下的吞
吐量以及能耗.与没有启用节能机制相比,本文提出的节能机制能够在获得 11.86%节能效果的同时,
只有 2%的吞吐量损失.
本文第 1 节对 WFD 的其他相关的工作进行介绍.在第 2 节中,本文在智能手机上构建基于 WFD 的通信组,
并展示相关的电量消耗测试结果.第 3 节对提出的节能机制进行详细的介绍,包括功率调控、切换以及涉及到
的相应公式、算法等.第 4 节中对节能机制进行仿真验证以及实验结果分析.最后,在第 5 节中对全文进行总结,
并对未来的工作进行展望.