CN105050164A - 基于数据重要性的降低wifi功耗方法 - Google Patents

基于数据重要性的降低wifi功耗方法 Download PDF

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CN105050164A CN201510024139.4A CN201510024139A CN105050164A CN 105050164 A CN105050164 A CN 105050164A CN 201510024139 A CN201510024139 A CN 201510024139A CN 105050164 A CN105050164 A CN 105050164A
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wifi
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朱宗卫
丁恩杰
赵端
赵志凯
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Abstract

本发明公开了一种基于数据重要性的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：（1）根据请求网络数据的应用程序对网络数据的敏感程度对请求网络数据的应用程序进行判别，确定应用程序的延迟敏感度等级；（2）根据应用程序的延迟敏感度等级通过相应的wifi功耗优化策略配置wifi无线网卡进行网络数据传输控制。该方法可以减少网卡的尾部能耗。延迟唤醒网卡，可以增加网卡处于睡眠状态的时间。

Description

基于数据重要性的降低wifi功耗方法
技术领域
本发明属于无线网卡功耗优化技术领域，具体的是一种基于数据重要性的降低wifi功耗方法。
背景技术
不断增长的数量和耗电量不仅给全球的电量消耗带来沉重的负担，更重要的是不断增强的计算能力导致智能手机待机时间缩短，严重影响了智能手机的用户体验。所以，智能手机平台的功耗管理技术吸引了越来越多手机厂商和研究者的注意。无线网络设备是智能手机能耗开销的一个重要部件。尤其在休眠状态，少了屏幕能耗，wifi能耗成为主要能耗，本发明尝试使用一种新的思路对无线网卡进行功耗管理。
手机中网络连接的应用增加不仅提升了传输数据的能耗开销，更重要的是大大缩短了无线网卡和CPU进入休眠的时间。一方面，几乎所有的网络连接应用都会开启后台数据同步的服务，这些服务会根据自身的需求间断性地发出网络数据访问请求。由于不同应用各自的“节奏”各不相同，导致后台数据请求在时间上十分分散。另一方面，后台服务请求的数据包普遍很小，超过80％都在1KB以下，如图1所示。后台网络数据请求的离散分布和每次请求数据包普遍很小造成网络设备利用率大大下降。原因在于每次数据包请求都需要将无线网卡从休眠状态唤醒，在进行很少的数据传输以后，再经过一段时间的延迟才再次进入休眠状态，大量的延迟增加了“尾部能耗”问题的严重性，使得无线网卡的“能效”大大下降。本发明由此而来。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于数据重要性的降低wifi功耗方法，解决了现有技术中wifi无线网卡能耗过高等技术问题。
为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案如下：
一种基于数据重要性的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)根据请求网络数据的应用程序对网络数据的敏感程度对请求网络数据的应用程序进行判别，确定应用程序的延迟敏感度等级；
(2)根据应用程序的延迟敏感度等级通过相应的wifi功耗优化策略配置wifi无线网卡进行网络数据传输控制。
优选的技术方案中，所述方法步骤(1)中应用程序分为前台运行的应用程序、后台运行的应用程序和屏幕关闭后运行的应用程序；其中前台运行的应用程序的延迟敏感度等级大于后台运行的应用程序的延迟敏感度等级；后台运行的应用程序的延迟敏感度等级大于屏幕关闭后运行的应用程序的延迟敏感度等级。
优选的技术方案中，所述方法步骤(1)中对请求网络数据的应用程序进行判别前通过在网络数据传输到网络协议栈前引入钩子函数截取请求网络数据的应用程序的进程信息，通过进程信息判断应用程序的延迟敏感度等级。
优选的技术方案中，所述方法步骤(2)中wifi功耗优化策略包括根据不同类型的应用程序，对wifi无线网卡的PSM超时时间(PSMTimeout)参数、监听间隔时间(ListenInterval)参数和待发送数据包缓存时间(TXdelay)参数进行调整。
优选的技术方案中，所述方法步骤(2)中如果应用程序为前台运行的应用程序，则PSM超时时间延续P1；如果是后台运行和屏幕关闭后运行的应用程序，则PSM超时时间配置为0，wifi无线网卡进行待机状态；其中P1为80～1000ms。
优选的技术方案中，所述方法步骤(2)中如果wifi无线网卡存在Wakeup状态、Sleep状态和RX_Streaming状态，且应用程序为前台运行的应用程序，则配置RXStreaming状态激活，并PSM超时时间延续P1；如果是后台运行和屏幕关闭后运行的应用程序，则配置RXStreaming状态失活，进行待机状态；其中P1为80～1000ms。
优选的技术方案中，所述方法步骤(2)中如果应用程序为前台运行的应用程序，则待配置的ListenInterval的值L1与距离最近一次发送数据的时间延长成线性关系增长；如果是后台运行的应用程序，则待配置的ListenInterval的值L2与距离最近一次发送数据的时间延长成指数关系增长；如果是屏幕关闭后运行的应用程序，则待配置的ListenInterval的值L3与距离最近一次发送数据的时间延长成指数增长关系；且L3>L2>＝L1。
优选的技术方案中，所述方法步骤(2)中应用程序请求wifi无线网卡进行发送网络数据时进行延迟发送处理。
优选的技术方案中，所述方法步骤(2)中如果应用程序为前台运行的应用程序，则TXdelay参数设置为0；如果是后台运行的应用程序，则TXdelay参数设置为T2；如果是屏幕关闭后运行的应用程序，则TXdelay参数设置为T3；其中0<T2<T3。
优选的技术方案中，所述方法步骤(2)中应用程序的运行状态通过监听应用程度调用OnResume()、OnPause()函数时的进程UID信息进行判断；当应用程序启动时，运行状态为LAUNCH_ACTIVITY；调用onResume()函数后，运行状态转为RESUME_ACTIVITY；而调用onPause()，则运行状态转为PAUSE_ACTIVITY；当屏幕关闭时，应用程序转为SLEEPING；其中LAUNCH_ACTIVITY、RESUME_ACTIVITY均为前台运行状态；PAUSE_ACTIVITY为后台运行状态，SLEEPING为屏幕关闭运行状态。
本发明技术方案中如果应用程序为前台运行的应用程序，则随距离最近一次发送数据的时间延长而ListenInterval的值以线性速度增长；如果是后台运行和屏幕关闭后运行的应用程序，随距离最近一次发送数据的时间延长而ListenInterval的值以指数速度增长。
数据重要性
根据应用程序对网络数据的敏感程度来区别出发送网络数据的三种场景：前台，后台和屏幕关闭的时候。三个对网络数据的敏感程度由依次由高到低。前台为了保证用户体验，用户正在交互的应用程序发出的网络传输请求重要性最高，我们是不对其对待延迟发送的。后台应用程序发出的网络传输请求重要性较低，当手机屏幕关闭时应用程序发出的网络请求重要性最低。延迟时间会增加。如图2所示，
在智能手机***如Android***中，存在很多“非延迟敏感型”的网络数据传输会造成能耗的浪费。很多应用使用后台线程周期性地唤醒和服务器进行数据同步，比如邮件管理应用定期与邮件服务器通信查看最新邮件信息，微博、新闻客户端、天气服务应用等动态信息分发应用则根据应用程序设计的不同会以一定的频率更新数据。
对于邮件服务等一类应用而言，其响应时间延迟几秒甚至几十秒并不会对用户体验造成严重的影响。因此，延长这类网络传输的响应时间对用户体验并不会造成严重的影响。这些任务被称为“非延迟敏感型”任务。
另一方面，交互式***中同时也存在众多“延迟敏感型”任务需要及时、尽快处理。比如在线视频通话、观看网络视频、在线浏览新闻等，这类应用场景下延迟网络请求的响应时间会严重损害用户体验，甚至在某些情况下将无法满足正常功能。
根据对已有Wi-Fi功耗管理技术的分析可知，现有的无线网卡功耗管理策略基本上都沿袭传统的“空闲管理”原则，当设备的空闲时间达到一定阈值以后命令该设备进入低功耗模式，主机有新的负载请求时主动唤醒设备进入正常工作状态。整个控制过程将无线网卡的负载——网络数据传输请求视为具有相同优先级的任务，并没有对其进行“延迟敏感度”划分。
对于交互式***，在不同应用场景下发出的网络传输请求受到用户的关注程度有很大的区别，对响应时间的实时性要求程度也不同。因此，在交互式***中对网络传输的重要性划分有助于更合理地控制网络设备的性能和能耗。
手机操作***都只允许一个应用程序处于和用户交互的状态(称为前台应用)。前台应用程序往往是用户正在使用的，因此受到用户的关注度最高。相对于前台应用，后台应用程序是指那些用户暂时看不见但是仍在继续运行的应用，这些应用虽然用户关注的程度不高，但是有可能在短时间内会被切换到前台重新获得用户的关注。对于手机屏幕关闭的情况，根据对用户的行为分析可以认为在这段时间内用户并不关心手机完成了什么任务，所以这种情况下***中任务的重要性最低。
Wi-Fi模块的联网方式
Wi-Fi模块最基本的联网方式是single-hop方式，如图2。(a)所示。single-hop方式中每个需要联网的移动设备(比如智能手机)都和附近的Wi-Fi热点进行连接，网络数据包发送的第一步是将数据包发给热点，接入互联网的Wi-Fi热点再将数据包发送到互联网中，最终到达客户请求的主机。在这种联网模式中，移动设备称为STA(Station的缩写)，Wi-Fi热点称为AP(AccessPoint的缩写)。由于Single-hop连接方式需要依赖预先建设好的基础设施(热点)进行网络设备互联，因此又称为“基于基础设施”的网络。
在single-hop工作方式中，网络数据通过的路径进行传输。由于AP是由运营商搭建好的基础设施且主要由电缆直接供电，因此本文仅对STA和AP之间的数据交互过程进行功耗控制研究。
无线网卡的网络连接过程
Wi-Fi驱动发送数据过程
网卡驱动对网络数据的发送是异步的。每次有网络数据要发送的时候，会将其放到待发送队列tx_queue里面。当上层协议有数据需要发送时通过驱动注册的函数指针调用驱动的发送函数op_tx，op_tx函数首先将数据包加入待发送队列tx_queue，然后激活专门负责数据发送的工作队列。在Linux中，工作队列是由一个内核线程实现的，该内核线程可以被阻塞、调度和杀死，然后通过一个工作队列开启一个线程去将待发送队列里的网络数据放到网卡中，并清空待发送队列。这样每次有网络数据要发送，都会清空待发送队列。
Android***网络层次调用关系如图2所示，应用层进行网络通信经过中间层sock_sendmsg函数，该函数根据端口对应的不同协议(网络协议、文件***等)，再调用相应的函数(网络通信函数、文件处理函数等)进行下层处理。如为网络数据，则将网络数据交至下一层协议进行处理时，通过将任务UID保存至进程全局变量里，将网络数据发送至下层协议栈，经过sock_send_msg函数时增加钩子函数，在钩子函数中判断当前发送网络数据的进程UID是否等于此时前台进程，如果为真则是前台进程。同时，因应用程序在屏幕关闭时会收到该广播消息，因此只要监测应用程序是否收到该类消息即可判断是否为睡眠状态数据。至此，实现了在Android平台上对WiFi网络数据的重要性分级划分：前台数据、后台数据与设备睡眠状态发送数据。应用层进行数据的收发处理，当数据流通过网络层时获取标识判断类型，结合android***原有的任务划分方法，进程间通信机制Binder用以传递Activity的状态信息，其中MonitorActivity线程对Activity进行监测以区分数据类型识别，并进行数据包的重要性划分。PackageControlAlgorithms线程为主要策略的实现，进行WiFi数据收发的直接底层控制。框架利用android***的线程延迟机制对数据包进行延迟，以避免对上层应用造成逻辑性的影响。
802.11标准中的PowerSaveMode是无线网卡的一种低功耗工作模式，是专门为嵌入式设备中使用Wi-Fi而设计的。同其他很多I/O设备采用休眠/唤醒的节能策略类似，IEEE802.11标准定义了一种PowerSave模式用于节省无线网卡在网络通讯时的功耗开销。
PowerSave模式是无线网卡的一种低功耗工作模式，该模式关闭无线网卡的接收和发送子模块，当无线网卡处于该模式下时不能进行数据发送和接收工作。
STA站(Station，STA)进入PowerSave模式之前需要向AP接入点(AccessPoint，AP)发送一个无数据项的空帧(休眠帧)，帧头部的功耗控制位“PowerManagementbit”被设置为1。AP接收到这种帧以后便可知道其管辖范围内哪个STA进入了休眠模式，从该时刻开始，AP需要负责为该STA缓存网络中发送给它的数据包，直到STA唤醒并从AP缓存队列中取回属于它的数据为止。
为了让周围的STA知道AP的存在以便新的STA进入区域时能够连接并使用该AP的服务，AP会周期性地广播一种称为beacon帧的管理帧，其周期长度(beaconinterval)一般由无线路由管理人员进行配置，默认参考值为100ms。Beacon帧包含了一组名为TrafficIndicationMap(TIM)信息，用以标识其管辖范围内哪些STA有被缓存的数据需要接收。当STA与AP建立连接时AP就会为每个用户分配一个唯一连接编号(AssociationID,AID)，当AP收到属于某个STA的数据包时，如果该STA正处于休眠状态，AP就将这些数据包进行缓存并在发送下一个beacon帧时在TIM字段用该STA的AID作为索引将Bitmap的相应位置位。STA收到beacon帧以后发现自己AID对应的标志位被设置为1，便给AP发送一个PS-Poll帧通知AP将缓存的数据发送给它。
由于beacon帧中只有一个数据位用以标识某个STA是否有数据需要取回，因此无法表示一共有多少个数据包。为了能够让STA知道有多个数据包需要取回，在AP给STA发送数据包时需要在More-Data字段通知STA是否还有数据需要取回，STA也是通过判断这个字段来决定是继续向AP发送PS-Poll帧取回数据还是重新进入PowerSave模式休眠。
为了使AP能够持续地为所有STA提供服务，需要保证AP不会无限期地对STA的数据进行缓存而最终导致存储空间耗尽，因此AP为STA缓存数据的时间需要有一定的期限限制。STA可以根据自己的需求决定从休眠状态中唤醒监听beacon帧的时间间隔为beaconinterval的ListenInterval倍，并且在进入休眠之前通过休眠帧告知AP。AP对STA数据的缓存时间至少为beaconInterval的ListenInterval倍，超过此期限则可以选择丢弃数据包。这种机制既可以保证STA能够正确地接收数据包，又可以避免由于STA故障导致的数据包填满AP存储空间的问题。
静态PSM
静态PSM是最早提出的PSM策略。在静态PowerSaveMode中，无线网卡的状态转换和ListenInterval被设置成固定的策略。
当STA有数据需要发送时，任何时候可以唤醒Wi-Fi模块并要求其进行发送，并且一旦数据发送完毕，Wi-Fi模块即进入PowerSave模式；Wi-Fi模块会在每个AP的beacon帧到来时自动唤醒并接收beacon帧(ListenInterval等于0)，如果TIM中标识有它的数据需要取回，则发送PS-Poll从AP取回数据，一旦数据包的MoreData标识为0时Wi-Fi模块即进入PowerSave模式。
静态PSM可以让无线网卡只有在需要接收或者发送数据时处于Wakeup状态，其他时间都处于PowerSave状态。这种模式可以尽最大可能节省无线网卡的功耗开销，有实验数据指出在标准的TCP/IP连接中，使用静态PSM的无线网卡与不使用PSM相比最多可以节省大约90％的能耗开销(AP只有一个BSS连接的情况)。
但是，静态PSM导致的网络性能的下降也非常明显。它会大大延长网络连接的RTT。假设在一个RTT为5ms的TCP连接中，当STA发送一个SYN帧后，SYN/ACK帧在5ms之后到来。但是此时STA已经进入PowerSave模式，不能接收数据，只能等到下一个beacon帧到来以后才能接收到SYN/ACK。一般的beaconinterval设为100ms，也就是说，在使用静态PSM策略时，一个RTT等于5ms的连接的性能同RTT等于100ms的性能一样，所以，网络连接的RTT被延长了20倍之多。
对于网络性能来说，100ms的休眠间隔显得太长，尤其是当RTT很小的时时，使用静态PSM带来的网络性能下降尤其明显。但是，对于很长一段时间没有网络访问的情况，无线网卡每隔100ms唤醒一次去处理beacon帧会造成很多能耗的浪费。比如一个浏览器的应用程序，当用户打开一个网页之后，网页的数据在开始的一段时间内就会下载完。接下来的一段时间用户阅读网页(称为用户思考时间)，这段时间几乎不需要发生网络数据传输，而且这段时间的长度可能远远大于下载网页耗费的时间，达几十秒甚至数分钟。这段没有数据传输的时间内静态PSM要求无线网卡每隔100ms自动唤醒一次对beacon帧进行监听，这样不仅浪费了很多无线网卡的能耗，而且每次收到beacon帧都需要唤醒CPU进行处理，浪费CPU的能耗。
自适应的PSM
Beacon帧监听时间对于网络性能来说太长而对于功耗节省来说太短，其根本原因在于静态PSM固定的ListenInterval以及发送数据结束以后立即进入PSM状态。
为了解决静态PSM中发送/接收完以后立即进入PSM导致的网络性能下降的问题，思科Aironnet350无线网卡提出了一种自适应的PSM策略。自适应的PSM策略提出在完成发送/接收后不是立刻进入PSM状态，而是继续保持Active状态(如图3所示)，这段时间的长度称为PSMtimeout。PSMtimeout一般设置为比RTT大的值。由于主机与服务器连接的RTT值是动态变化的，为了能够保证网络传输的性能，需要选取一个较大的PSMtimeout来保证能满足各种RTT的需求。Aironnet350选取800ms作为PSMtimeout。
PSMtimeout
PSMtimeout表示当完成一次数据发送/接收后继续维持多长时间的Active状态。PSMTimeout在自适应PSM策略中提出，其目的是为了解决静态PSM的性能损失问题。该值越大，STA能够尽快接收到网络中发给它的数据包，而不需要在AP中缓存等待下一个beacon帧到来时才进行接收，提高了网络数据传输的速度，但是能耗开销也随之提升。对于前台“延迟敏感型”网络访问请求，PSMTimeout可以适当延长以提升网络响应速度。对于“非延迟敏感型”负载，数据包接收时间延长一个beaconInterval不会对用户体验造成严重的损失，
ListenInterval
进入PowerSave状态的无线网卡可以自己选择主动唤醒收听AP广播beacon帧的时机。ListenInterval等于n表示无线网卡每隔n个beacon帧时间唤醒一次去收听beacon帧，假设ListenInterval等于2，则表示无线网卡会每过3倍BeaconInterval的时间唤醒一次去收听beacon帧。ListenInterval表征无线网卡进入休眠的时间粒度，其值越大，无线网卡处于休眠状态的时间就越长，功耗就越低。但是，如果ListenInterval太长，除了影响STA收包的时间延迟以外，还有可能导致数据包由于在AP端缓存太长时间而被丢弃。因此，ListenInterval的选择对网络性能的影响很大。
待发送数据包缓存时间的长度(TXdelay)
从上层协议栈将数据包交给无线网卡驱动进行发送到数据包真正发送给AP是异步进行的。数据包首先被加入到等待队列，只有等到负责数据发送的进程被调度执行才会将数据拷贝给无线网卡进行发送。因此，待发送数据包缓存时间长度直接影响了网络的性能。
对数据包进行缓存虽然会导致网络传输吞吐率的下降，但是对于网络设备的能耗节省有重要意义。首先，由于无线网卡的唤醒需要一定的能耗开销，如果每个数据包发送时都进行无线网卡的唤醒操作，这部分的能耗浪费将变得相当严重；其次，频繁唤醒正在休眠的无线网卡操作也会增加“尾部能耗”的浪费。
数据包的“对齐”发送已经在很多前人的研究工作中得到验证，对网络设备的节能有较好地效果。我们基于任务重要性的Wi-Fi功耗管理策略在前人工作的基础上对不同优先级的数据包使用不同的缓存策略，更准确有效地平衡了功耗和性能的矛盾。
在Android平台上实现基于负载重要性划分的Wi-Fi功耗管理策略，首先要实现前后台数据的划分，其次要修改Wi-Fi驱动程序源码，实现不同服务等级的控制逻辑。
由于中间网络层什么都采用异步的方式发送网络数据。所以到了驱动层，是没有办法对应到发送网络数据的进程的。Android应用程序由四种基本组件组成，分别是Activity、service、broadcastreceiver和contentprovider。其中Activity是应用程序用户界面和用户交互的载体，应用程序用户界面的显示和用户交互的处理工作全部在Activity组件中完成。。我们在Activity里面的生命周期中发现，当前台进程切换到前台，会调用onResume().于是当调用onResume的时候，我们就将调用onResume的进程uid保存到一个标识前台进程的uid的全局变量里面。然后网络数据发送在往协议栈里面走之前，都会经过一个sock_send_msg的函数。我们调用这个函数之前加入一个勾子函数。在勾子函数里面，判断当前发送网络数据的进程uid是否等于当前台进程，如果是的，就认为是前台进程。设置的全局标志位为1.并且此后的1s内，都认为是前台进程在发送网络数据。
Activity在初始化和前后台切换时候只涉及两个函数：OnResume()；OnPause()；当app在启动和切换到前台时，会调用onResume().当app在切换到后台时，会调用onPause()。两个回调函数最终都会经过framework层的ActivityThread.java类的代码如下：
1.publicvoidhandleMessage(Messagemsg){
a)switch(msg.what){
i.caseLAUNCH_ACTIVITY:
ii.caseRESUME_ACTIVITY:
2.casePAUSE_ACTIVITY:
i.caseSLEEPING:
……
其中LAUNCH_ACTIVITY对应app启动的时候，而RESUME_ACTIVITY对应的是app调用onResume()的时候，而PAUSE_ACTIVITY对应的是app调用onPause()的时候。最后的SLEEPING则对应屏幕关闭的时候。
通过写/proc文件的形式将上述的msg.what传入到内核层。并根据msg.what的值来更新一个全局变量，fg_uid，即前台进程的uid.添加写/proc文件。通过写/proc文件。***将会msg.what的值传到内核层，并最终将调用我们编写的模块中的创建对应/proc文件的写函数。
通过改变PSMTimeout、ListenInterval和TXdelay三个量可以控制无线网卡的网络服务质量等级以及功耗等级。因此，要实现对无线网卡服务等级的划分需要在网卡驱动中实现对以上三个变量的控制，根据当前负载的重要性等级进行相应的配置。
WL1271介绍
Pandaboard开发板使用的WLAN模块为TI的芯片WL12712.4GHzIEEE802.11b/g/n。WL1271针对嵌入式移动设备进行了独特的功耗优化，在通用PSM机制的基础上提出了具有自主知识产权的ELP(EnhancedLowPower)技术。该技术在很多方面对无线网卡进行了功耗优化，其中最大的特点是提出了RX_Streaming技术。该技术充分应用Wi-Fi模块接收数据的功耗比发送数据功耗低大约三分之一的事实，在Wakeup状态和Sleep状态之间设计出RX_Streaming状态。RX_Streaming状态允许无线网卡让发送数据的电路进入休眠状态但是仍然保持数据接收功能，是Wakeup的弱化版本和Sleep的强化版本。RX_Streaming技术的提出可以降低无线网卡的“尾部能耗”开销。
PSMTimeout
对socket编程的研究，发现大部分Android应用上的客户端，都是先发送一个请求给对端的服务器，之后才能接收对端返回的网络数据。同时我们做了大量的实验，发现在网络状态良好的情况下，客户端发送请求之后，平均在100ms，就可以接收到95％网络数据。而网卡处于休眠状态时，会周期性地唤醒去接收AP的beacon帧，时间大概为100ms。我们认为在网卡第一次唤醒后，就基本上接收完所有的数据，此后可以不必这么频率的唤醒自己。于是我们仿照二进制指数退避算法，来适当地延迟网卡的唤醒时间。
在WL1271上，PSMTimeout等价于RX_Streaming的持续时间，即RX_Streaming_Timeout。在基于Client/Server的工作模式中，Client发送请求后往往在较短的一段时间内会接收到Server发来的数据。基于这个假设，为了提高上层应用程序的响应速度，必须保证Server发来的数据尽快接收并提交给上层应用，所以需要适当延长RX_Streaming_Timeout。但是对于“非延迟敏感型”的后台数据发送可以缩短甚至取消RXStreaming状态。实验证明，在网络条件正常的情况下，客户端接收到服务器端发送的数据包延迟时间90％以上小于100ms，数据包接收延迟累积概率分布图(CDF)如为所示。
控制RX_Streaming_Timeout的算法伪代码如下描述：
ifget_current_state()＝＝FOREGROUND
queue_work(rx_streaming_enable)；
queue_delay_work(rx_streaming_disable,100ms)；//100ms后关闭
else
queue_work(wl1271_sleep)；
endif
当数据包发送结束时调用RX_Streaming_Timeout的算法，在前台应用发送数据时可以使能RXStreaming状态并延续100ms。而后台发送数据时为了节省能耗，可以不使能RXStreaming状态。
WL1271支持0-255共256个ListenInterval等级，只要在驱动中通过控制命令对无线网卡进行设置就可以控制无线网卡在Sleep模式下的休眠粒度。
对于最近发送的数据包来自于前台应用程序的情况，为了提高程序的响应速度要将ListenInterval维持在一个较小的值，但是考虑到几乎所有请求的数据都会在较短的时间内接收以及前台应用程序可能会经历“用户思考时间”，在这段时间内网络上几乎无数据收发，所以可以适当增加ListenInterval。这种情况下ListenInterval的值以线性速度增长，随着距离最近一次发送数据的时间延长而延长。
ListenInterval算法的伪代码描述如下：
当数据发送结束时调用ListenInterval(1)算法，当接收到Beacon帧时调用ListenInterval(2)算法。后台数据传输的情况ListenInterval的增长速度可以更为激进，在这种情况下，随着距离最近一次发送数据的时间延长而指数增加。
TX_delay的控制算法伪代码描述如下：
当上层协议调用驱动发送函数时调用TX_delay的控制算法。对发送进行延迟的目的是将一段时间内要发送的数据“打包”发送。一方面通过集中使用无线网卡来降低“尾部能耗”的浪费，另一方面通过这种方式可以延长无线网卡的休眠时间，进而降低无线网卡的能耗。
当前台应用发送数据时不对数据包进行缓存，立刻唤醒发送进程(内核工作队列)进行发送。当后台应用程序或者手机关闭屏幕状态下发送数据时对数据包进行相应的缓存，缓存时间分别为3秒和5秒(实验值)。如果数据包到达时已经有数据包开始缓存(now+BG_CACHE_TIME>next_send_time的情况)，此时可以不需要对发送进程设置定事情，因为定时器已经开始计时了。
本发明基于任务重要性的Wi-Fi模块功耗管理方法在Android***中进行了实验。基于对前后台网络访问请求的划分，Wi-Fi驱动对不同“重要性”的网络请求提供不同性能等级的服务。实验结果证明这种策略可以从一定程度上节省无线网卡的功耗开销。还进一步证实，基于数据重要性的功耗管理技术对交互式***有较好的效果，通过对任务的划分能够更准确高效地指导底层硬件资源的分配和调度。
本发明的主要思想是在保证不影响用户体验的前提下，延长网卡处于睡眠模式的时间。
本发明针对交互式***提出了一种全新的功耗管理思想——用户体验导向的功耗管理方法。基于这种思想，本论文首先提出了基于任务重要性的功耗管理技术框架，在该技术框架的指导下，我们针对常见的功耗控制手段——休眠/唤醒技术进行了深入研究，并应用在无线网卡上实现了基于任务重要性的功耗管理策略。实际平台上进行实验的结果表明基于任务重要性的功耗管理方法在Android这类交互式***上有较好的效果。
基于以上成就，下一步的研究可以接下来的工作：引入自适应算法来动态地反应网络情况。一个简单的想法是，网络情况不好，则延迟更长时间，来避免重传。而且这样一来对前台进程网络数据也能进行延迟。
目前，已相继提出一些在智能终端WiFi网络方面的功耗优化方法。Niranjan等人2009年在文献[N.Balasubramanian,A.Balasubramanian,andA.Venkataramani.Energyconsumptioninmobilephones:ameasurementstudyandimplicationsfornetworkapplications.InProcofIMC,2009.]中分析了不同网络传输方式(WiFi、3G等)对于功耗的影响，指出WiFi网络在扫描热点和建立连接时功耗较高，如在WiFi建立连接阶段，网络部件所占能耗与***总能耗比约为5:7。同时指出，频繁的WiFi网络唤醒会导致高能耗，因此WiFi网络适合持续的大数据量传输。文中给出了通过预取机制实现的能耗优化，并对数据包设置Deadline时间进行缓存发送的算法，但文献所提出的预取算法在现实中较难实现，同样很难预知每个数据包的Deadline时间。
基于交互式***任务的“非公平”性，提出基于任务重要性的功耗管理框架。框架主要对任务进行重要性分类，对用户关注越多的任务，其响应延迟对用户体验的影响越大，其“重要性”越高。***根据对处理的任务的重要性评估结果决定底层硬件提供的性能高低，通过合理的资源配置优化***的性能和能耗。
在Android***中实现基于任务重要性划分的无线网卡功耗管理策略。***的网络请求被划分成前台、后台和睡眠三种不同重要等级的数据传输，对于前台数据传输，无线网卡提供最高性能的服务，而对于后台数据请求，无线网卡则适当降低服务的质量以延长进入休眠状态的时间长度，最终达到降低***能耗的目的。
相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：
针对交互式***提出了一种全新的功耗管理思想——用户体验导向的功耗管理方法。基于这种思想，本发明首先提出了基于任务重要性的功耗管理技术框架，在该技术框架的指导下，针对常见的功耗控制手段——休眠/唤醒技术进行了深入研究，并应用在无线网卡上实现了基于任务重要性的功耗管理策略。实际平台上进行实验的结果表明基于任务重要性的功耗管理方法在Android这类交互式***上有较好的效果。本发明通过网络行为分析来指导对内核网卡操作以达到降低***能耗的目的。主要策略有：通过数据重要性划分场景，保证了用户体验。三种场景，前台和后台和屏幕关闭，不同场景用不同的策略，前台为了保证用户体验，我们是不对其对待延迟发送的。而后台和屏幕关闭的情况，延迟时间会增加。实现对网络数据的延迟和对齐发送，网络数据每次发送都要进入高能耗状态(状态转化需要耗能)。对齐发送，则可以减少网卡的尾部能耗。延迟唤醒网卡，可以增加网卡处于睡眠状态的时间。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为Android应用程序网络接收延迟累积概率分布图；
图2为Android网络访问流程示意图；
图3为无线网卡有限状态机；
图4为后台数据发送时间序列对比图；
图5为优化前后后台数据传输平均延时对比图；
图6为无线网卡功耗优化效果图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体***的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例
为了验证基于负载重要性划分的Wi-Fi功耗管理策略对功耗和性能的影响，在Pandaboard开发板上实现了该策略并进行了实际测量，实验结果显示根据对前后台数据的划分指导底层Wi-Fi驱动的功耗管理对于前台应用程序能够提升网络的响应速度，而后台进程进行数据传输时可以降低无线网卡的能耗开销。
1、实验平台
实验使用德州仪器(TexasInstruments，TI)发行的PandaboardES开发板作为实验平台。该开发板配备当前智能手机的主流配置，是移动平台开发者最受欢迎的实验平台之一，广受各大开源社区的支持，其中包括ARM嵌入式最大的开源社区Linaro。PandaboardES主要参数如表1所示。
表1PandaboardES主要参数列表
CPU ARM Cortex-A91.2GHz双核SMP
Memory 1GB DDR2RAM
Connectivity Ethernet
Wireless Connectivity 802.11b/g/n(based on WiLinkTM6.0)
2、实验方法
为了减小网络环境和应用程序的随机性对实验结果造成的影响，我们专门开发了用于模拟真实***网络行为的基准程序NetBenchBg和NetBenchFg，分别模拟后台应用和前台应用的网络访问情况。
NetBenchBg开始运行以后开启十个后台线程，每个线程执行如下循环：a)从预先指定的网址下载一个网页；b)休眠0-10s内一个随机的时间。该程序目的在于模拟后台多应用随机访问网络进行数据同步的场景。
NetBenchFg模拟前台应用程序访问网络的行为，在该应用处于前台时以较高的频率发送网络请求(请求相同的网页)，处于后台时以较低频率发送网页请求。
应用NetBenchBg和NetBenchFg，我们首先测试了在有前台数据传输时网络请求的响应速度以及功耗情况，然后测试了只有后台数据传输时的结果。
3、实验结果
为了验证基于任务重要性的Wi-Fi功耗管理策略的效果，我们分别从后台数据缓存效果、休眠/唤醒时间比、Wi-Fi模块能耗和数据传输延迟等方面进行评估。实验证明，使用基于任务重要性的功耗管理优化技术能够取得很好的节能效果。
图4将优化前后网卡发送后台数据的时间序列进行对比。从实验结果可以看出，优化以后网卡发送数据的时间具有明显的聚集效果。数据发送的聚集使得网卡进入休眠的时间明显变长。
通过跟踪无线网卡驱动的特定函数可以统计无线网卡处于各个状态的时间长度。表2对比了只有后台数据传输时无线网卡处于休眠和唤醒的时间总和。由于后台数据传输的总量很少，因此网卡处于真正数据发送和接收状态的时间相对较少，在统计中将其同一归类为Wakeup状态的时间。通过表中的饼状图可以很明显地看出使用优化技术以后无线网卡处于Sleep状态的时间得到了延长，另外，Sleep时间随着缓存时间长度的增加而增长(休眠状态下的数据缓存)。
表2优化前后网卡休眠时间对比
为了评估使用优化技术前后网络性能的变化，实验中我们对socket层接收和发送函数的执行时间进行统计(如图5所示)。实验证明使用优化技术的情况下数据包的平均接收和发送时间有所延长，其中在休眠状态下平均收发时间是优化前的两倍。而对于有前台数据发送的情况，由于前台数据的重要性很高，在前台数据需要发送时可以出发发送进程清空缓存队列，因此可以提高平均响应时间。但是由于后台数据请求数量较大，所以仍然出现了一定程度的时间延迟。
实验中对优化前后的功耗进行了比较。通过查询相关数据手册，可以获得无线网卡各个工作状态的功耗数据，如表3所示。其中Wakeup状态的功耗通过参考文献[KimJ,YooS,KyungCM.Programphase-awaredynamicvoltagescalingundervariablecomputationalworkloadandmemorystallenvironment[J].Computer-AidedDesignofIntegratedCircuitsandSystems,IEEETransactionson,2011,30(1):110-123]获得。由于RXstreaming状态的功耗无法查阅，在此将其功耗视为与Wakeup状态功耗相等。
表3WL1271无线网卡功耗参数
发送(54Mbps) 185mA
接收 100mA
Wakeup Mode 70mA
Sleep Mode <1.2mA
根据表3数据，我们对三种场景下无线网卡的能耗(半个小时)进行了估算并使用归一化的方法进行比较，如图6所示。从估算结果可以看出，在休眠状态下功耗优化效果最明显，是未使用优化技术的51％，而其它两种使用场景下的优化效果最差情况下也能达到35％。
基于数据重要性的Wi-Fi模块功耗管理方法并在Android***中进行了验证，基于对前后台网络访问请求的划分，Wi-Fi驱动对不同“重要性”的网络请求提供不同性能等级的服务。实验结果证明这种策略可以从一定程度上节省无线网卡的功耗开销。基于任务重要性的功耗管理技术对交互式***有较好的效果，通过对任务的划分能够更准确高效地指导底层硬件资源的分配和调度。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种wifi功耗方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
（1）根据请求网络数据的应用程序对网络数据的敏感程度对请求网络数据的应用程序进行判别，确定应用程序的延迟敏感度等级；
（2）根据应用程序的延迟敏感度等级通过相应的wifi功耗优化策略配置wifi无线网卡进行网络数据传输控制。
2.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（1）中应用程序分为前台运行的应用程序、后台运行的应用程序和屏幕关闭后运行的应用程序；其中前台运行的应用程序的延迟敏感度等级大于后台运行的应用程序的延迟敏感度等级；后台运行的应用程序的延迟敏感度等级大于屏幕关闭后运行的应用程序的延迟敏感度等级。
3.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（1）中对请求网络数据的应用程序进行判别前通过在网络数据传输到网络协议栈前引入钩子函数截取请求网络数据的应用程序的进程信息，通过进程信息判断应用程序的延迟敏感度等级。
4.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（2）中wifi功耗优化策略包括根据不同类型的应用程序，对wifi无线网卡的PSM超时时间（PSMTimeout）参数、监听间隔时间（ListenInterval）参数和待发送数据包缓存时间（TXdelay）参数进行调整。
5.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（2）中如果应用程序为前台运行的应用程序，则PSM超时时间延续P1；如果是后台运行和屏幕关闭后运行的应用程序，则PSM超时时间配置为0，wifi无线网卡进行待机状态；其中P1为80~1000ms。
6.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（2）中如果wifi无线网卡存在Wakeup状态、Sleep状态和RX_Streaming状态，且应用程序为前台运行的应用程序，则配置RXStreaming状态激活，并PSM超时时间延续P1；如果是后台运行和屏幕关闭后运行的应用程序，则配置RXStreaming状态失活，进行待机状态；其中P1为80~1000ms。
7.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（2）中如果应用程序为前台运行的应用程序，则待配置的ListenInterval的值L1与距离最近一次发送数据的时间延长成线性关系增长；如果是后台运行的应用程序，则待配置的ListenInterval的值L2与距离最近一次发送数据的时间延长成指数关系增长；如果是屏幕关闭后运行的应用程序，则待配置的ListenInterval的值L3与距离最近一次发送数据的时间延长成指数增长关系；且L3>L2>=L1。
8.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（2）中应用程序请求wifi无线网卡进行发送网络数据时进行延迟发送处理。
9.根据权利要求8所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（2）中如果应用程序为前台运行的应用程序，则TXdelay参数设置为0；如果是后台运行的应用程序，则TXdelay参数设置为T2；如果是屏幕关闭后运行的应用程序，则TXdelay参数设置为T3；其中0<T2<T3。
10.根据权利要求1所述的降低wifi功耗方法，其特征在于所述方法步骤（2）中应用程序的运行状态通过监听应用程度调用OnResume()、OnPause()函数时的进程UID信息进行判断；当应用程序启动时，运行状态为LAUNCH_ACTIVITY；调用onResume()函数后，运行状态转为RESUME_ACTIVITY；而调用onPause()，则运行状态转为PAUSE_ACTIVITY；当屏幕关闭时，应用程序转为SLEEPING；其中LAUNCH_ACTIVITY、RESUME_ACTIVITY均为前台运行状态；PAUSE_ACTIVITY为后台运行状态，SLEEPING为屏幕关闭运行状态。
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