CN103347221B - 一种针对EPON(Ethernet Passive Optical Network)的阀值讨论式节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于EPON(Ethernet Passive Optical Network)的阀值讨论式节能方法，其步骤包括：1、OLT和ONU之间互发MPCP数据帧，完成ONU的加入注册；2、OLT记录所有ONU的状态信息，形成一张状态表并进行周期性的检测；3、把从服务网络接口(SNI-Service Network Interface)来的下行数据帧和ONU来的上行数据帧存储在OLT端的本地缓存器中；4、根据下行数据帧长，上行数据帧长以及预先设置的阀值三者之间的关系，计算出时隙分配方案；5、根据所分配的时隙计算出ONU的下一个轮训周期长度，并推算出睡眠时间(属于该ONU的时隙)和醒来时间(属于其它ONUs的时隙)；6、在OLT端组装新的GATE授权帧，以广播形式向ONU发送；7、OLT与所有ONU进行交互通信直到接收到来自于所有ONU的REPORT报告帧；8、OLT端对ONU状态信息表进行更新；本发明既能考虑到OLT端的数据延迟又能尽最大努力降低能耗，因此能够实现学术上和工业上的期望目标。

Description

一种针对EPON(Ethernet Passive Optical Network)的阀值讨论式节能方法

技术领域

本发明涉及接入网的节能技术领域，特别涉及基于EPON终端的动态节能。

背景技术

目前，用户对带宽服务的需求不断增加，无源光网络(PON-Passive Optical Network)以其高带宽、多用户和接入方便等优点逐渐成为有线宽带接入的最佳选择之一。另外，以太网(Ethernet)依靠其简单实用、价格低廉和适宜承载IP数据包等特性，逐渐向接入网和骨干网渗透。而以太网和无源光网络相结合得到的基于以太网的无源光网络(EPON-EthernetPassive Optical Network)同时具备了两者的优点，已经成为了光接入网领域中的热门技术。与此同时，根据有关绿色网络的研究发现，在构成网络的所有组成部分中，接入网的能耗大致占了整个网络能耗的75％，并且考虑到宽带接入网的快速扩展性，以及未来用户的数量和可预见的数据传输速率应该是不断地增加，所以，相信未来接入网的能耗一定是向着越来越高的趋势发展。因此，接入网节能在网络节能中已经成为了一个重要的分支，是近年来互联网领域备受关注的前沿方向和研究热点，其在各方面的应用已经成为学术界和工业界共同关注的一个焦点。近年来，通过研究人员不懈地努力，接入网节能领域涌现出了大量新颖的节能机制，将接入网的节能效率一次又一次地提高，向着经济环保实用的方向不断迈进。当前，基于以太网的无源光网络节能方法的研究较之以前已经取得了很大的进步，但是绝大部分的节能机制在减少能耗的过程中都或多或少地会损坏服务质量(QoS-Quality of Service)。这主要是因为以往的算法都没有考虑到从服务网络接口(SNI-Service Network Interface)下行发送到OLT端的数据帧的情况，导致了OLT端缓存器中数据帧出现大量冗余，造成了服务质量的损害，特别是数据延迟的增加。

从研究的切入点来看，当前的研究方法大致可分为两类：第一类是基于接入网中ONU端的节能机制。在通常情况下，ONU端的发送机和接收机都是一直处于工作状态，其中，在上行方向上，ONU端在接收到GATE授权帧之后，会在分配给自己的时隙中向OLT端发送数据，在下行方向上，OLT端以广播的形式把数据发送给所有的ONU，ONU在整个时间内都会保持醒来的状态以便监听OLT端的信息，对于和自己相匹配的下行数据给予接收并且完成同步的操作。该节能机制致力于使得ONU端只在需要向OLT端发送上行数据时处于工作状态，在不需要发送上行数据时处于睡眠状态，从而降低ONU端的能耗；第二类是基于接入网中OLT端的节能机制。该节能机制致力于对现有OLT结构进行改造，在OLT的内部增加一种称之为光线路卡(Optical Line Card)的装置，使得OLT端能够根据ONU端上报的信息实时地改变处于工作状态的光线路卡的数量，在满足网络交互通信的前提下，只打开必要数量的光线路卡，从而降低OLT端的能耗。当前的主流研究方向是立足于ONU端的工作机制。

尽管基于以太网的无源光网络节能已经取得了很大的突破，但和工业上所期望的节能效果还存在一定的差距，还有一些问题没有解决，需要我们不懈地努力与探索。主要难点有：1)ONU端时隙请求的数据形式问题。ONU端可以把数据带宽请求封装在REPORT报告帧中，也可以把数据帧长请求封装在REPORT报告帧中，然而对于封装的不同信息，OLT端处理的时间开销和空间开销都不一样，产生的能耗也不一样；2)OLT端数据延迟问题。OLT端在给ONU端分配时隙的时候，不考虑本地缓存器中临时存储的数据帧，这往往会造成下行数据帧的大量冗余，使得对数据敏感性要求较高的用户的需求得不到保证，从而出现以牺牲大量服务质量为代价的网络节能情况。

发明内容

一种基于EPON的阀值讨论式节能方法，能够充分考虑到OLT端数据延迟和ONU端睡眠机制之间的关系，能够在不过多违反网络服务质量的前提下尽最大可能减少能耗。本发明运用分类讨论的数学思想，一方面，充分考虑了从服务网络接口(SNI)来的并存储在OLT端临时缓存器中的下行数据帧的情况；另一方面，充分考虑了ONU端的时隙请求信息。因此，本发明既能缓解以往算法中所存在的数据延迟严重、网络服务质量低的问题，又能使得ONU端的睡眠时间尽可能的多，从而提高节能效率。本发明方法包括以下步骤：

步骤1，OLT端和ONU端之间互发MPCP数据帧，完成ONU的加入注册。

步骤2，OLT端记录所有ONU的状态信息(开始发送上行数据的时刻、开始进入睡眠状态的时刻、开始进入醒来状态的时刻、在下一个周期中请求的时隙长以及OLT实际分配的时隙长)并形成一张表，在准备发送GATE授权帧之前，周期性地轮询检测本地的ONU状态信息表。

步骤3，把从服务网络接口(SNI)来的下行数据帧和ONU端来的上行数据帧存储在OLT端的缓存器中，缓存的数据帧与ONU一一对应。

步骤4，根据下行数据帧长，上行数据帧长以及预先设置的阀值三者之间的关系，计算出即将为某一个光网络单元(ONU)分配的时隙。

步骤5，根据所分配的时隙计算出某一个ONU在下一个轮询周期中的时间长度，并推算出在下一个轮询周期中的睡眠时间(分配给该ONU的时隙)和醒来时间(分配给其它ONUs的时隙)。

步骤6，在OLT端组装新的GATE授权帧，帧中包括即将给ONU端分配的时隙信息和发送的下行数据，并在发送时刻到来时向所有的ONU以广播的形式发送。

步骤7，ONU端接收到来自于OLT端的广播GATE授权帧后，通过LLID的匹配，接收发送给自己的授权帧，丢弃掉发送给其它ONU的授权帧。相应的ONU从授权帧中提取出时隙分配信息，学习到了OLT给自己所分配的时隙范围。当属于自己的时隙到来时，ONU检测本地缓存器中临时缓存的上行数据帧，组装新的REPORT报告帧并以时分多址的形式发送给OLT端。OLT与所有ONU进行交互通信直到接收到来自于所有ONU的REPORT报告帧。

步骤8，OLT端从接收到的REPORT报告帧中提取出ONU状态信息并在本地所维护的状态信息表中进行更新。

步骤9，OLT端对本地所维护的ONU状态信息表进行下一轮周期性地检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显然地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得更多的附图。

附图1是本发明中基于以太网的无源光网络工作结构示意图；

附图2是本发明中分类讨论节能算法实现的流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

附图1是本发明中基于以太网的无源光网络的工作结构示意图：

从功能上看，基于以太网的无源光网络(EPON-Ethernet Passive Optical Network)可以分为三个组成部分，分别是：1个OLT模块、1个ODN模块以及若干个ONU模块。其中，OLT模块处于中心局，ONU模块处于用户端，ODN模块处于OLT模块和ONU模块之间。

整个无源光网络的运行特征可以概述为：在EPON中OLT端将由Ethernet帧组成的下行帧向ONU端广播发送信息，每个ONU都会接收到全部的数据流，然后根据ONU的媒体访问控制(MAC)地址提取出特定的数据包。EPON的上行信道则采用时分多址技术，将上行信道划分为若干时隙，每个时隙内安排一个ONU发送一个上行分组，即由OLT端安排ONU端按照一定的顺序依次向上发送Ethernet数据帧。为了保证各个ONU发送的数据包在上行发送时不发生相互碰撞，需要严格对各个ONU的发送进行定时。

在整个基于以太网的无源光网络中，OLT端和ONU端之间的交互可以分为两个阶段：前一阶段，即ONU的注册阶段；后一阶段，即OLT对ONU的管理阶段。

在前一阶段中，各个模块的具体功能和处理流程如下：

1)OLT发送一条Discovery Gate广播信息(LLID为32767)，消息的内容包括发现窗口的长度、开始时间，以及物理层的一些参数。2)所有未注册的ONU收到Discovery Gate消息后，在发现窗口开始时等待一个小于窗口的随机时间(为避免注册冲突)，然后发送Register_req消息，在其中包括了ONU的MAC地址和表示其能力的Pending grant值。3)OLT接收到Register_req消息后，开始为其分配新的LLID并将LLID和ONU的MAC地址绑定，并计算循环时间(RTT-Round Trip Time)，然后给ONU发送Register消息，消息的内容包括分配给这个ONU的LLID值、OLT所支持的ONU能力、以及对ONU能力的回应等。4)OLT已经拥有了ONU的足够信息，再向ONU发送Gate消息并等待回应，如果收到包含一系列确认信息的Register_ack消息则发现过程完成。

在后一阶段中，各个模块的具体功能和处理流程如下：

所有的ONU在发送数据时共享同一传输信道，为此需要有一种机制来避免数据冲突，并公平分配信道带宽。这就需要为每一个ONU分配一个互不重叠的传输窗口(时隙)。EPON系统采用动态带宽分配算法(DBA-Dynamic Bandwidth Allocation)，根据各个ONU的情况实时地改变ONU的上行带宽，这里涉及到GATE和REPORT两中数据帧来实现ONU的动态带宽分配。所有的ONU都通过REPORT报告帧周期性地向OLT端申请带宽，OLT端在接收到数据帧后将其传送到内部的DBA模块。然后DBA模块根据所有ONU的带宽请求信息，通过一个公平合理的动态带宽分配算法计算出应给予的带宽，并通过GATE授权帧告诉ONU端应发送数据的时隙，ONU根据相应的时隙发送信息。

ONU端向OLT端发送的REPORT报告帧包含ONU中8个队列(如果存在的话)请求传输数据的大小，OLT端将根据队列中等待传输数据的大小以及队列的优先级进行带宽的分配和流量的控制。

附图2是本发明中阀值讨论式节能算法实现的流程图。该方法包括：

S201、通过MPCP协议完成所有ONU的注册

ONU端在和OLT端交互信息之前首先需要完成注册，使得OLT端能够确认ONU的合法性，进而向ONU分配时隙并与之通信。在ONU的注册过程中，主要涉及到的协议是多点控制协议(MPCP-Multi Point Control Protocol)。OLT端和ONU端彼此互发注册请求帧(Register_req)、注册帧(Register)以及注册确认帧(Register_ack)通过三次握手来完成ONU的注册。

S202、检测OLT端的ONU状态信息表

在OLT端维护一张信息表(如表1)，该表用于记录所有已经完成注册的ONU的状态信息，其中包括：开始发送上行数据的时刻、开始进入睡眠状态的时刻、开始进入醒来状态的时刻、在下一个周期中请求的时隙长以及OLT实际分配的时隙长。OLT对状态信息表进行循环不断地检测。

表1OLT端动态维护的ONU状态信息表

S203、判断发送下行GATE授权帧的时刻是否到来

考虑到EPON系统的运行机制，OLT只能够在准备发送下行GATE授权帧的时刻到来时通过GATE授权帧向ONU发送时隙分配信息和下行数据。如果该时刻没有到来，OLT会继续检测所维护的状态信息表，否则进入S204。

S204、检测OLT端本地缓存器中临时存储的数据帧

上层应用存在随机性，在OLT端与ONU端进行交互的时候，会从SNI不时地发送下行数据到达OLT端，进入特定的缓存器临时存储起来。针对不同的ONU，OLT分别检测准备发送给该ONU的下行数据帧。

S205、OLT缓存器中数据帧的长度与预先设定的门限值进行比较

在本发明所提出的阀值式讨论算法中，有一个非常重要的参数，阀值。对临时存储在OLT端缓存器中的下行数据帧和预先设定的阀值进行比较，根据不同的比较结果，推导出时隙分配方案并告知给相应的ONU。为在第n个轮询周期中，OLT端给第i个ONU实际分配的授权帧长，为在第n个轮询周期中，从SNI来的存储在OLT端缓存器中即将发送给第i个ONU的数据帧长，为在第n个轮询周期中，第i个ONU所请求的平均数据帧长，Len_thr为在OLT端预先设置的阀值。

${\mathrm{Len}}_i^n=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Len}}_{thr}& {\mathrm{Len}}_{olt,i}^n\≥{\mathrm{Len}}_{thr}\≥{\mathrm{Len}}_{onu,i}^n\\ {\mathrm{Len}}_{thr}& {\mathrm{Len}}_{onu,i}^n\≥{\mathrm{Len}}_{thr}\≥{\mathrm{Len}}_{olt,i}^n\\ {\mathrm{Len}}_{onu,i}^n& others\end{array}\right.$

一方面，如果存储在OLT端缓存器中的数据帧的长度小于预先设定的阀值，则进一步对阀值和ONU所请求的平均数据帧的长度进行比较，在这种情形下，如果是阀值较小，就会依照阀值来计算出即将分配给ONU的上行时隙；另一方面，如果存储在OLT端缓存器中的数据帧的长度大于预先设定的阀值，则进一步对阀值和ONU所请求的平均数据帧长度进行比较，在这种情形下，如果是阀值较大，就会同样依照门限值来计算出即将分配给ONU的上行时隙。除此之外的任何情况，OLT端都会依照来自于ONU端的请求来向该ONU分配上行时隙，从而尽可能多的满足ONU端的请求。

S206、计算出OLT与所有ONU交互所需的时间(轮询周期)

OLT端与所有的ONU进行交互通信采用的是动态轮询机制。上行方向上，所有的ONU在采用时分多路复用技术的基础上还维持着一个间隔保护时间。R_i为网络中，第i个ONU的上行传输速率；为在第n个轮询周期内，第i个ONU所获得的上行时隙；T_g为所有的ONU发送的数据帧之间所保留的间隔，以防止帧与帧之间发生重叠，从而起到保护作用；为第i个ONU的第n个轮询周期时间长度；T_recv为ONU的时钟恢复时间；T_sync为网络同步时间

$T_{subframe-UL,i}^n={\mathrm{Len}}_i^n/R_i$

$\begin{array}{c}{T}_{cycle,i}^n={\Σ}_{i=1}^M{T}_{subframe-UL,i}^n+M*T_g\\ ={\Σ}_{i=1}^M({\mathrm{Len}}_i^n/R_0)+M*T_g\end{array}$

T_overhead＝T_recv+T_sync

S207、计算出ONU在下一个轮询周期中的睡眠时间和醒来时间

睡眠时间，即OLT分配给该ONU的时隙时间；醒来时间，即OLT分配给其它的ONU的时隙时间总和；其中，ONU在从睡眠状态转变为醒来状态时会存在一个过渡时间，即时钟恢复时间和网络同步时间之和

$T_{awake,i}^n=T_{overhead}+T_{subframe-UL,i}^n$

$T_{sleep,i}^n=T_{cycle,i}^n-T_{overhead}-T_{subframe-UL,i}^n$

S208、组装新的GATE授权帧并发送给ONU

OLT端把存储在缓存器中的数据帧连同计算好的时隙分配信息组装成新的GATE授权帧，并在下行发送时刻到来时，以广播的形式向所有的ONU发送。

S209、OLT端和ONU端相互通信直到接收到来自于ONU端的REPORT报告帧

OLT端向ONU端发送GATE授权帧，ONU端接收到授权帧后，结合自己本地缓存器中的上行数据帧信息，在属于自己的时隙中向OLT端发送REPORT报告帧，以此来实现位于中心局的OLT对位于局端的ONU的管理。

S210、OLT把REPORT帧中的信息更新到ONU状态信息表中

OLT端从接收到的REPORT报告帧中提取出与ONU端相关的信息，并对本地ONU状态信息表进行动态的更新，以便下一轮的周期性检测。

本实施例提供的方法，对基于以太网的无源光网络的工作机制以及OLT的结构进行了改进，使得OLT端的数据延迟得到了减缓，满足了ONU端对数据敏感性要求较高的客户的需求；与此同时，ONU端的睡眠时间得到了增加，与原来的工作机制相比较，整个无源光网络的节能效率得到了改善。

以上所述，仅为本发明较为常见的实施方案及装置，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，通过对其中的技术特征进行修改便可轻易达到等同替换的效果，这些修改和替换并没有脱离本发明实施例技术方案的精神，因此，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于阀值比较的EPON动态节能方法，其特征在于，采用分类讨论的数学思想，根据到达光线路终端OLT的下行数据帧长，上行数据帧长以及预先设置的阀值三者之间的关系；当阀值处于上行数据帧长和下行数据帧长之间时，以阀值作为计算时隙的基础，其它的情况均以ONU端的请求数据帧长作为计算时隙的基础，为所有的光网络单元ONU分配时隙；光网络单元ONU在属于自己的时隙中处于醒来状态，向OLT端发送上行数据以及在下一个周期中的时隙请求信息，在属于其它ONU的时隙中处于睡眠状态，并综合考虑网络数据延迟和节能效率之间的关系在OLT端预先设置阀值；其中，OLT端给ONU端发送的下行数据连同分配的时隙信息一起封装在新组装的GATE授权帧中，ONU端给OLT端发送的上行数据连同ONU在下个周期所打算请求的数据帧长一起封装在REPORT报告帧中。

2.根据权利要求1所述的EPON动态节能方法，其特征在于：

在OLT端的本地缓存器中临时存储从ONU端上行来的时隙请求信息和从服务网络接口SNI下行来的数据信息，利用预先设置的阀值进行三者之间的比较，根据出现的不同情况为所有的ONU分配时隙，从而达到减少ONU端能耗和减缓OLT端数据延迟的双重目的；其具体的方法步骤包括：

1)检测存储在OLT端的ONU状态信息表；

2)把从服务网络接口SNI和ONU端来的数据帧临时存储在OLT端的本地缓存器中；

3)根据下行数据帧长，上行数据帧长以及预先设置的阀值三者之间的关系，计算出即将为某一个光网络单元ONU分配的时隙；

4)根据某一个ONU所获得的时隙信息，计算出该ONU在下一个轮询周期中的睡眠时间和醒来时间；

5)在准备发送GATE授权帧的时刻组装新的GATE帧，该GATE帧包括时隙分配信息和下行数据信息；

6)OLT端和ONU端彼此利用GATE授权帧和REPORT报告帧完成交互，从而实现OLT端对ONU端的管理；

7)当OLT端接收到来自于ONU端的REPORT报告帧时，把相应的ONU的时隙请求信息更新到本地的ONU状态信息表中；

8)对ONU状态信息表进行下一轮检测。

3.根据权利要求2的EPON动态节能方法，其特征在于：

步骤1)给出OLT端本地维护的一张ONU状态信息表，里面记录了所有ONU的开始发送上行数据的时刻、开始进入睡眠状态的时刻、开始进入醒来状态的时刻、在下一个周期中请求的时隙长以及OLT实际分配给ONU的时隙长等信息。

4.根据权利要求2的EPON动态节能方法，其特征在于：

步骤2)OLT设计一个特殊结构的缓存器用于存放从服务网络接口SNI来的下行数据帧和从ONU端来的上行数据帧，其中ONU数目与缓存器中的区域数目一一对应。

5.根据权利要求2的EPON动态节能方法，其特征在于：

步骤4)给出数据帧长和时隙分配之间的换算关系，在计算的过程中考虑了数据帧之间的保护间隔。

6.根据权利要求2的EPON动态节能方法，其特征在于：

步骤7)当OLT端接收到来自于ONU端的REPORT报告帧时，提取出ONU在下一个轮询周期中请求的数据帧长度，并把此信息更新到本地的ONU状态信息表中，以便进行下一次轮询。