EPON系統(tǒng)中半休眠模式降低功耗的研究*

杜 宇,孫文生

(北京郵電大學,北京100876)

EPON系統(tǒng)中半休眠模式降低功耗的研究*

杜 宇,孫文生

(北京郵電大學,北京100876)

文中報告了中國電信網運營成本概況,主要分析了EPON系統(tǒng)中的節(jié)能效果。在EPON系統(tǒng)中,ONU能夠在沒有數據傳輸時切換他們的發(fā)射機,使其關閉——這種低功耗模式,被稱為半休眠模式。說明了半休眠模式和動態(tài)帶寬分配(DBA)算法對EPON系統(tǒng)的節(jié)能影響,對基于使用了3種不同DBA算法的兩種半休眠模式“l(fā)aggy”和“swift”的節(jié)能潛力進行了分析和比較,特別是這兩種半休眠模式對能源效率和幀延遲的不同影響的評估。

半休眠模式 能源效率 平均幀延遲 動態(tài)帶寬分配

0 引 言

近年來,各個領域的節(jié)能都已經引起全球范圍的關注,根據2013年數據顯示,信息科學技術(ICT)的電力消耗已經達到總能耗的16%,而電信網作為ICT的重要組成部分,其能耗隨業(yè)務量增大而增大,未來十年,電信網的能耗將增大一倍以上,能耗增大導致其運營成本增加,2013年電信運營中,電費占其運維成本的60%—70%。節(jié)能不僅保證環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,而且大大降低了電信運營的成本,其中EPON系統(tǒng)的節(jié)能效果相比其他系統(tǒng)要好很多。雖然在1Gb/s的傳輸速度下,EPON已有較好的節(jié)能性能,但對于10Gb/s時代,更好的節(jié)能效果顯得尤為重要[1]。在電信網的節(jié)能中,普遍使用的方法是,當一個網絡節(jié)點處于空閑狀態(tài)時,使它進入休眠狀態(tài),而當它有數據需要發(fā)送或接收時,將它喚醒。這種技術在無線網絡,尤其是在無線傳感器網絡中已經被廣泛使用。

有人提出了基于休眠控制功能的LAN交換機能量管理機制[2]。休眠控制功能的性能已經在現實條件下得到了定量評估。當鏈路上沒有數據傳輸時,休眠控制功能能夠減少設備的空閑能耗。作為休眠模式的一種,低功率空閑模式成為一種有效的節(jié)能機制。對于休眠控制來說,運行模式和休眠模式之間過于頻繁的轉換,會帶來額外的能量損失,故此這部分能量的節(jié)省是十分值得研究的。

本文主要研究在EPON系統(tǒng)中應對突發(fā)業(yè)務流,使用半休眠模式,在許多不同的情況下獲得的節(jié)能潛力。第一章介紹了EPON系統(tǒng)中典型的3種DBA算法,第二章對本文研究的兩種半休眠模式進行介紹,第三章對應用3種DBA算法的半休眠模式節(jié)能效果和平均幀延遲進行分析比較,第四章對全文總結。

1 EPON系統(tǒng)中典型的DBA算法

1.1 DBA周期

在一定期間內,MPCP(Multi-Point Control Protocol多點控制協議)上行信道劃分的ONU會向OLT傳輸其流量,這些傳輸流量的周期稱為動態(tài)帶寬分配(DBA)周期。每個DBA周期中,每個ONU通過向OLT發(fā)送流量報告(TR)報告其當前的帶寬需求。在這些報告中,每個ONU向OLT通知存儲在其上游隊列的數據量。然后,基于所接收到的TR,在接下來的DBA周期,OLT讓ONU使用基于DBA算法分配的非重疊傳輸時隙,并給每個ONU發(fā)送一個門消息(GM),通知它們開始時間以及其分配的傳輸時隙的長度。顯然,為了避免同時進行多個上行鏈路傳輸,各ONU在其相應的傳輸時隙只能發(fā)送上行數據幀。此外,在每一對ONU的傳輸時隙之間插入適當的保護時間,以減少由于在OLT和ONU之間潛在的時間同步問題而引起的碰撞的危險。

1.2 DBA算法

在上行帶寬分配給ONU設備方面,許多不同的DBA算法已經提出來了。因此,在本文中,我們著眼于最流行的低復雜度的DBA算法。在這里,本文考慮3個條件:首先,只考慮單一線程的DBA算法,即DBA算法中,每個ONU在每個DBA周期僅輪詢一次。其次,當OLT接收到來自所有ONU的TR時,DBA算法的執(zhí)行才被觸發(fā)。最后,DBA算法發(fā)生在EPON系統(tǒng)每一個連接的ONU發(fā)送時隙。

DBA算法的主要任務之一是確定每個ONU在下一DBA周期發(fā)射時隙的長度。以下是在文獻中提出一些發(fā)射時隙的長度[3-6]:

1)固定分配長度:所有的傳輸時隙具有相同的長度,與ONU的要求無關,也稱為靜態(tài)帶寬分配[3]。這個簡單的方案在性能方面顯然是低效的,因為一些ONU收到太多的帶寬,而其他的收到過少。

2)門限IPACT(Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time):OLT分配到各ONU的發(fā)送時隙是發(fā)送所有存儲在其上游隊列中的數據所需的精確長度。

3)有上限IPACT:為了給一個DBA周期的持續(xù)時間設置上限,這種方法指定了進行傳輸的時隙的預先定義的最大長度。所以,那些請求過大時隙傳輸的超載的ONU將時隙收縮到這個限制。從欠載的ONU中積累的過量的上行帶寬可以在重載的ONU之間共享。

2 半休眠模式

ITU-T已經指定了一個協議支持休眠模式,但對于何時進入和退出這一模式有一定的可選擇范圍,故此,這個范圍的設計是留給網絡運營商的。最自然的方式來管理的半休眠模式是進入它的時候沒有流量傳輸并且在新的上行流量到達的時候可以恢復正常運行。顯然,為了最大限度地節(jié)約能源,ONU發(fā)送器應該只在有一些數據準備進行傳輸時被激活,每當上游隊列變空時,ONU設備應進入半休眠模式,其傳輸電路斷電,但是,此時任何傳輸都不可以進行而且上行流量傳輸時必須要緩沖。

從半休眠模式回到活動模式可以因為新的上行流量的存在而立即觸發(fā)。然而,這種方法對于高負載或無突發(fā)流量的情況不是十分有效,雖然所需傳輸電路的斷電時間可以忽略不計,但所需的來電時間和ONU消耗能量卻不能被忽視。

此外,因為在被允許發(fā)送其排隊的數據之前, ONU必須首先發(fā)送一個用來分配發(fā)送時隙的TR給OLT,故此在半休眠模式完成后,ONU設備尚未準備立即傳輸數據。另外,如果DBA周期的持續(xù)時間是固定的(例如,用固定DBA算法),那么ONU將在下一DBA周期時發(fā)送它的TR。

總之,模式轉換花費的能量相當大的,ONU在一個新的幀準備發(fā)送時從半休眠模式中醒來,可能導致他們花費巨大的能量用于模式之間的切換,而不是有用的數據傳輸。因此,有必要推遲ONU從半休眠模式中喚醒,直到上游隊列達到一定閾值的隊列長度(Qw),從而減少模式轉換的能量。顯然,這一方案可以以增加幀延時為代價更大的節(jié)能,但為了避免從OLT上斷線,幀延遲是有上限的,一個ONU可以在半休眠模式下保持持續(xù)的最長時間必須限制在50毫秒內。

2.1 動態(tài)隊列閾值

顯然,為了系統(tǒng)的性能,隊列閾值的良好調諧是關鍵,如果這個閾值太高,幀可被過度延緩,相反,設置一個較低的隊列閾值不能更好的節(jié)省功率。為了降低能源消耗上界,一個比較好的方案是根據當前的電路情況簡單地調整隊列的閾值。本文中調整了這個方法,以減少在ONU的功率消耗,同時試圖在所規(guī)定的目標值范圍內保持平均幀的延遲。這個方法是調整Qw參數,然后在最后DBA周期D[i]時測量所經歷的幀的平均延遲,并將它與目標延遲量D*進行比較。如果D[i]＞D*,Qw將降低,以減少幀延遲。反之,如果D[i]＜D*,這意味著當前平均幀延遲足夠低,可以讓Qw遞增,以降低功耗。假設在DBA周期i+1的上行流量特性與DBA周期i時相似,這樣通過修改一個很小的Qw量γ就可以了。

2.2 兩種半休眠模式

退出半休眠模式所需的實際時間和恢復正常操作所要的功耗,都取決于所采用的傳輸電路中具有特定技術的ONU設備。例如,使用常規(guī)的收發(fā)信機,過渡時間最長2 ms,半休眠模式所需的正常運行功率約為原來的30%。由于激活這些發(fā)射器所花費的時間量很大,這種省電模式為“Laggy”半休眠模式。在ONU設備上使用新技術,降低了轉換時間,使其小于1 μs,半休眠模式下的功耗高達原來的60%。這種很短轉換時間的半休眠模式稱為“Swift”半休眠模式。

3 不同半休眠模式節(jié)能分析

為簡單起見,本文的分析基于以下假設:首先, ONU發(fā)送TR在其相應的傳輸時隙的末端;其次,在OLT分配給ONU的半休眠傳輸時隙,只能容納TR消息。為了使分析更具說服力,統(tǒng)一EPON系統(tǒng)的參數,使不同半休眠模式下節(jié)能結果更容易比較。

考慮到現階段高速傳輸的節(jié)能效果,本文分析具有10 Gb/s的上行信道容量,保護時間為1 μs的EPON系統(tǒng)。比較小、中、大3種長度的隊列閾值(如1,10,和100幀),為了更好的節(jié)能,系統(tǒng)中可以使用上一節(jié)中介紹的動態(tài)調整算法調整隊列閾值。在以上系統(tǒng)中,分析比較“Laggy”和“Swift”兩種半休眠模式的節(jié)能效果,如圖1,圖2所示,圖中①表示固定分配長度DBA算法②表示門限IPACT DBA算法③表示有上限IPACT DBA算法。

圖1 兩種半休眠模式能量消耗Fig.1 Energy consumption of two doze modes

圖2 兩種半休眠模式平均幀延遲Fig.1 Average frame delay of two doze modes

3.1 “Laggy”半休眠模式

在“Laggy”半休眠模式中,活動模式時大約消耗功率的30%,在這個模式中要求的需要激活的發(fā)射器和恢復正常操作的高過渡時間是2 ms左右[7]。由于隊列閾值對功耗有著直接的關系,我們分析在不同閾值下,“Laggy”半休眠模式對能源消耗和平均幀延遲的影響。當然,為更好的節(jié)能,半休眠模式中離不開DBA算法,在使用第二節(jié)所述的3個DBA算法下的節(jié)能效果和平均幀延遲。

由于這個模式的特性,即功耗消耗少,平均幀延遲大,即使在小隊列的閾值時(如1幀),只要業(yè)務負載較低,所獲得的節(jié)能效果應該是非常顯著的(60%以下),雖然可以增加隊列的閾值提供了更大的節(jié)能效果,但這是以高負荷的增加幀延時為代價的(超過10 ms),而且值得注意的是,該模式平均幀時延的最大值是有上界的。另外,在任何負載的情況下,使用動態(tài)的Qw調整算法可以使平均幀延遲值在一個可接受的范圍內(約5 ms),且不會使功耗得增加超過可接受的值(40%以下)。

關于DBA算法的影響,如果該隊列的閾值比較小(如1幀),由于固定DBA算法浪費了許多沒必要消費的帶寬,所以IPACT算法可以消耗更少的能量。而較高的隊列閾值時(如100幀),由于固定DBA算法引入的相對大的DBA周期,能量耗費較少。有上限IPACT算法和門限IPACT算法之間也有一些差異,在高負荷,高隊列閾值下,由于門限IPACT算法能夠分配傳輸槽,可容納所有存儲在ONU的上行隊列中的數據,減少了模式轉換的次數,所以它比有上限IPACT要求的能量少一些。

3.2 “Swift”半休眠模式

在“Swift”半休眠模式中,活動模式時約消耗功率的60%,這是個需要能量的半休眠模式,但是,是能夠在短短1 μs內恢復正常運行[7]。同樣的,我們分析在不同閾值下,“Swift”半休眠模式對能源消耗和平均幀延遲的影響,也在3種DBA算法下,根據模式和算法的特點,分析比較節(jié)能效果和平均幀延遲。

同樣的,在這個模式下,增加了隊列閾值就可以更大的節(jié)省能源,但這是以增加延遲為代價實現的,但是,由于這種“Swift”模式的電力消費不能低于60%,這個限制使得一個小隊列閾值在低負荷時很容易達到,在不同閾值下,功耗消耗差別不大(都在60%～65%),故此,對功耗的閾值的控制沒有“l(fā)aggy”半休眠模式那么重要。另外,在動態(tài)的Qw調整算法控制下,可以保持平均幀延遲并且僅僅造成很輕微功耗增加。當流量負載增加(因此幀間隔時間減少),該算法選擇較高的隊列閾值。這些高的閾值可以在不犧牲幀延遲的情況下(幀延遲在可接受的5ms以下)節(jié)約更多的電力。

關于DBA算法的影響,由于“Swift”半休眠模式比“l(fā)aggy”半休眠模式的轉換時間短很多,所以轉換對功耗的影響大幅降低,即使是一個低閾值的隊列,在低、中等負載條件下,IPACT算法消耗比固定DBA算法的能量要少,僅當業(yè)務負載較高以及模式轉換的次數非常多時,固定DBA算法消耗更少的能源。

3.3 “Laggy”與“Swift”半休眠模式對比

為了能夠更方便的比較“Laggy”和“Swift”兩種半休眠模式,本文在低,中,高流量的負載條件下分析平均幀延遲和能量消耗。如果休眠模式在一個新的幀準備發(fā)送的時候就開始正常運作,使用“Swift”半休眠模式無疑是最佳的選擇,因為這種模式可以有很好的節(jié)能效果的同時降低延遲。不過,因為具有較高的隊列閾值時,ONU在半休眠模式花費大部分時間,幀延遲此時大于10 ms,而且在這種情況下,實現能源節(jié)約在跟本上受到限制(節(jié)能不能少于60%),故此這種模式在隊列閾值越增加時節(jié)能效果越差。而隊列閾值較高時,“l(fā)aggy”半休眠節(jié)能只有40%左右,幀延遲相比“swift”模式只需要小幅增加,因此,這種情況下,為了消耗更少的能量,“l(fā)aggy”半休眠模式成為一個很好的選擇。

最后,值得一提的是,“l(fā)aggy”半休眠模式在應用動態(tài)的Qw調整算法時應該優(yōu)先選擇,因為這種半休眠模式比“Swift”半休眠模式要求的能源更少,而且不會影響算法的性能。

4 結 語

本文介紹了在EPON系統(tǒng)中,ONU使用半休眠模式可以降低其功耗。在兩個不同的半休眠模式中,結合動態(tài)隊列閾值和DBA算法的影響,對能源效率和平均幀延遲進行分析比較。這兩種半休眠模式分別是:一個比較高能量要求的半休眠模式,它需要一個很短的過渡時間,以恢復其正常操作(“Swift“半休眠模式),以及一個低功耗半休眠模式,它需要一個相當大的轉變時間(”laggy“半休眠模式)。

根據不同的需求,選擇不同的半休眠模式,發(fā)揮這些模式的優(yōu)勢,實現在10 Gb/s甚至更高帶寬下的良好節(jié)能的效果。這不僅是電信技術上的突破,更為能源節(jié)約和環(huán)保做出貢獻。

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DU Yu(1991-),female,graduate student, mainly engaged in wireless and mobile communication theory and technology.

孫文生(1968—),男,博士,副教授,主要研究方向為無線通信和計算機應用。

SUN Wen-sheng(1968-),male,Ph.D.,associate professor,mainly engaged in wireless communication and computer application.

Power Consumption Decrease via Doze Mode in EPON System

DU Yu,SUN Wen-sheng
(Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100876,China)

This paper gives the operating costs of China Telecom network and analyzes the energy-saving effect in EPON system.In EPON system,ONU can switch its transmitters into temporary shut when there is no data transmission and this low power consumption mode is known as doze mode.This paper also explains the effect caused by doze mode and dynamic bandwidth allocation(DBA)algorithm on EPON system,then analyzes and compares the energy-saving potential of two doze modes“l(fā)aggy”and“swift”based on three different DBA algorithms,in particular the evaluations on different effects of energy efficiency and average frame delay caused by these two doze modes.

doze mode;energy efficiency;average.frame delay;DBA

TN915.63

A

1002-0802(2014)10-1187-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.016

杜 宇(1991—),女,碩士研究生,主要研究方向為無線和移動通信理論與技術;

2014-07-22;

2014-08-26 Received date：2014-07-22;Revised date：2014-08-26