光无线混合宽带接入网的自适应延迟感知节能方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光无线混合宽带接入网节能机制技术，特别涉及带有延迟容忍控制的 节能机制方法。
【背景技术】
[0002] 区别于传统的数字用户线（DigitalSubscriberLine,xDSL)、电缆调制解调 器（CableModem,CM)、无线蜂窝网络、光纤到户（FiberToTheHome,FTTH)、无线网 状网络（WirelessMeshNetwork，WMN)等接入技术，光无线混合宽带接入网（Hybrid Optical-WirelessBroadbandAccessNetworks,H0WBAN)兼具 了无源光网络（Passive OpticalNetwork，P0N)的高带宽、低损耗、长距离、高可靠特性及WMN的灵活、经济特 性，得到国内外研究人员的广泛关注，其由始于中心局端的光线路终端（OpticalLine Terminal, 0LT)止于光网络单元（OpticalNetworkUnit, 0NU)的P0N部分及多个无线Mesh 路由器构成的前端无线网状网络组成，随着H0WBAN的发展，出现了融合0NU和无线Mesh路 由器功能特性的网关节点，如图1所示。上行方向，用户通过前端WMN中的无线Mesh路由 器接入网络，采用多跳的方式将数据传送至网关节点，进而，把数据包发送给0LT从而进入 互联网；下行方向，来自互联网中的数据包到达〇LT，0LT将会采用广播的方式把数据包发 送到网关节点，通过多跳转发的方式到达用户所属的无线路由器，最终将数据包发送给用 户。可见，H0WBAN有效地克服了P0N组网不灵活、铺设费用较高及WMN带宽低、损耗大、距 离短、可靠性差的问题，是未来接入网发展的一个主流方向。目前，采用基于IEEE802. 11s 标准的WMN和基于时分复用无源光网络（Time-DivisionMultiplexingPassiveOptical Network,TDM-P0N)的H0WBAN得到了国内外学术界及产业界的广泛关注。
[0003] 与其他接入网类似，能耗问题是制约H0WBAN大规模推广的关键问题之一。统计 结果表明信息通信技术（InformationAndCommunicationTechnology,ICT)的能量消耗 约占全球总能耗的8%，其中通信网络消耗ICT约30%的能量，且接入网消耗整个通信网 络的75%的能量，然而其设备的利用率却小于15%。虽然，增加网关的休眠时间能够有效 提高H0WBAN的能量效率；但是，对于数据驱动的网关节点来说，如果在其处于空闲的时候 就立即进入休眠，那么，受到数据突发特性的影响，网关节点将频繁地在休眠和工作状态之 间进行切换，需要消耗大量的能量；此外，对采用连续休眠的方式，网关节点需要在每次休 眠的间隙进行信息交换，也需要消耗了大量的能量，例如，对于前述应用场景来说，TDM-P0N 中多点控制协议（MultiPointControlProtocol，MPCP)规定网关最大的休眠时间不能 超过50ms，连续休眠的网关在每次休眠开始都需要唤醒和0LT交换消息，使能量效率降低； 同时，休眠的网关将会使Mesh节点（MeshPoint,MP)重新选择路径，增大WMN的开销和数 据包的延迟;WMN中的用户分布不均匀，流量分布也不均匀，突发流量也会导致部分网关拥 塞，部分网关休眠将会使网关的拥塞更严重。显然，H0WBAN中的能量问题受到多个方面因 素的影响，其中包括用户分布状态、负载均衡程度、网关负载状态等。
[0004] 针对H0WBAN中网关利用率低和数据包具有延迟容忍度的特点，国内外研究人员提 出了多种网关的节能机制。KaniJ，FujimotoY，YoshimotoN等在"Adaptivepowersaving mechanismforlOgigabitclassPONsystems'，[IEICEtransactionsoncommunicati ons，2010, 93 (2) : 280-288】文章中提出了动态带宽分配的休眠机制，OLT计算最优的休眠间 隙并发送给网关，网关发送确认消息给0LT并进行休眠。ChowdhuryP,TornatoreM,Sarkar S等在"BuildingaGreenWireless-OpticalBroadbandAccessNetwork(WOBAN)" 【JournalofLightwaveTechnology, 2010, 28 (16): 2219-2229】文章中提出 了提出 了网关 满足负载小于某个阈值且剩余流量可以从前端的Mesh网络进行重路由的条件，就休眠一 个周期的节能机制。GongX，HouW,GuoL等在"Dynamicenergy-savingalgorithmin greenhybridwireless-opticalbroadbandaccessnetwork" 【Optik-International JournalforLightandElectronOptics, 2013, 124(14): 1874-1881】文章中分析了适用 于控制网络拥塞的网关休眠机制，负载过高的网关将会唤醒休眠网关来重路由流量。
[0005] 上述文献中提出的网关休眠机制未能在连续休眠的间隙期减少0LT和网关消息 的交换，当连续休眠的网关以一定的概率发生的时候，休眠间隙期消息的交换将会消耗大 量的能量，导致能量效率的下降。而且，休眠的网关将会使Mesh节点（MeshPoint，MP)重 新选择路径，增大WMN的开销和数据包的延迟。WMN中突发流量会导致部分网关拥塞，网关 休眠将会使网关的拥塞更严重。
[0006] 总的来说，现在的光无线混合宽带接入网在节能机制方面存在如下需要解决的问 题：H0WBAN中的流量具有很强的规律性，用户在某个时间段没有流量会使网关长时间处于 空闲，例如，居民区的工作日或者商业区休息日都会导致大量的网关处于空闲；此外，用户 接入网络的时间具有随机性，流量的分布也具有随机性，部分网关将会以一定的概率在给 定时间段内出现空闲状态，例如，WMN中用户数量较少的MP所对应的网关，网关将会在一段 时间处于空闲；由于P0N中的MPCP规定最大休眠周期不能超过50ms，上述的两种情景网关 空闲的时间都将大于50ms，网关的连续休眠将会以一定的概率发生。连续休眠的网关在每 次休眠开始都需要唤醒和0LT交换消息，使能量效率降低。休眠的网关将会使MP重新选择 路径，增大WMN的开销和数据包的延迟。同时，WMN中的用户分布不均匀，流量分布也不均 匀，突发流量也会导致部分网关拥塞，网关休眠将会使网关的拥塞更严重。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明提出光无线混合宽带接入网的自适应延迟感知节能方 法，能够在满足延迟要求的同时，使能量效率达到最优。
[0008] 本发明提出的一种光无线混合宽带接入网的自适应延迟感知节能方法包括： H0WBAN后端的TDM-P0N部分，连续休眠的网关根据数据包的到达率自适应的选择休眠周期 长度的增长速率；前端的WMN采用多网关负载均衡的节能机制，每个MP根据链路质量和网 关负载维护到多个网关的路由信息。休眠的网关发送休眠消息给网关路由表中的MP，MP不 需要重新构建上行的路径，采用均衡负载的机制发送数据包。
[0009] 本发明的具体步骤包括：在自适应延迟感知的节能机制中，对H0WBAN网络 进行初始化，网关需要记录n个时隙的平均负载情况xw(l)，xw(2)，利用 离散灰色预测模型DGM(1，1)来预测下个时隙中的平均负载x^Oi+l)。在每个时隙开 始的时候，网关广播包含x^Oi+l)的负载信息给WMN中的MP，MP根据到达网关的链 路权重和网关的负载X^Ol+l)，计算到达网关的链路权重之和
和
其中
分别为MP到所有网关的权 重之和的最大值和所有网关中平均负载的最大值。MP选择一条到网关21值最小的链路， 并发送确认消息给网关节点，收到确认消息的网关节点也更新到达MP的路由消息。然后 判断D#；Dt，其中，队为满足业务要求数据包的最大延迟，Dt为判断是否为延迟敏感业务 的延迟阈值，如果满足条件，由于实时业务延迟容忍度低，就不能进行任何的休眠操作；反 之，则进行休眠控制算法的流程。0LT首先需要计算在满足数据包的延迟D多队的条件下 对于特定A使节能的效率最大的休眠周期增长速率参数m，网关第i个周期休眠时间为
;当两个到达的数据包的间隔h不满足t>Tw的条件，网关的休眠算法 就结束，反之，则启用休眠控制算法。0LT在第一次和网关进行休眠信息交换的时候，把参数m传递给网关，网关将会发送休眠消息给把它作为网关的MP节点，MP节点将会选择其它的 网关进行路由，网关将会休眠时隙。休眠Ti时隙完成之后，网关将会监听L时隙，如果有 数据包在1\+L时隙内到达，休眠结束进行数据包的传输，反之则进行第二个周期的休眠，直 到监听到有数据包到达，网关才需要唤醒进行数据包的发送。
[0010] 本发明中对于最优休眠周期增长速率参数m的选取是通过建立网关忙期、闲 期、唤醒期的数学模型来实现的。通过建立的数学模型，可以得到对不同的到达率入， 系统延迟和能量关于m的数学表达式。休眠网关唤醒所需要消耗的