Power Management Protocols for Energy-Constrained Mobile AP

Doctor모바일 AP는 WiFi 테더링 기술을 이용해 자신의 3G/LTE 인터넷 커넥션을 주변 기기들과 공유할 수 있는 기기이다. 특히 모바일 AP는 모바일 기기의 빠른 보급으로 인하여, 인접 AP가 존재하지 않는 환경에서도 노트북이나 태블릿과 같은 WiFi 버전의 모바일 기기를 이용해 인터넷 접근을 가능하게 하기 때문에 최근 그 중요성이 매우 높아지고 있다. 하지만 기존의 모바일 AP 기술들은 WiFi 네트워크의 유지를 위해 전체 배터리 용량의 상당 부분을 비효율적으로 소비하기 때문에 배터리 지속시간을 급격하게 단축시키는 문제를 가지고 있다. 이러한 이유는 무엇보다도 WiFi 테더링 기능이 활성화되면 모바일 AP의 WiFi 인터페이스가 트래픽이 전혀 발생하지 않더라도 항상 높은 전력을 소비하는 상태를 유지하기 때문이다. 이에 윈도우폰과 같은 일부 기기에서는 수 분 동안 트래픽이 전혀 발생하지 않는 경우 WiFi 테더링 기능을 비활성화시킴으로써 불필요한 배터리의 낭비 문제를 간단하게 해결하였다. 그러나 이러한 방법은 잠시 다른 일을 마치고 돌아온 사용자가 매번 자동적으로 꺼져버린 WiFi 테더링 기능을 직접 활성화시켜야 한다는 점에서 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 패킷 전송시간 측면에서의 큰 성능저하 없이 모바일 AP의 에너지 소비를 줄일 수 있는 SMAP (Sleeping Mobile AP)과 E-MAP (Energy Efficient Mobile AP)의 두 가지 프로토콜을 제안한다. 첫 번째로 SMAP 프로토콜은 패킷 지연시간의 큰 증가없이 현재 트래픽에 대하여 원활한 서비스를 가능하게 하면서도 모바일 AP의 배터리 지속시간을 향상시킬 수 있는 전력 관리 프로토콜을 제안한다. 모바일 AP의 전력 절감을 위해 SMAP 프로토콜에서는 IEEE 802.11의 PSM 기법과 같이 수면 주기를 이용하면서도 모바일 AP가 저전력 상태에 머무르는 동안 클라이언트가 패킷 전송을 성공적으로 방지함으로써 패킷 손실이 발생하지 않도록 한다. 또한 이 기법은 클라이언트 측의 직접적인 WiFi 커널 드라이버의 수정을 요구하지 않는다는 점에서 큰 장점을 가지고 있다. 제안하는 프로토콜의 성능을 평가하기 위해 Samsung Galaxy Nexus 상용 스마트폰에 구현하여 실험을 수행하였다. 실험 결과를 통해 SMAP 프로토콜은 사용자가 인지하기 어려울 정도의 작은 패킷 전송지연만으로 기본적인 모바일 AP 설정 및 최신 기법과 비교하여 각각 16%와 56%까지 에너지 절감 이득을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 두 번째로 E-MAP 프로토콜은 모바일 AP의 에너지를 절약하면서도 하향링크 트래픽에 대한 성능저하를 막는 것을 목표로 한다. 특히 기존의 기법들과는 달리 하위호환성을 위해 IEEE 802.11 표준을 기반으로 설계함으로써 클라이언트 측의 아무런 수정을 요구하지 않고 상용 기기들과 완벽하게 운용될 수 있도록 하였다. 성능 평가를 위해 HTC Nexus One 스마트폰에 제안하는 프로토콜을 구현하여 다양한 환경에서 실험을 진행하였다. 실험 결과 제안하는 E-MAP 프로토콜은 비교 프로토콜과 비교하여 패킷 전송지연이 거의 발생시키지 않으면서도 기존 기법들과 유사한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있음을 보여주었다.A mobile AP (MAP) is a device that shares its 3G/LTE Internet connection with other devices in the neighborhood through WiFi tethering. Due to the dramatic increase in mobile devices, this is recently highly desired to enable WiFi-only devices such as laptops and tablets to access the Internet even though there is no access point. However, existing MAPs rapidly shorten their battery lifetime as they inefficiently consume a significant portion of the total battery power for maintaining WiFi network. When WiFi tethering function is enabled, the MAP's WiFi interface always stays in a high power state even when there is no traffic at all. To save power, some devices (e.g., Window Phones) simply disable the WiFi tethering function when no traffic activity is observed for several minutes. However, this has a drawback that a user has to go back to the MAP and re-enable the tethering automatically disabled whenever the user wants to use the WiFi network again, and therefore the user may undergo inconvenience.In this dissertation, we propose two efficient power management protocols which aim to reduce energy consumption of a MAP with a negligible impact on packet delay. First, we propose a power management protocol for a MAP to increase the battery lifetime while fully supporting the current traffic load without substantial delay increase. With the proposed protocol, called sleeping mobile AP (SMAP), direct modification of WiFi kernel driver is not required at the client side. To enable power saving for a MAP, SMAP introduces a sleep cycle as in power save mode (PSM) in IEEE 802.11, but successfully keeps clients from transmitting while it sleeps. We implemented SMAP on Samsung Galaxy Nexus smartphones and performed experiments on a real test-bed. Experiment results showed that SMAP can significantly increase the energy saving gain by up to 56% and 16% compared to the legacy and the current state-of-the-art solutions with a little delay hardly perceivable by users. Second, we propose another power management protocol, which aims at conserving energy without an adverse impact on downlink packet delay. In the proposed protocol, called energy efficient mobile AP (E-MAP), a MAP facilitates easy adoption and deployment using IEEE 802.11 standard while saving power. E-MAP is fully backward compatible with the IEEE 802.11 standard and it does not require any modification at the client side. We evaluated the performance of E-MAP via extensive experimental measurements in a real test-bed. Compared to existing work, E-MAP shows comparable energy saving with the current state-of-the-art solution with a negligible delay performance