CN106792284A - 一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法。现有的基于ONU休眠的节能机制未能在节能效率和数据包时延之间做个很好的权衡，不能根据不同服务等级来调整ONU的休眠时间，也没有同时结合光与无线两种网络来确定ONU的最佳休眠时间。因此，本发明为了提高网络的节能效率，同时让数据包满足时延要求，在计算ONU的最佳休眠时间时，充分考虑了数据包的不同服务等级。同时，对光网络的时延就行了分析。基于数据包的时延要求和光与无线网络的时延，得到ONU的最佳休眠时间。另外，针对ONU休眠导致下行数据包时延增加的问题，采用了自适应网关选取策略。本发明所提出的设计方法能够在满足数据包时延要求的同时，有效降低网络的能耗。

Description

一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法

技术领域

本发明属于光无线混合宽带接入网络通信技术领域，涉及一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法。

背景技术

近年来，高带宽应用的爆炸式增长，给需要具有低成本、高容量、接入灵活特性的“最后一公里”宽带接入网带来了很大的挑战。作为当今主流接入网技术，无源光网络(Passive Optical Network，PON)具有卓越的高带宽和稳定性特性，被广泛地认为是一种完美的解决方案。然而，PON并不能保证用户随时随地的接入，并且其部署成本比较大。作为另一种选择的无线接入网，由于其接入灵活和开销经济，越来越受到大家的欢迎。然而，稀缺的频谱资源严重地限制了无线接入网的带宽容量。为了充分利用PON和无线接入网各自的优势，给用户提供高带宽并且确保用户灵活接入，研究人员提出了光无线融合宽带接入网络(Hybrid Optical-Wireless Broadband Access Network，HOWBAN)。

与其他接入网类似，能耗问题是HOWBAN要解决的关键问题之一。统计结果表明，信息与通信技术(Information and Communication Technology，ICT)的能量消耗已经占到了全球能量消耗的8％，预计这个数字在未来几年会急剧增加。同时，作为整个网络中的重要部分，接入网消耗的能量占到了ICT消耗能量的大约70％。作为接入网的一种，HOWBAN由大量的接入设备组成，并且这些设备长时间处于开机状态，消耗了大量能量，因此有必要在HOWBAN中采取节能措施来降低其能量消耗。研究表明ONU消耗的能量占到了PON能量消耗的60％，因此，HOWBAN中广泛采用控制ONU休眠的方式来实现节能。

目前，针对HOWBAN的特点，国内外研究人员提出了多种ONU休眠机制，主要研究重点集中于光域ONU的休眠，其核心思想为使低负载ONU休眠来降低网络能耗，或者让ONU休眠时间为固定值。但上述思想均未考虑在设定ONU休眠时间时，充分考虑不同服务等级，以及同时结合数据包在光域和无线域的时延，这势必会导致网络的节能效率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，能够在满足数据包时延要求的同时，有效降低网络的能耗。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，包括以下步骤：

1)基于上行中心调度机制，设计基于绿色动态带宽分配方案，对休眠以及活跃状态的时间点进行计算，并依据计算结果进行休眠和唤醒；

2)对于上行数据包，通过对数据包排队时延、传输时延和传播时延的分析，得到数据包在光域的时延；

3)上行数据包根据时延要求和不同服务等级计算出ONU的最佳休眠时间，转至步骤5)；

4)对下行数据包分情况进行时延分析，并设计自适应网关选取策略，选择出时延最小的ONU来转发下行数据；

5)ONU进行休眠控制。

进一步的，所述绿色动态宽带分配方案为：OLT在收到所有ONU的Request消息后，开始为每一个ONU计算休眠时间并分配传输时隙，然后给所有ONU发送Grant消息，以告知ONU具体的休眠时间和为其分配的时隙，ONU在传输时隙内处于活跃状态并传输上行数据；反之ONU进入休眠状态。

进一步的，所述休眠以及活跃状态的时间点计算方法为：

在绿色动态宽带分配方案中，ONU在一个轮询周期内最多可以进入休眠阶段两次，第一次休眠阶段T_i ^s,1为ONU收到其Grant消息到其开始传输接收到的上行数据包，第二次休眠阶段T_i ^s,2为ONU发送了Request消息直到收到新的Grant消息；

ONU_i第一次休眠开始时刻为：

ONU_i第一次休眠结束时刻为：

活跃状态开始时刻为：

活跃状态的结束时刻为：

第二次休眠开始时刻为：

第二次休眠结束时刻为：

其中为第n次轮询中第一个被轮询的ONU收到Grant消息的时刻，则为Grant消息的处理时间，为两个Grant消息之间的保护时间，T_i ^o,1为ONU_i结束第一次休眠后由休眠状态转换到活跃状态所用时间，UB_i为分配的上行带宽，R为下行传输速率。

进一步的，所述数据包在光域的时延的分析计算方法为：

采用M/G/1模型来分析光域的总时延，在此模型中，总空闲时间v_i＝v_c+T_i ^s+T_i ^o；其中T_i ^o为ONU_i从休眠状态转换到活跃状态所用的总开销时间，T_i ^s为ONU_i总的休眠时间；令 为Request消息的处理时间，为Grant消息的处理时间，为Request消息的传输时间；

用c表示数据包的优先级，令c＝1，2，3分别对应ONU中维护三个优先级队列EF、AF、BE等级，第i个ONU中等级为c的数据包ξ经历的总时延D_c,i(ξ)为：D_c,i(ξ)＝W_c,i(ξ)+T_i ^prop+X_c,i(ξ)，

其中W_c,i(ξ)为排队时延，其值为：

其中T_i ^prop为传播时延，其值为d_i为光纤长度，C_light为光纤上的传输速率；

X_c,i(ξ)为传输时延，其值为

得到一个数据包在光域的总时延期望值为：

其中λ代表ONU中数据包到达率，μ代表ONU中数据包的服务率，ρ＝λ/μ。

进一步的，所述计算出ONU的最佳休眠时间方法为：

数据包在光域和无线域的总时延不能超过相应的时延要求，表达为其中为服务等级为c的数据包的时延要求，E[P]为无线域的平均时延；

可得休眠时间：

为了使ONU休眠时间应尽可能长，进而可得：

由于每个ONU中有三个优先级队列，为了满足所有优先级的时延要求，则ONU_i的最佳休眠时间应该为：

进一步的额，所述自适应网关选取策略为：记录下行数据包Q到达OLT的时刻t，然后分情况进行分析：

(a)若令t时刻OLT中各ONU缓存队列中的下行数据包个数为可得数据包Q在OLT中的时延为：

其中C_olt为OLT的下行速率，L为数据包平均长度，表示在OLT中的排队时间为，τ_onu代表在OLT的传输时间，

在ONU中的时延为：

其中代表在ONU中的排队时间、τ_onu代表在在ONU的传输时间，C_onu代表ONU的下行速率；

进而可得数据包Q在光域的时延t_pon：

其中t_fber代表数据包Q在光纤上传播时延；

因此到达用户终端所消耗的总时延：

其中d_w为无线域平均时延，P_k表示第k条路径，E[T_o]为链路o上的平均时延；

若i,j∈(1,N)，为了使下行数据包Q的总时延最小，应选择ONU_j来转发数据，也就是说，OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列；

(b)若ONU_i已服务时间为则可得数据包Q在OLT中的时延为：

在ONU中的时延为：

进而可得到达用户终端所消耗的总时延为：

上述计算是基于ONU_i仍有下行传输时隙，也即ONU_i已经接收的下行数据小于UB_i，若ONU_i已经没有下行传输时隙，则不再考虑ONU_i，而从ONU_i+1,ONU_i+2,…,ONU_N中选择出转发ONU；

若计算出数据包Q从ONU_i转发所消耗的总时延后，需要计算数据包Q从ONU_i+1,ONU_i+2,…,ONU_N转发所消耗的总时延其计算方法同情况(a)中的计算方法一样，可得数据包Q所消耗的最小总时延为：i,j∈(1,N)，则OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列中；

(c)若此时所有ONU已经完成第n次轮询周期内的数据传输，并且所有ONU的第n+1次轮询均未开始，数据包Q只能在第n+1次轮询周期内传输，为了使下行数据包的时延最小，需要对下行数据包分别经过ONU₁,ONU₂,…,ONU_N情况下的时延进行分析；此时将情况(a)计算中的替换成可得数据包Q自从t时刻到达OLT，经过ONU_i转发，直到最终到达用户终端所消耗的总时延为：

若i,j∈(1,N)，OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列。

本发明的有益效果在于：通过对数据包排队时延、传输时延和传播时延的分析，进一步得到了数据包在光域的时延，然后根据数据包的时延要求和不同服务等级，计算出了ONU的最佳休眠时间。考虑到ONU休眠导致下行数据包时延增加的问题，设计了自适应网关选取策略。本发明能够在满足数据包时延要求的同时，有效降低网络的能耗。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中HOWBAN的结构图；

图2为本发明中基于时延感知的带有自适应网关选取的节能机制流程图；

图3为本发明中绿色动态带宽分配过程；

图4为本发明中一个轮询周期的抽象图；

图5为本发明中OLT的部分结构；

图6为本发明中自适应网关选取策略流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

HOWBAN结合了PON和无线接入网各自的优点，能够给用户提供高带宽和确保用户灵活接入。如图1所示，它由后端的以太PON(Ethernet Passive Optical Network，EPON)和前端的无线网状网络(Wireless Mesh Network，WMN)组成。在后端的EPON部分，放置在中心局(Central Office，CO)的光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)通过光纤与分光器(splitter)相连，然后一个分光器通过光纤与多个光网络单元(Optical Network Unit，ONU)相连。HOWBAN的前端是由多个无线路由器组成的网状网络，其中与ONU直接相连的为无线网关，它完成了无线网络与光网络之间的数据传输。分布于住宅区和商业区的用户端(User End，UE)通过与其距离最近的无线路由器建立连接来接入HOWBAN。在下行方向上，OLT将来自Internet的数据包以点到多点的方式广播给所有的ONU，然后ONU根据数据包上的逻辑链路标识判断数据包是否是发给自己的。如果数据包是发送给该ONU的，则该ONU接收数据包；反之，该ONU丢弃数据包。下行数据包到达无线网关后，根据具体的路由算法，沿多跳链路传输至UE；在上行方向上，UE将数据包发送给距离其最近的无线路由器，然后这些数据包沿无线路径从无线路由器到达ONU，最后这些数据包向上到达OLT并最终进入Internet。

本发明基于上行中心调度机制，设计了绿色动态带宽分配机制。图2为本发明的整体结构框图，首先对数据包在光域的时延进行分析，然后根据不同服务等级的数据包的时延要求，计算出ONU的最佳休眠时间。之后，针对ONU休眠导致下行数据包时延增大的问题，设计了自适应网关选取策略，来降低下行数据包的时延。

具体包括以下步骤：

1.网络初始化：

在网络运行初始时刻，初始化ONU传输时刻以及负载，初始化无线域网络路由。至此，网络的初始化阶段完成。

2.绿色动态带宽分配：

为了使节能效率最大，采用上行中心调度机制。在此机制中，当传输上行数据时，下行数据才能传输，而且下行传输要在上行传输结束之前完成。如下图3所示，OLT在收到所有ONU的Request消息后，开始运行动态带宽分配算法。基于上行中心调度机制，OLT为每一个ONU计算休眠时间，然后给所有ONU发送Grant消息，以告知ONU具体的休眠时间和为其分配的时隙。

ONU的休眠过程与动态带宽分配密切相关。OLT收到所有ONU的Request消息后，给ONU分配带宽，也即传输时隙。在ONU的传输时隙内，ONU处于活跃状态并传输上行数据；相反的，在传输时隙之外，为了节能，该ONU可以进入休眠状态。若RB_i为ONU_i的请求带宽，则OLT分配给ONU_i的带宽为其中B_max是可以分配给ONU的最大上行带宽。根据上行中心调度机制特性，下行传输带宽受到上行带宽的限制，若下行请求带宽为RD_i,则OLT分配给ONU_i的下行带宽DB_i为

在提出的绿色动态带宽分配中，ONU在一个轮询周期内能够进入休眠模式最多两次。第一次休眠阶段为ONU收到其Grant消息到其开始传输接收到的上行数据包，如图3中T_i ^s,1；第二次休眠阶段为ONU发送了Request消息直到收到新的Grant消息，如图3中T_i ^s,2。因此，ONU_i的休眠时间T_i ^s为：T_i ^s＝T_i ^s,1+T_i ^s,2。由图3可知，OLT服务ONU_i所用的时间v_s,i为：其中为Request消息的处理时间，T_i ^prop为OLT和ONU之间的传播时间，T_gba为运行绿色动态带宽分配机制所用时间，为Grant消息的处理时间，为两个Grant消息之间的保护时间，为Grant消息的传输时间。

T_i ^s,2为其他ONU活跃时间与ONU_i的服务时间之和，如图3中所示，则可得：其中N为ONU的个数，UB_i是OLT为第i个ONU分配的带宽，R为上行传输速率，为Request消息的传输时间，T_i ^o,2为ONU_i从休眠状态转换到Doze状态所需要的开销时间。已知T_i ^s,2，只要再求出T_i ^s，就可以得到T_i ^s,1，T_i ^s的计算将会在后面进行分析。求得T_i ^s,1和T_i ^s,2后，则可以计算出ONU_i休眠状态及活跃状态各自的开始时刻和结束时刻。如图3所示，为第n次轮询中，第一个被轮询的ONU收到Grant消息的时刻，则ONU_i第一次休眠开始时刻为：第一次休眠持续时间为T_i ^s,1，则可计算出ONU_i第一次休眠结束时刻为：ONU_i结束第一次休眠后，需要由休眠状态转换到活跃状态，所用时间为T_i ^o,1，则ONU_i的活跃状态开始时刻为：

ONU_i在活跃状态期间，在上行方向上，需要在分配的时隙内将上行数据发送给OLT，同时需要发送一个Request消息，来为下一次轮询申请所需带宽；下行方向上，ONU接收来自OLT的下行缓存数据。ONU_i的活跃状态持续时间也就是OLT分配给其的传输时隙UB_i/R，所以，活跃状态的结束时刻为：ONU_i活跃状态的结束时刻也即其第二次休眠的开始时刻，所以第二次休眠开始时刻为：如前所述，ONU_i第二次休眠持续时间为T_i ^s,2，则可得其第二次休眠结束时刻为：

OLT收到所有ONU的Request消息后，为所有ONU计算要分配的带宽，并且将上述时间点包含在Grant消息中，然后给每个ONU发送Grant消息。ONU收到发送给其的Grant消息后，依据里面的时间点来休眠和唤醒。

3.光域时延分析：

由图3过程可知，ONU_i在一个周期内的时间包括休眠时间、空闲时间和活跃时间T_i ^a，如图4(a)所示，其中T_i ^o,1为ONU_i从休眠状态转换到活跃状态所用的开销时间。若T_i ^o为总的开销时间，则有：T_i ^o＝T_i ^o,1+T_i ^o,2。令v_c为控制消息的传输时间和处理时间的和，则有：因此，图4(a)可进一步抽象为4(b)。可以看出，一个周期内，ONU_i的周期包含繁忙阶段和空闲阶段。在繁忙阶段，ONU_i传输上行数据。因此，采用M/G/1模型来分析光域的时延。在此模型中，ONU_i的繁忙时间为T_i ^a，总空闲时间v_i为：v_i＝v_c+T_i ^s+T_i ^o。

每个ONU中维护三个优先级队列，分别为EF、AF、BE队列。如果用c表示数据包的优先级，令c＝1，2，3分别对应于EF、AF、BE等级。第i个ONU中等级为c的数据包ξ经历的总时延D_c,i(ξ)如下式：D_c,i(ξ)＝W_c,i(ξ)+T_i ^prop+X_c,i(ξ)，其中W_c,i(ξ)为排队时延，其值为：T_i ^prop为传播时延，其值为X_c,i(ξ)为传输时延，其值为最终可得一个数据包在光域的总时延的期望值为：

4.ONU休眠时间计算：

为了保证服务质量，满足业务的时延要求，数据包在光域和无线域的总时延不能超过相应的时延要求。若服务等级为c的数据包的时延要求为当ONU中只有服务等级为c的数据包时，ONU_i能够休眠的时间为则有：其中E[P]为无线域时延，E{D_c,i}为光域时延，进行公式代入可得：为了使节能最多，则ONU休眠时间应尽可能长，所以：

由于每个ONU中有三个优先级队列，为了满足所有优先级的时延要求，则ONU_i的休眠时间应该为：

5.自适应网关选取策略：

OLT的部分结构如图5所示，下行数据到达下行调度器后，下行调度器根据下行调度算法将数据包缓存在相应的ONU缓存队列中。当ONU_i处于活跃状态时，ONU_i缓存队列中的数据包只能被发送给ONU_i。所以，OLT选择哪个ONU的实质就是下行调度器将下行数据发送到哪个ONU缓存队列，而决定下行调度器行为的是其中的下行调度算法。如前所述，OLT中的下行调度算法需要考虑ONU的状态和网络的时延，来决定将下行数据发送给哪一个ONU。接下来，将对下行调度算法进行详细的分析。

如图3所示，定义ONU的一个轮询周期为收到Grant消息到下一次开始接收Grant消息之间的这段时间。该绿色动态带宽分配中，OLT轮询每个ONU的顺序是固定的。第n次轮询开始时，OLT依次轮询ONU₁,ONU₂,…,ONU_N，ONU_N被轮询之后，开始第(n+1)次轮询，仍然首先轮询ONU₁。在ONU_i的第n次轮询中，ONU_i有两种状态：传输状态和非传输状态。在分配的传输时隙内，ONU_i传输上行数据并且接收下行数据，为传输状态；在休眠时间、ONU状态转换时间和控制消息时间内，ONU_i不能进行数据的传输，为非传输状态。

第n次轮询周期已经开始，根据前面的绿色动态带宽分配机制，ONU_i的第一次休眠开始时间为传输状态开始时刻为则ONU_i的第n次轮询周期开始时刻为假设新的下行数据包Q在时刻t到达OLT，则需要分情况进行分析，自适应网关选取策略流程如图6所示：

(1)若此时所有ONU的传输状态都未开始，为了选择出合适的ONU，以使下行数据包的时延最小，需要对下行数据包分别经过ONU₁,ONU₂,…,ONU_N情况下的时延进行分析。下行数据包在时刻t到达OLT，与ONU_i传输状态开始时刻之间的时间为t时刻,令OLT中各ONU缓存队列中的下行数据包个数为数据包Q需要等待前面缓存的个数据包被传输完，所以其在OLT中的排队时间为：其中为一个数据包的传输时间，L为一个数据包的平均比特数，C_olt为下行传输速率。

数据包Q在OLT中的时延包含排队时延和传输时延，则数据包Q在OLT中的时延为：OLT与ONU_i之间为光纤连接，若光纤长度为d_i，光纤上传播速率为C_light，则数据包Q在光纤上传播时延为：ONU休眠唤醒后，接收来自OLT的缓存下行数据，ONU中数据包到达率为λ＝C_olt/L，服务率为μ＝C_onu/L，C_onu为ONU下行速率，则ρ＝λ/μ＝C_olt/C_onu，由于C_olt＞C_onu，所以ρ＞1。ONU刚唤醒时，其中的下行队列为空，也即，下行数据包个数为0。由于ρ＞1，则ONU的下行队列中数据包个数逐渐增加。当数据包Q到达ONU_i时，ONU_i已服务时间为此时，ONU_i中的数据包个数为：则数据包Q在ONU中的排队时间为：其中τ_onu＝L/C_onu，为ONU中一个数据包的服务时间。

由上述可得数据包Q在ONU中的时延为：数据包Q在光域的时延t_pon包括OLT中时延、光纤上时延和ONU中时延，因此可得：综合前面对无线域时延的分析，可得数据包Q自从t时刻到达OLT，经过ONU_i转发，直到最终到达用户终端所消耗的总时延为：若i,j∈(1,N)，为了使下行数据包Q的总时延最小，应选择ONU_j来转发数据，也就是说，OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列。

(2)若也即下行数据包Q在ONU_i的传输状态内到达，此时，ONU₁,ONU₂,…,ONU_i-1已经完成第n次轮询周期内的数据传输，它们下一次的数据传输发生在第n+1次轮询周期。ONU_i传输状态结束之后，ONU_i+1,ONU_i+2,…,ONU_N依次进入第n次轮询周期内的传输状态。为了降低下行数据包的时延，t时刻应从ONU_i,ONU_i+1,…,ONU_N中选择一个来转发数据。首先计算下行数据包Q从正处于传输状态的ONU_i转发所消耗的总时延。t时刻,OLT中ONU_i缓存队列中的下行数据包个数为ONU_i中下行队列中的数据包个数为t时刻,ONU_i已经处于传输状态，ONU_i已服务时间为则可得：同之前分析类似，数据包Q在OLT中的排队时间为：数据包Q在OLT中的时延为：

数据包Q到达OLT时，ONU_i中下行队列中的数据包个数为当数据包Q到达ONU_i时，ONU_i又经历服务时间为此时，ONU_i中的数据包个数为：则数据包Q在ONU中的排队时间为：进一步可得数据包Q在ONU中的时延为：可得数据包Q在光域的时延t_pon：t_pon＝t_olt+t_fiber+t_onu。

数据包Q自从t时刻到达OLT，经过ONU_i转发，直到最终到达用户终端所消耗的总时延为：上述计算是基于ONU_i仍有下行传输时隙，也即ONU_i已经接收的下行数据小于UB_i；若ONU_i已经没有下行传输时隙，则不再考虑ONU_i，而从ONU_i+1,ONU_i+2,…,ONU_N中选择出转发ONU。若计算出数据包Q从ONU_i转发所消耗的总时延后，需要计算数据包Q从ONU_i+1,ONU_i+2,…,ONU_N转发所消耗的总时延其计算方法同情况(1)中的计算方法一样。数据包Q所消耗的最小总时延为：i,j∈(1,N)，则OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列中。

(3)若此时所有ONU已经完成第n次轮询周期内的数据传输，并且所有ONU的第(n+1)次轮询均未开始。数据包Q只能在第n+1次轮询周期内传输。为了使下行数据包的时延最小，需要对下行数据包分别经过ONU₁,ONU₂,…,ONU_N情况下的时延进行分析。此时，计算方法同情况(1)一样，不同的地方就是需要将CASE 1计算中的替换成可得数据包Q自从t时刻到达OLT，经过ONU_i转发，直到最终到达用户终端所消耗的总时延为：若i,j∈(1,N)，OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)基于上行中心调度机制，设计基于绿色动态带宽分配方案，对休眠以及活跃状态的时间点进行计算，并依据计算结果进行休眠和唤醒；

2)对于上行数据包，通过对数据包排队时延、传输时延和传播时延的分析，得到数据包在光域的时延；

3)上行数据包根据时延要求和不同服务等级计算出ONU的最佳休眠时间，转至步骤5)；

4)对下行数据包分情况进行时延分析，并设计自适应网关选取策略，选择出时延最小的ONU来转发下行数据；

5)ONU进行休眠控制。

2.根据权利要求1所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于，所述绿色动态宽带分配方案为：OLT在收到所有ONU的Request消息后，开始为每一个ONU计算休眠时间并分配传输时隙，然后给所有ONU发送Grant消息，以告知ONU具体的休眠时间和为其分配的时隙，ONU在传输时隙内处于活跃状态并传输上行数据；反之ONU进入休眠状态。

3.根据权利要求2所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于，所述休眠以及活跃状态的时间点计算方法为：

在绿色动态宽带分配方案中，ONU在一个轮询周期内最多可以进入休眠阶段两次，第一次休眠阶段T_i ^s,1为ONU收到其Grant消息到其开始传输接收到的上行数据包，第二次休眠阶段T_i ^s,2为ONU发送了Request消息直到收到新的Grant消息；

ONU_i第一次休眠开始时刻为：

ONU_i第一次休眠结束时刻为：

活跃状态开始时刻为：

活跃状态的结束时刻为：

第二次休眠开始时刻为：

第二次休眠结束时刻为：

其中为第n次轮询中第一个被轮询的ONU收到Grant消息的时刻，则为Grant消息的处理时间，为两个Grant消息之间的保护时间，为ONU_i结束第一次休眠后由休眠状态转换到活跃状态所用时间，UB_i为分配的上行带宽，R为下行传输速率。

4.根据权利要求3所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于，所述数据包在光域的时延的分析计算方法为：

采用M/G/1模型来分析光域的总时延，在此模型中，总空闲时间v_i＝v_c+T_i ^s+T_i ^o；

其中T_i ^o为ONU_i从休眠状态转换到活跃状态所用的总开销时间，T_i ^s为ONU_i总的休眠时间；令 为Request消息的处理时间，为Grant消息的处理时间，为Request消息的传输时间；

用c表示数据包的优先级，令c＝1，2，3分别对应ONU中维护三个优先级队列EF、AF、BE等级，第i个ONU中等级为c的数据包ξ经历的总时延D_c,i(ξ)为：D_c,i(ξ)＝W_c,i(ξ)+T_i ^prop+X_c,i(ξ)，

其中W_c,i(ξ)为排队时延，其值为：

$E\left\{W_{c,i}\right\}=\frac{E\left\{R_i\right\}+E\left\{Y_i\right\}}{1-{\mathrm{\ρ}}_i}=\frac{\left(\underset{j=1}{\overset{3}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{j,i}\right){\stackrel{\‾}{X}}_i^2}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_i)}+\frac{3v_i}{2};$

其中T_i ^prop为传播时延，其值为d_i为光纤长度，C_light为光纤上的传输速率；

X_c,i(ξ)为传输时延，其值为

得到一个数据包在光域的总时延期望值为：

$E\left\{D_{c,i}\right\}=\frac{\left(\underset{j=1}{\overset{3}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{j,i}\right){\stackrel{\‾}{X}}_i^2}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_i)}+\frac{3v_i}{2}+\frac{d_i}{C_{light}}+\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_{c,i}}$

其中λ代表ONU中数据包到达率，μ代表ONU中数据包的服务率，ρ＝λ/μ。

5.根据权利要求4所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于：所述计算出ONU的最佳休眠时间方法为：

数据包在光域和无线域的总时延不能超过相应的时延要求，表达为其中为服务等级为c的数据包的时延要求，E[P]为无线域的平均时延；

可得休眠时间：

为了使ONU休眠时间应尽可能长，进而可得：

$T_{c,i}^s=\frac{2}{3}\left(T_{c,i}^R-E\[P\]-\frac{d_i}{C_{light}}-{\stackrel{\‾}{X}}_{c,i}\right)-\frac{\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{j,i}\right){\stackrel{\‾}{X}}_i^2}{3(1-{\mathrm{\ρ}}_i)}-T_i^o-v_c;$

由于每个ONU中有三个优先级队列，为了满足所有优先级的时延要求，则ONU_i的最佳休眠时间应该为：

6.根据权利要求5所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于，所述自适应网关选取策略为：记录下行数据包Q到达OLT的时刻t，然后分情况进行分析：

(a)若令t时刻OLT中各ONU缓存队列中的下行数据包个数为可得数据包Q在OLT中的时延为：

其中C_olt为OLT的下行速率，L为数据包平均长度，表示在OLT中的排队时间为，τ_onu代表在OLT的传输时间，

在ONU中的时延为：

其中代表在ONU中的排队时间、τ_onu代表在在ONU的传输时间，C_onu代表ONU的下行速率；

进而可得数据包Q在光域的时延t_pon：

其中t_fber代表数据包Q在光纤上传播时延；

因此到达用户终端所消耗的总时延：

$t_{i,t}^{total}=t_{pon}+d_w=t_{i,a\_s}^n-t+\frac{(C_{olt}+C_{onu}+m_{i,t}^n{C}_{olt})L}{C_{olt}{C}_{onu}}+\frac{d_i}{C_{light}}+\underset{o\∈P_k}{\Σ}E\[T_o\]$ ，

其中d_w为无线域平均时延，P_k表示第k条路径，E[T_o]为链路o上的平均时延；

若为了使下行数据包Q的总时延最小，应选择ONU_j来转发数据，也就是说，OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列；

(b)若ONU_i已服务时间为则可得数据包Q在OLT中的时延为：

在ONU中的时延为：

进而可得到达用户终端所消耗的总时延为：

$t_{i,t}^{total}=t_{pon}+d_w=\frac{(m_{i,t}^n+1)L}{C_{olt}}+\frac{(C_{olt}-C_{onu})}{C_{onu}}\left(t-t_{i,a\_s}^n+\frac{m_{i,t}^n\·L}{C_{olt}}\right)+\frac{L}{C_{onu}}+\frac{d_i}{C_{light}}+\underset{o\∈P_k}{\Σ}E\[T_o\],$

上述计算是基于ONU_i仍有下行传输时隙，也即ONU_i已经接收的下行数据小于UB_i，若ONU_i已经没有下行传输时隙，则不再考虑ONU_i，而从ONU_i+1,ONU_i+2,…,ONU_N中选择出转发ONU；

若计算出数据包Q从ONU_i转发所消耗的总时延后，需要计算数据包Q从ONU_i+1,ONU_i+2,…,ONU_N转发所消耗的总时延其计算方法同情况(a)中的计算方法一样，可得数据包Q所消耗的最小总时延为：则OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列中；

(c)若此时所有ONU已经完成第n次轮询周期内的数据传输，并且所有ONU的第n+1次轮询均未开始，数据包Q只能在第n+1次轮询周期内传输，为了使下行数据包的时延最小，需要对下行数据包分别经过ONU₁,ONU₂,…,ONU_N情况下的时延进行分析；此时将情况(a)计算中的替换成可得数据包Q自从t时刻到达OLT，经过ONU_i转发，直到最终到达用户终端所消耗的总时延为：

若OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONU_j缓存队列。