3G移动网络终端能耗问题研究

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现今,3G移动通信技术凭借着其高带宽,低时延等特性,在全世界范围内得到了广泛的应用。它的出现,使得更多的互联网应用(如流媒体播放、视频会议等)能够流畅地运行在各种移动终端上,极大地丰富了移动用户的体验。与此同时,移动终端上的电池技术却成为了瓶颈,终端能耗问题正吸引着越来越多的研究工作随之展开。在3G网络当中,存在着一种现象被称为尾巴效应。具体来说,每当3G接口完成一次数据传输,并不立即转入低能耗状态,而是在高能耗状态上维持一段时间,以便更快地响应后续的数据传输。若新的数据包到达时间较晚,则这段等待时间便可以被看作是一种浪费,会导致额外能耗的增加。文章[1,2]指出,在3G接口上,尾巴效应消耗了总能量的60%。消除尾巴效应是困难而具有挑战性的。3G接口保留尾巴目的在于能更快地响应后续的数据传输。若简单地去除尾巴时间,则每当新的数据包到达时,3G接口总要向基站重新申请链路资源,并从低能耗状态提升至高能耗状态,这会引入较长的时延,降低用户体验度。因此,处理尾巴效应时,需要在能源效率和用户体验度之间做出权衡。在本文中,我们在真实环境中采集了超过1,000名3G用户的使用数据。该数据集涵盖了实验匿名用户两周的数据流量信息。通过对数据集的分析,我们验证了3G网络中尾巴效应的严重性。此外,我们还通过计算信息熵证明了在网页浏览、流媒体、即时通讯等多个应用场景下,3G数据流存在着较明显的时间相关性。基于上述发现,我们提出了低功耗无线资源管理协议优化机制SmartCut算法。该算法包含三个主要步骤:3G数据流预测、去尾和预测修正。具体来说,SmartCut算法利用自回归滑动平均(ARMA)模型对3G数据流进行建模和预测,根据预测值去除掉不必要的尾巴时间,并在下一次数据传输开始之前提升3G接口至高能耗状态,以避免用户体验到时延。在ARMA模型预测不准确的情况下,SmartCut算法引入误差修正机制来减少预测误差带来的影响。总的来说,SmartCut算法有两个优点:首先,该算法可以在对用户体验度造成较小影响的条件下,显著地降低能量消耗。其次,该算法是一个轻量级的解决方案,并不要求上层应用有任何改变。我们在Android手机上实现了SmartCut算法原型系统并做了一系列实验,实验结果验证了SmartCut算法的可行性。此外,我们还做了基于3G数据集的仿真实验,其结果显示SmartCut算法最多可以节省56.57%的能量消耗。
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