TWDM-PON中基于ONUs二次遷移的能量優(yōu)化算法

張林叢，陳學意，魏可峰，張文波，馮永新

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

近年來，時分波分復用無源光接入網(TWDM-PON,time and wavelength division multiplexed passive optical network)由于具有低成本、可兼容當前已經部署的光分配網絡(ODN,optical distribution network)、實現(xiàn)多種無源光網絡制式共存等優(yōu)勢，如今已成為國內外研究的熱點[1-5]。

隨著世界經濟的迅猛發(fā)展，溫室效應和能源危機越發(fā)嚴重。信息與通信技術和因特網的能耗是全球能耗的重要組成部分[6]。目前針對時分復用無源光網絡，研究學者提出了多種節(jié)能方式，如考慮業(yè)務等級設計相應的帶寬分配和調度策略休眠或關閉網絡中低負載和空閑的設備等。然而，僅針對時分復用無源光網絡的節(jié)能技術無法保證最優(yōu)的節(jié)能效果。

在TWDM-PON系統(tǒng)中，由于引入了多波長技術，使得可以根據網絡負載量動態(tài)的對波長優(yōu)化，將負載量小的波長上的光網絡單元(ONU，optical network unit)遷移到其他波長上，減少工作的波長數(shù)，進一步優(yōu)化網絡的節(jié)能效率[7-8]。由于用戶流量分布的不均勻性和帶寬請求的隨機性，Yang H等提出一種波長重定位機制，因為波長和收發(fā)器池可以共享，從而降低了配置成本[9]。Dixit A等針對關閉空閑波長、休眠ONU兩個方面，提出混合休眠感知算法，在波長分配和時隙分配二個維度實現(xiàn)節(jié)能[10]。Valcarenghil L等對當前已有的節(jié)能算法進行總結，設計滿足服務質量(QoS，quality of service)和降低用戶成本等要求的節(jié)能機制，對業(yè)務聚合提出了有效的波長和帶寬分配方案，且考慮了調諧速度對節(jié)約網絡能耗的限制[11]。Luo Y等采用基于馬爾科夫鏈的系統(tǒng)狀態(tài)模型，針對網絡下行突發(fā)流量，從接收數(shù)據處理機的角度考慮實現(xiàn)節(jié)能[12]。

以上研究均基于EPON技術展開，對于基于XG-PON技術的TWDM-PON系統(tǒng)來說并不完全適合。文獻[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供ONU傳輸，通過降低工作波長數(shù)達到節(jié)能目的。文獻[14]提出兩種流水線動態(tài)帶寬分配機制，一種機制是基本流水線機制，此算法的動態(tài)帶寬分配過程要求在4個幀長度內完成，導致某些請求不會被立刻響應；另一種機制是基于轉發(fā)的流水線機制，對基本流水線機制做了改進，克服了其缺點。以上研究均基于XG-PON技術，但并沒有將波長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)具備波長和帶寬雙重靈活性的特點，提出基于ONU二次遷移的能量優(yōu)化算法(DMEA,double migration energy optimization algorithm)，根據每個波長的負載情況，將業(yè)務量較低的波長上的ONU遷移至其他波長，關閉業(yè)務量低的波長達到節(jié)能的目的；同時，根據各個ONU業(yè)務量，對不同的ONU進行動態(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，降低整個網絡能耗。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網絡結構

圖1為TWDM-PON系統(tǒng)結構。

圖1 TWDM-PON系統(tǒng)結構

圖1所示，TWDM-PON沿用傳統(tǒng)TDM-PON的ODN來承載多個波長信號，主要由光線路終端OLT、ONUs和分光器等組成。TWDM-PON是在吉比特無源光網絡(GPON,gigabit passive optical network)的基礎上，利用波分復用技術將4個XG-PON系統(tǒng)堆疊而成，上下行分別具有波長通道，每一對波長支持一個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，且不同波長的ONU之間互不干擾。在上行方向，ONU使用可調諧發(fā)送機，可調諧到4個上行波長中的任意一個，使用相同波長的ONU以時分復用接入方式共享上行信道，不同波長的光信號在ODN進行多路合光，在OLT中通過AWG進行光信號分離；在下行方向，OLT將AWG聚合的多路光信號通過ODN傳送給ONU，光分路后仍包含4個波長信號，ONU采用可調諧接收機，可調諧到對應的下行波長接收信號；在同一下行波長信道內，OLT以時分復用方式廣播下行信息給ONU。因為TWDM-PON由多個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)器具有波長可調諧功能，可以滿足ONU波長遷移的需要[15]。

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

Tall=TLogout+TTuning+TLogin

(1)

式中：Tall為ONU遷移所消耗的總時長；TLogout為ONU在當前工作波長上注銷所消耗的時間；TTuning為ONU調諧到新波長上所消耗的時間，調諧時間的長短與該ONU的業(yè)務量大小有關；TLogin為ONU在新波長上注冊所耗費的時間。

沒有ONU遷移時，TWDM-PON網絡的能量消耗如式(2)所示。

Ec=Eon_ONU+Eon_λ

(2)

式中：Ec為ONU遷移前TWDM-PON網絡總能耗；Eon_ONU為開啟的ONU所消耗的能量；Eon_λ為開啟的波長所消耗的能量。當存在ONU遷移時，TWDM-PON網絡所消耗的能量如式(3)所示。

Ed=Ec-Eoff_λ+Etuning

(3)

式中：Ed為ONU遷移后TWDM-PON網絡總能耗；Eoff_λ為關閉空閑波長所節(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)務量有關，表達式如式(4)所示。

(4)

式中：m為需要進行業(yè)務遷移的ONU的總個數(shù)；Traffici為第i個ONU遷移量大?。沪?、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)務量最小的波長上的ONU遷移，然后關閉該波長；(2)ONU第二次遷移，將每條波長上業(yè)務量低的ONU歸到優(yōu)化組中，并將優(yōu)化組中ONU遷移到某個或某幾個波長上，以便于進行帶寬分配和休眠。算法具體步驟如下。

2.1 ONU第一次遷移，關閉空閑波長

首先OLT周期性對網絡負載進行監(jiān)測，得出網絡中各個工作波長的占有率，周期T的設定需要根據網絡傳輸?shù)膶崟r情況設定，本文根據式(5)判斷是否有可關閉的波長。

(5)

圖2為ONU第一次遷移過程，圖2a表示ONU遷移前數(shù)據傳輸圖，圖2b表示ONU遷移后數(shù)據傳輸圖。如果式(5)成立，則表明網絡中存在波長資源的浪費，可以遷移部分ONU，關閉至少一個波長。OLT收集該波長上各個ONU的請求帶寬信息，并且將各請求帶寬按從大到小排列；然后每個ONU執(zhí)行遷移策略，按照帶寬請求量從大到小依次將ONU遷移到帶寬占有率較小的波長上，直至此波長的帶寬用盡；如果該波長上還有沒遷移的ONU，則繼續(xù)向帶寬占有率次小的波長上遷移，直至遷移完畢。最后關閉遷移后空閑的波長。圖2b顯示，ONU2將其在λ4上傳輸?shù)牟糠謽I(yè)務遷移至λ1上，然后關閉λ4達到節(jié)能目的。如果式(5)不成立，等待下一周期繼續(xù)進行檢測。當網絡總負載超過當前所有波長總容量時，需開啟新的波長。式(5)成立時，網絡內可關閉波長的總數(shù)可用式(6)表示。

(6)

式中N為可關閉波長總數(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：對于每一個活躍波長，OLT控制器針對所有在線ONU，根據式(7)和式(8)計算業(yè)務量低于設定閾值的ONU的個數(shù)，式(7)表示ONU的設定閾值(閾值Th=總ONU業(yè)務量/總ONU個數(shù))；式(8)表示低于設定閾值的ONU個數(shù)(M為業(yè)務量低于設定閾值的ONU的個數(shù)，初始時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)字標號代表各個ONU業(yè)務(圖中低于設定閾值的ONU為 ONU1、ONU4、ONU5、ONU7、ONU11)。

(7)

(8)

Step2：將帶寬請求量低于設定閾值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遷移至其中某一個或某幾個波長上。一旦ONU的帶寬請求量增加且大于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：對優(yōu)化組和普通組的ONU進行帶寬分配。由于優(yōu)化組中的ONU帶寬請求量相對較低，因此采用固定帶寬分配算法來管理ONU的帶寬分配。對普通組ONU，執(zhí)行動態(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)行動態(tài)帶寬分配算法。

Step4：對優(yōu)化組和普通組ONU進行休眠。在優(yōu)化組中，由于其中的ONU帶寬請求量相對較低，固定帶寬分配算法要求ONU只在一個周期的某一特定時隙處于工作狀態(tài)，其他時隙則處于休眠狀態(tài)。因此，在優(yōu)化組中，一個周期中ONU可以達到很高的休眠比例，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)行動態(tài)帶寬分配，由于每個ONU的帶寬請求量都較高，因此每個ONU進行數(shù)據傳輸都需要較長時間，此時同一波長上其他ONU即可進入休眠狀態(tài)，從而降低網絡能耗。

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境

本文仿真所采用的TWDM-PON中，設定以下參數(shù)：光網絡單元的數(shù)量N=32；最大波長數(shù)M=8，且每條波長的速率為2.5Gbps[17]；用戶數(shù)據源服從泊松分布；單個數(shù)據包的大小服從64byte到1518byte的均勻分布；保護時隙為1μs[18]。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 仿真結果及分析

本文對所提出的DMEA算法進行仿真分析，其對比算法為文獻[19]的整數(shù)線性規(guī)劃ILP算法和文獻[20]的基于用戶行為感知的DA-EES算法。ILP算法通過對網絡流量進行線性預測，并且提出合理的動態(tài)帶寬分配策略，降低時延提高帶寬利用率。DA-EES算法根據用戶的行為感知網絡下一時刻的流量情況，更好的把握網絡運行動態(tài)，在一定程度上降低時延，降低網絡能耗。本文對所提算法的仿真評價指標主要為ONU遷移量和網絡能耗。仿真圖中對ONU的負載進行了歸一化。

圖4表示隨著網絡負載的變化網絡中波長數(shù)量變化示意圖。

由圖4可以明顯看出，當網絡負載為0.1～0.2、0.5～0.6、0.7～0.8之間時，有新波長的開啟。當網絡歸一化負載在0.2～0.5之間時，網絡的活動波長數(shù)不變；當網絡歸一化負載增加至0.6時，網絡中的活動波長數(shù)增加，并且網絡負載量越大，所需活動波長數(shù)越多。

圖4 TWDM-PON中活動波長數(shù)的變化

圖5顯示隨著網絡負載的變化三種算法的ONU遷移量對比。

圖5 不同策略ONU遷移業(yè)務量對比

由圖5可以看出，三種算法的ONU遷移量隨著網絡負載的增加都逐漸增大。而DMEA算法的遷移量在網絡負載較小時相比其他兩種算法稍多，在負載量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絡的帶寬，因此本文所提DMEA算法產生的遷移量較大。

圖6顯示隨著網絡負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休眠比例隨著負載的增加大致呈下降趨勢。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，這是因為本算法在二次遷移中設置了優(yōu)化組，優(yōu)化組內采用固定帶寬分配算法來管理ONU的帶寬分配，一個ONU只在固定分配的時隙中處于活躍狀態(tài)，其他時隙則處于休眠狀態(tài)，使得ONU的休眠比例相對較高。

圖7顯示隨著網絡負載的變化三種算法的能耗對比。

圖6 不同策略的ONU休眠比例

圖7 不同策略的網絡總能耗

由圖7可以看出，隨著網絡負載量的增加，三種策略的網絡能耗呈上升趨勢。在不同的歸一化網絡負載情況下，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%。這是因為本文所提出二次遷移中的ONU動態(tài)分組優(yōu)化算法起到了關鍵性作用，優(yōu)化組內，每個周期只有一個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算法在降低網絡能耗方面有明顯優(yōu)勢。

4 結束語

針對TWDM-PON節(jié)能問題，本文提出了基于ONU二次遷移的能量優(yōu)化算法，通過ONU兩次遷移，分別實現(xiàn)關閉空閑波長和休眠ONU，以減少網絡能耗。與文獻[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，最大降耗可達約20%。

但本文所提方法未考慮ONU頻繁進行波長遷移所造成的調諧開銷。下一步擬在所提算法中考慮調諧開銷、網絡功能和服務質量等因素，并控制ONU波長遷移的次數(shù)，避免無意義的頻繁遷移。