IEEE 802类型网络中的电力节省

摘要

一种用于IEEE 802类型和ITU-T G.984类型网络中电力节省的系统和方法通过使用来自于用户设备和网络设备的用于通过用户设备或网络设备来启动电力节省的信息，克服了常规技术的局限，使得能够实现诸如光网络的链路上的电力节省。该创新技术提供用于在用户和网络设备之间进行通信的系统和方法，促使用户或者网络设备为用户设备启动睡眠模式。设备中睡眠模式的实施允许设备的发射机和接收机断电达特定的时间长度，在该时间长度期间发射机和接收机(也被称为设备的物理接口)不消耗电力。

说明书

技术领域

本实施方式一般涉及通信网络领域，更具体地，涉及IEEE 802类型和ITU-T G.984类型网络中的电力节省的系统和方法。

背景技术

本申请要求2009年1月25日提交的临时专利申请(PPA)序号61/147,103的权益，此处以引证的方式并入其内容。

技术和术语的背景信息能在IEEE 802和ITU-T G.984标准中找到。能源成本的上升、数据中心规模的扩大以及电子设备的密度增长是企业对于操作中能量消耗影响变得越来越敏感的一些原因。特别地，许多公司关注于其信息技术(IT)系统的电力使用以确定能源成本是否降低。电力使用的一个方面是通信设备的能量消耗。

IEEE 802类型网络(其在本文献的语境中通常包括ITU-T G.984类型网络)是对于企业和最初一英里接入通信来说普遍的选择。IEEE 802类型网络的一个例子是以在诸如100Base-T、10GBASE-R和以太网无源光网络(EPON)这样的标准中实施的以太网标准。IEEE 802类型网络中电力节省的重要性可以从IEEE 802.3工作组看出，该工作组最近已经成立了正式名称为802.3az的节能型以太网(EEE)任务组，以定义用于降低铜以太网的平均功耗的解决方案。已经提出多种常规解决方案。

Linghsiao Wang和James Yik的美国专利申请60/172986号(题为“Power Saving For Ethernet MAC Control Logic”)教导了一种通过停止和开启MAC控制逻辑模块和帧处理器模块之间的时钟信号来控制通信设备内部的电力的方法。

Wael William Diab等人的美国专利申请20090204828号(题为“Hybrid Technique in Energy Efficient Ethernet Physical Layer Devices”)教导了一种结合并管理多个低电力模式的混合方法。该混合万法使用低电力空闲技术和物理接口技术的结合，其可以在通信设备内部被选择性地激活。在物理接口技术中，当数据传输需求较高时链路利用能够使用高数据率，并且当数据传输需求较低时能使用低数据率。在低电力空闲技术中，链路的发送侧能被设计为当没有数据传输时进入低电力空闲模式，在该模式中大部分物理接口和链路上的能源被关闭(进入睡眠)。发送物理接口并不完全关闭，而是发送物理接口发送刷新信号以使得接收机维持链路同步并接收从低电力模式中唤醒的预先通知。

David J.Koenen等人的美国专利申请20080304519号(题为“Methodfor Ethernet Power Savings on Link Aggregated Groups”)教导了提供降低当被组织在链路聚合组内时由以太网链路组所消耗的电力的能力。当服务器或开关感应到组内通过多个链路的低带宽利用率时，其将协商从不必需链路到较低的电力状态的转换。当带宽需求增长时，算法将快速地重建链路，并且当需要时通过多个链路分配以太网业务。

Robert Hays的美国专利申请20090119524号(题为“Energy EfficientEthernet Using Active/Idle Toggling”)教导了以太网控制器可以被配置为在激活电力状态中操作从而以最大可用链路速度发送或接收数据包。一旦数据包被发送或被接收，该以太网控制器能被配置为在空闲电力状态中操作以降低能量消耗。Hays定义了一种“空闲电力状态”作为电力状态，其足以与链路伙伴一起维持开放链路，但是不足以发送或接收数据。换而言之，该“空闲电力状态”以太网控制器和链路伙伴之间维持以太网通信连接。

在本文献的语境中，用户通信设备，或更简单地称为用户设备是指通常位于用户处的设备，并且向用户提供用于与相关的通信网络(更简单地称为网络)进行发送和接收的接口。在本文献的语境中，网络通信设备，或更简单地称为网络设备是指通常被置于多个用户的中心的设备，其通过通信网络可操作地连接到用户设备，并且提供用于与相关的通信网络进行发送和接收的接口。网络设备能提供网络上用户设备之间的通信和/或用户设备和另一个网络之间的通信。

以太网中的电力节省的常规解决方案集中于改变链路数据率或选择性地降低用户设备的物理(PHY)接口的功耗。虽然使用较低的数据率发送数据相对于使用较高的数据率能节省电力，但是维持较低的数据率的传输会持续使用电力。当经由模拟通信(例如铜以太网)发送时，发射机能够以较低的电力水平进行发送以降低电力，但是发射机持续使用电力。通过监视空闲传输时间和关闭设备的发射机来控制用户设备内的电力可以为发射机节省电力，然而接收机持续使用电力。多种常规的低电力和空闲状态能为发射机和接收机节省电力，但是在用户设备内仍然需要功耗以监视通信信道从网络设备接收“唤醒”信号。

因此需要一种用于网络中的电力节省的系统和方法，其中传输介质不促使接收机检测发射机退出低电力状态的发射机信号，该网络包括IEEE 802类型和ITU-G.984类型网络，但是不限于以太网络。更进一步地，期望使用来自用户和网络设备的用于通过用户设备而启动电力节省的信息。

发明内容

一种用于IEEE 802类型和ITU-T G.984类型网络中电力节省的系统和方法通过使用来自于用户设备和网络设备的用于通过用户设备或网络设备来启动电力节省的信息，克服了常规技术的局限，使得能够实现诸如光网络的链路上的电力节省。该创新技术提供用于在用户和网络设备之间进行通信的系统和方法，促使用户或者网络设备为用户设备启动睡眠模式。设备中睡眠模式的实施允许设备的发射机和接收机断电达特定的时间长度，在该时间长度期间发射机和接收机(也被称为设备的物理接口)不消耗电力。

附图说明

这里仅通过举例的方式并参考附图来描述实施方式，附图中：

图1是通用IEEE 802类型网络的概图。

图2是EPON的概图。

图3是IEEE 802类型网络中的普通睡眠控制消息流的流程图。

图4是示出SLEEP_REQ消息的字段和字节(octet)的实施方式的表。

图5是示出CHANGE_SLEEP_MODE消息的字段和字节的实施方式的表。

图6是示出SLEEP消息的字段和字节的实施方式的表。

图7是在通信网络中用于电力节省的系统的图。

具体实施方式

参考附图和附随的描述可以更好地理解根据本实施方式的该系统和方法的原理和操作。用于在IEEE 802类型网络中电力节省的系统和方法的一个实施方式通过使用来自于用户和网络设备的用于通过用户或网络设备来启动电力节省的信息，来克服常规技术的缺陷，使得能够实现诸如光网络的链路上的电力节省。该创新技术提供用于在用户和网络设备之间进行通信的系统和方法，促使用户或者网络设备为用户设备启动睡眠模式。设备中睡眠模式的实施允许设备的发射机和接收机断电达特定的时间长度，在该时间长度期间发射机和接收机(也被称为设备的物理(PHY)接口)不消耗电力。实际上注意到，根据物理接口的结构，可以存在具有零散的(stray)和/或剩余的功耗的物理接口的组件，因此物理接口的功耗的非常精确的测量可以在给定测量周期期间显示最小功耗。该最小功耗通常不被考虑为与本发明的语境相关。

在本文献的语境中，术语“发射机”是指能使设备向相关的通信网络发送数据的设备组件。类似地，术语“接收机”是指能使设备从相关的通信网络接收数据的设备组件。在本文献的语境中，除非特别定义，数据用作对所有被通信的信息的一般引用。

该实施方式能被用于IEEE 802类型网络(包括但不限于铜和光网络)中的电力节省。通常，IEEE 802类型网络中的网络设备与多个用户设备通信。由于一个或更多个用户设备能够进入睡眠模式，而网络设备通常忙于与用户设备、其它网络通信以及照顾其它杂事，使得网络设备没有空闲时间进入睡眠模式。虽然该可操作的描述是正常的操作状态，但是该方法的实施不仅限于用户设备，对于网络设备进入睡眠模式是可能的。网络仅包括两个设备(单个网络设备和单个用户设备)的非限制性示例是对于网络设备进入睡眠模式有用的实施的示例。当两个设备中的任一个都没有数据向另一个设备发送时，两个设备能够进入睡眠模式。

为了清楚，在本描述中特定实施方式将利用以太网无源光网络(EPON)组件来描述。在这样的情况下，用户设备被实现为光网络单元(ONU)，网络设备被实现为光线路终端(OLT)，并且通信网络是EPON网络。

现在参考附图，图1是IEEE 802类型网络的概图。网络设备100连接到一个或更多个用户设备(102A，102B，102N)并且在网络上的用户设备之间提供通信。可选地，网络设备100连接到一个或更多个设备(例如网络交换机104)，以在用户设备和其它网络106之间提供通信。

参考图2，EPON网络的概图示出了IEEE 802类型网络的一个示例性实施方式。网络设备，OLT 200，经由无源分光器208连接到一个或更多个用户设备(ONU-1202A，ONU-2202B和ONU-N 202N)，并且在网络上的用户设备之间提供通信。可选地，OLT 200连接到一个或更多个设备(例如网络交换机104)，以在用户设备和其它网络106之间提供通信。

参考图3，其是IEEE 802类型网络中普通睡眠控制消息流的流程图，时间300被示为沿着页面下行的相对比例。该睡眠控制消息流促使设备的发射机和接收机断电达给定时间长度，在该给定时间长度期间发射机和接收机不消耗电力，由此导致节省了设备的电力。在第一种情况中，当网络设备100没有任何数据向用户设备102A发送时，睡眠控制消息流开始。网络设备100向用户设备102A发送请求用户设备转换到循环睡眠模式的消息(已知为SLEEP_REQ 302)。如果用户设备102A没有任何数据要发送，则用户设备通过发送进入睡眠的请求(已知为CHANGE_SLEEP_MODE_304A)，来响应网络设备100并且转换到循环睡眠模式303A。在第二种情况中，如果用户设备102A没有数据要发送，则睡眠控制消息流能够以用户设备向网络设备100发送CHANGE_SLEEP_MODE 304A作为开始。

在以上两种情况中，如果网络设备100没有任何数据要向用户设备102A发送，则网络设备向用户设备发送使用户设备进入睡眠达确定的睡眠时间的指令(已知为SLEEP 306A)。网络设备100还暂停存活处理(keepalive process)和到用户设备102A的其它通信308。当用户设备102A接收SLEEP指令306A时，用户设备转换到睡眠模式310A，将适当的组件断电，该组件通常包括但不限于发送逻辑和接收机。当用于睡眠的确定的睡眠时间已经到达时，用户设备102A转换到循环睡眠模式303B，对适当的组件供电，该组件通常包括但不限于发射机和接收机。用户设备现在准备从网络设备接收允许用户设备进行发送的准许消息(已知为GATE)。网络设备100还知道用于用户设备102A睡眠的确定的睡眠时间何时已经到达，并且向用户设备发送传输机会消息，其被示为GATE命令312A(准许消息)。

如果用户设备102A没有数据要向网络设备100发送，则用户设备发送告知用户设备没有数据要发送并因而能够回到睡眠的REPORT 314A。当网络设备100没有任何数据要向用户设备102A发送时，网络设备向用户设备发送SLEEP 306B。当用户设备102A接收SLEEP指令306A时，如上所述，用户设备转换到睡眠模式310B。当用于睡眠的给定时间长度已经到达时，用户设备102A再次转换到循环睡眠模式303C并且网络设备100发送GATE 312B，如上所述。

如果用户设备102A有数据要向网络设备100发送，则用户设备发送告知用户设备102A想要进行发送的REPORT 314B。网络设备100向用户设备102A发送GATE 312C并且还激活存活处理和到用户设备的其它通信316。用户设备102A发送其从循环睡眠模式到普通模式转换的消息，其被示为CHANGE_SLEEP_MODE 304B。用户设备102A从循环睡眠模式转换到普通模式318。现在通信正常恢复。如果再次没有数据要发送，则可以重复睡眠控制消息流。

在网络设备从用户设备102A接收CHANGE_SLEEP_MODE 304并且网络设备有数据要向用户设备发送的情况下，网络设备向用户设备发送数据作为普通数据消息。当用户设备未接收到SLEEP指令306时，替代接收数据，用户设备从循环睡眠模式转换到普通操作模式。

在一个实施方式中，用于睡眠的确定睡眠时间可以是由网络设备或用户设备上的系统操作者手动配置的。在另一个实施方式中，确定睡眠时间能由网络设备计算并作为睡眠消息的部分被发送到用户设备。在用户设备和网络设备中时间被同步的实施方式中，确定睡眠时间是未来的绝对时间。在非限制性的示例中，如果当前时间是第一时间戳(F424基数16)，则绝对确定睡眠时间可以是第二时间戳(605234基数16＝在未来时间戳将是100毫秒)。在另一个实施方式中，确定睡眠时间可以是相对时间。在非限制性的示例中，相对确定睡眠时间可以是数值(BA2E8BA基数16＝100毫秒)。基于该描述和特定的应用，确定睡眠时间的其它实施方式对于本领域技术人员而言将变得清楚。

在可选实施方式中，网络设备100监视通信业务负载，用户设备102A被识别为轻负荷，并且网络设备向用户设备发送SLEEP_REQ 302。在该实施方式中，虽然用户设备有数据要发送，但是用户设备接受SLEEP_REQ，转换到循环睡眠模式并向网络设备发送CHANGE_SLEEP_MODE。数据在用户设备中被缓冲直到用户设备转换到普通操作模式，随后数据被发送，伴随着通信信道上的负载相对较高。

在可选实施方式中，网络设备能向已经请求了CHANGE_SLEEP_MODE的单个用户设备初始地发送SLEEP。随后的SLEEP消息能被广播给网络上的所有用户设备，并且所有处于循环睡眠模式的侦听用户设备转换到睡眠模式。

在可选实施方式中，在接收GATE 312B之后用户设备立即发送CHANGE_SLEEP_MODE 304C。在另一个可选实施方式中，用户设备在接收GATE 312B之后立即发送用户数据，由此向网络设备暗示地告知用户设备已经转换到普通模式。

用于决定发送SLEEP的特定算法并不在本描述的语境中。一个实施方式是基于网络设备在从用户设备接收到SLEEP_REQ之后就发送SLEEP的决定。

在一些应用中，优选可以改变转换模式、发送消息，以及暂停和激活的顺序。在一个非限制性的示例中，网络设备100暂停存活处理和其它通信308，然后向用户设备102A发送SLEEP指令306。基于本描述和特定应用，其它实施方式对于本领域技术人员将变得清楚。

对于上述方法的实施方式，在用户设备和网络设备之间发送的消息需要包含充足的信息，以提供睡眠控制消息流所需的控制(电力节省控制)。在IEEE 802类型网络中，媒体访问控制(MAC)层规范并不足以提供该控制。因此，需要提供具有对于睡眠控制消息流的充分控制的机制。

用于提供对于睡眠控制消息流的控制的机制的一个实施方式使用MAC层之上的网络控制层(例如，802.1MAC客户层或802.3MAC控制层)的消息格式和状态信息。网络控制层包括用于建立时间同步的机制，并且该共享时间概念能被用于控制目的。现有的时间同步机制被扩展，使得发送设备能发送特别消息以通知接收设备其在确定睡眠时间内不接收数据。

在以太网无源光网络(EPON)中，睡眠控制消息流能在MAC层之上的网络控制层内被实施，该MAC层用于控制复用，并被称为多点MAC控制[MPCP]层。现有的MPCP规范包括用于建立时间同步和使用共享时间概念(具有守卫区域)以激活复用传输的机制。该现有的MPCP时间同步机制被扩展，使得发送设备能发送特别消息以通知接收设备其在确定睡眠时间内不接收数据。此外，MPCP层被修改，因而存活功能在用户设备处于睡眠模式时被暂停。注意到，控制同步交换使用IEEE 802协定，例如与使用3个通知的GPON相对比，其仅使用一个通知。在EPON中，上述用户设备和网络设备分别被实施为光网络单元(ONU)和光线路终端(OLT)。

参考图4，其示出SLEEP_REQ消息的字段和字节的实施方式的表，字段基于一般的MPCP帧(也已知为MPCP数据单元-MPCPDU)的格式。所有的MPCPDU都是由下列字段组成的64字节MAC控制帧：

目的地地址(DA)-MAC控制帧的目的地地址字段包含帧打算被供给的设备的48比特地址。

源地址(SA)-MAC控制帧的源地址字段包含发送帧的设备的48比特独立地址。

长度/类型-MAC控制帧的长度/类型字段是包含十六进制值88-08的2字节字段。该值已经被普遍分配以标识MAC控制帧。

操作码-操作码字段是2字节字段，其标识特殊的MAC控制帧。

OUI-OUI字段是3字节可配置字段。

扩展操作码-可配置的。在该SLEEP_REQ的实施方式中，值00-00₁₆用于指示该帧是SLEEP_REQ消息。

填充/保留-这些字段承载有关特殊MPCP功能的信息。未被操作码特殊字段使用的有效载荷的部分应当被填充为零。

帧校验序列(FCS)-FCS字段承载由MAC使用的CRC-32值以验证接收帧的完整性。

参考图5，其示出CHANGE_SLEEP_MODE消息的字段和字节的实施方式的表，字段类似于为SLEEP_REQ描述的那些字段。扩展操作码字段被配置为值00-01₁₆，其用于指示该帧是CHANGE_SLEEP_MODE消息。一个额外的字段被指定：新模式-1字节字段，其指示设备是否请求从循环睡眠模式改变到普通模式(由值0指示)或从普通模式改变到循环睡眠模式(由值1指示)。

参考图6，其示出SLEEP消息的字段和字节的实施方式的表，字段类似于为SLEEP_REQ描述的那些字段。扩展操作码字段被配置为值00-02₁₆，其用于指示该帧是SLEEP消息。一个额外的字段被指定：唤醒时间-4字节字段，其指示用于睡眠的确定睡眠时间。在EPON网络中，该值优选为EPON时钟，基于时间量子的时间戳(1时间量子，或TQ是16纳秒)。

如上所述，用于睡眠控制消息流所需的控制(电力节省控制)的特定字段、长度和值的实施方式基于本应用能够变化。基于本描述和特定应用，控制机制的其它实施方式对于本领域技术人员将变得清楚。

现在参考附图，图7是用于通信网络中电力节省的系统的图。用户设备702包括用于网络上通信的通信模块704以及可操作地连接到通信模块704的处理系统706，该处理系统706包含一个或更多个处理器708。处理器708被配置为具有用于发起睡眠控制消息流的睡眠控制模块710和被配置用于当睡眠控制消息流被发起时将用户设备转换到循环睡眠模式的模式控制模块712。注意，为了清楚，模块之间的连接未在图7中示出。

网络设备700可操作地连接到用户设备。网络设备700包括用于网络上通信的通信模块730和可操作地连接到通信模块的处理系统732，该处理系统732包含一个或更多个处理器734。处理器734被配置具有用于确定用户设备处于睡眠模式的睡眠时间的睡眠时间确定模块736，其中用户设备702基本上不使用电力来与网络设备700通信。处理器734还被配置具有睡眠决定模块736，其被配置用于确定网络设备700是否需要向用户设备702发送数据以及用于促使从网络设备发送数据消息。如果网络设备700没有数据要向用户设备702发送，则睡眠决定模块736开始促使从网络设备向用户设备发送睡眠消息并且促使网络设备暂停与用户设备相关联的存活处理。

用户设备处理系统还被配置具有睡眠决定子模块714，其被配置为当用户设备702处于循环睡眠模式中时，在用户设备从网络设备700接收到数据消息之后，促使将用户设备转换到普通模式；或者在用户设备从网络设备接收到睡眠消息之后，促使用户设备转换到睡眠模式达睡眠时间。

在可选实施方式中，用户设备睡眠控制模块710进一步被配置为促使从用户设备702向网络设备700发送第一改变睡眠模式消息。在另一个可选实施方式中，网络设备处理系统732进一步被配置具有网络设备睡眠控制模块738，用于通过促使从网络设备700向用户设备702发送睡眠请求消息来发起睡眠控制消息流。

根据应用，上述多个模块的功能能被结合或分离来实施。基于本描述和特定应用，模块的其它实施方式对于本领域技术人员而言将变得清楚。

应当理解，上述描述旨在仅用作示例，而且在如所附权利要求所限定的本发明范围内可以做出许多其它的实施方式。