High usage of various mobile application services consumes a great deal of battery power in mobile devices. In order to satisfy a user’s convenience and keep the portability of mobile devices, a power saving mechanism is essential for the success of mobile communication technologies. This dissertation evaluates performances of the power saving mechanism of IEEE 802.16m, one of the solutions for the fourth mobile communication technology. When a mobile device does not need to communicate with a base station, it temporarily shuts down communication-related modules and circuits in order to save the battery power. During that period, the device cannot listen to incoming traffic from the base station, which causes an inevitable delay at the expense of reducing the power consumption. Arriving packets are transmitted only after the device enters either the awake mode or the listening window in the sleep mode. Four power saving mechanisms are examined in the simulation:1) moving average with queue-size listening window, 2) moving average with fixed listening window, 3) moving average with listening window in inverse proportion to sleep cycle size, and 4) exponential increase policy. To evaluate the delay in the sleep mode, an analytic model is developed based on M/D/1 queuing system with vacations. Various traffic models are examined to find out optimal power saving mechanisms for specific services: Poisson, WEB, FTP, GAME, VIDEO, VoIP, WEB+FTP, WEB+VOIP, and GAME+VOIP all of which except Poisson reflects real service environment.
최근 스마트 폰, 태블릿PC 등 이동 단말기의 발전은 인터넷, 동영상, 게임 등 데스크톱 주요 서비스를 이동 단말기로 가져왔고 모바일 트래픽 급성장에 많은 기여를 했다. 이에 WiMAX(IEEE 802.16m), LTE Advanced 등 높은 데이터 속도를 제공하면서 낮은 소비전력을 가지는 무선통신 기술이 주목 받고 있다. IEEE 802.16m은 IEEE 802.16e의 후속 모델로 모바일 와이맥스(Mobile WiMAX)로 불리며 LTE-Advanced와 함께 4G 기술로 최대 1Gbit/s까지 지원이 가능하다. IEEE 802.16e와 호환성을 가지고 있으며 멀티 안테나 기술, 멀티 홉 릴레이, 절전 모드 등을 제공하고 있다. 특히 절전 모드는 IEEE 802.16e에서 제시된 문제점을 개선하기 위해 단일 모드를 제공한다.
본 논문에서는 IEEE 802.16m에서의 절전 모드를 중점적으로 다루고 있다. IEEE 802.16m은 전력 소모를 줄이기 위해 서비스를 사용하지 않는 동안에 사용이 필요치 않은 송수신 모듈의 전원을 차단하는데, 이를 수면 모드(Sleep Mode)라고 하며 수면 윈도우와 청취 윈도우로 구성된 수면 사이클이 계속 반복된다. 수면 윈도우에서는 전원을 차단했기 때문에 통신이 불가능하여 도착한 패킷들은 청취 윈도우가 시작될 때까지 기다려야 한다. 이로 인해 전력소모는 감소하지만 지연시간은 늘어나게 된다. 청취 윈도우가 시작되면 기다렸던 패킷들과 새롭게 도착한 패킷들이 송수신된다. IEEE 802.16m에서는 수면 사이클을 패킷 전송이 없는 경우 2배씩 증가시키지만 청취 윈도우는 고정 크기를 사용하고 있다. 청취 윈도우에서 패킷 전송이 발생하게 되면 다음 수면 사이클을 초기 값으로 축소시켜 다음 패킷 도착을 준비하게 된다. 이 방식은 패킷 도착이 없는 경우 지수 증가를 하기 때문에 전력소모를 많이 줄일 수 있으나 수면 사이클이 급격하게 커지므로 긴 지연시간 발생 확률이 높다는 단점을 가지고 있다. 수면모드와 달리 어웨이크 모드(Awake Mode)에서는 송수신 모듈의 전원을 차단하지 않기 때문에 안정된 서비스를 제공하나 전력을 많이 소모하게 된다.
본 학위 논문에서는 수면 사이클 크기와 청취 윈도우 크기를 패킷 도착 간격과 전송할 패킷의 양에 따라 조정하는 방법을 제안한다. 패킷 도착 간격이 짧아지면 수면 사이클 크기를 작게 하고, 도착 간격이 길어지면 수면 사이클 크기를 크게 설정한다. 패킷 도착 간격이 가지는 불규칙한 특성을 감소시키고 현재 트래픽 상황을 반영하기 위해 최근 도착한 패킷의 도착 간격 평균(이동 평균)으로 수면 사이클을 설정한다. 표준에서는 청취 윈도우 크기의 최소값(Default listening window)을 지정해주고 타이머(Close-down Timer)를 이용하여 증가시킬 수 있도록 지원하고 있다. 제안 알고리즘에서는 약간의 대기시간 증가를 감소하더라도 패킷 송수신 없이 전력을 소비하는 청취 윈도우를 줄이고자 청취 윈도우 크기를 보낼 패킷 개수로 지정한다. 짧아진 청취 윈도우로 인해 도착한 패킷이 청취 윈도우까지 기다리는 빈도는 증가하지만 고정 크기 대비 발생할 확률이 낮고 지수 증가처럼 수면 사이클이 급격하게 커지지 않기 때문에 지연시간의 큰 증가 없이 많은 전력을 절감할 수 있다. 큐잉 모델(M/D/1 with vacations)을 이용한 수학적인 분석과 OPNET을 통해 WEB, FTP, VoIP, Video, Game 등 다양한 응용 서비스에서의 지연시간과 절전 성능을 분석한다.
