光网络的节能动态带宽分配

摘要

本发明提供用于调度无源光网络PON中的业务交换以降低能量消耗的装置和方法。该方法包括下列步骤：指示PON中的光网络终端ONU和光线路终端OLT通过交换开始上行和下行通信的预定将来时间(t2)，使上行与下行通信之间的重叠为最大的步骤；向ONU发送在其期间ONU需要使发射器和接收器接通的预定时间间隔(G)的步骤；以及向从OLT发送给ONU的控制消息添加标志(MPSMP)的步骤，其指示是否从OLT接收其它消息。

说明书

技术领域

一般来说，本发明涉及系统、软件和方法，以及更具体来说，涉及用于光网络中的节能动态带宽分配的机制和技术。  

背景技术

在过去数年期间，越来越多的内容用户将需要的内容下载到智能电话、平板、个人计算机以及甚至传统电视机中。另外，用户之间交换的信息量急剧增加。通信网络运营商对这个增加业务的响应之一是部署光纤来代替传统铜线(其已知为具有较大传送能力)。 

使用光纤的网络的示例是无源光网络(PON)。PON是点对多点、光纤到驻地网络架构，其中未加电分光器用于使单个光纤能够服务于多个驻地。PON 10在图1中示出，并且包括例如在服务提供商的中心局的光线路终端(OLT)12以及例如在最终用户附近的多个光网络单元(ONU)14(又称作光网络终端(ONT))。分离器16沿光纤18设置，以便为ONU分离来自OLT的信号。与点对点架构相比，PON配置减少所需光纤和中心局设备的数量。无源光网络是一种形式的光纤接入网。 

PON利用在单个光纤上将一个波长用于下行业务(从OLT到ONU)以及将另一个用于上行业务(从ONU到OLT)。由于OLT能够向ONU连续传送信息、同时ONU需要用于传送其数据的特定时间分配的事实，实现了各种机制以用于使ONU设备在某些时间接通和关断，以适应上行业务。例如，这种机制是多点控制协议(MPCP)，对于该多点控制协议，在点对多点下行方向，因分光器/光组合器的定向性质，OLT能够向所有ONU广播数据，以及在上行方向，由于ONU无法相互直接通信，所以每个ONU能够按照多点对点方式仅向OLT发送数据。但是，这些机制不是如随后所述节能的。

进行了许多工作以降低有线和无线接入网的能量消耗。PON因其除了提供大容量、小衰减、低运行开支和耐久性之外还提供宽带接入的最低能量消耗解决方案的能力，而受到关注。本领域所报导的各种结果(例如Tucker等人的“Evolution of WDM Optical IP Networks: A Cost and Energy Perspective”，IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，vol. 27，no. 3，第243–252页，2009年2月)表明，与基于混合光纤-铜的接入技术、例如光纤到节点(FTTN)以及无线接入解决方案、例如WiMAX相比，PON每个比特消耗更少能量。 

此外表明(例如，Lange和Gladisch，“On Energy Consumption of Telecommunication Networks-A Network Operator’s View”，Proc.，OFC/NFOEC，Workshop on Energy Footprint of ICT，San Diego，CA，USA，2009年3月，第1–3页)，与光纤到户(FTTH)网络技术、例如点对点和有源光接入网相比，PON也更加节能。这个性质确保响应与因特网的温室效应有关的问题的将来PON部署。

针对图1所示的PON 10，要注意，在点对多点下行方向，由于分光器/光组合器的定向性质，OLT能够向所有ONU广播数据。但是，在上行方向，ONU无法相互直接通信。每个ONU而是能够按照多点对点方式仅向OLT发送数据。为了允许所有ONU在没有信道冲突的情况下共享任一个波长，考虑时分复用(TDM)。在IEEE以太网PON(EPON)和ITU-T千兆位PON(GPON)中，提出轮询机制以促进带宽分配。更具体来说，每个ONU向OLT报告其所需带宽(即，队列占用)，以及OLT在下行帧中通知ONU关于其所指配的上行传输窗口。EPON在其上行和下行方向引入报告消息（REPORT message）和选通消息（GATE message），以便分别报告和指定ONU上行传输准许。在GPON中，各上行和下行帧包含动态带宽报告(DBRu)和物理控制块(PDBd)。DBRu用于由ONU报告所需带宽。PCBd包括带宽图(BWmap)字段，以便指定ONU上行传输准许。注意，文献中提出了各种动态带宽分配(DBA)算法，而在IEEE EPON和ITU-T GPON标准中没有规定特定DBA算法。

XG-PON标准引入下列低功率操作模式：(i)减载，(ii)睡眠(或者称作循环睡眠)，以及(iii)浅睡。在ONU功率减载模式中，关断或者减少非必要功能。在睡眠模式中关断ONU的发射器和接收器模块的同时，浅睡模式仅在相当多的时间周期内关断发射器部分。睡眠模式进一步细分为速睡和深睡。在速睡模式中，功率节省状态停留由一系列睡眠循环(每个由睡眠周期和有源周期组成)组成。在深睡模式中，发射器和接收器对于功率节省状态停留的整个持续时间保持关断。循环睡眠和浅睡操作模式的评估表明，循环睡眠遇到更大的功率节省。但是，循环睡眠对于较长睡眠间隔引起服务质量(QoS)性能的降低。当部署浅睡模式时，PON的功率消耗降低，而没有引起任何QoS损失。

IEEE 803.3az节能以太网(EEE)标准引入用于对以太网链路进行唤醒和睡眠的开销，其中在不存在要传送的分组时定义低功率空闲模式。在EEE中，分组聚结(其在发送多个分组之前对它们进行组装)能够通过减少唤醒和睡眠时间间隔的数量，进一步改进信道和能量效率。但是，各种研究表明，聚结增加延迟，并且甚至引起下行缓冲器中的丢包。

相应地，将期望提供在降低对QoS的负面影响的同时更加节能的装置、系统和方法。

发明内容

期望尽可能快并且以最小能量消耗将资产、例如内容提供给用户。光无源网络能够实现这些目标。由于PON的特定结构、即来自多个ONU的上行业务部分按照到OLT的相同路径，提出各种协议，以在传送数据的同时使能量使用为最小。但是，现有协议使ONU在不需要时是有源的或者在不合需要时是无源的(在睡眠模式中)。

按照一个示范实施例，存在一种用于调度无源光网络PON中的业务交换以降低能量消耗的方法。该方法包括下列步骤：指示PON中的光网络单元ONU和光线路终端OLT通过交换开始上行和下行通信的预定将来时间(t2)，使上行与下行通信之间的重叠为最大的步骤；向ONU发送在其期间ONU需要使发射器和接收器接通的预定时间间隔(G)的步骤；以及向从OLT发送给ONU的控制消息添加标志(MPSMP)的步骤，该标志指示是否从OLT接收其它消息。

按照另一个示范实施例，存在一种光网络单元ONU，其与无源光网络PON中的光线路终端OLT交换业务。ONU包括：光接口，其配置成连接到光纤；以及控制器，其控制ONU与OLT之间的沿光纤的业务交换。控制器配置成通过接收开始上行通信的预定将来时间(t2)和在其期间ONU需要使发射器和接收器接通的预定时间间隔(G)，来使ONU与OLT间的上行与下行通信之间的重叠为最大，以及分析控制消息，向从OLT发送给ONU的控制消息添加了标志(MPSMP)，所述标志指示是否从OLT接收其它消息。

按照又一个示范实施例，存在一种光线路终端OLT，其连接到无源光网络PON中的多个光网络单元ONU。OLT配置成调度PON中的业务交换，以便降低能量消耗。OLT包括：光接口，其配置成连接到光缆(其与ONU进行通信)；以及控制器。控制器配置成指示ONU通过发送开始上行和下行通信的预定将来时间(t2)，使OLT与ONU间的上行与下行通信之间的重叠为最大；向ONU发送在其期间ONU需要使发射器和接收器接通的预定时间间隔(G)；以及向从OLT发送给ONU的控制消息添加标志(MPSMP)，该标志指示是否从OLT接收其它消息。

按照又一个示范实施例，存在一种包括计算机可执行指令的计算机可读介质，其中指令在被运行时实现上述方法。

一个目的是克服前一部分中所述的缺陷的一部分，以及为PON提供低能量使用和高QoS。示范实施例的一个或多个有利地为PON提供节能动态带宽分配。

缩写词列表

PON – 无源光网络

FTTN – 光纤到节点

FTTH – 光纤到户

OLT – 光线路终端

ONU – 光网络单元

TDM - 时分复用

EPON – 以太网PON

GPON – 千兆位PON

DBRu – 动态带宽报告

PCBd – 物理控制块

BWmap – 带宽图

DBA – 动态带宽分配

QoS – 服务质量

EEE – 节能以太网

EE-DBA – 节能DBA

MPSMP – 更多功率节省模式分组。

附图说明

结合在本说明书中并且构成其组成部分的附图示出一个或多个实施例，并且连同描述一起来说明这些实施例。在附图中：

图1是PON的示意图；

图2是ONU的示意图；

图3是按照示范实施例、在OLT与ONU之间交换的控制消息和业务数据的示意图；

图4是示出按照示范实施例、用于交换OLT与ONU之间的控制消息的机制的流程图；

图5是示出按照示范实施例、用于交换OLT与ONU之间的业务数据的机制的流程图；

图6a、图6b和图6c示意示出按照传统机制、功率节省浅睡方式以及还有按照示范实施例的ONU随时间的功率消耗；

图7是示出按照示范实施例、用于调度OLT与ONU之间的数据交换的方法的流程图；以及

图8是按照示范实施例、可在OLT和/或ONU中实现的控制系统的示意图。

具体实施方式

示范实施例的以下描述参照附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或相似元件。以下详细描述并不是限制本发明。本发明的范围而是由所附权利要求书来限定。为了简洁起见，针对GPON的术语和结构来论述以下实施例。但是，随后要论述的实施例并不局限于这个协议，而是可应用于其它现有协议、例如EPON。

本说明书中通篇提到的“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例所述的具体特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，词语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书的各个位置中的出现不一定全部表示同一个实施例。此外，具体特征、结构或特性可按照任何适当方式结合在一个或多个实施例中。

按照示范实施例，提出一种节能DBA(EE-DBA)算法，以便使光网络的功率节省为最大，同时改进光网络的QoS性能。在一个应用中，通过按照分别使特定ONU与OLT间的上行与下行业务之间的重叠为最大的方式分配带宽并且调度数据传输，使光网络的功率消耗为最小。这种实施例降低睡眠模式中的QoS损失(其在现有光网络的睡眠模式中观测到)。在另一个应用中，在从OLT到ONU的业务中引入标志，以便向ONU发信号通知关于切断其接收器的时间。

更具体来说，OLT配置成对于其上行业务对ONU进行调度，并且基于这个调度，OLT对于ONU被选通并且变为有源以用于传送的时刻推迟其送往那个ONU的下行业务。如稍后将更详细论述，这种技术降低ONU的总功率消耗，而没有对特别是用于延迟敏感业务的QoS支持的任何影响。

为了更好地了解本发明的一些方面，图2示意示出每个ONU 14的三个功率消耗段：(i)发射器20，(ii)接收器22，以及(iii)由发射器和接收器共享的共享设备24。在这个图中，ONU的总功率消耗基于其功能性分为三段。光发射器单元20使用功率向OLT传送上行业务和控制消息。光接收器22使用功率接收来自OLT的下行业务和控制消息。共享设备24将功率用于传送和接收操作，例如存储器。

按照一个方面，新调度通过使上行与下行传输之间的重叠为最大，使传送和接收操作中使用的ONU的共享设备的功率消耗为最小。

现在参照图3来论述新的EE-DBA机制。如上所述，新机制可在各种类型的PON中实现。图3是PON的时空图，其示出在OLT 12与ONU 14之一之间交换的各种消息。开始于时间t0，假定ONU具有一些分组要传递给OLT。因此，ONU 14接通其发射器20，并且传送GPON中的DBRu消息30(或者EPON中的报告消息或者其它协议的其它专用消息)。OLT 12采用GPON中的PCBd消息40(或者EPON中的选通消息或者其它协议的其它专用消息)进行响应。这个消息40由ONU 14在时间t1接收。消息30和40均是控制消息。

因此，ONU 14需要接通其接收器22，并且在其传送DBRu消息30时立即关断其发射器20。换言之，ONU 14的发射器20在t0与t1之间是关断的。在这个时间期间，OLT向ONU发送控制分组PCBd 40，以及如果存在送往ONU的任何下行业务，则它将更多功率节省模式分组(MPSMP)标志(附连到PCBd控制消息40)设置为一，并且然后开始传送下行业务42。一旦在OLT的缓冲器中不存在其它下行业务，它就发送下行业务42，其中MPSMP标志设置为零。换言之，基于这个新机制，OLT知道ONU的接收器接通，并且OLT开始传送送往ONU的下行分组。OLT向传送给ONU的控制消息40和/或下行业务42施加具有值1的特定标志MPSMP位，以便指示存在ONU的更多下行业务，并且ONU应当将其接收器保持接通以接收它们。如果MPSMP具有零值，则它向ONU指示在当前会话中预期没有更多下行业务。

如上所述，如果标志MPSMP在所传送控制分组PCBd 40中设置为一，则OLT发送送往ONU的下行业务。因此，下行业务42在时间间隔t1至t1+δ中发送，如图3所示。在这个时间间隔期间，MPSMP位为一。如果不存在ONU的更多下行业务，则OLT应当在下行业务42中将MPSMP位设置为零，以及对这个特定ONU的传输终止。当ONU接收MPSMP位零时，在给定不存在来自OLT的更多下行数据的事实的情况下，它关断接收器，以便保存功率。因此，在时间t1+δ，发射器、接收器和共享设备24关断。同时，OLT继续其对其它ONU的下行传输。

关于与OLT的下一个数据交换，ONU在接收PCBd消息40之后，在时间t2在OLT所指定的周期G内将其发射器和接收器调度为接通。换言之，控制消息40向ONU提供下一个通信发生的时间t2以及ONU的接收器和发射器应当接通用于下一个数据传输的时间周期G。基于这个信息，OLT(其在时间t2调度ONU以用于上行业务)对于所调度时间t2推迟其送往ONU的后续进入分组。

在t2，OLT和ONU开始传送其缓冲分组50和60。因此，在t2，ONU接通接收器和发射器。接收器和发射器在时间周期G内保持接通。在一个应用中，在从OLT或者从ONU传送信息之前，可存在短延迟，使得在OLT和ONU的传输不是完全同时的。与向ONU传送PCBd消息40的前一个步骤相似，OLT能够在时间周期G期间使用其最后下行分组中的MPSMP标志来延长其下行传输。如果这个标志设置为一，则它表示OLT具有更多分组要传送，并且ONU的接收器应当在时间t3(t3=t2+G)之后保持接通。但是，ONU的发射器能够在t3关断。ONU的这个配置（即接收器接通和发射器关断）对于时间δ’继续进行，直到MPSMP设置为零时的时间t3+δ’。在这个时间t3+δ’，ONU的接收器和发射器都关断，直到下一个通信。

在一个示范实施例中，OLT基于各种因素(例如需要发送给ONU或者OLT的信息量、ONU的数量或者其它因素)来确定时间t2和时间间隔G。这些参数(即，t2和G)可由OLT在过程(其包括ONU报告所需带宽以及OLT通过EE-DBA指示带宽的准许)期间动态计算。此外要注意，δ和δ’两者（即延长下行传输周期）是可用的，并且这些时间取决于OLT的下行缓冲器状态。

为了更好地说明按照上述新特征交换的控制消息30和40以及还有OLT与ONU之间交换的业务数据(下行和上行)50和60，图4详述控制消息的交换，同时图5详述业务数据的交换。控制消息一般被看作是与某个过程、方法、算法相关的信息，而业务数据一般被看作是与内容、即电影、电子邮件、文档、歌曲等相关的信息。但是，业务数据还可包括控制消息或者控制位、例如MPSMP。

图4示出图3所示的控制消息30和40的交换以及还有ONU在各个时间所采取的动作。因此，图4所示的时间对应于图3所示的时间。在步骤400，在ONU 14业务进入。因此，ONU 14的接收器和收发器在步骤402接通。在步骤404，ONU向OLT发送DBRu控制消息30，以及还在步骤406关断发射器，并且使接收器保持接通。这个步骤在时间t0进行。在步骤408，OLT接收控制消息30，并且计算时间t2（应当执行OLT与ONU之间的上行与下行业务的将来时间）以及还有时间周期G(ONU应当使它的接收器和发射器接通以用于发送上行业务的时间量)。时间周期G由OLT基于所需上行带宽(其由ONU所请求，在由ONU传送给OLT的DBRu控制分组中指示)来指配。在这个步骤，生成PCBd控制消息40以包括t2和G。

在步骤410，OLT、例如稍后所述的控制器确定是否存在要发送给ONU的下行业务。如果这个确定的结果为否定，则在步骤412，OLT向ONU传送控制消息40。控制消息40对这种情况具有设置为零的MPSMP标志。在t1接收这个控制消息时，ONU在步骤414指示接收器和发射器关断，这是因为预期没有来自OLT的其他通信，直到时间t2。这个确定由稍后将论述的ONU的控制器(未示出)进行。

但是，如果在步骤410进行的确定的结果为肯定，即存在将要发送给ONU的更多下行业务，则OLT传送MPSMP标志设置为一的控制消息40，以便使ONU知道其他业务将要来到并且不关断其接收器。在步骤416，OLT传送MPSMP标志设置为一的这个下行业务，直到在步骤418以设置为零的MPSMP标志发送最后下行业务时的时间t1+δ。在这个时间t1+δ，ONU指示其接收器关断以节省功率，这是因为预期没有其他通信，直到t2。

因此要注意，控制消息交换部分是灵活的，即，具有取决于OLT的需要的可变持续时间(δ)，而QoS不受影响，同时功率消耗在ONU为最小。

转到上行和下行业务交换，图5示出对于该机制的这个部分所涉及的步骤。在步骤500(其在预先建立时间2进行)，ONU接通其发射器和接收器。然后，在步骤502，ONU向OLT传送上行业务(数据业务)，以及OLT向ONU传送下行业务。这个业务的交换是同时的，这由于下列原因而节省在ONU的功率。

考虑图6a所示的传统方式，其中在1)传送、2)接收、3)传送和接收两者、以及4)没有传送和没有接收时，发射器、接收器和共享设备SE接通。换言之，在时间间隔Δt期间，ONU的所有组件均接通。

考虑图6b所示的功率节省浅睡方式，其中接收器和共享设备SE始终接通，而发射器对于ONU传输(即，在时间周期Δt2期间)接通。换言之，发射器和接收器在时间周期Δt1期间同时接通，在时间周期Δt2发射器关断而接收器接通，其中时间周期Δt1和Δt2可加入Δt。

但是，对于图6c所示的新方式情况不是这样，其中发射器和接收器在时间周期Δt3期间同时接通，在时间周期Δt4期间发射器关断而接收器接通，以及在时间周期Δt5期间所有设备关断，其中时间周期Δt3、Δt4和Δt5可加入Δt。换言之，由于上述新机制，与传统方式或者功率节省浅睡方式(其有助于功率节省)相比，更明智并且在较少时间内使用图2的发射器20、接收器22和共享设备24。

回到图5，在步骤504，OLT的控制器进行先前传送的时间周期G是否足以传送送往ONU的下行业务的确定。如果这个确定的结果为肯定，则OLT在步骤506传送MPSMP标志设置为零的周期G的最后分组，以及在步骤508，ONU在时间t3(即，t2+G)关断接收器和发射器。

但是，如果在步骤504的确定为否定，则在步骤510，OLT传送MPSMP设置为一的时间周期G的最后分组。基于这个标志，ONU知道在步骤512使接收器保持接通并且关断发射器。OLT在步骤514传送其余下行业务，直到在步骤516 ONU关断接收器时的时间t3+δ’。

上述机制可按照随后所述的方法在控制装置中实现。按照图7所示的示范实施例，存在一种用于调度无源光网络PON中的业务交换以降低能量消耗的方法。该方法包括：指示ONU和OLT通过交换开始上行和下行通信的预定将来时间(t2)，使上行与下行通信之间的重叠为最大的步骤700；向ONU发送在其期间ONU需要使发射器和接收器接通的预定时间间隔(G)的步骤702；以及向从OLT发送给ONU的控制消息和/或数据业务添加标志(MPSMP)的步骤704，该标志指示是否从OLT接收其它消息。

现在回顾上述示范实施例的一个或多个的一些优点。与使用浅睡模式的系统相比，上述机制使用更少功率。另外，与采用睡眠模式的传统机制相比，这些新机制实现较高QoS等级，这是因为网络的QoS等级对于长循环睡眠模式ONU降低。另一方面，浅睡模式通过使其接收器保持接通，避免任何QoS损失。但是，与睡眠模式相比，这种机制增加功率消耗。所提出的新机制通过使ONU的接收器保持接通来避免功率消耗，以及通过引入由OLT在控制分组和下行数据传输两者中所使用的新的1位标志来降低睡眠模式的QoS损失。这个标志的引入通过高级和智能DBA算法以调度ONU，来减小下行业务的延迟。

按照另一个示范实施例，功率消耗降低通过重叠上行和下行传输来实现。换言之，一个或多个示范实施例按照使ONU的共享设备(其在上行和下行传输中都使用)的功率消耗为最小的方式来调度ONU及其下行业务。如所示，OLT推迟其在控制消息传输与ONU的选通时间之间所接收的下行业务推迟到所调度周期，以便使下行与上行传输之间的重叠为最大，这降低ONU的总功率消耗。注意，在浅睡模式中，OLT在其缓冲器中接收到下行业务时立即将它们传递。

为了便于说明而不是限制，参照图8来论述可存在于OLT或ONU中的典型控制装置的示例。但是,应当知道，当前示范实施例的原理同样可适用于其它系统。图8示出控制器800，控制器800可在OLT和/或ONU中实现。这种控制器可包括处理器802，处理器802连接到总线804。存储器806可用于存储用于处理器802的各种指令，例如如何计算t2和G。输入/输出单元808也可连接到总线804，并且这个单元向用户提供与控制器800进行交互、例如对它编程的可能性。可选光学单元810也可连接到总线804，并且允许经由PON与处理器802的数据通信。其它组件可包含在控制器中，如本领域的技术人员会知道的那样。

所公开的示范实施例提供用于调度无源光网络中的业务交换以降低能量消耗的控制器、PON和方法。应当理解，本描述并不是要限制本发明。相反，预计示范实施例涵盖包含在所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的备选、修改和等效方案。此外，在示范实施例的详细描述中，提出大量具体细节，以便提供对要求保护的本发明的全面理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这类具体细节也可实施各个实施例。

本领域的技术人员将会理解，示范实施例可具体体现在无线通信装置中、电信网络中、作为方法或者在计算机程序产品中。相应地，示范实施例可采取完全硬件实施例或者组合硬件和软件方面的实施例的形式。此外，示范实施例可采取计算机可读存储介质上存储的计算机程序产品的形式，其具有计算机可读指令包含在介质中。可使用任何适当计算机可读介质，包括硬盘、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)、光存储装置或者诸如软盘或磁带之类的磁存储装置。计算机可读介质的其它非限制性示例包括闪速类型存储器或者其它已知存储器。

虽然在具体组合的实施例中描述当前示范实施例的特征和元件，但是各特征或元件能够单独使用而无需实施例的其它特征和元件，或者在具有或没有本文所公开的其它特征和元件的各种组合中使用。本申请中提供的方法或流程图可通过计算机可读存储介质中有形包含的供专门编程计算机或处理器执行的计算机程序、软件或固件来实现。