薛子威，秦有祥，吳 琦，頓 涵，劉亞帆，張俊杰（上海大學特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室，上海200072）

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一種節(jié)能的OFDM-PON下行流量調(diào)度模式（本期優(yōu)秀論文）

薛子威，秦有祥，吳 琦，頓 涵，劉亞帆，張俊杰
（上海大學特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室，上海200072）

摘要：針對傳統(tǒng)O FD M-PO N中O N U接收機必須對接收到的所有下行廣播信號進行耗能的數(shù)字信號運算的現(xiàn)象，提出了一種基于幀內(nèi)O FD M符號時分復用的節(jié)能O FD M-PO N下行流量調(diào)度模式。網(wǎng)絡仿真實驗表明在下行網(wǎng)絡負載為100%時，采用該調(diào)度模式可以在滿足網(wǎng)絡性能要求的條件下節(jié)省O N U接收機47.8%的能量消耗。

關鍵詞：O FD M；PO N；節(jié)能；時分復用；下行流量調(diào)度

0　引言

近年來由于云存儲、高清視頻和網(wǎng)絡會議等新興網(wǎng)絡業(yè)務的不斷出現(xiàn)以及高速發(fā)展，以太網(wǎng)的網(wǎng)絡帶寬在不斷地快速增長。光正交頻分復用無源光網(wǎng)絡（OFDM-PON）由于頻譜效率高、帶寬分配靈活和色散容忍度高等特點成為下一代光接入網(wǎng)的優(yōu)選方案之一［1］。由于OFDM收發(fā)機需要大量高速復雜的數(shù)字信號處理（DSP）模塊，使得OFDM-PON的功耗比其它光接入網(wǎng)要高，因此降低OFDM-PON的功耗是實現(xiàn)綠色光網(wǎng)絡的重要環(huán)節(jié)。文獻［2］提出了一種基于動態(tài)信噪比管理以及自適應調(diào)制技術的節(jié)能OFDM-PON，通過降低數(shù)字處理模塊的復雜度來減少系統(tǒng)的功耗；文獻［3］提出了一種基于非對稱裁剪技術的節(jié)能的上行OFDM-PON傳輸系統(tǒng)。這些工作主要是通過優(yōu)化OFDM收發(fā)機的硬件結構來實現(xiàn)節(jié)能。在基于流量調(diào)度的光網(wǎng)絡節(jié)能技術方面，文獻［4］提出了一種基于數(shù)據(jù)分組緩存的光網(wǎng)絡單元（ONU）節(jié)能策略，但其研究的是上行流量（不是下行流量）的調(diào)度；文獻［5］提出了一種基于下行流量調(diào)度的EPON節(jié)能技術，然而OFDM-PON的資源調(diào)度要比EPON更加靈活且調(diào)度粒度更細，節(jié)能的OFDM-PON下行流量調(diào)度算法仍然有待研究。本文從實際網(wǎng)絡中下行流量動態(tài)變化的角度出發(fā)，提出了一種基于幀內(nèi)OFDM數(shù)據(jù)符號時分復用的節(jié)能OFDM-PON下行流量調(diào)度模式，對其節(jié)能原理進行了詳細介紹，并通過網(wǎng)絡流量仿真實驗研究了該模式下的網(wǎng)絡平均下行數(shù)據(jù)包時延及ONU接收機節(jié)能效果。

1　基于時域邏輯鏈路標識符識別的節(jié)能方法

在傳統(tǒng)的OFDM-PON系統(tǒng)中，光線路終端（OLT）將整個網(wǎng)絡的下行流量通過廣播方式發(fā)送給該網(wǎng)絡內(nèi)所有ONU接收機，每個ONU接收機都必須對接收到的全部信號進行一系列復雜的DSP運算以完成OFDM信號的解調(diào)，并根據(jù)解調(diào)數(shù)據(jù)中的邏輯鏈路標識符判別接收到的數(shù)據(jù)是否發(fā)送至本地，因此ONU端對非目的地數(shù)據(jù)的復雜OFDM DSP解調(diào)運算將造成大量的功耗浪費。本文作者在文獻［6］中提出了在OFDM DSP解調(diào)前在時域上識別ONU邏輯鏈路標識符的方法，以避免ONU接收機必須完成OFDM DSP解調(diào)后才能獲取ONU邏輯鏈路標識符進而消耗額外能耗的弊端。該方法提出了一種如圖1所示的OFDM幀結構，該結構中在OFDM幀的訓練序列之后插入了N位（N為ONU的個數(shù)）與各ONU一一對應的邏輯鏈路標識符。邏輯鏈路標識符中的每位用占4個采樣點的曼徹斯特碼來表示，邏輯1與邏輯0分別表示當前幀內(nèi)包含、不包含發(fā)送至其對應ONU的數(shù)據(jù)。ONU接收機在完成OFDM符號同步后，在時域上通過簡單的幅度判別即可獲取邏輯鏈路標識符，并將不攜帶發(fā)送至本地數(shù)據(jù)的OFDM幀直接丟棄，從而避免了無用且耗能的復雜DSP運算。

圖1　適用于節(jié)能算法的OFDM幀結構

本文定義ONU接收機內(nèi)部各DSP模塊對包含發(fā)送至本地數(shù)據(jù)的OFDM信號進行完整OFDM DSP解調(diào)時的狀態(tài)為高功耗狀態(tài)，定義其在時域上直接丟棄不包含發(fā)送至本地數(shù)據(jù)的OFDM信號時的狀態(tài)為低功耗狀態(tài)；分別用符號PH與PL表示高功耗狀態(tài)與低功耗狀態(tài)下ONU接收機的平均功率，并用符號α表示PL與PH的比值；分別用符號t與tL表示功耗測量時間以及ONU接收機在測量時間內(nèi)處于PL狀態(tài)的時間。在基于ONU邏輯鏈路標識符的OFDM-PON系統(tǒng)中，定義功耗系數(shù)為節(jié)能ONU接收機與傳統(tǒng)ONU接收機功耗的比值，則節(jié)能ONU接收機的功耗系數(shù)ρ可以由式（1）計算得出。從式（1）可見，節(jié)能系統(tǒng)ONU接收機的功耗系數(shù)與的值相關，其中α與芯片的具體制造工藝、ONU接收機內(nèi)部各模塊的具體實現(xiàn)相關，與ONU接收機在下行傳輸過程中處于PL狀態(tài)的時間比有關。當芯片制造工藝以及具體實現(xiàn)確定（也即α確定）后，可以通過延長ONU接收機處于PL狀態(tài)的時間比來降低其功耗系數(shù)，從而提升ONU接收機的節(jié)能效果。

2　節(jié)能的OFDM-PON下行流量調(diào)度模式

2.1傳統(tǒng)的OFDM-PON下行流量調(diào)度模式

傳統(tǒng)的OFDM-PON下行流量調(diào)度模式有頻分復用（FDM）、時分復用（TDM）以及時分頻分混合復用（Hybrid TDM-FDM）三種模式。FDM模式在實際系統(tǒng)中通常采用固定載波分配策略以簡化系統(tǒng)實現(xiàn)，該模式中下行數(shù)據(jù)包有較低的包時延；但該模式下即使OFDM幀內(nèi)只包含一個攜帶有效數(shù)據(jù)的子載波，ONU接收機也將處于PH狀態(tài)。因此，F(xiàn)DM模式下ONU接收機的功耗較高。TDM模式通過在OLT端對流量進行緩存從而實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)包的分時傳輸，這種模式下ONU接收機處于高功耗狀態(tài)PH的時間得以縮短，因此其功耗較低。但是在傳統(tǒng)的OFDM-PON系統(tǒng)里，由于TDM模式資源調(diào)度粒度較大，因此其系統(tǒng)的帶寬利用率較低。與TDM模式相比，Hybrid TDM-FDM模式有著更細的資源調(diào)度粒度，因此帶寬利用率較高。但在此模式下以頻分復用方式復用同一個OFDM幀的所有ONU同時處于高功耗狀態(tài)PH，因此其節(jié)能效果較差。

2.2基于OFDM幀內(nèi)OFDM符號時分復用的下行調(diào)度模式

圖2　基于幀內(nèi)OFDM符號時分復用的下行調(diào)度模式示意圖

為了在保證帶寬利用率的同時延長ONU接收機處于低功耗狀態(tài)PL的時間，本文基于傳統(tǒng)的下行流量TDM調(diào)度模式結合OFDM幀的物理結構提出了一種基于OFDM幀內(nèi)OFDM符號時分復用的下行調(diào)度模式，其原理如圖2所示。在該模式里下行流量的基本調(diào)度單位為OFDM符號，因此該模式與傳統(tǒng)的TDM模式相比有著更細的資源分配粒度，從而有著更高的頻帶利用率。該模式中下行傳輸被分割成許多固定時長的周期，被稱為調(diào)度周期，調(diào)度周期的時長可根據(jù)系統(tǒng)實際參數(shù)確定，但是每個調(diào)度周期內(nèi)必須包含整數(shù)個OFDM幀。

如圖2所示，該模式下每個調(diào)度周期內(nèi)的OFDM幀被分為控制幀以及數(shù)據(jù)幀兩部分，分別用來傳輸控制信息以及ONU的下行數(shù)據(jù)信息。OFDM幀在時域上由OFDM幀頭 （包含訓練序列以及邏輯鏈路標識符）以及許多連續(xù)的OFDM符號組成 （如圖1所示），因此，可以根據(jù)流量調(diào)度結果在時域上將一個OFDM幀以OFDM符號為單位切分成若干組，并將每一組分配給不同的ONU進行下行流量傳輸。從圖2可以看出，第一個OFDM幀的數(shù)據(jù)符號部分被分成了T1與T2兩組，并分別分配給了ONU1與ONU2。此處要求T1以及T2內(nèi)必須嚴格包含整數(shù)個OFDM符號。

采用該模式傳輸時，OLT為每個ONU分配一個隊列緩存該ONU的下行流量，并且OLT需要在每個調(diào)度周期開始時通過控制幀將該周期內(nèi)的下行帶寬分配結果通過廣播的方式發(fā)送給各個ONU。分配結果包括各個ONU所分配的下行OFDM幀的幀序號以及相應的幀內(nèi)數(shù)據(jù)符號的起始與結束位置。各個ONU接收到控制幀后，將在本次調(diào)度周期內(nèi)只對攜帶有效數(shù)據(jù)信息的OFDM數(shù)據(jù)符號進行DSP運算。由于基于OFDM符號的時分方式可以避免多個ONU同時處于高功耗PH狀態(tài)，因此可以極大地延長ONU接收機處于低功耗狀態(tài)PL的時間，降低OFDM-PON系統(tǒng)中ONU接收機的功耗。

3　算法仿真及數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)包的時延是一個重要的網(wǎng)絡性能指標，為了研究所提出的下行流量調(diào)度模式的平均下行數(shù)據(jù)包時延以及節(jié)能效果，本文基于Matlab軟件構建了一個包含30個ONU、帶寬為10Gb/s和子載波數(shù)為2048個的OFDM-PON下行網(wǎng)絡仿真模型。我們將網(wǎng)絡內(nèi)的ONU按業(yè)務優(yōu)先級分為SLA0、SLA1和SLA2（優(yōu)先級由高到低）三個等級［7］，其分別對應權重系數(shù)W0、W1和 W2（W0、W1和 W2分別被設置為 1.0、0.8和 0.7，ONU業(yè)務優(yōu)先級越大則權重系數(shù)越高）。仿真中下行流量調(diào)度周期的時長 Tcycle設置為 2ms的典型值［8］，OFDM幀長設置為20μs，控制幀的時長Tcontrol設置為20μs，由于需要在每個周期的起始位置傳輸控制幀，因此該網(wǎng)絡下行有效帶寬為9.90Gb/s。該仿真中業(yè)務優(yōu)先級為SLA0、SLA1和SLA2的ONU數(shù)目分別被設置為10個，且OLT與各ONU之間的光纖距離均被設置為25km，光纖傳輸時延為5μs/km，因此網(wǎng)絡下行鏈路傳輸時延為0.125ms。本文定義下行網(wǎng)絡負載（traffic load）為所有ONU的下行流量均值之和與下行有效網(wǎng)絡帶寬的比值，下行網(wǎng)絡負載范圍設為0.1～1.0（包含0.1與1.0），步長設置為0.1。在本仿真中網(wǎng)絡下行流量服從泊松分布［8］，且在同一網(wǎng)絡負載下各ONU的下行流量均值相同。

各優(yōu)先級ONU下行數(shù)據(jù)包平均時延的仿真結果如圖3所示，從圖中可以看到最小平均時延略大于1.125ms，這是由于每個調(diào)度周期只可以為該周期之前到達OLT的下行流量分配帶寬，因此最小時延略大于調(diào)度周期的一半。當網(wǎng)絡負載小于0.7時，下行數(shù)據(jù)包的平均時延隨著網(wǎng)絡負載的增長緩慢上升，并且業(yè)務優(yōu)先級較高的ONU平均時延增長速度較慢；當網(wǎng)絡負載大于0.8時，下行數(shù)據(jù)包平均時延將快速增長。這是由于一個調(diào)度周期內(nèi)到達的數(shù)據(jù)量過多，需要通過幾個周期才能全部發(fā)送導致的，但是其仍然滿足延遲敏感型網(wǎng)絡服務（如網(wǎng)絡視頻、網(wǎng)絡電話）端到端時延在56ms以內(nèi)的QoS要求［9］。從圖3可以看到優(yōu)先級高的ONU有著相對較小的平均時延，這是因為優(yōu)先級高的ONU下行流量將會被較早地發(fā)送。此外各業(yè)務優(yōu)先級ONU的平均時延將隨著其對應Wi值的增大而相對減小，也就是不同業(yè)務優(yōu)先級ONU之間的相對時延可以通過調(diào)整Wi的值來動態(tài)控制。

圖3　下行數(shù)據(jù)包平均時延仿真結果圖

本文還通過網(wǎng)絡仿真實驗對提出的下行流量調(diào)度模式的節(jié)能效果進行了研究，并將其與 Hybrid TDM-FDM下行調(diào)度模式的節(jié)能效果進行了比較。本文的Hybrid TDM-FDM模式中，為了減少下行延遲，在時域上以20μs（即一個OFDM幀的傳輸時間）作為一個調(diào)度周期；將2048個子載波中的30個作為固定子載波傳輸控制信息（每個ONU占用一個子載波）［10］，其余2018個子載波作為下行共享數(shù)據(jù)載波，其中控制信息包括ONU占用子載波的序號等；各個ONU下行帶寬的分配通過頻域上的數(shù)據(jù)子載波調(diào)度來實現(xiàn)。這兩種模式中均采用了基于ONU邏輯鏈路標識符的OFDM-PON系統(tǒng)，也即只有當對應的ONU邏輯鏈路標識符為1時，對應的ONU才需要完成OFDM DSP解調(diào)，且比較的基準均為傳統(tǒng)的OFDM-PON系統(tǒng)。節(jié)能系統(tǒng)中的功耗系數(shù)可以通過式（1）計算得出，本文中設置PL與PH的比值α=0.5，兩種模式下節(jié)能系統(tǒng)中所有ONU接收機的平均功耗系數(shù)仿真結果分別如圖4所示。從圖4（a）可以看出Hybrid TDM-FDM模式下，當流量負載較小時，ONU接收機的平均功耗系數(shù)較小；當流量負載較大時，在一個調(diào)度周期內(nèi)，幾乎所有的ONU以頻分方式復用同一個OFDM幀。因此在ONU接收端，每一個ONU都需要進行OFDM DSP解調(diào)，其功耗水平將與傳統(tǒng)OFDM-PON相當。

圖4　節(jié)能效果仿真圖

在本文提出的節(jié)能OFDM-PON下行流量調(diào)度模式中，OLT端通過對幀內(nèi)OFDM符號的時分復用以及下行網(wǎng)絡流量的緩存調(diào)度使得ONU接收機處于PH狀態(tài)的時間顯著縮短，其平均功耗系數(shù)與前者相比有了顯著的降低。從圖4（b）可以看出，在網(wǎng)絡流量負載為100%的最差條件下，與傳統(tǒng)的OFDM-PON系統(tǒng)相比，在基于ONU邏輯鏈路標識符的節(jié)能OFDM-PON系統(tǒng)中采用本文提出的下行流量調(diào)度模式可以降低ONU接收機47.8%的功耗。

4　結束語

本文介紹了一種基于時域邏輯鏈路標識符識別的ONU接收機節(jié)能原理，并提出了一種基于OFDM幀內(nèi)OFDM符號時分復用的下行流量調(diào)度模式；通過網(wǎng)絡仿真實驗證明采用該模式可以在滿足網(wǎng)絡時延要求的情況下節(jié)省ONU接收機至少47.8%的功耗，這個數(shù)值與芯片的具體制造工藝、ONU接收機內(nèi)部各模塊的具體實現(xiàn)相關。

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中圖分類號：TN929.18

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0001-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.001

收稿日期：2016-02-03。

基金項目：國家自然科學基金（61420106011、61132004、61275073）資助；上海 市科學 發(fā) 展基金（13JC1402600、14511100100、15511105400、15530500600）資助。

作者簡介：薛子威（1992-），男，碩士研究生，主要從事光通信與節(jié)能光網(wǎng)絡的研究。

Energy efficient OFDM-PON
downstream traffic scheduling scheme

XUE Zi-wei，QIN You-xiang，WU Qi，DUN Han，LIU Ya-fan，ZHANG Jun-jie
（Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Abstract：In traditional OFDM-PON，the ONUs have to process all downstream OFDM signals，which may cause a huge waste of power consumption.This paper proposes an energy efficient downstream scheduling scheme based on the time division multiplexing of the OFDM symbols within an OFDM frame.At last，a traffic simulation experiment is conducted，which shows that 47.8%energy consumption of ONU receivers can be saved when the network traffic is 100%with no violation of the requirement of network performance.

Key words：OFDM，PON，energy efficient，TDM，downstream traffic scheduling