一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的pon中的節(jié)能調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼（Network?Coding,NC）的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（Passive?Optical?Networks,PON）中的節(jié)能調(diào)度方法，該方法同時(shí)考慮了基于NC的PON中光線路終端（optical?line?terminal，OLT）與光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical?Network?Unit，ONU）的節(jié)能問(wèn)題以及服務(wù)質(zhì)量，將ONU節(jié)能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和雙向集中式調(diào)度相結(jié)合，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，更適應(yīng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，能在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果，在中高負(fù)載情況下，提升網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率與網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。
【專利說(shuō)明】—種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的PON中的節(jié)能調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding, NC)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PassiveOptical Network, PON)中的節(jié)能調(diào)度方法。涉及到OLT與ONU節(jié)能和服務(wù)質(zhì)量(Qualityof Service, QoS)等問(wèn)題,針對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中對(duì)QoS與節(jié)能的需求進(jìn)行設(shè)計(jì),屬于光纖接入網(wǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]近年來(lái)，隨著環(huán)境問(wèn)題的不斷惡化，節(jié)能減排已經(jīng)成為許多領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。光接入網(wǎng)以其廣泛的部署和龐大的設(shè)備數(shù)量，能耗占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總能耗的21.3%，已經(jīng)成為了節(jié)能減排中的重要節(jié)能研究對(duì)象。PON是當(dāng)今世界上主要的接入方案之一，具有覆蓋面積大、傳輸速率高、成本低和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有關(guān)PON的節(jié)能研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)單元的睡眠機(jī)制方面。光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit, 0NU)休眠機(jī)制已經(jīng)被廣泛研究,上行集中式調(diào)度(Upstream Centric Scheduling, UCS)與下行集中式調(diào)度(Downstream CentricScheduling, DCS)被認(rèn)為是最常見(jiàn)的節(jié)能調(diào)度機(jī)制，并已經(jīng)被證明具有良好的節(jié)能效果。光線路終端(Optical Line Terminal, 0LT)占整個(gè)PON能耗的50%以上，但因其處于網(wǎng)絡(luò)中心而無(wú)法將其休眠。
[0004]與此同時(shí)，隨著對(duì)等(Peer-to-peer，P2P)網(wǎng)絡(luò)文件共享、視頻點(diǎn)播、高清電視和社區(qū)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等業(yè)務(wù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)本地化趨勢(shì)已經(jīng)日趨明顯，為網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在PON的引入提供了條件。NC技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于Ρ0Ν，即在內(nèi)部業(yè)務(wù)的傳輸過(guò)程中，結(jié)合PON中光分路器的組播特性，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)OLT的節(jié)能，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。PON中NC的實(shí)現(xiàn)上無(wú)需硬件擴(kuò)展與開(kāi)發(fā)，只需擴(kuò)展已有的傳輸協(xié)議，最大可以實(shí)現(xiàn)50%的下行吞吐量。
[0005]目前，可以通過(guò)將包匯聚思想以及下行帶寬預(yù)留的UCS應(yīng)用于基于NC的PON中，來(lái)實(shí)現(xiàn)能量管理與節(jié)能調(diào)度?？梢杂行У貙C技術(shù)在PON中實(shí)現(xiàn)，并有一定的節(jié)能效果。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]目前，基于NC的PON中，現(xiàn)有節(jié)能調(diào)度算法主要存在以下缺點(diǎn):
1)已有節(jié)能調(diào)度機(jī)制主要面向普通Ρ0Ν，主要針對(duì)PON中OLT與ONU之間的單播傳輸，即數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)為單一 0NU。而引入NC技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)中加入了組播傳輸，同一數(shù)據(jù)包可以被多個(gè)ONU接收。已有節(jié)能調(diào)度機(jī)制并沒(méi)有加入組播考慮，會(huì)造成能源與帶寬的浪費(fèi)；
2)已有節(jié)能調(diào)度機(jī)制中只有對(duì)于ONU節(jié)能的考慮，在引入了NC技術(shù)后，NC技術(shù)導(dǎo)致了OLT的節(jié)能，增加對(duì)NC技術(shù)的利用，使更多業(yè)務(wù)可以通過(guò)NC傳輸，可以加強(qiáng)OLT的節(jié)能效果。已有節(jié)能調(diào)度機(jī)制無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于OLT節(jié)能的考慮與優(yōu)化，無(wú)法達(dá)到NC技術(shù)利用的最佳效果； 3)在已有的節(jié)能調(diào)度機(jī)制中，僅僅考慮了 QoS與節(jié)能指標(biāo)，引入NC技術(shù)后，缺少對(duì)于NC傳輸?shù)挠行Э刂萍熬W(wǎng)絡(luò)實(shí)際需求的考慮，對(duì)QoS造成了影響。
[0008]鑒于此，如何在引入NC技術(shù)的PON中考慮節(jié)能和QoS，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率并進(jìn)行NC的合理控制已成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本發(fā)明的主要目的是在基于NC的PON中設(shè)計(jì)一種節(jié)能調(diào)度方法，該調(diào)度方法同時(shí)考慮了 OLT與ONU的節(jié)能問(wèn)題以及QoSJf ONU節(jié)能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和雙向集中式調(diào)度(Bidirectional Centric Scheduling, BCS)相結(jié)合,提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，更適應(yīng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，能在網(wǎng)絡(luò)低負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果，在中高負(fù)載情況下，提升網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率與網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。
[0009]本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案:
一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)中的節(jié)能調(diào)度方法，包括節(jié)能控制和時(shí)隙調(diào)度。所述PON為時(shí)分復(fù)用Ρ0Ν，包括一個(gè)0LT、n個(gè)ONU和一個(gè)光分路器，支持精確時(shí)鐘同步喚醒與NC功能；0NU可以切換到TRx或Tx兩種節(jié)能模式；Ρ0Ν系統(tǒng)通過(guò)Gate與Iteport包來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)編碼的控制與管理?？刂七^(guò)程如下:0LT不直接參與ONU模式的切換控制，而是通過(guò)為ONU分配上下行傳輸時(shí)隙來(lái)影響ONU的休眠時(shí)間。
[0010]進(jìn)一步地，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；0LT分配好時(shí)隙后生成Gate包向ONU授權(quán)帶寬,ONU根據(jù)自身的時(shí)隙分配情況在指定的時(shí)間選擇自身最節(jié)能的模式進(jìn)行切換；各個(gè)時(shí)隙的工作模式確定以后，ONU建立起一個(gè)工作狀態(tài)表來(lái)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。
[0011]時(shí)隙調(diào)度采取集中式調(diào)度，依靠OLT收集整個(gè)系統(tǒng)的全部信息來(lái)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)度。當(dāng)OLT接收到所有Iteport包后觸發(fā)DBA算法，由DBA模塊為每個(gè)ONU分配上下行傳輸帶寬，編碼包在特定的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)單獨(dú)傳輸。在一個(gè)周期內(nèi)，首先組播Gate包；接著OLT下行組播網(wǎng)絡(luò)編碼包，剩余的上下行帶寬用于非編碼包的傳輸。
[0012]進(jìn)一步地，還包括空閑帶寬管理，具體為:對(duì)從ONUn非編碼包的傳輸結(jié)束時(shí)刻持續(xù)到下一周期中ONU1的上行數(shù)據(jù)包的發(fā)送開(kāi)始時(shí)刻的空閑帶寬進(jìn)行優(yōu)先分配，主要分配對(duì)象為上行負(fù)載大于下行負(fù)載的ONU。DBA根據(jù)ONU的上行帶寬請(qǐng)求以及下行緩存數(shù)量對(duì)上下行帶寬同時(shí)分配，并將各種傳輸進(jìn)行區(qū)分。將兩個(gè)方向上的帶寬分為組播帶寬，單播帶寬和上行空閑帶寬，其中，組播帶寬分配給Gate包與NC包用于下行組播業(yè)務(wù)；單播帶寬分配給各個(gè)ONU用來(lái)傳輸非編碼包的上下行業(yè)務(wù)；上行空閑帶寬用來(lái)傳輸上行單向傳輸業(yè)務(wù)請(qǐng)求。DBA過(guò)程可以分為三個(gè)階段:0NU排序、組播與空閑時(shí)隙分配、單播帶寬分配。
[0013]在基于NC的PON中采用標(biāo)準(zhǔn)ONU節(jié)能模式，圍繞節(jié)能模式特征對(duì)時(shí)隙調(diào)度機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)采用BCS調(diào)度方式，減少ONU能耗，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了單向傳輸對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源與能耗的浪費(fèi)，對(duì)其進(jìn)行限制以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中帶寬利用率與ONU節(jié)能的提高。低負(fù)載下，通過(guò)ONU上下行傳輸時(shí)隙的重合，優(yōu)化了 ONU的節(jié)能，同時(shí)，較高的傳輸延時(shí)也提供了更多的編碼機(jī)會(huì)，使更多業(yè)務(wù)可以通過(guò)NC技術(shù)傳輸，進(jìn)一步減少了 OLT發(fā)射所占帶寬，可以加強(qiáng)OLT的節(jié)能。在中高負(fù)載下，較高的帶寬利用率實(shí)現(xiàn)了良好的QoS。
[0014]該調(diào)度方法包括以下部分:
1)節(jié)能控制
2)時(shí)隙調(diào)度
3)空閑帶寬管理 4)DBA算法【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是節(jié)能模式示意圖；
圖2是本發(fā)明調(diào)度方法示意圖；
圖3是空閑帶寬不意圖；
圖4示出了一個(gè)輪訓(xùn)周期內(nèi)的帶寬資源；
圖5示出了低負(fù)載條件下，基于NC的UCS中OLT傳輸時(shí)隙分布情況和基于NC的BCS中OLT傳輸時(shí)隙分布情況；以及
圖6示出了中高負(fù)載條件下，基于NC的UCS中OLT傳輸時(shí)隙分布情況和基于NC的BCS中OLT傳輸時(shí)隙分布情況。
[0016]
【具體實(shí)施方式】
[0017]1.節(jié)能控制
本發(fā)明采用在ITU-T G.984中定義的節(jié)能技術(shù)，包括兩種ONU節(jié)能工作模式。一是Tx模式，在這種模式下，ONU關(guān)閉光發(fā)射模塊而接收模塊保持正常工作。另一種為TRx模式，ONU同時(shí)關(guān)閉上下行發(fā)射接收模塊。
[0018]節(jié)能工作模式下通過(guò)將主要的高功率模塊休眠來(lái)實(shí)現(xiàn)減少ONU能耗的目的。在此基礎(chǔ)上，OLT通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來(lái)減少發(fā)射數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
[0019]作為示例，本發(fā)明在一個(gè)時(shí)分復(fù)用PON系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，所述PON系統(tǒng)包括一個(gè)0LT、n個(gè)ONU和一個(gè)光分路器。ONU節(jié)能機(jī)制通過(guò)OLT與ONU聯(lián)合控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)支持精確時(shí)鐘同步喚醒與NC功能。ONU可以切換到TRx或Tx兩種節(jié)能模式。PON系統(tǒng)通過(guò)Gate與R印ort包來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)編碼的控制與管理。控制過(guò)程如下，OLT不直接參與ONU模式的切換控制，而是通過(guò)為ONU分配上下行傳輸時(shí)隙來(lái)影響ONU的休眠時(shí)間?；诠?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包向ONU授權(quán)帶寬，ONU在接收到Gate包后，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。
[0020]圖1描述了一個(gè)周期內(nèi)ONU節(jié)能模式的工作情況，分為Tx模式、TRx模式和活躍模式三種工作模式，模式間的切換通過(guò)對(duì)ONU的接收模塊與發(fā)射模塊開(kāi)啟關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如由活躍模式切換到Tx模式，則只需關(guān)閉發(fā)射機(jī)模塊。ONU根據(jù)Gate包中的授權(quán)信息決定各個(gè)時(shí)隙的工作模式，因此ONU需要找出發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的空閑時(shí)隙。當(dāng)空閑時(shí)隙長(zhǎng)度小于最小休眠時(shí)間，發(fā)射機(jī)或接收機(jī)模塊將取消睡眠時(shí)段。最小休眠時(shí)間可以有效保障睡眠機(jī)制實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效性。在ONU有上行業(yè)務(wù)傳輸時(shí)隙中，開(kāi)啟活躍模式，當(dāng)ONU沒(méi)有任何業(yè)務(wù)時(shí)切換為TRx模式。當(dāng)ONU只有下行業(yè)務(wù)時(shí)，啟用Tx模式。各個(gè)時(shí)隙的工作模式確定以后，ONU建立起一個(gè)工作狀態(tài)表來(lái)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。
[0021]ONU的總能耗可以由公式(I)表示:
【權(quán)利要求】
1.一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)中的節(jié)能調(diào)度方法，包括節(jié)能控制和時(shí)隙調(diào)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述PON為時(shí)分復(fù)用Ρ0Ν，包括一個(gè)0LT、n個(gè)ONU和一個(gè)光分路器，支持精確時(shí)鐘同步喚醒與NC功能；0NU可以切換到TRx或Tx兩種節(jié)能模式；PON系統(tǒng)通過(guò)Gate與Iteport包來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)編碼的控制與管理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述控制過(guò)程如下:0LT不直接參與ONU模式的切換控制，而是通過(guò)為ONU分配上下行傳輸時(shí)隙來(lái)影響ONU的休眠時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，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；0LT分配好時(shí)隙后生成Gate包向ONU授權(quán)帶寬，ONU根據(jù)自身的時(shí)隙分配情況在指定的時(shí)間選擇自身最節(jié)能的模式進(jìn)行切換；各個(gè)時(shí)隙的工作模式確定以后，ONU建立起一個(gè)工作狀態(tài)表來(lái)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述時(shí)隙調(diào)度采取集中式調(diào)度，依靠OLT收集整個(gè)系統(tǒng)的全部信息來(lái)實(shí)現(xiàn)精確調(diào)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，當(dāng)OLT接收到所有Iteport包后觸發(fā)動(dòng)態(tài)帶寬分配(Dynamic Bandwidth Allocation,DBA)算法，由DBA模塊為每個(gè)ONU分配上下行傳輸帶寬，編碼包在特定的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)單獨(dú)傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，在一個(gè)周期內(nèi)，首先組播Gate包；接著OLT下行組播網(wǎng)絡(luò)編碼包，剩余的上下行帶寬用于非編碼包的傳輸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括空閑帶寬管理，具體為:對(duì)從ONUn非編碼包的傳輸結(jié)束時(shí)刻持續(xù)到下一周期中ONU1的上行數(shù)據(jù)包的發(fā)送開(kāi)始時(shí)刻的空閑帶寬進(jìn)行優(yōu)先分配，主要分配對(duì)象為上行負(fù)載大于下行負(fù)載的0NU。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，DBA根據(jù)ONU的上行帶寬請(qǐng)求以及下行緩存數(shù)量對(duì)上下行帶寬同時(shí)分配，并將各種傳輸進(jìn)行區(qū)分，具體為: 將兩個(gè)方向上的帶寬分為組播帶寬，單播帶寬和上行空閑帶寬，其中，組播帶寬分配給Gate包與NC包用于下行組播業(yè)務(wù)；單播帶寬分配給各個(gè)ONU用來(lái)傳輸非編碼包的上下行業(yè)務(wù)；上行空閑帶寬用來(lái)傳輸上行單向傳輸業(yè)務(wù)請(qǐng)求。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，DBA過(guò)程可以分為三個(gè)階段:0NU排序、組播與空閑時(shí)隙分配、單播帶寬分配。
【文檔編號(hào)】H04J3/16GK104009817SQ201410283170
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】劉心, 白巍, 李文竹, 任丹萍, 趙繼軍 申請(qǐng)人:河北工程大學(xué)