EPON系统中半休眠模式降低功耗的研究*

2014-02-10孙文生

通信技术 2014年10期

关键词：时隙队列功耗

杜宇,孙文生

(北京邮电大学,北京100876)

EPON系统中半休眠模式降低功耗的研究*

杜宇,孙文生

(北京邮电大学,北京100876)

文中报告了中国电信网运营成本概况,主要分析了EPON系统中的节能效果。在EPON系统中,ONU能够在没有数据传输时切换他们的发射机,使其关闭——这种低功耗模式,被称为半休眠模式。说明了半休眠模式和动态带宽分配(DBA)算法对EPON系统的节能影响,对基于使用了3种不同DBA算法的两种半休眠模式“laggy”和“swift”的节能潜力进行了分析和比较,特别是这两种半休眠模式对能源效率和帧延迟的不同影响的评估。

半休眠模式能源效率平均帧延迟动态带宽分配

0 引言

近年来,各个领域的节能都已经引起全球范围的关注,根据2013年数据显示,信息科学技术(ICT)的电力消耗已经达到总能耗的16%,而电信网作为ICT的重要组成部分,其能耗随业务量增大而增大,未来十年,电信网的能耗将增大一倍以上,能耗增大导致其运营成本增加,2013年电信运营中,电费占其运维成本的60%—70%。节能不仅保证环境的可持续发展,而且大大降低了电信运营的成本,其中EPON系统的节能效果相比其他系统要好很多。虽然在1Gb/s的传输速度下,EPON已有较好的节能性能,但对于10Gb/s时代,更好的节能效果显得尤为重要[1]。在电信网的节能中,普遍使用的方法是,当一个网络节点处于空闲状态时,使它进入休眠状态,而当它有数据需要发送或接收时,将它唤醒。这种技术在无线网络,尤其是在无线传感器网络中已经被广泛使用。

有人提出了基于休眠控制功能的LAN交换机能量管理机制[2]。休眠控制功能的性能已经在现实条件下得到了定量评估。当链路上没有数据传输时,休眠控制功能能够减少设备的空闲能耗。作为休眠模式的一种,低功率空闲模式成为一种有效的节能机制。对于休眠控制来说,运行模式和休眠模式之间过于频繁的转换,会带来额外的能量损失,故此这部分能量的节省是十分值得研究的。

本文主要研究在EPON系统中应对突发业务流,使用半休眠模式,在许多不同的情况下获得的节能潜力。第一章介绍了EPON系统中典型的3种DBA算法,第二章对本文研究的两种半休眠模式进行介绍,第三章对应用3种DBA算法的半休眠模式节能效果和平均帧延迟进行分析比较,第四章对全文总结。

1 EPON系统中典型的DBA算法

1.1 DBA周期

在一定期间内,MPCP(Multi-Point Control Protocol多点控制协议)上行信道划分的ONU会向OLT传输其流量,这些传输流量的周期称为动态带宽分配(DBA)周期。每个DBA周期中,每个ONU通过向OLT发送流量报告(TR)报告其当前的带宽需求。在这些报告中,每个ONU向OLT通知存储在其上游队列的数据量。然后,基于所接收到的TR,在接下来的DBA周期,OLT让ONU使用基于DBA算法分配的非重叠传输时隙,并给每个ONU发送一个门消息(GM),通知它们开始时间以及其分配的传输时隙的长度。显然,为了避免同时进行多个上行链路传输,各ONU在其相应的传输时隙只能发送上行数据帧。此外,在每一对ONU的传输时隙之间插入适当的保护时间,以减少由于在OLT和ONU之间潜在的时间同步问题而引起的碰撞的危险。

1.2 DBA算法

在上行带宽分配给ONU设备方面,许多不同的DBA算法已经提出来了。因此,在本文中,我们着眼于最流行的低复杂度的DBA算法。在这里,本文考虑3个条件:首先,只考虑单一线程的DBA算法,即DBA算法中,每个ONU在每个DBA周期仅轮询一次。其次,当OLT接收到来自所有ONU的TR时,DBA算法的执行才被触发。最后,DBA算法发生在EPON系统每一个连接的ONU发送时隙。

DBA算法的主要任务之一是确定每个ONU在下一DBA周期发射时隙的长度。以下是在文献中提出一些发射时隙的长度[3-6]:

1)固定分配长度:所有的传输时隙具有相同的长度,与ONU的要求无关,也称为静态带宽分配[3]。这个简单的方案在性能方面显然是低效的,因为一些ONU收到太多的带宽,而其他的收到过少。

2)门限IPACT(Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time):OLT分配到各ONU的发送时隙是发送所有存储在其上游队列中的数据所需的精确长度。

3)有上限IPACT:为了给一个DBA周期的持续时间设置上限,这种方法指定了进行传输的时隙的预先定义的最大长度。所以,那些请求过大时隙传输的超载的ONU将时隙收缩到这个限制。从欠载的ONU中积累的过量的上行带宽可以在重载的ONU之间共享。

2 半休眠模式

ITU-T已经指定了一个协议支持休眠模式,但对于何时进入和退出这一模式有一定的可选择范围,故此,这个范围的设计是留给网络运营商的。最自然的方式来管理的半休眠模式是进入它的时候没有流量传输并且在新的上行流量到达的时候可以恢复正常运行。显然,为了最大限度地节约能源,ONU发送器应该只在有一些数据准备进行传输时被激活,每当上游队列变空时,ONU设备应进入半休眠模式,其传输电路断电,但是,此时任何传输都不可以进行而且上行流量传输时必须要缓冲。

从半休眠模式回到活动模式可以因为新的上行流量的存在而立即触发。然而,这种方法对于高负载或无突发流量的情况不是十分有效,虽然所需传输电路的断电时间可以忽略不计,但所需的来电时间和ONU消耗能量却不能被忽视。

此外,因为在被允许发送其排队的数据之前, ONU必须首先发送一个用来分配发送时隙的TR给OLT,故此在半休眠模式完成后,ONU设备尚未准备立即传输数据。另外,如果DBA周期的持续时间是固定的(例如,用固定DBA算法),那么ONU将在下一DBA周期时发送它的TR。

总之,模式转换花费的能量相当大的,ONU在一个新的帧准备发送时从半休眠模式中醒来,可能导致他们花费巨大的能量用于模式之间的切换,而不是有用的数据传输。因此,有必要推迟ONU从半休眠模式中唤醒,直到上游队列达到一定阈值的队列长度(Qw),从而减少模式转换的能量。显然,这一方案可以以增加帧延时为代价更大的节能,但为了避免从OLT上断线,帧延迟是有上限的,一个ONU可以在半休眠模式下保持持续的最长时间必须限制在50毫秒内。

2.1 动态队列阈值

显然,为了系统的性能,队列阈值的良好调谐是关键,如果这个阈值太高,帧可被过度延缓,相反,设置一个较低的队列阈值不能更好的节省功率。为了降低能源消耗上界,一个比较好的方案是根据当前的电路情况简单地调整队列的阈值。本文中调整了这个方法,以减少在ONU的功率消耗,同时试图在所规定的目标值范围内保持平均帧的延迟。这个方法是调整Qw参数,然后在最后DBA周期D[i]时测量所经历的帧的平均延迟,并将它与目标延迟量D*进行比较。如果D[i]＞D*,Qw将降低,以减少帧延迟。反之,如果D[i]＜D*,这意味着当前平均帧延迟足够低,可以让Qw递增,以降低功耗。假设在DBA周期i+1的上行流量特性与DBA周期i时相似,这样通过修改一个很小的Qw量γ就可以了。

2.2 两种半休眠模式

退出半休眠模式所需的实际时间和恢复正常操作所要的功耗,都取决于所采用的传输电路中具有特定技术的ONU设备。例如,使用常规的收发信机,过渡时间最长2 ms,半休眠模式所需的正常运行功率约为原来的30%。由于激活这些发射器所花费的时间量很大,这种省电模式为“Laggy”半休眠模式。在ONU设备上使用新技术,降低了转换时间,使其小于1 μs,半休眠模式下的功耗高达原来的60%。这种很短转换时间的半休眠模式称为“Swift”半休眠模式。

3 不同半休眠模式节能分析

为简单起见,本文的分析基于以下假设:首先, ONU发送TR在其相应的传输时隙的末端;其次,在OLT分配给ONU的半休眠传输时隙,只能容纳TR消息。为了使分析更具说服力,统一EPON系统的参数,使不同半休眠模式下节能结果更容易比较。

考虑到现阶段高速传输的节能效果,本文分析具有10 Gb/s的上行信道容量,保护时间为1 μs的EPON系统。比较小、中、大3种长度的队列阈值(如1,10,和100帧),为了更好的节能,系统中可以使用上一节中介绍的动态调整算法调整队列阈值。在以上系统中,分析比较“Laggy”和“Swift”两种半休眠模式的节能效果,如图1,图2所示,图中①表示固定分配长度DBA算法②表示门限IPACT DBA算法③表示有上限IPACT DBA算法。

图1 两种半休眠模式能量消耗Fig.1 Energy consumption of two doze modes

图2 两种半休眠模式平均帧延迟Fig.1 Average frame delay of two doze modes

3.1 “Laggy”半休眠模式

在“Laggy”半休眠模式中,活动模式时大约消耗功率的30%,在这个模式中要求的需要激活的发射器和恢复正常操作的高过渡时间是2 ms左右[7]。由于队列阈值对功耗有着直接的关系,我们分析在不同阈值下,“Laggy”半休眠模式对能源消耗和平均帧延迟的影响。当然,为更好的节能,半休眠模式中离不开DBA算法,在使用第二节所述的3个DBA算法下的节能效果和平均帧延迟。

由于这个模式的特性,即功耗消耗少,平均帧延迟大,即使在小队列的阈值时(如1帧),只要业务负载较低,所获得的节能效果应该是非常显著的(60%以下),虽然可以增加队列的阈值提供了更大的节能效果,但这是以高负荷的增加帧延时为代价的(超过10 ms),而且值得注意的是,该模式平均帧时延的最大值是有上界的。另外,在任何负载的情况下,使用动态的Qw调整算法可以使平均帧延迟值在一个可接受的范围内(约5 ms),且不会使功耗得增加超过可接受的值(40%以下)。

关于DBA算法的影响,如果该队列的阈值比较小(如1帧),由于固定DBA算法浪费了许多没必要消费的带宽,所以IPACT算法可以消耗更少的能量。而较高的队列阈值时(如100帧),由于固定DBA算法引入的相对大的DBA周期,能量耗费较少。有上限IPACT算法和门限IPACT算法之间也有一些差异,在高负荷,高队列阈值下,由于门限IPACT算法能够分配传输槽,可容纳所有存储在ONU的上行队列中的数据,减少了模式转换的次数,所以它比有上限IPACT要求的能量少一些。

3.2 “Swift”半休眠模式

在“Swift”半休眠模式中,活动模式时约消耗功率的60%,这是个需要能量的半休眠模式,但是,是能够在短短1 μs内恢复正常运行[7]。同样的,我们分析在不同阈值下,“Swift”半休眠模式对能源消耗和平均帧延迟的影响,也在3种DBA算法下,根据模式和算法的特点,分析比较节能效果和平均帧延迟。

同样的,在这个模式下,增加了队列阈值就可以更大的节省能源,但这是以增加延迟为代价实现的,但是,由于这种“Swift”模式的电力消费不能低于60%,这个限制使得一个小队列阈值在低负荷时很容易达到,在不同阈值下,功耗消耗差别不大(都在60%～65%),故此,对功耗的阈值的控制没有“laggy”半休眠模式那么重要。另外,在动态的Qw调整算法控制下,可以保持平均帧延迟并且仅仅造成很轻微功耗增加。当流量负载增加(因此帧间隔时间减少),该算法选择较高的队列阈值。这些高的阈值可以在不牺牲帧延迟的情况下(帧延迟在可接受的5ms以下)节约更多的电力。

关于DBA算法的影响,由于“Swift”半休眠模式比“laggy”半休眠模式的转换时间短很多,所以转换对功耗的影响大幅降低,即使是一个低阈值的队列,在低、中等负载条件下,IPACT算法消耗比固定DBA算法的能量要少,仅当业务负载较高以及模式转换的次数非常多时,固定DBA算法消耗更少的能源。

3.3 “Laggy”与“Swift”半休眠模式对比

为了能够更方便的比较“Laggy”和“Swift”两种半休眠模式,本文在低,中,高流量的负载条件下分析平均帧延迟和能量消耗。如果休眠模式在一个新的帧准备发送的时候就开始正常运作,使用“Swift”半休眠模式无疑是最佳的选择,因为这种模式可以有很好的节能效果的同时降低延迟。不过,因为具有较高的队列阈值时,ONU在半休眠模式花费大部分时间,帧延迟此时大于10 ms,而且在这种情况下,实现能源节约在跟本上受到限制(节能不能少于60%),故此这种模式在队列阈值越增加时节能效果越差。而队列阈值较高时,“laggy”半休眠节能只有40%左右,帧延迟相比“swift”模式只需要小幅增加,因此,这种情况下,为了消耗更少的能量,“laggy”半休眠模式成为一个很好的选择。

最后,值得一提的是,“laggy”半休眠模式在应用动态的Qw调整算法时应该优先选择,因为这种半休眠模式比“Swift”半休眠模式要求的能源更少,而且不会影响算法的性能。

4 结语

本文介绍了在EPON系统中,ONU使用半休眠模式可以降低其功耗。在两个不同的半休眠模式中,结合动态队列阈值和DBA算法的影响,对能源效率和平均帧延迟进行分析比较。这两种半休眠模式分别是:一个比较高能量要求的半休眠模式,它需要一个很短的过渡时间,以恢复其正常操作(“Swift“半休眠模式),以及一个低功耗半休眠模式,它需要一个相当大的转变时间(”laggy“半休眠模式)。

根据不同的需求,选择不同的半休眠模式,发挥这些模式的优势,实现在10 Gb/s甚至更高带宽下的良好节能的效果。这不仅是电信技术上的突破,更为能源节约和环保做出贡献。

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DU Yu(1991-),female,graduate student, mainly engaged in wireless and mobile communication theory and technology.

孙文生(1968—),男,博士,副教授,主要研究方向为无线通信和计算机应用。

SUN Wen-sheng(1968-),male,Ph.D.,associate professor,mainly engaged in wireless communication and computer application.

Power Consumption Decrease via Doze Mode in EPON System

DU Yu,SUN Wen-sheng
(Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100876,China)

This paper gives the operating costs of China Telecom network and analyzes the energy-saving effect in EPON system.In EPON system,ONU can switch its transmitters into temporary shut when there is no data transmission and this low power consumption mode is known as doze mode.This paper also explains the effect caused by doze mode and dynamic bandwidth allocation(DBA)algorithm on EPON system,then analyzes and compares the energy-saving potential of two doze modes“laggy”and“swift”based on three different DBA algorithms,in particular the evaluations on different effects of energy efficiency and average frame delay caused by these two doze modes.

doze mode;energy efficiency;average.frame delay;DBA

TN915.63

1002-0802(2014)10-1187-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.016