一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法技术

本发明专利技术涉及一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法。现有的基于ONU休眠的节能机制未能在节能效率和数据包时延之间做个很好的权衡，不能根据不同服务等级来调整ONU的休眠时间，也没有同时结合光与无线两种网络来确定ONU的最佳休眠时间。因此，本发明专利技术为了提高网络的节能效率，同时让数据包满足时延要求，在计算ONU的最佳休眠时间时，充分考虑了数据包的不同服务等级。同时，对光网络的时延就行了分析。基于数据包的时延要求和光与无线网络的时延，得到ONU的最佳休眠时间。另外，针对ONU休眠导致下行数据包时延增加的问题，采用了自适应网关选取策略。本发明专利技术所提出的设计方法能够在满足数据包时延要求的同时，有效降低网络的能耗。

A low energy network design method with adaptive gateway selection

The invention relates to a low energy consumption network design method with an adaptive gateway selection. Among the existing energy-saving mechanism based on ONU to dormant packet delay in energy efficiency and data make a good trade-off, unable to adjust ONU according to different grade of service sleeping time, nor at the same time the combination of light and two wireless network to determine the optimal sleep time ONU. Therefore, in order to improve the energy saving efficiency of the network and to satisfy the delay requirement of the data packets, the different service levels of the data packets are fully taken into account when calculating the optimal sleeping time of the ONU. At the same time, the time delay of optical network is analyzed. Based on the packet delay requirements and the time delay between the optical and wireless networks, the optimal sleep time of ONU is obtained. In addition, the adaptive gateway selection strategy is adopted to solve the problem that ONU sleep leads to an increase in downlink packet delay. The design method of the invention can effectively reduce the energy consumption of the network while meeting the requirement of packet delay.

【技术实现步骤摘要】
一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法
本专利技术属于光无线混合宽带接入网络通信
，涉及一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法。
技术介绍
近年来，高带宽应用的爆炸式增长，给需要具有低成本、高容量、接入灵活特性的“最后一公里”宽带接入网带来了很大的挑战。作为当今主流接入网技术，无源光网络(PassiveOpticalNetwork，PON)具有卓越的高带宽和稳定性特性，被广泛地认为是一种完美的解决方案。然而，PON并不能保证用户随时随地的接入，并且其部署成本比较大。作为另一种选择的无线接入网，由于其接入灵活和开销经济，越来越受到大家的欢迎。然而，稀缺的频谱资源严重地限制了无线接入网的带宽容量。为了充分利用PON和无线接入网各自的优势，给用户提供高带宽并且确保用户灵活接入，研究人员提出了光无线融合宽带接入网络(HybridOptical-WirelessBroadbandAccessNetwork，HOWBAN)。与其他接入网类似，能耗问题是HOWBAN要解决的关键问题之一。统计结果表明，信息与通信技术(InformationandCommunicationTechnology，ICT)的能量消耗已经占到了全球能量消耗的8％，预计这个数字在未来几年会急剧增加。同时，作为整个网络中的重要部分，接入网消耗的能量占到了ICT消耗能量的大约70％。作为接入网的一种，HOWBAN由大量的接入设备组成，并且这些设备长时间处于开机状态，消耗了大量能量，因此有必要在HOWBAN中采取节能措施来降低其能量消耗。研究表明ONU消耗的能量占到了PON能量消耗的60％，因此，HOWBAN中广泛采用控制ONU休眠的方式来实现节能。目前，针对HOWBAN的特点，国内外研究人员提出了多种ONU休眠机制，主要研究重点集中于光域ONU的休眠，其核心思想为使低负载ONU休眠来降低网络能耗，或者让ONU休眠时间为固定值。但上述思想均未考虑在设定ONU休眠时间时，充分考虑不同服务等级，以及同时结合数据包在光域和无线域的时延，这势必会导致网络的节能效率不高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，能够在满足数据包时延要求的同时，有效降低网络的能耗。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，包括以下步骤：1)基于上行中心调度机制，设计基于绿色动态带宽分配方案，对休眠以及活跃状态的时间点进行计算，并依据计算结果进行休眠和唤醒；2)对于上行数据包，通过对数据包排队时延、传输时延和传播时延的分析，得到数据包在光域的时延；3)上行数据包根据时延要求和不同服务等级计算出ONU的最佳休眠时间，转至步骤5)；4)对下行数据包分情况进行时延分析，并设计自适应网关选取策略，选择出时延最小的ONU来转发下行数据；5)ONU进行休眠控制。进一步的，所述绿色动态宽带分配方案为：OLT在收到所有ONU的Request消息后，开始为每一个ONU计算休眠时间并分配传输时隙，然后给所有ONU发送Grant消息，以告知ONU具体的休眠时间和为其分配的时隙，ONU在传输时隙内处于活跃状态并传输上行数据；反之ONU进入休眠状态。进一步的，所述休眠以及活跃状态的时间点计算方法为：在绿色动态宽带分配方案中，ONU在一个轮询周期内最多可以进入休眠阶段两次，第一次休眠阶段Tis,1为ONU收到其Grant消息到其开始传输接收到的上行数据包，第二次休眠阶段Tis,2为ONU发送了Request消息直到收到新的Grant消息；ONUi第一次休眠开始时刻为：ONUi第一次休眠结束时刻为：活跃状态开始时刻为：活跃状态的结束时刻为：第二次休眠开始时刻为：第二次休眠结束时刻为：其中为第n次轮询中第一个被轮询的ONU收到Grant消息的时刻，则为Grant消息的处理时间，为两个Grant消息之间的保护时间，Tio,1为ONUi结束第一次休眠后由休眠状态转换到活跃状态所用时间，UBi为分配的上行带宽，R为下行传输速率。进一步的，所述数据包在光域的时延的分析计算方法为：采用M/G/1模型来分析光域的总时延，在此模型中，总空闲时间vi＝vc+Tis+Tio；其中Tio为ONUi从休眠状态转换到活跃状态所用的总开销时间，Tis为ONUi总的休眠时间；令为Request消息的处理时间，为Grant消息的处理时间，为Request消息的传输时间；用c表示数据包的优先级，令c＝1，2，3分别对应ONU中维护三个优先级队列EF、AF、BE等级，第i个ONU中等级为c的数据包ξ经历的总时延Dc,i(ξ)为：Dc,i(ξ)＝Wc,i(ξ)+Tiprop+Xc,i(ξ)，其中Wc,i(ξ)为排队时延，其值为：其中Tiprop为传播时延，其值为di为光纤长度，Clight为光纤上的传输速率；Xc,i(ξ)为传输时延，其值为得到一个数据包在光域的总时延期望值为：其中λ代表ONU中数据包到达率，μ代表ONU中数据包的服务率，ρ＝λ/μ。进一步的，所述计算出ONU的最佳休眠时间方法为：数据包在光域和无线域的总时延不能超过相应的时延要求，表达为其中为服务等级为c的数据包的时延要求，E[P]为无线域的平均时延；可得休眠时间：为了使ONU休眠时间应尽可能长，进而可得：由于每个ONU中有三个优先级队列，为了满足所有优先级的时延要求，则ONUi的最佳休眠时间应该为：进一步的额，所述自适应网关选取策略为：记录下行数据包Q到达OLT的时刻t，然后分情况进行分析：(a)若令t时刻OLT中各ONU缓存队列中的下行数据包个数为可得数据包Q在OLT中的时延为：其中Colt为OLT的下行速率，L为数据包平均长度，表示在OLT中的排队时间为，τonu代表在OLT的传输时间，在ONU中的时延为：其中代表在ONU中的排队时间、τonu代表在在ONU的传输时间，Conu代表ONU的下行速率；进而可得数据包Q在光域的时延tpon：其中tfber代表数据包Q在光纤上传播时延；因此到达用户终端所消耗的总时延：其中dw为无线域平均时延，Pk表示第k条路径，E[To]为链路o上的平均时延；若i,j∈(1,N)，为了使下行数据包Q的总时延最小，应选择ONUj来转发数据，也就是说，OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONUj缓存队列；(b)若ONUi已服务时间为则可得数据包Q在OLT中的时延为：在ONU中的时延为：进而可得到达用户终端所消耗的总时延为：上述计算是基于ONUi仍有下行传输时隙，也即ONUi已经接收的下行数据小于UBi，若ONUi已经没有下行传输时隙，则不再考虑ONUi，而从ONUi+1,ONUi+2,…,ONUN中选择出转发ONU；若计算出数据包Q从ONUi转发所消耗的总时延后，需要计算数据包Q从ONUi+1,ONUi+2,…,ONUN转发所消耗的总时延其计算方法同情况(a)中的计算方法一样，可得数据包Q所消耗的最小总时延为：i,j∈(1,N)，则OLT应该将数据包Q分发到OLT中的ONUj缓存队列中；(c)若此时所有ONU已经完成第n次轮询周期内的数据传输，并且所有ONU的第n+1次轮询均未开始，数据包Q只能在第n+1次轮询周期内传输，为了使下行数据包的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1)基于上行中心调度机制，设计基于绿色动态带宽分配方案，对休眠以及活跃状态的时间点进行计算，并依据计算结果进行休眠和唤醒；2)对于上行数据包，通过对数据包排队时延、传输时延和传播时延的分析，得到数据包在光域的时延；3)上行数据包根据时延要求和不同服务等级计算出ONU的最佳休眠时间，转至步骤5)；4)对下行数据包分情况进行时延分析，并设计自适应网关选取策略，选择出时延最小的ONU来转发下行数据；5)ONU进行休眠控制。

【技术特征摘要】
1.一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1)基于上行中心调度机制，设计基于绿色动态带宽分配方案，对休眠以及活跃状态的时间点进行计算，并依据计算结果进行休眠和唤醒；2)对于上行数据包，通过对数据包排队时延、传输时延和传播时延的分析，得到数据包在光域的时延；3)上行数据包根据时延要求和不同服务等级计算出ONU的最佳休眠时间，转至步骤5)；4)对下行数据包分情况进行时延分析，并设计自适应网关选取策略，选择出时延最小的ONU来转发下行数据；5)ONU进行休眠控制。2.根据权利要求1所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于，所述绿色动态宽带分配方案为：OLT在收到所有ONU的Request消息后，开始为每一个ONU计算休眠时间并分配传输时隙，然后给所有ONU发送Grant消息，以告知ONU具体的休眠时间和为其分配的时隙，ONU在传输时隙内处于活跃状态并传输上行数据；反之ONU进入休眠状态。3.根据权利要求2所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于，所述休眠以及活跃状态的时间点计算方法为：在绿色动态宽带分配方案中，ONU在一个轮询周期内最多可以进入休眠阶段两次，第一次休眠阶段Tis,1为ONU收到其Grant消息到其开始传输接收到的上行数据包，第二次休眠阶段Tis,2为ONU发送了Request消息直到收到新的Grant消息；ONUi第一次休眠开始时刻为：ONUi第一次休眠结束时刻为：活跃状态开始时刻为：活跃状态的结束时刻为：第二次休眠开始时刻为：第二次休眠结束时刻为：其中为第n次轮询中第一个被轮询的ONU收到Grant消息的时刻，则为Grant消息的处理时间，为两个Grant消息之间的保护时间，为ONUi结束第一次休眠后由休眠状态转换到活跃状态所用时间，UBi为分配的上行带宽，R为下行传输速率。4.根据权利要求3所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络设计方法，其特征在于，所述数据包在光域的时延的分析计算方法为：采用M/G/1模型来分析光域的总时延，在此模型中，总空闲时间vi＝vc+Tis+Tio；其中Tio为ONUi从休眠状态转换到活跃状态所用的总开销时间，Tis为ONUi总的休眠时间；令为Request消息的处理时间，为Grant消息的处理时间，为Request消息的传输时间；用c表示数据包的优先级，令c＝1，2，3分别对应ONU中维护三个优先级队列EF、AF、BE等级，第i个ONU中等级为c的数据包ξ经历的总时延Dc,i(ξ)为：Dc,i(ξ)＝Wc,i(ξ)+Tiprop+Xc,i(ξ)，其中Wc,i(ξ)为排队时延，其值为：其中Tiprop为传播时延，其值为di为光纤长度，Clight为光纤上的传输速率；Xc,i(ξ)为传输时延，其值为得到一个数据包在光域的总时延期望值为：其中λ代表ONU中数据包到达率，μ代表ONU中数据包的服务率，ρ＝λ/μ。5.根据权利要求4所述的一种带有自适应网关选取的低能耗网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汝言，梁阿磊，吴大鹏，张鸿，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50