于存謙，唐明珠，何榮希

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TWDM-PON中時(shí)延約束節(jié)能動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)帶寬分配算法

于存謙，唐明珠，何榮希

（大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026）

基于離線調(diào)度方式和節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)思想，提出一種時(shí)延約束節(jié)能動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)帶寬分配算法。該算法考慮OLT和ONU兩端協(xié)同節(jié)能，在保證分組時(shí)延約束條件下，盡可能減少激活波長(zhǎng)數(shù)和延長(zhǎng)輪詢(xún)周期長(zhǎng)度。同時(shí)，盡量集中OLT和ONU端上/下行傳輸時(shí)間，減少其狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，延長(zhǎng)其處于低功耗狀態(tài)時(shí)間，并避免信道出現(xiàn)高能耗空隙。仿真結(jié)果表明所提算法在保證分組時(shí)延約束的前提下，有利于降低OLT端和ONU端能耗以及全網(wǎng)總能耗。

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；時(shí)分波分復(fù)用；動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)帶寬分配；節(jié)能；時(shí)延約束

1 引言

用戶(hù)帶寬需求的爆炸式增長(zhǎng)導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)能耗以每年15%~20%的速度激增，其中接入網(wǎng)的能耗約占70%[1-2]，因此，接入網(wǎng)的節(jié)能問(wèn)題已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。與其他接入網(wǎng)方式相比，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON, passive optical network）具有容量大、成本低等優(yōu)勢(shì)，目前已得到廣泛部署。由于傳統(tǒng)時(shí)分復(fù)用PON（TDM-PON, time division multiplexed-PON）越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)日益增長(zhǎng)的帶寬需求，業(yè)界啟動(dòng)了下一代PON（NG-PON, next generation-PON）的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。NG-PON可分為NG-PON1和NG-PON2 2個(gè)階段，NG-PON2可解決NG-PON1難以滿(mǎn)足帶寬高速增長(zhǎng)的難題，被視為PON的長(zhǎng)期演進(jìn)方案[3]。時(shí)分波分復(fù)用PON（TWDM-PON, time and wavelength division multiplexed-PON）結(jié)合了TDM-PON和波分復(fù)用PON（WDM-PON, wavelength division multiplexed-PON）各自的優(yōu)勢(shì)，已成為NG-PON2最具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案[4]。

PON耗能主要集中在光線路終端（OLT, optical line terminal）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU, optical network unit）[5-8]。OLT端、ONU端引入模塊化設(shè)計(jì)，將其組件分為接收模塊、發(fā)射模塊和基礎(chǔ)模塊3部分[9-10]，從而可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)關(guān)閉部分收機(jī)模塊和發(fā)機(jī)模塊，可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)能耗。由于TDM-PON中所有ONU共用同一波長(zhǎng)信道接入OLT，因此，OLT一直保持激活狀態(tài)，僅ONU端可在假寐、休眠和激活等狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。已有針對(duì)TDM-PON的節(jié)能算法主要以降低ONU能耗為目的，OLT依據(jù)ONU帶寬請(qǐng)求對(duì)其合理授權(quán)，以盡量減少其處于激活狀態(tài)的時(shí)間，從而盡可能延長(zhǎng)其休眠或假寐時(shí)間[6-9,11-12]。與TDM-PON不同，TWDM-PON支持多波長(zhǎng)傳輸特性，通過(guò)合適的資源配置策略在OLT端可關(guān)閉部分空閑波長(zhǎng)，而ONU端仍支持休眠、假寐等低功耗狀態(tài)，從而可同時(shí)提高OLT和ONU端的能量利用率[10,13]。

已有文獻(xiàn)分別從OLT、ONU兩方面研究TWDM-PON的節(jié)能動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)帶寬分配（DWBA, dynamic wavelength bandwidth allocation）算法。參考文獻(xiàn)[5]提出一種基于上行負(fù)載的能量感知波長(zhǎng)分配算法（EWA, energy-aware wavelength assignment），通過(guò)關(guān)閉部分OLT端的接收機(jī)來(lái)降低能耗。參考文獻(xiàn)[14]提出一種動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)共享機(jī)制，通過(guò)建立虛擬PON在低負(fù)載ONU間共享波長(zhǎng)，同時(shí)考慮ONU動(dòng)態(tài)重構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，給出多目標(biāo)整數(shù)線性規(guī)劃模型和在線算法。參考文獻(xiàn)[15]提出一種ONU遷移機(jī)制，將處于激活狀態(tài)的ONU集中到較少幾條波長(zhǎng)，關(guān)閉其他波長(zhǎng)的收機(jī)、發(fā)機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能目的。針對(duì)不同ONU負(fù)載動(dòng)態(tài)波動(dòng)情況，參考文獻(xiàn)[16]提出一種ONU之間的資源共享機(jī)制，OLT端引入可調(diào)諧設(shè)備使多個(gè)ONU共享同一個(gè)波長(zhǎng)，從而減少激活的波長(zhǎng)數(shù)和收發(fā)機(jī)，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。參考文獻(xiàn)[17]提出一種能量有效的DWBA算法，通過(guò)在OLT端關(guān)閉空閑波長(zhǎng)和在ONU端引入休眠狀態(tài)，可以大大降低全網(wǎng)能耗。

以上算法僅考慮如何降低網(wǎng)絡(luò)能耗，忽略了保障ONU數(shù)據(jù)分組的時(shí)延要求。實(shí)際上，通過(guò)關(guān)閉空閑波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊，雖然可以降低網(wǎng)絡(luò)能耗。但是，關(guān)閉收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊可能導(dǎo)致OLT、ONU不能及時(shí)被喚醒以收發(fā)數(shù)據(jù)分組，反而會(huì)增加上/下行數(shù)據(jù)分組在隊(duì)列中的緩存時(shí)間，在一定程度上增加數(shù)據(jù)分組時(shí)延，導(dǎo)致無(wú)法很好滿(mǎn)足用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS, quality of service）要求[11,13]。事實(shí)上，不同用戶(hù)業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)分組時(shí)延有不同的要求[8]。因此，在研究TWDM的節(jié)能DWBA算法時(shí)，須在地滿(mǎn)足數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束前提下，盡可能節(jié)能，而不是僅僅一味強(qiáng)調(diào)節(jié)能。參考文獻(xiàn)[10]提出一種支持模塊化的流量感知節(jié)能方案TESM（traffic-aware energy saving scheme with modularization supporting），可根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)開(kāi)啟/關(guān)閉ONU、OLT的收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊。同時(shí)依據(jù)下行分組到達(dá)時(shí)間以及分組隊(duì)列長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)ONU的授權(quán)順序，在節(jié)能的同時(shí)有助于保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延約束要求。參考文獻(xiàn)[18]分析了ONU收機(jī)、發(fā)機(jī)的調(diào)諧開(kāi)銷(xiāo)和重新配置時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果和分組時(shí)延的影響。參考文獻(xiàn)[19]將波長(zhǎng)優(yōu)化和睡眠機(jī)制引入具有時(shí)延約束特性的TWDM-PON中，提出一種離線節(jié)能DWBA算法（OFF-DWBA），并通過(guò)仿真驗(yàn)證其有效性。該算法可利用10 Gbit/s垂直腔面發(fā)射激光器的ONU（10G-VCSEL-ONU）的可調(diào)節(jié)性，在保證數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件下減少ONU端、OLT端的能耗。參考文獻(xiàn)[20]是參考文獻(xiàn)[19]工作的擴(kuò)充，詳細(xì)描述了參考文獻(xiàn)[19]的節(jié)能框架，也就是在OLT端關(guān)閉空閑波長(zhǎng)、使空閑ONU進(jìn)入休眠或假寐?tīng)顟B(tài)，并推廣到在線調(diào)度方式。

上述文獻(xiàn)的主要思想都是盡量少激活波長(zhǎng)，從而在整個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)關(guān)閉更多OLT端收機(jī)和發(fā)機(jī)以達(dá)到節(jié)能的目的，卻忽略了在激活波長(zhǎng)上前后兩次數(shù)據(jù)傳輸中可能出現(xiàn)的空隙時(shí)間對(duì)節(jié)能效果的影響。實(shí)際上，如果這些空隙時(shí)間足夠長(zhǎng)（大于OLT收機(jī)和發(fā)機(jī)的喚醒時(shí)間），那么這些空隙內(nèi)也可以關(guān)閉收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊。但是，如果空隙持續(xù)時(shí)間過(guò)短，以至于處于低功耗狀態(tài)的OLT、ONU需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)法及時(shí)開(kāi)啟已關(guān)閉的收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊，則此空隙內(nèi)不能使ONU、OLT進(jìn)入低功耗狀態(tài)，反而會(huì)導(dǎo)致能量浪費(fèi)（本文將這樣的空隙稱(chēng)為高能耗空隙）。參考文獻(xiàn)[13]針對(duì)OLT的節(jié)能提出一種基于在線調(diào)度的EO-NoVM（employing number-of-voids minimization）算法，該算法不以減少激活波長(zhǎng)數(shù)為目的，而是通過(guò)ONU內(nèi)和ONU間聚合機(jī)制來(lái)減少信道空隙的產(chǎn)生，從而降低能量消耗。但是，該算法忽略了減少激活波長(zhǎng)數(shù)對(duì)OLT節(jié)能效果的益處，而是使用全部波長(zhǎng)進(jìn)行授權(quán)，而且該算法僅從OLT角度考慮節(jié)能，并未涉及ONU的節(jié)能問(wèn)題。實(shí)際上，ONU和OLT的節(jié)能機(jī)制是互相影響的，如果僅強(qiáng)調(diào)OLT的能耗最小化，可能導(dǎo)致ONU處于低功耗的時(shí)間減少；反之，如果僅追求ONU能耗最小化，OLT節(jié)能效果未必最佳。因此，應(yīng)從ONU和OLT兩端協(xié)同角度來(lái)聯(lián)合考慮節(jié)能策略，以保證全網(wǎng)總能耗最低。另外，離線調(diào)度方式中OLT收到所有ONU的report幀后才對(duì)其授權(quán)，與在線調(diào)度方式相比，盡管會(huì)引入一定時(shí)延開(kāi)銷(xiāo)，但是，它可以根據(jù)所有ONU的帶寬需求、時(shí)延約束情況來(lái)確定激活波長(zhǎng)數(shù)和各個(gè)ONU上行數(shù)據(jù)傳送開(kāi)始時(shí)間以及傳輸窗口大小，從而可利用離線調(diào)度的統(tǒng)計(jì)復(fù)用性合理設(shè)定OLT、ONU端收機(jī)和發(fā)機(jī)的關(guān)閉/開(kāi)啟時(shí)間，有利于進(jìn)一步提高全網(wǎng)節(jié)能效率。

綜上，本文基于離線調(diào)度方式以及節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)，聯(lián)合考慮OLT和ONU兩端協(xié)同節(jié)能，提出一種基于時(shí)延約束的節(jié)能動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)帶寬分配算法（EE-DWBA-DC, energy-efficient dynamic wavelength and bandwidth allocation algorithm with delay constraint）。該算法中，OLT依據(jù)每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)ONU的帶寬請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整激活波長(zhǎng)數(shù)和輪詢(xún)周期長(zhǎng)度，使每個(gè)周期內(nèi)需激活波長(zhǎng)數(shù)最少和輪詢(xún)周期長(zhǎng)度最大，并動(dòng)態(tài)開(kāi)啟/關(guān)閉ONU、OLT的收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊以節(jié)能；同時(shí)還通過(guò)合理授權(quán)每個(gè)ONU的波長(zhǎng)信道及傳輸窗口，盡量集中OLT、ONU上/下行工作時(shí)間，以減少節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需額外能耗。另外，盡可能延長(zhǎng)ONU、OLT處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)盡量減少出現(xiàn)高能耗空隙導(dǎo)致的能量浪費(fèi)。仿真結(jié)果表明：所提算法在滿(mǎn)足用戶(hù)QoS要求（時(shí)延約束）前提下，有利于降低OLT和ONU端能耗以及全網(wǎng)總能耗。

2 問(wèn)題分析

TWDM-PON中OLT與ONU之間采用多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP, multi point control protocol）進(jìn)行信息交互[21]，由于ONU與OLT之間往返時(shí)延的存在及所采用授權(quán)策略的不同，往往導(dǎo)致產(chǎn)生信道空隙。信道空隙內(nèi)并無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，ONU、OLT可關(guān)閉相應(yīng)收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)以節(jié)能。但是，高能耗空隙內(nèi)并不能使ONU、OLT進(jìn)入低功耗狀態(tài)，從而導(dǎo)致能量浪費(fèi)。因此，每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)信道上存在的高能耗空隙越多，全網(wǎng)能量利用率越低。另一方面，由于喚醒處于低功耗狀態(tài)的ONU、OLT需額外耗能，因此，也應(yīng)盡量減少ONU、OLT的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)?？梢?jiàn)，節(jié)能DWBA算法的首要目標(biāo)就是要根據(jù)每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)波長(zhǎng)信道占用情況、ONU帶寬需求以及數(shù)據(jù)分組時(shí)延限制條件，通過(guò)合理分配波長(zhǎng)和上傳窗口，盡量避免產(chǎn)生高能耗空隙，同時(shí)也盡可能使ONU和OLT處于激活狀態(tài)的時(shí)間集中，以減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷(xiāo)。另外，盡管在較長(zhǎng)的空隙內(nèi)關(guān)閉ONU、OLT收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊有助于節(jié)能，但是會(huì)導(dǎo)致ONU內(nèi)數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延增加，無(wú)法很好保障用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量要求。因此，有效的節(jié)能DWBA策略除了要考慮如何減少網(wǎng)絡(luò)能耗外，同時(shí)還必須滿(mǎn)足用戶(hù)的時(shí)延約束要求。

在離線調(diào)度方式中，每一個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)OLT收到所有ONU的report幀才開(kāi)始授權(quán)，從而可利用離線調(diào)度的統(tǒng)計(jì)復(fù)用性合理確定激活波長(zhǎng)數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始時(shí)間和傳輸窗口大小，以及OLT、ONU中收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊的關(guān)閉/開(kāi)啟時(shí)間，有利于進(jìn)一步提高全網(wǎng)節(jié)能效率。但是，已有離線節(jié)能DWBA算法[10,19-20]要么僅考慮OLT節(jié)能，要么分別考慮OLT、ONU節(jié)能，而忽略了二者協(xié)同考慮對(duì)全網(wǎng)節(jié)能效果的影響。在這些算法中，OLT始終記錄每條波長(zhǎng)信道的使用情況，在每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)順序授權(quán)所有ONU，主要通過(guò)減少激活波長(zhǎng)數(shù)來(lái)降低OLT端能耗。而且OLT端的收機(jī)、發(fā)機(jī)一但開(kāi)啟，在整個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)將一直保持激活狀態(tài)，即使在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺揽障秲?nèi)，收機(jī)、發(fā)機(jī)也一直保持激活，無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生不必要的能量浪費(fèi)，如圖1(a)所示。圖中表示4個(gè)輪詢(xún)周期中OLT在波長(zhǎng)1和2對(duì)ONU1和ONU2進(jìn)行資源調(diào)度的情況。在每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)，OLT根據(jù)每個(gè)ONU的report幀到達(dá)時(shí)間、帶寬請(qǐng)求以及分組時(shí)延約束條件，激活所需波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的收機(jī)、發(fā)機(jī)，而關(guān)閉其余波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)收機(jī)、發(fā)機(jī)。由于收機(jī)、發(fā)機(jī)一旦開(kāi)啟，在整個(gè)輪詢(xún)周期將不再關(guān)閉。因此，在1信道上即使空隙1、2、3和4中并無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，也未關(guān)閉相應(yīng)收機(jī)、發(fā)機(jī)因此造成能量浪費(fèi)。另外，在已有算法中，ONU僅支持活躍狀態(tài)（收機(jī)、發(fā)機(jī)均開(kāi)啟）、假寐?tīng)顟B(tài)（發(fā)射機(jī)關(guān)閉、接收機(jī)開(kāi)啟）和睡眠狀態(tài)（收機(jī)、發(fā)機(jī)均關(guān)閉），而未引入傳輸狀態(tài)（發(fā)射機(jī)開(kāi)啟、接收機(jī)關(guān)閉）[6]。因此，即使ONU下行數(shù)據(jù)先于上行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，接收機(jī)也要等待發(fā)射機(jī)傳送數(shù)據(jù)結(jié)束后才能同時(shí)關(guān)閉。在這段等待時(shí)間內(nèi)即使無(wú)數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)也保持開(kāi)啟，從而導(dǎo)致不必要的能量浪費(fèi)，如圖1(a)中ONU1在輪詢(xún)周期2和輪詢(xún)周期3的空白區(qū)域5和6所示。實(shí)際上，ONU在接收數(shù)據(jù)結(jié)束后可以立刻關(guān)閉接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)降低其能耗的目的。

圖1 不同算法動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)和帶寬分配方式比較

EE-DWBA-DC算法從兩方面考慮降低網(wǎng)絡(luò)總能耗：一是減少激活波長(zhǎng)數(shù)，從而減少開(kāi)啟的收機(jī)、發(fā)機(jī)個(gè)數(shù)；二是對(duì)OLT和ONU協(xié)同調(diào)度，通過(guò)合理授權(quán)波長(zhǎng)信道、傳輸窗口位置和大小，盡可能減少OLT、ONU的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)和高能耗空隙的產(chǎn)生。當(dāng)波長(zhǎng)信道上無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)超過(guò)將OLT從低功耗狀態(tài)喚醒所需時(shí)鐘恢復(fù)與同步等時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)時(shí)，可關(guān)閉OLT端的收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊，使其進(jìn)入低功耗狀態(tài)以減少能耗。同時(shí)，在ONU端支持活躍、假寐和休眠狀態(tài)基礎(chǔ)上引入傳輸狀態(tài)[6]，使其接收完下行數(shù)據(jù)后立即關(guān)閉接收機(jī)以提高節(jié)能效率。采用離線調(diào)度的EE-DWBA-DC算法如圖1(b)所示，OLT收到全部ONU的report幀后，依據(jù)ONU帶寬需求和數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件，計(jì)算出下一輪詢(xún)周期所需激活波長(zhǎng)數(shù)以及各個(gè)ONU的最早和最晚開(kāi)始上傳時(shí)間t和t'，然后為ONU選擇合適的波長(zhǎng)信道來(lái)調(diào)整其上傳時(shí)間，以減少高能耗空隙的產(chǎn)生和OLT、ONU的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，并延長(zhǎng)其處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間，以達(dá)到全網(wǎng)綜合節(jié)能效果最佳。

圖1(b)所示的輪詢(xún)周期1中，由于ONU2的最晚上傳時(shí)間2,1小于ONU1在1上的最早上傳結(jié)束時(shí)間，因此，需要新激活波長(zhǎng)2進(jìn)行傳輸。而在輪詢(xún)周期2，由于ONU1的上傳結(jié)束時(shí)間介于ONU2的最早上傳時(shí)間2,2和最晚上傳時(shí)間2,2之間，因此，ONU1和ONU2可利用同一波長(zhǎng)傳輸數(shù)據(jù)，可減少激活波長(zhǎng)數(shù)。在輪詢(xún)周期3，ONU2最早上傳時(shí)間2,3大于ONU1在1的上傳結(jié)束時(shí)間，如果按照已有典型算法進(jìn)行調(diào)度（圖中虛線所示），會(huì)導(dǎo)致兩次上行數(shù)據(jù)傳輸間的空隙較短，產(chǎn)生高能耗空隙（圖中7），因此，所提算法將延后ONU2的上傳開(kāi)始時(shí)間以增大空隙長(zhǎng)度，使其足以滿(mǎn)足OLT收、發(fā)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，從而可以關(guān)閉相應(yīng)收機(jī)、發(fā)機(jī)，增加其處于低功耗狀態(tài)時(shí)間，可進(jìn)一步提高節(jié)能效率。在輪詢(xún)周期4，由于ONU2最早上傳時(shí)間2,4在ONU1的上傳結(jié)束時(shí)間之后，并且超出OLT收機(jī)狀態(tài)、發(fā)機(jī)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，所提算法使ONU2在其最早上傳時(shí)間開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，既可以關(guān)閉OLT收機(jī)、發(fā)機(jī)進(jìn)入低耗能狀態(tài)，同時(shí)又可以降低ONU2的數(shù)據(jù)包時(shí)延，滿(mǎn)足其QoS要求。

比較圖1(a)和圖1(b)可以看出：與已有典型算法相比，本文所提算法在傳輸中始終保持激活波長(zhǎng)數(shù)最少，如在輪詢(xún)周期2、輪詢(xún)周期3和輪詢(xún)周期4中均只激活一條波長(zhǎng)，而且OLT、ONU端處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間均有所增加，圖1(b)中從輪詢(xún)周期2開(kāi)始，OLT端2對(duì)應(yīng)收機(jī)、發(fā)機(jī)均保持關(guān)閉狀態(tài)。與此同時(shí)，通過(guò)合理調(diào)整ONU傳輸開(kāi)始時(shí)間，也有利于減少出現(xiàn)高耗能空隙（如7）和狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需開(kāi)銷(xiāo)，使全網(wǎng)的節(jié)能效果得到提升。

3 算法描述

EE-DWBA-DC算法基于離線調(diào)度方式，OLT和ONU端采用模塊化設(shè)計(jì)，可分為接收模塊、發(fā)射模塊和基礎(chǔ)模塊3部分[9-10]。當(dāng)信道空閑時(shí)長(zhǎng)大于激活ONU、OLT所需時(shí)鐘恢復(fù)和同步等時(shí)長(zhǎng)時(shí)，可關(guān)閉相應(yīng)收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊進(jìn)行節(jié)能。每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)OLT收到全部ONU的report幀后，依據(jù)當(dāng)前波長(zhǎng)占用情況以及ONU的帶寬請(qǐng)求和數(shù)據(jù)分組的時(shí)延約束要求，計(jì)算出每個(gè)ONU數(shù)據(jù)分組的最早上傳時(shí)間和最晚上傳時(shí)間，并綜合考慮OLT和ONU兩端的節(jié)能效率，為ONU合理分配可用波長(zhǎng)、上/下行數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始時(shí)間以及傳輸窗口大小。在減少激活波長(zhǎng)數(shù)的同時(shí)，盡可能避免產(chǎn)生高能耗空隙，減少ONU、OLT的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而降低全網(wǎng)能耗。

具體描述所提算法之前，引入以下符號(hào)。

：ONU總數(shù)，ONU編號(hào)為0, 1,…,,…,?1。

：最多可用波長(zhǎng)數(shù)，波長(zhǎng)編號(hào)為1,2,…,λ,…,λ。

ac,j：輪詢(xún)周期需要使用的波長(zhǎng)數(shù)。

ov：OLT、ONU從低功耗狀態(tài)到激活狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間。

cons_up,i,j：輪詢(xún)周期中ONU上行數(shù)據(jù)分組允許的最大時(shí)延。

avg_up,i,j：輪詢(xún)周期中ONU上行數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延。

RTT：ONU的環(huán)路時(shí)延。

poll,j：輪詢(xún)周期的長(zhǎng)度。

BW：輪詢(xún)周期所有ONU上行數(shù)據(jù)分組的總帶寬請(qǐng)求。

max,j：輪詢(xún)周期中所有ONU的最大允許帶寬。

T：相鄰2個(gè)發(fā)送時(shí)隙之間的保護(hù)間隔長(zhǎng)度。

t、t'：輪詢(xún)周期中ONU的最早上傳開(kāi)始時(shí)間和最晚上傳開(kāi)始時(shí)間。

T：輪詢(xún)周期中為ONU授權(quán)時(shí)λ上的最早可用時(shí)間。

'：輪詢(xún)周期中λ可用于ONU上傳數(shù)據(jù)的最早開(kāi)始時(shí)間。

T：輪詢(xún)周期中λ上所有授權(quán)ONU傳輸結(jié)束的時(shí)間。

：波長(zhǎng)信道的傳輸速率。

R：輪詢(xún)周期中ONU的上行帶寬請(qǐng)求。

gate,i,j：輪詢(xún)周期中OLT向ONU發(fā)送gate幀的時(shí)間。

OLT、ONU端在輪詢(xún)周期中的能耗與收機(jī)狀態(tài)、發(fā)機(jī)狀態(tài)、激活時(shí)長(zhǎng)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)有關(guān)，可按式（1）和式（2）計(jì)算。

從而可求出輪詢(xún)周期全網(wǎng)總能耗為

EE-DWBA-DC算法目的是最小化每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總能耗，即

同時(shí)該算法還需要滿(mǎn)足以下約束條件

式（5）保證輪詢(xún)周期中ONU的任意一個(gè)數(shù)據(jù)分組的時(shí)延都滿(mǎn)足ONU的時(shí)延約束條件；式（6）保證每個(gè)輪詢(xún)周期激活波長(zhǎng)數(shù)不超過(guò)波長(zhǎng)總數(shù)；式（7）保證每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)每個(gè)ONU只能在一個(gè)波長(zhǎng)上傳輸數(shù)據(jù)分組。

EE-DWBA-DC算法具體描述如下。

在輪詢(xún)周期（?1）中，OLT收到所有ONU的report幀后，依據(jù)當(dāng)前波長(zhǎng)占用情況、ONU帶寬請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)分組時(shí)延要求計(jì)算出輪詢(xún)周期中需激活波長(zhǎng)數(shù)、向每個(gè)ONU發(fā)送gate幀的時(shí)間以及每個(gè)ONU授權(quán)的可用波長(zhǎng)信道和傳輸窗口。該算法主要包括波長(zhǎng)信道選擇和傳輸窗口分配2個(gè)模塊。

3.1 波長(zhǎng)信道選擇

OLT授權(quán)ONU波長(zhǎng)信道和傳輸窗口后，ONU通過(guò)gate幀獲取授權(quán)信息，在分配的波長(zhǎng)和時(shí)隙內(nèi)上傳數(shù)據(jù)分組，傳輸結(jié)束后可按授權(quán)信息關(guān)閉對(duì)應(yīng)收機(jī)、發(fā)機(jī)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對(duì)于離線調(diào)度而言，到達(dá)ONU中每個(gè)數(shù)據(jù)分組最多等待一個(gè)輪詢(xún)周期就可上傳。根據(jù)參考文獻(xiàn)[19]中計(jì)算輪詢(xún)周期內(nèi)數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延公式，可得出輪詢(xún)周期中ONU每個(gè)數(shù)據(jù)分組的平均時(shí)延為

由式（5）可得

從而可得出

輪詢(xún)周期長(zhǎng)度poll,j越大，數(shù)據(jù)分組到達(dá)ONU后需等待上傳的時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延增加。但是，隨著poll,j增大，每個(gè)ONU潛在的休眠時(shí)間增加，更有利于節(jié)能。因此，EE-DWBA-DC算法將在滿(mǎn)足每個(gè)ONU中數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件下，盡可能延長(zhǎng)每個(gè)輪詢(xún)周期的長(zhǎng)度。

OLT端的能耗與激活波長(zhǎng)數(shù)有關(guān)，激活波長(zhǎng)數(shù)越少，可以關(guān)閉越多收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊，有助于提升節(jié)能效果。與已有算法類(lèi)似，EE-DWBA-DC算法也是通過(guò)盡可能減少激活波長(zhǎng)數(shù)達(dá)到節(jié)能的目的。在輪詢(xún)周期（?1）中，OLT收到所有ONU的report幀后，可求出輪詢(xún)周期中ONU的總帶寬需求為

同時(shí)可求出在長(zhǎng)度為poll,j的輪詢(xún)周期中使用W,j條波長(zhǎng)最多能提供的總帶寬為

其中，pro,j為輪詢(xún)周期中激活波長(zhǎng)所需時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)ac,j條波長(zhǎng)信道都需激活時(shí)其值最大，即

為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)分組的時(shí)延約束條件，則應(yīng)滿(mǎn)足

由計(jì)算式(11)~式(14)可求出需使用最少波長(zhǎng)數(shù)為

在輪詢(xún)周期（?1），OLT收到所有ONU的report幀后，依據(jù)式（15）可計(jì)算出輪詢(xún)周期至少需使用波長(zhǎng)數(shù)ac,j。

EE-DWBA-DC算法除了盡量減少每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)占用波長(zhǎng)數(shù)以關(guān)閉更多波長(zhǎng)信道，同時(shí)還盡可能減少激活新波長(zhǎng)。因此，依據(jù)式（16）判斷輪詢(xún)周期（?1）結(jié)束時(shí)波長(zhǎng)是否處于激活狀態(tài)，將輪詢(xún)周期?1結(jié)束時(shí)未關(guān)閉的波長(zhǎng)放入集合Q?1中。

為了減少收機(jī)狀態(tài)、發(fā)機(jī)狀態(tài)改變次數(shù)，輪詢(xún)周期總是優(yōu)先選擇Q?1中的波長(zhǎng)信道為ONU授權(quán)。如果Q-1中的波長(zhǎng)數(shù)|Q?1|≥ac,j，則將Q?1中波長(zhǎng)按照可用時(shí)間由晚到早排序，選擇前面ac,j個(gè)波長(zhǎng)為ONU授權(quán)，其余（|Q?1|?ac,j）個(gè)波長(zhǎng)在接收完ONU的report幀后則關(guān)閉接收機(jī)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。否則，表示當(dāng)前激活波長(zhǎng)數(shù)不滿(mǎn)足周期的數(shù)據(jù)傳輸需求，需要按照波長(zhǎng)序號(hào)由小到大依次新激活（ac,j?|Q?1|）個(gè)波長(zhǎng)。隨后，更新輪詢(xún)周期的可用波長(zhǎng)集Q，此時(shí)該集合包含ac,j個(gè)波長(zhǎng)。

3.2 傳輸窗口分配

OLT在可用波長(zhǎng)集合Q為ONU授權(quán)傳輸窗口。首先計(jì)算輪詢(xún)周期中滿(mǎn)足數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束的ONU最早上傳時(shí)間t和最晚上傳時(shí)間t'的計(jì)算方式分別為式(17)和式(18)。

其次，計(jì)算集合Q內(nèi)波長(zhǎng)λ可用于ONU上傳數(shù)據(jù)的最早開(kāi)始時(shí)間為

OLT在Q為ONU分配波長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，有且僅有以下2種情況。

1) 當(dāng)P≠時(shí)，即Q中存在波長(zhǎng)，其可用于ONU傳輸最早時(shí)間介于ONU最早和最晚上傳時(shí)間之間，則從中選擇可最早上傳數(shù)據(jù)分組的波長(zhǎng)λ為ONU授權(quán)，在OLT端可減少一次收機(jī)、發(fā)機(jī)關(guān)閉和開(kāi)啟的轉(zhuǎn)換開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)還可減少信道空閑導(dǎo)致的帶寬浪費(fèi)?？汕蟪鲞@種情況下ONU開(kāi)始上傳時(shí)間為

2) 當(dāng)P=時(shí)，P'≠，即Q中所有波長(zhǎng)均滿(mǎn)足式(21)。此時(shí)由于ONU的最早上傳時(shí)間在所有波長(zhǎng)可開(kāi)始上傳時(shí)間之后，每條波長(zhǎng)上都將產(chǎn)生一個(gè)空隙。如果將ONU的上傳數(shù)據(jù)時(shí)間延后，以保證空隙長(zhǎng)度超過(guò)接收機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間，從而可在空隙內(nèi)關(guān)閉OLT的接收機(jī)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而且，ONU上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間越晚，OLT和ONU潛在地處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)?？紤]到伴隨一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，需要額外消耗能量tune。因此，在判斷是否使空隙進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)，還需在進(jìn)入低功耗狀態(tài)所節(jié)省能量與狀態(tài)轉(zhuǎn)換所消耗能量之間進(jìn)行權(quán)衡。只有當(dāng)節(jié)約能耗高于轉(zhuǎn)換消耗能耗時(shí)才進(jìn)入低功耗狀態(tài)。具體而言，從P'中依次選取波長(zhǎng)λ，計(jì)算其上ONU延后數(shù)據(jù)上傳時(shí)，使OLT和ONU進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)可節(jié)約能耗為

如果使OLT進(jìn)入低功耗狀態(tài)而重新激活它需耗能為

因此，可求出節(jié)約能耗與狀態(tài)轉(zhuǎn)換能耗差值為

OLT向ONU發(fā)送gate幀授權(quán)波長(zhǎng)信道和傳輸窗口后立即發(fā)送下行數(shù)據(jù)，ONU端收到gate幀后依據(jù)授權(quán)時(shí)間開(kāi)啟發(fā)射機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，OLT、ONU關(guān)閉相應(yīng)收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊，進(jìn)入下一輪詢(xún)周期。算法流程如圖2所示。

4 仿真及數(shù)據(jù)分析

本節(jié)利用OPNET 14.5仿真軟件搭建TWDM- PON仿真平臺(tái)，對(duì)EE-DWBA-DC算法進(jìn)行評(píng)測(cè)，并與TESM[10]、EWA[5]和OFF-DWBA[19-20]3種離線調(diào)度節(jié)能算法進(jìn)行對(duì)比。由于EWA算法[5]并未考慮ONU端節(jié)能，為了更客觀地對(duì)比幾種算法的節(jié)能效果，仿真時(shí)EWA算法加入了ONU端的節(jié)能機(jī)制。仿真性能指標(biāo)包括OLT節(jié)能率、ONU節(jié)能率、全網(wǎng)總節(jié)能率以及上行分組平均時(shí)延。

OLT節(jié)能率、ONU節(jié)能率定義為仿真時(shí)間內(nèi)所有輪詢(xún)周期中不同節(jié)能算法在OLT端或ONU端節(jié)約能耗與不采用節(jié)能算法時(shí)所有OLT模塊或ONU模塊始終處于激活狀態(tài)的能耗之比，如式(29)和式(30)所示。全網(wǎng)總節(jié)能率指所有輪詢(xún)周期中不同節(jié)能算法在ONU端和OLT端節(jié)約總能耗與不采用節(jié)能算法時(shí)全網(wǎng)總能耗之比，如式(31)所示。

圖2 EE-DWBA-DC算法流程

仿真拓?fù)鋱?chǎng)景包括一個(gè)OLT、一個(gè)光分路器和64個(gè)ONU，OLT和ONU之間上/下行最多可用4對(duì)波長(zhǎng)信道，每條波長(zhǎng)信道的=1010bit/s。ONU和OLT端支持模塊化設(shè)計(jì)，可關(guān)閉部分收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)。ONU與OLT之間的距離在30~50 km范圍內(nèi)隨機(jī)分布。上/下行數(shù)據(jù)產(chǎn)生均服從參數(shù)為0.8的Pareto分布，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度在64~1 518 byte內(nèi)均勻分布，其他仿真參數(shù)如表1[10,13,19-20]所示。與參考文獻(xiàn)[19-20]類(lèi)似，在數(shù)據(jù)分組時(shí)延限制分別為7.5 ms、10 ms和15 ms下對(duì)4種算法的性能進(jìn)行仿真比較。

圖3 不同算法的OLT節(jié)能率比較

圖3比較了不同分組時(shí)延約束下EE-DWBA-DC、TESM、EWA和OFF-DWBA 4種算法OLT節(jié)能率隨相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的情況。相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載定義為網(wǎng)絡(luò)中每秒產(chǎn)生上行數(shù)據(jù)的總比特?cái)?shù)與=4條上行鏈路支持最大速率的比值，如式(32)所示，其中R表示ONU每秒產(chǎn)生的比特?cái)?shù)。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

從圖3可以看出，4種算法的OLT節(jié)能率都隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加而減小，其中EE-DWBA-DC算法的OLT節(jié)能率最高，EWA算法的OLT節(jié)能率最低，而TESM算法和OFF-DWBA算法的OLT節(jié)能率分別介于二者之間，并且TESM算法的OLT節(jié)能率優(yōu)于OFF-DWBA算法。這是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，為了保障用戶(hù)分組的時(shí)延要求，需要激活更多波長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。相應(yīng)地，OLT端需開(kāi)啟更多收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊，導(dǎo)致其處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間減少。因而，4種算法OLT端的能耗增加，其節(jié)能率下降。由于EWA算法僅關(guān)閉接收機(jī)，發(fā)射機(jī)始終保持激活狀態(tài)，因此，節(jié)能效果不及其他算法，但OLT端節(jié)能率最低。而OFF-DWBA算法收機(jī)、發(fā)機(jī)需同時(shí)開(kāi)啟/關(guān)閉，靈活性較差，即使僅有上行或下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，也要開(kāi)啟收機(jī)、發(fā)機(jī)，導(dǎo)致不必要的能量浪費(fèi)，因此，其OLT端節(jié)能率略?xún)?yōu)于EWA算法而較其他2種算法差。由于TESM算法可以單獨(dú)開(kāi)啟和關(guān)閉收機(jī)、發(fā)機(jī)，其OLT節(jié)能效果優(yōu)于EWA算法和OFF-DWBA算法。但是，由于每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)OLT端收機(jī)和發(fā)機(jī)一經(jīng)開(kāi)啟則整個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)保持激活，因此OLT端節(jié)能效果不及EE-DWBA- DC算法。EE-DWBA-DC算法盡可能減少每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)激活波長(zhǎng)數(shù)和延長(zhǎng)輪詢(xún)周期長(zhǎng)度，通過(guò)合理授權(quán)波長(zhǎng)信道和傳輸窗口，有利于減少OLT狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)、延長(zhǎng)OLT處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)還盡可能避免產(chǎn)生高能耗空隙，因此，其OLT端節(jié)能率最好。

另外，從圖中還可看出，4種算法的OLT節(jié)能率都隨數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束值的增大而增加。這是因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)分組時(shí)延限制值增大，每個(gè)ONU可以上傳數(shù)據(jù)的最晚時(shí)間隨之增大，因而OLT對(duì)ONU的可調(diào)節(jié)性增強(qiáng)，有利于將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載集中在更少波長(zhǎng)信道傳輸，從而減少激活波長(zhǎng)數(shù)以關(guān)閉更多收機(jī)模塊、發(fā)機(jī)模塊，使OLT端能耗降低。由于EE-DWBA-DC算法考慮OLT和ONU的協(xié)同節(jié)能，無(wú)論數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束值如何變化，其OLT節(jié)能率都優(yōu)于其他3種算法。

圖4對(duì)比了不同數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件下4種算法ONU節(jié)能率隨相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的情況。從圖中可以看出，4種算法ONU節(jié)能率都隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加而減小，其中EE-DWBA-DC算法的ONU節(jié)能率最高，OFF-DWBA算法最低，而TESM算法和EWA算法分別介于二者之間，并且TESM算法OMU節(jié)能率高于EWA算法。這是因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，ONU需要上傳/接收更多上/下行分組，相應(yīng)地，收機(jī)、發(fā)機(jī)處于開(kāi)啟狀態(tài)的時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致其處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間更少。因此，其能耗增加、節(jié)能率降低。由于EE-DWBA-DC算法和TESM算法在ONU引入傳輸狀態(tài)（發(fā)射機(jī)開(kāi)啟、接收機(jī)關(guān)閉），當(dāng)下行數(shù)據(jù)早于上行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，可提前關(guān)閉ONU接收機(jī)以節(jié)能。因此，其ONU節(jié)能率明顯高于EWA算法和OFF-DWBA算法。EWA算法在ONU端同時(shí)進(jìn)行上/下行數(shù)據(jù)傳輸，因而ONU處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)OFF-DWBA算法更長(zhǎng)，節(jié)能率更高。另外，從圖中還可看出，4種算法的ONU節(jié)能率都隨分組時(shí)延約束值增大而增大。這是因?yàn)殡S著分組時(shí)延約束時(shí)間增加，相應(yīng)地可以增加每個(gè)輪詢(xún)周期的長(zhǎng)度，潛在地有利于延長(zhǎng)ONU處于低功耗狀態(tài)的時(shí)間，進(jìn)一步降低其能耗，提高節(jié)能率。與OLT端類(lèi)似，無(wú)論數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束值如何變化，聯(lián)合考慮OLT和ONU節(jié)能的EE-DWBA-DC算法的ONU節(jié)能率都優(yōu)于其他3種算法。

圖4 不同算法的ONU節(jié)能率比較

圖5對(duì)比了不同數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件下4種算法全網(wǎng)總節(jié)能率隨相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的情況。與圖2和圖3類(lèi)似，4種算法全網(wǎng)總節(jié)能率都隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加而減小，其中EE-DWBA-DC算法的總節(jié)能率最高，OFF-DWBA算法最低，而TESM算法和EWA算法介于二者之間，并且TESM算法的總節(jié)能率高于EWA算法。另外，4種算法的全網(wǎng)總節(jié)能率都隨數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束值增大而增大，而且在不同數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件下，EE-DWBA-DC算法的全網(wǎng)總節(jié)能率都優(yōu)于其他3種算法。

圖5 不同算法全網(wǎng)總節(jié)能率比較

圖6對(duì)比了不同數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件下4種算法的上行數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延隨相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的情況。從圖中可以看出，4種算法上行分組平均時(shí)延都隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加而增加，同時(shí)也隨數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束值增大而增大，其中EWA算法和TESM算法的數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延性能優(yōu)于EE-DWBA-DC算法和OFF-DWBA算法，但EE-DWBA-DC算法的分組平均時(shí)延低于OFF-DWBA算法。主要原因是隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，數(shù)據(jù)分組在ONU中的排隊(duì)時(shí)延相應(yīng)增加，導(dǎo)致其平均時(shí)延增大。為了更大限度地節(jié)能，EE-DWBA-DC算法在保證ONU時(shí)延約束條件下，盡可能延長(zhǎng)每個(gè)輪詢(xún)周期的長(zhǎng)度，而且OLT根據(jù)當(dāng)前波長(zhǎng)使用情況和分組時(shí)延要求動(dòng)態(tài)調(diào)整ONU數(shù)據(jù)上傳時(shí)間，而不同于TESM算法和EWA算法，總是利用最早可用時(shí)刻上傳數(shù)據(jù)，因此其數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延較大。另外，由于EE-DWBA-DC算法滿(mǎn)足了ONU中每個(gè)分組都滿(mǎn)足時(shí)延約束條件，而OFF-DWBA算法僅考慮滿(mǎn)足ONU所有分組的平均時(shí)延滿(mǎn)足約束要求，因此，OFF-DWBA算法的分組時(shí)延性能不及EE-DWBA-DC算法。

圖6 不同算法上行數(shù)據(jù)分組平均時(shí)延比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)TWDM-PON提出一種基于離線調(diào)度方式的時(shí)延約束節(jié)能DWBA算法（EE-DWBA-DC），該算法在ONU端和OLT端引入模塊化設(shè)計(jì)，聯(lián)合考慮二者節(jié)能機(jī)制的相互影響，為ONU動(dòng)態(tài)授權(quán)合適波長(zhǎng)信道和傳輸窗口。在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束條件下，盡可能減少激活波長(zhǎng)數(shù)，同時(shí)在每個(gè)ONU允許的最早和最晚上傳時(shí)間內(nèi)，為其選擇合適的波長(zhǎng)信道并適當(dāng)提前或延后其實(shí)際上傳時(shí)間，以盡量集中OLT端、ONU端的上/下行工作時(shí)間，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)時(shí)間，減少節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)。另外，還盡量避免產(chǎn)生高能耗空隙，進(jìn)一步減少能量浪費(fèi)。最后，利用OPNET仿真平臺(tái)對(duì)EE-DWBA-DC算法性能進(jìn)行評(píng)測(cè)，并與參考文獻(xiàn)[5,10,19-20]中已有3種算法進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明：EE-DWBA- DC算法在滿(mǎn)足數(shù)據(jù)分組時(shí)延約束前提下，OLT節(jié)能率、ONU節(jié)能率和全網(wǎng)總節(jié)能率都優(yōu)于這3種算法。

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Energy-efficient dynamic wavelength and bandwidth allocation algorithm with delay constraint for time and wavelength division multiplexed passive optical networks

YU Cunqian, TANG Mingzhu, HE Rongxi

College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China

Based on offline scheduling and node modular design, an energy-efficient dynamic wavelength and bandwidth allocation algorithm with the delay constraint (EE-DWBA-DC) was proposed. Optical line terminal (OLT) and optical network units (ONU) were considered to save energy. Under the constraint of packet delay, the number of active wavelengths could be reduced as much as possible and the length of polling cycle was increased. At the same time, the uplink and downlink transmission time of OLT and ONU were concentrated to reduce the state conversion times and extend its low-power duration. In addition, the high energy consumption voids of channels were attempted to be minimized. The simulation results verify that the proposed algorithm can reduce the energy consumption of OLT and ONU and the total energy consumption of the whole network under the premise of guaranteeing packet delay constraints.

passive optical network, time and wavelength division multiplexing, dynamic wavelength and bandwidth allocation, energy saving, delay constraint

TN929.18

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2018160

于存謙（1983-），男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，大連海事大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)楣饩W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

唐明珠（1993-），女，遼寧遼陽(yáng)人，大連海事大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)楣饩W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

何榮希（1971-），男，四川南充人，博士，大連海事大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)楣饩W(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2018?05?02；

2018?08?16

何榮希，hrx@dlmu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61371091, No.61801074）；大連海事大學(xué)“十三五”重點(diǎn)科研基金資助項(xiàng)目（No.3132016318）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.3132017078）

The National Natural Science Foundation of China (No.61371091, No.61801074), The 13th Five-Year Key Research Project of Dalian Maritime University (No.3132016318), The Fundamental Research Funds for Central Universities (No.3132017078)