張林叢，陳學(xué)意，魏可峰，張文波，馮永新

(1.沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159；2.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司，沈陽 110169)

近年來，時(shí)分波分復(fù)用無源光接入網(wǎng)(TWDM-PON,time and wavelength division multiplexed passive optical network)由于具有低成本、可兼容當(dāng)前已經(jīng)部署的光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN,optical distribution network)、實(shí)現(xiàn)多種無源光網(wǎng)絡(luò)制式共存等優(yōu)勢(shì)，如今已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-5]。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，溫室效應(yīng)和能源危機(jī)越發(fā)嚴(yán)重。信息與通信技術(shù)和因特網(wǎng)的能耗是全球能耗的重要組成部分[6]。目前針對(duì)時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)，研究學(xué)者提出了多種節(jié)能方式，如考慮業(yè)務(wù)等級(jí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的帶寬分配和調(diào)度策略休眠或關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)中低負(fù)載和空閑的設(shè)備等。然而，僅針對(duì)時(shí)分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)無法保證最優(yōu)的節(jié)能效果。

在TWDM-PON系統(tǒng)中，由于引入了多波長(zhǎng)技術(shù)，使得可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量動(dòng)態(tài)的對(duì)波長(zhǎng)優(yōu)化，將負(fù)載量小的波長(zhǎng)上的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU，optical network unit)遷移到其他波長(zhǎng)上，減少工作的波長(zhǎng)數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效率[7-8]。由于用戶流量分布的不均勻性和帶寬請(qǐng)求的隨機(jī)性，Yang H等提出一種波長(zhǎng)重定位機(jī)制，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)和收發(fā)器池可以共享，從而降低了配置成本[9]。Dixit A等針對(duì)關(guān)閉空閑波長(zhǎng)、休眠ONU兩個(gè)方面，提出混合休眠感知算法，在波長(zhǎng)分配和時(shí)隙分配二個(gè)維度實(shí)現(xiàn)節(jié)能[10]。Valcarenghil L等對(duì)當(dāng)前已有的節(jié)能算法進(jìn)行總結(jié)，設(shè)計(jì)滿足服務(wù)質(zhì)量(QoS，quality of service)和降低用戶成本等要求的節(jié)能機(jī)制，對(duì)業(yè)務(wù)聚合提出了有效的波長(zhǎng)和帶寬分配方案，且考慮了調(diào)諧速度對(duì)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗的限制[11]。Luo Y等采用基于馬爾科夫鏈的系統(tǒng)狀態(tài)模型，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)下行突發(fā)流量，從接收數(shù)據(jù)處理機(jī)的角度考慮實(shí)現(xiàn)節(jié)能[12]。

以上研究均基于EPON技術(shù)展開，對(duì)于基于XG-PON技術(shù)的TWDM-PON系統(tǒng)來說并不完全適合。文獻(xiàn)[13]僅考慮獲得高QoS，提出IAMW(Immediate allocation with multiple wavelength)算法，光線路終端OLT(Optical Line Terminal)分配具有最大剩余帶寬的上行波長(zhǎng)供ONU傳輸，通過降低工作波長(zhǎng)數(shù)達(dá)到節(jié)能目的。文獻(xiàn)[14]提出兩種流水線動(dòng)態(tài)帶寬分配機(jī)制，一種機(jī)制是基本流水線機(jī)制，此算法的動(dòng)態(tài)帶寬分配過程要求在4個(gè)幀長(zhǎng)度內(nèi)完成，導(dǎo)致某些請(qǐng)求不會(huì)被立刻響應(yīng)；另一種機(jī)制是基于轉(zhuǎn)發(fā)的流水線機(jī)制，對(duì)基本流水線機(jī)制做了改進(jìn)，克服了其缺點(diǎn)。以上研究均基于XG-PON技術(shù)，但并沒有將波長(zhǎng)分配和帶寬分配兩者耦合在一起，節(jié)能效果不盡完全。

本文利用TWDM-PON系統(tǒng)具備波長(zhǎng)和帶寬雙重靈活性的特點(diǎn)，提出基于ONU二次遷移的能量?jī)?yōu)化算法(DMEA,double migration energy optimization algorithm)，根據(jù)每個(gè)波長(zhǎng)的負(fù)載情況，將業(yè)務(wù)量較低的波長(zhǎng)上的ONU遷移至其他波長(zhǎng)，關(guān)閉業(yè)務(wù)量低的波長(zhǎng)達(dá)到節(jié)能的目的；同時(shí)，根據(jù)各個(gè)ONU業(yè)務(wù)量，對(duì)不同的ONU進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組和遷移，其中優(yōu)化組采取固定帶寬分配策略，普通組采取動(dòng)態(tài)帶寬分配策略。通過以上兩種措施，提高TWDM-PON系統(tǒng)節(jié)能率，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1為TWDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 TWDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示，TWDM-PON沿用傳統(tǒng)TDM-PON的ODN來承載多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)，主要由光線路終端OLT、ONUs和分光器等組成。TWDM-PON是在吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON,gigabit passive optical network)的基礎(chǔ)上，利用波分復(fù)用技術(shù)將4個(gè)XG-PON系統(tǒng)堆疊而成，上下行分別具有波長(zhǎng)通道，每一對(duì)波長(zhǎng)支持一個(gè)XG-PON系統(tǒng)，因此，上下行可分別支持40Gb/s和10/40Gb/s傳輸速率。上行和下行分別使用不同的波長(zhǎng)，且不同波長(zhǎng)的ONU之間互不干擾。在上行方向，ONU使用可調(diào)諧發(fā)送機(jī)，可調(diào)諧到4個(gè)上行波長(zhǎng)中的任意一個(gè)，使用相同波長(zhǎng)的ONU以時(shí)分復(fù)用接入方式共享上行信道，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在ODN進(jìn)行多路合光，在OLT中通過AWG進(jìn)行光信號(hào)分離；在下行方向，OLT將AWG聚合的多路光信號(hào)通過ODN傳送給ONU，光分路后仍包含4個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)，ONU采用可調(diào)諧接收機(jī)，可調(diào)諧到對(duì)應(yīng)的下行波長(zhǎng)接收信號(hào)；在同一下行波長(zhǎng)信道內(nèi)，OLT以時(shí)分復(fù)用方式廣播下行信息給ONU。因?yàn)門WDM-PON由多個(gè)XG-PON系統(tǒng)堆疊而成，所以其為幀同步系統(tǒng)，其帶寬分配受限于幀長(zhǎng)度(即 125us),且?guī)梢苑制?/p>

1.2 能耗模型

TWDM-PON 中的激光收發(fā)器具有波長(zhǎng)可調(diào)諧功能，可以滿足ONU波長(zhǎng)遷移的需要[15]。

由于ONU遷移所帶來的時(shí)間消耗和能量消耗是不可避免的，因此每個(gè)ONU遷移所消耗的時(shí)間如式(1)所示。

Tall=TLogout+TTuning+TLogin

(1)

式中：Tall為ONU遷移所消耗的總時(shí)長(zhǎng)；TLogout為ONU在當(dāng)前工作波長(zhǎng)上注銷所消耗的時(shí)間；TTuning為ONU調(diào)諧到新波長(zhǎng)上所消耗的時(shí)間，調(diào)諧時(shí)間的長(zhǎng)短與該ONU的業(yè)務(wù)量大小有關(guān)；TLogin為ONU在新波長(zhǎng)上注冊(cè)所耗費(fèi)的時(shí)間。

沒有ONU遷移時(shí)，TWDM-PON網(wǎng)絡(luò)的能量消耗如式(2)所示。

Ec=Eon_ONU+Eon_λ

(2)

式中：Ec為ONU遷移前TWDM-PON網(wǎng)絡(luò)總能耗；Eon_ONU為開啟的ONU所消耗的能量；Eon_λ為開啟的波長(zhǎng)所消耗的能量。當(dāng)存在ONU遷移時(shí)，TWDM-PON網(wǎng)絡(luò)所消耗的能量如式(3)所示。

Ed=Ec-Eoff_λ+Etuning

(3)

式中：Ed為ONU遷移后TWDM-PON網(wǎng)絡(luò)總能耗；Eoff_λ為關(guān)閉空閑波長(zhǎng)所節(jié)約的能量；Etuning為ONU遷移所消耗的能量，其大小與遷移ONU的業(yè)務(wù)量有關(guān)，表達(dá)式如式(4)所示。

(4)

式中：m為需要進(jìn)行業(yè)務(wù)遷移的ONU的總個(gè)數(shù)；Traffici為第i個(gè)ONU遷移量大??；α、β為影響系數(shù)。

2 算法描述

本文提出的基于ONU二次遷移的節(jié)能算法分為：(1)ONU第一次遷移，將業(yè)務(wù)量最小的波長(zhǎng)上的ONU遷移，然后關(guān)閉該波長(zhǎng)；(2)ONU第二次遷移，將每條波長(zhǎng)上業(yè)務(wù)量低的ONU歸到優(yōu)化組中，并將優(yōu)化組中ONU遷移到某個(gè)或某幾個(gè)波長(zhǎng)上，以便于進(jìn)行帶寬分配和休眠。算法具體步驟如下。

2.1 ONU第一次遷移，關(guān)閉空閑波長(zhǎng)

首先OLT周期性對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)工作波長(zhǎng)的占有率，周期T的設(shè)定需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)情況設(shè)定，本文根據(jù)式(5)判斷是否有可關(guān)閉的波長(zhǎng)。

(5)

圖2為ONU第一次遷移過程，圖2a表示ONU遷移前數(shù)據(jù)傳輸圖，圖2b表示ONU遷移后數(shù)據(jù)傳輸圖。如果式(5)成立，則表明網(wǎng)絡(luò)中存在波長(zhǎng)資源的浪費(fèi)，可以遷移部分ONU，關(guān)閉至少一個(gè)波長(zhǎng)。OLT收集該波長(zhǎng)上各個(gè)ONU的請(qǐng)求帶寬信息，并且將各請(qǐng)求帶寬按從大到小排列；然后每個(gè)ONU執(zhí)行遷移策略，按照帶寬請(qǐng)求量從大到小依次將ONU遷移到帶寬占有率較小的波長(zhǎng)上，直至此波長(zhǎng)的帶寬用盡；如果該波長(zhǎng)上還有沒遷移的ONU，則繼續(xù)向帶寬占有率次小的波長(zhǎng)上遷移，直至遷移完畢。最后關(guān)閉遷移后空閑的波長(zhǎng)。圖2b顯示，ONU2將其在λ4上傳輸?shù)牟糠謽I(yè)務(wù)遷移至λ1上，然后關(guān)閉λ4達(dá)到節(jié)能目的。如果式(5)不成立，等待下一周期繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載超過當(dāng)前所有波長(zhǎng)總?cè)萘繒r(shí)，需開啟新的波長(zhǎng)。式(5)成立時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可關(guān)閉波長(zhǎng)的總數(shù)可用式(6)表示。

(6)

式中N為可關(guān)閉波長(zhǎng)總數(shù)。

圖2 ONU第一次遷移

2.2 ONU第二次遷移、劃分優(yōu)化組、分配帶寬、休眠ONU

Step1：對(duì)于每一個(gè)活躍波長(zhǎng)，OLT控制器針對(duì)所有在線ONU，根據(jù)式(7)和式(8)計(jì)算業(yè)務(wù)量低于設(shè)定閾值的ONU的個(gè)數(shù)，式(7)表示ONU的設(shè)定閾值(閾值Th=總ONU業(yè)務(wù)量/總ONU個(gè)數(shù))；式(8)表示低于設(shè)定閾值的ONU個(gè)數(shù)(M為業(yè)務(wù)量低于設(shè)定閾值的ONU的個(gè)數(shù)，初始時(shí)M的值為0)。圖3為ONU第二次遷移過程。

圖3 ONU第二次遷移

圖3中數(shù)字標(biāo)號(hào)代表各個(gè)ONU業(yè)務(wù)(圖中低于設(shè)定閾值的ONU為 ONU1、ONU4、ONU5、ONU7、ONU11)。

(7)

(8)

Step2：將帶寬請(qǐng)求量低于設(shè)定閾值Th的ONU劃為一組，稱其為優(yōu)化組，其余ONU為普通組；并將這些ONU遷移至其中某一個(gè)或某幾個(gè)波長(zhǎng)上。一旦ONU的帶寬請(qǐng)求量增加且大于Th，則將其移出優(yōu)化組，歸為普通組。圖3b為ONU4從λ3上遷移至λ1上，ONU5和ONU11從λ2上遷移至λ1上，相應(yīng)的ONU6和ONU12從λ1上分別遷移至λ3和λ2上。所以優(yōu)化組在λ1上傳輸，普通組在λ2和λ3上傳輸，而λ4處于休眠狀態(tài)。

Step3：對(duì)優(yōu)化組和普通組的ONU進(jìn)行帶寬分配。由于優(yōu)化組中的ONU帶寬請(qǐng)求量相對(duì)較低，因此采用固定帶寬分配算法來管理ONU的帶寬分配。對(duì)普通組ONU，執(zhí)行動(dòng)態(tài)帶寬分配算法[16]。即在λ1上傳輸?shù)腛NU執(zhí)行固定帶寬分配算法，而在λ2和λ3上傳輸?shù)腛NU執(zhí)行動(dòng)態(tài)帶寬分配算法。

Step4：對(duì)優(yōu)化組和普通組ONU進(jìn)行休眠。在優(yōu)化組中，由于其中的ONU帶寬請(qǐng)求量相對(duì)較低，固定帶寬分配算法要求ONU只在一個(gè)周期的某一特定時(shí)隙處于工作狀態(tài)，其他時(shí)隙則處于休眠狀態(tài)。因此，在優(yōu)化組中，一個(gè)周期中ONU可以達(dá)到很高的休眠比例，如式(9)所示。

(9)

式中x表示采用固定帶寬分配算法的波長(zhǎng)上總的ONU數(shù)量。由此可以看出在優(yōu)化組中ONU可以取得很好的節(jié)能效果。

普通組的ONU執(zhí)行動(dòng)態(tài)帶寬分配，由于每個(gè)ONU的帶寬請(qǐng)求量都較高，因此每個(gè)ONU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸都需要較長(zhǎng)時(shí)間，此時(shí)同一波長(zhǎng)上其他ONU即可進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境

本文仿真所采用的TWDM-PON中，設(shè)定以下參數(shù)：光網(wǎng)絡(luò)單元的數(shù)量N=32；最大波長(zhǎng)數(shù)M=8，且每條波長(zhǎng)的速率為2.5Gbps[17]；用戶數(shù)據(jù)源服從泊松分布；單個(gè)數(shù)據(jù)包的大小服從64byte到1518byte的均勻分布；保護(hù)時(shí)隙為1μs[18]。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果及分析

本文對(duì)所提出的DMEA算法進(jìn)行仿真分析，其對(duì)比算法為文獻(xiàn)[19]的整數(shù)線性規(guī)劃ILP算法和文獻(xiàn)[20]的基于用戶行為感知的DA-EES算法。ILP算法通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行線性預(yù)測(cè)，并且提出合理的動(dòng)態(tài)帶寬分配策略，降低時(shí)延提高帶寬利用率。DA-EES算法根據(jù)用戶的行為感知網(wǎng)絡(luò)下一時(shí)刻的流量情況，更好的把握網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行動(dòng)態(tài)，在一定程度上降低時(shí)延，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。本文對(duì)所提算法的仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為ONU遷移量和網(wǎng)絡(luò)能耗。仿真圖中對(duì)ONU的負(fù)載進(jìn)行了歸一化。

圖4表示隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)數(shù)量變化示意圖。

由圖4可以明顯看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為0.1～0.2、0.5～0.6、0.7～0.8之間時(shí)，有新波長(zhǎng)的開啟。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)歸一化負(fù)載在0.2～0.5之間時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)波長(zhǎng)數(shù)不變；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)歸一化負(fù)載增加至0.6時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的活動(dòng)波長(zhǎng)數(shù)增加，并且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量越大，所需活動(dòng)波長(zhǎng)數(shù)越多。

圖4 TWDM-PON中活動(dòng)波長(zhǎng)數(shù)的變化

圖5顯示隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化三種算法的ONU遷移量對(duì)比。

圖5 不同策略O(shè)NU遷移業(yè)務(wù)量對(duì)比

由圖5可以看出，三種算法的ONU遷移量隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加都逐漸增大。而DMEA算法的遷移量在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)相比其他兩種算法稍多，在負(fù)載量0.7后遷移量上升顯著，這是由于本文算法考慮了ONU的二次遷移，所以可以更加充分的利用網(wǎng)絡(luò)的帶寬，因此本文所提DMEA算法產(chǎn)生的遷移量較大。

圖6顯示隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化三種算法的ONU休眠比例。

由圖6可以看出，三種算法的ONU休眠比例隨著負(fù)載的增加大致呈下降趨勢(shì)。本文所提出的DMEA算法相比其他兩種算法的休眠ONU數(shù)量更多，這是因?yàn)楸舅惴ㄔ诙芜w移中設(shè)置了優(yōu)化組，優(yōu)化組內(nèi)采用固定帶寬分配算法來管理ONU的帶寬分配，一個(gè)ONU只在固定分配的時(shí)隙中處于活躍狀態(tài)，其他時(shí)隙則處于休眠狀態(tài)，使得ONU的休眠比例相對(duì)較高。

圖7顯示隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化三種算法的能耗對(duì)比。

圖6 不同策略的ONU休眠比例

圖7 不同策略的網(wǎng)絡(luò)總能耗

由圖7可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量的增加，三種策略的網(wǎng)絡(luò)能耗呈上升趨勢(shì)。在不同的歸一化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下，本文所提出的DMEA算法，整體能耗較其他兩種算法明顯降低，總能耗下降約為10%。這是因?yàn)楸疚乃岢龆芜w移中的ONU動(dòng)態(tài)分組優(yōu)化算法起到了關(guān)鍵性作用，優(yōu)化組內(nèi)，每個(gè)周期只有一個(gè)ONU處于活躍狀態(tài)，其他ONU處于休眠狀態(tài)，有效降低了ONU端的能耗。因此本文提出的DEMA算法在降低網(wǎng)絡(luò)能耗方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

針對(duì)TWDM-PON節(jié)能問題，本文提出了基于ONU二次遷移的能量?jī)?yōu)化算法，通過ONU兩次遷移，分別實(shí)現(xiàn)關(guān)閉空閑波長(zhǎng)和休眠ONU，以減少網(wǎng)絡(luò)能耗。與文獻(xiàn)[19-20]所提ILP算法和DA-EES算法相比，本文所提DMEA算法能夠有效降低能耗約10%左右，最大降耗可達(dá)約20%。

但本文所提方法未考慮ONU頻繁進(jìn)行波長(zhǎng)遷移所造成的調(diào)諧開銷。下一步擬在所提算法中考慮調(diào)諧開銷、網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)質(zhì)量等因素，并控制ONU波長(zhǎng)遷移的次數(shù)，避免無意義的頻繁遷移。