Page 159 - 《软件学报》2021年第8期

郭镇北 等:一种基于功率调控的 WiFi Direct 节能优化机制 2441

1 相关工作

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部分研究工作主要涉及 WFD 的传输性能、特征的研究上 [4−8] .Camps-Mur 等人 对 WFD 定义的各种属性
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进行了全面的概述,包括架构、通信组形成方式、节能机制、安全等.Sun 等人 提出了一种降低 WFD 设备发
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现延时的有效方案.Feng 等人 分析了 WFD 信道中的丢包情况,并设计了相应的补偿机制.而对于 WFD 网络丢
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包行为的早期性能检测,则由 Khan 等人 完成.由于 WFD 是点对点的传输技术,针对组主同时面对多个传输请
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求时的情况,Mao 等人 采用时间片轮转机制来保证组主在多目标传输期间的公平性.
大多数研究工作集中在如何有效地构建一个基于 WFD 的网络,以及优化基于 WFD 网络的性能.由于 WFD
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的较大的覆盖范围,能够支持一定数量的设备构建本地网络 [9−19] .Turkes 等人 使用 WFD 和蓝牙搭建了一个机
会 Ad-hoc 网络.在机会 Ad-hoc 网络中,设备可以传输轻量级的数据,如位置信息、轻量级的广告等.Nadir 等人 [9]
使用 WFD 构建了一个本地的多跳网络,并与使用 WiFi 热点和 LTE 连接时的性能进行比较.实验结果显示,相比
于其他两种,基于 WFD 的本地多跳网络能够有效地进行数据上传和下载.Conti 等人 [10] 调查了 WFD 组网时的
灵活性,并进一步讨论基于 WFD 的机会网络.他们使用蓝牙的 Service Set Identifier(SSID)以及 WFD 的
Universally Unique Identifier(UUID)作为轻量级数据的传输载体.Alami 等人 [11] 则借助 WFD 形成多跳的 D2D 网
络,他们将 WFD 设备视作一个热点,连接云端的设备可将云端的内容通过这些热点快速地传输到其他设备.
Fuai 等人 [12] 探索了基于 WFD 标准实现多跳 Ad-hoc 网络的不同策略.在 LTE-Advanced 系统中,其中一个重要
的研究问题是如何有效地利用无线频谱资源,LTE-Direct 与 WFD 都是该问题有效的解决方式 [13,14] .针对这两种
D2D 技术,Condoluci 等人 [13] 对两者进行了详细的性能对比.与此同时,Gong 等人 [14] 论证了基于 WFD 的 LTE 协
同视频流技术的可行性.WFD 本身并不支持多组通信,然而已经有部分研究使用 WFD 去实现多组通信.Casetti
等人 [15] 使用 WFD 实现了多组通信,并以此构建了一个基于内容的网络.在此基础上,他们分析了不同组的成员
之间的路由性能.Sadio 等人 [16] 利用 WFD 在车辆网络中构建多跳通信来满足高交通密度特征环境下的资源分
配问题,并采用 OpenFlow 来进行管理.Engelhart 等人 [17] 在真实的安卓设备上实现了 WFD 的多组通信,他们给出
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了使用的架构以及在该架构下的多组通信性能.WFD 拥有 3 种不同的成组方式 ,在不同的设备进行交互时,会
留下彼此的设备信息,可利用这些缓存的设备信息加快 WFD 通信组的形成 [18,19] .Demir 等人 [18] 利用设备使用
WFD 时缓存的设备信息,加快了构建 WFD 通信组的过程.并且使得在组主设备产生故障时,能够自动且快速地
重新配置 WFD 通信组.类似的自动重配置方法同样被 Faulkenberry 等人 [19] 使用.他们的实验结果都表明,通过利
用这些缓存的设备信息,能够快速地重新配置 WFD 通信组,从而减少了数据包的丢失,提高了吞吐量.
少数工作涉及到了 WFD 的能耗研究,并且这些研究工作的主要工作原理是避免低电量设备传输数据,或者
其他使用 WFD 的高能耗行为 [20−24] .Camps-Mur 等人 [20] 考虑在 WFD 通信组中,组主可以使用 3G 网络,然后组主
通过 WFD 向其他组员分享下载的内容.在此过程中,探究 WFD 原有的节能机制的性能.然而在文献[20]中,作者
只考虑了一个 WFD 通信组的情况,即只考虑了组内点对点传输,没有考虑组外多跳传输的情况.Laha 等人 [21] 为
WFD 设计了一种新的基于分布式集群的路由协议来节约 WFD 设备的电量消耗,该协议能够感知设备的剩余
电量,生成一个网络层面的伪通信组,并通过将流量导向电量充足的设备来平衡所有设备的电量消耗.文献[22]
通过增加 WFD 设备休眠的占比时间达到节能目的;文献[23]通过优化 WFD 发现其他设备所经历的时长来节约
能耗;而文献[24]通过对特定环境中收发数据包的统计,生成一个隐马尔可夫模型,并通过该模型来决定 WFD 设
备休眠的时长来节约设备能量.在文献[22−24]中,都为 WFD 设计了有效的能耗机制,但是它们都是在原有的节
能机制上进行改进,而原有的机制只能在没有数据传输时生效.
不同于上述研究,Usman 等人 [25] 为 WFD 提出了一个新的节能机制.该机制通过使用 Friis 传播损失模型来
控制设备的发射功率,从而达到节能的目的.但是作者并没有考虑 WFD 通信组中不同角色的能耗问题:当一个
设备担任过久的组主时,它的能耗消耗要高于组员.当组主的能量耗尽,当前 WFD 就会被迫解散,这对当前多跳
网络的拓扑结构、数据传输等有着极大的影响.同时,在文献[25]中,WFD 通信组的设备组成是固定的,即 WFD
通信组是不变的.然而,由于设备具有移动性,设备可能会因此脱离组主的连接范围;或者因为过远的传输距离,
吞吐量下降以及发射功率增加导致能耗上升等问题.因此,需要一个有效的切换机制来处理这些问题.在本文