TWDM-PON中時延約束節(jié)能動態(tài)波長帶寬分配算法

于存謙，唐明珠，何榮希

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TWDM-PON中時延約束節(jié)能動態(tài)波長帶寬分配算法

于存謙，唐明珠，何榮希

（大連海事大學信息科學技術學院，遼寧 大連 116026）

基于離線調度方式和節(jié)點模塊化設計思想，提出一種時延約束節(jié)能動態(tài)波長帶寬分配算法。該算法考慮OLT和ONU兩端協同節(jié)能，在保證分組時延約束條件下，盡可能減少激活波長數和延長輪詢周期長度。同時，盡量集中OLT和ONU端上/下行傳輸時間，減少其狀態(tài)轉換次數，延長其處于低功耗狀態(tài)時間，并避免信道出現高能耗空隙。仿真結果表明所提算法在保證分組時延約束的前提下，有利于降低OLT端和ONU端能耗以及全網總能耗。

無源光網絡；時分波分復用；動態(tài)波長帶寬分配；節(jié)能；時延約束

1 引言

用戶帶寬需求的爆炸式增長導致互聯網能耗以每年15%~20%的速度激增，其中接入網的能耗約占70%[1-2]，因此，接入網的節(jié)能問題已成為業(yè)界關注的焦點。與其他接入網方式相比，無源光網絡（PON, passive optical network）具有容量大、成本低等優(yōu)勢，目前已得到廣泛部署。由于傳統時分復用PON（TDM-PON, time division multiplexed-PON）越來越無法滿足用戶日益增長的帶寬需求，業(yè)界啟動了下一代PON（NG-PON, next generation-PON）的研究和標準化工作。NG-PON可分為NG-PON1和NG-PON2 2個階段，NG-PON2可解決NG-PON1難以滿足帶寬高速增長的難題，被視為PON的長期演進方案[3]。時分波分復用PON（TWDM-PON, time and wavelength division multiplexed-PON）結合了TDM-PON和波分復用PON（WDM-PON, wavelength division multiplexed-PON）各自的優(yōu)勢，已成為NG-PON2最具競爭力的解決方案[4]。

PON耗能主要集中在光線路終端（OLT, optical line terminal）和光網絡單元（ONU, optical network unit）[5-8]。OLT端、ONU端引入模塊化設計，將其組件分為接收模塊、發(fā)射模塊和基礎模塊3部分[9-10]，從而可根據網絡負載情況動態(tài)關閉部分收機模塊和發(fā)機模塊，可以有效地降低網絡能耗。由于TDM-PON中所有ONU共用同一波長信道接入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)之間轉換。已有針對TDM-PON的節(jié)能算法主要以降低ONU能耗為目的，OLT依據ONU帶寬請求對其合理授權，以盡量減少其處于激活狀態(tài)的時間，從而盡可能延長其休眠或假寐時間[6-9,11-12]。與TDM-PON不同，TWDM-PON支持多波長傳輸特性，通過合適的資源配置策略在OLT端可關閉部分空閑波長，而ONU端仍支持休眠、假寐等低功耗狀態(tài)，從而可同時提高OLT和ONU端的能量利用率[10,13]。

已有文獻分別從OLT、ONU兩方面研究TWDM-PON的節(jié)能動態(tài)波長帶寬分配（DWBA, dynamic wavelength bandwidth allocation）算法。參考文獻[5]提出一種基于上行負載的能量感知波長分配算法（EWA, energy-aware wavelength assignment），通過關閉部分OLT端的接收機來降低能耗。參考文獻[14]提出一種動態(tài)波長共享機制，通過建立虛擬PON在低負載ONU間共享波長，同時考慮ONU動態(tài)重構對網絡性能的影響，給出多目標整數線性規(guī)劃模型和在線算法。參考文獻[15]提出一種ONU遷移機制，將處于激活狀態(tài)的ONU集中到較少幾條波長，關閉其他波長的收機、發(fā)機，從而達到節(jié)能目的。針對不同ONU負載動態(tài)波動情況，參考文獻[16]提出一種ONU之間的資源共享機制，OLT端引入可調諧設備使多個ONU共享同一個波長，從而減少激活的波長數和收發(fā)機，降低網絡能耗。參考文獻[17]提出一種能量有效的DWBA算法，通過在OLT端關閉空閑波長和在ONU端引入休眠狀態(tài)，可以大大降低全網能耗。

以上算法僅考慮如何降低網絡能耗，忽略了保障ONU數據分組的時延要求。實際上，通過關閉空閑波長對應收機模塊、發(fā)機模塊，雖然可以降低網絡能耗。但是，關閉收機模塊、發(fā)機模塊可能導致OLT、ONU不能及時被喚醒以收發(fā)數據分組，反而會增加上/下行數據分組在隊列中的緩存時間，在一定程度上增加數據分組時延，導致無法很好滿足用戶的服務質量（QoS, quality of service）要求[11,13]。事實上，不同用戶業(yè)務對數據分組時延有不同的要求[8]。因此，在研究TWDM的節(jié)能DWBA算法時，須在地滿足數據分組時延約束前提下，盡可能節(jié)能，而不是僅僅一味強調節(jié)能。參考文獻[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），可根據當前網絡負載動態(tài)開啟/關閉ONU、OLT的收機模塊、發(fā)機模塊。同時依據下行分組到達時間以及分組隊列長度動態(tài)調整每個ONU的授權順序，在節(jié)能的同時有助于保證實時業(yè)務的時延約束要求。參考文獻[18]分析了ONU收機、發(fā)機的調諧開銷和重新配置時間對網絡節(jié)能效果和分組時延的影響。參考文獻[19]將波長優(yōu)化和睡眠機制引入具有時延約束特性的TWDM-PON中，提出一種離線節(jié)能DWBA算法（OFF-DWBA），并通過仿真驗證其有效性。該算法可利用10 Gbit/s垂直腔面發(fā)射激光器的ONU（10G-VCSEL-ONU）的可調節(jié)性，在保證數據分組時延約束條件下減少ONU端、OLT端的能耗。參考文獻[20]是參考文獻[19]工作的擴充，詳細描述了參考文獻[19]的節(jié)能框架，也就是在OLT端關閉空閑波長、使空閑ONU進入休眠或假寐狀態(tài)，并推廣到在線調度方式。

上述文獻的主要思想都是盡量少激活波長，從而在整個輪詢周期內關閉更多OLT端收機和發(fā)機以達到節(jié)能的目的，卻忽略了在激活波長上前后兩次數據傳輸中可能出現的空隙時間對節(jié)能效果的影響。實際上，如果這些空隙時間足夠長（大于OLT收機和發(fā)機的喚醒時間），那么這些空隙內也可以關閉收機模塊、發(fā)機模塊。但是，如果空隙持續(xù)時間過短，以至于處于低功耗狀態(tài)的OLT、ONU需要傳輸數據時無法及時開啟已關閉的收機模塊、發(fā)機模塊，則此空隙內不能使ONU、OLT進入低功耗狀態(tài)，反而會導致能量浪費（本文將這樣的空隙稱為高能耗空隙）。參考文獻[13]針對OLT的節(jié)能提出一種基于在線調度的EO-NoVM（employing number-of-voids minimization）算法，該算法不以減少激活波長數為目的，而是通過ONU內和ONU間聚合機制來減少信道空隙的產生，從而降低能量消耗。但是，該算法忽略了減少激活波長數對OLT節(jié)能效果的益處，而是使用全部波長進行授權，而且該算法僅從OLT角度考慮節(jié)能，并未涉及ONU的節(jié)能問題。實際上，ONU和OLT的節(jié)能機制是互相影響的，如果僅強調OLT的能耗最小化，可能導致ONU處于低功耗的時間減少；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，應從ONU和OLT兩端協同角度來聯合考慮節(jié)能策略，以保證全網總能耗最低。另外，離線調度方式中OLT收到所有ONU的report幀后才對其授權，與在線調度方式相比，盡管會引入一定時延開銷，但是，它可以根據所有ONU的帶寬需求、時延約束情況來確定激活波長數和各個ONU上行數據傳送開始時間以及傳輸窗口大小，從而可利用離線調度的統計復用性合理設定OLT、ONU端收機和發(fā)機的關閉/開啟時間，有利于進一步提高全網節(jié)能效率。

綜上，本文基于離線調度方式以及節(jié)點模塊化設計，聯合考慮OLT和ONU兩端協同節(jié)能，提出一種基于時延約束的節(jié)能動態(tài)波長帶寬分配算法（EE-DWBA-DC, energy-efficient dynamic wavelength and bandwidth allocation algorithm with delay constraint）。該算法中，OLT依據每個輪詢周期內ONU的帶寬請求以及數據分組時延約束情況，動態(tài)調整激活波長數和輪詢周期長度，使每個周期內需激活波長數最少和輪詢周期長度最大，并動態(tài)開啟/關閉ONU、OLT的收機模塊、發(fā)機模塊以節(jié)能；同時還通過合理授權每個ONU的波長信道及傳輸窗口，盡量集中OLT、ONU上/下行工作時間，以減少節(jié)點狀態(tài)轉換所需額外能耗。另外，盡可能延長ONU、OLT處于低功耗狀態(tài)的時間，同時盡量減少出現高能耗空隙導致的能量浪費。仿真結果表明：所提算法在滿足用戶QoS要求（時延約束）前提下，有利于降低OLT和ONU端能耗以及全網總能耗。

2 問題分析

TWDM-PON中OLT與ONU之間采用多點控制協議（MPCP, multi point control protocol）進行信息交互[21]，由于ONU與OLT之間往返時延的存在及所采用授權策略的不同，往往導致產生信道空隙。信道空隙內并無數據傳輸，ONU、OLT可關閉相應收機模塊、發(fā)機模塊進入低功耗狀態(tài)以節(jié)能。但是，高能耗空隙內并不能使ONU、OLT進入低功耗狀態(tài)，從而導致能量浪費。因此，每個輪詢周期內信道上存在的高能耗空隙越多，全網能量利用率越低。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，也應盡量減少ONU、OLT的狀態(tài)轉換次數?？梢?，節(jié)能DWBA算法的首要目標就是要根據每個輪詢周期內波長信道占用情況、ONU帶寬需求以及數據分組時延限制條件，通過合理分配波長和上傳窗口，盡量避免產生高能耗空隙，同時也盡可能使ONU和OLT處于激活狀態(tài)的時間集中，以減少狀態(tài)轉換的開銷。另外，盡管在較長的空隙內關閉ONU、OLT收機模塊、發(fā)機模塊有助于節(jié)能，但是會導致ONU內數據分組平均時延增加，無法很好保障用戶的服務質量要求。因此，有效的節(jié)能DWBA策略除了要考慮如何減少網絡能耗外，同時還必須滿足用戶的時延約束要求。

在離線調度方式中，每一個輪詢周期內OLT收到所有ONU的report幀才開始授權，從而可利用離線調度的統計復用性合理確定激活波長數、數據傳輸開始時間和傳輸窗口大小，以及OLT、ONU中收機模塊、發(fā)機模塊的關閉/開啟時間，有利于進一步提高全網節(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，而忽略了二者協同考慮對全網節(jié)能效果的影響。在這些算法中，OLT始終記錄每條波長信道的使用情況，在每個輪詢周期內順序授權所有ONU，主要通過減少激活波長數來降低OLT端能耗。而且OLT端的收機、發(fā)機一但開啟，在整個輪詢周期內將一直保持激活狀態(tài)，即使在無數據傳輸的信道空隙內，收機、發(fā)機也一直保持激活，無疑會產生不必要的能量浪費，如圖1(a)所示。圖中表示4個輪詢周期中OLT在波長1和2對ONU1和ONU2進行資源調度的情況。在每個輪詢周期內，OLT根據每個ONU的report幀到達時間、帶寬請求以及分組時延約束條件，激活所需波長對應的收機、發(fā)機，而關閉其余波長對應收機、發(fā)機。由于收機、發(fā)機一旦開啟，在整個輪詢周期將不再關閉。因此，在1信道上即使空隙1、2、3和4中并無數據傳輸，也未關閉相應收機、發(fā)機因此造成能量浪費。另外，在已有算法中，ONU僅支持活躍狀態(tài)（收機、發(fā)機均開啟）、假寐狀態(tài)（發(fā)射機關閉、接收機開啟）和睡眠狀態(tài)（收機、發(fā)機均關閉），而未引入傳輸狀態(tài)（發(fā)射機開啟、接收機關閉）[6]。因此，即使ONU下行數據先于上行數據傳輸結束時，接收機也要等待發(fā)射機傳送數據結束后才能同時關閉。在這段等待時間內即使無數據傳輸接收機也保持開啟，從而導致不必要的能量浪費，如圖1(a)中ONU1在輪詢周期2和輪詢周期3的空白區(qū)域5和6所示。實際上，ONU在接收數據結束后可以立刻關閉接收機，實現降低其能耗的目的。

圖1 不同算法動態(tài)波長和帶寬分配方式比較

EE-DWBA-DC算法從兩方面考慮降低網絡總能耗：一是減少激活波長數，從而減少開啟的收機、發(fā)機個數；二是對OLT和ONU協同調度，通過合理授權波長信道、傳輸窗口位置和大小，盡可能減少OLT、ONU的狀態(tài)轉換次數和高能耗空隙的產生。當波長信道上無數據傳輸的時長超過將OLT從低功耗狀態(tài)喚醒所需時鐘恢復與同步等時間開銷時，可關閉OLT端的收機模塊、發(fā)機模塊，使其進入低功耗狀態(tài)以減少能耗。同時，在ONU端支持活躍、假寐和休眠狀態(tài)基礎上引入傳輸狀態(tài)[6]，使其接收完下行數據后立即關閉接收機以提高節(jié)能效率。采用離線調度的EE-DWBA-DC算法如圖1(b)所示，OLT收到全部ONU的report幀后，依據ONU帶寬需求和數據分組時延約束條件，計算出下一輪詢周期所需激活波長數以及各個ONU的最早和最晚開始上傳時間t和t'，然后為ONU選擇合適的波長信道來調整其上傳時間，以減少高能耗空隙的產生和OLT、ONU的狀態(tài)轉換次數，并延長其處于低功耗狀態(tài)的時間，以達到全網綜合節(jié)能效果最佳。

圖1(b)所示的輪詢周期1中，由于ONU2的最晚上傳時間2,1小于ONU1在1上的最早上傳結束時間，因此，需要新激活波長2進行傳輸。而在輪詢周期2，由于ONU1的上傳結束時間介于ONU2的最早上傳時間2,2和最晚上傳時間2,2之間，因此，ONU1和ONU2可利用同一波長傳輸數據，可減少激活波長數。在輪詢周期3，ONU2最早上傳時間2,3大于ONU1在1的上傳結束時間，如果按照已有典型算法進行調度（圖中虛線所示），會導致兩次上行數據傳輸間的空隙較短，產生高能耗空隙（圖中7），因此，所提算法將延后ONU2的上傳開始時間以增大空隙長度，使其足以滿足OLT收、發(fā)機狀態(tài)轉換所需時間開銷，從而可以關閉相應收機、發(fā)機，增加其處于低功耗狀態(tài)時間，可進一步提高節(jié)能效率。在輪詢周期4，由于ONU2最早上傳時間2,4在ONU1的上傳結束時間之后，并且超出OLT收機狀態(tài)、發(fā)機狀態(tài)的轉換時間，所提算法使ONU2在其最早上傳時間開始傳輸數據，既可以關閉OLT收機、發(fā)機進入低耗能狀態(tài)，同時又可以降低ONU2的數據包時延，滿足其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數最少，如在輪詢周期2、輪詢周期3和輪詢周期4中均只激活一條波長，而且OLT、ONU端處于低功耗狀態(tài)的時間均有所增加，圖1(b)中從輪詢周期2開始，OLT端2對應收機、發(fā)機均保持關閉狀態(tài)。與此同時，通過合理調整ONU傳輸開始時間，也有利于減少出現高耗能空隙（如7）和狀態(tài)轉換所需開銷，使全網的節(jié)能效果得到提升。

3 算法描述

EE-DWBA-DC算法基于離線調度方式，OLT和ONU端采用模塊化設計，可分為接收模塊、發(fā)射模塊和基礎模塊3部分[9-10]。當信道空閑時長大于激活ONU、OLT所需時鐘恢復和同步等時長時，可關閉相應收機模塊、發(fā)機模塊進行節(jié)能。每個輪詢周期內OLT收到全部ONU的report幀后，依據當前波長占用情況以及ONU的帶寬請求和數據分組的時延約束要求，計算出每個ONU數據分組的最早上傳時間和最晚上傳時間，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、上/下行數據傳輸開始時間以及傳輸窗口大小。在減少激活波長數的同時，盡可能避免產生高能耗空隙，減少ONU、OLT的狀態(tài)轉換次數，從而降低全網能耗。

具體描述所提算法之前，引入以下符號。

：ONU總數，ONU編號為0, 1,…,,…,?1。

：最多可用波長數，波長編號為1,2,…,λ,…,λ。

ac,j：輪詢周期需要使用的波長數。

ov：OLT、ONU從低功耗狀態(tài)到激活狀態(tài)轉換所需時間。

cons_up,i,j：輪詢周期中ONU上行數據分組允許的最大時延。

avg_up,i,j：輪詢周期中ONU上行數據分組平均時延。

RTT：ONU的環(huán)路時延。

poll,j：輪詢周期的長度。

BW：輪詢周期所有ONU上行數據分組的總帶寬請求。

max,j：輪詢周期中所有ONU的最大允許帶寬。

T：相鄰2個發(fā)送時隙之間的保護間隔長度。

t、t'：輪詢周期中ONU的最早上傳開始時間和最晚上傳開始時間。

T：輪詢周期中為ONU授權時λ上的最早可用時間。

'：輪詢周期中λ可用于ONU上傳數據的最早開始時間。

T：輪詢周期中λ上所有授權ONU傳輸結束的時間。

：波長信道的傳輸速率。

R：輪詢周期中ONU的上行帶寬請求。

gate,i,j：輪詢周期中OLT向ONU發(fā)送gate幀的時間。

OLT、ONU端在輪詢周期中的能耗與收機狀態(tài)、發(fā)機狀態(tài)、激活時長以及狀態(tài)轉換次數有關，可按式（1）和式（2）計算。

從而可求出輪詢周期全網總能耗為

EE-DWBA-DC算法目的是最小化每個輪詢周期內網絡總能耗，即

同時該算法還需要滿足以下約束條件

式（5）保證輪詢周期中ONU的任意一個數據分組的時延都滿足ONU的時延約束條件；式（6）保證每個輪詢周期激活波長數不超過波長總數；式（7）保證每個輪詢周期內每個ONU只能在一個波長上傳輸數據分組。

EE-DWBA-DC算法具體描述如下。

在輪詢周期（?1）中，OLT收到所有ONU的report幀后，依據當前波長占用情況、ONU帶寬請求以及數據分組時延要求計算出輪詢周期中需激活波長數、向每個ONU發(fā)送gate幀的時間以及每個ONU授權的可用波長信道和傳輸窗口。該算法主要包括波長信道選擇和傳輸窗口分配2個模塊。

3.1 波長信道選擇

OLT授權ONU波長信道和傳輸窗口后，ONU通過gate幀獲取授權信息，在分配的波長和時隙內上傳數據分組，傳輸結束后可按授權信息關閉對應收機、發(fā)機以實現節(jié)能。對于離線調度而言，到達ONU中每個數據分組最多等待一個輪詢周期就可上傳。根據參考文獻[19]中計算輪詢周期內數據分組平均時延公式，可得出輪詢周期中ONU每個數據分組的平均時延為

由式（5）可得

從而可得出

輪詢周期長度poll,j越大，數據分組到達ONU后需等待上傳的時間越長，導致其數據分組平均時延增加。但是，隨著poll,j增大，每個ONU潛在的休眠時間增加，更有利于節(jié)能。因此，EE-DWBA-DC算法將在滿足每個ONU中數據分組時延約束條件下，盡可能延長每個輪詢周期的長度。

OLT端的能耗與激活波長數有關，激活波長數越少，可以關閉越多收機模塊、發(fā)機模塊，有助于提升節(jié)能效果。與已有算法類似，EE-DWBA-DC算法也是通過盡可能減少激活波長數達到節(jié)能的目的。在輪詢周期（?1）中，OLT收到所有ONU的report幀后，可求出輪詢周期中ONU的總帶寬需求為

同時可求出在長度為poll,j的輪詢周期中使用W,j條波長最多能提供的總帶寬為

其中，pro,j為輪詢周期中激活波長所需時間開銷。當ac,j條波長信道都需激活時其值最大，即

為了滿足數據分組的時延約束條件，則應滿足

由計算式(11)~式(14)可求出需使用最少波長數為

在輪詢周期（?1），OLT收到所有ONU的report幀后，依據式（15）可計算出輪詢周期至少需使用波長數ac,j。

EE-DWBA-DC算法除了盡量減少每個輪詢周期內占用波長數以關閉更多波長信道，同時還盡可能減少激活新波長。因此，依據式（16）判斷輪詢周期（?1）結束時波長是否處于激活狀態(tài)，將輪詢周期?1結束時未關閉的波長放入集合Q?1中。

為了減少收機狀態(tài)、發(fā)機狀態(tài)改變次數，輪詢周期總是優(yōu)先選擇Q?1中的波長信道為ONU授權。如果Q-1中的波長數|Q?1|≥ac,j，則將Q?1中波長按照可用時間由晚到早排序，選擇前面ac,j個波長為ONU授權，其余（|Q?1|?ac,j）個波長在接收完ONU的report幀后則關閉接收機以實現節(jié)能。否則，表示當前激活波長數不滿足周期的數據傳輸需求，需要按照波長序號由小到大依次新激活（ac,j?|Q?1|）個波長。隨后，更新輪詢周期的可用波長集Q，此時該集合包含ac,j個波長。

3.2 傳輸窗口分配

OLT在可用波長集合Q為ONU授權傳輸窗口。首先計算輪詢周期中滿足數據分組時延約束的ONU最早上傳時間t和最晚上傳時間t'的計算方式分別為式(17)和式(18)。

其次，計算集合Q內波長λ可用于ONU上傳數據的最早開始時間為

OLT在Q為ONU分配波長進行數據傳輸時，有且僅有以下2種情況。

1) 當P≠時，即Q中存在波長，其可用于ONU傳輸最早時間介于ONU最早和最晚上傳時間之間，則從中選擇可最早上傳數據分組的波長λ為ONU授權，在OLT端可減少一次收機、發(fā)機關閉和開啟的轉換開銷，同時還可減少信道空閑導致的帶寬浪費?？汕蟪鲞@種情況下ONU開始上傳時間為

2) 當P=時，P'≠，即Q中所有波長均滿足式(21)。此時由于ONU的最早上傳時間在所有波長可開始上傳時間之后，每條波長上都將產生一個空隙。如果將ONU的上傳數據時間延后，以保證空隙長度超過接收機狀態(tài)轉換所需時間，從而可在空隙內關閉OLT的接收機以實現節(jié)能。而且，ONU上傳數據的時間越晚，OLT和ONU潛在地處于低功耗狀態(tài)的時間越長?？紤]到伴隨一次狀態(tài)轉換，需要額外消耗能量tune。因此，在判斷是否使空隙進入低功耗狀態(tài)時，還需在進入低功耗狀態(tài)所節(jié)省能量與狀態(tài)轉換所消耗能量之間進行權衡。只有當節(jié)約能耗高于轉換消耗能耗時才進入低功耗狀態(tài)。具體而言，從P'中依次選取波長λ，計算其上ONU延后數據上傳時，使OLT和ONU進入低功耗狀態(tài)時可節(jié)約能耗為

如果使OLT進入低功耗狀態(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)轉換能耗差值為

OLT向ONU發(fā)送gate幀授權波長信道和傳輸窗口后立即發(fā)送下行數據，ONU端收到gate幀后依據授權時間開啟發(fā)射機進行數據傳輸，當數據傳輸完畢后，OLT、ONU關閉相應收機模塊、發(fā)機模塊，進入下一輪詢周期。算法流程如圖2所示。

4 仿真及數據分析

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

OLT節(jié)能率、ONU節(jié)能率定義為仿真時間內所有輪詢周期中不同節(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。全網總節(jié)能率指所有輪詢周期中不同節(jié)能算法在ONU端和OLT端節(jié)約總能耗與不采用節(jié)能算法時全網總能耗之比，如式(31)所示。

圖2 EE-DWBA-DC算法流程

仿真拓撲場景包括一個OLT、一個光分路器和64個ONU，OLT和ONU之間上/下行最多可用4對波長信道，每條波長信道的=1010bit/s。ONU和OLT端支持模塊化設計，可關閉部分收機模塊、發(fā)機模塊進入低功耗狀態(tài)。ONU與OLT之間的距離在30~50 km范圍內隨機分布。上/下行數據產生均服從參數為0.8的Pareto分布，數據分組長度在64~1 518 byte內均勻分布，其他仿真參數如表1[10,13,19-20]所示。與參考文獻[19-20]類似，在數據分組時延限制分別為7.5 ms、10 ms和15 ms下對4種算法的性能進行仿真比較。

圖3 不同算法的OLT節(jié)能率比較

圖3比較了不同分組時延約束下EE-DWBA-DC、TESM、EWA和OFF-DWBA 4種算法OLT節(jié)能率隨相對網絡負載變化的情況。相對網絡負載定義為網絡中每秒產生上行數據的總比特數與=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每秒產生的比特數。

表1 仿真參數設置

從圖3可以看出，4種算法的OLT節(jié)能率都隨網絡負載增加而減小，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。這是因為隨著網絡負載增加，為了保障用戶分組的時延要求，需要激活更多波長進行數據傳輸。相應地，OLT端需開啟更多收機模塊、發(fā)機模塊，導致其處于低功耗狀態(tài)的時間減少。因而，4種算法OLT端的能耗增加，其節(jié)能率下降。由于EWA算法僅關閉接收機，發(fā)射機始終保持激活狀態(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、發(fā)機需同時開啟/關閉，靈活性較差，即使僅有上行或下行數據傳輸時，也要開啟收機、發(fā)機，導致不必要的能量浪費，因此，其OLT端節(jié)能率略優(yōu)于EWA算法而較其他2種算法差。由于TESM算法可以單獨開啟和關閉收機、發(fā)機，其OLT節(jié)能效果優(yōu)于EWA算法和OFF-DWBA算法。但是，由于每個輪詢周期內OLT端收機和發(fā)機一經開啟則整個輪詢周期內保持激活，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輪詢周期內激活波長數和延長輪詢周期長度，通過合理授權波長信道和傳輸窗口，有利于減少OLT狀態(tài)轉換次數、延長OLT處于低功耗狀態(tài)的時間，同時還盡可能避免產生高能耗空隙，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)能率都隨數據分組時延約束值的增大而增加。這是因為隨著數據分組時延限制值增大，每個ONU可以上傳數據的最晚時間隨之增大，因而OLT對ONU的可調節(jié)性增強，有利于將網絡負載集中在更少波長信道傳輸，從而減少激活波長數以關閉更多收機模塊、發(fā)機模塊，使OLT端能耗降低。由于EE-DWBA-DC算法考慮OLT和ONU的協同節(jié)能，無論數據分組時延約束值如何變化，其OLT節(jié)能率都優(yōu)于其他3種算法。

圖4對比了不同數據分組時延約束條件下4種算法ONU節(jié)能率隨相對網絡負載變化的情況。從圖中可以看出，4種算法ONU節(jié)能率都隨網絡負載增加而減小，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。這是因為隨著網絡負載增加，ONU需要上傳/接收更多上/下行分組，相應地，收機、發(fā)機處于開啟狀態(tài)的時間更長，導致其處于低功耗狀態(tài)的時間更少。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)射機開啟、接收機關閉），當下行數據早于上行數據傳輸結束時，可提前關閉ONU接收機以節(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端同時進行上/下行數據傳輸，因而ONU處于低功耗狀態(tài)的時間相對OFF-DWBA算法更長，節(jié)能率更高。另外，從圖中還可看出，4種算法的ONU節(jié)能率都隨分組時延約束值增大而增大。這是因為隨著分組時延約束時間增加，相應地可以增加每個輪詢周期的長度，潛在地有利于延長ONU處于低功耗狀態(tài)的時間，進一步降低其能耗，提高節(jié)能率。與OLT端類似，無論數據分組時延約束值如何變化，聯合考慮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對比了不同數據分組時延約束條件下4種算法全網總節(jié)能率隨相對網絡負載變化的情況。與圖2和圖3類似，4種算法全網總節(jié)能率都隨網絡負載增加而減小，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種算法的全網總節(jié)能率都隨數據分組時延約束值增大而增大，而且在不同數據分組時延約束條件下，EE-DWBA-DC算法的全網總節(jié)能率都優(yōu)于其他3種算法。

圖5 不同算法全網總節(jié)能率比較

圖6對比了不同數據分組時延約束條件下4種算法的上行數據分組平均時延隨相對網絡負載變化的情況。從圖中可以看出，4種算法上行分組平均時延都隨網絡負載增加而增加，同時也隨數據分組時延約束值增大而增大，其中EWA算法和TESM算法的數據分組平均時延性能優(yōu)于EE-DWBA-DC算法和OFF-DWBA算法，但EE-DWBA-DC算法的分組平均時延低于OFF-DWBA算法。主要原因是隨著網絡負載增加，數據分組在ONU中的排隊時延相應增加，導致其平均時延增大。為了更大限度地節(jié)能，EE-DWBA-DC算法在保證ONU時延約束條件下，盡可能延長每個輪詢周期的長度，而且OLT根據當前波長使用情況和分組時延要求動態(tài)調整ONU數據上傳時間，而不同于TESM算法和EWA算法，總是利用最早可用時刻上傳數據，因此其數據分組平均時延較大。另外，由于EE-DWBA-DC算法滿足了ONU中每個分組都滿足時延約束條件，而OFF-DWBA算法僅考慮滿足ONU所有分組的平均時延滿足約束要求，因此，OFF-DWBA算法的分組時延性能不及EE-DWBA-DC算法。

圖6 不同算法上行數據分組平均時延比較

5 結束語

本文針對TWDM-PON提出一種基于離線調度方式的時延約束節(jié)能DWBA算法（EE-DWBA-DC），該算法在ONU端和OLT端引入模塊化設計，聯合考慮二者節(jié)能機制的相互影響，為ONU動態(tài)授權合適波長信道和傳輸窗口。在滿足數據分組時延約束條件下，盡可能減少激活波長數，同時在每個ONU允許的最早和最晚上傳時間內，為其選擇合適的波長信道并適當提前或延后其實際上傳時間，以盡量集中OLT端、ONU端的上/下行工作時間，延長節(jié)點進入低功耗狀態(tài)時間，減少節(jié)點狀態(tài)轉換次數。另外，還盡量避免產生高能耗空隙，進一步減少能量浪費。最后，利用OPNET仿真平臺對EE-DWBA-DC算法性能進行評測，并與參考文獻[5,10,19-20]中已有3種算法進行對比。仿真結果表明：EE-DWBA- DC算法在滿足數據分組時延約束前提下，OLT節(jié)能率、ONU節(jié)能率和全網總節(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，遼寧沈陽人，博士，大連海事大學講師，主要研究方向為光網絡技術。

唐明珠（1993-），女，遼寧遼陽人，大連海事大學碩士生，主要研究方向為光網絡技術。

何榮希（1971-），男，四川南充人，博士，大連海事大學教授，主要研究方向為光網絡和無線網絡技術。

2018?05?02；

2018?08?16

何榮希，hrx@dlmu.edu.cn

國家自然科學基金資助項目（No.61371091, No.61801074）；大連海事大學“十三五”重點科研基金資助項目（No.3132016318）；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助項目（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)