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4G 多标准无线设备的节能与应用平台技术
1. 4G 无线设备节能背景与需求
4G 作为未来移动互联网的有前景解决方案，通过基于互联网协议（IP）整合异构无线接入技术（RATs），让多标准无线设备能让移动用户在不同网络间漫游，通过最适合流量需求的 RAT 连接，实现无处不在的连接。然而，持有多个活动接口会使无线设备消耗大量电量。新兴多标准无线设备对能源的需求不断增加，一方面，高级成像功能（如相机、高清显示屏等）和 GPS/Galileo 接收器会大幅增加 4G 无线设备的功耗；另一方面，移动电池容量有限且电池技术进步缓慢，未来无线设备可能因靠近电源插座而失去“真正的移动体验”自由。
为降低新兴无线设备的功耗，欧盟发起了 C2POWER 项目，该项目利用认知无线电和协作通信的优势来延长多标准无线设备的电池寿命。认知无线电和协作通信分别在高效频谱使用和提高无线链路容量方面有广泛研究，但将这些技术用于节能的研究仍处于早期阶段。
2. C2POWER 节能场景
C2POWER 针对三种节能场景展开研究：
-
场景 1：同质 RAT 中的短程中继（SR Relaying in Homogeneous RATs）
- 此场景是基础设施架构与短程自组织网络的混合组合。一些相邻的移动设备出于节能策略或经济激励，会组成协作集群。集群内的移动设备可通过短程（SR）技术直接通信。由于协作移动设备组内的空间接近性和空间多样性，具有很高的节能潜力。例如，在一种协作策略中，一个无线设备可能会牺牲部分能量来启动协作集群的节能策略，以换取基于商业模式的回报或其他激励。
- 以下是该场景的简单示意：
graph LR
A[移动设备 1] -- SR 链路 --> B[移动设备 2]
A -- LR 链路 --> C[基站]
B -- LR 链路 --> C
-
场景 2：异质 RAT 中的垂直切换（VHO in Heterogeneous RATs）
- 该场景中，多标准无线设备所在位置有多个 RAT 可用。C2POWER 研究相关策略和算法，帮助系统在这些具有不同无线电特性和范围的接口之间切换以节省电量。高效的切换策略至关重要，既要保证最佳的服务质量（QoS），又要降低能耗。此场景还考虑宏蜂窝和毫微微蜂窝之间的切换，引入上下文信息（如用户位置、习惯、预期室内移动、小区覆盖等）可带来改进。
- 例如，当无线设备与 RAT1 的信道质量不佳时，会执行垂直切换到 RAT2：
graph LR
A[无线设备] -- 信道质量差 --> B[RAT1]
A -- 垂直切换 --> C[RAT2]
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场景 3：异质 RAT 中的短程中继和垂直切换（SR Relaying and VHO in Heterogeneous RATs）
- 此场景融合了场景 1 和场景 2 的节能特性，允许异质 RAT 之间进行协作。源节点最初连接到 RAT1，但信道质量差且该服务功耗高。通过上下文感知功能，源节点检测到其短程覆盖范围内有可访问 RAT2 的中继节点。RAT2 能更好满足源节点的 QoS 要求且功耗更低。源节点通过低功耗 SR 接口邀请中继节点建立协作，经过基于支付或声誉机制的协商后，中继节点同意并建立协作集群。中继节点连接到 RAT2，并通过低功耗 SR 链路将所需流量中继给源节点，从而降低协作集群的整体功耗，功率增益取决于协作链路的能源效率。
- 其流程如下：
graph LR
A[源节点] -- 信道质量差 --> B[RAT1]
A -- 检测中继节点 --> C[中继节点]
C -- 可访问 --> D[RAT2]
A -- 邀请协作 --> C
C -- 同意协作 --> A
C -- 连接 --> D
C -- 中继流量 --> A
3. 上下文感知架构
在相关研究中，“上下文（Context）”有多种定义。例如，有定义认为上下文是“可用于描述实体情况的任何信息，实体可以是与用户和应用程序交互相关的人、地点或对象，包括用户和应用程序本身”；也有将上下文感知定义为“附近人员、对象的位置标识以及这些对象的变化”。
许多欧盟项目探索了上下文感知方面，如 MobiLife、SPICE、OPUCE、C - CAST 等，还研究了上下文感知系统与移动多媒体交付技术的集成。上下文可分为移动上下文和网络上下文，网络上下文包括安全、策略、覆盖和 QoS，移动终端上下文与设备的能力、移动性、使用的应用程序、能源和用户偏好相关。
提出的上下文感知架构用于无线设备认知引擎中的上下文管理和利用，具体如下：
|组件|功能|
| ---- | ---- |
|上下文提供者（Context Provider）|每个设备从外界获取与其他实体（无线设备和网络）相关的上下文信息，并将其提供给上下文提供者。上下文提供者不仅保存外部上下文，还收集无线设备的内部上下文，收集的大多是原始数据，会传递给上下文推理器和过滤器。|
|上下文推理器和过滤器（Context Reasoner and Filter）|对从上下文提供者接收的原始数据进行过滤、处理和聚合，生成处理后的信息，存储在上下文存储库中供未来查询。处理后的上下文也可传递给上下文协商器与其他感兴趣或订阅的无线设备或网络交换。|
|上下文协商器（Context Negotiator）|基于发布/订阅范式，通过一次性查询上下文存储库和其他实体的上下文协商器获取数据，作为无线设备和网络之间的中介。处理后的上下文信息存储在数据库中，可通过查询用于不同目的。|
|决策引擎（Decision Engine）|访问存储的上下文和内部上下文来运行决策算法，决策基于用户偏好和网络策略，决策结果可以是垂直切换、协作短程中继等建议。|
|上下文预测器（Context Predictor）|对不同情况下上下文的未来使用进行预测，如特定应用使用时的未来电池电量，或无线设备在特定时间后的位置。预测模块也可应用于网络侧，如预测断开连接或睡眠设备的位置信息以及短期和中期的预期网络负载，通过上下文推理器将信息提供给数据库。|
4. 节能策略与数学模型
利用上下文信息，认知设备会评估所有替代链路访问网络的能量成本（以焦耳/比特为单位），并选择在满足所需 QoS 的同时消耗最少能量的链路。对于单跳链路，成本通过所需发射功率与实现的数据速率之比（即 c = Pt/R）评估；对于两跳链路，成本评估为三个项的总和：源通过 SR 接口传输的成本、中继通过 SR 接口接收的成本以及中继通过长程（LR）接口转发的成本。
在协作短程中继方面，基于联盟博弈理论提供了数学模型：
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联盟博弈理论（Coalitional Game Theory）
- 特征函数形式的联盟博弈定义为 ⟨N, v⟩，其中 N 是玩家集合，v 是特征函数。N 的任何子集称为联盟，包含所有玩家的集合称为大联盟。特征函数为任何联盟 S 分配一个实值 v(S)，称为 S 的价值，且 v(∅) = 0（∅ 表示空集）。
- 玩家之间对共同回报的分配称为回报向量，记为 x = (x1, …, xn)。回报向量 x 若能完全分配大联盟的价值给玩家，则称为可行的，即 $\sum_{i∈N} x_i = v(N)$；若能为玩家提供比他们单独获得更多的回报，则称为个体理性的，即 $x_i ≥ v(i) ∀i ∈ N$。
- 预分配集定义为包含所有可行回报向量的 $R^n$ 子集，即 $PI(v) = {x ∈ R^n | \sum_{i∈N} x_i = v(N)}$；分配集定义为包含所有可行且个体理性回报向量的 $R^n$ 子集，即 $I(v) = {x ∈ R^n | \sum_{i∈N} x_i = v(N) and x_i ≥ v(i), ∀i ∈ N}$。联盟博弈的解是满足游戏稳定性的回报向量，根据不同的稳定性标准，文献中引入了不同的解概念，如核心（core）、夏普利值（Shapley value）、稳定集（stable set）、谈判集（bargaining set）和核（kernel）等。例如，核心定义为可行且任何联盟都无法改进的回报向量集合，即 $c(v) = {x ∈ R^n | \sum_{i∈N} x_i = v(N) and \sum_{i∈S} x_i ≥ v(S) ∀S ⊂ N}$。
-
联盟博弈模型（Coalitional Game Model）
- 对于任何无线设备联盟 S⊂N，特征函数定义为该联盟中的无线设备通过采用协作短程中继策略可获得的最大节能。为确定联盟的价值，将任意集群 C 划分为两个互斥的集合：中继（M）和源（N）。混合联盟是 C 的一个子集，包含两种类型的玩家（中继和源）。对于任意联盟 S⊂N，如果 S 只包含一个玩家，联盟价值为零，因为该玩家找不到其他玩家合作。一般来说，如果 S∩M = ∅ 或 S∩N = ∅，联盟价值也为零，因为仅由源（中继）组成的联盟中，没有中继（源）可合作，也就没有节能机会。
5. webinos 应用平台概述
webinos 应用平台旨在通过自适应用户界面实现沉浸式普适软件应用。它利用 Web 提供的基本跨平台机会以及未来互联网基础设施来达成这一目标。随着个人区域（Personal Zone）概念的引入，应用开发者能够创建超越执行设备物理边界的软件，可同时访问多个设备的功能。
为确保用户在所有设备上都能获得可比且直观的使用体验，应用程序用户界面的呈现和交互方式可根据具体情况进行调整。基于 webinos 个人区域中的上下文知识，可做出基于规则的调整决策，以动态优化应用程序用户界面，使其适应执行设备的特性。
webinos 技术旨在影响未来互联网架构及其相关框架，已与多个未来互联网项目（如 FI - WARE 和 FI - CONTENT）建立了合作关系。未来的工作包括进一步探索将 webinos 平台用作这些项目的通用支持平台，以及在应用层面无缝连接普适设备。
6. 不同技术的对比与优势
| 技术 | 优势 |
|---|---|
| webinos 应用平台 | 利用 Web 和未来互联网基础设施，支持跨设备应用开发，通过自适应界面提升用户体验，与多个未来互联网项目合作，具有广阔发展前景。 |
| C2POWER 节能策略 | 针对 4G 多标准无线设备功耗问题，通过认知无线电和协作通信，结合三种节能场景和上下文感知架构，有效降低设备功耗，延长电池寿命。 |
7. 技术应用展望
-
webinos 应用平台
：随着未来互联网的发展，webinos 应用平台有望在更多领域得到应用。例如，在智能家居领域，用户可以通过不同设备上的 webinos 应用，实现对家居设备的统一控制和管理。操作步骤如下：
- 在各个家居设备（如智能灯具、智能家电等）上安装支持 webinos 的应用程序。
- 将这些设备连接到 webinos 个人区域网络中。
- 用户通过手机或平板电脑上的 webinos 应用，根据设备特性和自身需求，调整用户界面，实现对家居设备的控制。
- C2POWER 节能策略 ：在 4G 及未来的 5G 网络中，C2POWER 节能策略将发挥重要作用。以移动办公场景为例，移动设备可以根据网络环境和自身电量情况，自动选择合适的节能策略。流程如下：
graph LR
A[移动设备开机] --> B[检测网络环境和电量]
B -- 电量充足且网络质量好 --> C[正常连接网络]
B -- 电量低或网络质量差 --> D[评估节能策略]
D -- 适合 SR 中继 --> E[执行 SR 中继策略]
D -- 适合 VHO --> F[执行垂直切换策略]
D -- 适合混合策略 --> G[执行 SR 中继和 VHO 混合策略]
E --> H[降低功耗继续工作]
F --> H
G --> H
8. 总结
本文介绍了 webinos 应用平台和 C2POWER 节能策略两种不同的技术。webinos 应用平台通过自适应界面和个人区域概念，为开发者提供了跨设备应用开发的新途径，有望在未来互联网架构中发挥重要作用。C2POWER 节能策略针对 4G 多标准无线设备的功耗问题，通过认知无线电、协作通信和上下文感知架构，结合三种节能场景，有效降低了设备功耗，延长了电池寿命。这两种技术在不同领域都具有重要的应用价值，随着技术的不断发展，它们将为用户带来更加便捷和高效的体验。
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