一种节能的OFDM-PON下行流量调度模式（本期优秀论文）

薛子威，秦有祥，吴 琦，顿 涵，刘亚帆，张俊杰（上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室，上海200072）



一种节能的OFDM-PON下行流量调度模式（本期优秀论文）

薛子威，秦有祥，吴 琦，顿 涵，刘亚帆，张俊杰
（上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室，上海200072）

摘要：针对传统O FD M-PO N中O N U接收机必须对接收到的所有下行广播信号进行耗能的数字信号运算的现象，提出了一种基于帧内O FD M符号时分复用的节能O FD M-PO N下行流量调度模式。网络仿真实验表明在下行网络负载为100%时，采用该调度模式可以在满足网络性能要求的条件下节省O N U接收机47.8%的能量消耗。

关键词：O FD M；PO N；节能；时分复用；下行流量调度

0　引言

近年来由于云存储、高清视频和网络会议等新兴网络业务的不断出现以及高速发展，以太网的网络带宽在不断地快速增长。光正交频分复用无源光网络（OFDM-PON）由于频谱效率高、带宽分配灵活和色散容忍度高等特点成为下一代光接入网的优选方案之一［1］。由于OFDM收发机需要大量高速复杂的数字信号处理（DSP）模块，使得OFDM-PON的功耗比其它光接入网要高，因此降低OFDM-PON的功耗是实现绿色光网络的重要环节。文献［2］提出了一种基于动态信噪比管理以及自适应调制技术的节能OFDM-PON，通过降低数字处理模块的复杂度来减少系统的功耗；文献［3］提出了一种基于非对称裁剪技术的节能的上行OFDM-PON传输系统。这些工作主要是通过优化OFDM收发机的硬件结构来实现节能。在基于流量调度的光网络节能技术方面，文献［4］提出了一种基于数据分组缓存的光网络单元（ONU）节能策略，但其研究的是上行流量（不是下行流量）的调度；文献［5］提出了一种基于下行流量调度的EPON节能技术，然而OFDM-PON的资源调度要比EPON更加灵活且调度粒度更细，节能的OFDM-PON下行流量调度算法仍然有待研究。本文从实际网络中下行流量动态变化的角度出发，提出了一种基于帧内OFDM数据符号时分复用的节能OFDM-PON下行流量调度模式，对其节能原理进行了详细介绍，并通过网络流量仿真实验研究了该模式下的网络平均下行数据包时延及ONU接收机节能效果。

1　基于时域逻辑链路标识符识别的节能方法

在传统的OFDM-PON系统中，光线路终端（OLT）将整个网络的下行流量通过广播方式发送给该网络内所有ONU接收机，每个ONU接收机都必须对接收到的全部信号进行一系列复杂的DSP运算以完成OFDM信号的解调，并根据解调数据中的逻辑链路标识符判别接收到的数据是否发送至本地，因此ONU端对非目的地数据的复杂OFDM DSP解调运算将造成大量的功耗浪费。本文作者在文献［6］中提出了在OFDM DSP解调前在时域上识别ONU逻辑链路标识符的方法，以避免ONU接收机必须完成OFDM DSP解调后才能获取ONU逻辑链路标识符进而消耗额外能耗的弊端。该方法提出了一种如图1所示的OFDM帧结构，该结构中在OFDM帧的训练序列之后插入了N位（N为ONU的个数）与各ONU一一对应的逻辑链路标识符。逻辑链路标识符中的每位用占4个采样点的曼彻斯特码来表示，逻辑1与逻辑0分别表示当前帧内包含、不包含发送至其对应ONU的数据。ONU接收机在完成OFDM符号同步后，在时域上通过简单的幅度判别即可获取逻辑链路标识符，并将不携带发送至本地数据的OFDM帧直接丢弃，从而避免了无用且耗能的复杂DSP运算。

图1　适用于节能算法的OFDM帧结构

本文定义ONU接收机内部各DSP模块对包含发送至本地数据的OFDM信号进行完整OFDM DSP解调时的状态为高功耗状态，定义其在时域上直接丢弃不包含发送至本地数据的OFDM信号时的状态为低功耗状态；分别用符号PH与PL表示高功耗状态与低功耗状态下ONU接收机的平均功率，并用符号α表示PL与PH的比值；分别用符号t与tL表示功耗测量时间以及ONU接收机在测量时间内处于PL状态的时间。在基于ONU逻辑链路标识符的OFDM-PON系统中，定义功耗系数为节能ONU接收机与传统ONU接收机功耗的比值，则节能ONU接收机的功耗系数ρ可以由式（1）计算得出。从式（1）可见，节能系统ONU接收机的功耗系数与的值相关，其中α与芯片的具体制造工艺、ONU接收机内部各模块的具体实现相关，与ONU接收机在下行传输过程中处于PL状态的时间比有关。当芯片制造工艺以及具体实现确定（也即α确定）后，可以通过延长ONU接收机处于PL状态的时间比来降低其功耗系数，从而提升ONU接收机的节能效果。

2　节能的OFDM-PON下行流量调度模式

2.1传统的OFDM-PON下行流量调度模式

传统的OFDM-PON下行流量调度模式有频分复用（FDM）、时分复用（TDM）以及时分频分混合复用（Hybrid TDM-FDM）三种模式。FDM模式在实际系统中通常采用固定载波分配策略以简化系统实现，该模式中下行数据包有较低的包时延；但该模式下即使OFDM帧内只包含一个携带有效数据的子载波，ONU接收机也将处于PH状态。因此，FDM模式下ONU接收机的功耗较高。TDM模式通过在OLT端对流量进行缓存从而实现下行数据包的分时传输，这种模式下ONU接收机处于高功耗状态PH的时间得以缩短，因此其功耗较低。但是在传统的OFDM-PON系统里，由于TDM模式资源调度粒度较大，因此其系统的带宽利用率较低。与TDM模式相比，Hybrid TDM-FDM模式有着更细的资源调度粒度，因此带宽利用率较高。但在此模式下以频分复用方式复用同一个OFDM帧的所有ONU同时处于高功耗状态PH，因此其节能效果较差。

2.2基于OFDM帧内OFDM符号时分复用的下行调度模式

图2　基于帧内OFDM符号时分复用的下行调度模式示意图

为了在保证带宽利用率的同时延长ONU接收机处于低功耗状态PL的时间，本文基于传统的下行流量TDM调度模式结合OFDM帧的物理结构提出了一种基于OFDM帧内OFDM符号时分复用的下行调度模式，其原理如图2所示。在该模式里下行流量的基本调度单位为OFDM符号，因此该模式与传统的TDM模式相比有着更细的资源分配粒度，从而有着更高的频带利用率。该模式中下行传输被分割成许多固定时长的周期，被称为调度周期，调度周期的时长可根据系统实际参数确定，但是每个调度周期内必须包含整数个OFDM帧。

如图2所示，该模式下每个调度周期内的OFDM帧被分为控制帧以及数据帧两部分，分别用来传输控制信息以及ONU的下行数据信息。OFDM帧在时域上由OFDM帧头 （包含训练序列以及逻辑链路标识符）以及许多连续的OFDM符号组成 （如图1所示），因此，可以根据流量调度结果在时域上将一个OFDM帧以OFDM符号为单位切分成若干组，并将每一组分配给不同的ONU进行下行流量传输。从图2可以看出，第一个OFDM帧的数据符号部分被分成了T1与T2两组，并分别分配给了ONU1与ONU2。此处要求T1以及T2内必须严格包含整数个OFDM符号。

采用该模式传输时，OLT为每个ONU分配一个队列缓存该ONU的下行流量，并且OLT需要在每个调度周期开始时通过控制帧将该周期内的下行带宽分配结果通过广播的方式发送给各个ONU。分配结果包括各个ONU所分配的下行OFDM帧的帧序号以及相应的帧内数据符号的起始与结束位置。各个ONU接收到控制帧后，将在本次调度周期内只对携带有效数据信息的OFDM数据符号进行DSP运算。由于基于OFDM符号的时分方式可以避免多个ONU同时处于高功耗PH状态，因此可以极大地延长ONU接收机处于低功耗状态PL的时间，降低OFDM-PON系统中ONU接收机的功耗。

3　算法仿真及数据分析

数据包的时延是一个重要的网络性能指标，为了研究所提出的下行流量调度模式的平均下行数据包时延以及节能效果，本文基于Matlab软件构建了一个包含30个ONU、带宽为10Gb/s和子载波数为2048个的OFDM-PON下行网络仿真模型。我们将网络内的ONU按业务优先级分为SLA0、SLA1和SLA2（优先级由高到低）三个等级［7］，其分别对应权重系数W0、W1和 W2（W0、W1和 W2分别被设置为 1.0、0.8和 0.7，ONU业务优先级越大则权重系数越高）。仿真中下行流量调度周期的时长 Tcycle设置为 2ms的典型值［8］，OFDM帧长设置为20μs，控制帧的时长Tcontrol设置为20μs，由于需要在每个周期的起始位置传输控制帧，因此该网络下行有效带宽为9.90Gb/s。该仿真中业务优先级为SLA0、SLA1和SLA2的ONU数目分别被设置为10个，且OLT与各ONU之间的光纤距离均被设置为25km，光纤传输时延为5μs/km，因此网络下行链路传输时延为0.125ms。本文定义下行网络负载（traffic load）为所有ONU的下行流量均值之和与下行有效网络带宽的比值，下行网络负载范围设为0.1～1.0（包含0.1与1.0），步长设置为0.1。在本仿真中网络下行流量服从泊松分布［8］，且在同一网络负载下各ONU的下行流量均值相同。

各优先级ONU下行数据包平均时延的仿真结果如图3所示，从图中可以看到最小平均时延略大于1.125ms，这是由于每个调度周期只可以为该周期之前到达OLT的下行流量分配带宽，因此最小时延略大于调度周期的一半。当网络负载小于0.7时，下行数据包的平均时延随着网络负载的增长缓慢上升，并且业务优先级较高的ONU平均时延增长速度较慢；当网络负载大于0.8时，下行数据包平均时延将快速增长。这是由于一个调度周期内到达的数据量过多，需要通过几个周期才能全部发送导致的，但是其仍然满足延迟敏感型网络服务（如网络视频、网络电话）端到端时延在56ms以内的QoS要求［9］。从图3可以看到优先级高的ONU有着相对较小的平均时延，这是因为优先级高的ONU下行流量将会被较早地发送。此外各业务优先级ONU的平均时延将随着其对应Wi值的增大而相对减小，也就是不同业务优先级ONU之间的相对时延可以通过调整Wi的值来动态控制。

图3　下行数据包平均时延仿真结果图

本文还通过网络仿真实验对提出的下行流量调度模式的节能效果进行了研究，并将其与 Hybrid TDM-FDM下行调度模式的节能效果进行了比较。本文的Hybrid TDM-FDM模式中，为了减少下行延迟，在时域上以20μs（即一个OFDM帧的传输时间）作为一个调度周期；将2048个子载波中的30个作为固定子载波传输控制信息（每个ONU占用一个子载波）［10］，其余2018个子载波作为下行共享数据载波，其中控制信息包括ONU占用子载波的序号等；各个ONU下行带宽的分配通过频域上的数据子载波调度来实现。这两种模式中均采用了基于ONU逻辑链路标识符的OFDM-PON系统，也即只有当对应的ONU逻辑链路标识符为1时，对应的ONU才需要完成OFDM DSP解调，且比较的基准均为传统的OFDM-PON系统。节能系统中的功耗系数可以通过式（1）计算得出，本文中设置PL与PH的比值α=0.5，两种模式下节能系统中所有ONU接收机的平均功耗系数仿真结果分别如图4所示。从图4（a）可以看出Hybrid TDM-FDM模式下，当流量负载较小时，ONU接收机的平均功耗系数较小；当流量负载较大时，在一个调度周期内，几乎所有的ONU以频分方式复用同一个OFDM帧。因此在ONU接收端，每一个ONU都需要进行OFDM DSP解调，其功耗水平将与传统OFDM-PON相当。

图4　节能效果仿真图

在本文提出的节能OFDM-PON下行流量调度模式中，OLT端通过对帧内OFDM符号的时分复用以及下行网络流量的缓存调度使得ONU接收机处于PH状态的时间显著缩短，其平均功耗系数与前者相比有了显著的降低。从图4（b）可以看出，在网络流量负载为100%的最差条件下，与传统的OFDM-PON系统相比，在基于ONU逻辑链路标识符的节能OFDM-PON系统中采用本文提出的下行流量调度模式可以降低ONU接收机47.8%的功耗。

4　结束语

本文介绍了一种基于时域逻辑链路标识符识别的ONU接收机节能原理，并提出了一种基于OFDM帧内OFDM符号时分复用的下行流量调度模式；通过网络仿真实验证明采用该模式可以在满足网络时延要求的情况下节省ONU接收机至少47.8%的功耗，这个数值与芯片的具体制造工艺、ONU接收机内部各模块的具体实现相关。

参考文献：

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［10］ZHANG J，WANG T，ANSARI N.An efficient MAC protocol for asynchronous ONUs in OFDMA PONs［C］//National Fiber Optic Engineers Conference（NFOEC），March 6-10，2011，California United States：OSA，2011：JWA071.

中图分类号：TN929.18

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0001-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.001

收稿日期：2016-02-03。

基金项目：国家自然科学基金（61420106011、61132004、61275073）资助；上海 市科学 发 展基金（13JC1402600、14511100100、15511105400、15530500600）资助。

作者简介：薛子威（1992-），男，硕士研究生，主要从事光通信与节能光网络的研究。

Energy efficient OFDM-PON
downstream traffic scheduling scheme

XUE Zi-wei，QIN You-xiang，WU Qi，DUN Han，LIU Ya-fan，ZHANG Jun-jie
（Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Abstract：In traditional OFDM-PON，the ONUs have to process all downstream OFDM signals，which may cause a huge waste of power consumption.This paper proposes an energy efficient downstream scheduling scheme based on the time division multiplexing of the OFDM symbols within an OFDM frame.At last，a traffic simulation experiment is conducted，which shows that 47.8%energy consumption of ONU receivers can be saved when the network traffic is 100%with no violation of the requirement of network performance.

Key words：OFDM，PON，energy efficient，TDM，downstream traffic scheduling