張引發(fā)，賈磊，楊劍，劉濤

（1. 西安通信學(xué)院 信息傳輸系，陜西 西安 710106；2. 61920部隊(duì)，四川 成都 610505）

1 引言

隨著綠色環(huán)保節(jié)能減排正在成為全球的熱點(diǎn)，信息通信產(chǎn)業(yè)越來越關(guān)注全方位的綠色環(huán)保和節(jié)能減排。最近幾年，信息與通信技術(shù)領(lǐng)域的全球二氧化碳排放量占所有排放量的2%～2.25%，并且到2020年有望達(dá)到目前水平的2倍[1]。而在寬帶接入網(wǎng)中，包括高速數(shù)字用戶線路（DSL）和無源光網(wǎng)（PON）等設(shè)備，其能耗占整個通信網(wǎng)能耗的75%以上[2]。為此，接入網(wǎng)的節(jié)能降耗問題越來越受到人們的關(guān)注。有專家指出離用戶近的節(jié)點(diǎn)采用無源設(shè)備可以使整個系統(tǒng)的總耗能降低[1]。在接入網(wǎng)的不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，PON 是能量利用率最高的網(wǎng)絡(luò)[3]。然而，在被廣泛部署和應(yīng)用的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)（EPON）中，由于其終端設(shè)備光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）數(shù)量巨大且用戶業(yè)務(wù)需求隨機(jī)，當(dāng)用戶不需要服務(wù)時設(shè)備仍處于工作狀態(tài)，造成大量的能量浪費(fèi)。因此，EPON系統(tǒng)的能量利用率有著進(jìn)一步提高的空間。隨著新的P802.3az節(jié)能以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（EEE）的制定，人們逐漸認(rèn)識到減少光纖接入網(wǎng)中無效能耗的重要性，有學(xué)者提出對沒有業(yè)務(wù)時的ONU進(jìn)行控制，使其進(jìn)入低耗能的睡眠狀態(tài)，從而減少能耗[4,5]。目前，這方面的研究國外也剛剛開始著手，而國內(nèi)研究較少。

要實(shí)現(xiàn)ONU睡眠，必須要解決2個關(guān)鍵技術(shù)：一是快速的時鐘恢復(fù)和同步技術(shù)；二是高效地支持上下行帶寬分配的時隙管理技術(shù)。對于前者，許多學(xué)者做了相應(yīng)的研究[6～8]。已能夠?qū)?G-EPON的時鐘恢復(fù)時間控制在64ns以內(nèi)，完全能夠滿足睡眠的要求[6]。對于后者，原有EPON中的時隙管理機(jī)制只針對上行方向，即各ONU緩存隨機(jī)到達(dá)的上行數(shù)據(jù)分組，然后通過光纖線路終端設(shè)備（OLT）為該數(shù)據(jù)分配帶寬和上行時隙，并控制各ONU在不同時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)；而在下行方向，OLT收到來自骨干網(wǎng)的下行數(shù)據(jù)分組后直接以廣播方式轉(zhuǎn)發(fā)至所有ONU中，各ONU需要持續(xù)接收并過濾出屬于自己的數(shù)據(jù)分組。為了支持ONU睡眠，原有機(jī)制顯然不能滿足要求。OLT需要為所有ONU分配上下帶寬和收發(fā)時隙，以使ONU在無收發(fā)任務(wù)時進(jìn)入低耗能的睡眠狀態(tài)。針對此問題有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[9,10]。Ying Yan等提出為各ONU僅分配上行帶寬，各ONU在發(fā)送上行數(shù)據(jù)的同時接收下行數(shù)據(jù)，由于ONU的下行帶寬并非取決于下行業(yè)務(wù)需求，該方案引入了10ms左右的下行延時[9]。Lee等提出了為上下行分別設(shè)置多個速率等級的靜態(tài)帶寬分配方式，根據(jù)業(yè)務(wù)流量大小在不同鏈路速率間切換，當(dāng)某ONU的業(yè)務(wù)流量較小時對其采用固定時隙帶寬分配，但該方案僅能在輕負(fù)載情況實(shí)現(xiàn)較好地節(jié)能[10]。

針對這種情況，本文提出了一種新的基于輪詢周期的時隙管理方案。該方案的特點(diǎn)是，以輪詢周期為帶寬分配單元，OLT在每個輪詢周期起始為所有ONU分配收發(fā)時隙，并將分配信息通過改進(jìn)后的 GATE幀廣播，每個輪詢周期僅需要發(fā)送一個GATE幀。在業(yè)務(wù)中、重負(fù)載下，該方案能在實(shí)現(xiàn)較大節(jié)能的同時引入較小的下行分組延時。

2 新的時隙管理方案

基于輪詢周期的時隙管理方案，其基本思路為：OLT以固定或可變輪詢周期 Tcycle為帶寬分配單元，在每個Tcycle周期內(nèi)為所有ONU分配發(fā)送、接收時隙，每個ONU在OLT分配的上行時隙內(nèi)通過REPORT幀請求下個輪詢周期的上行帶寬，如圖 1所示。在OLT和ONU端分別設(shè)置緩存器，緩存來自骨干網(wǎng)和用戶端的隨機(jī)數(shù)據(jù)分組。在tcycle_start時刻，OLT已經(jīng)收到各個ONU的上行帶寬請求，并查詢OLT緩存器中欲發(fā)往各ONU的下行分組隊(duì)列長度，然后按一定的帶寬分配算法為各個 ONU分配上下行帶寬，并計(jì)算各ONU的發(fā)送接收時隙。OLT將所有分配信息通過一個改進(jìn)后的GATE幀廣播至所有ONU中，其中包括各ONU的發(fā)送和接收的開始時間和長度、下個周期GATE幀的接收時間和GATE幀長度等信息。ONU收到GATE幀后，提取出屬于自己的信息，并按所分配的時隙及時地開啟/關(guān)閉相應(yīng)的工作模塊，以完成數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收，在無收發(fā)任務(wù)的周期內(nèi)只保留緩存器和必需的電路工作，并進(jìn)入低耗能的睡眠狀態(tài)。本方案的上下行時隙控制及同步采用已有的上行時隙控制機(jī)制，用時間標(biāo)簽法完成對各ONU的發(fā)送時隙的控制[11]。

圖1 基于可變輪詢周期的時隙管理方案示意

如果在輪詢周期初始時刻，某ONU無上/下行帶寬需求，則 OLT在本周期內(nèi)只給該 ONU分配REPORT幀長度的上行帶寬。該ONU收到廣播GATE幀后，若緩存器中無上行分組隊(duì)列，則進(jìn)入打盹睡眠模式。ONU進(jìn)入打盹狀態(tài)后，若既沒有上行數(shù)據(jù)分組到達(dá)也沒有分配接收時隙（即OLT無數(shù)據(jù)分組到達(dá)該 ONU），則該ONU只定時接收每個Tcycle周期內(nèi)廣播GATE幀，而不接收或發(fā)送其他任何數(shù)據(jù)分組，OLT在每個Tcycle周期內(nèi)為該ONU分配REPORT幀長度的上行帶寬。當(dāng)來自骨干網(wǎng)且發(fā)往打盹狀態(tài)ONU的數(shù)據(jù)分組到達(dá)OLT時，OLT能夠在緊接著的下個Tcycle周期初為到達(dá)的數(shù)據(jù)分配下行帶寬，并通過GATE幀將分配信息通知該ONU，ONU收到GATE幀后轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)，并按所分配時隙及時地接收下行分組。當(dāng)來自用戶的上行分組到達(dá)打盹狀態(tài)下的ONU時，則該ONU在每個Tcycle周期用于 REPORT幀報(bào)告的上行時隙內(nèi)為該到達(dá)分組請求上行帶寬，同時ONU轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)。

在EPON系統(tǒng)中，一個OLT同時與多個ONU通信，某時刻，有的ONU處于正常狀態(tài)，有的ONU處于打盹狀態(tài)，而有的ONU未注冊或已掉線處于離線狀態(tài)。ONU進(jìn)入睡眠狀態(tài)后只接收GATE幀，若無上行數(shù)據(jù)則不向OLT發(fā)送信息，與掉線狀態(tài)相似。為了使OLT時刻知道所有ONU當(dāng)前所處狀態(tài)，本方案在OLT端設(shè)置ONU工作狀態(tài)標(biāo)識，包括正常狀態(tài)、睡眠狀態(tài)和離線狀態(tài)，如表1所示。為了防止ONU在睡眠狀態(tài)中掉線而OLT不知道，處于打盹狀態(tài)的ONU每50ms向OLT發(fā)送一個REPORT幀，以使OLT知道其處于在線狀態(tài)。

表1 各ONU當(dāng)前狀態(tài)

由于不同ONU與OLT間邏輯距離不同，各ONU與 OLT間存在環(huán)路延時（RTT）且大小不同，而各ONU需要在收到GATE幀后才能上行發(fā)送，所以在每個Tcycle周期內(nèi)，從tcycle_start時刻到OLT收到ONU的數(shù)據(jù)分組這段時間內(nèi)，上行鏈路處于空閑狀態(tài)。為了有效利用上行帶寬，OLT按RTT從小到大依次安排相應(yīng)的ONU先后發(fā)送上行數(shù)據(jù)。此外，將離OLT邏輯距離最近的ONU設(shè)為特殊ONU，該ONU在收到本周期GATE幀前發(fā)送上行數(shù)據(jù)，每周期的開始時刻都由前一周期GATE幀分配，可由式(4)計(jì)算而得。發(fā)送長度為上行帶寬請求的長度，即對該ONU的帶寬分配可以采用直接應(yīng)答方式（gated），也可以采用有限制應(yīng)答方式(limited)，使其不能夠壟斷帶寬[11]。為防止ONU上行分組間的疊加干擾，設(shè)定ONU間的上行保護(hù)時隙為GBT 。由于離 OLT邏輯距離最近ONU的特殊性，每個輪詢周期中，在最先與次先發(fā)送上行分組的2個ONU間的上行保護(hù)時隙設(shè)置為大于或等于GBT ，如圖1所示。

802.3 ah已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了多點(diǎn)控制幀（MPCP）的結(jié)構(gòu)和格式[12]。為了便于時隙管理并有效地節(jié)省下行帶寬，在802.3 ah規(guī)定的控制幀基本結(jié)構(gòu)和框架下，對原GATE結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分修改，提出一種新的GATE幀結(jié)構(gòu)，如表2所示。

表2 修改后的GATE幀結(jié)構(gòu)

新的GATE幀結(jié)構(gòu)修改了原GATE幀的分配信息裝載部分。在原來GATE幀中，分配信息只包括某一個ONU的上行開始時間和長度，在一個輪詢周期內(nèi)32個ONU需要32個GATE幀。而新GATE幀的分配信息包括所有ONU的上/下行開始時間和長度、GATE幀接收長度和各 ONU在下一個輪詢周期接收GATE幀的時間。在新GATE幀結(jié)構(gòu)中，新定義了一個標(biāo)志字節(jié)，其大小為4byte，即32bit，分別對應(yīng)32個ONU用戶。當(dāng)某ONU有分配信息時，置相應(yīng)位為‘1’，并在接下來的相應(yīng)位置加載該ONU的信息，否則為‘0’。已規(guī)定的MPCP控制幀的操作碼使用了 0002～0006，采用固定長度64byte，且發(fā)現(xiàn)GATE幀和授權(quán)GATE幀采用同一結(jié)構(gòu)幀[12]。新GATE幀采用的操作碼為0007，由于需要裝載的信息較多，新 GATE幀長度根據(jù) ONU的數(shù)量而可變，當(dāng)ONU數(shù)量為32時，該幀長度為544byte。在本方案中，原有的GATE幀繼續(xù)用于發(fā)現(xiàn)過程，而所提出的新GATE幀用于時隙授權(quán)。與原有時隙授權(quán)方案相比，本方案在一個輪詢周期內(nèi)（設(shè)為2ms）能夠節(jié)省6Mbit/s左右下行帶寬。

3 帶寬分配算法

3.1 下行帶寬分配

圖2是OLT在各輪詢周期內(nèi)的下行隊(duì)列長度示意。當(dāng)輪詢周期Tcycle長度變化時，由于從骨干網(wǎng)到OLT的鏈路速率和從OLT到ONU的鏈路速率相等，只要本周期時間長度不小于上周期，那么緩存器中上周期所到達(dá)的數(shù)據(jù)一定能在本周期內(nèi)發(fā)送完畢；相反情況，如圖中周期Tcycle_3，在周期結(jié)束后緩存器中依然留有未被發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果再下一周期Tcycle_4時間長度較小或到達(dá)數(shù)據(jù)的鏈路負(fù)載較高，則在Tcycle_4周期內(nèi)仍不能完全發(fā)送完緩存器中的數(shù)據(jù)，這種情況要一直持續(xù)至遇到足夠大周期且到達(dá)數(shù)據(jù)鏈路負(fù)載較小時才能結(jié)束，從而導(dǎo)致下行數(shù)據(jù)分組平均延時的增加。

當(dāng)輪詢周期長度固定時，采用Gated分配方式，即需要多少帶寬就分配多少帶寬，可以將下行數(shù)據(jù)分組的平均分組延時和緩存器的平均隊(duì)列長度控制在一定范圍內(nèi)。

3.2 上行帶寬分配

對上行帶寬分配，本方案可以采用輪詢周期預(yù)定和輪詢周期自適應(yīng)2種分配方式。輪詢周期預(yù)定是在帶寬分配之前已經(jīng)設(shè)定 Tcycle，由此得到可分配上行總帶寬，再按一定的算法對 ONU進(jìn)行帶寬分配，此方式能夠采用周期性輪詢動態(tài)帶寬分配算法[13]（cyclic DBA）。輪詢周期自適應(yīng)是先根據(jù)各 ONU的上行帶寬請求按一定帶寬分配算法完成分配，并由此確定 Tcycle，并將分配結(jié)果與Tcycle信息傳至各ONU，此方式能夠采用可變周期的間插輪詢（IPACT）算法[11]。這2種經(jīng)典帶寬分配算法都能夠應(yīng)用于本文的時隙管理方案中。

為了驗(yàn)證基于輪詢周期的時隙管理方案的性能，本文取固定輪詢周期Tcycle為2ms，下行采用Gated分配方式。對于上行，當(dāng)所有ONU的請求總帶寬不大于可分配總帶寬時，采用Gated分配方式；否則，從可分配總帶寬中按各ONU請求帶寬占請求總帶寬的比例進(jìn)行分配。

4 理論分析

4.1 GATE幀中的分配信息確定

在本方案中，上下行帶寬分配完成后，OLT需要計(jì)算各ONU的上/下行開始時間、長度和下個輪詢周期GATE幀的接收時間、長度等裝載信息，計(jì)算方法如下。

第i個ONU的環(huán)路延時為iRTT，對EPON系統(tǒng)中所有ONU按環(huán)路延時大小排序，i為ONU的編號，可得

圖2 各輪詢周期內(nèi)OLT下行隊(duì)列長度示意

第i個ONU所分配下行時隙的長度為

第1個ONU，即與OLT邏輯距離最近的ONU，其上行時隙的開始時間為

此結(jié)果為下個輪詢周期ONU1的開始時刻。

第 ( 1)i i＞ 個ONU上行時隙長度為

4.2 新方案的性能分析

為對其上下行帶寬進(jìn)行統(tǒng)一管理分配，首先需要在OLT端設(shè)置緩存器，以緩存隨機(jī)到達(dá)的下行數(shù)據(jù)分組，這不可避免地會引入下行分組延時和隊(duì)列長度，并影響上行分組延時和隊(duì)列長度。因此，節(jié)能效果和所引入的下行分組延時是評價節(jié)能方案優(yōu)劣的兩個重要參數(shù)和也通過這兩方面進(jìn)行性能分析。下面從節(jié)能效果、上/下行平均分組延時，下行分組平均隊(duì)列長度等4個方面對基于輪詢周期的時隙管理方案進(jìn)行性能分析。

設(shè)ONU睡眠時功率為 Ps，蘇醒工作時功率為Pw，則采用本方案的N個 ONU在一個輪詢周期Tcycle內(nèi)的能耗為

在本方案中，由于各ONU在不同的輪詢周期內(nèi)分配不同上下帶寬，具有不同的能耗，因此，設(shè)N個 ONU在第j個輪詢周期內(nèi)的能耗為，那么在連續(xù)M個輪詢周期的一段時間內(nèi)，N個 ONU的總能耗為

為了研究節(jié)能效果，用能耗相對率來表示。能耗相對率，定義為在一段時間內(nèi)（設(shè)M個輪詢周期），N個ONU在基于輪詢周期時隙管理方案的睡眠模式下的總能耗與普通不節(jié)能模式下總能耗之比的百分率，用α表示為

圖3 ONU的醒睡示意

其中，用n表示負(fù)載的輕重。鏈路輕負(fù)載時，ONU通過發(fā)送一次 REPORT幀便能為剛到達(dá)的上行分組請求到帶寬；鏈路為重負(fù)載時，由于所分配帶寬小于請求帶寬，后到的數(shù)據(jù)分組需要再等待一個或多個Tcycle周期后才能分配到上行帶寬。ONU在打盹狀態(tài)下，到達(dá)上行分組的平均延時與輕負(fù)載情況相同。

在下行方向，設(shè)數(shù)據(jù)分組從到達(dá) OLT到該分組在輪詢周期起始時刻被分配下行帶寬之間的延時為，其期望值為2；設(shè)該分組從被分配到下行帶寬到被發(fā)送之間的延時為，由于輪詢周期采用固定Tcycle，平均等待延時不大于平均請求延時，則下行數(shù)據(jù)分組從到達(dá)OLT至被發(fā)送的平均延時為

設(shè)從骨干網(wǎng)到OLT端鏈路速率與EPON系統(tǒng)下行方向鏈路速率相等，為，某時刻鏈路負(fù)載為dα，則緩存器中所緩存數(shù)據(jù)為

則所需的最大緩存容量為

本方案在OLT端增加下行數(shù)據(jù)分組緩存器，其大小可由式（16）而得。對下行數(shù)據(jù)增加了不超過一個Tcycle周期的平均延時，并能夠?qū)⑾滦衅骄訒r控制在式（13）所示的范圍內(nèi)。

5 仿真結(jié)果

對本方案建立了基于OPNET的EPON仿真模型。根據(jù)802.3 ah協(xié)議規(guī)定的EPON系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)以及實(shí)際ONU設(shè)備中各電路模塊的能耗，對仿真模型中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真模型參數(shù)設(shè)置如表3所示。通過仿真，研究ONU在所提出的時隙管理方案下的能耗相對率、上/下行分組延時、下行隊(duì)列長度等與負(fù)載的關(guān)系。

表3 EPON仿真模型參數(shù)設(shè)置

睡眠ONU的能耗相對率與上/下行鏈路負(fù)載變化關(guān)系如圖 4所示。由圖可知，能耗相對率隨上/下行鏈路負(fù)載增大而增大，變化率隨負(fù)載增大而減小。這是由于負(fù)載較小時，ONU的功耗主要來自于每個輪詢周期接收的GATE幀以及收發(fā)數(shù)據(jù)時的額外幀開銷；隨著負(fù)載的不斷增大，分配到該 ONU的上下行帶寬不斷增大，能耗相對率也不斷增大；當(dāng)負(fù)載接近1時，由于上下行可分配總帶寬一定，分配到各ONU的上下行帶寬將不再增加，能耗相對率也趨于某定值。由圖4知，能耗相對率的變化范圍在 9.5%～12%之間。當(dāng)鏈路為中等負(fù)載時，睡眠ONU的能耗相對率為11%左右，也就是說，該方案能夠比普通ONU節(jié)能89%左右。

圖4 能耗相對率與負(fù)載關(guān)系

上行分組平均延時情況如圖5所示，當(dāng)上行鏈路負(fù)載小于0.6時，上行平均分組延時保持在3ms左右，而當(dāng)負(fù)載大于0.6時，上行分組延時隨上行鏈路負(fù)載增大而急劇增大。這是由于低負(fù)載時，到達(dá)的上行數(shù)據(jù)分組都能在緊接著的下一個 Tcycle周期內(nèi)獲得足夠的上行帶寬，而高負(fù)載時，由于前一個或幾個Tcycle周期內(nèi)都未能給到達(dá)的數(shù)據(jù)分組分配足夠的帶寬，數(shù)據(jù)分組的不斷累積導(dǎo)致延時的急劇增大。

圖5 上行平均分組延時與負(fù)載關(guān)系

下行分組平均延時和平均隊(duì)列長度與負(fù)載關(guān)系分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，下行平均分組延時隨下行鏈路負(fù)載增大而增大。這是由于在每個輪詢周期內(nèi)到達(dá)OLT的下行分組都要先緩存，直到下個輪詢周期被分配相應(yīng)帶寬后才能傳至各個ONU。負(fù)載較小時，輪詢周期OLT內(nèi)下行分組隊(duì)列長度短，下行分組的平均延時較?。欢?fù)載大時，其隊(duì)列長度長，其平均延時也就變大。下行平均分組延時的變化范圍在1.2～1.9ms之間，與理論分析相符。由圖7可知，下行平均隊(duì)列長度隨下行鏈路負(fù)載增大呈線性趨勢增大，在不同下行鏈路負(fù)載下，仿真得到的下行平均隊(duì)列長度始終小于該負(fù)載下的最大理論值。

圖6 下行平均分組延時與負(fù)載關(guān)系

圖7 下行平均隊(duì)列長度與負(fù)載關(guān)系

與前人方案相比，Ying Yan等所提出的時隙管理方案能夠?qū)NU工作時能耗降為普通ONU能耗的10%，但同時引入10 ms左右的下行分組延時[9]。Steven S, Lee W等提出的設(shè)置速率等級的靜態(tài)帶寬分配方案，在業(yè)務(wù)流量較小時能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能效果，但增加上下行幀的平均延時到幾百毫秒[10]。本方案最大的特點(diǎn)是在業(yè)務(wù)中、重負(fù)載下，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的節(jié)能，同時，引入的下行分組延時很小，在追求節(jié)能效果與保障ONU服務(wù)質(zhì)量方面具有很好的折衷。

6 結(jié)束語

本文研究了支持 ONU睡眠的上下行時隙管理問題，提出了一種基于輪詢周期的時隙管理方案。理論分析和仿真結(jié)果表明：采用本時隙管理方案的ONU，其工作能耗僅為普通ONU能耗的11%，而引入的下行分組延時不到 2ms，并能夠?qū)⑾滦衅骄?duì)列長度控制在2Mbit以內(nèi)。但本方案的實(shí)現(xiàn)需要在原EPON系統(tǒng)的OLT端增加下行緩存器，在 ONU端采用快速時鐘恢復(fù)電路，并對OLT和ONU端控制模塊的硬件電路和管理控制程序進(jìn)行改造，即增加了一定的設(shè)備代價和處理復(fù)雜度。

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