CN102437949A - 基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法 - Google Patents

Abstract

基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法，属于通信网络技术领域，过程如下：设置光网络单元ONU工作负载高门限值HW和低门限值LW；如果业务到达，则采用负载感知的方法确定目的光网络单元ONU，为到达用户从第一跳无线路由器到选中目的光网络单元ONU计算路径，完成上行数据传输；若业务离开，则判断该离开业务所在光网络单元

能否被休眠，若休眠则采用负载感知的方法为

的剩余业务分配光网络单元，否则的状态保持不变；采用本发明的负载感知和选择最大工作负载ONU的方法，避免传统光线性终端与ONU频繁进行“负载信息轮询”所导致的耗能过度问题，并提高ONU资源利用率。

Description

基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，特别涉及一种基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法。

背景技术

近年来，视频会议以及多媒体业务应用愈加频繁与广泛，传统接入技术已经无法满足不断增长的业务带宽需求，覆盖“最后一公里”的接入网已经成为向用户提供宽带业务的瓶颈。

光纤和无线接入已成为两种较可靠的接入网技术，各自具有良好优势。光接入网技术具有大容量、高带宽、低损耗以及防电磁干扰等特点，而无线接入网技术具有低成本以及高灵活性等优势，为用户提供便捷服务，免去铺设光纤费用。有效融合上述两种接入网技术优势是未来接入网发展的必然趋势。

随着网络规模和通信设备数量的不断增长，信息和通信技术(Information andCommunication Technology，ICT)能耗呈近似指数增长。据统计，目前全世界范围内，ICT能耗虽仅占总能耗的8％，但在不久的将来，随着ICT主力军，电信网络的业务量持续增加，相应能耗会快速增长，从而造成ICT领域能量的过度消耗，而能量短缺问题将会成为制约未来ICT和电信网络的发展瓶颈。因此，给出有效的路由方法降低其能耗，对ICT稳定发展是很有必要的。

接入网是连接中心局(Central Office，CO)与用户的“最后一公里”电信网络，是全网重要组成部分之一，占据相当比例的全网能耗。另一方面，由于采用低效的网络路由与能量管理方法，网络资源冗余较为严重，造成不必要的能耗。通过休眠低负载网元，在提高开启网元资源利用率的同时，可节省大部分能耗。因此，针对如何对设备进行负载感知，通过休眠低负载设备降低其能耗对节能型接入网的构建是具有重要意义的。

因此，未来接入网应该是无线与光接入技术相融合的，且是节能的，即混合无线光宽带接入网(Hybrid Wireless Optical Broadband Access Networks，HWOBAN)，可通过有效的基于设备休眠的负载感知型路由方法以减少其“碳足迹”。但是，目前网络能量管理方法主要集中在如何提高网络设备能效上，即改进设备的制作工艺或制造节能型路由器等。此外，目前无线和光接入的节能路由方法是分别独立展开研究，对HWOBAN中基于光网络单元(简称ONU)休眠的负载感知型路由方法研究较少。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法，以达到提高光网络单元ONU利用率，降低网络能耗的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法，包括以下步骤：

步骤1：分别设置光网络单元ONU工作负载高门限值HW和低门限值LW，所述的工作负载高门限值HW应取为光网络单元ONU总容量的80％；所述的工作负载低门限值LW应取为光网络单元ONU总容量的5％；

步骤2：判断业务状态，如果业务到达，则执行步骤3，若业务离开，则执行步骤4；

步骤3：采用负载感知的方法确定目的光网络单元ONU，为到达用户从第一跳无线路由器到选中目的光网络单元ONU计算路径，完成上行数据传输，具体步骤如下：

步骤3-1：初始状态，将网络中所有的光网络单元ONU放入一个集合中，形成初始的备选集；

步骤3-2：随着业务的变化，对备选集进行更新：依次对当前具有工作负载的光网络单元ONU进行感知，如果所述的光网络单元ONU的门限值满足区间[0，HW]，则将所述的光网络单元ONU按降序排列，如果所述的光网络单元ONU的门限值不在区间[0，HW]内，则删除该光网络单元ONU，重复此过程，直至将光网络中所有的光网络单元ONU遍历完毕，形成目的备选集；

步骤3-3：在更新后的目的备选集中，选择第一个光网络单元作为目的光网络单元ONU；

步骤3-4：利用最短路径方法计算由第一跳无线路由器到选中目的光网络单元

之间的业务路径；

步骤3-5：将业务按照步骤3-4的路径上传给目的光网络单元

步骤4：判断业务离开后，该业务所在的光网络单元能否被休眠，休眠的条件为：

(1)业务离开后，光网络单元

当前工作负载小于工作负载低门限值LW；

(2)当前所有激活光网络单元ONU的可用工作总容量满足光网络单元

剩余业务负载需求；

(3)网络单元的剩余业务能找到重路由路径；

若同时满足上面3个条件，则将所述的光网络单元ONU休眠，执行步骤5，否则，所述的光网络单元ONU的状态保持不变；

步骤5：采用负载感知的方法为已休眠的网络单元

的剩余业务分配网络单元ONU，依次按照步骤3-4和3-5所述方法完成剩余业务的上行传输。

本发明的优点：本发明混合无线光宽带接入网中基于ONU休眠的负载感知型路由方法EASLO，采用这种负载感知和选择最大工作负载ONU的方法，一方面，避免传统光线性终端(简称OLT)与ONU频繁进行“负载信息轮询”所导致的耗能过度问题；另一方面，可将尽可能多的业务集中在一个ONU上，从而提高ONU资源利用率；联合运用负载感知、休眠以及重路由机制，其阻塞率要低于传统最小跳数路由方法MHRA，其ONU总能耗同样低于MHRA，节能改善率约为20％。

附图说明

图1为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法混合无线光网络结构示意图；

图2为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法新增功能模块示意图；

图3为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法流程图；

图4为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法ONU总能耗与网络负载关系示意图；

图5为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法阻塞率与网络负载关系示意图；

图6为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法业务平均能耗与网络负载关系示意图；

图7为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法ONU休眠率与网络负载关系示意图；

图8为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法路径总长度与网络负载关系示意图；

图9为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法平均路径长度与网络负载关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例首先构建一个混合无线光宽带接入网络，如图1所示，所构建的无线光宽带接入网络包括24个节点，其中，有20个无线路由节点和4个光网络单元ONU节点，所述的无线路由器是单射频，无线链路之间互不干扰；光网络单元ONU的激活与休眠状态切换是瞬间完成的；只考虑从无线端到光网络单元ONU的上行链路传输与资源分配；用户请求的第一跳无线路由器(即源节点)在网络中随机产生，而目的光网络单元ONU根据动态能量感知获取；用户请求按照平均速率服从参数β的泊松分布到达，建立连接时间服从均值为1/μ的指数分布(这里假设μ＝1)，则网络负载即为β(Erlang)；用户请求到达后，若未建立连接，则直接阻塞该用户请求，即不生成等待序列。

本实施例中，所述网络中网关节点均采用改进后光网络单元ONU控制方法进行控制；光网络单元ONU的改进控制方法是在传统结构的公共部分引入三个新的功能模块，包括负载感知功能模块、休眠功能模块以及重路由功能模块，其中，负载感知功能模块主要用于获取目的网络单元ONU信息；休眠功能模块用于判断当前待离开用户所在网络单元ONU能否进入休眠状态；重路由功能模块用于判断当前待休眠网络单元ONU是否满足重路由条件。三种功能模块协同作用，实现网络单元ONU高效休眠，提高网络单元ONU节能效果，如图2所示。

本实施例中，所涉及的参数定义如下：

V：节点集合，V＝V_onu∪V_wr；

E：无线链路集合，E＝E_wl∪E_o/w；

V_wr：无线路由器节点集合；

V_onu：ONU网关节点集合；

E_wl：前端无线路由器之间的链路集合；

E_o/w：ONU网关与无线路由器之间的链路集合；

ONU_n：第n个ONU网关，1≤n≤|V_onu|；

WR_m：第m个无线路由器，1≤m≤|V_wr|；

s：无线用户请求的第一跳无线路由器，即源节点，s∈V_wr；

目的ONU节点，

1≤n≤|V_onu|；

AT：到达用户数门限；

第k个从源节点s到目的节点

的无线用户请求，且1≤k≤AT；

一条从节点s到目的节点的最优路；

被所占用的、节点i和j之间的一条无线链路，

i，j∈V；

无线链路的最大可用容量；

无线链路

的可用剩余容量；

TC_onu：ONU总容量；

执行ONU_n动作切换(即休眠切换至激活或激活切换至休眠)的总次数；

第m个时间对，记录相邻两个对ONU_n执行不同动作(即休眠/激活)的时刻

与

且

记录第m个时间对中ONU_n的休眠时刻；

记录第m个时间对中ONU_n的激活时刻；

记录ONU_n的持续活跃时间，有 ${\mathrm{ad}}_{\mathrm{onu}}^n=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sleep}\↔\mathrm{active}}^n}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{sleep}}^{n,m}-T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{active}}^{n,m}),$ $T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{acitv}e}^{n,m},T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{sleep}}^{n,m}\∈T_{\mathrm{sleep}\_\mathrm{active}}^{n,m}(T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{slee}p}^{n,m},T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{active}}^{n,m});$

记录ONU_n的持续休眠时间，有 ${\mathrm{sd}}_{\mathrm{onu}}^n=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sleep}\↔\mathrm{active}}^n}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{actve}}^{n,m}-T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{sleep}}^{n,m}),$ $T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{acitv}e}^{n,m},T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{sleep}}^{n,m}\∈T_{\mathrm{sleep}\_\mathrm{active}}^{n,m}(T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{active}}^{n,m},T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{sleep}}^{n,m});$

记录ONU_n的当前工作负载；

记录ONU_n的当前剩余容量；

标识ONU_n的当前状态。如果

则ONU_n处于活跃状态；否则为休眠状态。

HW：ONU的工作负载高门限，HW＜TC_onu；

LW：ONU的工作负载低门限，LW＞0；

CS_{dst_onu}：目的ONU备选集，且|S_{avai_onu}|≤|V_onu|；

ONU活跃状态下功率；

ONU休眠状态下功率；

|δ|：集合δ容量。

本实施例一种基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：根据网络的节能需求以及网络设备的功能级别，分别设置网络单元ONU工作负载高低门限值HW和LW，所述的HW和LW的设置方法为：通过多次实验设置不同HW和LW，并根据网络最佳性能来获取最佳值，多次实验数据表明，HW应取为网络单元ONU总容量的80％，即当网络单元ONU的工作负载超过总容量的80％时，要使用其他网络单元ONU来承载新到达的用户，以避免网络单元ONU超负荷工作所导致的设备制作工艺瓶颈问题；LW应取为网络单元ONU总容量的5％，即用户离开后，若当前离开用户所在网络单元ONU的工作负载低于总容量的5％时，该网络单元ONU具有被休眠的可能，以保证网络始终具有休眠网络单元ONU的能力；

步骤2：判断业务状态，如果为建立连接，则执行步骤3，若为用户请求释放连接，则执行步骤4；

步骤3：更新目的网络单元ONU备选集，在更新后的备选集中采用负载感知方法获取用户请求的目的网络单元ONU，为用户从第一跳无线路由器到选中目的ONU计算路径，完成上行数据传输，其中，所采用的网络单元ONU备选集更新和目的网络单元ONU信息获取方法为：依次对

进行感知；随后，将

的ONU压入备选集CS_{dst_onu}，并按

值的降序排列，完成ONU备选集的更新；在更新后的CS_{dst_onu}中，选择第一个元素

作为目的网络单元ONU；

步骤4：判断网络单元ONU在用户请求离开后，是否具备休眠和重路由其剩余业务条件，若具备，则休眠此网络单元ONU，进行剩余业务的重路由；否则，网络单元ONU状态不作改变；其中，所采用的网络单元ONU休眠和重路由判据方法为：一旦有用户离开，若

则

有被休眠的可能，而

是否被休眠完全取决于重路由条件的判断；若

满足重路由条件，则重路由

中剩余业务后，即可休眠

对具有休眠可能性的进行重路由条件判断：(I)对于

需满足 $\left|{\mathrm{CS}}_{\mathrm{dst}\_\mathrm{onu}}\right|\×({\mathrm{TC}}_{\mathrm{onu}}-\mathrm{HW})+{\mathrm{RC}}_{\mathrm{onu}}^{n^{*}}\≤\underset{n=1,n\≠n^{*}}{\overset{\left|{\mathrm{CS}}_{\mathrm{dst}\_\mathrm{onu}}\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{RC}}_{\mathrm{onu}}^n,$ 该条件说明，当前所有激活ONU的可用工作总容量要满足剩余业务负载需求；(II)采用最小跳数算法依次为待重路由业务按照步骤3所述方法重新选择目的ONU，成功找到所有条重路由路径。若同时满足上述两个条件，则

被休眠，其剩余业务按照步骤5所述方法完成重路由。计算目的ONU持续休眠时间；计算执行重路由操作的ONU持续激活时间；统计ONU总能耗，其方法为：按照步骤3所述方法选定目的ONU为

后，若

为休眠状态，则将其激活，并记录激活时刻压入相应时间对

按照步骤4所述方法认定

可被休眠后，则将其休眠，并记录休眠时刻

压入相应时间对

计算

持续休眠时间 ${\mathrm{sd}}_{\mathrm{onu}}^{n^{*}}=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sleep}\↔\mathrm{active}}^{n^{*}}}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{actve}}^{n^{*},m}-T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{sleep}}^{n^{*},m});$ 持续激活时间 ${\mathrm{ad}}_{\mathrm{onu}}^{n^{*}}=\underset{m=0}{\overset{N_{\mathrm{sleep}\↔\mathrm{active}}^{n^{*}}}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{sleep}}^{n^{*},m}-T_{\mathrm{onu}\_\mathrm{active}}^{n^{*},m}).$ 因此，ONU总能耗 $\mathrm{TEC}=P_{\mathrm{onu}}^{\mathrm{active}}\·\left(\underset{n=1}{\overset{\left|V_{\mathrm{onu}}\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ad}}_{\mathrm{onu}}^n\right)+P_{\mathrm{onu}}^{\mathrm{sleep}}\·\left(\underset{n=1}{\overset{\left|V_{\mathrm{onu}}\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{sd}}_{\mathrm{onu}}^n\right).$

步骤5：采用负载感知的方法为已休眠的网络单元

的剩余业务分配光网络单元ONU，依次为剩余业务从各自第一跳无线路由器到各自被分配的光网络单元计算路径，完成上行传输。

对实施例所提EASLO方法与传统最小跳数路由方法MHRA的ONU总能耗(TEC)进行比较，通过图4可知，在网络负载较小时，EASLO的节能效果明显优于MHRA，而在网络负载较大时，虽然节能效果不再明显，EASLO仍具有较MHRA更低的总能耗。这是因为，在EASLO中，当网络负载较小时，只需少数ONU即可满足全网用户负载需求，其他ONU多半处于休眠状态，而休眠状态下的功率要更低；而当网络负载较大时，几乎所有ONU都将开启才能满足全网用户负载需求。但在用户到达初期，由于EASLO只需暂时开启一个ONU，而随着用户数的增多，方可开启其它ONU，较完全不考虑ONU休眠的MHRA算法，EASLO仍实现一定程度上的能量节约。EASLO的TEC平均改善率约为20％。

对本实施例所提EASLO方法与传统最小跳数路由方法MHRA的阻塞率(BP)进行比较，通过图5可知，当网络负载较低时，EASLO和MHRA均呈现零阻塞。但当网络负载较高时，阻塞率随着网络负载的增加而增大。这是因为，在网络负载较低时，网络设备与无线链路资源相对充足，因此不会产生由于资源不充足而造成的业务阻塞现象。但在网络负载较高时，业务到达与离开的频繁度增加，网络资源分配与释放动作频繁，业务被阻塞的可能性提高。更重要的是，当网络负载较高时，EASLO具有更低的阻塞率，这是因为，此阶段重路由更加频繁，而业务将被重路由到其他多个高工作负载的ONU上，具有一定的负载均衡效果，阻塞率更低。

对本实施例所提EASLO方法与传统最小跳数路由方法MHRA的业务平均能耗(AEC)进行比较，通过图6可知，EASLO的AEC值要比MHRA低，也就是说，EASLO中每个成功建立连接用户占用ONU的平均能耗较少，具有更好的节能效果。这是因为，采用负载感知休眠与重路由机制后，EASLO所消耗的全网能耗更低，同时其阻塞率更小，即成功建立连接用户数更多，进而，EASLO的平均能耗更低。

对本实施例所提EASLO方法与传统最小跳数路由方法MHRA的ONU休眠率(SDR)进行比较，通过图7可知，EASLO的SDR值明显高于MHRA，即EASLO中的ONU可长期处于休眠状态，进而促进网络节能的实现。当网络负载较低时，EASLO可以在几乎一半的仿真时间内保持网络中具有处于休眠状态的ONU，但当负载逐渐增加，ONU的关闭率在逐渐下降。这是因为，随着负载的增加，ONU和无线链路资源相对稀缺，满足重路由条件的ONU逐渐减少。而MHRA中的全部ONU一直处于激活状态，关闭率恒定为0。

对本实施例所提EASLO方法与传统最小跳数路由方法MHRA的总路径长度(TPL)进行比较，通过图8可知，当网络负载较低时，EASLO方法的总路径长度略高于MHRA，当网络负载较高时，两者的路径长度基本相当。这是因为，网络负载较低时，ONU在很多情况下都不会处于满置或高负载状态，则在EASLO中满足重路由条件的ONU数较多，而频繁的重路由造成路径长度的相应增加。但在网络负载较高时，ONU和无线链路资源相对稀缺，满足重路由条件的ONU逐渐减少，两种方法的路径长度差别也逐渐缩小。EASLO的TPL平均折损率仅为1.5％。图9比较了在不同网络负载情况下两种算法的平均路径长度。从图中可以看出，两者的平均路径长度基本相当。

Claims (1)

1.一种基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：分别设置光网络单元ONU工作负载高门限值HW和低门限值LW，所述的工作负载高门限值HW应取为光网络单元ONU总容量的80％；所述的工作负载低门限值LW应取为光网络单元ONU总容量的5％；

步骤2：判断业务状态，如果业务到达，则执行步骤3，若业务离开，则执行步骤4；

步骤3：采用负载感知的方法确定目的光网络单元ONU，为到达用户从第一跳无线路由器到选中目的光网络单元ONU计算路径，完成上行数据传输，具体步骤如下：

步骤3-1：初始状态，将网络中所有的光网络单元ONU放入一个集合中，形成初始的备选集；

步骤3-2：随着业务的变化，对备选集进行更新：依次对当前具有工作负载的光网络单元ONU进行感知，如果所述的光网络单元ONU的门限值满足区间[0，HW]，则将所述的光网络单元ONU按降序排列，如果所述的光网络单元ONU的门限值不在区间[0，HW]内，则删除该光网络单元ONU，重复此过程，直至将光网络中所有的光网络单元ONU遍历完毕，形成目的备选集；

步骤3-3：在更新后的目的备选集中，选择第一个光网络单元

作为目的光网络单元ONU；

步骤3-4：利用最短路径方法计算由第一跳无线路由器到选中目的光网络单元

之间的业务路径；

步骤3-5：将业务按照步骤3-4的路径上传给目的光网络单元

步骤4：判断业务离开后，该业务所在的光网络单元

能否被休眠，休眠的条件为：

(1)业务离开后，光网络单元

当前工作负载小于工作负载低门限值LW；

(2)当前所有激活光网络单元ONU的可用工作总容量满足光网络单元

剩余业务负载需求；

(3)网络单元

的剩余业务能找到重路由路径；

若同时满足上面3个条件，则将所述的光网络单元ONU休眠，执行步骤5，否则，所述的光网络单元ONU的状态保持不变；

步骤5：采用负载感知的方法为已休眠的网络单元的剩余业务分配网络单元ONU，依次按照步骤3-4和3-5所述方法完成剩余业务的上行传输。

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