一种基于节点相关性及ONU模块化休眠的低能耗网络设计方法与流程

本发明属于光无线混合网络通信技术领域，涉及一种基于节点相关性及ONU模块化休眠的低能耗网络设计方法。

背景技术：

随着智能手机、家用电脑等终端的日益普及，无线及有线通信业务的数据量呈指数型急剧增长，传统的接入方式已越来越无法满足用户不断增长的带宽需求，这也迫使未来的接入网开始向高带宽和高移动性方向进行演进。光与无线融合接入网(Wireless Optical Broadband Networks,WOBAN)是一种由后端的无源光网络(Passive Optical Network,PON)和前端的无线网络所构成的新型网络结构。光接入网由于其点到多点的拓扑结构，大大减少了网络侧的光接口数量，同时光纤的接入为网络提供了更大的容量，有效满足了小半径小区内大量无线信道接入的需求。无线网络由于其较高的灵活性以及支持用户终端可移动性，将会成为线缆资源匮乏或偏远地区主要的接入手段。因而PON与无线网络相结合的融合型网络，不仅具备PON的高带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势，又具备无线侧的支持可移动性，灵活性等优势，已然成为下一代接入网的重要解决方案之一。

WOBAN由PON侧和无线侧两部分组成，在PON侧由放置在中心端局CO的光线路终端OLT和多个光网络单元ONU所构成。而无线侧是由多个无线路由器所组成，一部分无线路由器称为网关，WOBAN的前端实际上是由一个多跳的无线网状网(Wireless MeshNetwork,WMN)以及网关节点所构成，这些网关节点连接到ONU，而一个ONU可以连接到多个网关节点，用户数据通过WMN接入到WOBAN中最后通过PON进入骨干网。由于接入网中存在大量包括无线路由器、用户设备等有源器件的存在，导致其能耗几乎占整个通信网络能耗的70％，且该比例将会在未来的几十年里继续有所增长。因此，一个有效地减少接入网能耗的方案将会对降低整个网络能耗起着至关重要的作用。

目前，针对WOBAN的特点，国内外研究人员对节能机制进行了相关研究，主要研究重点集中于光侧ONU的休眠，其核心思想为通过对业务进行绿色路由转发，从而使低负载ONU休眠来降低网络能耗，同时考虑业务的不同优先级，采用不同的路由选择方案对高优先级业务及低优先级业务进行路由。但上述思想均未考虑在多跳网状网中结合ONU的模块化休眠进行节能，同时考虑到用户的接入覆盖及网络业务的连通性，大多文献并未涉及无线路由器的休眠，这势必会导致网络的节能效率不高。

研究表明，根据WOBAN的特殊结构，采用节点在网络处于低负载时进入休眠状态同时兼顾业务的分级考虑，能够有效地在保证用户的QoS体验的基础上达到降低网络能耗的目的。但是，上述机制并未结合WOBAN中光侧和无线侧来对ONU以及无线路由器的休眠进行综合考虑，原因在于前端无线路由器的休眠将会对网络中业务的连通性以及用户的接入覆盖产生影响。另外，在存在多跳的WOBAN中，上述文献也没有考虑ONU的模块化休眠，这势必也会导致节能效率有所降低。

在实际应用中，无线路由器由于其庞大数量，WOBAN中相当一部分的能量消耗是来源于无线路由器。同时在网络处于低负载期间，大量无线路由器以及ONU的发射、接收模块处于闲置状态，通过使低负载或闲置节点进入休眠状态以及考虑ONU发射机、接收机各自独立的进行模块化休眠能够有效节能不必要的能量开销。因此，设计合理的无线路由器休眠及ONU模块化休眠方案是降低融合网络能耗的关键。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于节点相关性及ONU模块化休眠的低能耗网络设计方法，该方法通过判定ONU当前工作负载大小以及休眠ONU与无线路由器间相关性大小，以前端mesh网为基础进行负载转移使节点进入休眠状态，并结合DBA算法中ONU的模块化休眠技术进一步降低整个网络的能耗。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于节点相关性及ONU模块化休眠的低能耗网络设计方法，该方法包括以下步骤：

S1：初始化网络中ONU状态，根据网络中ONU当前的工作负载将ONU节点分成以下三类集合：SS低负载ONU节点集，MS中负载ONU节点集以及HS重负载ONU节点集；

S2：对于一个新到达网络的业务，采用基于概率的目标节点选取方案，用户通过与其最邻近的无线路由器接入到网络，每个无线路由器都会相应的维护一张它到每个ONU/网关节点的路由表，无线路由器根据路由表项中每个ONU当前的工作负载以概率选择相应集合的ONU作为目的节点；

S3：完成对业务进行选路后，对于网络中的任意满足休眠条件的ONU，使该ONU进入休眠状态，这时进入休眠状态的ONU本身携带的负载将通过前端的网状网转移到另外的处于激活状态的ONU上，即网络中第一次负载转移；

S4：采用定义节点相关性的方案，获取融合网络前端无线侧各个无线路由器与休眠ONU相关程度的大小，使休眠ONU连带其无线路由器同时休眠；其中，相关性定义为：路径相关系数和业务相关系数；

S5：采用负载均衡的方案，令OLT对激活状态ONU的负载量控制调度，通过前端无线多跳网状网在ONU之间进行第二次负载转移使网络中所有处于激活状态下的ONU达到负载均衡，从而使参与轮询的ONU具备近似的负载量；

S6：采用PON中ONU模块化休眠思想，通过关闭ONU内完成数据发送和接收的功能模块降低能耗，并结合无线侧获取全网能耗总和。

进一步，在步骤S1中，所述ONU节点集中的低负载节点集、中负载节点集及高负载节点集分别定义为：及

进一步，在步骤S2和步骤S3中，所述基于概率的目标节点选取方案即对于ONU当前的工作负载，以概率P＝0选择SS的ONU作为目的节点，以概率Ps选择MS中的ONU作为目的节点，以概率1-Ps选择HS中的ONU作为目的节点；在集合MS中，将各ONU当前工作负载由小到大进行排序得到序列Nm表示集合MS中的ONU个数，进而获取各ONU当前工作负载总和：

因而对于集合MS中的任意一个ONUj，新到来的业务以该ONU为目的节点的概率为：

在集合HS中，定义新到来业务选择任意ONU作为目的节点的概率均等，即：所述每个无线路由器都会相应的维护一张它到每个ONU/网关节点的路由表指各ONU均连接一个网关节点构成融合型ONU，无线路由器在为业务进行路由时会根据对应路由表里到每个融合型ONU的具体路径进行数据包转发；所述第一次负载转移指将融合网络中的ONU分为满足休眠条件的ONU集合以及激活状态的ONU集合，分别用V1，V2表示，利用匈牙利算法在这两类ONU集合构成的二分图中找出休眠ONU集，即集合V1的最大匹配并对其进行负载转移，使满足休眠条件的ONU本身携带的负载通过前端多跳网状网转移到其余处于激活状态的ONU上。

进一步，在步骤S4中，所述路径相关系数Rp是定义为以第j个休眠ONU为目的节点且通过无线节点i的路径个数与总的路径个数Np的比值：

所述业务相关系数Rs定义为以第j个休眠ONU为目的节点且通过无线节点i的业务与总的业务个数Ns的比值，即进而定义任意无线节点i第j个休眠ONU的总相关系数：

并结合不同ONU集中任意ONU节点的被选取概率，定义在MS中的任意的无线节点i与第j个休眠ONU的概率相关系数为：

同理定义在HS中的任意的无线节点i与第j个休眠ONU的概率相关系数为：

进一步，在步骤S5中，所述第二次负载转移即OLT对网络处于激活状态的ONU进行轮询前，首先将网络中处于激活状态的ONU工作负载由小到大排序，用ONU1,ONU2,ONU3.....ONUn-1,ONUn表示，选取最大负载ONUn及最小负载ONU1，其负载转移量为转移后ONUn与ONU1的工作负载分别为：和同理以相同的方案选取ONU2及ONUn-1进行负载转移直至第一次循环结束并最终满足条件

进一步，在步骤S6中，所述ONU模块化休眠思想定义为在一次轮询周期发射机仅需在每一次轮询周期OLT为其分配的上行时隙里唤醒并发送上行数据，其余时间可以进入休眠状态从而达到节能目的，发射机休眠时长为对于接收机，在每一次轮询周期中，以所有参与轮询的ONU的最小的负载作为除它之外的所有ONU的在上行发送的负载量，从而估计OLT为其发送gate帧的到来时间来打开接收机接收gate帧，并根据上行中心调度UCS机制，在OLT为其分配的上行传输时隙内接收下行数据，其余时刻休眠，接收机休眠时长为：

进一步，在步骤S6中，所述全网能耗总和为PON侧ONU总能耗及无线侧无线路由器总能耗之和；假设网络中共N个ONU，参与轮询的ONU个数为n，则一个轮询周期的ONU总能耗为其中Esleep表示休眠状态能耗，计算式为Esleep＝Tcycle×Psleep；Ensleep表示参与轮询的ONU能耗，由发送上行数据的能耗、ONU发射机接收机均关闭的能耗以及发射机关闭，接收机打开的能耗三部分组成，表达式为：

假设网络中无线路由器个数为Nw，无线路由器工作状态功耗为休眠状态功耗为与任意ONU相关的休眠无线路由器的个数分别为N1,N2...NN-1,NN，则一次轮询周期前端无线侧的能耗同样由两部分组成：无线路由器工作状态的能耗及休眠状态的能耗其中，工作状态的无线路由器总能耗为：休眠状态的总能耗为：二者相加即可得无线侧无线路由器总能耗为：

本发明的有益效果在于：本发明所提出的方法能够在满足融合网络业务接入需求的同时，通过设定不同休眠门限值大小来达到尽可能降低网络能耗的目的。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中WOBAN的结构图；

图2为本发明中基于节点相关性及ONU模块化休眠的方法流程图；

图3为本发明中最小负载差值方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

在本发明中，采用定义无线路由器与ONU之间业务相关及路经相关系数的大小，通过第一次负载转移使网络中的ONU节点连带其相关的无线路由器进入休眠状态，进而利用第二次负载转移使各个激活ONU之间达到负载均衡的效果，以最小负载差值为依据并结合ONU的发射机、接收机模块化休眠进一步降低网络能耗。

在基于节点相关性及ONU模块化休眠的低能耗网络设计方法中，首先对网络中的ONU进行初始化，并基于ONU当前工作负载大小来对网络中的ONU节点进行分类，分别为以及

一个新到达网络的业务，用户通过与其最邻近的无线路由器接入到网络，无线路由器根据路由表项中每个ONU当前的工作负载以概率P＝0选择SS的ONU作为目的节点，以概率Ps选择MS中的ONU作为目的节点，以概率1-Ps选择HS中的ONU作为目的节点。对于集合MS中的任意一个ONUj，新到来的业务以该ONU/网关作为目的节点的概率Pj计算式为：

对于以HS中ONU为目的节点的业务，定义选择每一个ONU作为目的节点的概率为

完成业务选路后，网络中的满足限制条件的ONU可进入休眠状态，进入休眠状态的ONU本身携带的负载将通过前端的网状网以匈牙利算法为基础，经第一次负载转移转移到任意的处于激活状态的ONU上。进入休眠状态的ONU与前端无线路由器的相关程度定义为路径相关系数和业务相关系数：路径相关系数Rp定义为第j个休眠ONU为目的节点且通过无线节点i的路径个数与总的路径个数Np的比值，定义为：业务相关系数定义为以第j个休眠ONU为目的节点且通过无线节点i的业务与总的业务个数Ns的比值，即：将二者进行加权后得到最终的与休眠ONU的相关系数的大小。

融合网络中处于激活状态的ONU会通过第二次负载转移达到一个负载均衡的目的，第二次负载转移结束的标志为满足条件第二次负载转移后使WOBAN中PON侧存在两类ONU：处于休眠状态的ONU和负载均的激活ONU，本发明提出针对处于休眠状态的ONU，OLT将不进行轮询，仅轮询融合网络中处于激活状态的ONU，在其轮询过程中，ONU支持发射机接收机各自独立的模块化休眠。在一个轮询周期中，其发射机的休眠时长为：接收机基于最小负载差值的休眠时长为：

具体来说：WOBAN由前端无线网状网络和后端的无源光网络组成，其体系结构如图1所示。在PON侧由放置在中心端局CO的光线路终端OLT和多个光网络单元ONU所构成。无线侧由多个无线路由器所组成，一部分无线路由器称为网关，其前端实际是由一个多跳的无线网状网WMN及网关节点所构成，这些网关节点连接到ONU，而一个ONU可以连接到多个网关节点，用户数据通过WMN接入到WOBAN中最后通过PON进入骨干网。

用户终端发送的数据包通过最邻近的无线路由器接入到网络，被发送到任意一个网关节点，最后发送到与网关节点连接的ONU上。因此，WOBAN中的网状网在上行方向采用的是任播的方式。而在光侧，WOBAN采用的是共享媒质的接入方式，各个ONU在上行方向上以时分复用的方式共享同一个上行波长。在下行方向，PON中的OLT以广播的形式发送数据包到所有的ONU，各个ONU接收属于自己的那部分数据。而无线侧是采用单播的方式，网关节点发送下行数据流到指定的目标用户。

如图2所示为本发明的整体结构框图，即基于节点相关性及ONU模块化休眠的低能耗网络设计方法流程图。包括以下步骤：初始化网络，概率选择ONU目标节点，相关节点休眠，第一次负载转移，第二次负载转移，ONU模块化休眠，获取网络总能耗。

具体包括以下步骤：

1.网络初始化：在网络初始阶段，为使网络中当前工作负载满足休眠条件的ONU进入休眠状态以及当前工作负载较低的ONU以较大的概率满足休眠条件，本发明根据网络中ONU当前的工作负载将ONU节点分成以下三类集合：以及

2.概率选择ONU目标节点：一个新到达网络的业务根据路由表项中每个ONU当前的工作负载以概率P＝0选择SS的ONU作为目的节点，以概率Ps选择MS中的ONU作为目的节点，以概率1-Ps选择HS中的ONU作为目的节点。在集合MS中，各个ONU当前的工作负载由小到大进行排序，得到的MS中的ONU序列Nm表示集合MS中的ONU个数。其对应的工作负载分别为处于该集合内各个ONU总的当前工作负载之和：对于集合MS中的任意一个ONUj，新到来的业务以该ONU/网关作为目的节点的概率Pj计算式为：对于选择的目的节点为HS中的ONU，定义选择每一个ONU作为目的节点的概率均等，即：

3.相关节点休眠：可使第一次负载转移后前端无线侧与休眠ONU相关程度较大的无线节点休眠，就相关程度而言，评估一个无线路由器与休眠ONU相关程度大小的因素包含路径和业务两方面。

如前所述，路径影响相关程度大小指对于任意无线路由器，以该休眠ONU为目的节点且经过这一无线路由器的路径在所有路径个数中所占比例越大，表示该休眠ONU与这一无线路由器的相关程度越高，因此让该ONU进入休眠状态的同时使这一无线路由器进入休眠状态对网络中用户数据的连通性以及转发的跳数等影响越小。同理，业务影响相关程度大小指对于任意无线路由器，以该休眠ONU为目的节点且通过这一无线路由器的业务在总业务数中所占比例越大，表示该休眠ONU与这一无线路由器的相关程度越高，因此让该ONU进入休眠状态的同时使这一无线路由器进入休眠状态对网络中用户业务的接入以及数据包时延等影响越小。因而本发明将休眠ONU与前端无线路由器的相关程度定义为路径相关系数和业务相关系数。

路径相关系数定义为：Np表示网络所有路径总数，定义为：式子中N表示网络中ONU个数，n表示会被OLT轮询的ONU个数，αk表示第k个ONU是否为OLT轮询的ONU，αk＝0表示该ONU不参与到OLT的轮询过程，αk＝1表示该ONU会被OLT进行轮询。Nw表示网络中无线路由器的个数，其与每一个休眠ONU相关的无线路由器个数分别表示为N1,N2...NN-1,NN，带入上式可得其路径相关系数为

同理业务相关系数定义为：综合两个相关系数可得对于任意无线节点i，该无线节点与第j个休眠ONU的总的相关系数可定义为：

对于目的ONU属于集合MS，任意的无线节点i与第j个休眠ONU的概率相关系数为：

同理对于ONU属于集合HS，任意的无线节点i与第j个休眠ONU的概率相关系数为：

因此，对于融合网络中任意处于休眠状态的ONU，其与该ONU相关系数满足条件或的无线路由器也可进入休眠状态。一旦网络负载增加且出现当前工作负载高于HW的ONU，可唤醒处于休眠状态的ONU及与该ONU相关的一系列无线路由器来承载业务。另外，考虑到无线路由器的覆盖范围，一旦网络中存在业务不能转发到目的ONU的情况，唤醒最邻近一次休眠ONU的满足相关系数条件的无线路由器来承载业务。

4.第一次负载转移：网络中休眠的ONU本身携带的负载可通过前端无线网状网转移到处于激活状态的ONU上，而任意选取激活状态的ONU作为休眠ONU转移负载的目的节点将会导致某ONU负载过重超过唤醒门限，从而造成数据包的时延明显增大甚至产生拥塞或丢包。因此，本发明在对于转移ONU的选取上，定义网络中满足休眠条件的每一个ONU只能转移负载到其覆盖范围内的一个处于激活状态的ONU上。另外，考虑到网络中存在满足休眠条件的ONU在其跳数限制范围内可转移负载到多个处于激活状态的ONU的情况，也会存在休眠ONU的负载可能因为其余ONU的负载转移而无法转移到该ONU跳数限制范围内的激活ONU上的情况，因此，第一次负载转移便可转换成求解满足休眠条件ONU的一个最大匹配问题，本发明采用匈牙利算法对其进行转移ONU的选取。

5.第二次负载转移：第二次负载转移使处于激活状态下的ONU达到负载均衡的目的。首先将网络中处于激活状态的ONU工作负载由小到大进行排序，排序后的ONU表示为：ONU1,ONU2,ONU3.....ONUn-1,ONUn，并依次在最大到最小，次最大到次最小的ONU之间进行负载转移，即ONUn→ONU1,ONUn-1→ONU2,......ONUn/2→ONU(n-1)/2，具体转移量大小为负载差值的一半，即直至在第一次循环结束后，重新对ONU负载进行由小到大排列，并重复以上过程直至满足条件

6.ONU模块化休眠：网络中处于休眠状态的ONU将不参与OLT的轮询过程，处于激活状态的ONU可在一次轮询周期内通过关闭发射或接收模块来使ONU进行模块化休眠从而达到节能的目的，具体ONU的模块化休眠过程可分为：确定最小负载差值，确定发射机、接收机休眠时间，确定Tcycle变化情况。

1)确定最小负载差值：激活状态的ONU读取该ONU当前时刻的负载WConu，并以WConu-ΔWC作为除本身之外的其余ONU的上行传输负载量，进而可计算出该ONU接收机需提前唤醒接收OLT下发的gate帧的时长。

2)确定发射机、接收机休眠时间：一次轮询周期的时长为由于其发射机仅在上行传输时隙打开发送上行数据，因此发射机的休眠时长为对于第l个轮询的ONUl，其接收机需提前唤醒l-1个最小负载差值，因而接收机的休眠时长为：

3)确定Tcycle变化情况：

本发明定义动态调整门限值大小来适应网络的负载变化情况，其依据为相邻两次Tcycle变化情况。对于第k次轮询周期如果其时间长度大于第k-1次轮询周期即：则将网络中ONU的休眠门限降低为LW＝LW-ΔLW，唤醒门限降低为HW＝HW-ΔHW以适应网络增加的负载。同理，假设对于k次轮询周期其时间长度小于第k-1次轮询周期即：则将网络中ONU的休眠门限上升为LW＝LW+ΔLW，唤醒门限上升为HW＝HW+ΔHW以适当减小网络能耗。

7.获取网络总能耗：

本发明定义全网能耗总和为PON侧ONU总能耗及无线侧无线路由器总能耗之和；一个轮询周期的ONU总能耗为Esleep表示休眠状态的能耗，计算式为Esleep＝Tcycle×Psleep；Ensleep表示参与轮询的ONU能耗，由发送上行数据的能耗、ONU发射机接收机均关闭的能耗以及发射机关闭，接收机打开的能耗三部分组成，表达式为：

一个轮询周期的无线路由器总能耗为工作状态的无线路由器能耗及休眠状态的无线路由器能耗之和，其中，工作状态的总能耗为：休眠状态的总能耗为：二者相加即可得无线侧无线路由器总能耗为：

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。