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1、10申请公布号CN104053077A43申请公布日20140917CN104053077A21申请号201410285838X22申请日20140623H04Q11/0020060171申请人重庆邮电大学地址400065重庆市南岸区黄桷垭崇文路2号72发明人熊余管建军刘川菠王汝言74专利代理机构北京同恒源知识产权代理有限公司11275代理人赵荣之54发明名称一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法57摘要本发明公开了一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，属于光通信技术领域。本方法针对现有无源光网络中ONU睡眠方法不能很好解决时延性能与能效性这对矛盾的缺点，提出一种新的提高ONU能量有效性。
2、方法，通过建立ONU模块化能耗模型，实现ONU相关模块能够根据网络业务状况，采用不连续收发数据的方式，独立地转入睡眠/唤醒状态，增大了睡眠时间，减少了网络能耗；同时通过双轮询子周期的方式，优先收发实时业务，减少实时业务网络时延，提升网络整体服务质量。相比于其他节能方法，本发明不仅能提升网络整体服务质量，而且能显著降低网络能耗。51INTCL权利要求书1页说明书8页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书8页附图2页10申请公布号CN104053077ACN104053077A1/1页21一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，其特征在于在该方法中，将光网络。
3、单元ONU进行模块化，将ONU划分为上行模块、下行模块及基础模块，通过ONU的模块化，使得ONU相关模块能够根据网络业务状况独立地转入睡眠或唤醒状态，尽可能地增大睡眠时间，减少网络能耗；同时，统计各ONU的实时/非实时业务带宽请求及OLT缓存中将发往各ONU的数据量，按比例为各ONU实时/非实时业务设置保证带宽，同时采用带宽回收策略将轻负载ONU剩余带宽分配给重负载ONU，既保证了带宽按需动态分配，又提高了带宽利用率。2根据权利要求1所述的一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，其特征在于采用不连续收发数据方式，ONU上/下行模块根据所分配的时隙，在各自的时隙内只发送/接收属于自己的数据，其。
4、他时隙则转入睡眠状态，避免了因接收无用数据而造成的能耗。3根据权利要求1所述的一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，其特征在于在所述方法中，将一个完整的轮询周期分为两个子周期，各子周期长度根据网络中实时/非实时业务负载占总负载的比例确定，前一子周期用于收发实时业务数据，后一子周期用于收发非实时业务数据，从而尽可能地减少实时业务时延，提升网络整体服务质量。4根据权利要求3所述的一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，其特征在于其中实时业务包括VOIP、IPTV、VOD等时延敏感业务；非实时业务指EMAIL、文件下载等对时延不敏感的业务；在每个轮询周期中，先收发实时业务数据，再收发非实时业务。
5、数据。5根据权利要求1所述的一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，其特征在于通过将ONU收发相关种类业务时隙信息加载到GATE帧中，使得ONU各相关模块能够根据时隙信息独立地转入睡眠/唤醒状态，从而实现数据收发与睡眠。6根据权利要求1所述的一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，其特征在于ONU的模块化能耗模型如下其中E表示PON中所有ONU的总能耗，N表示轮询周期数，K为ONU个数，PUA/PDA表示ONU上/下行模块处于工作状态下的功耗，PUS/PDS表示ONU上/下行模块处于睡眠状态下的功耗，表示ONUI在第N个轮询周期内上/下行模块处于工作状态的时间，表示ONUI在第N个轮询周期。
6、内上/下行模块处于睡眠状态的时间，PBASE表示ONU基础模块的功耗，TCYCLE表示轮询周期的长度。权利要求书CN104053077A1/8页3一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法技术领域0001本发明属于光通信技术领域，涉及一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法。背景技术0002近年来，随着电信网络的增加和网络带宽的迅速增长，现有的网络系统所消耗的能量也急剧增多。无论是从阻止全球变暖的角度考虑还是单纯地为了降低运营成本，电信网络的能效性都已经成为一个重要的研究课题。接入网作为电信网络的“最后一公里”，其终极目标为实现光纤到户FTTH，FIBERTOTHEHOME，相对于电信网络中的城。
7、域网和骨干网，需要更多的通信设备，其能源消耗大约占整个电信网络的75。PON无源光网络作为当前最流行的接入网技术，相比于其他接入方式，具有维护简单、接入成本低、能效性更好等优点，已成为我国“FTTH”重要实现技术。然而，随着PON系统的规模越来越大，能耗问题将愈加严重。有效降低PON的能耗可以进一步提升带宽接入的成本效率，从而提高整个通信产业的能效性。0003据统计，一个基于IP的光接入网中，光网络单元ONU的能耗占60。可见，提高PON系统中ONU的能量有效性将有效降低接入网的总能耗。ITUT一直在探索减少ONU能量消耗，提高PON能效性的解决方案。经过研究，ITUT在2009年形成的ITU。
8、TG984技术规范中描述了4种提高ONU能效性的方法，即ONU减负、ONU假寐、快速睡眠和深度睡眠，但对采用何种睡眠方案并没有做出具体规定。0004目前，提高ONU能效性的方式主要有两类。一类是将ONU整体地转入睡眠/唤醒状态，例如在低负载时将ONU转入睡眠状态，当负载高于某个阈值时，则唤醒ONU收发数据。然而固定的阈值设计并不能较好的适应动态网络的要求，且ONU睡眠/唤醒时间不易控制。为了解决ONU睡眠/唤醒时间控制问题，有学者提出集中式控制ONU睡眠/唤醒时间。如YANY等人提出以上行为中心UCS和以下行为中心DCS两种节能方案，使下行业务只在上行发送的时隙内进行接收，或只有ONU完全没有。
9、数据收发时将ONU睡眠，其中DCS的时延更小，而UCS能效性更好，但引入的下行时延较大。为了平衡能效性与时延之间的矛盾，张引发等人提出为各个ONU分别分配收发时隙，在本轮轮询周期分配的时隙内收发业务数据，在无收发任务的时段内进入低功耗的睡眠状态，缓解了下行时延性能恶化问题。0005另一类是将ONU中某些功能部件转入睡眠/唤醒状态。据研究，ONU总能耗中有6070是由收发机及周边电路所消耗。因此有效降低收发机及周边电路的能耗，可进一步提高ONU的能效性。如ZHANGJ等人针对收发机的能耗问题进行了研究，提出根据业务状态动态关闭ONU内的收发模块，从而降低ONU能耗，提高能效性，但其时延性能没有得。
10、到有效保障。SHSHAHNEWAZ等人进一步讨论了ONU两种能耗级别与四种能耗级别状态下的能耗差异，但仍没有考虑时延与能效性的矛盾。因此，在无源光网络的能效性研究中，如何结合时延性能研究能耗问题，在保证网络服务质量的前提下，进一步降低PON的能耗，仍是目前亟待解决的问题。说明书CN104053077A2/8页4发明内容0006有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，该方法通过将光网络单元模块化，使得各能耗模块能够独立地切换睡眠或唤醒模式，从而在规定时隙内实现不连续地收发数据；同时通过业务区分，采用实时业务优先收发策略，提升网络的整体服务质量。0007为达到上述目。
11、的，本发明提供如下技术方案0008一种基于ONU模块化的无源光网络节能方法，在该方法中，将光网络单元ONU进行模块化，将ONU划分为上行模块、下行模块及基础模块，通过ONU的模块化，使得ONU相关模块能够根据网络业务状况独立地转入睡眠或唤醒状态，尽可能地增大睡眠时间，减少网络能耗；同时，统计各ONU的实时/非实时业务带宽请求及OLT缓存中将发往各ONU的数据量，按比例为各ONU实时/非实时业务设置保证带宽，同时采用带宽回收策略将轻负载ONU剩余带宽分配给重负载ONU，既保证了带宽按需动态分配，又提高了带宽利用率。0009进一步，在本方法中，采用不连续收发数据方式，ONU上/下行模块根据所分配的。
12、时隙，在各自的时隙内只发送/接收属于自己的数据，其他时隙则转入睡眠状态，避免了因接收无用数据而造成的能耗。0010进一步，在所述方法中，将一个完整的轮询周期分为两个子周期，各子周期长度根据网络中实时/非实时业务负载占总负载的比例确定，前一子周期用于收发实时业务数据，后一子周期用于收发非实时业务数据，从而尽可能地减少实时业务时延，提升网络整体服务质量。0011进一步，其中实时业务包括VOIP、IPTV、VOD等时延敏感业务；非实时业务指EMAIL、文件下载等对时延不敏感的业务；在每个轮询周期中，先收发实时业务数据，再收发非实时业务数据。0012进一步，通过将ONU收发相关种类业务时隙信息加载到G。
13、ATE帧中，使得ONU各相关模块能够根据时隙信息独立地转入睡眠/唤醒状态，从而实现数据收发与睡眠。0013进一步，ONU的模块化能耗模型如下00140015其中E表示PON中所有ONU的总能耗，N表示轮询周期数，K为ONU个数，PUA/PDA表示ONU上/下行模块处于工作状态下的功耗，PUS/PDS表示ONU上/下行模块处于睡眠状态下的功耗，表示ONUI在第N个轮询周期内上/下行模块处于工作状态的时间，表示ONUI在第N个轮询周期内上/下行模块处于睡眠状态的时间，PBASE表示ONU基础模块的功耗，TCYCLE表示轮询周期的长度。0016本发明的有益效果在于本发明提出的基于ONU模块化的无源光。
14、网络节能方法能够根据网络业务状况，将ONU相关模块独立转入睡眠/唤醒状态，增大了睡眠时间，降低了网络能耗，提高了网络的能效性。同时由于实时业务得以优先收发，提升了网络整体服务质量。相比于其他节能方法，本发明不仅能提升网络整体服务质量，而且能显著降低网络能耗。说明书CN104053077A3/8页5附图说明0017为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明0018图1为基于ONU模块化的无源光网络节能方法的流程图；0019图2为ONU内部模块结构图；0020图3为独立不连续收发数据示意图。具体实施方式0021在本方法中，ONU模块化能耗模型将ONU能耗区分为上行模。
15、块，下行模块及基础模块三个能耗模块。优先收发实时业务策略是将业务区分为实时业务和非实时业务，在每个轮询周期内，优先收发实时业务。并且为实现所提方法，使ONU上/下行模块获取相关工作时隙信息，GATE帧被重新做了设计。0022ONU模块化能耗模型使ONU不同模块根据业务情况独立地唤醒或睡眠，并使ONU在所分配的时隙内不连续地只接收自己所需要的数据，从而增大睡眠时间，避免了由于接收无用数据而带来的能耗。0023为降低睡眠对网络时延性能带来的影响，考虑到不同业务对时延性能要求的差异性，将业务分为实时业务与非实时业务来分析时延性能。其中实时业务包括VOIP、IPTV、VOD等时延敏感业务；非实时业务指。
16、EMAIL、文件下载等对时延不敏感业务。将每个轮询周期分为双轮询子周期，前一子周期用于收发实时业务，后一子周期用于收发非实时业务，由于实时业务得以优先收发，减少了实时业务时延。0024下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。0025本发明在PON网络架构下对ONU进行节能，首先在每个轮询周期开始时，OLT统计各ONU实时/非实时业务的带宽请求及OLT缓存队列中将发往各ONU的实时/非实时业务数据量，然后为各ONU分配实时/非实时业务带宽，进而各ONU按照所分配的带宽时隙信息进行相关数据的收发与睡眠。0026一、ONU模块化能耗模型0027为进一步增大睡眠时间，提高能效性，使得ONU。
17、相关模块能够根据网络业务状况动态地转入睡眠/唤醒状态，本发明将ONU可分为上行模块、下行模块和基础模块。其中，上行模块包括发射机TX、串并转换器SERDES及其周边电路等；下行模块包括接收机RX、SERDES等；基础模块是指ONU上电后，除了上下行模块之外需要一直处于工作状态的部件，包括介质访问控制MAC、处理器NPEANDPPE、交换设备ETHERNETSWITCH、时钟CLK、电源模块POWER、物理层接口UNI/PHY和缓存BUFFER等，如图2所示。由于收发机及周边电路所消耗的能量占ONU总能耗的主要部分。显然，若网络中仅有上/下行业务时，只唤醒ONU的上/下行模块，让下/上行模块保持。
18、睡眠的方案，比上下行模块都被唤醒的传统方案能耗更低。0028为此，本发明提出构建一种新的模块化能耗模型，其ONU的能耗公式如式1所示0029说明书CN104053077A4/8页60030其中E表示PON中所有ONU的总能耗，N表示轮询周期数，K为ONU个数，PUA/PDA表示ONU上/下行模块处于工作状态下的功耗，PUS/PDS表示ONU上/下行模块处于睡眠状态下的功耗，表示ONUI在第N个轮询周期内上/下行模块处于工作状态的时间，表示ONUI在第N个轮询周期内上/下行模块处于睡眠状态的时间，PBASE表示ONU基础模块的功耗，TCYCLE表示轮询周期的长度。0031二、独立不连续收发数据方。
19、法0032方法中涉及的符号及含义如表1所示0033表1符号及含义003400351带宽分配0036为提高带宽利用率，方法采用动态带宽分配方式，每个轮询周期内，首先为实时/非实时业务分配基本保证带宽，设为每轮询周期内，所有ONU实时业务的带宽请求占总带宽请求的比例，则在每个轮询周期内上行实时业务基本保证带宽为0037同理，设为每轮询周期内，OLT将发往各ONU的下行实时业务数据量占总数据量的比例，则每个轮询周期内下行实时业务基本保证带宽为BBN。0038上行带宽分配0039各ONU实时业务保证带宽为00400041若ONU请求的实时业务带宽小于实时业务保证带宽，即轻负载，则该ONU被授予的实时业。
20、务带宽为00420043此时所有轻负载ONU的剩余带宽为说明书CN104053077A5/8页700440045将剩余带宽按比例公平分配给各重负载ONU，每个重负载ONU可得到的额外带宽为00460047则授予重负载ONU的带宽为保证带宽与额外带宽之和，即00480049由上可知，非实时业务总带宽为同理，各ONU最终分配的非实时业务带宽为00500051下行带宽分配0052与上行带宽分配相类似，可得到下行带宽分配情况如下005300540055其中BDRP，I/BDNP，I为OLT缓存的ONUI实时/非实时业务数据量，是第N周期内允许发往ONUI的实时/非实时业务数据量。0056通过上述带宽分。
21、配方法，各ONU之间带宽授予的公平性得以保证，同时剩余带宽的回收实现了带宽资源的有效利用，提高了带宽利用率，使得缓存的数据能够尽快得到发送，减少了时延。00572数据收发0058完成带宽分配后，为提升实时业务时延性能，将每个轮询周期分为双轮询子周期，其中前一子周期用于收发实时业务，后一子周期用于收发非实时业务。ONU内部的各模块在所分配的时隙内进行相应数据的收发，其他时隙则转入睡眠状态以减少能耗，如图3所示。0059为将相关带宽时隙信息通知各ONU，OLT需计算各个时间点并将时间点信息加载到GATE帧中。下面LR表示REPORT帧长度，TDBA表示带宽计算时间，TOV表示ONU模块唤醒时间。0。
22、060下行方向0061T1为轮询周期开始时间；0062T2为ONUI唤醒下行模块接收GATE帧的时间00630064T3为ONUI下行模块接收GATE帧完毕时间说明书CN104053077A6/8页800650066T4为ONUI唤醒下行模块接收实时业务的时间00670068T6为ONUI下行模块实时业务接收完毕并转入睡眠的时间00690070T8为ONUI唤醒下行模块接收非实时业务时间00710072T9为ONUI下行模块接收非实时业务完毕并转入睡眠的时间00730074由此可得到第N个周期内ONUI下行模块的工作时间为00750076则第N个周期内ONUI下行模块的睡眠时间为0077007。
23、8可得所有ONU下行模块的能耗00790080上行方向0081T5为ONUI唤醒上行模块发送实时业务时间00820083T7为ONUI上行模块实时业务发送完毕并转入睡眠的时间00840085T10为ONUI唤醒上行模块发送非实时业务时间00860087T11为ONUI上行模块非实时业务发送完毕并转入睡眠的时间00880089第N个周期内ONUI上行模块的工作时间为说明书CN104053077A7/8页900900091则第N个周期内ONUI上行模块的睡眠时间为00920093可得所有ONU上行模块的能耗009400953GATE帧设计0096由于普通PON系统上行采用TDMA方式，下行采用广播。
24、方式，因此普通GATE帧只包含各ONU上行开始时间与上行长度信息，为实现所提方法，使ONU上/下行模块得到相关工作时隙信息，需重新设计GATE帧。因此可在8023AH规定的多点控制协议MPCP帧基本结构与框架下，在GATE帧中添加ONU上/下行时隙信息，从而使得ONU在接收到GATE帧后，可以得到与各模块相关的时隙信息，修改后结构如表2。0097表2修改后的GATE帧结构00980099说明书CN104053077A8/8页100100如图1所示，本发明详细步骤如下0101STEP1每周期开始时，OLT统计各ONU实时/非实时业务带宽请求及OLT缓存队列中将发往各ONU的实时/非实时业务数据量。
25、；0102STEP2分配各ONU实时/非实时业务带宽。考虑到ONU之间的公平性，为各ONU设置保证带宽；采用剩余带宽回收策略，并将剩余带宽分配给重负载ONU，提高带宽利用率。0103STEP3ONU进行相关数据的收发与睡眠。在前一子周期收发实时业务，后一子周期收发非实时业务。ONU相关模块在所分配的时隙内收发数据，其他时隙则转入睡眠状态。0104STEP4完成一个轮询周期的数据收发，回到STEP1。0105最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。说明书CN104053077A101/2页11图1图2说明书附图CN104053077A112/2页12图3说明书附图CN104053077A12。