CN110446122B - 一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，先将网络按就近原则和全网近似平均原则划分成数个支网区域；通过负载转移的ONU与无线节点协同区域资源重分配机制，根据业务优先级为休眠区域受影响的业务请求重新分配路由，基于约束因素选择最大权重路径作为业务请求及其源节点MAP的当前转发路径；通过光网单元ONU设备启闭能耗E_ONU、无线节点MAP设备启闭能耗E_MAP和业务请求的转发能耗E_trans的计算建立整个网络的能耗模型，再结合网络服务收益模型，获取网络服务最大化收益。本发明技术方案通过负载转移的ONU与无线节点协同休眠，依据优先级重新分配路由；在最大化降低网络能耗的基础上，保障高优先级业务的服务质量。

Description

一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法

技术领域

本发明涉及光纤无线融合网络的资源分配领域，特别涉及一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法。

背景技术

配用电通信网是电力通信网中骨干传输网与用户本地网之间的重要连接，其上承载着电力调度、智能抄表、配网保护等业务。随着电网规模不断扩大，配用电通信网络上承载业务的数量与种类越来越多，致使传统的单一组网结构无法满足异构业务端到端、差异化的传输质量的要求。光纤无线宽带接入网络既具备光网络高带宽、低损耗的优势，又具备无线网络可移动、灵活性高的特点，解决了光纤网络覆盖不足和无线网络带宽受限的问题，为异构配用电通信业务端到端、高质量传输提供架构支持。同时，随着接入网规模逐渐扩大，网络的能耗也在快速增长，调查显示接入网的能耗约占整个通信网络能耗的70％。因此，在温室效应、能源危机等全球性问题突出的今天，光纤无线融合网络作为下一代宽带接入网的重要解决方案之一，如何在节能的基础上完成网络资源分配已经成为重要的研究方向。为此，发明人检索了相关的现有技术：

专利号为CN104159314A的《异构网络的分布式节能资源分配方法》专利，涉及一种异构网络的分布式节能资源分配方法，该方法包括以下步骤：小区内的家庭基站根据其所有用户的受干扰情况得到相应的相邻干扰列表；小区内的家庭基站根据新的效用函数得到初步子信道分配；小区内的家庭基站基于各自的相邻干扰列表对确定的初步子信道分配进行协作子信道分配；小区内的家庭基站在确定子信道分配后根据新的效用函数进行功率分配，宏基站在每个子信道上进行非均匀定价。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，旨在节能的基础上更合理的实现网络资源的分配问题。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是提出的一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，光纤无线融合网络包括EPON网络和无线光网，EPON网络包括光线路终端OLT和光分路器，光线路终端OLT的上行连接骨干网，其下行连接光分路器，光分路器与无线光网连接，无线光网包括数个分别连接光分路器的光网单元ONU、连接光网单元ONU的数个无线节点MAP、与无线终端STA最近的MAP为源节点MAP，其余MAP视为中继节点MAP，包括如下步骤：

S10以光网单元ONU为中心，对无线节点MAP按其与光网单元ONU距离最近原则进行全网的近似平均分配，以此将光纤无线融合网络划分成数个支网区域；

S20计算每个支网区域内业务请求的接收数量，若该支网区域内业务请求的接收数量超出负载阈值范围，则将该支网区域内的光网单元ONU与中继节点MAP 协同休眠；

S30计算无线终端STA所生成业务请求的Qos优先级，按业务请求的Qos优先级从高到低顺序对业务请求排序，按排序顺序选择业务请求及其源节点MAP进行路由分配，从业务请求传输的可选路径中以链路时延、带宽及丢包率为约束因素求最大权重路径，选择最大权重路径作为业务请求及其源节点MAP的当前转发路径；

S40通过光网单元ONU设备启闭能耗E_ONU、无线节点MAP设备启闭能耗E_MAP和业务请求的转发能耗E_trans的计算建立整个网络的能耗模型E_nergy＝E_ONU+E_MAP+ E_trans，再结合网络服务收益模型R_EVENE(SR)，获取网络服务最大化收益P_rafit＝R_evenue(SR)-E_nergy。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

本发明提出的一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，光纤无线融合网络包括EPON网络和无线光网，EPON网络包括光线路终端OLT和光分路器，光线路终端OLT的上行连接骨干网，其下行连接光分路器，光分路器与无线光网连接，无线光网包括数个分别连接光分路器的光网单元ONU、连接光网单元ONU的数个无线节点MAP、与无线终端STA最近的MAP为源节点 MAP，其余MAP视为中继节点MAP，包括如下步骤：

S10以光网单元ONU为中心，对无线节点MAP按其与光网单元ONU距离最近原则进行全网的近似平均分配，以此将光纤无线融合网络划分成数个支网区域；

S20计算每个支网区域内业务请求的接收数量，若该支网区域内业务请求的接收数量超出负载阈值范围，则将该支网区域内的光网单元ONU与中继节点MAP 协同休眠；

S30计算无线终端STA所生成业务请求的Qos优先级，按业务请求的Qos优先级从高到低顺序对业务请求排序，按排序顺序选择业务请求及其源节点MAP进行路由分配，从业务请求传输的可选路径中以链路时延、带宽及丢包率为约束因素求最大权重路径，选择最大权重路径作为业务请求及其源节点MAP的当前转发路径；

S40通过光网单元ONU设备启闭能耗E_ONU、无线节点MAP设备启闭能耗E_MAP和业务请求的转发能耗E_trans的计算建立整个网络的能耗模型E_nergy＝E_ONU+E_MAP+ E_trans，再结合网络服务收益模型R_EVENE(SR)，获取网络服务最大化收益 P_rafit＝R_evenue(SR)-E_nergy。

优选地，所述S30中计算无线终端STA所生成业务请求的Qos优先级的方法具体为：

定义业务类型及其参数值，业务类型包括代表远程控制及保护的EF类、代表流媒体视频及其监控的AF类、代表智能电表抄表的BE类；r_H为SR是否符合高可靠性要求的判断参数，b_H为是否为高带宽要求的判断参数，t_L为是否为低时延要求的判断参数，以上判断参数若判断为是时，取值为1，判断为否时，取值为0；

定义光纤无线融合网络为一个有权无向图G^S＝(N^S,L^S)，其中N^S是网络节点的集合，对每一个节点

都有CPU计算能力

和地理位置

L^s是网络的链路集合，

是一条连接物理节点

和

之间的路经，

可由多条串联而成的物理链路组成，

为该两物理节点之间所有物理链路带宽中的最小值，

每个具体的业务请求可用一个六元组来表示：

SR(SR_cpu,SR_band,SR_delay,r_H,b_H,t_L)，SR_cpu为所承载业务的CPU 计算需求，且

其中

表示节点的初始 CPU计算能力，

表示节点目前剩余的CPU计算能力；SR_band为所承载业务的链路带宽需求且

其中

表示链路的初始带宽，

表示链路已使用的带宽，SR_delay为所承载业务的最大可容忍时延，

建立业务优先级的计算公式为：

QoS(SR)＝r_Ht_L+(1-r_Ht_L)(P_C*SR_cpu+P_B*SR_band+P_D*SR_delay)，

P_C为CPU计算能力、P_B为链路带宽、P_D为SR请求时延的权重因子，r_Ht_L表示该业务是否是EF类业务，如果r_Ht_L＝1，则为EF类业务，且优先级最高,其 QoS(SR)＝1；如果r_Ht_L＝0，则非EF类业务，按照业务的各项参数进行优先级计算，

在业务请求传输周期中，计算每个支网区域内的业务优先级QoS(SR)且按 QoS(SR)值从高到低的顺序选择业务请求进行转发的路由分配。

优选地，所述S30中计算协同休眠的光网单元ONU与无线节点MAP的节约能耗及该业务传输周期能耗的方法具体为：

创建基于配用电通信的光纤无线融合网络的能耗模型，通过能耗模型获取有源器件启闭能耗和业务传输能耗，有源器件有且不限于光网单元ONU与无线节点 MAP，假设ONU个数为R，激活状态的个数为r，E_sl表示处于休眠的ONU能耗，E_ac表示处于激活状态的ONU能耗，P_ac为激活状态下ONU功耗，P_sl为休眠状态下的 ONU无线节点MAP功耗，则在一个预定周期T_cy时间内，ONU的启闭能耗的计算公式如下：

假设无线节点MAP个数为N^w，

为激活状态下的无线节点MAP功耗，

为休眠状态下的无线节点MAP功耗，协同ONU休眠而休眠的无线节点MAP分别为 N₁,N₂,...,N_R-1,N_R，则在T_cy时间内，无线节点总能耗由工作状态及休眠状态的无线节点能耗相加所得，公式如下：

假设在一个预定周期T_cy内，网络传输了M个业务，每个业务带宽为 B(SR_u),u∈{1,2,...,M}，E_send是电路发送数据包所消耗的能量，E_receive是接收数据包所消耗的能量；ε_fs为自由空间的放大系数，εmp为多径衰落信号放大系数，d₀是一个指定常数，表示业务传输距离的阈值，每个业务传输的距离为 d(SR_u)，则在T_cy内，业务传输能耗可用如下公式：

由上获得在T_cy内，整个网络能耗E_nergy为：

优选地，所述S30中获取网络服务最大化收益的方法：

假设在T_cy内，接受M个业务请求给网络服务带来的收益的公式如下：

其中T(SR_u)为业务持续时间，

为业务请求SR_u的带宽需求，

为业务请求的CPU计算能力需求，p_cpu为调节CPU 计算能力、p_B为带宽权重的参数，

基于网络服务提供商通过业务请求提供传输服务获取收益，但同时也承担了资源消耗，建立网络服务最大化收益

的计算公式为：

优选地，所述预定周期T_cy为OLT的一个轮询周期。

优选地，所述S30中在业务请求传输的可选路径中以链路时延、带宽及丢包率为约束因素求最大权重路径，选择最大权重路径作为业务请求的当前转发路径的方法具体为：

假设当前业务请求的源地址S到目的地址D之间共有X种路径，设S到D之间每条路径的权重为W_x(1＜x＜X)，

以链路时延为约束因素，时延约束表示从源节点到目的节点之间的路径上所有链路总时延小于当前业务请求的时延要求，表示如下：

其中，d_xy表示第x条路径中第y条链路的一跳时延，SR_delay表示业务请求的时延要求；

以带宽为约束因素：假设第x条路径中包含Y条链路，即该路径包含Y跳，第y(1＜y＜Y)条链路额定容量为BW_xy，链路负载为LD_xy，则整条路径x中链路额定容量与负载之差的最小值为路径x的剩余带宽BL_x可用公式表示：

BL_x＝min(BW_xy-LD_xy),y＝1,...Y，

从源节点到目的节点之间的每条链路剩余带宽均要大于业务请求所需带宽SR_band，可用公式表示：

BL_x≥SR_band，

路径权重计算公式表示为：

其中，LR_xy为第x条路径中第y条链路的丢包率，d_xy表示第x条路径中第y 条链路的时延，BL_x表示第x条路径的最小链路带宽,即第x条路径会有很多条链路顺次连接组成，整条路径带宽取具有最小链路带宽的那个带宽值，

EF类：r_H＝1,b_H＝0,t_L＝1，路径权重计算以丢包率和时延为参数优选路径；

AF类：r_H＝0,b_H＝1,t_L＝1，路径权重计算以带宽和时延为参数优选路径；

BE类：r_H＝1，b_H＝0，t_L＝0，路径权重计算以丢包率为参数优选路径，

从而实现基于区分业务Qos的路径选择。

优选地，所述S20具体为：

设定各个支网区域在T_cy周期内的负载低阈值LT，负载高阈值HT，光网单元 ONU与无线节点MAP协同休眠的约束条件为：

其中B_i为当前业务请求的支网区域负载总量，

若当前业务请求的支网区域负载总量B_i＜LT或B_i＞HT,则考虑将本网络区域的无线终端STA和源节点MAP进行区域重新选择，重新选择条件：

1)另一支网区域的当前负载总量B_k与当前业务请求负载B_m在LT与HT之间：

LT＜B_k+B_m＜HT；

3)业务源节点为业务请求负载-源节点MAP，业务源节点的新 ONU-MPP_k区域选取综合考虑区域负载容量和业务源节点到新ONU-MPP_k区域网关的距离，定义权值G_K作为选择的依据，表示为：

G_K＝(C_g-B_k)/L_m,k,

其中，C_g为新ONU-MPP_k区域额定容量，B_k为其当前负载，L_m,k为节点m到网关ONU-MPP_k的最短路径,在所有满足负载容量约束的的新区域中，选择G_K为最大值的所在区域为新目标区域，且网络区域重构后，将原网络区域的ONU和中继节点MAP休眠。

优选地，所述光纤无线融合网络具有如下约束条件：

(1)CPU计算能力限制：

在光纤无线融合网络中进行业务路由时，每个节点剩余CPU计算能力应当大于业务的CPU计算需求，该约束条件表示为：

其中，SR_cpu表示业务请求的CPU计算需求，

表示节点的初始CPU 计算能力，

表示节点目前剩余的CPU计算能力，

(2)链路带宽约束：

在业务路由时，传输路径的所有链路中最小链路带宽应当大于业务需求

带宽，该约束条件表示为：

其中，SR_band表示业务请求的带宽需求，

表示链路的初始带宽，

表示链路已使用的带宽。

优选地，所述S10步骤具体为：

假设整个网络内任意ONU_i的总个数为N_ONU,i∈{1,2,...,N_ONU}，任意MAP_j的总个数为M_MAP,j∈{1,2,...,M_MAP}，假设MAP_j和ONU_i的划分关系表示为MAP_ji，如果MAP_ji＝1，表示MAP_j在以ONU_i为中心的区域内；如果MAP_ji＝0则表示二者不在同一区域，支网区域划分需要将无线节点MAP无重叠、无遗漏划分在以一个ONU为中心的区域内，表示如下：

网络区域划分的约束条件为：MAP多跳到新区域的ONU不超过限定的跳数，表示如下：Hops_ji(Hops from MAP_j to ONU_i)<Hops_lim，

考虑负载均衡，由于业务源STA默认选择最近的MAP节点来传输，因此初始区域内MAP节点数量的分布基本代表了负载的分布，每个以ONU为中心的网络区域应尽量确保所服务的MAP数目相差不能过大，

代表第i 个网络区域与ONU连接的MAP数目，每个网络区域与区域内ONU连接的 MAP平均数目的公式如下：

为了每个区域内MAP数量基于平均数量近似相同，采用如下方法：

(1)将每个MAP节点按就近原则初始划分支网区域；

(2)若支网区域内MAP数量超过平均数，选择该支网区域内与ONU距离最远的MAP节点转移；

(3)MAP节点所转移的新支网区域的跳数在限定内且区域内的MAP节点数小于全网平均数。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明技术方案先提出一种基于负载转移的跨域节点协同区域资源重分配机制，对休眠区域受影响的业务进行基于优先级的资源重分配，以保障高优先级业务的加速转发，本发明先进行面向负载均衡的网络区域划分，再面向业务优先级的区域内业务路由规划，再通过以上步骤的数据建立光纤无线融合网络的能耗模型，用以描述有源器件启闭能耗和业务转发能耗，再进一步地建立了网络服务收益模型，从而获得网络服务的最大化收益。本发明通过整个基于负载转移的跨域节点协同区域休眠机制即ONU和中继节点MAP的协同休眠，实现在节能的基础上更合理的实现网络资源的分配问题。

附图说明

图1为所述光纤无线融合网络的一实施例的网络架构图；

图2为基于负载均衡的初始化网络区域划分的一实施例的示意图；

图3为基于负载转移的跨域节点协同区域资源重分配的一实施例的示意图；

图4为基于优先级的负载重路由机制的一实施例的示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1-2所示，本发明提出的一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，光纤无线融合网络包括EPON网络和无线光网，EPON网络包括光线路终端OLT和光分路器，光线路终端OLT的上行连接骨干网，其下行连接光分路器，光分路器与无线光网连接，无线光网包括数个分别连接光分路器的光网单元ONU、连接光网单元ONU的数个无线节点MAP、与无线终端STA最近的MAP为源节点MAP，其余MAP视为中继节点MAP，包括如下步骤：

S10以光网单元ONU为中心，对无线节点MAP按其与光网单元ONU距离最近原则进行全网的近似平均分配，以此将光纤无线融合网络划分成数个支网区域；

S20计算每个支网区域内业务请求的接收数量，若该支网区域内业务请求的接收数量超出负载阈值范围，则将该支网区域内的光网单元ONU与中继节点MAP 协同休眠；

S30计算无线终端STA所生成业务请求的Qos优先级，按业务请求的Qos优先级从高到低顺序对业务请求排序，按排序顺序选择业务请求及其源节点MAP进行路由分配，从业务请求传输的可选路径中以链路时延、带宽及丢包率为约束因素求最大权重路径，选择最大权重路径作为业务请求及其源节点MAP的当前转发路径；

S40通过光网单元ONU设备启闭能耗E_ONU、无线节点MAP设备启闭能耗E_MAP和业务请求的转发能耗E_trans的计算建立整个网络的能耗模型E_nergy＝E_ONU+E_MAP+ E_trans，再结合网络服务收益模型R_EVENE(SR)，获取网络服务最大化收益 P_rafit＝R_evenue(SR)-E_nergy。

在本发明实施例中，本发明的目的是实现光纤无线融合网络节能和业务质量保障以完成网络资源分配。本发明的光纤无线融合网络是采用树形——网状拓扑结构，由后端的树形拓扑PON网络和前端的无线网状网WMN组成，其架构如图1 所示，主要包括光线路终端OLT、无源光网络网关节点ONU及无线Mesh接入点 MAP，EPON中位于OLT上行通过光纤连接骨干网，下行通过光纤连接光分路器 (Spliter)，光分路器再通过多条光纤与ONU连接，ONU可理解为ONU或ONU-MPP，作为光接入部分与无线接入部分的接口，它通过WMN中的无线链路与MAP进行数据传输。MAP作为接入网络的末端，通过空中接口与多个无线终端(SubscriberStation,STA)相连接。中的无线链路与MAP进行数据传输。MAP作为接入网络的末端，通过空中接口与多个无线终端(Subscriber Station,STA)相连接。

本发明将无线节点以光网络单元ONU为中心进行基于负载均衡的区域划分，通过面向业务优先级的区域内业务路由规划方法，实现网络负载均衡和业务QoS 保障；通过区域负载总量与负载阈值范围的比较，将负载阈值超范围区域内的光网络单元ONU和无线节点协同休眠，同时将原休眠区域内受影响的业务进行负载转移，并依据优先级重新分配路由，在最大化降低网络能耗的基础上，保障高优先级业务的服务质量。本发明通过建立网络的能耗模型和网络服务收益模型，获取网络服务最大化收益，实现资源的最优分配。本发明通过负载转移的ONU和中继节点MAP的协同休眠，实现节能，再根据业务请求优先级顺序选择休眠区域，将该区域的业务请求和源节点MAP重新分配路由，保障高优先级业务的加速转发。本发明在综合考虑诸多约束因素的基础上，得到资源的最优分配方法。

光纤无线融合网络的能耗由两部分组成，一部分是ONU和无线节点的设备启闭能耗，由于在接入网中，设备开启还是休眠状态对于整个网络的能量消耗影响较大，因此本发明主要通过将低负载ONU和无线节点进行休眠以实现节能目的；另一部分是业务转发能耗，在光纤无线融合网络中，业务转发能耗主要集中在无线多跳部分。无线终端STA产生业务请求后，数据流上行到OLT的过程，先在无线域，STA选择最近的MAP节点作为源节点；而中间源节点MAP通过无线多跳到网关ONU需要进行路由分配；最后在光域的EPON网络中，ONU到OLT只有唯一的树形通路，采用时分复用方式进行业务传输。为了在网络低负载时候，可让处于闲置状态下的ONU及无线节点MAP进行协同休眠以降低网络能耗，本发明首先提出了为每个MAP指定一个默认ONU网关的区域划分策略，区域划分基于最短路径与负载均衡，业务在所属区域内传输能够保证业务传输效率和减少网络拥塞，同时也便于后续ONU和MAP协同区域休眠。进而，我们在区域内进行基于QoS感知的多等级业务端到端路由分配，保障业务服务质量。

在光纤无线融合网络环境中，客户端向网络服务提供商提出业务请求，一旦网络接受此业务请求完成资源分配，便给网络服务提供商带来收益。一般的，接受一个业务请求的收益与业务的CPU、带宽资源需求以及业务持续时间有关。则在一个轮询周期内，接受M个智能配用电通信业务请求给网络基础设施提供商带来的收益。对于网络服务提供商来说，它通过为业务请求提供传输服务来获取收益，同时又承担资源消耗，故网络服务最大化收益P_rafit＝R_evenue(SR)-E_nergy。

优选地，所述S30中计算无线终端STA所生成业务请求的Qos优先级的方法具体为：

定义业务类型及其参数值，业务类型包括代表远程控制及保护的EF类、代表流媒体视频及其监控的AF类、代表智能电表抄表的BE类；r_H为SR是否符合高可靠性要求的判断参数，b_H为是否为高带宽要求的判断参数，t_L为是否为低时延要求的判断参数，以上判断参数若判断为是时，取值为1，判断为否时，取值为0；

定义光纤无线融合网络为一个有权无向图G^S＝(N^S,L^S)，其中N^S是网络节点的集合，对每一个节点

都有CPU计算能力

和地理位置

L^s是网络的链路集合，

是一条连接物理节点

和

之间的路经，

可由多条串联而成的物理链路组成，

为该两物理节点之间所有物理链路带宽中的最小值，

每个具体的业务请求可用一个六元组来表示：

SR(SR_cpu,SR_band,SR_delay,r_H,b_H,t_L)，SR_cpu为所承载业务的CPU 计算需求，且

其中

表示节点的初始 CPU计算能力，

表示节点目前剩余的CPU计算能力；SR_band为所承载业务的链路带宽需求且

其中

表示链路的初始带宽，

表示链路已使用的带宽，SR_delay为所承载业务的最大可容忍时延，

建立业务优先级的计算公式为：

QoS(SR)＝r_Ht_L+(1-r_Ht_L)(P_C*SR_cpu+P_B*SR_band+P_D*SR_delay) ，

P_C为CPU计算能力、P_B为链路带宽、P_D为SR请求时延的权重因子，r_Ht_L表示该业务是否是EF类业务，如果r_Ht_L＝1，则为EF类业务，且优先级最高,其 QoS(SR)＝1；如果r_Ht_L＝0，则非EF类业务，按照业务的各项参数进行优先级计算，

在业务请求传输周期中，计算每个支网区域内的业务优先级QoS(SR)且按QoS(SR)值从高到低的顺序选择业务请求进行转发的路由分配。

完成光纤无线融合网络区域的休眠/活跃转换过程，并为部分受影响的配用电通信业务负载重新划分新区域后，需要进一步完成转移的负载在新区域内的端到端路由重新分配，即负载重路由。由于新网络区域自身原有负载已占用了较多网络资源，因此可能无法满足所有转移负载的路由需求，因此本发明进行基于优先级的负载重路由机制。

考虑业务的QoS需求不同，在进行转移负载重路由时，首先根据本发明提出的业务请求选择机制对所有需要重路由的业务进行优先级排序，然后按顺序依据前文所提的路由算法传输业务。在对转移负载分配路由时，如果当前网络的剩余资源可以满足则直接进行路由；若不满足，判断当前路由的业务级别，若重路由的SR请求QoS(SR)＝1，即当前业务为保护类业务，则需要释放当前网络区域内已成功路由的低优先级SR占用的资源来保障该业务的及时传输。释放方式根据已路由成功的SR的QoS(SR)值升序排序，选择QoS(SR)值最低的SR进行释放，不选择即将到期的。释放之后按照本发明提出的路由机制进行路由，若依旧不能路由，则释放下一个SR，直到重路由成功。

重路由机制图4所示，根据本专利提出的路由机制将SR1和SR2进行传输，但是当因区域休眠而转移的负载SR3到来时，由于SR3为保护类业务，因此触发释放低优先级占用资源而满足其需求的机制，将SR2释放，路由SR3。

优选地，所述S30中计算协同休眠的光网单元ONU与无线节点MAP的节约能耗及该业务传输周期能耗的方法具体为：

创建基于配用电通信的光纤无线融合网络的能耗模型，通过能耗模型获取有源器件启闭能耗和业务传输能耗，有源器件有且不限于光网单元ONU与无线节点 MAP，假设ONU个数为R，激活状态的个数为r，E_sl表示处于休眠的ONU能耗，E_ac表示处于激活状态的ONU能耗，P_ac为激活状态下ONU功耗，P_sl为休眠状态下的 ONU无线节点MAP功耗，则在一个预定周期T_cy时间内，ONU的启闭能耗的计算公式如下：

假设无线节点MAP个数为N^w，

为激活状态下的无线节点MAP功耗，

为休眠状态下的无线节点MAP功耗，协同ONU休眠而休眠的无线节点MAP分别为 N₁,N₂,...,N_R-1,N_R，则在T_cy时间内，无线节点总能耗由工作状态及休眠状态的无线节点能耗相加所得，公式如下：

假设在一个预定周期T_cy内，网络传输了M个业务，每个业务带宽为 B(SR_u),u∈{1,2,...,M}，E_send是电路发送数据包所消耗的能量，E_receive是接收数据包所消耗的能量；ε_fs为自由空间的放大系数，εmp为多径衰落信号放大系数，d₀是一个指定常数，表示业务传输距离的阈值，每个业务传输的距离为 d(SR_u)，则在T_cy内，业务传输能耗可用如下公式：

由上获得在T_cy内，整个网络能耗E_nergy为：

优选地，所述S30中获取网络服务最大化收益的方法：

假设在T_cy内，接受M个业务请求给网络服务带来的收益的公式如下：

其中T(SR_u)为业务持续时间，

为业务请求SR_u的带宽需求，

为业务请求的CPU计算能力需求，p_cpu为调节CPU 计算能力、p_B为带宽权重的参数，

基于网络服务提供商通过业务请求提供传输服务获取收益，但同时也承担了资源消耗，建立网络服务最大化收益

的计算公式为：

优选地，所述预定周期T_cy为OLT的一个轮询周期。

考虑到需要统一计算两部分能耗，结合光纤无线融合网络的特点，我们将能耗的计算周期定为一次轮询周期。

整个基于负载转移的跨域节点协同区域休眠机制，其主要过程：首先，将每个区域在一定周期内的负载总和与阈值比较，对于负载低于低阈值的区域，让区域内ONU与无线节点MAP进行休眠，将受影响的业务和其源节点MAP重新转移到活跃的ONU区域；对于负载高于阈值的区域，优先让低优先级业务和其源节点 MAP转移到其它活跃区域传输，以实现负载均衡，当其它区域也无法承载转移业务，则唤醒距离最近的休眠区域进行传输。然后，将转移业务在新区域内进行路由分配，对于无法满足业务传输需求的最高级EF类业务，释放正在占用资源的低优先级业务以保障高优先级业务的加速转发。

优选地，所述S30中在业务请求传输的可选路径中以链路时延、带宽及丢包率为约束因素求最大权重路径，选择最大权重路径作为业务请求的当前转发路径的方法具体为：

假设当前业务请求的源地址S到目的地址D之间共有X种路径，设S到D之间每条路径的权重为W_x(1＜x＜X)，

以链路时延为约束因素，时延约束表示从源节点到目的节点之间的路径上所有链路总时延小于当前业务请求的时延要求，表示如下：

其中，d_xy表示第x条路径中第y条链路的一跳时延，SR_delay表示业务请求的时延要求；

以带宽为约束因素：假设第x条路径中包含Y条链路，即该路径包含Y跳，第y(1＜y＜Y)条链路额定容量为BW_xy，链路负载为LD_xy，则整条路径x中链路额定容量与负载之差的最小值为路径x的剩余带宽BL_x可用公式表示：

BL_x＝min(BW_xy-LD_xy),y＝1,...Y，

从源节点到目的节点之间的每条链路剩余带宽均要大于业务请求所需带宽SR_band，可用公式表示：

BL_x≥SR_band，

路径权重计算公式表示为：

其中，LR_xy为第x条路径中第y条链路的丢包率，d_xy表示第x条路径中第y 条链路的时延，BL_x表示第x条路径的最小链路带宽,即第x条路径会有很多条链路顺次连接组成，整条路径带宽取具有最小链路带宽的那个带宽值

EF类：r_H＝1,b_H＝0,t_L＝1，路径权重计算以丢包率和时延为参数优选路径；

AF类：r_H＝0,b_H＝1,t_L＝1，路径权重计算以带宽和时延为参数优选路径；

BE类：r_H＝1，b_H＝0，t_L＝0，路径权重计算以丢包率为参数优选路径，

从而实现基于区分业务Qos的路径选择。

优选地，所述S20具体为：

设定各个支网区域在T_cy周期内的负载低阈值LT，负载高阈值HT，光网单元 ONU与无线节点MAP协同休眠的约束条件为：

其中B_i为当前业务请求的支网区域负载总量，

若当前业务请求的支网区域负载总量B_i＜LT或B_i＞HT,则考虑将本网络区域的无线终端STA和源节点MAP进行区域重新选择，重新选择条件：

1)另一支网区域的当前负载总量B_k与当前业务请求负载B_m在LT与HT之间：

LT＜B_k+B_m＜HT；

4)业务源节点为业务请求负载-源节点MAP，业务源节点的新 ONU-MPP_k区域选取综合考虑区域负载容量和业务源节点到新ONU-MPP_k区

域网关的距离，定义权值G_K作为选择的依据，表示为：

G_K＝(C_g-B_k)/L_m,k,

其中，C_g为新ONU-MPP_k区域额定容量，B_k为其当前负载，L_m,k为节点m到网关ONU-MPP_k的最短路径,在所有满足负载容量约束的的新区域中，选择G_K为最大值的所在区域为新目标区域，且网络区域重构后，将原网络区域的ONU和中继节点MAP休眠。

优选地，所述光纤无线融合网络具有如下约束条件：

(1)CPU计算能力限制：

在光纤无线融合网络中进行业务路由时，每个节点剩余CPU计算能力应当大于业务的CPU计算需求，该约束条件表示为：

其中，SR_cpu表示业务请求的CPU计算需求，

表示节点的初始CPU 计算能力，

表示节点目前剩余的CPU计算能力，

(2)链路带宽约束：

在业务路由时，传输路径的所有链路中最小链路带宽应当大于业务需求带宽，该约束条件表示为：

其中，SR_band表示业务请求的带宽需求，

表示链路的初始带宽，

表示链路已使用的带宽。

所述S10步骤具体为：

假设整个网络内任意ONU_i的总个数为N_ONU,i∈{1,2,...,N_ONU}，任意MAP_j的总个数为M_MAP,j∈{1,2,...,M_MAP}，假设MAP_j和ONU_i的划分关系表示为MAP_ji，如果MAP_ji＝1，表示MAP_j在以ONU_i为中心的区域内；如果MAP_ji＝0则表示二者不在同一区域，支网区域划分需要将无线节点MAP无重叠、无遗漏划分在以一个ONU为中心的区域内，表示如下：

网络区域划分的约束条件为：MAP多跳到新区域的ONU不超过限定的跳数，表示如下：Hops_ji(Hops from MAP_j to ONU_i)<Hops_lim，

考虑负载均衡，由于业务源STA默认选择最近的MAP节点来传输，因此初始区域内MAP节点数量的分布基本代表了负载的分布，每个以ONU为中心的网络区域应尽量确保所服务的MAP数目相差不能过大，

代表第i 个网络区域与ONU连接的MAP数目，每个网络区域与区域内ONU连接的 MAP平均数目的公式如下：

为了每个区域内MAP数量基于平均数量近似相同，采用如下方法：

(1)将每个MAP节点按就近原则初始划分支网区域；

(2)若支网区域内MAP数量超过平均数，选择该支网区域内与ONU距离最远的MAP节点转移；

MAP节点所转移的新支网区域的跳数在限定内且区域内的MAP节点数小于全网平均数。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，光纤无线融合网络包括EPON网络和无线光网，EPON网络包括光线路终端OLT和光分路器，光线路终端OLT的上行连接骨干网，其下行连接光分路器，光分路器与无线光网连接，无线光网包括数个分别连接光分路器的光网单元ONU、连接光网单元ONU的数个无线节点MAP、与无线终端STA最近的MAP为源节点MAP，其余MAP视为中继节点MAP，其特征在于，包括如下步骤：

S10以光网单元ONU为中心，对无线节点MAP按其与光网单元ONU距离最近原则进行全网的近似平均分配，以此将光纤无线融合网络划分成数个支网区域；

S20计算每个支网区域内业务请求的接收数量，若该支网区域内业务请求的接收数量超出负载阈值范围，则将该支网区域内的光网单元ONU与中继节点MAP协同休眠；

S30计算无线终端STA所生成业务请求的Qos优先级，按业务请求的Qos优先级从高到低顺序对业务请求排序，按排序顺序选择业务请求及其源节点MAP进行路由分配，从业务请求传输的可选路径中以链路时延、带宽及丢包率为约束因素求最大权重路径，选择最大权重路径作为业务请求及其源节点MAP的当前转发路径；

S40通过光网单元ONU设备启闭能耗E_ONU、无线节点MAP设备启闭能耗E_MAP和业务请求的转发能耗E_trans的计算建立整个网络的能耗模型E_nergy＝E_ONU+E_MAP+E_trans，再结合网络服务收益模型R_EVENE(SR)，获取网络服务最大化收益P_rafit＝R_evenue(SR)-E_nergy。

2.如权利要求1所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，所述S30中计算无线终端STA所生成业务请求的Qos优先级的方法具体为：

定义业务类型及其参数值，业务类型包括代表远程控制及保护的EF类、代表流媒体视频及其监控的AF类、代表智能电表抄表的BE类；r_H为SR是否符合高可靠性要求的判断参数，b_H为是否为高带宽要求的判断参数，t_L为是否为低时延要求的判断参数，以上判断参数若判断为是时，取值为1，判断为否时，取值为0；

定义光纤无线融合网络为一个有权无向图G^S＝(N^S,L^S)，其中N^S是网络节点的集合，对每一个节点

都有CPU计算能力

和地理位置

L^s是网络的链路集合，

是一条连接物理节点

和

之间的路经，

可由多条串联而成的物理链路组成，

为该两物理节点之间所有物理链路带宽中的最小值，

每个具体的业务请求可用一个六元组来表示：

SR(SR_cpu,SR_band,SR_delay,r_H,b_H,t_L)，SR_cpu为所承载业务的CPU计算需求，且

其中

表示节点的初始CPU计算能力，

表示节点目前剩余的CPU计算能力；SR_band为所承载业务的链路带宽需求且

， 其中

表示链路的初始带宽，

表示链路已使用的带宽，SR_delay为所承载业务的最大可容忍时延，

建立业务优先级的计算公式为：

QoS(SR)＝r_Ht_L+(1-r_Ht_L)(P_C*SR_cpu+P_B*SR_band+P_D*SR_delay)，

P_C为CPU计算能力、P_B为链路带宽、P_D为SR请求时延的权重因子，r_Ht_L表示该业务是否是EF类业务，如果r_Ht_L＝1，则为EF类业务，且优先级最高,其QoS(SR)＝1；如果r_Ht_L＝0，则非EF类业务，按照业务的各项参数进行优先级计算，在业务请求传输周期中，计算每个支网区域内的业务优先级QoS(SR)且按QoS(SR)值从高到低的顺序选择业务请求进行转发的路由分配。

3.如权利要求2所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，S40通过光网单元ONU设备启闭能耗、无线节点MAP设备启闭能耗和业务请求的转发能耗的计算建立整个网络的能耗模型的方法具体为：

创建基于配用电通信的光纤无线融合网络的能耗模型，通过能耗模型获取有源器件启闭能耗和业务传输能耗，有源器件有且不限于光网单元ONU与无线节点MAP，假设ONU个数为R，激活状态的个数为r，E_sl表示处于休眠的ONU能耗，E_ac表示处于激活状态的ONU能耗，P_ac为激活状态下ONU功耗，P_sl为休眠状态下的ONU无线节点MAP功耗，则在一个预定周期T_cy时间内，ONU的启闭能耗的计算公式如下：

假设无线节点MAP个数为N^w，

为激活状态下的无线节点MAP功耗，

为休眠状态下的无线节点MAP功耗，协同ONU休眠而休眠的无线节点MAP分别为N₁,N₂,...,N_R-1,N_R，则在T_cy时间内，无线节点总能耗由工作状态及休眠状态的无线节点能耗相加所得，公式如下：

假设在一个预定周期T_cy内，网络传输了M个业务，每个业务带宽为B(SR_u),u∈{1,2,...,M}，E_send是电路发送数据包所消耗的能量，E_receive是接收数据包所消耗的能量；ε_fs为自由空间的放大系数，εmp为多径衰落信号放大系数，d₀是一个指定常数，表示业务传输距离的阈值，每个业务传输的距离为d(SR_u)，则在T_cy内，业务传输能耗可用如下公式：

由上获得在T_cy内，整个网络能耗E_nergy为：

4.如权利要求3所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，所述S40中获取网络服务最大化收益的方法：

假设在T_cy内，接受M个业务请求给网络服务带来的收益的公式如下：

其中T(SR_u)为业务持续时间，

为业务请求SR_u的带宽需求，

为业务请求的CPU计算能力需求，p_cpu为调节CPU计算能力、p_B为带宽权重的参数，

基于网络服务提供商通过业务请求提供传输服务获取收益，但同时也承担了资源消耗，建立网络服务最大化收益的计算公式为：

5.如权利要求3所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，所述预定周期T_cy为OLT的一个轮询周期。

6.如权利要求1所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，所述S30中在业务请求传输的可选路径中以链路时延、带宽及丢包率为约束因素求最大权重路径，选择最大权重路径作为业务请求的当前转发路径的方法具体为：

假设当前业务请求的源地址S到目的地址D之间共有X种路径，设S到D之间每条路径的权重为W_x(1＜x＜X)，

以链路时延为约束因素，时延约束表示从源节点到目的节点之间的路径上所有链路总时延小于当前业务请求的时延要求，表示如下：

其中，d_xy表示第x条路径中第y条链路的一跳时延，SR_delay表示业务请求的时延要求；

以带宽为约束因素：假设第x条路径中包含Y条链路，即该路径包含Y跳，第y(1＜y＜Y)条链路额定容量为BW_xy，链路负载为LD_xy，则整条路径x中链路额定容量与负载之差的最小值为路径x的剩余带宽BL_x可用公式表示：

BL_x＝min(BW_xy-LD_xy),y＝1,...Y，

从源节点到目的节点之间的每条链路剩余带宽均要大于业务请求所需带宽SR_band，可用公式表示：

BL_x≥SR_band，

路径权重计算公式表示为：

其中，LR_xy为第x条路径中第y条链路的丢包率，d_xy表示第x条路径中第y条链路的时延，BL_x表示第x条路径的最小链路带宽,即第x条路径会有很多条链路顺次连接组成，整条路径带宽取具有最小链路带宽的那个带宽值

EF类：r_H＝1,b_H＝0,t_L＝1，路径权重计算以丢包率和时延为参数优选路径；

AF类：r_H＝0,b_H＝1,t_L＝1，路径权重计算以带宽和时延为参数优选路径；

BE类：r_H＝1，b_H＝0，t_L＝0，路径权重计算以丢包率为参数优选路径，

从而实现基于区分业务Qos的路径选择。

7.如权利要求1所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，所述S20具体为：

设定各个支网区域在T_cy周期内的负载阈值范围临界点包括负载低阈值LT和负载高阈值HT，光网单元ONU与无线节点MAP协同休眠的约束条件为：

其中B_i为当前业务请求的支网区域负载总量，

若当前业务请求的支网区域负载总量B_i＜LT或B_i＞HT,则考虑将本网络区域的无线终端STA和源节点MAP进行区域重新选择，重新选择条件：

1)另一支网区域的当前负载总量B_k与当前业务请求负载B_m在LT与HT之间：

LT＜B_k+B_m＜HT；

2)业务源节点为业务请求负载-源节点MAP，业务源节点的新ONU-MPP_k区域选取综合考虑区域负载容量和业务源节点到新ONU-MPP_k区域网关的距离，定义权值G_K作为选择的依据，表示为：

G_K＝(C_g-B_k)/L_m,k,

其中，C_g为新ONU-MPP_k区域额定容量，B_k为其当前负载，L_m,k为节点m到网关ONU-MPP_k的最短路径,在所有满足负载容量约束的新区域中，选择G_K为最大值的所在区域为新目标区域，且网络区域重构后，将原网络区域的ONU和中继节点MAP休眠。

8.如权利要求1所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，所述光纤无线融合网络具有如下约束条件：

(1)CPU计算能力限制：

在光纤无线融合网络中进行业务路由时，每个节点剩余CPU计算能力应当大于业务的CPU计算需求，该约束条件表示为：

其中，SR_cpu表示业务请求的CPU计算需求，

表示节点的初始CPU计算能力，

表示节点目前剩余的CPU计算能力，

(2)链路带宽约束：

在业务路由时，传输路径的所有链路中最小链路带宽应当大于业务需求带宽，该约束条件表示为：

其中，SR_band表示业务请求的带宽需求，

表示链路的初始带宽，

表示链路已使用的带宽。

9.如权利要求1所述的光纤无线融合网络跨域协同资源分配方法，其特征在于，所述S10步骤具体为：

假设整个网络内任意ONU_i的总个数为N_ONU,i∈{1,2,...,N_ONU}，任意MAP_j的总个数为M_MAP,j∈{1,2,...,M_MAP}，假设MAP_j和ONU_i的划分关系表示为MAP_ji，如果MAP_ji＝1，表示MAP_j在以ONU_i为中心的区域内；如果MAP_ji＝0则表示二者不在同一区域，支网区域划分需要将无线节点MAP无重叠、无遗漏划分在以一个ONU为中心的区域内，表示如下：

网络区域划分的约束条件为：MAP多跳到新区域的ONU不超过限定的跳数，表示如下：Hops_ji(Hops from MAP_j to ONU_i)<Hops_lim，

考虑负载均衡，由于业务源STA默认选择最近的MAP节点来传输，因此初始区域内MAP节点数量的分布基本代表了负载的分布，每个以ONU为中心的网络区域应尽量确保所服务的MAP数目相差不能过大，

代表第i个网络区域与ONU连接的MAP数目，每个网络区域与区域内ONU连接的MAP平均数目的公式如下：

为了每个区域内MAP数量基于平均数量近似相同，采用如下方法：

(1)将每个MAP节点按就近原则初始划分支网区域；

(2)若支网区域内MAP数量超过平均数，选择该支网区域内与ONU距离最远的MAP节点转移；

(3)MAP节点所转移的新支网区域的跳数在限定内且区域内的MAP节点数小于全网平均数。

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