智能手机的无线网络与吞吐量权衡和蓝牙的功能
编者：Roy Friedman, Member, IEEE, Alex Kogan, Student Member, IEEE, and Yevgeny Krivolapov
摘要：本文介绍了使用智能手机的WiFi和蓝牙组合能力和吞吐性能的研究。
工作测量得到的吞吐量，同时采用每种技术的各种设置，并与它们相关联的功率消耗电平。 此外，还比较蓝牙和WiFi在各自非交通模式的电源需求。该研究揭示了一些有趣的现象和权衡。特别是，文件指出许多情况下，WiFi是优于蓝牙，对付以前的报告。该研究还确定了几个正在通过蓝牙更好的处理方案。从本研究的结论表明优选的使用模式，以及可操作建议研究人员和开发人员的智能手机。这包括用于TCP / IP协议，可以大大提高生产率，每当发射机比接收机更能够以功率比进行跨层优化。
关键词：WiFi，蓝牙，智能手机，功耗，吞吐率
1简介
智能手机迅速成为主要的计算和（数据）的沟通平台。现在生活中，智能手机都配备了蓝牙和WiFi，以补充他们的蜂窝通信capabilities.Bluetooth原本被安排在手机的个人区域的通信，如无线耳机，与附近的电脑同步，以及圈养。无线网络加入最近提高了用户的网络冲浪体验，每当一个WiFi接入点（AP）是近期available.A市场研究报告估计，在所有手机（包括智能手机1）中都配备了蓝牙的约70％，而80%智能手机有WiFi功能[1]。
当检查无线网络的预期使用模式智能手机，看来，除了快速并可能免费上网（包括VoIP和视频），附近的设备之间的直接沟通越来越感兴趣。明显的例子包括流任之间智能手机或电话和在家庭或办公室环境的另一个附近的无线设备（电视机或计算机）之间的媒介。这被例示的新的基础的WiFi流解决方案的过多，以及作为对所述的WiGig倡议背后的主要动机之一。另一种情况包括特设的社交和沟通，如iPhone的iGroups，诺基亚的即时社区，Mobiluck和WiPeer，仅举几例。
这样的本地通讯可以进行潜在无论是通过WiFi或蓝牙。同时依托相互附近的AP有些可以执行，而另一些可能会更自然的无线ad hoc模式。当考虑这些替代，重要的考虑因素包括可获得的吞吐量和每个的功耗。蓝牙是计划用于个人区域通信，其传输范围比无线短得多。因此，比较这两个是有意义仅当设备是足够接近，使得两者都可以使用。鉴于蓝牙也提供更低的带宽，有人可能会问，为什么理会它在所有。仍然认为蓝牙的原因是，以往的电源研究表明，蓝牙得多的功率效率比无线网络[2]，[3] [4] [5]，这对蓝牙和WiFi的组合，巧妙的动机多作品[2]，[4]，[6]，[7]，[8]。这问题是急性鉴于无线通信是在移动电话中的主电池drainers之一[2]，[9]。
要注意的是两个蓝牙接口和WiFi接口可以在多种模式是很重要的，或状态，诸如发送，接收，连接，但空闲，断开和隐藏，断开和求，等等（在每个确切名称技术都在此工作以后）规定;每个这些状态中的可消耗不同功率电平。之一的WiFi在过去作品的主要批评一直认为在空闲模式中其耗电量大小相同的顺序上进行发送和接收[2]，[9]，[10]，[11]，[12]。此外，作为我们刚才所提到的，蓝牙被报告为数量级更大的功率效率比的WiFi至少一个数量级[2]，[3]，[4]，[5]。然而，研究这些作品的时候，我们已经发现了一些不足之处，这也促使该研究：首先，许多这些研究进行了几年前，并给予技术的迅速变化，人们不能相信他们仍然有效。其次，在大多数这些研究中，每个接口被独立地和在隔离在实验室设置中进行测量。因此，它是不明确的结果保持用于移动电话，其中，所述两个RF接口被封装在接近，有时在同一芯片上。此外，从用户的角度，但有趣的是知道消耗给定操作的总功率由于这样的通信，包括，例如，代码可能运行在OS内核中，无线接口之外。最后，一些较新的作品没有衡量现代智能手机，既没有检查不同状态WiFi和蓝牙，只专注于WiFi和/或不看的吞吐量和权力之间的相互影响。在这项工作中，我们提出WiFi和蓝牙对现代智能手机，其中我们调查获得的吞吐量和功率，而在无线接口的各种状态的功率消耗之间的关系的功率和通量研究。在这个过程中，我们发现了一些有趣的现象（一些反以往的惯例），并绘制了未来的学术研究和实践发展的一些切实可行的建议。我们的一些调查结果的要点包括：
1.对于无线网，功率消耗通常是线性的与获得的吞吐量。然而，每当发送方能够发送数据比接收机更快可以消耗数据，有一个阈值点处的功率消耗加倍，而吞吐量继续线性增长。除了这一点，当运行在UDP和试图进一步增加所提供的负载，所获得的吞吐量最终开始下降，以及，而耗电量继续rise.When在TCP上运行，其本身具有自调节其提供的负载，所获得的吞吐量是略微超出阈值点。这意味着，TCP停止为时已晚;如果它会制约发件人的速度要稍微低一点，它可以节省多达一半的能源。我们讨论这种现象，解释为什么会发生，并提出消除它在TCP（4.2节）的方法。
2.对于无线网络，我们发现，当手机连接到一个AP，但是无法进行通信，其无线网络相关的电力消耗是微不足道的。这意味着无线的省电模式（PSM）是非常有效的。因此，除非一个电话是连通，只要它是连接到一个AP，无线网络几乎不会耗尽其电池（第4.1节）。
3.对于无线网络，当手机处于ad hoc模式，电源成本幅度为发送和接收的同一量级。另外，电力费用是相当高的，当无线网络断开，并搜索可用的网络（在所测试的智能手机之一，它是高达在空闲特设模式）。这意味着，为了为无线发射机将经常处于ON，并说服人们使用ad hoc网络中，需要这两种模式的功率消耗得到改善。特别是，特设PSM应该为ad hoc模式来实现更高效的AP寻道算法，应采用（4.1节）。
4.对于蓝牙，而发送和接收的耗电量比无线低，但只有大约一半。这个以前公布专柜结果[2]，[3]，[5]。我们讨论可能的原因，并得出该结合了功率和得到的吞吐量来确定哪些技术应该被用来传送一个给定大小的文件的公式。根据我们所获得的性能数字，看来几乎所有感兴趣的文件大小，它始终是更好地使用WiFi（第4.2和4.3）。
5.尽管上述情况，我们已经发现了两个场景中，蓝牙票价比无线网络更好。具体而言，传送低比特率的数据，如音频流时，蓝牙更省电效率比无线网络。此外，蓝牙是由附近发射的WiFi相比（第4.4和4.5），更有弹性的干扰。
6.我们表明，该通信系统的性能取决于存储器类型到哪些接收的文件被存储（或传输从哪些文件被读取，分别），并讨论了操作系统的相关原因。（第4.3节）。
7.我们的研究结果仍然有效的新standardsof无线技术，即规范版本3对于BT和支持WiFi IEEE 802.11n标准（4.6节）。
通过以下平台进行我们的工作：运行Windows Mobile 6.1的三星Omnia i900的，HTC Diamond 2的运行Windows Mobile6.5，三星Galaxy运行Android1.5，三星斯皮卡运行的是Android2.1，HTC Desire的运行Android 2.2系统，和最新的三星Galaxy S II运行Android2.3.3（见表1）。在绩效结果的差异，因为在这些平台上衡量，揭露不同的设计选择的操作系统和驱动程序开发人员大多采取，正如我们在本文的相关部分讨论。在任何情况下，没有一个电话可声称是比参数中的其他人，我们测量了更好;的确，我们的目的不是要找到一个胜利者，而是要为将来的手机开发商对这些问题的见解，希望指引。
本文的其余部分安排如下：相关工作调查第2节第3节介绍我们的实验装置。绩效考核的结果是详细和分析手机用在我们的实验中取得的成果的影响，在设计和通信协议和应用的第5移动网络的实际发展。
2相关工作
能量效率是公认的任何移动装置的一个最重要的属性，尤其是用于智能手机。因此，数篇论文尝试解决在何处以及如何能量被消耗的问题。卡罗尔和Haiser[13]，例如，设计了一组微基准的独立的电力成本与的特定部分相关联智能手机系统，如CPU，内存，无线网络，音频，等等，在Openmoko的新FreeRunner的手机。虽然他们的工作可考虑在多个无线接口测试设备，接口不超过异形启用和禁用的模式，只有在各种普通基准自己的力量成本考虑。
最近几年作品检查手机WiFi接口的能耗。巴拉苏布兰马尼安等。 [14] WiFi和蜂窝接口，如3G之间比较和GSM。他们利用操作系统特定的方法收集的电量，如诺基亚能源探查信息。相比之下，我们的框架是通用的，实际上可用于任何移动电话。此外，（802.11）WiFi接口认为是在[14]是过时的，并且成型仅在操作的AP模式。在另一项工作，肖等人。 [12]模型和测量的802.11克WiFi接口的三个移动电话的功耗。他们的实验还只考虑AP的操作模式，并仅TCP流量进行的。
一个WiFi卡在各种模式的功率测量报告中[10]，[15]（超过十年前）。与这些作品中，我们选择来衡量板上集成的无线接口的性能。我们认为，对于最终用户，在不同的网络设置的集成无线电（包括各种隐藏成本，例如，运行内核代码和复制缓冲区）的性能甚至比特定无线卡的性能更相关。
虽然一些论文探讨在移动设备WiFi和蓝牙接口之间的折衷（例如，[2]，[4]，[7]，[8]），除[2]，其中没有一个实际测量的性能后者。事实上，我们不知道有任何这样的研究对于智能手机。几个其他工程考虑在传感器网络的环境中的蓝牙的电力费用[3]，[5]。有趣的是，电力费用，以便传输到空闲状态的比率，所指定的这些论文，远低于实际在我们的实验测定。正如在第5节，这个结果对多无线电的协议设计的一个重要含义和应用，如能量感知文件传输。
最近，出现了为了利用新兴的ZigBee无线电标准，以改善无线的操作。例如，Zhou等人。 [16]表明，ZigBee无线电可以用于通过识别由接入点产生的周期性信标来发现无线AP的存在。在另一篇文章中，金等。 [17]开发，其中外部的ZigBee无线电用于建立和维护支持ZigBee的移动电话和接入点之间的低比特率的连接的系统。这些文件只考虑某些无线通信模式，例如，在[17]在搜索模式在[16]和基于AP的通信。
本文的初步版本出现在[18]。在这个扩展版本，我们增加了WiFi和蓝牙的低比特率的工作负载下的性能进行比较，测量的干扰这两种技术的性能的影响，并测试了我们的研究结果与过渡到新的无线如何变化网络标准，专为支持802.11n WiFi和规范版本3蓝牙。我们也纳入研究范围（HTC Desire的另外两个型号的手机和三星Galaxy S II）。
3实验装置
我们使用了一个电路，如图呈现。 1.电路由恒定电压，V0馈送，使用HP E3620A直流电源，并且在电路中的电流通过测量被串联连接至所述电话的电阻上的电压来确定。该电话通过针式触头一般用于连接一个电池连接起来。我们已经使用泰克DPO3034数字示波器采集和信号跨越集成resistor.2跨越连接的手机上的电压由下式给出
其中，VRetT是在电阻和V 0的电压？ 4？ 0:01 V是馈电电压（对于HTC的手机，我们使用V04：3 V和GALAXY S II，我们使用V04：8 V，因为4五世不足以为他们的操作我们也测试了其他手机与V0 ？4：3 V =4：8 V，并没有发现任何在性能测试结果显著差异）。我们选择了低电阻的电阻器R0：5？ 0点05分？，以确保VphetT小的波动。由于最大在所有实验中实现电路中的电流是I最大？ 500毫安，最大电压波动为250毫伏。在电路中的电流由下式给出
因此电话的瞬时功率消耗是
并且也从平均的标准偏差
其中，T是积分时间。整合是足够长，以使得平均功率是静止的，其标准偏差是足够低的。通常情况下，T是的顺序的几秒钟。如果可能的话，无论是平均功率和其标准偏差由示波器直接计算。
（2.由于实验的限制，我们已经使用在欲望和Galaxy S II，导致在报道这些手机的平均性能数字较大的标准偏差实验中不太先进的泰克示波器DTS2012C。）
当设置的实验中，我们观察到，基本设置，其中一个电话具有所有射频关断，的功率消耗可以变化significantly.These变化被归因于电话的触摸屏的亮度，其中通过相同的一组保持不变实验中，但可以当手机重新启动改变。为了消除这种效果，我们已经测量了基功耗在每个实验开始时和减去在每个设置测得的功率的数字此值。因此，报告的数字的形式为x？ y，其中x是在各种设置作为从测量碱和y偏移由电话带来的功耗是测量的标准偏差。
通过测量在几个方面。首先，我们已采用的iperf，一个标准的网络性能的测量工具[19]，这是我们已经适应了在移动电话上运行，并支持蓝牙[20]。第二，我们利用标准的文件传输应用和测量，传输大文件的时间;蓝牙，它适用于Windows Mobile和Android内置的文件传输功能，而对于无线网络，文件传输协议（FTP）软件被雇用。应当指出的是，在通电时，平均时间，吞吐量上被平均的实验编号（10）。虽然在一些配置通量的测量显示出一些差异（如报告纸），即时功率为在所有吞吐量测量一致，显示出可忽略的差异。因此，所报告的功率是针对每个特定配置执行第一吞吐量。
4实验结果
4.1在非交通模式电源
例如，搜索网络时表2给出了蓝牙和WiFi无线电操作不涉及由user.Werefer于这些模式作为非交通执行通信的模式的功耗，尽管在某些情况下，无线电设备可以发送一些分组（网上搜索时）。
在基本配置（当所有无线电都关闭）的功率波动，所反映的标准偏差，可以将可能的周期性扫描由电
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