CN106878200A - 面向电力通信的光ofdm节能带宽分配算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了面向电力通信的光OFDM节能带宽分配算法，包括能效型MAC控制方案和在此基础上提出的基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法；所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法过程中包含动态带宽容量分配算法和自适应时隙、载波及比特分配算法；依据光OFDM接入网中主要耗能部件光网络单元(Optical Network Unit，ONU)的工作状态对网络能耗的影响，综合考虑ONU休眠机制与动态带宽分配算法，通过时隙、载波和比特的三维带宽资源分配，在保证业务的误码率和ONU带宽需求的前提下，最小化光OFDM接入网系统中业务相关能耗和业务无关能耗。

Description

面向电力通信的光OFDM节能带宽分配算法

技术领域

本发明属于通信网络技术领域，具体涉及面向电力通信的光OFDM节能带宽分配算法。

背景技术

电力通信是构建信息化电力企业的基本保障，随着智能电网的快速发展，通信已成为电网生产和企业管理等各个环节中不可或缺的重要部分，人们对电力的要求也越来越高迫切要求电力行业的快速发展和壮大。大容量的宽带接入将会成为保证社会发展的重要基础设施，因为高速的、及时的、稳定的信息交互可以成为社会竞争、经济发展等活动提供保障。而光纤通信由于其体积小、不受电磁干扰、可靠性高等优点受到众多经销商及用户的青睐。以光纤为主要传输介质的光接入网技术已经毫无疑问将成为未来电力通信接入网技术的研究热点，特别是采用光正交频分复用(Optical OFDM，光OFDM)技术的接入网以其优越的性能受到越来越多的关注。

OFDM技术是将串行高速数据转换成多路低速并行数据，然后在一系列正交子载波上进行调制的一种多载波调制技术。OFDM技术支持高阶信号调制格式，具有良好的抗色散能力，可有效消除接收信号的符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)及载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)；而且由于相互正交的子载波频谱互相重叠，OFDM技术的频谱利用率相对较高；同时，OFDM系统资源分配灵活，可根据实际需求，动态地将不同子载波的不同时隙分配给不同的ONU，实现灵活地动态信道资源共享；此外，OFDM可以克服光纤中的色散效应。总之，光OFDM技术具有宽带较大，频谱利用率较高，抗色散性能好，带宽分配灵活，兼容性好等特点，能够满足未来高速率、动态灵活的宽带接入需求，已经成为下一代光纤通信接入标准的研究重点。

尽管光OFDM接入网系统能提供较高的带宽利用率和信息传输速率，随之而来的高能耗、低能效等新问题却严重制约了网络规模和服务能力的可扩展性。而且以往针对光OFDM接入网系统的带宽分配算法普遍存在的片面关注系统吞吐量或带宽利用率却忽视了带宽分配过程中的高能耗或能耗模型考虑不完善等典型问题。因此，设计一种针对光OFDM接入网系统的节能带宽分配算法对建设绿色电力通信网络有着极其重要的理论意义和应用价值。

发明内容

针对该项技术相关研究的空白，本发明提出面向电力通信的光OFDM节能带宽分配算法，依据光OFDM接入网中主要耗能部件光网络单元(Optical Network Unit，ONU)的工作状态对网络能耗的影响，综合考虑ONU休眠机制与动态带宽分配算法，通过时隙、载波和比特的三维带宽资源分配，在保证业务的误码率和ONU带宽需求的前提下，最小化光OFDM接入网系统中业务相关能耗和业务无关能耗。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

面向电力通信的光OFDM节能带宽分配算法，包括能效型MAC控制方案和在此基础上提出的基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法(Dynamic Bandwidth CapacityAllocation，DBCA)；

一、所述能效型MAC控制方案为：

基于ONU的三种模式：睡眠模式(Sleep Mode)、假寐模式(Doze Mode)、正常工作模式(Active Mode)，在睡眠模式中，ONU同时关闭发送机和接收机；假寐模式中，ONU只关闭发送机，接收机正常和OLT进行通信；正常工作模式中，ONU的发送机和接收机都正常工作；对于一个给定的ONU，其在每个轮询周期内需要经历四个过程，其中轮询周期定义为OLT连续两次发送GATE信息的时间间隔；

(1)轮询周期开始时刻，ONU处于202doze模式，可以接收来自OLT的下行数据和203GATE信息；GATE信息中包含：204sleep/doze开始时间、sleep/doze长度、发送窗口的起始时间、发送窗口大小、子载波编号以及子载波数目；

(2)当ONU接收到GATE信息并对其分析处理后，按指示进入相应工作模式；工作模式由OLT通过计算发送窗口前的空闲时间大小(轮询周期开始时的假寐时间和发送窗口前的空闲时间的总和)与相应的转换时间的大小进行比较后决定；设内的业务无关能耗为内的业务无关能耗为

(3)ONU在205发送窗口开始到达前唤醒，完成与OLT的时钟同步；同步完成后进行上行数据传输，上行数据传输完毕，ONU发送206REPORT信息，REPORT信息中包含下一轮询周期的带宽请求；设发送窗口大小(即正常工作的时间)为内的业务无关能耗为

(4)当上行数据和REPORT信息发送结束后，ONU进入207sleep或doze模式直至下一轮询周期开始，设发送窗口后的空闲时间为内的业务无关能耗为轮询周期的大小为T_cycle，ONU在一个轮询周期内的能耗为E_i；

二、所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法包括基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中OLT过程和基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中ONU过程；

所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法过程中包含动态带宽容量分配算法和自适应时隙、载波及比特分配算法；

(一)所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中OLT过程如下：

步骤1、执行流程300，即OLT等待所有ONUs的数据包和REPORT包；流程301判断OLT是否收到所有REPORT信息，若成立，则进入流程302，即步骤2；

步骤2、流程302根据DBCA算法计算给每个ONU分配的带宽G_i；

步骤2-1、依据服务水平协议(Service-Level Agreement,SLA)要求，为每个ONU分配一个最小的带宽保证BW_MIN，OLT将所有的ONUs分成两个集合：低负载ONUs，i∈U，满足条件R_i≤BW_MIN，；高负载ONUs，i∈O，满足条件R_i＞BW_MIN；其中，R_i表示ONU_i的上行带宽请求，U表示低负载ONUs集合，O表示高负载ONUs集合；

步骤2-2、OLT为每个低负载ONU分配的带宽大小G_i等于其请求的带宽大小R_i，全部的多余带宽按比例分给各个高负载ONU，则每个高负载ONU得到的多余带宽为：

其中，BW_i ^excess＝R_i-BW_MIN表示每个高负载ONU请求的多余带宽，M表示集合O中的元素个数；

步骤2-3、OLT依据ONUs从大到小的优先级次序为每个高负载ONU分配带宽，大小G_i为：

步骤2-4、当高负载ONU完成分配带宽后，将其从集合O中移除；所以每完成分配一次，需要重新更新和BW_excess，得到：

步骤3、流程303将全部子载波在各个ONUs内依据计算的信道增益从大到小的次序排序，同时所有的子载波均使用最高阶调制方式，即每个子载波上加载的比特数最大；

步骤4、流程304过程确定轮询周期T_cycle的大小，将其均分成J份；

步骤5、流程305，即OLT按照ONU优先级为其分配初始时频单元和确定ONU间的轮询方式；

步骤5-1、初始时隙为t₁＝t_{polling_start}+t_gate+t_RTT，其中t_gate表示OLT发送的GATE信息到达各ONU的时间，t_RTT表示往返时间；

步骤5-2、初始载波为每个ONU载波队列中信道增益最大的载波；在载波分配的过程中，需遵循如下规则：1)若此ONU的带宽G_i已经得到满足，跳过这个ONU，跳到下一个ONU；2)若当前选中的子载波被其他ONU优先占用，跳过这个载波，直到下一个载波未被占用；

步骤5-3、确定ONU轮询顺序；当OLT对ONU完成第一次时频单元的分配后，进行下一次轮询，其中，ONU之间的轮询可分为两种：第一种，在每次时隙和载波分配过程中，OLT为每个ONU仅分配一个时频资源单元；第二种，在每次轮询过程中，OLT优先为高优先级ONU分配满足的时频资源，然后再为低优先级ONU分配；

步骤6、完成流程305后，进行流程306的判决，即判断ONU_i当前带宽BW_i与G_i的大小，若BW_i＜G_i则进入流程307，若BW_i≥G_i，转到流程310；

步骤7、执行自适应时隙、载波和比特分配算法，选择使ONU总能耗最小的时隙、载波以及每个子载波上加载的比特数；

步骤7-1、计算加单位时隙时的能耗增加量的大小；当子载波保持不变，增加单位时隙时的能耗变化其中表示业务相关能耗变化量，与子载波和时隙大小均有关，表示业务无关能耗变化量，其只与时隙大小相关；通过式(4)计算可得

而只与时隙增加有关，发送窗口增加一个时隙前的业务无关能耗为：

发送窗口增加一个时隙后的业务无关能耗为：

所以，当发送窗口增加一个时隙时的业务无关能耗变化量为：

其中，P_a为ONU处于active模式时的功耗；P_s为ONU处于sleep模式时的功耗；P_d为ONU处于doze模式时的功耗；P′_a/s/d要根据在时间段内的ONU处于的状态判定；通过上述公式，可知增加单位时隙时的能耗变化为：

步骤7-2、计算增加单位载波时的能耗增加量的大小；因为与载波的增加无关，所以假设发送窗口内时隙数为n，λ_j表示增加的载波，那么得：

步骤7-3、流程307表示为比较和的大小；若则转到308，保持载波不变，为ONU_i分配当前时隙的相邻的时隙；否则转到309，保持当前发送窗口不变，为ONU_i分配其载波队列中可用的信道增益较大的子载波；分配完成之后转到流程306；

步骤8、进一步降低业务相关能耗，进行流程310，计算ONU_i当前带宽BW_i与G_i的差值大小；若满足进行流程311，选择ONU_i的载波占用集合L_i中信道增益最低的子载波，减少一个比特数；重复进行步骤8，直到进入流程312；

步骤9、流程312是将OLT为ONU分配的上行带宽信息、ONU睡眠开始时刻、睡眠时间大小和唤醒时刻写入到GATE控制信息中，其中上行带宽信息包括发送窗口起始时间、发送窗口大小、子载波编号、允许使用的子载波个数、每个子载波上承载的比特数；

步骤10、接下来进行流程313，即OLT向各个ONU发送GATE控制信息和下行业务；

步骤11、判断仿真时间是否结束，若是，则仿真结束，否则跳回步骤1；

(二)所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中ONU过程如下：

步骤1、流程400，即ONU接收到GATE控制信息后，首先对GATE信息分析处理，从中提取分配的上行带宽信息、睡眠开始时刻、睡眠时间大小和唤醒时刻等信息；

步骤2、流程401向OLT发送上行数据和REPORT控制信息，具体操作是ONU根据提取的上行带宽信息，在规定的时隙和子载波上传输上行数据，并将下一个轮询周期请求的带宽大小写入REPORT控制信息中，在ONU传输上行数据的末尾或者上行数据传输完毕后发送给OLT；

步骤3、流程401完成后，进入流程402，在规定的时间内进入相应的休眠状态节能；

步骤4、执行流程403，ONU在规定的时刻唤醒，进行时钟恢复和同步，准备进行下一次传输；

步骤5、判断是否仿真时间结束，若是，则仿真结束，否则转到步骤1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、解决了因传统的光OFDM接入网带宽分配过程中，每个ONU一直保持正常工作状态，引起ONU端业务无关能耗较大的问题，允许上行业务负载为空时，ONU进入睡眠模式或假寐模式，降低ONU的总能耗；

2、本发明采用将低负载ONUs多余的带宽容量按比例分给那些高负载ONUs的算法设计，充分的保证了多个ONU带宽容量分配的公平性，增大了带宽利用率，提高了网络性能；

3、通过对时隙、载波和比特进行合理优化分配，不仅实现了多个ONU间的动态带宽分配，而且使ONU能够灵活改变工作模式，从而实现了降低网络业务相关能耗和业务无关能耗的优化目标；

4、本发明综合考虑ONU休眠机制与动态带宽分配算法，能够在降低网络能耗的同时保证业务的服务质量(Quality of Service，QoS)，响应了国家提倡的“节能减排”和“绿色通信”的发展策略。

附图说明

图1为本发明的面向电力通信网络的光OFDM接入网系统模型；

图2为本发明的能效型MAC控制方案；

图3为本发明基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中OLT操作的总体流程图；

图4为本发明基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中ONU操作的总体流程图；

图5为本发明一种实施例中，在不同上行数据速率下，3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法ONU总能耗对比图；

图6为本发明一种实施例中，在不同ONU数目下，PE-DBA、3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU算法ONU总能耗对比图；

图7为本发明一种实施例中，在不同上行数据速率下，3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法平均ONU休眠率对比图；

图8为本发明一种实施例中，在不同ONU数目下，3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法平均ONU休眠率对比图；

图9为本发明一种实施例中，在不同上行数据速率下，PE-DBA、3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法系统能效对比图；

图10为本发明一种实施例中，在不同ONU数目下，PE-DBA、3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法载波利用率对比图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

面向电力通信的光OFDM节能带宽分配算法，包括能效型MAC控制方案和在此基础上提出的基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法(Dynamic Bandwidth CapacityAllocation，DBCA)；

本发明考虑的光OFDM接入网系统模型如图1所示。此系统结构中，OLT通过主干光纤与ODN相连接，ODN再通过分支光纤与若干个ONU相连接，以此形成点到多点的树形拓扑结构。无论是上行带宽还是下行带宽均可以分成多个时频单元，其中一些时频单元用于存储控制信息，包括信道状态信息以及避免数据干扰的保护频带，其他的时频单元则用于传送数据。在下行链路方向，OLT通过多个载波以广播方式将下行数据包传送到多个ONU，在此过程中，只需要使用一个波长；在上行链路方向，如果OLT接收机采用直接检测方式，那么各个ONU的不同波长之间应设置足够大的光频谱间隔，以避免光插拍干扰(Optical BeatInterference，OBI)。一个OFDM帧结构如图所示，其中不同颜色代表载波分给不同的ONU。

一、图2是本发明设计的能效型MAC控制方案。基于ONU的三种模式：睡眠模式(Sleep Mode)、假寐模式(Doze Mode)、正常工作模式(Active Mode)，在睡眠模式中，ONU同时关闭发送机和接收机；假寐模式中，ONU只关闭发送机，接收机正常和OLT进行通信；正常工作模式中，ONU的发送机和接收机都正常工作；对于一个给定的ONU，其在每个轮询周期内需要经历四个过程，其中轮询周期定义为OLT连续两次发送GATE信息的时间间隔；

(1)轮询周期开始时刻，ONU处于202doze模式，可以接收来自OLT的下行数据和203GATE信息；GATE信息中包含：204sleep/doze开始时间、sleep/doze长度、发送窗口的起始时间、发送窗口大小、子载波编号以及子载波数目；

(2)当ONU接收到GATE信息并对其分析处理后，按指示进入相应工作模式；工作模式由OLT通过计算发送窗口前的空闲时间大小(轮询周期开始时的假寐时间和发送窗口前的空闲时间的总和)与相应的转换时间的大小进行比较后决定；设内的业务无关能耗为内的业务无关能耗为

(3)ONU在205发送窗口开始到达前唤醒，完成与OLT的时钟同步；同步完成后进行上行数据传输，上行数据传输完毕，ONU发送206REPORT信息，REPORT信息中包含下一轮询周期的带宽请求；设发送窗口大小(即正常工作的时间)为内的业务无关能耗为

(4)当上行数据和REPORT信息发送结束后，ONU进入207sleep或doze模式直至下一轮询周期开始，设发送窗口后的空闲时间为内的业务无关能耗为轮询周期的大小为T_cycle，ONU在一个轮询周期内的能耗为E_i；

二、所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法包括基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中OLT过程和基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中ONU过程；

所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法过程中包含动态带宽容量分配算法和自适应时隙、载波及比特分配算法；

所述的动态带宽容量分配算法，用于解决多个ONU的带宽容量分配问题，其主要特点是：OLT在每个轮询周期内根据所有ONU的带宽请求动态地为其分配相应的带宽大小，为了增加带宽利用率，提高网络性能，采用将低负载ONUs多余的带宽按比例分给那些高负载ONUs。

所述的自适应时隙、载波及比特分配算法，以改进的Greedy算法为基础，以ONU的授权带宽作为依据，致力于在带宽分配的过程中寻找使ONU总能耗最小的时隙、载波以及每个子载波上加载的比特数。该算法主要内容如下：

1)将所有的ONU分成两种类型：第一类，未分配初始时隙和载波的ONU；第二类，分配了初始时隙和载波的ONU。

2)对于第一类ONU，需等到其完成初始时隙和载波分配后才执行下一步的时频分配。

3)对于第二类ONU，当OLT对ONU完成第一次时频资源的分配后，OLT进行下一次的时频资源分配。在之后的时频资源分配的过程中，从横向时隙和纵向载波两个方向进行时隙和载波的分配选择，选择的依据是：若增加一个时隙单元时的能耗变化小于增加一个载波时的能耗变化，则载波保持不变，为ONU分配一个当前时隙的相邻时隙；否则，保持当前发送窗口不变，为ONU分配可用的信道增益较大的子载波。

(一)如图3所示，所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中OLT过程如下：

步骤1、执行流程300，即OLT等待所有ONUs的数据包和REPORT包；流程301判断OLT是否收到所有REPORT信息，若成立，则进入流程302，即步骤2；

步骤2、流程302根据DBCA算法计算给每个ONU分配的带宽G_i；

步骤2-1、依据服务水平协议(Service-Level Agreement,SLA)要求，为每个ONU分配一个最小的带宽保证BW_MIN，OLT将所有的ONUs分成两个集合：低负载ONUs，i∈U，满足条件R_i≤BW_MIN，；高负载ONUs，i∈O，满足条件R_i＞BW_MIN；其中，R_i表示ONU_i的上行带宽请求，U表示低负载ONUs集合，O表示高负载ONUs集合；

步骤2-2、OLT为每个低负载ONU分配的带宽大小G_i等于其请求的带宽大小R_i，全部的多余带宽按比例分给各个高负载ONU，则每个高负载ONU得到的多余带宽为：

其中，BW_i ^excess＝R_i-BW_MIN表示每个高负载ONU请求的多余带宽，M表示集合O中的元素个数；

步骤2-3、OLT依据ONUs从大到小的优先级次序为每个高负载ONU分配带宽，大小G_i为：

步骤2-4、当高负载ONU完成分配带宽后，将其从集合O中移除；所以每完成分配一次，需要重新更新和BW_excess，得到：

步骤3、流程303将全部子载波在各个ONUs内依据计算的信道增益从大到小的次序排序，同时所有的子载波均使用最高阶调制方式，即每个子载波上加载的比特数最大；

本发明实例中，所有子载波采用8-QAM调制。

步骤4、流程304过程确定轮询周期T_cycle的大小，将其均分成J份；

本发明实例中，轮询周期时间为1ms，将整个轮询周期均分成250份。

步骤5、流程305，即OLT按照ONU优先级为其分配初始时频单元和确定ONU间的轮询方式；

步骤5-1、初始时隙为t₁＝t_{polling_start}+t_gate+t_RTT，其中t_gate表示OLT发送的GATE信息到达各ONU的时间，t_RTT表示往返时间；

步骤5-2、初始载波为每个ONU载波队列中信道增益最大的载波；在载波分配的过程中，需遵循如下规则：1)若此ONU的带宽G_i已经得到满足，跳过这个ONU，跳到下一个ONU；2)若当前选中的子载波被其他ONU优先占用，跳过这个载波，直到下一个载波未被占用；

步骤5-3、确定ONU轮询顺序；当OLT对ONU完成第一次时频单元的分配后，进行下一次轮询，其中，ONU之间的轮询可分为两种：第一种，在每次时隙和载波分配过程中，OLT为每个ONU仅分配一个时频资源单元；第二种，在每次轮询过程中，OLT优先为高优先级ONU分配满足的时频资源，然后再为低优先级ONU分配；

步骤6、完成流程305后，进行流程306的判决，即判断ONU_i当前带宽BW_i与G_i的大小，若BW_i＜G_i则进入流程307，若BW_i≥G_i，转到流程310；

步骤7、执行自适应时隙、载波和比特分配算法，选择使ONU总能耗最小的时隙、载波以及每个子载波上加载的比特数；

步骤7-1、计算加单位时隙时的能耗增加量的大小；当子载波保持不变，增加单位时隙时的能耗变化其中表示业务相关能耗变化量，与子载波和时隙大小均有关，表示业务无关能耗变化量，其只与时隙大小相关；通过式(4)计算可得

而只与时隙增加有关，发送窗口增加一个时隙前的业务无关能耗为：

发送窗口增加一个时隙后的业务无关能耗为：

所以，当发送窗口增加一个时隙时的业务无关能耗变化量为：

其中，P_a为ONU处于active模式时的功耗；P_s为ONU处于sleep模式时的功耗；P_d为ONU处于doze模式时的功耗；P′_a/s/d要根据在时间段内的ONU处于的状态判定；通过上述公式，可知增加单位时隙时的能耗变化为：

在本发明实例中，设定的判定依据为1)若则ONU_i在内为sleep模式；2)若则ONU_i在内为doze模式；3)若则ONU_i在内为active模式。

步骤7-2、计算增加单位载波时的能耗增加量的大小；因为与载波的增加无关，所以假设发送窗口内时隙数为n，λ_j表示增加的载波，那么得：

步骤7-3、流程307表示为比较和的大小；若则转到308，保持载波不变，为ONU_i分配当前时隙的相邻的时隙；否则转到309，保持当前发送窗口不变，为ONU_i分配其载波队列中可用的信道增益较大的子载波；分配完成之后转到流程306；

步骤8、进一步降低业务相关能耗，进行流程310，计算ONU_i当前带宽BW_i与G_i的差值大小；若满足进行流程311，选择ONU_i的载波占用集合L_i中信道增益最低的子载波，减少一个比特数；重复进行步骤8，直到进入流程312；

步骤9、流程312是将OLT为ONU分配的上行带宽信息、ONU睡眠开始时刻、睡眠时间大小和唤醒时刻写入到GATE控制信息中，其中上行带宽信息包括发送窗口起始时间、发送窗口大小、子载波编号、允许使用的子载波个数、每个子载波上承载的比特数；

步骤10、接下来进行流程313，即OLT向各个ONU发送GATE控制信息和下行业务；

步骤11、判断仿真时间是否结束，若是，则仿真结束，否则跳回步骤1；

(二)如图4所示，所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中ONU过程如下：

步骤1、流程400，即ONU接收到GATE控制信息后，首先对GATE信息分析处理，从中提取分配的上行带宽信息、睡眠开始时刻、睡眠时间大小和唤醒时刻等信息；

步骤2、流程401向OLT发送上行数据和REPORT控制信息，具体操作是ONU根据提取的上行带宽信息，在规定的时隙和子载波上传输上行数据，并将下一个轮询周期请求的带宽大小写入REPORT控制信息中，在ONU传输上行数据的末尾或者上行数据传输完毕后发送给OLT；

步骤3、流程401完成后，进入流程402，在规定的时间内进入相应的休眠状态节能；

步骤4、执行流程403，ONU在规定的时刻唤醒，进行时钟恢复和同步，准备进行下一次传输；

步骤5、判断是否仿真时间结束，若是，则仿真结束，否则转到步骤1；

对本实施例提出的基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法进行性能分析。为全面评价3D-DBA和HE-DBA算法的性能优势，与基于载波和比特分配的功效型动态带宽分配(Power Efficient Dynamic Bandwidth Allocation Based Subcarrier and BitAllocation，PE-DBA)对比算法进行比较。其中在3D-DBA算法中根据ONU轮询顺序的不同，又细分为：1)在每次轮询过程中，OLT只为每个ONU分配一个时频资源，称为3D-DBA-TS；2)在每次轮询过程中，OLT优先为高优先级ONU分配满足G_i的时频资源，然后再为低优先级ONU分配，称为3D-DBA-ONU。

仿真过程中，我们所用的光OFDM接入网系统包含1个OLT和N个ONU(仿真中N可变)，OLT到各个ONU的距离不相等，ONU随机分布在以OLT为圆心，半径为50km的圆内。网络中上行数据包产生服从泊松分布，平均数据包大小为500Bytes，OLT和ONU的队列容量设为无限大，上行和下行链路速率均为1Gb/s，GATA包的大小为64Bytes。

如图5和图6所示，D-DBA-TS和3D-DBA-ONU两种算法的ONU总能耗要小于PE-DBA算法，这是因为3D-DBA算法通过自适应地分配时隙和载波，优先选择那些信道增益较高的载波。之所以3D-DBA-ONU算法性能优于3D-DBA-TS，是因为3D-DBA-ONU算法优先为高优先级ONU分配其所需的时频资源，而ONU优先级排序的依据为带宽请求的大小，则越被先分配信道增益较大的载波，其发送功率即越低，因此最小化那些ONU能耗最大的ONU可以最小化整个系统的ONU总能耗。

图5描述了随着上行数据速率的变化，ONU总能耗的变化情况。随着上行数据速率的增大，ONU总能耗增加，但增量不断减小，最后趋于平衡，说明本实施例提出的算法稳定性高。图6描述了随着ONU数目的变化，ONU总能耗的变化情况。PE-DBA算法在ONU数目较小时，ONU总能耗低于3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU。这是因为在ONU数目较少的情况下，随着网络规模的逐渐增加，3D-DBA-ONU算法性能逐渐趋近最优。

从图7、图8中可以看出3D-DBA-ONU算法的平均ONU休眠率高于3D-DBA-TS。这是因为：3D-DBA-ONU在时隙和载波分配过程中的策略是先满足高优先级ONU其所需的时频资源后，再为下一个ONU分配时频资源，因此分配给一个ONU内相邻的子载波的信道增益差值较小，从而引起3D-DBA-ONU更倾向于选择能耗增加量较小的载波方向；3D-DBA-TS分配策略是每次只为每个ONU分配一个时频资源，因此分配给一个ONU内相邻载波的信道增益相较于3D-DBA-ONU算法较大，从而引起3D-DBA-TS更倾向于选择能耗增加量较小的时隙方向。

图7描述的是随着上行数据速率的变化，3D-DBA-ONU算法和3D-DBA-TS算法的平均ONU休眠率的变化情况。随着数据速率的增加，平均ONU休眠率降低。这是由于随着数据速率的增加，ONU正常工作状态的时间逐渐增大，从而引起睡眠或者假寐时间降低。

图8描述了随着ONU数目的变化，平均ONU休眠率的变化情况。随着ONU数目的增加，平均ONU休眠率增大。这是因为，ONU处于睡眠状态的时间主要由上行传输时隙决定，ONU数目越大，在一个固定轮询周期内OLT给给个ONU分配的带宽容量越小，从而引起上行传输时隙越短。

从图9、图10中可以看出在网络规模较低、上行数据速率较低的情况下，PE-DBA算法能效高于3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU。这是由于在网络规模较小、上行数据速率较低的情况下，所有ONU的带宽请求均能得到满足，而PE-DBA在这两种不同场景下的能耗较低，故PE-DBA能效较高。随着上行数据速率的增加、网络规模的扩大，3D-DBA-ONU算法优于其他两种算法。这是因为随着上行数据速率的增加和网络规模的扩大，ONU的带宽请求逐渐增大，但由于光纤信道容量限制，ONU分配的带宽有限，而3D-DBA-ONU算法在数据速率和网络规模较大时，其ONU总能耗低于PE-DBA，因此3D-DBA-ONU能效高于PE-DBA。

图9描述了随着上行数据速率的变化，PE-DBA、3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU算法的系统能效的变化情况。从图9中可以看出在随着上行数据速率的增加，系统能效连续降低，但降低量不断减小。图10描述了随着ONU数目的变化，PE-DBA、3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU算法的系统能效的变化情况。从图10中可以看出，随着ONU数目的增加，系统能效持续降低，但降低量减小。这是由于当ONU部署较少的情况下，大部分甚至所有ONU的带宽请求均能得到满足，因此系统吞吐量较大，从而引起系统能效较高，随着ONU数目的增大，能耗增大，而且OLT向每个ONU分配的带宽降低，其吞吐量下降，从而引起系统能效降低。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (1)

1.面向电力通信的光OFDM节能带宽分配算法，其特征在于，包括能效型MAC控制方案和在此基础上提出的基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法(Dynamic BandwidthCapacity Allocation，DBCA)；

一、所述能效型MAC控制方案为：

基于ONU的三种模式：睡眠模式(Sleep Mode)、假寐模式(Doze Mode)、正常工作模式(Active Mode)，在睡眠模式中，ONU同时关闭发送机和接收机；假寐模式中，ONU只关闭发送机，接收机正常和OLT进行通信；正常工作模式中，ONU的发送机和接收机都正常工作；对于一个给定的ONU，其在每个轮询周期内需要经历四个过程，其中轮询周期定义为OLT连续两次发送GATE信息的时间间隔；

(1)轮询周期开始时刻，ONU处于202doze模式，可以接收来自OLT的下行数据和203GATE信息；GATE信息中包含：204sleep/doze开始时间、sleep/doze长度、发送窗口的起始时间、发送窗口大小、子载波编号以及子载波数目；

(2)当ONU接收到GATE信息并对其分析处理后，按指示进入相应工作模式；工作模式由OLT通过计算发送窗口前的空闲时间大小(轮询周期开始时的假寐时间和发送窗口前的空闲时间的总和)与相应的转换时间的大小进行比较后决定；设内的业务无关能耗为内的业务无关能耗为

(3)ONU在205发送窗口开始到达前唤醒，完成与OLT的时钟同步；同步完成后进行上行数据传输，上行数据传输完毕，ONU发送206REPORT信息，REPORT信息中包含下一轮询周期的带宽请求；设发送窗口大小(即正常工作的时间)为内的业务无关能耗为

(4)当上行数据和REPORT信息发送结束后，ONU进入207sleep或doze模式直至下一轮询周期开始，设发送窗口后的空闲时间为内的业务无关能耗为轮询周期的大小为T_cycle，ONU在一个轮询周期内的能耗为E_i；

二、所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法包括基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中OLT过程和基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中ONU过程；

所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法过程中包含动态带宽容量分配算法和自适应时隙、载波及比特分配算法；

(一)所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中OLT过程如下：

步骤1、执行流程300，即OLT等待所有ONUs的数据包和REPORT包；流程301判断OLT是否收到所有REPORT信息，若成立，则进入流程302，即步骤2；

步骤2、流程302根据DBCA算法计算给每个ONU分配的带宽G_i；

步骤2-1、依据服务水平协议(Service-Level Agreement,SLA)要求，为每个ONU分配一个最小的带宽保证BW_MIN，OLT将所有的ONUs分成两个集合：低负载ONUs，i∈U，满足条件R_i≤BW_MIN，；高负载ONUs，i∈O，满足条件R_i＞BW_MIN；其中，R_i表示ONU_i的上行带宽请求，U表示低负载ONUs集合，O表示高负载ONUs集合；

步骤2-2、OLT为每个低负载ONU分配的带宽大小G_i等于其请求的带宽大小R_i，全部的多余带宽按比例分给各个高负载ONU，则每个高负载ONU得到的多余带宽为：

${\mathrm{BW}}_{excess}^i=\frac{{\mathrm{BW}}_i^{excess}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{BW}}_i^{excess}}\×\underset{i\∈U}{\Σ}({\mathrm{BW}}_{MIN}-R_i)---\left(1\right)$

其中，BW_i ^excess＝R_i-BW_MIN表示每个高负载ONU请求的多余带宽，M表示集合O中的元素个数；

步骤2-3、OLT依据ONUs从大到小的优先级次序为每个高负载ONU分配带宽，大小G_i为：

$G_i=\left\{\begin{array}{cc}{R}_i& if{R}_i\≤{\mathrm{BW}}_{MIN}+{\mathrm{BW}}_{excess}^i\\ {\mathrm{BW}}_{MIN}+{\mathrm{BW}}_{excess}^i& if{R}_i>{\mathrm{BW}}_{MIN}+{\mathrm{BW}}_{excess}^i\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤2-4、当高负载ONU完成分配带宽后，将其从集合O中移除；所以每完成分配一次，需要重新更新和BW_excess，得到：

${\mathrm{BW}}_{total}^{excess}={\mathrm{BW}}_{total}^{excess}-G_i+{\mathrm{BW}}_{MIN}---\left(3\right)$

步骤3、流程303将全部子载波在各个ONUs内依据计算的信道增益从大到小的次序排序，同时所有的子载波均使用最高阶调制方式，即每个子载波上加载的比特数最大；

步骤4、流程304过程确定轮询周期T_cycle的大小，将其均分成J份；

步骤5、流程305，即OLT按照ONU优先级为其分配初始时频单元和确定ONU间的轮询方式；

步骤5-1、初始时隙为t₁＝t_{polling_start}+t_gate+t_RTT，其中t_gate表示OLT发送的GATE信息到达各ONU的时间，t_RTT表示往返时间；

步骤5-2、初始载波为每个ONU载波队列中信道增益最大的载波；在载波分配的过程中，需遵循如下规则：1)若此ONU的带宽G_i已经得到满足，跳过这个ONU，跳到下一个ONU；2)若当前选中的子载波被其他ONU优先占用，跳过这个载波，直到下一个载波未被占用；

步骤5-3、确定ONU轮询顺序；当OLT对ONU完成第一次时频单元的分配后，进行下一次轮询，其中，ONU之间的轮询可分为两种：第一种，在每次时隙和载波分配过程中，OLT为每个ONU仅分配一个时频资源单元；第二种，在每次轮询过程中，OLT优先为高优先级ONU分配满足的时频资源，然后再为低优先级ONU分配；

步骤6、完成流程305后，进行流程306的判决，即判断ONU_i当前带宽BW_i与G_i的大小，若BW_i＜G_i则进入流程307，若BW_i≥G_i，转到流程310；

步骤7、执行自适应时隙、载波和比特分配算法，选择使ONU总能耗最小的时隙、载波以及每个子载波上加载的比特数；

步骤7-1、计算加单位时隙时的能耗增加量的大小；当子载波保持不变，增加单位时隙时的能耗变化其中表示业务相关能耗变化量，与子载波和时隙大小均有关，表示业务无关能耗变化量，其只与时隙大小相关；通过式(4)计算可得

${\mathrm{\ΔE}}_i^{i,r}=\underset{j=1,{\mathrm{\λ}}_j\∈L_i}{\overset{K}{\Σ}}{P}_{{\mathrm{\λ}}_j}\·t_{ave}---\left(4\right)$

而只与时隙增加有关，发送窗口增加一个时隙前的业务无关能耗为：

$\begin{array}{c}{E}_i^{ur}=E_i^d+E_{i,f}^{idle}+E_i^a+E_{i,l}^{idle}\\ =P_d\·t_i^d+P_{a/s/d}\·t_{i,f}^{idle}+P_a\·t_i^a+P_{a/s/d}^{\′}\·t_{i,l}^{idle}\end{array}---\left(5\right)$

发送窗口增加一个时隙后的业务无关能耗为：

$\begin{array}{c}{E}_i^{ur}=E_i^d+E_{i,f}^{idle}+{E^{\′}}_i^a+{E^{\′}}_{i,l}^{idle}\\ =P_d\·t_i^d+P_{a/s/d}\·t_{i,f}^{idle}+P_a\·(t_i^a+t_{ave})+P_{a/s/d}^{\′}\·(t_{i,l}^{idle}-t_{ave})\end{array}---\left(6\right)$

所以，当发送窗口增加一个时隙时的业务无关能耗变化量为：

${\mathrm{\ΔE}}_i^{t,ur}=(P_a-P_{a/s/d}^{\′})\·t_{ave}---\left(7\right)$

其中，P_a为ONU处于active模式时的功耗；P_s为ONU处于sleep模式时的功耗；P_d为ONU处于doze模式时的功耗；P_a'_/s/d要根据在时间段内的ONU处于的状态判定；通过上述公式，可知增加单位时隙时的能耗变化为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔE}}_i^t={\mathrm{\ΔE}}_i^{t,r}+{\mathrm{\ΔE}}_i^{t,ur}\\ =\underset{j=1,{\mathrm{\λ}}_j\∈L_i}{\overset{K}{\Σ}}{P}_{{\mathrm{\λ}}_j}\·t_{ave}+(P_a-P_{a/s/d}^{\′})\·t_{ave}\end{array}---\left(8\right)$

步骤7-2、计算增加单位载波时的能耗增加量的大小；因为与载波的增加无关，所以假设发送窗口内时隙数为n，λ_j表示增加的载波，那么得：

${\mathrm{\ΔE}}_i^s={\mathrm{\ΔE}}_i^{s,r}=P_{{\mathrm{\λ}}_j}\·n\·t_{ave}---\left(9\right)$

步骤7-3、流程307表示为比较和的大小；若则转到308，保持载波不变，为ONU_i分配当前时隙的相邻的时隙；否则转到309，保持当前发送窗口不变，为ONU_i分配其载波队列中可用的信道增益较大的子载波；分配完成之后转到流程306；

步骤8、进一步降低业务相关能耗，进行流程310，计算ONU_i当前带宽BW_i与G_i的差值大小；若满足进行流程311，选择ONU_i的载波占用集合L_i中信道增益最低的子载波，减少一个比特数；重复进行步骤8，直到进入流程312；

步骤9、流程312是将OLT为ONU分配的上行带宽信息、ONU睡眠开始时刻、睡眠时间大小和唤醒时刻写入到GATE控制信息中，其中上行带宽信息包括发送窗口起始时间、发送窗口大小、子载波编号、允许使用的子载波个数、每个子载波上承载的比特数；

步骤10、接下来进行流程313，即OLT向各个ONU发送GATE控制信息和下行业务；

步骤11、判断仿真时间是否结束，若是，则仿真结束，否则跳回步骤1；

(二)所述基于ONU休眠模式的三维动态带宽分配算法中ONU过程如下：

步骤1、流程400，即ONU接收到GATE控制信息后，首先对GATE信息分析处理，从中提取分配的上行带宽信息、睡眠开始时刻、睡眠时间大小和唤醒时刻等信息；

步骤2、流程401向OLT发送上行数据和REPORT控制信息，具体操作是ONU根据提取的上行带宽信息，在规定的时隙和子载波上传输上行数据，并将下一个轮询周期请求的带宽大小写入REPORT控制信息中，在ONU传输上行数据的末尾或者上行数据传输完毕后发送给OLT；

步骤3、流程401完成后，进入流程402，在规定的时间内进入相应的休眠状态节能；

步骤4、执行流程403，ONU在规定的时刻唤醒，进行时钟恢复和同步，准备进行下一次传输；

步骤5、判断是否仿真时间结束，若是，则仿真结束，否则转到步骤1。