ONU节能效应研究

刘 波，袁泽勇

（中国移动通信集团四川有限公司，四川 成都 610041）

ONU节能效应研究

刘 波，袁泽勇

（中国移动通信集团四川有限公司，四川 成都 610041）

文章提出了一种基于光网络单元（ONU）的互联架构，该架构下的ONU能有效降低负载以及运行能耗。仿真结果表明，在新型电交换（ES）接入网结构中，采用2，3，4个节点互联的ONU架构的接入网在低负载时的运行能耗进一步降低，可以分别使网络能耗在一天中下降12%，15%，16%。

ONU互联结构；高能效；网络能耗

随着人类社会的发展，能源消耗已经成为影响环境、社会和谐发展的重要问题。以通信传送网为支撑的IT产业已经成为高能耗行业的代表，2009年我国三大网络运营商通信用电量达到289亿度，约等于三峡电站2011年总发电量的1/3。以中国移动某地级市分公司为例，其一年电费支出3200万元，成为最大的维护支出成本。通信网中，接入网部分的能耗约占整个网络能耗的67%。降低接入网能耗对提高通信网能效，实现节能减排、降本增效、发展绿色通信产业具有重要意义。

2007年澳大利亚R.S.Tucker研究团队首次提出了绿色光网络的概念［1］。随后各国学者围绕降低光接入网能耗展开了一系列的研究，在绿色光接入网的体系结构和协议方面已经取得了一定的研究成果。J.Baliga对各种接入网的能耗进行了具体分析［2］。E.Wong等提出了基于垂直腔激光器的新型ONU设备方案［3-4］。同时，国内研究团队在光接入器件降低能耗方面也取得了一定的研究成果［5］。

基于提高能效的目的，本文从网络架构体系出发，构建了无源光网络的理论能耗模型，提出ONU组合互联结构实现接入网低能耗方案并进行仿真验证，证明了ONU互联结构的低能耗特性。

1　接入网能耗理论模型

接入网主要结构由Optical Network Terminator （OLT），Remote Node（RN），ONU三大部分构成。OLT连接了核心网和接入网，同时它控制第二层、第三层节点在资源管理、服务聚合以及管理控制下层设备的功能；RN是连接OLT与ONU的中间节点，主要起交换开关的作用；ONU是用户接入设备，提供数据、语音、IPTV等业务接入。在较为先进的密集波分复用系统下，OLT的能耗主要由其收发机模块，温控设备，接口开关产生，POLT=P收发机+P温控设备+P接口设备；RN能耗由滤波器的温控设备构成，PRN=P温控设备；ONU的能耗由光收发模块、温控设备、光纤/电缆接口以及其它一些如稳压器和直流/交流转换带来的额外能耗构成，PONU=P收发机+P温控设备+P光纤/电缆接口设备+P其他。可见，由于复用技术而给网络带来了额外的温控系统设备的能耗，也增加了接收系统信息处理的难度。

基于Tucker教授提出的ES低能耗接入结构，考虑到器件的规模与能耗以及接入网器件利用率的关系，文章提出了ONU的互联结构，通过ONU的互联，增大信道的利用率，减少RN端工作的二层接口器件的数量，从而降低接入网能耗。

在该接入网结构下，ONU和与其临近的1个，2个，3个或者更多的ONU进行互联，它们之间可以互相进行通信。ONU之间的互联信号收发由光模块完成。在组合结构下，由OLT发出的光信号经过RN处40Gbit接收机接收，经过处理后再由RN的每个第二层电光转换开关接口向其对应的ONU进行点对点的传输；当在低负载下采用双ONU互联时，下行信号首先通过主ONU的光模块接收，在光模块中根据头信息进行初步处理后，对应于该主ONU的数据由1000 base T/F发送给其服务客户，对应于ONU的数据在光模块中进行再生后发送给从ONU再传输到对应用户；上行信号，从ONU的用户数据首先发送到主ONU对应从ONU的光模块，主ONU对其接收后与该主ONU对应的上行信号进行汇聚，再通过主ONU与RN连接的光模块发送至RN接口。若主ONU与从ONU的负载增大到主ONU无法负担时，从ONU根据需要关闭与主ONU的连接并与其对应的RN接口建立短时间连接进行分流，当主ONU和从ONU均清空缓存后再重新建立主从ONU之间的连接，关闭从ONU与RN的直接连接。在这种ONU组合互联的结构下，每个ONU中需要装备的光模块数量为N=n，需要建立的ONU之间的光路数为C2n，其中n为一个ONU组合中包含的ONU个数。这种结构下，OLT，RN，ONU之间的所有光链路不需要进行波分复用，都是单纤固定波长传输，并且RN和ONU处都能进行信号再生，所以既不存在信道串扰，各个设备中也就不需要温控、色散补偿、增益补偿等装置，简化了信号的处理；由于信道的独立性，发射机的功率也更方便进行分别控制。同时，由主ONU处理从ONU的信号进行再整合使得ONU与OLT之间的连接信道时隙利用率进一步提高。

2　ONU互联结构仿真结果及分析

在ES结构下采用ONU组合互联方式接入网能耗随网络负载变化如表1所示，作为比较，对比的原始ES网络的能耗曲线。可以看出，在低负载下，多个ONU组合互联使信息流聚合到一个主ONU上与RN接口进行连接的接入模式可以显著降低ES接入网能耗。

表1　GPON各模块理论能耗

在此处，定义每Gbit接入能耗与ONU互联数目的关系为：

其中常数C为一由ONU总数和网络各器件独立功耗构成的与负载、ONU互联数目无关的一固定值。由于在低负载下，网络流量较小，但是同时网络器件却在不停地按最大负载工作，造成了资源浪费，导致低负载下传输每Gbit信息能耗较高。

考虑到在这种ONU组合互联的结构下，每个ONU中需要装备的光模块数量为N=n=（β+1），需要建立的ONU之间的光路数为C2n，较多的ONU组合虽然可以降低能耗，但负面问题是需要新建大量连接，并且大大增加ONU设备中光模块数量，使建设成本过高。

随着网络负载的增加，网络的能耗在负载的阈值以下保持不变，超过阈值之后，网络能耗随负载正比增加，直到满负载达到最高能耗，在20时之后网络能耗随负载的回落而下降，直到负载低于阈值后能耗稳定不变。经过计算，采用2，3，4个ONU组合互联，相比之前的网络在一天中网络总能耗分别减少了12%，15%和16%。

不同数目ONU组合后一天中平均每Gbit接入所需的功率随时间变化趋势绘于图3-6。可见3个ONU组合和4个ONU组合在该网络流量模型下能耗区别较小，证明了2个或者3个ONU互联是较理想的组网结构。

3　结语

通过ONU之间的互联可以建立低能耗接入网末端架构。ONU的互联减少了在低负载下工作的器件数量，降低了能耗。

［1］TUCKER R S.Green optical communications-part II： energy limitations in networks［J］.Sel.Top.Quant.Electron，2011（2）：261-274.

［2］BALIGA J，AYRE R，SORIN W V，et al.Energy consumption in access network［J］.OFC/NFOEC，2008（12）：8-10.

［3］WONG E，MULLER M，DIAS P I，et al.Energy saving strategies for VCSEL ONUs［J］.OFC/NFOEC，2012（5）：12-13.

［4］Wong E，Muller M，DIAS P I，et al.Energy-efficiency of optical network units with vertical-cavity surface-emitting lasers［J］.Opt.Express，2012（14）：14960-14970.

［5］LANGE C，GLADISCH A.On the energy consumption of FTTH access network［J］.OFC/NFOEC，2009（10）：79.

［6］王震.无源光网络若干关键技术的研究［D］.北京：北京邮电大学，2011.

Research on the Energy Saving Effect of the ONU

Liu Bo， Yuan Zeyong
（China Mobile Communications Group Sichuan Co.， Ltd.， Chengdu 610041， China）

An interconnection structure based on the optical network unit （ONU） is proposed in this paper. By using the ONU under this frame， the network load and energy consumption can be decreased effectively. The simulation results showed that in the novel electrical switching access network， the ONU-based structure can further reduce the network consumption with low load. Specifically， the consumption should drop by 12%， 15% and 16% when 2， 3 and 4 points interconnection structure is employed.

ONU interconnection； high energy efficiency； the network energy consumption

刘波（1977— ），男，四川巴中，硕士，工程师；研究方向：通信工程建设管理。