基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法 技术领域 本发明属于通信网络技术领域， 特别涉及一种基于光网络单元休眠的负载感知型 路由方法。
背景技术 近年来， 视频会议以及多媒体业务应用愈加频繁与广泛， 传统接入技术已经无法 满足不断增长的业务带宽需求， 覆盖 “最后一公里” 的接入网已经成为向用户提供宽带业务 的瓶颈。
光纤和无线接入已成为两种较可靠的接入网技术， 各自具有良好优势。光接入网 技术具有大容量、 高带宽、 低损耗以及防电磁干扰等特点， 而无线接入网技术具有低成本以 及高灵活性等优势， 为用户提供便捷服务， 免去铺设光纤费用。 有效融合上述两种接入网技 术优势是未来接入网发展的必然趋势。
随 着 网 络 规 模 和 通 信 设 备 数 量 的 不 断 增 长， 信 息 和 通 信 技 术 (Information andCommunication Technology， ICT) 能耗呈近似指数增长。据统计， 目前全世界范围内， ICT 能耗虽仅占总能耗的 8％， 但在不久的将来， 随着 ICT 主力军， 电信网络的业务量持续增 加， 相应能耗会快速增长， 从而造成 ICT 领域能量的过度消耗， 而能量短缺问题将会成为制 约未来 ICT 和电信网络的发展瓶颈。因此， 给出有效的路由方法降低其能耗， 对 ICT 稳定发 展是很有必要的。
接入网是连接中心局 (Central Office， CO) 与用户的 “最后一公里” 电信网络， 是 全网重要组成部分之一， 占据相当比例的全网能耗。 另一方面， 由于采用低效的网络路由与 能量管理方法， 网络资源冗余较为严重， 造成不必要的能耗。通过休眠低负载网元， 在提高 开启网元资源利用率的同时， 可节省大部分能耗。因此， 针对如何对设备进行负载感知， 通 过休眠低负载设备降低其能耗对节能型接入网的构建是具有重要意义的。
因此， 未来接入网应该是无线与光接入技术相融合的， 且是节能的， 即混合无线光 宽带接入网 (Hybrid Wireless Optical Broadband Access Networks， HWOBAN)， 可通过有 效的基于设备休眠的负载感知型路由方法以减少其 “碳足迹” 。但是， 目前网络能量管理方 法主要集中在如何提高网络设备能效上， 即改进设备的制作工艺或制造节能型路由器等。 此外， 目前无线和光接入的节能路由方法是分别独立展开研究， 对 HWOBAN 中基于光网络单 元 ( 简称 ONU) 休眠的负载感知型路由方法研究较少。
发明内容
针对现有方法存在的不足， 本发明提出一种基于光网络单元休眠的负载感知型路 由方法， 以达到提高光网络单元 ONU 利用率， 降低网络能耗的目的。
本发明的技术方案是这样实现的 ： 一种基于光网络单元休眠的负载感知型路由方 法， 包括以下步骤 ：
步骤 1 ： 分别设置光网络单元 ONU 工作负载高门限值 HW 和低门限值 LW， 所述的工作负载高门限值 HW 应取为光网络单元 ONU 总容量的 80％ ； 所述的工作负载低门限值 LW 应 取为光网络单元 ONU 总容量的 5％ ；
步骤 2 ： 判断业务状态， 如果业务到达， 则执行步骤 3， 若业务离开， 则执行步骤 4 ；
步骤 3 ： 采用负载感知的方法确定目的光网络单元 ONU， 为到达用户从第一跳无线 路由器到选中目的光网络单元 ONU 计算路径， 完成上行数据传输， 具体步骤如下 ：
步骤 3-1 ： 初始状态， 将网络中所有的光网络单元 ONU 放入一个集合中， 形成初始 的备选集 ；
步骤 3-2 ： 随着业务的变化， 对备选集进行更新 ： 依次对当前具有工作负载的光网 络单元 ONU 进行感知， 如果所述的光网络单元 ONU 的门限值满足区间 [0， HW]， 则将所述的 光网络单元 ONU 按降序排列， 如果所述的光网络单元 ONU 的门限值不在区间 [0， HW] 内， 则 删除该光网络单元 ONU， 重复此过程， 直至将光网络中所有的光网络单元 ONU 遍历完毕， 形 成目的备选集 ；
步骤 3-3 ： 在更新后的目的备选集中， 选择第一个光网络单元 作为目的光网 络单元 ONU ；
步骤 3-4 ： 利用最短路径方法计算由第一跳无线路由器到选中目的光网络单元 之间的业务路径 ；
步骤 3-5 ： 将业务按照步骤 3-4 的路径上传给目的光网络单元 步骤 4 ： 判断 业务离开后， 该业务所在的光网络单元 能否被休眠， 休眠的条件为 ：
(1) 业务离开后， 光网络单元 当前工作负载小于工作负载低门限值 LW ；
(2) 当前所有激活光网络单元 ONU 的可用工作总容量满足光网络单元 剩余 业务负载需求 ；
(3) 网络单元 的剩余业务能找到重路由路径 ；
若同时满足上面 3 个条件， 则将所述的光网络单元 ONU 休眠， 执行步骤 5， 否则， 所 述的光网络单元 ONU 的状态保持不变 ；
步骤 5 ： 采用负载感知的方法为已休眠的网络单元 的剩余业务分配网络单 元 ONU， 依次按照步骤 3-4 和 3-5 所述方法完成剩余业务的上行传输。
本发明的优点 ： 本发明混合无线光宽带接入网中基于 ONU 休眠的负载感知型路由 方法 EASLO， 采用这种负载感知和选择最大工作负载 ONU 的方法， 一方面， 避免传统光线性 终端 ( 简称 OLT) 与 ONU 频繁进行 “负载信息轮询” 所导致的耗能过度问题 ； 另一方面， 可将 尽可能多的业务集中在一个 ONU 上， 从而提高 ONU 资源利用率 ； 联合运用负载感知、 休眠以 及重路由机制， 其阻塞率要低于传统最小跳数路由方法 MHRA， 其 ONU 总能耗同样低于 MHRA， 节能改善率约为 20％。 附图说明
图 1 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法混合无线光网络结构 示意图 ；
图 2 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法新增功能模块示意图 ；
图 3 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法流程图 ；
图 4 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法 ONU 总能耗与网络负载关系示意图 ；
图 5 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法阻塞率与网络负载关 系示意图 ；
图 6 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法业务平均能耗与网络 负载关系示意图 ；
图 7 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法 ONU 休眠率与网络负载 关系示意图 ；
图 8 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法路径总长度与网络负 载关系示意图 ；
图 9 为本发明基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法平均路径长度与网络 负载关系示意图。 具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例首先构建一个混合无线光宽带接入网络， 如图 1 所示， 所构建的无线光 宽带接入网络包括 24 个节点， 其中， 有 20 个无线路由节点和 4 个光网络单元 ONU 节点， 所 述的无线路由器是单射频， 无线链路之间互不干扰 ； 光网络单元 ONU 的激活与休眠状态切 换是瞬间完成的 ； 只考虑从无线端到光网络单元 ONU 的上行链路传输与资源分配 ； 用户请 求的第一跳无线路由器 ( 即源节点 ) 在网络中随机产生， 而目的光网络单元 ONU 根据动态 能量感知获取 ； 用户请求按照平均速率服从参数 β 的泊松分布到达， 建立连接时间服从均 值为 1/μ 的指数分布 ( 这里假设 μ ＝ 1)， 则网络负载即为 β(Erlang) ； 用户请求到达后， 若未建立连接， 则直接阻塞该用户请求， 即不生成等待序列。
本实施例中， 所述网络中网关节点均采用改进后光网络单元 ONU 控制方法进行控 制； 光网络单元 ONU 的改进控制方法是在传统结构的公共部分引入三个新的功能模块， 包 括负载感知功能模块、 休眠功能模块以及重路由功能模块， 其中， 负载感知功能模块主要用 于获取目的网络单元 ONU 信息 ； 休眠功能模块用于判断当前待离开用户所在网络单元 ONU 能否进入休眠状态 ； 重路由功能模块用于判断当前待休眠网络单元 ONU 是否满足重路由条 件。三种功能模块协同作用， 实现网络单元 ONU 高效休眠， 提高网络单元 ONU 节能效果， 如 图 2 所示。
本实施例中， 所涉及的参数定义如下 ：
V： 节点集合， V ＝ Vonu ∪ Vwr ；
E： 无线链路集合， E ＝ Ewl ∪ Eo/w ；
Vwr ： 无线路由器节点集合 ；
Vonu ： ONU 网关节点集合 ；
Ewl ： 前端无线路由器之间的链路集合 ；
Eo/w ： ONU 网关与无线路由器之间的链路集合 ；
ONUn ： 第 n 个 ONU 网关， 1 ≤ n ≤ |Vonu| ；
WRm ： 第 m 个无线路由器， 1 ≤ m ≤ |Vwr| ；
s： 无线用户请求的第一跳无线路由器， 即源节点， s ∈ Vwr ；目的 ONU 节点， AT ： 到达用户数门限 ；1 ≤ n ≤ |Vonu| ； 的无线用户请求， 且 1 ≤ k ≤ AT ；第 k 个从源节点 s 到目的节点 一条从节点 s 到目的节点 被的最优路 ； i， j∈V；所占用的、 节点 i 和 j 之间的一条无线链路，无线链路的最大可用容量 ； 无线链路 的可用剩余容量 ；TConu ： ONU 总容量 ； 执行 ONUn 动作切换 ( 即休眠切换至激活或激活切换至休眠 ) 的总次数 ； 第 m 个时间对， 记录相邻两个对 ONUn 执行不同动作 ( 即休眠 / 激 且 记录第 m 个时间对中 ONUn 的休眠时刻 ； 记录第 m 个时间对中 ONUn 的激活时刻 ； 记 录 ONUn 的 持 续 活 跃 时 间， 有活 ) 的时刻 与
记 录 ONUn 的 持 续 休 眠 时 间， 有记录 ONUn 的当前工作负载 ；
记录 ONUn 的当前剩余容量 ；
标识 ONUn 的当前状态。如果 则 ONUn 处于活跃状态 ； 否则为休眠状态。
HW ： ONU 的工作负载高门限， HW ＜ TConu ；
LW ： ONU 的工作负载低门限， LW ＞ 0 ；
CSdst_onu ： 目的 ONU 备选集， 且 |Savai_onu| ≤ |Vonu| ；
ONU 活跃状态下功率 ；
ONU 休眠状态下功率 ；
|δ| ： 集合 δ 容量。
本实施例一种基于光网络单元休眠的负载感知型路由方法， 如图 3 所示， 包括以 下步骤 ：
步骤 1 ： 根据网络的节能需求以及网络设备的功能级别， 分别设置网络单元 ONU 工 作负载高低门限值 HW 和 LW， 所述的 HW 和 LW 的设置方法为 ： 通过多次实验设置不同 HW 和 LW， 并根据网络最佳性能来获取最佳值， 多次实验数据表明， HW 应取为网络单元 ONU 总容量 的 80％， 即当网络单元 ONU 的工作负载超过总容量的 80％时， 要使用其他网络单元 ONU 来 承载新到达的用户， 以避免网络单元 ONU 超负荷工作所导致的设备制作工艺瓶颈问题 ； LW 应取为网络单元 ONU 总容量的 5％， 即用户离开后， 若当前离开用户所在网络单元 ONU 的工 作负载低于总容量的 5％时， 该网络单元 ONU 具有被休眠的可能， 以保证网络始终具有休眠
网络单元 ONU 的能力 ；
步骤 2 ： 判断业务状态， 如果为建立连接， 则执行步骤 3， 若为用户请求释放连接， 则执行步骤 4 ；
步骤 3 ： 更新目的网络单元 ONU 备选集， 在更新后的备选集中采用负载感知方法获 取用户请求的目的网络单元 ONU， 为用户从第一跳无线路由器到选中目的 ONU 计算路径， 完 成上行数据传输， 其中， 所采用的网络单元 ONU 备选集更新和目的网络单元 ONU 信息获取方 法为 ： 依次对onu进行感知 ； 随后， 将的 ONU 压入备选集 CSdst_， 并按 值的降序排列， 完成 ONU 备选集的更新 ； 在更新后的 CSdst_onu 中， 选择第一个元 素 作为目的网络单元 ONU ；
步骤 4 ： 判 断 网 络 单 元 ONU 在 用 户 请 求 离 开 后， 是否具备休眠和重路由其剩 余 业 务 条 件， 若 具 备， 则 休 眠 此 网 络 单 元 ONU， 进行剩余业务的重路由 ； 否 则， 网络单 元 ONU 状态不作改变 ； 其中， 所采用的网络单元 ONU 休眠和重路由判据方法为 ： 一旦有 用 户 离 开， 若 则 有 被 休 眠 的 可 能， 而 是否被休眠完全取决于 重路由条件的判断 ； 若 满足重路由条件， 则重路由 中剩余业务后， 即可休 眠 对具有休眠可能性的 进行重路由条件判断 ： (I) 对于 需满足 该条件说明， 当前所有激活 ONU 的可用工 作总容量要满足 剩余业务负载需求 ； (II) 采用最小跳数算法依次为待重路由业务 条重路由路径。若同时满足上按照步骤 3 所述方法重新选择目的 ONU， 成功找到所有述两个条件， 则 被休眠， 其剩余业务按照步骤 5 所述方法完成重路由。计算目的 ONU 持续休眠时间 ； 计算执行重路由操作的 ONU 持续激活时间 ； 统计 ONU 总能耗， 其方法为 ： 按 照步骤 3 所述方法选定目的 ONU 为 后， 若 为休眠状态， 则将其激活， 并记录激 活时刻 压入相应时间对 按照步骤 4 所述方法认定 压入相应时间对 持续激活时间 可被休 计算 因 眠后， 则将其休眠， 并记录休眠时刻 持续休眠时间 此， ONU 总能耗 步骤 5 ： 采用负载感知的方法为已休眠的网络单元 的剩余业务分配光网络 单元 ONU， 依次为剩余业务从各自第一跳无线路由器到各自被分配的光网络单元计算路径， 完成上行传输。
对实施例所提 EASLO 方法与传统最小跳数路由方法 MHRA 的 ONU 总能耗 (TEC) 进 行比较， 通过图 4 可知， 在网络负载较小时， EASLO 的节能效果明显优于 MHRA， 而在网络负载 较大时， 虽然节能效果不再明显， EASLO 仍具有较 MHRA 更低的总能耗。这是因为， 在 EASLO 中， 当网络负载较小时， 只需少数 ONU 即可满足全网用户负载需求， 其他 ONU 多半处于休眠 状态， 而休眠状态下的功率要更低 ； 而当网络负载较大时， 几乎所有 ONU 都将开启才能满足 全网用户负载需求。但在用户到达初期， 由于 EASLO 只需暂时开启一个 ONU， 而随着用户数 的增多， 方可开启其它 ONU， 较完全不考虑 ONU 休眠的 MHRA 算法， EASLO 仍实现一定程度上 的能量节约。EASLO 的 TEC 平均改善率约为 20％。
对本实施例所提 EASLO 方法与传统最小跳数路由方法 MHRA 的阻塞率 (BP) 进行比 较， 通过图 5 可知， 当网络负载较低时， EASLO 和 MHRA 均呈现零阻塞。 但当网络负载较高时， 阻塞率随着网络负载的增加而增大。 这是因为， 在网络负载较低时， 网络设备与无线链路资 源相对充足， 因此不会产生由于资源不充足而造成的业务阻塞现象。 但在网络负载较高时， 业务到达与离开的频繁度增加， 网络资源分配与释放动作频繁， 业务被阻塞的可能性提高。 更重要的是， 当网络负载较高时， EASLO 具有更低的阻塞率， 这是因为， 此阶段重路由更加频 繁， 而业务将被重路由到其他多个高工作负载的 ONU 上， 具有一定的负载均衡效果， 阻塞率 更低。
对本实施例所提 EASLO 方法与传统最小跳数路由方法 MHRA 的业务平均能耗 (AEC) 进行比较， 通过图 6 可知， EASLO 的 AEC 值要比 MHRA 低， 也就是说， EASLO 中每个成功建立连 接用户占用 ONU 的平均能耗较少， 具有更好的节能效果。这是因为， 采用负载感知休眠与重 路由机制后， EASLO 所消耗的全网能耗更低， 同时其阻塞率更小， 即成功建立连接用户数更 多， 进而， EASLO 的平均能耗更低。
对本实施例所提 EASLO 方法与传统最小跳数路由方法 MHRA 的 ONU 休眠率 (SDR) 进行比较， 通过图 7 可知， EASLO 的 SDR 值明显高于 MHRA， 即 EASLO 中的 ONU 可长期处于休 眠状态， 进而促进网络节能的实现。当网络负载较低时， EASLO 可以在几乎一半的仿真时间 内保持网络中具有处于休眠状态的 ONU， 但当负载逐渐增加， ONU 的关闭率在逐渐下降。这 是因为， 随着负载的增加， ONU 和无线链路资源相对稀缺， 满足重路由条件的 ONU 逐渐减少。 而 MHRA 中的全部 ONU 一直处于激活状态， 关闭率恒定为 0。 对本实施例所提 EASLO 方法与传统最小跳数路由方法 MHRA 的总路径长度 (TPL) 进行比较， 通过图 8 可知， 当网络负载较低时， EASLO 方法的总路径长度略高于 MHRA， 当网络 负载较高时， 两者的路径长度基本相当。这是因为， 网络负载较低时， ONU 在很多情况下都 不会处于满置或高负载状态， 则在 EASLO 中满足重路由条件的 ONU 数较多， 而频繁的重路由 造成路径长度的相应增加。但在网络负载较高时， ONU 和无线链路资源相对稀缺， 满足重路 由条件的 ONU 逐渐减少， 两种方法的路径长度差别也逐渐缩小。EASLO 的 TPL 平均折损率 仅为 1.5％。图 9 比较了在不同网络负载情况下两种算法的平均路径长度。从图中可以看 出， 两者的平均路径长度基本相当。