節(jié)能EPON中一種新的ONU休眠策略

趙金洲，葉 通，李 東，吳 鵬，張小建，吳軍民

(1.上海交通大學 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，上海200240；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，南京210003)

節(jié)能EPON中一種新的ONU休眠策略

趙金洲1，葉 通1，李 東1，吳 鵬2，張小建2，吳軍民2

(1.上海交通大學 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室，上海200240；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，南京210003)

針對以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPO N）中的節(jié)能問題，拓展并應(yīng)用節(jié)能以太網(wǎng)的思想，提出了一種新的由光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）發(fā)起和終止的休眠策略。該休眠策略避免了O N U將能耗浪費在頻繁的模式轉(zhuǎn)換上。仿真結(jié)果表明，該休眠策略能夠?qū)崿F(xiàn)良好的節(jié)能效果，數(shù)據(jù)延時只有輕微增加。

EPON；節(jié)能；休眠策略

0　引言

近年來，隨著Internet網(wǎng)絡(luò)速率的迅速增加，用于部署接入網(wǎng)的設(shè)備能耗也在快速增長。EPON作為最受歡迎的接入網(wǎng)解決方案，在全世界范圍內(nèi)廣泛且大規(guī)模地部署。因而，EPON中的節(jié)能問題意義重大，受到了學術(shù)界的矚目。

在無源光網(wǎng)絡(luò)中，ONU設(shè)備的能耗占網(wǎng)絡(luò)總能耗的60%以上[1]。而在上行鏈路中，光線路終端（OLT）通過輪詢后，安排所有的ONU采用時分復(fù)用的方式共用同一個上行傳輸信道。事實上，在一個上行傳輸周期中，每個ONU只占用了傳輸周期的一小部分時間。因此，通過休眠沒有數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的ONU進行節(jié)能是非常簡單有效的節(jié)能方法[1]。到目前為止，已經(jīng)有很多學者針對節(jié)能問題提出了自己的帶寬分配算法[2～5]。另外，還有其它眾多的節(jié)能策略，這些策略主要是在帶寬分配算法的框架下優(yōu)化節(jié)能效果。本文中，我們提出了基于online帶寬分配算法IPACT[6]的由ONU發(fā)起和終止的休眠策略。

1　策略描述

1.1帶寬分配算法

文獻[6]提出了IPACT帶寬分配算法。OLT通過輪詢獲得ONU寄存器的數(shù)據(jù)隊長，并在下一周期通過下發(fā)GATE信息安排時間段讓ONU進行上行數(shù)據(jù)的傳輸。ONU接收到GATE信息后，在指定的時間段上傳此前REPORT過的數(shù)據(jù)，并在上傳結(jié)束時附加REPORT信息，以告知OLT目前寄存器中的數(shù)據(jù)量。

采用online帶寬分配算法的OLT每接收到一個REPORT信息，便立即處理然后下發(fā)GATE信息給目的ONU。通過這種方式，上行鏈路帶寬可以被高效率地利用。與之相反，采用offline帶寬分配算法的OLT會積累REPORT信息，直到接收完整個周期內(nèi)所有ONU的REPORT信息，然后統(tǒng)一處理并下發(fā)GATE信息。在下一周期開始時，第一個接受輪詢的ONU為了接收GATE信息，不得不等待0.5RTT時間，因此上行鏈路無法被有效利用。固定帶寬分配算法忽視ONU的REPORT信息，每個周期都分配給所有ONU相同長度的時間段，用于上傳數(shù)據(jù)。所以，當鏈路負載發(fā)生變化時，F(xiàn)BA無法合理分配鏈路帶寬。

1.2ONU節(jié)能技術(shù)

ONU的節(jié)能模式目前主要有兩種：半休眠模式和全休眠模式。

在半休眠模式下，ONU關(guān)閉發(fā)射機，但保持接收機正常工作。因而，ONU在半休眠模式下能耗可以降到正常工作時的76.2%，并且依然可以接受下行數(shù)據(jù)。正常工作模式和半休眠模式之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需要的時間可以忽略不計[1,10]。

在全休眠模式下，ONU同時關(guān)閉發(fā)射機和接收機，停止接收所有數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)更多的節(jié)能。ONU在全休眠模式下的能耗僅是正常工作時的14.8%，但是，一旦停止接受下行數(shù)據(jù)，ONU在休眠結(jié)束進入正常工作模式前，則需要125μs來實現(xiàn)與OLT的時鐘同步[1,10]。

1.3休眠策略

在PON系統(tǒng)中，下行數(shù)據(jù)可以在到達后全部緩存在OLT的寄存器中，并且由OLT根據(jù)ONU的REPORT信息，在目的ONU處于正常工作模式的時間段內(nèi)傳送到即可。因而，我們的休眠策略主要關(guān)注上行鏈路的帶寬分配和節(jié)能。

圖1所示為ONU休眠策略，介紹了本文提出的休眠策略的主要過程，其中TS、TD和TW分別表示ONU處于全休眠、半休眠模式和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時段。我們用An、Bn和Cn表示在不同周期內(nèi)傳輸?shù)牡趎個數(shù)據(jù)包。

圖1　ONU休眠策略

在我們提出的休眠策略中，每個ONU都在上傳數(shù)據(jù)結(jié)束時檢查自己寄存器中的數(shù)據(jù)量，如果寄存器中仍然有數(shù)據(jù)未傳輸，ONU會向OLT發(fā)送REPORT信息，并進入半休眠模式，等待下一周期繼續(xù)進行傳輸；如果寄存器中的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部清空，ONU就會向OLT發(fā)送一個REPORT 0信息，并進入全休眠模式。

在全休眠模式中，ONU同時關(guān)閉發(fā)射機和接收機，因此在這期間到達的GATE信息將會被ONU忽略。每次有上行數(shù)據(jù)到達寄存器，ONU就會檢查緩存隊列長度。當隊列長度達到喚醒閾值時，接收機就會立刻開始蘇醒，在接收機完全蘇醒前，ONU需要TW的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間來實現(xiàn)與OLT的時鐘同步。此外，在還未收到下一個GATE信息之前，ONU不得不處于半休眠模式中等待。一旦接收到GATE信息，ONU就會向OLT發(fā)送一個REPORT信息來匯報從全休眠開始至今，寄存器中所累積的數(shù)據(jù)量。

對于OLT端而言，因為ONU的狀態(tài)可以通過解析REPORT信息獲得，OLT只需要在上行輪詢周期中給處于全休眠模式的ONU分配一個短暫的時隙，給可能在此之前完全醒來的ONU發(fā)送REPORT信息。而一旦接收到ONU的REPORT信息，OLT就會立即處理并在下一個周期給此ONU分配足夠的帶寬用來傳輸數(shù)據(jù)。

2　仿真結(jié)果

為了驗證本文中所提出的休眠機制的節(jié)能效果，我們用JAVA語言開發(fā)了一組PON系統(tǒng)的仿真工具。在仿真程序中，我們設(shè)定OLT到每個ONU的距離都是相等的，并且每個ONU的平均負載率相等。ONU在不同模式下的能耗比例按文獻[1,7]設(shè)定。上行數(shù)據(jù)的產(chǎn)生服從泊松到達。詳細的仿真數(shù)據(jù)可以參照表1。

表1　仿真參數(shù)

首先我們仿真了沒有全休眠機制的傳統(tǒng)EPON系統(tǒng)，并在圖2中用方形線表示了它的能耗，用其它不同形狀的線表示在本文提出的休眠機制下，不同的喚醒閾值隨著鏈路負載的變化對系統(tǒng)能耗的影響。如圖2所示，在上行鏈路負載較低的時候，ONU絕大多數(shù)時間處于全休眠模式，實現(xiàn)了很大程度的節(jié)能。隨著鏈路負載的增加，ONU的能耗也隨之增加。當鏈路負載增加到一定程度的時候，輪詢的周期就會變得足夠大，因而ONU寄存器中的數(shù)據(jù)就永遠都不會被清空。這種情況下ONU的能耗曲線和傳統(tǒng)EPON能耗曲線相重合，ONU也將不會進入全休眠模式。

對比表明，喚醒閾值設(shè)置得越大，ONU的節(jié)能效果越明顯，并且能耗隨鏈路負載的增長，速率相對較低。其主要原因是，當喚醒閾值設(shè)置較低時，ONU的很大一部分能耗被浪費在頻繁的模式轉(zhuǎn)換上。而當喚醒閾值設(shè)置相對較高時，ONU處于全休眠模式的時間會更長，能耗也會更低。但是，提高喚醒閾值也不一定總能提高節(jié)能效果，當喚醒閾值被提高到 100、200和300時，ONU的能耗曲線已經(jīng)接近重合。在這種情況下，繼續(xù)提高閾值不僅無法改善ONU的節(jié)能效果，而更會導致上行數(shù)據(jù)的延時快速增加。

圖2　ONU能耗比例

圖3表示隨著鏈路負載率的變化，不同的喚醒閾值對上行數(shù)據(jù)平均時延的影響。方形線表示沒有全休眠模式的傳統(tǒng)EPON中上行數(shù)據(jù)的平均時延，時延曲線與文獻[8]所給出的理論值完全吻合。圖3說明ONU喚醒閾值設(shè)置越高，上行數(shù)據(jù)的平均時延越長。這與之前的分析相一致，因為閾值越高，ONU處于全休眠模式的時間也越長。

圖3　上行數(shù)據(jù)平均時延

在低負載時，一旦ONU進入全休眠模式，寄存器中數(shù)據(jù)隊長需要較長時間才能達到喚醒閾值，這期間到達的數(shù)據(jù)也都一直緩存在寄存器中，這也是低負載時數(shù)據(jù)平均時延較長的原因之一。隨著鏈路負載率的增加，喚醒ONU所需要等待的時間也逐漸變短。在ONU全休眠期間到達的數(shù)據(jù)包可以更早地上傳，上行數(shù)據(jù)平均時延也因此逐漸減小。當鏈路負載率上升到一定程度后，數(shù)據(jù)的平均時延曲線和傳統(tǒng)EPON系統(tǒng)中數(shù)據(jù)時延曲線接近重合并開始上升。這和我們在節(jié)能效果部分的分析一致。

3　結(jié)束語

以上我們提出了一種新的ONU休眠策略以實現(xiàn)節(jié)能。通過采用這種策略，可以避免傳統(tǒng)節(jié)能策略中ONU頻繁的模式轉(zhuǎn)換。仿真結(jié)果也證明了通過設(shè)置喚醒閾值可以在符合PON系統(tǒng)時延要求的情況下，盡可能多的節(jié)省ONU能耗。在今后的研究中，我們將會繼續(xù)探討節(jié)能效果最好、對系統(tǒng)時延影響最小的最優(yōu)喚醒閾值。

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Novel sleep scheme for ONUs in energy efficient EPON

ZHAO Jin-zhou1，YE Tong1，LI Dong1，WU Peng2，ZHANG Xiao-jian2，WU Jun-min2
(1.State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.State Grid Smart Grid Research Institute，Nanjing 210003，China)

The paper extends the idea of the Energy Efficient Ethernet standard to achieve energy saving in Ethernet passive optical networks(EPON).It proposed an ONU-initiated and terminated sleep scheme.The scheme prevents the ONUs wasting energy on frequent states transitions.Simulation results show that our scheme can save a great deal of energy at the expense of a light increase in packet delay.

EPON,energy efficiency,sleep scheduling

TN915.62

A

1002-5561（2016）05-0008-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.003

2015-12-30。

國家自然科學基金（批準號：61271215，61172065）資助；“全光交換關(guān)鍵技術(shù)及電網(wǎng)應(yīng)用研究項目”資助。

趙金洲（1991-），男，碩士研究生，主要從事光通信網(wǎng)絡(luò)性能分析。