一种基于休眠节能机制的接入网带宽调度方法

摘要

本发明公开了一种基于休眠节能机制的接入网带宽调度方法，针对系统总业务带宽无法完全满足三种类型业务请求的总带宽的情况，优先完全满足EF业务，再将剩余总带宽分配给AF业务和BE业务，对于AF业务和BE业务的ONU带宽分配，通过ONU带宽请求计算得到每个ONU的休眠效益因子，再计算得到每个ONU在不同剩余带宽时的休眠效益值，在进行ONU带宽分配时，通过比较给ONU分配带宽和不给ONU分配带宽的休眠效益值来判断是否给该ONU分配带宽，从而得到最佳休眠效益。在进行剩余总带宽分配时，还可通过设置优先级平衡因子来保证QoS，从而提高系统综合性能。并且，本发明完全采用软控制的方式来达到节能效果，没有增加硬件成本。

说明书

技术领域

本发明属于接入网技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于休眠节能机制 的接入网带宽调度方法。

背景技术

光纤宽带接入网中的PON（Passive Optical Network，无源光网络）系统结 构主要由中心局的光线路终端(OLT:Optical Line Terminal)、包含无源光器件的光 分配网(ODN:Optical Distribution Network)、用户端的光网络单元(ONU：Optical  Network Unit)组成，通常采用点到多点的树型拓扑结构。在下行方向，IP数据、 语音、视频等多种业务由位于中心局的OLT，采用广播方式通过ODN中的1： N无源光分配器分配到PON上的所有ONU单元。在上行方向，来自各个ONU 的多种业务信息互不干扰地通过ODN中的1：N无源光合路器耦合到同一根光 纤，最终传输到位于局端的OLT接收端，类似于点到点的结构。在高速率、大 带宽需求的驱动下，接入网带宽的需求量呈指数增长，这导致采用PON技术的 光纤宽带接入网取得了迅猛的发展，但其系统过高的能耗问题也逐渐引起了广 泛的关注。目前国内外研究主要集中在物理层节能方式和数据链路层节能方式， 具体如下：

a）基于物理层的节能方式

基于物理层的节能方式无需改变上层协议，通常改进一些物理层的设备或 器件结构，如Claudio BIANCO,Flavio CUCCHIETTI等在“Energy consumption  trends in the Next Generation Access Network-a Telco perspective”一文中通过不断 改进集成电路技术达到节能效果；EITETSU IGAWA,MASAMICHI NOGAMI等 在“Symmetric10G-EPON ONU Burst-Mode Transceiver Employing Dynamic  Power Save Control Circuit”一文中采用更好的节能装置，如突发模式的激光器 等。

b）基于数据链路层的节能方式

这种节能方式主要是在EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太网无 源光网络）的媒体接入控制（MAC,Media Access Control）层和 GPON(Gigabit-Capable PON，千兆无源光网络)的传输汇聚（TC,Transmission  Convergence）层上设计高效的节能通信协议或算法。其中，ONU休眠方式， 即当ONU端的业务流量比较少时使其处于休眠状态，是当前最重要的一种节 能方式，在JUN-ICHI KANI的“Power Saving Techniques for Optical Access”及 WONG S,VALCARENGHI L的“Sleep Mode for Energy Saving PONs:Advantages  and Drawbacks”等文章中均有体现。

以上两种方式均能达到一定的节能效果，但都不可避免的带来了一些负面 影响，有的在一定程度上牺牲了系统的QoS（Quality of Service，服务质量）， 有的是通过对物理层设备和器件的改变增加了系统的成本。因此开发出一种既 能适应现有物理层设备的要求，又能保证系统的QoS的性能优秀、复杂度低、 易于实现的绿色带宽分配算法是极其重要的。

目前在QoS技术中，为了支持多业务接入的需求,在提高节能效率的同时保 证系统的QOS，最常用的是设置统一的优先级分类，并且经常将业务的优先级 划分为不同类型，主要将业务的优先级划分为EF（Effort Forward,加速转发型） 业务，AF（Assured Forwarding,确保转发型）业务，BE（Best Effort,尽力转发型） 业务。EF业务一般都事先由用户和运营商之间进行预约，此类型业务的带宽申 请大小是可以预期的，因此在进行系统带宽资源配置保证此类型业务，而剩余 带宽不一定足够AF、BE两种业务，在这种情况下如何实现最优节能也是需要 进行研究的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于休眠节能机制的接 入网带宽调度方法，通过设置优先级平衡因子及休眠效益因子优化业务的带宽 分配，从而在保证接入网系统的QoS的同时，获得良好的节能效果。

为实现上述发明目的，本发明基于休眠节能机制的接入网带宽调度方法， 包括以下步骤：

S1：光线路终端OLT接收来自光网络单元ONU对各个业务的带宽请求， 记为带宽请求矩阵B：

$B=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{ccccc}{B}_{\mathrm{EF},1}& ···& B_{\mathrm{EF},i}& ···& B_{\mathrm{EF},N}\\ B_{\mathrm{AF},1}& ···& B_{\mathrm{AF},i}& ···& B_{\mathrm{AF},N}\\ B_{\mathrm{BE},1}& ···& B_{\mathrm{BE},i}& ···& B_{\mathrm{BE},N}\end{array}\right)\end{array}$

其中，B_m,i表示第i个ONU对m类业务的带宽请求，m∈{EF,AF,BE}，EF 表示该业务类型为加速转发，AF表示该业务类型为确保转发，BE表示该业务 类型为尽力转发，i＝1,2,…,N，N表示ONU的数量；系统总业务带宽记为W_t， 并且${\Sigma }_{i=1}^N{B}_{\mathrm{EF},i}<W_t<{\Sigma }_{i=1}^N(B_{\mathrm{EF},i}+B_{\mathrm{AF},i}+B_{\mathrm{BE},i});$

S2：按照业务类型分配业务总带宽，其中EF业务的总带宽此时剩余总带宽W_rest＝W_t-W_EF，将剩余总带宽W_rest分配给AF业务和BE业务；

S3：将各业务的总带宽分配给各个ONU，其中EF业务按照各ONU的带宽 请求分配，即W_EF,i＝B_EF,i，对于AF业务和BE业务，分别采用以下带宽分配方 法为各ONU分配带宽：

S3.1：计算每个ONU的休眠效益因子再计算每个ONU在 不同剩余带宽时的休眠效益值g(i,j)，j表示剩余带宽，取值范围为0≤j≤W_m， 对于第i＝1个ONU，当j≥B_m,1时，g(1,j)＝p₁，当j＜B_m,1时，g(1,j)＝0；对于第 i＝2,3…,N个ONU，当j≥B_m,i并且g(i-1,j)≤g(i-1,j-B_m,i)+p_i时， g(i,j)＝g(i-1,j-B_m,i)+p_i，否则g(i,j)＝g(i-1,j)；

S3.2：按照序号从N到1依次对每个ONU进行带宽分配，当前剩余带宽记 为R，剩余带宽初始值为W_m，记最佳休眠效益为Q，初始值为0；对于第 i＝N,N-1,…,2个ONU，根据步骤3.2中得到的各ONU对应不同剩余带宽的休 眠效益值，如果g(i,R)＞g(i-1,R)，则W_m,i＝B_m,i，更新R＝R-B_m,i，Q＝Q+p_i， 否则W_m,i＝0；对于第i＝1个ONU，如果g(N,W_m)-Q＝p₁，则W_m,1＝B_m,1，Q＝Q+p_i， 否则W_m,1＝0；

S4：根据步骤S2和步骤S3即可得到ONU的带宽分配矩阵：

$W=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{ccccc}{W}_{\mathrm{EF},1}& ···& W_{\mathrm{EF},i}& ···& W_{\mathrm{EF},N}\\ W_{\mathrm{AF},1}& ···& W_{\mathrm{AF},i}& ···& W_{\mathrm{AF},N}\\ W_{\mathrm{BE},1}& ···& W_{\mathrm{BE},i}& ···& W_{\mathrm{BE},N}\end{array}\right)\end{array}$

OLT将带宽分配矩阵W向各ONU广播，完成接入网带宽调度。

其中，步骤S2中将剩余总带宽W_rest分配给AF业务和BE业务的方法为：设 置优先级平衡因子k，k的取值范围为AF业务的总带 宽为BE业务的总带宽W_BE＝W_rest-W_AF。

其中，步骤S3.1中在计算ONU的休眠效益值之前，将ONU按休眠效益因 子从大到小进行排列。

本发明基于休眠节能机制的接入网带宽调度方法，针对系统总业务带宽无 法完全满足三种类型业务请求的总带宽的情况，优先完全满足EF业务，再将剩 余总带宽分配给AF业务和BE业务，对于AF业务和BE业务的ONU带宽分配， 通过ONU带宽请求计算得到每个ONU的休眠效益因子，再计算得到每个ONU 在不同剩余带宽时的休眠效益值，在进行ONU带宽分配时，通过比较给ONU 分配带宽和不给ONU分配带宽的休眠效益值来判断是否给该ONU分配带宽， 从而得到最佳休眠效益。在进行剩余总带宽分配时，还可通过设置优先级平衡 因子来保证QoS，从而提高系统综合性能。并且，本发明完全采用软控制的方 式来达到节能效果，没有增加硬件成本。

附图说明

图1是本发明基于休眠节能机制的接入网带宽调度方法一种具体实施方式 流程图；

图2是计算第i＝1个ONU的休眠效益值的流程图；

图3是计算第i＝2,3…,N个ONU的休眠效益值的流程图；

图4是ONU带宽分配的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员 更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和 设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于休眠节能机制的接入网带宽调度方法一种具体实施方式 流程图。如图1所示，本发明基于休眠节能机制的接入网带宽调度方法包括以 下步骤：

S101：中心局的光线路终端OLT收集来自各个ONU对各类型业务的带宽 请求，记为带宽请求矩阵B：

$B=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{ccccc}{B}_{\mathrm{EF},1}& ···& B_{\mathrm{EF},i}& ···& B_{\mathrm{EF},N}\\ B_{\mathrm{AF},1}& ···& B_{\mathrm{AF},i}& ···& B_{\mathrm{AF},N}\\ B_{\mathrm{BE},1}& ···& B_{\mathrm{BE},i}& ···& B_{\mathrm{BE},N}\end{array}\right)\end{array}$

B_m,i表示第i个ONU对m类业务的带宽请求，m∈{EF,AF,BE}，EF表示该 业务类型为加速转发型业务，AF表示该业务类型为确保转发型业务，BE表示 该业务类型为尽力转发型业务，i＝1,2,…,N，N表示ONU的数量。本发明针对 的是系统总业务带宽无法完全满足三种类型业务请求的总带宽的情况，将系统 总业务带宽记为W_t，并且${\Sigma }_{i=1}^N{B}_{\mathrm{EF},i}<W_t<{\Sigma }_{i=1}^N(B_{\mathrm{EF},i}+B_{\mathrm{AF},i}+B_{\mathrm{BE},i}).$

S102：基于优先级平衡因子的各业务总带宽分配：

本发明中，将完全满足EF业务的请求带宽，即分配给EF业务的总带宽 此时剩余总带宽W_rest＝W_t-W_EF，可见此时剩余总带宽W_rest无法 完全满足AF业务和BE业务的带宽请求，因此在向AF业务和BE业务分配带 宽的时候，只能部分满足，即$W_{\mathrm{AF}}<{\Sigma }_{i=1}^N{B}_{\mathrm{AF},i},W_{\mathrm{BE}}<{\Sigma }_{i=1}^N{B}_{\mathrm{BE},i}.$

将剩余总带宽W_rest分配给AF业务和BE业务时，可以按照设置的比例进行 分配。为了保证两种业务之间的相对公平性，防止由于某业务的业务量过大而 占据了另一业务的带宽，而使得另一业务的大部分业务无法正常运行的情况发 生，因此在本实施方式中，可以采用优先级平衡因子对剩余总带宽W_rest进行分配， 具体方法为：

设置优先级平衡因子k，k的取值范围为AF业务 的总带宽为BE业务的总带宽W_BE＝W_rest-W_AF。 采用优先级平衡因子k可以调节AF业务和BE业务的QoS性能。

S103：对EF业务进行ONU带宽分配，由于因此EF业务 的总带宽W_EF按照各ONU的带宽请求分配，即W_EF,i＝B_EF,i。

S104：根据休眠效益因子对AF、BE业务进行ONU带宽分配：

从步骤S102可知，此时分配给AF业务和BE业务的总带宽W_AF和W_BE不能 满足所有ONU，只能提供给部分ONU，则那些未分配到带宽的ONU将在下个 轮询周期内不进行上行数据的发送，进入半休眠状态，从而实现节能。为了使 休眠的节能效益最大化，本发明引入了休眠效益因子p_i来分配AF业务和BE业 务的ONU带宽，其具体步骤包括：

S4.1：计算每个ONU的休眠效益因子此时可以将ONU按照 休眠效益因子p_i的大小，即申请带宽的大小进行降序排列，使休眠效益值大的 ONU优先满足其申请的带宽，从而保证系统整体获取最大的休眠效益值。

S4.2：根据步骤S4.1得到的休眠效益因子计算每个ONU在不同剩余带宽时 的休眠效益值g(i,j)，j表示剩余带宽，取值范围为0≤j≤W_n。可见当j＜B_m,i时， 第i个ONU无法得到请求的带宽，即不给第i个ONU分配带宽，此时休眠效益 值g(i,j)＝g(i-1,j)；而当j≥B_m,i时，有两种情况：

情况1：不给第i个ONU分配带宽，同样此时休眠效益值g(i,j)＝g(i-1,j)；

情况2：给第i个ONU分配带宽，此时产生休眠效益p_i，剩余带宽为j-B_m,i， 由于本发明采用倒序的方式进行ONU带宽分配，因此此时的剩余带宽j-B_m,i可 分配给B_m,1,B_m,2,…B_m,i-1，此时的休眠效益值g(i,j)＝g(i-1,j-B_m,i)+p_i。

本发明所期望得到的最佳休眠效益即为情况1和情况2两种休眠效益值的 最大值，于是有递推关系式为：

$g(i,j)=\left(\begin{array}{cc}g(i-1,j),& j<B_{m,i}\\ \max (g(i-1,j),g(i-1,j-B_{m,i})+p_i),& j\ge B_{m,i}\end{array}\right)$

此算法的边界条件为公式：

$g(1,j)=\left(\begin{array}{cc}{p}_1,& j<B_{m,1}\\ 0,& j<B_{m,1}\end{array}\right)$

因此在计算休眠效益值时，需要先得到第i＝1个ONU的休眠效益值，然后 依次计算第i＝2,3…,N个ONU的休眠效益值。图2是计算第i＝1个ONU的休眠 效益值的流程图。如图2所示，计算第i＝1个ONU的休眠效益值包括以下步骤：

S201：初始化剩余带宽j＝0。

S202：判断是否剩余带宽j≥B_m,1，如果是，进入步骤S203，如果不是，进 入步骤S204。

S203：g(1,j)＝p₁，进入步骤S205。

S204：g(1,j)＝0，进入步骤S205。

S205：判断是否j＝W_m，如果是，计算结束，如果不是，进入步骤S206。

S206：令j＝j+ΔW，其中ΔW表示设置的步长，返回步骤S202。

从以上计算过程可以看出，将会求出多个不同剩余带宽j对应的休眠效益 值，这些值将在之后的达到最佳休眠效益的ONU带宽分配中使用。为了使这些 剩余带宽j能够覆盖在ONU带宽分配中可能得到的当前剩余带宽，在步长ΔW的 设置方面，应该以带宽请求中最小值的数量级来确定，例如，当带宽请求值为 1M、3M、6M、400k，此时设置的步长可以为100k。一种比较简便的方法是求 所有带宽请求值的公约数。

图3是计算第i＝2,3…,N个ONU的休眠效益值的流程图。如图3所示，计 算第i＝2,3…,N个ONU的休眠效益值包括以下步骤：

S301：初始化i＝2。

S302：初始化j＝0。

S303：判断是否剩余带宽j≥B_m,i，如果是，进入步骤S304，如果不是，进 入步骤S306。

S304：判断是否g(i-1,j)≤g(i-1,j-B_m,i)+p_i，如果是，进入步骤S305，如 果不是，进入步骤S306。

S305：令g(i,j)＝g(i-1,j-B_m,i)+p_i，进入步骤S307。

S306：令g(i,j)＝g(i-1,j)，进入步骤S307。

S307：判断是否j＝W_m，如果是，进入步骤S309，如果不是，进入步骤S308。

S308：令j＝j+ΔW，返回步骤S303。

S309：判断是否i＝N，如果是，计算结束，如果不是，进入步骤S310。

S310：令i＝i+1，返回步骤S302。

S4.3：按照序号从N到1依次对每个进行ONU带宽分配。本发明中，对于 某个ONU的AF业务和BE业务的带宽请求，要么给其分配满足要求的带宽， 记x_i＝1；要么不给其分配带宽，记x_i＝0；某个分配结果可产生的休眠效益即为 本发明的最终目的即获取最大的休眠效益

图4是ONU带宽分配的流程图。如图4所示，ONU带宽分配包括：

S401：初始化ONU序号i＝N，当前剩余带宽R＝W_m，最佳休眠效益为Q＝0。

S402：根据步骤S4.2中得到的各ONU对应不同剩余带宽的休眠效益值， 判断是否g(i,R)＞g(i-1,R)，如果是，进入步骤S403，如果不是，进入步骤S404。 可见，本步骤是通过比较给ONU分配带宽和不给ONU分配带宽的休眠效益值 大小来判断是否给该ONU分配带宽。

S403：为第i个ONU分配带宽，即W_m,i＝B_m,i，更新当前剩余带宽R＝R-B_m,i， 最佳休眠效益Q＝Q+p_i，进入步骤S405。

S404：不为第i个ONU分配带宽，即W_m,i＝0，当前剩余带宽R和最佳休眠 效益Q均不变，进入步骤S405。

S405：令i＝i-1。

S406：判断是否i＝1，如果是，进入步骤S407，如果不是，返回步骤S402。

S407：判断是否g(N,W_m)-Q＝p₁，如果是，进入步骤S408，如果不是，进 入步骤S409。

S408：给第i＝1个ONU分配带宽，即W_m,1＝B_m,1，Q＝Q+p_i，ONU带宽分 配结束。

S409：不给第i＝1个ONU分配带宽，即W_m,1＝0，ONU带宽分配结束。

S105：根据步骤S103和步骤S104即可得到ONU的带宽分配矩阵：

$W=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{ccccc}{W}_{\mathrm{EF},1}& ···& W_{\mathrm{EF},i}& ···& W_{\mathrm{EF},N}\\ W_{\mathrm{AF},1}& ···& W_{\mathrm{AF},i}& ···& W_{\mathrm{AF},N}\\ W_{\mathrm{BE},1}& ···& W_{\mathrm{BE},i}& ···& W_{\mathrm{BE},N}\end{array}\right)\end{array}$

光线路终端OLT将带宽分配矩阵W向各ONU广播，完成接入网带宽调度， 分配带宽为0的ONU将在下一轮询周期中进入半休眠状态，不进行上行数据的 发送，从而达到节能的效果。

本发明完全采用软控制的方式来达到节能效果，硬件成本没有增加。它既 区别于经典的DBA（Dynamic Bandwidth Allocation，动态带宽分配）算法（只 能保证系统的QoS），又不同于现今的各种数据链路层的节能方式（以系统的性 能来换取节能的效果），而是可以通过休眠效益因子p_i和优先级平衡因子k的设 置同时实现了QoS和节能效果。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。