下一代無源光網(wǎng)絡(luò)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

趙繼軍　馮楠　任丹萍

從網(wǎng)絡(luò)分層、接入網(wǎng)設(shè)備以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3個角度對下一代無源光網(wǎng)絡(luò)（NG-PON）的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析研究?；贜G-PON的標(biāo)準(zhǔn)工作和節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼（NC）的NG-PON節(jié)能調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了不同節(jié)能技術(shù)之間的綜合應(yīng)用，并在提高節(jié)能效率的同時(shí)有效提升了網(wǎng)絡(luò)性能。研究表明不同的NG-PON節(jié)能技術(shù)既有其各自獨(dú)立優(yōu)勢和特點(diǎn)，同時(shí)也具有交叉和關(guān)聯(lián)性，從而可以以較為綜合的方式運(yùn)用節(jié)能技術(shù)以降低NG-PON中的能源消耗。

下一代無源光網(wǎng)絡(luò)；標(biāo)準(zhǔn)化；節(jié)能；混合調(diào)度機(jī)制

In this paper， we analyze key power-saving technologies from the perspective of network hierarchy， access network equipment， and novel network architecture. Based on the above standard and the key technologies of power-saving， we propose a green scheduling mechanism based on network coding in a NG-PON. This mechanism combines various power-saving technologies， improves energy efficiency， and improves network performance. The paper discusses how power-saving technologies are dependent on each other. Interrelations and organic connections of those technologies can provide a flexible， comprehensive way of implementing power-saving technologies.

next-generation passive optical network； standardization； power-saving； hybrid scheduling mechanism

在各種接入網(wǎng)技術(shù)中，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）被認(rèn)為是最有前景的寬帶接入技術(shù)，并在近幾年迅猛發(fā)展。但大量新型業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，如IPTV、HDTV、視頻會議等，使得用戶對帶寬的需求進(jìn)一步提高，極大地促進(jìn)了PON向更高傳輸速率、更長傳輸距離和更大分光比的方向快速發(fā)展，下一代無源光網(wǎng)絡(luò)（NG-PON）在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。NG-PON的演進(jìn)趨勢如圖1所示，可分為以演進(jìn)中的10G EPON和XG-PON為代表的NG-PON1，以及具有長期演進(jìn)趨勢的以時(shí)隙波長堆疊復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（TWDM-PON）、波分復(fù)用接入無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）、正交頻分復(fù)用接入無源光網(wǎng)絡(luò)（OFDMA-PON）、光碼分多址接入無源光網(wǎng)絡(luò)（OCDMA-PON）等更高速的PON技術(shù)為代表的NG-PON2[1]。

在NG-PON技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，由于能源危機(jī)、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等全球性問題日益突出，節(jié)能降耗已經(jīng)成為社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的普遍共識。在這一背景之下，基于綠色網(wǎng)絡(luò)的電信網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)也成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。而PON網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署以及巨大的用戶端設(shè)備規(guī)模，使得接入網(wǎng)絡(luò)的能源消耗占整個電信網(wǎng)絡(luò)70%以上[2]。因此，降低接入網(wǎng)絡(luò)能耗，將可以有效降低整個電信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行能耗。因此，NG-PON的節(jié)能技術(shù)也日漸受到標(biāo)準(zhǔn)化組織、學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界等的廣泛關(guān)注。

1 下一代無源光網(wǎng)絡(luò)節(jié)能

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

目前，NG-PON節(jié)能技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程正在穩(wěn)步推進(jìn)。面向節(jié)能的NG-PON標(biāo)準(zhǔn)化組織主要包括IEEE和ITU-T兩大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織。他們在演進(jìn)的EPON、節(jié)能以太網(wǎng)、GPON以及TWDM-PON這些網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作中關(guān)注了節(jié)能技術(shù)，具體的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程如圖2所示。

在IEEE方面，IEEE 802.3工作組在IEEE 802.3av建議中提出了EPON的低功率模式，并于2013年公布了IEEE P1904.1，即服務(wù)互操作性以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（SIEPON）[3]標(biāo)準(zhǔn)。SIEPON作為EPON的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范并定義了EPON以及10G EPON中發(fā)射機(jī)（Tx）和收發(fā)機(jī)（TRx）兩種節(jié)能模式，并確定了“光線路終端（OLT）主導(dǎo)”和“OLT與光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）聯(lián)合控制”兩種能源節(jié)省機(jī)制。此外，IEEE 802.3工作組還對節(jié)能以太網(wǎng)（EEE）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化[4]，其基本思想是當(dāng)發(fā)送/接收空閑幀時(shí)，低功率空閑（LPI）抑制了物理層（PHY）在發(fā)送/接收過程中的能源消耗，這大大減少了包括1000BASE-T和10G BASE-T在內(nèi)的不同類型的電以太網(wǎng)接口能源消耗。

在ITU-T方面，早在2006年3月，ITU-T就已開始進(jìn)行GPON節(jié)能問題的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，并在2009年頒布了ITU-T系列的G.sup45 “GPON能源節(jié)省”標(biāo)準(zhǔn)。在G.sup45中規(guī)范了基于用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）的ONU電源限制機(jī)制、基于PON口令的ONU假寐機(jī)制，以及快速休眠模式和深度休眠模式。在ITU-T標(biāo)準(zhǔn)G.987.3中則指出了XG-PON相應(yīng)的節(jié)能模式以及各節(jié)能模式在實(shí)際過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。此外，ITU-T在2013年還發(fā)布了面向NG-PON2的ITU-T G.989.1標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了對40 Gbit/s TWDM-PON設(shè)計(jì)的總體要求，作為一個整體的功能參考架構(gòu)，G.989.1為不同節(jié)能方案的實(shí)施提供了一定的空間。作為TWDM-PON的傳輸匯聚層標(biāo)準(zhǔn)，G. 989.3草案則具體規(guī)范了節(jié)能模式以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換。其中，OLT利用管理控制接口（OCMI）來發(fā)現(xiàn)ONUs的能源管理能力以及配置能源管理的屬性和模式。并且ONU和OLT中均具有能源管理狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制。ITU-T擬在2015年完成關(guān)于NG-PON2的G.989系列標(biāo)準(zhǔn)[5]。關(guān)于未來NG-PON的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢，在后NG-PON2即NG-PON3中則主要集中在WDM-PON和OFDMA-PON等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃與制訂之中。endprint

此外，ITU-T在2013年公布了一個新的建議版本G.epon。比較而言，ITU-T的G.epon與IEEE的SIEPON的用戶數(shù)據(jù)相同，在介質(zhì)訪問控制（MAC）的客戶端擴(kuò)展的控制方面與SIEPON也沒有區(qū)別，只是在網(wǎng)絡(luò)管理方面，基于SIEPON的“Package”增加了ONU的OMCI。

2 下一代無源光網(wǎng)絡(luò)節(jié)能

關(guān)鍵技術(shù)

依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的整體需求、節(jié)能模式和節(jié)能機(jī)制，目前全球?qū)W者從不同角度對NG-PON的節(jié)能技術(shù)展開了研究。其中，研究工作主要集中在如下幾個大的方面，從網(wǎng)絡(luò)層面角度來看，NG-PON的節(jié)能技術(shù)可以分為硬件節(jié)能技術(shù)和軟件節(jié)能技術(shù)，其中硬件節(jié)能技術(shù)又稱為物理層節(jié)能技術(shù)，軟件節(jié)能技術(shù)又稱為數(shù)據(jù)鏈路層節(jié)能技術(shù)；從接入網(wǎng)的設(shè)備角度來看，又可分為OLT端節(jié)能技術(shù)和ONU端節(jié)能技術(shù)；此外，還包括從新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面來考慮的節(jié)能技術(shù)。當(dāng)然，依據(jù)這些角度所進(jìn)行劃分的節(jié)能技術(shù)并不是相互獨(dú)立的，而是相互交叉，有機(jī)的聯(lián)系在一起的，從而可以以較為綜合的方式構(gòu)建節(jié)能技術(shù)方案，降低NG-PON中的能源消耗。本文中按照上述分類標(biāo)準(zhǔn)劃分的NG-PON節(jié)能技術(shù)如表1所示。

2.1 面向網(wǎng)絡(luò)分層的節(jié)能技術(shù)

面向網(wǎng)絡(luò)分層的節(jié)能技術(shù)主要包括硬件節(jié)能和軟件節(jié)能技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)物理層面，主要依賴硬件能效提升關(guān)鍵技術(shù)，其利用大規(guī)模集成電路（LSI）的良好信息處理能力，高速串口電路的改進(jìn)以及高效的供電器件效率來設(shè)計(jì)低功耗光端機(jī)，以降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗。在MAC層面則依賴軟件節(jié)能技術(shù)，它主要針對PON網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層，一般通過在MAC層引入標(biāo)準(zhǔn)里所規(guī)范的ONU休眠模式，從而開啟或關(guān)閉特定的功能模塊來控制設(shè)備的能源消耗以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（1）硬件節(jié)能技術(shù)

目前，針對NG-PON物理層面的硬件節(jié)能技術(shù)主要是針對特定的網(wǎng)絡(luò)利用先進(jìn)的器件和大規(guī)模集成電路（LSI）技術(shù)對光端機(jī)等設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。其中，新的設(shè)備架構(gòu)可以在多種模式或特定的功能狀態(tài)下支持節(jié)能。Wong[6]等人提出了4種新的綠色ONU架構(gòu)（GR-ONU1-4），并分別就工作、休眠、半休眠狀態(tài)下的能耗以及時(shí)間開銷方面與標(biāo)準(zhǔn)的ONU架構(gòu)進(jìn)行了比較研究，研究表明GR-ONU-2架構(gòu)以其非常短的開銷時(shí)間和稍高的能源消耗性能最好。而對于OFDMA-PON，由于其依賴于數(shù)字信號處理器（DSP）所進(jìn)行的離散快速傅里葉變換（IFFT）、快速傅里葉變換（FFT）、以及高速模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換，這些處理器件都產(chǎn)生了較高的能源消耗，因此，Vetter[7]等人提出采用一個帶通濾波器來選擇一系列合適的連續(xù)子載波。這樣通過FFT來處理后的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣數(shù)將減少1/4，ONU則不需要處理整個頻譜從而減少了信息處理過程中的能耗，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。Scherenk[8]等人提出了一種基于光噪聲重用的節(jié)能方案，該方案通過將接入網(wǎng)絡(luò)中的光放大器所產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲（ASE）作為自然泵浦源送入光分配單元中的摻餌光纖（EDF）進(jìn)行光信號的放大，這一方案巧妙地利用網(wǎng)絡(luò)中的光放大器噪聲功率這一“副產(chǎn)品”實(shí)現(xiàn)了ONU中的半導(dǎo)體光放大器（SOA）“重用”，該方案只是通過將光噪聲循環(huán)使用，就使得接入網(wǎng)絡(luò)在沒有增加額外能源開銷的情況下，增加了服務(wù)的客戶數(shù)，從而有效提升了網(wǎng)絡(luò)的能源使用效率。

（2）軟件節(jié)能技術(shù)

目前，針對NG-PON的MAC層面軟件節(jié)能技術(shù)主要通過在傳輸匯聚層（TC）/MAC層設(shè)計(jì)ONU休眠節(jié)能控制機(jī)制、新型節(jié)能協(xié)議，如比特交織協(xié)議以及自適應(yīng)鏈路控制機(jī)制等，從而來實(shí)現(xiàn)休眠節(jié)能的目的。其中，通過業(yè)務(wù)流的優(yōu)化和調(diào)度來實(shí)現(xiàn)ONU的休眠控制是最常見的一種方式。ONU休眠節(jié)能的基本思想是當(dāng)業(yè)務(wù)流量低時(shí)將ONU處于相應(yīng)的節(jié)能模式，現(xiàn)已出現(xiàn)多種經(jīng)典的ONU休眠控制機(jī)制，如：上行中心調(diào)度機(jī)制（UCS）、下行中心調(diào)度機(jī)制（DCS）、實(shí)時(shí)休眠控制（Just-in-time）、動態(tài)ONU節(jié)能以及能耗感知的MAC協(xié)議等。值得注意的是，一般將上述ONU休眠機(jī)制與NG-PON中不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的動態(tài)綠色資源分配算法結(jié)合，從而在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)性能。Kubo等人為了允許1 Gbit/s和10 Gbit/s的ONU可以在一個PON中共存，在一個不對稱的10G EPON的ONU中同時(shí)使用1 Gbit/s和10 Gbit/s的接收機(jī)[9]，并提出根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)情況通過PHY的接口轉(zhuǎn)換將工作鏈路在1 Gbit/s和10 Gbit/s之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種方式在業(yè)務(wù)較少時(shí)減少了ONU的能源消耗。隨著NG-PON中高速TDM-PON的發(fā)展，在具有多個不同鏈路速率的PON中，如何靈活地進(jìn)行速率的轉(zhuǎn)換和控制是亟待解決的問題。Van等人通過研究比特交織PON（BiPON）[10]，提出了一種利用比特交織協(xié)議進(jìn)行PON節(jié)能的思路。它允許所有匯聚后到達(dá)的數(shù)據(jù)幀在時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）后逐比特地發(fā)向ONU，并通過一個簡單的限幅器在ONU的接收端提取選擇ONU的相應(yīng)比特。BiPON降低了對時(shí)鐘速度、數(shù)據(jù)處理、電壓以及內(nèi)存的需求，因此其運(yùn)行裝置可以工作在低速的情況下，從而大大減少了高速設(shè)備的能源消耗。研究結(jié)論顯示，BiPON可使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功耗獲得顯著降低。

2.2 面向接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的節(jié)能技術(shù)

在NG-PON中，OLT作為PON系統(tǒng)的控制中心位于中心局端，ONU位于用戶端，每一個OLT通過TC層協(xié)議控制多個ONU。因此，從接入網(wǎng)設(shè)備的角度來說，PON節(jié)能機(jī)制可以分為OLT端的節(jié)能以及ONU端的節(jié)能。

（1）OLT端節(jié)能技術(shù)

對于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而言，減少OLT的能源消耗可以大大減少中心局端的能源消耗。IEEE 802.3az標(biāo)準(zhǔn)所定義的EEE可適用于OLT-以太網(wǎng)匯聚器（EA）鏈路以及EA中間的骨干網(wǎng)設(shè)備。在NG-PON中，OLT和EA都將會升級到10 Gbit/s及以上。EA可運(yùn)行在能源感知模式中，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載低于設(shè)定的門限值時(shí)，部分EA設(shè)備進(jìn)入休眠，從而減少了OLT的能源消耗。Kani等人研究了OLT的以太網(wǎng)匯聚器功能[11]。通常在PON系統(tǒng)的SNI端應(yīng)用鏈路匯聚（IEEE Std802.3ad），通過利用匯聚鏈路兩端間的額外消息來執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的鏈路匯聚機(jī)制，并以此控制開啟的鏈路數(shù)目。此外，OLT作為系統(tǒng)的控制中心，一般不能整體關(guān)閉，但是，劉心教授等人將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)引入到NG-PON中[12]，對數(shù)據(jù)在OLT處的異或編碼操作和在ONU處的解碼操作，并結(jié)合下行帶寬預(yù)留機(jī)制實(shí)現(xiàn)了協(xié)同調(diào)度ONU的休眠控制，研究結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)編碼能夠有效地減少下行方向上數(shù)據(jù)包的數(shù)目，減少端到端延遲，有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。而在NG-PON2的主流技術(shù)TWDM-PON中，OLT和ONU中不同類型的可調(diào)諧收發(fā)機(jī)以及OLT中波長轉(zhuǎn)換開關(guān)（WSS）的使用，使得每一個波長可調(diào)諧的ONU可以通過改變發(fā)射波長來選擇OLT端口進(jìn)行接入，并使用WSS路由不同的波長到不同的端口，從而可以實(shí)現(xiàn)OLT的選擇性休眠。Dixit等人在TWDM-PON的OLT中，根據(jù)業(yè)務(wù)的負(fù)載來配置OLT所開啟的線卡的數(shù)目[13]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于低負(fù)載狀態(tài)時(shí)，通過配置光開關(guān)，使所有的ONU與一個OLT線卡來通信，其他OLT的線卡可以關(guān)閉以節(jié)省能源消耗。此外，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載較少時(shí)，ONU可以共享波長。因此一些光發(fā)射/接收機(jī)和后端的處理器件可以關(guān)閉，這些成組的ONU可以共享一個波長的容量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。endprint

（2）ONU端節(jié)能技術(shù)

由于NG-PON結(jié)構(gòu)中ONU的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OLT，ONU的能源消耗占整個PON網(wǎng)絡(luò)能耗的大部分，因此，從ONU設(shè)備的角度降低能源消耗具有重要的研究意義。只要硬件支持并遵循上述ITU-T和IEEE標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的ONU節(jié)能模式，在NG-PON的任意一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中均可實(shí)現(xiàn)ONU設(shè)備的休眠。Dhaini等人擴(kuò)展了UCS機(jī)制[14]，并研究了一種綠色帶寬分配算法，該算法在控制延遲的前提下可進(jìn)行批處理傳輸模式，保證了ONU可以休眠較長的時(shí)間。NG-PON中的各種ONU休眠控制機(jī)制以及綠色帶寬分配算法的實(shí)現(xiàn)過程主要圍繞ONU何時(shí)休眠，休眠時(shí)間間隔來進(jìn)行。在NG-PON2中，ONU休眠節(jié)能模式還可以與波長分配算法以及頻譜選擇算法結(jié)合起來，通過資源的有效分配和調(diào)度，在提高節(jié)能效率的同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的性能。

2.3 面向新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的節(jié)能技術(shù)

NG-PON中不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形態(tài)對節(jié)能有不同的影響。因此，新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對于節(jié)能技術(shù)的實(shí)施具有十分重要的影響。需要注意的是，不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要獲得物理層的硬件支持，又需要有邏輯上的互聯(lián)互通，它融合了網(wǎng)絡(luò)在各層面的節(jié)能技術(shù)。

Das等人為了降低能源消耗，采用WSS作為關(guān)鍵器件提出了一個新型的TWDM-PON架構(gòu)，并依據(jù)該結(jié)構(gòu)提出了一種基于最優(yōu)化用戶分組的能源節(jié)省機(jī)制以最小化波長利用率[15]，即由數(shù)據(jù)速率以及OLT與ONU之間的距離來決定可以分組在一個波長上的ONU數(shù)目。當(dāng)ONU所提供的負(fù)載小時(shí)，多個相鄰的ONU可以共用一個單獨(dú)的波長，隨著負(fù)載的增加，當(dāng)這一個波長不能滿足為所分組的ONU提供服務(wù)時(shí)，則可以再分配一個額外的波長。Wang等人提出了一種新型的WDM-PON架構(gòu)，并在此架構(gòu)中提出一種智能的動態(tài)波長共享方法來實(shí)現(xiàn)WDM-PON中的能源管理 [16]。在負(fù)載高峰期內(nèi)，處于忙碌狀態(tài)的ONU具有特定的下行/上行波長，但在非高峰期時(shí)，ONU具有共享波長能力，因此在OLT中可以關(guān)閉空閑的光/電線卡來實(shí)現(xiàn)大量的能源節(jié)省。Lee等人在一個10 Gbit/s WDM-PON架構(gòu)的ONU中采用了一個嵌入式的節(jié)能模式控制器（PSMC）[17]，該控制器可根據(jù)上行業(yè)務(wù)監(jiān)測模塊進(jìn)行節(jié)能調(diào)度。Yuang等人提出了一種能源與開銷有效的WDM/OFDMA PON系統(tǒng)——NEWOPS[18]，可高效地實(shí)現(xiàn)頻譜和靈活的子信道帶寬分配。在低負(fù)載情況下，該混合系統(tǒng)可應(yīng)用光開關(guān)來實(shí)現(xiàn)OLT中某些頻譜選擇，從而使其轉(zhuǎn)入休眠模式，而其他的則被不同的ONU共享。共享同一波長的ONU可利用不同的OFDM子載波承載并發(fā)送數(shù)據(jù)。

除了上述NG-PON中各個新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，目前，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)引入到接入網(wǎng)絡(luò)中，將網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離開來也為NG-PON的節(jié)能技術(shù)提供了一種新的思路。值得注意的是，GPON的OMCI接口為將SDN引入到PON中提供技術(shù)途徑，目前具有OMCI的EPON標(biāo)準(zhǔn)G.epon也正在逐步推進(jìn)。基于SDN的NG-PON可通過對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，并通過對OpenFlow協(xié)議的擴(kuò)展以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面的流表優(yōu)化配置獲得更高的網(wǎng)絡(luò)性能和節(jié)能效率。Gu等人通過軟件定義的方式結(jié)合NC技術(shù)設(shè)計(jì)了一種靈活、節(jié)能有效且支持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)部通信的PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[19]，實(shí)現(xiàn)了利用軟件定義技術(shù)根據(jù)業(yè)務(wù)特性進(jìn)行動態(tài)波長分配的嘗試，有效地減少了能源消耗并解決了網(wǎng)絡(luò)帶寬“瓶頸”問題。利用基于SDN的新型NG-PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過擴(kuò)展OpenFlow協(xié)議且在控制器（NOX）實(shí)現(xiàn)智能的多等級業(yè)務(wù)的節(jié)能控制，是基于軟定義的NG-PON節(jié)能技術(shù)研究的一個重要內(nèi)容。

3 NG-PON中基于NC的

節(jié)能調(diào)度機(jī)制研究

根據(jù)對既有節(jié)能技術(shù)的分析，論文作者依據(jù)EPON最新標(biāo)準(zhǔn)SIEPON中關(guān)于節(jié)能的相關(guān)規(guī)范，對NG-PON節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)合NC與ONU休眠節(jié)能控制要求，分別對“OLT獨(dú)立主導(dǎo)”以及“OLT和ONU聯(lián)合控制”兩種節(jié)能調(diào)度機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。這兩種機(jī)制通過時(shí)隙管理以及數(shù)據(jù)包調(diào)度的混合調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)NG-PON的能源管理。調(diào)度機(jī)制的基本思想為：對利用NC技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)編碼包的組播時(shí)隙進(jìn)行管理，兩種節(jié)能調(diào)度機(jī)制都通過擴(kuò)展的授權(quán)（GATE）與請求（REPORT）控制信息來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、NC的控制與管理。并且OLT不直接參與ONU休眠模式的切換控制，而是通過動態(tài)帶寬分配（DBA）算法為ONU分配上下行傳輸時(shí)隙來影響ONU的休眠時(shí)間。基于節(jié)能考慮，下行數(shù)據(jù)被緩存在OLT中按規(guī)定的下行時(shí)隙發(fā)送。OLT分配好時(shí)隙后生成GATE幀向ONU授權(quán)帶寬，ONU在接收GATE幀后，將得到自身的時(shí)隙分配情況，并根據(jù)傳輸時(shí)隙安排在指定的時(shí)間選擇自身最節(jié)能的模式進(jìn)行切換。

圖3為OLT獨(dú)立主導(dǎo)的單周期內(nèi)ONU休眠節(jié)能調(diào)度機(jī)制工作時(shí)序。該機(jī)制首先提出了一種NC-SIEPON結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)級層面實(shí)現(xiàn)NC[20]，從而完成OLT端的節(jié)能。并在OLT內(nèi)基于雙向業(yè)務(wù)流量進(jìn)行時(shí)隙分配，OLT在每一輪詢周期的非編碼包傳輸結(jié)束后統(tǒng)一發(fā)送網(wǎng)絡(luò)編碼包，并根據(jù)前一個周期的REPORT幀為當(dāng)前周期的ONU分配上行時(shí)隙，同時(shí)，不斷監(jiān)測當(dāng)前緩存隊(duì)列情況，為下一周期計(jì)算傳輸所需的時(shí)間，因此，每一個ONU所接收到的GATE幀中包括了下一周期中GATE幀的起始發(fā)送時(shí)間和下行傳輸持續(xù)時(shí)間，同時(shí)分別包含了當(dāng)前周期的休眠起始時(shí)間ts_sleep和休眠結(jié)束時(shí)間te_sleep。因此，ONU只在屬于自己的時(shí)隙接收數(shù)據(jù)包。該節(jié)能調(diào)度機(jī)制上下行相互獨(dú)立，擴(kuò)展了SIEPON中定義的Tx和TRx休眠模式，OLT和ONU的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可自適應(yīng)、周期性開啟和關(guān)閉并最大化了網(wǎng)絡(luò)編碼效益，有效實(shí)現(xiàn)了在ONU端的節(jié)能。圖4為OLT和ONU聯(lián)合控制的節(jié)能調(diào)度機(jī)制工作時(shí)序[21]。該機(jī)制遵從了SIEPON的休眠節(jié)能模式，在每一個輪詢周期內(nèi)，首先廣播GATE幀，GATE幀發(fā)送完成以后，OLT即開始下行廣播網(wǎng)絡(luò)編碼包，剩余的上下行帶寬用于非編碼包的傳輸。ONU分為Tx模式、TRx模式和活躍模式三種工作模式。ONU根據(jù)GATE中的授權(quán)信息決定各個時(shí)隙的工作模式并找出發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的空閑時(shí)隙。當(dāng)空閑時(shí)隙長度小于最小休眠時(shí)間，ONU的發(fā)射機(jī)或接收機(jī)模塊將退出休眠。各時(shí)隙的工作模式確定以后，ONU建立一個工作狀態(tài)表來管理接收機(jī)與發(fā)射機(jī)模塊以保證工作模式的按時(shí)切換。endprint

仿真表明，上述兩種混合調(diào)度機(jī)制考慮了OLT端的NC節(jié)能以及ONU端休眠節(jié)能，NC的存在有效提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，基于ONU休眠時(shí)隙管理的節(jié)能調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)了更好的節(jié)能效率，保證了網(wǎng)絡(luò)的性能。

4 結(jié)束語

NG-PON節(jié)能技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)對于推動綠色網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，降低能源消耗具有非常重要的意義。本文在對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)發(fā)展需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從NG-PON節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀出發(fā)，分別從網(wǎng)絡(luò)分層的角度、接入網(wǎng)設(shè)備角度以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的角度對NG-PON中的關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析探討，并對自己開展的研究工作進(jìn)行了闡述。通過分析表明NG-PON節(jié)能技術(shù)的發(fā)展要注意好如下幾方面的統(tǒng)籌兼顧：一是，在進(jìn)行NG-PON節(jié)能技術(shù)研究的同時(shí)，要兼顧能源消耗的減少和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的保證，不能顧此失彼，這在進(jìn)行節(jié)能技術(shù)方案設(shè)計(jì)時(shí)要統(tǒng)籌兼顧；二是，在NG-PON技能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用過程中，既要考慮各種獨(dú)立節(jié)能技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，同時(shí)要考慮不同特點(diǎn)節(jié)能技術(shù)的綜合運(yùn)用效益，從而實(shí)現(xiàn)多種節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮的統(tǒng)籌兼顧；三是，在NG-PON技術(shù)的發(fā)展過程中，既要關(guān)注既有成熟節(jié)能技術(shù)的完善，同時(shí)要考慮和吸收新理論、新器件、新系統(tǒng)以及新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)展對節(jié)能技術(shù)的影響，要處理好新舊節(jié)能技術(shù)在繼承創(chuàng)新過程中的統(tǒng)籌兼顧。隨著寬帶接入技術(shù)的發(fā)展和國家“寬帶戰(zhàn)略”的推進(jìn)落實(shí)，下一代寬帶接入技術(shù)必將面臨新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也將面對新的挑戰(zhàn)，而基于其的節(jié)能技術(shù)也必將為各方所更加關(guān)注。

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