本發(fā)明屬于通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及面向電力通信的光OFDM節(jié)能帶寬分配算法。

背景技術(shù)：

電力通信是構(gòu)建信息化電力企業(yè)的基本保障，隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，通信已成為電網(wǎng)生產(chǎn)和企業(yè)管理等各個(gè)環(huán)節(jié)中不可或缺的重要部分，人們對(duì)電力的要求也越來(lái)越高迫切要求電力行業(yè)的快速發(fā)展和壯大。大容量的寬帶接入將會(huì)成為保證社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)楦咚俚摹⒓皶r(shí)的、穩(wěn)定的信息交互可以成為社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等活動(dòng)提供保障。而光纖通信由于其體積小、不受電磁干擾、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)受到眾多經(jīng)銷(xiāo)商及用戶(hù)的青睞。以光纖為主要傳輸介質(zhì)的光接入網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)毫無(wú)疑問(wèn)將成為未來(lái)電力通信接入網(wǎng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)，特別是采用光正交頻分復(fù)用(Optical OFDM，光OFDM)技術(shù)的接入網(wǎng)以其優(yōu)越的性能受到越來(lái)越多的關(guān)注。

OFDM技術(shù)是將串行高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多路低速并行數(shù)據(jù)，然后在一系列正交子載波上進(jìn)行調(diào)制的一種多載波調(diào)制技術(shù)。OFDM技術(shù)支持高階信號(hào)調(diào)制格式，具有良好的抗色散能力，可有效消除接收信號(hào)的符號(hào)間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)及載波間干擾(Inter-Carrier Interference，ICI)；而且由于相互正交的子載波頻譜互相重疊，OFDM技術(shù)的頻譜利用率相對(duì)較高；同時(shí)，OFDM系統(tǒng)資源分配靈活，可根據(jù)實(shí)際需求，動(dòng)態(tài)地將不同子載波的不同時(shí)隙分配給不同的ONU，實(shí)現(xiàn)靈活地動(dòng)態(tài)信道資源共享；此外，OFDM可以克服光纖中的色散效應(yīng)?？傊?，光OFDM技術(shù)具有寬帶較大，頻譜利用率較高，抗色散性能好，帶寬分配靈活，兼容性好等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足未來(lái)高速率、動(dòng)態(tài)靈活的寬帶接入需求，已經(jīng)成為下一代光纖通信接入標(biāo)準(zhǔn)的研究重點(diǎn)。

盡管光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)能提供較高的帶寬利用率和信息傳輸速率，隨之而來(lái)的高能耗、低能效等新問(wèn)題卻嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和服務(wù)能力的可擴(kuò)展性。而且以往針對(duì)光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)的帶寬分配算法普遍存在的片面關(guān)注系統(tǒng)吞吐量或帶寬利用率卻忽視了帶寬分配過(guò)程中的高能耗或能耗模型考慮不完善等典型問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一種針對(duì)光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能帶寬分配算法對(duì)建設(shè)綠色電力通信網(wǎng)絡(luò)有著極其重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)相關(guān)研究的空白，本發(fā)明提出面向電力通信的光OFDM節(jié)能帶寬分配算法，依據(jù)光OFDM接入網(wǎng)中主要耗能部件光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)的工作狀態(tài)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響，綜合考慮ONU休眠機(jī)制與動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，通過(guò)時(shí)隙、載波和比特的三維帶寬資源分配，在保證業(yè)務(wù)的誤碼率和ONU帶寬需求的前提下，最小化光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)中業(yè)務(wù)相關(guān)能耗和業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

面向電力通信的光OFDM節(jié)能帶寬分配算法，包括能效型MAC控制方案和在此基礎(chǔ)上提出的基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法(Dynamic Bandwidth Capacity Allocation，DBCA)；

一、所述能效型MAC控制方案為：

基于ONU的三種模式：睡眠模式(Sleep Mode)、假寐模式(Doze Mode)、正常工作模式(Active Mode)，在睡眠模式中，ONU同時(shí)關(guān)閉發(fā)送機(jī)和接收機(jī)；假寐模式中，ONU只關(guān)閉發(fā)送機(jī)，接收機(jī)正常和OLT進(jìn)行通信；正常工作模式中，ONU的發(fā)送機(jī)和接收機(jī)都正常工作；對(duì)于一個(gè)給定的ONU，其在每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)需要經(jīng)歷四個(gè)過(guò)程，其中輪詢(xún)周期定義為OLT連續(xù)兩次發(fā)送GATE信息的時(shí)間間隔；

(1)輪詢(xún)周期開(kāi)始時(shí)刻，ONU處于202doze模式，可以接收來(lái)自O(shè)LT的下行數(shù)據(jù)和203GATE信息；GATE信息中包含：204sleep/doze開(kāi)始時(shí)間、sleep/doze長(zhǎng)度、發(fā)送窗口的起始時(shí)間、發(fā)送窗口大小、子載波編號(hào)以及子載波數(shù)目；

(2)當(dāng)ONU接收到GATE信息并對(duì)其分析處理后，按指示進(jìn)入相應(yīng)工作模式；工作模式由OLT通過(guò)計(jì)算發(fā)送窗口前的空閑時(shí)間大小(輪詢(xún)周期開(kāi)始時(shí)的假寐時(shí)間和發(fā)送窗口前的空閑時(shí)間的總和)與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間的大小進(jìn)行比較后決定；設(shè)內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為

(3)ONU在205發(fā)送窗口開(kāi)始到達(dá)前喚醒，完成與OLT的時(shí)鐘同步；同步完成后進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，上行數(shù)據(jù)傳輸完畢，ONU發(fā)送206REPORT信息，REPORT信息中包含下一輪詢(xún)周期的帶寬請(qǐng)求；設(shè)發(fā)送窗口大小(即正常工作的時(shí)間)為內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為

(4)當(dāng)上行數(shù)據(jù)和REPORT信息發(fā)送結(jié)束后，ONU進(jìn)入207sleep或doze模式直至下一輪詢(xún)周期開(kāi)始，設(shè)發(fā)送窗口后的空閑時(shí)間為內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為輪詢(xún)周期的大小為T(mén)_cycle，ONU在一個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)的能耗為E_i；

二、所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法包括基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中OLT過(guò)程和基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中ONU過(guò)程；

所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法過(guò)程中包含動(dòng)態(tài)帶寬容量分配算法和自適應(yīng)時(shí)隙、載波及比特分配算法；

(一)所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中OLT過(guò)程如下：

步驟1、執(zhí)行流程300，即OLT等待所有ONUs的數(shù)據(jù)包和REPORT包；流程301判斷OLT是否收到所有REPORT信息，若成立，則進(jìn)入流程302，即步驟2；

步驟2、流程302根據(jù)DBCA算法計(jì)算給每個(gè)ONU分配的帶寬G_i；

步驟2-1、依據(jù)服務(wù)水平協(xié)議(Service-Level Agreement,SLA)要求，為每個(gè)ONU分配一個(gè)最小的帶寬保證BW_MIN，OLT將所有的ONUs分成兩個(gè)集合：低負(fù)載ONUs，i∈U，滿(mǎn)足條件R_i≤BW_MIN，；高負(fù)載ONUs，i∈O，滿(mǎn)足條件R_i＞BW_MIN；其中，R_i表示ONU_i的上行帶寬請(qǐng)求，U表示低負(fù)載ONUs集合，O表示高負(fù)載ONUs集合；

步驟2-2、OLT為每個(gè)低負(fù)載ONU分配的帶寬大小G_i等于其請(qǐng)求的帶寬大小R_i，全部的多余帶寬按比例分給各個(gè)高負(fù)載ONU，則每個(gè)高負(fù)載ONU得到的多余帶寬為：

其中，BW_i^excess＝R_i-BW_MIN表示每個(gè)高負(fù)載ONU請(qǐng)求的多余帶寬，M表示集合O中的元素個(gè)數(shù)；

步驟2-3、OLT依據(jù)ONUs從大到小的優(yōu)先級(jí)次序?yàn)槊總€(gè)高負(fù)載ONU分配帶寬，大小G_i為：

步驟2-4、當(dāng)高負(fù)載ONU完成分配帶寬后，將其從集合O中移除；所以每完成分配一次，需要重新更新和BW_excess，得到：

步驟3、流程303將全部子載波在各個(gè)ONUs內(nèi)依據(jù)計(jì)算的信道增益從大到小的次序排序，同時(shí)所有的子載波均使用最高階調(diào)制方式，即每個(gè)子載波上加載的比特?cái)?shù)最大；

步驟4、流程304過(guò)程確定輪詢(xún)周期T_cycle的大小，將其均分成J份；

步驟5、流程305，即OLT按照ONU優(yōu)先級(jí)為其分配初始時(shí)頻單元和確定ONU間的輪詢(xún)方式；

步驟5-1、初始時(shí)隙為t₁＝t_{polling_start}+t_gate+t_RTT，其中t_gate表示OLT發(fā)送的GATE信息到達(dá)各ONU的時(shí)間，t_RTT表示往返時(shí)間；

步驟5-2、初始載波為每個(gè)ONU載波隊(duì)列中信道增益最大的載波；在載波分配的過(guò)程中，需遵循如下規(guī)則：1)若此ONU的帶寬G_i已經(jīng)得到滿(mǎn)足，跳過(guò)這個(gè)ONU，跳到下一個(gè)ONU；2)若當(dāng)前選中的子載波被其他ONU優(yōu)先占用，跳過(guò)這個(gè)載波，直到下一個(gè)載波未被占用；

步驟5-3、確定ONU輪詢(xún)順序；當(dāng)OLT對(duì)ONU完成第一次時(shí)頻單元的分配后，進(jìn)行下一次輪詢(xún)，其中，ONU之間的輪詢(xún)可分為兩種：第一種，在每次時(shí)隙和載波分配過(guò)程中，OLT為每個(gè)ONU僅分配一個(gè)時(shí)頻資源單元；第二種，在每次輪詢(xún)過(guò)程中，OLT優(yōu)先為高優(yōu)先級(jí)ONU分配滿(mǎn)足的時(shí)頻資源，然后再為低優(yōu)先級(jí)ONU分配；

步驟6、完成流程305后，進(jìn)行流程306的判決，即判斷ONU_i當(dāng)前帶寬BW_i與G_i的大小，若BW_i＜G_i則進(jìn)入流程307，若BW_i≥G_i，轉(zhuǎn)到流程310；

步驟7、執(zhí)行自適應(yīng)時(shí)隙、載波和比特分配算法，選擇使ONU總能耗最小的時(shí)隙、載波以及每個(gè)子載波上加載的比特?cái)?shù)；

步驟7-1、計(jì)算加單位時(shí)隙時(shí)的能耗增加量的大?。划?dāng)子載波保持不變，增加單位時(shí)隙時(shí)的能耗變化其中表示業(yè)務(wù)相關(guān)能耗變化量，與子載波和時(shí)隙大小均有關(guān)，表示業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗變化量，其只與時(shí)隙大小相關(guān)；通過(guò)式(4)計(jì)算可得

而只與時(shí)隙增加有關(guān)，發(fā)送窗口增加一個(gè)時(shí)隙前的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為：

發(fā)送窗口增加一個(gè)時(shí)隙后的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為：

所以，當(dāng)發(fā)送窗口增加一個(gè)時(shí)隙時(shí)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗變化量為：

其中，P_a為ONU處于active模式時(shí)的功耗；P_s為ONU處于sleep模式時(shí)的功耗；P_d為ONU處于doze模式時(shí)的功耗；P′_a/s/d要根據(jù)在時(shí)間段內(nèi)的ONU處于的狀態(tài)判定；通過(guò)上述公式，可知增加單位時(shí)隙時(shí)的能耗變化為：

步驟7-2、計(jì)算增加單位載波時(shí)的能耗增加量的大?。灰?yàn)榕c載波的增加無(wú)關(guān)，所以假設(shè)發(fā)送窗口內(nèi)時(shí)隙數(shù)為n，λ_j表示增加的載波，那么得：

步驟7-3、流程307表示為比較和的大??；若則轉(zhuǎn)到308，保持載波不變，為ONU_i分配當(dāng)前時(shí)隙的相鄰的時(shí)隙；否則轉(zhuǎn)到309，保持當(dāng)前發(fā)送窗口不變，為ONU_i分配其載波隊(duì)列中可用的信道增益較大的子載波；分配完成之后轉(zhuǎn)到流程306；

步驟8、進(jìn)一步降低業(yè)務(wù)相關(guān)能耗，進(jìn)行流程310，計(jì)算ONU_i當(dāng)前帶寬BW_i與G_i的差值大??；若滿(mǎn)足進(jìn)行流程311，選擇ONU_i的載波占用集合L_i中信道增益最低的子載波，減少一個(gè)比特?cái)?shù)；重復(fù)進(jìn)行步驟8，直到進(jìn)入流程312；

步驟9、流程312是將OLT為ONU分配的上行帶寬信息、ONU睡眠開(kāi)始時(shí)刻、睡眠時(shí)間大小和喚醒時(shí)刻寫(xiě)入到GATE控制信息中，其中上行帶寬信息包括發(fā)送窗口起始時(shí)間、發(fā)送窗口大小、子載波編號(hào)、允許使用的子載波個(gè)數(shù)、每個(gè)子載波上承載的比特?cái)?shù)；

步驟10、接下來(lái)進(jìn)行流程313，即OLT向各個(gè)ONU發(fā)送GATE控制信息和下行業(yè)務(wù)；

步驟11、判斷仿真時(shí)間是否結(jié)束，若是，則仿真結(jié)束，否則跳回步驟1；

(二)所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中ONU過(guò)程如下：

步驟1、流程400，即ONU接收到GATE控制信息后，首先對(duì)GATE信息分析處理，從中提取分配的上行帶寬信息、睡眠開(kāi)始時(shí)刻、睡眠時(shí)間大小和喚醒時(shí)刻等信息；

步驟2、流程401向OLT發(fā)送上行數(shù)據(jù)和REPORT控制信息，具體操作是ONU根據(jù)提取的上行帶寬信息，在規(guī)定的時(shí)隙和子載波上傳輸上行數(shù)據(jù)，并將下一個(gè)輪詢(xún)周期請(qǐng)求的帶寬大小寫(xiě)入REPORT控制信息中，在ONU傳輸上行數(shù)據(jù)的末尾或者上行數(shù)據(jù)傳輸完畢后發(fā)送給OLT；

步驟3、流程401完成后，進(jìn)入流程402，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相應(yīng)的休眠狀態(tài)節(jié)能；

步驟4、執(zhí)行流程403，ONU在規(guī)定的時(shí)刻喚醒，進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和同步，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次傳輸；

步驟5、判斷是否仿真時(shí)間結(jié)束，若是，則仿真結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到步驟1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、解決了因傳統(tǒng)的光OFDM接入網(wǎng)帶寬分配過(guò)程中，每個(gè)ONU一直保持正常工作狀態(tài)，引起ONU端業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗較大的問(wèn)題，允許上行業(yè)務(wù)負(fù)載為空時(shí)，ONU進(jìn)入睡眠模式或假寐模式，降低ONU的總能耗；

2、本發(fā)明采用將低負(fù)載ONUs多余的帶寬容量按比例分給那些高負(fù)載ONUs的算法設(shè)計(jì)，充分的保證了多個(gè)ONU帶寬容量分配的公平性，增大了帶寬利用率，提高了網(wǎng)絡(luò)性能；

3、通過(guò)對(duì)時(shí)隙、載波和比特進(jìn)行合理優(yōu)化分配，不僅實(shí)現(xiàn)了多個(gè)ONU間的動(dòng)態(tài)帶寬分配，而且使ONU能夠靈活改變工作模式，從而實(shí)現(xiàn)了降低網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)相關(guān)能耗和業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗的優(yōu)化目標(biāo)；

4、本發(fā)明綜合考慮ONU休眠機(jī)制與動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，能夠在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)，響應(yīng)了國(guó)家提倡的“節(jié)能減排”和“綠色通信”的發(fā)展策略。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的面向電力通信網(wǎng)絡(luò)的光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)模型；

圖2為本發(fā)明的能效型MAC控制方案；

圖3為本發(fā)明基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中OLT操作的總體流程圖；

圖4為本發(fā)明基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中ONU操作的總體流程圖；

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例中，在不同上行數(shù)據(jù)速率下，3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法ONU總能耗對(duì)比圖；

圖6為本發(fā)明一種實(shí)施例中，在不同ONU數(shù)目下，PE-DBA、3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU算法ONU總能耗對(duì)比圖；

圖7為本發(fā)明一種實(shí)施例中，在不同上行數(shù)據(jù)速率下，3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法平均ONU休眠率對(duì)比圖；

圖8為本發(fā)明一種實(shí)施例中，在不同ONU數(shù)目下，3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法平均ONU休眠率對(duì)比圖；

圖9為本發(fā)明一種實(shí)施例中，在不同上行數(shù)據(jù)速率下，PE-DBA、3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法系統(tǒng)能效對(duì)比圖；

圖10為本發(fā)明一種實(shí)施例中，在不同ONU數(shù)目下，PE-DBA、3D-DBA-ONU和3D-DBA-TS算法載波利用率對(duì)比圖；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

面向電力通信的光OFDM節(jié)能帶寬分配算法，包括能效型MAC控制方案和在此基礎(chǔ)上提出的基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法(Dynamic Bandwidth Capacity Allocation，DBCA)；

本發(fā)明考慮的光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)模型如圖1所示。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，OLT通過(guò)主干光纖與ODN相連接，ODN再通過(guò)分支光纖與若干個(gè)ONU相連接，以此形成點(diǎn)到多點(diǎn)的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無(wú)論是上行帶寬還是下行帶寬均可以分成多個(gè)時(shí)頻單元，其中一些時(shí)頻單元用于存儲(chǔ)控制信息，包括信道狀態(tài)信息以及避免數(shù)據(jù)干擾的保護(hù)頻帶，其他的時(shí)頻單元?jiǎng)t用于傳送數(shù)據(jù)。在下行鏈路方向，OLT通過(guò)多個(gè)載波以廣播方式將下行數(shù)據(jù)包傳送到多個(gè)ONU，在此過(guò)程中，只需要使用一個(gè)波長(zhǎng)；在上行鏈路方向，如果OLT接收機(jī)采用直接檢測(cè)方式，那么各個(gè)ONU的不同波長(zhǎng)之間應(yīng)設(shè)置足夠大的光頻譜間隔，以避免光插拍干擾(Optical Beat Interference，OBI)。一個(gè)OFDM幀結(jié)構(gòu)如圖所示，其中不同顏色代表載波分給不同的ONU。

一、圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的能效型MAC控制方案?；贠NU的三種模式：睡眠模式(Sleep Mode)、假寐模式(Doze Mode)、正常工作模式(Active Mode)，在睡眠模式中，ONU同時(shí)關(guān)閉發(fā)送機(jī)和接收機(jī)；假寐模式中，ONU只關(guān)閉發(fā)送機(jī)，接收機(jī)正常和OLT進(jìn)行通信；正常工作模式中，ONU的發(fā)送機(jī)和接收機(jī)都正常工作；對(duì)于一個(gè)給定的ONU，其在每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)需要經(jīng)歷四個(gè)過(guò)程，其中輪詢(xún)周期定義為OLT連續(xù)兩次發(fā)送GATE信息的時(shí)間間隔；

(1)輪詢(xún)周期開(kāi)始時(shí)刻，ONU處于202doze模式，可以接收來(lái)自O(shè)LT的下行數(shù)據(jù)和203GATE信息；GATE信息中包含：204sleep/doze開(kāi)始時(shí)間、sleep/doze長(zhǎng)度、發(fā)送窗口的起始時(shí)間、發(fā)送窗口大小、子載波編號(hào)以及子載波數(shù)目；

(2)當(dāng)ONU接收到GATE信息并對(duì)其分析處理后，按指示進(jìn)入相應(yīng)工作模式；工作模式由OLT通過(guò)計(jì)算發(fā)送窗口前的空閑時(shí)間大小(輪詢(xún)周期開(kāi)始時(shí)的假寐時(shí)間和發(fā)送窗口前的空閑時(shí)間的總和)與相應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間的大小進(jìn)行比較后決定；設(shè)內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為

(3)ONU在205發(fā)送窗口開(kāi)始到達(dá)前喚醒，完成與OLT的時(shí)鐘同步；同步完成后進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，上行數(shù)據(jù)傳輸完畢，ONU發(fā)送206REPORT信息，REPORT信息中包含下一輪詢(xún)周期的帶寬請(qǐng)求；設(shè)發(fā)送窗口大小(即正常工作的時(shí)間)為內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為

(4)當(dāng)上行數(shù)據(jù)和REPORT信息發(fā)送結(jié)束后，ONU進(jìn)入207sleep或doze模式直至下一輪詢(xún)周期開(kāi)始，設(shè)發(fā)送窗口后的空閑時(shí)間為內(nèi)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為輪詢(xún)周期的大小為T(mén)_cycle，ONU在一個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)的能耗為E_i；

二、所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法包括基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中OLT過(guò)程和基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中ONU過(guò)程；

所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法過(guò)程中包含動(dòng)態(tài)帶寬容量分配算法和自適應(yīng)時(shí)隙、載波及比特分配算法；

所述的動(dòng)態(tài)帶寬容量分配算法，用于解決多個(gè)ONU的帶寬容量分配問(wèn)題，其主要特點(diǎn)是：OLT在每個(gè)輪詢(xún)周期內(nèi)根據(jù)所有ONU的帶寬請(qǐng)求動(dòng)態(tài)地為其分配相應(yīng)的帶寬大小，為了增加帶寬利用率，提高網(wǎng)絡(luò)性能，采用將低負(fù)載ONUs多余的帶寬按比例分給那些高負(fù)載ONUs。

所述的自適應(yīng)時(shí)隙、載波及比特分配算法，以改進(jìn)的Greedy算法為基礎(chǔ)，以O(shè)NU的授權(quán)帶寬作為依據(jù)，致力于在帶寬分配的過(guò)程中尋找使ONU總能耗最小的時(shí)隙、載波以及每個(gè)子載波上加載的比特?cái)?shù)。該算法主要內(nèi)容如下：

1)將所有的ONU分成兩種類(lèi)型：第一類(lèi)，未分配初始時(shí)隙和載波的ONU；第二類(lèi)，分配了初始時(shí)隙和載波的ONU。

2)對(duì)于第一類(lèi)ONU，需等到其完成初始時(shí)隙和載波分配后才執(zhí)行下一步的時(shí)頻分配。

3)對(duì)于第二類(lèi)ONU，當(dāng)OLT對(duì)ONU完成第一次時(shí)頻資源的分配后，OLT進(jìn)行下一次的時(shí)頻資源分配。在之后的時(shí)頻資源分配的過(guò)程中，從橫向時(shí)隙和縱向載波兩個(gè)方向進(jìn)行時(shí)隙和載波的分配選擇，選擇的依據(jù)是：若增加一個(gè)時(shí)隙單元時(shí)的能耗變化小于增加一個(gè)載波時(shí)的能耗變化，則載波保持不變，為ONU分配一個(gè)當(dāng)前時(shí)隙的相鄰時(shí)隙；否則，保持當(dāng)前發(fā)送窗口不變，為ONU分配可用的信道增益較大的子載波。

(一)如圖3所示，所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中OLT過(guò)程如下：

步驟1、執(zhí)行流程300，即OLT等待所有ONUs的數(shù)據(jù)包和REPORT包；流程301判斷OLT是否收到所有REPORT信息，若成立，則進(jìn)入流程302，即步驟2；

步驟2、流程302根據(jù)DBCA算法計(jì)算給每個(gè)ONU分配的帶寬G_i；

步驟2-1、依據(jù)服務(wù)水平協(xié)議(Service-Level Agreement,SLA)要求，為每個(gè)ONU分配一個(gè)最小的帶寬保證BW_MIN，OLT將所有的ONUs分成兩個(gè)集合：低負(fù)載ONUs，i∈U，滿(mǎn)足條件R_i≤BW_MIN，；高負(fù)載ONUs，i∈O，滿(mǎn)足條件R_i＞BW_MIN；其中，R_i表示ONU_i的上行帶寬請(qǐng)求，U表示低負(fù)載ONUs集合，O表示高負(fù)載ONUs集合；

步驟2-2、OLT為每個(gè)低負(fù)載ONU分配的帶寬大小G_i等于其請(qǐng)求的帶寬大小R_i，全部的多余帶寬按比例分給各個(gè)高負(fù)載ONU，則每個(gè)高負(fù)載ONU得到的多余帶寬為：

其中，BW_i^excess＝R_i-BW_MIN表示每個(gè)高負(fù)載ONU請(qǐng)求的多余帶寬，M表示集合O中的元素個(gè)數(shù)；

步驟2-3、OLT依據(jù)ONUs從大到小的優(yōu)先級(jí)次序?yàn)槊總€(gè)高負(fù)載ONU分配帶寬，大小G_i為：

步驟2-4、當(dāng)高負(fù)載ONU完成分配帶寬后，將其從集合O中移除；所以每完成分配一次，需要重新更新和BW_excess，得到：

步驟3、流程303將全部子載波在各個(gè)ONUs內(nèi)依據(jù)計(jì)算的信道增益從大到小的次序排序，同時(shí)所有的子載波均使用最高階調(diào)制方式，即每個(gè)子載波上加載的比特?cái)?shù)最大；

本發(fā)明實(shí)例中，所有子載波采用8-QAM調(diào)制。

步驟4、流程304過(guò)程確定輪詢(xún)周期T_cycle的大小，將其均分成J份；

本發(fā)明實(shí)例中，輪詢(xún)周期時(shí)間為1ms，將整個(gè)輪詢(xún)周期均分成250份。

步驟5、流程305，即OLT按照ONU優(yōu)先級(jí)為其分配初始時(shí)頻單元和確定ONU間的輪詢(xún)方式；

步驟5-1、初始時(shí)隙為t₁＝t_{polling_start}+t_gate+t_RTT，其中t_gate表示OLT發(fā)送的GATE信息到達(dá)各ONU的時(shí)間，t_RTT表示往返時(shí)間；

步驟5-2、初始載波為每個(gè)ONU載波隊(duì)列中信道增益最大的載波；在載波分配的過(guò)程中，需遵循如下規(guī)則：1)若此ONU的帶寬G_i已經(jīng)得到滿(mǎn)足，跳過(guò)這個(gè)ONU，跳到下一個(gè)ONU；2)若當(dāng)前選中的子載波被其他ONU優(yōu)先占用，跳過(guò)這個(gè)載波，直到下一個(gè)載波未被占用；

步驟5-3、確定ONU輪詢(xún)順序；當(dāng)OLT對(duì)ONU完成第一次時(shí)頻單元的分配后，進(jìn)行下一次輪詢(xún)，其中，ONU之間的輪詢(xún)可分為兩種：第一種，在每次時(shí)隙和載波分配過(guò)程中，OLT為每個(gè)ONU僅分配一個(gè)時(shí)頻資源單元；第二種，在每次輪詢(xún)過(guò)程中，OLT優(yōu)先為高優(yōu)先級(jí)ONU分配滿(mǎn)足的時(shí)頻資源，然后再為低優(yōu)先級(jí)ONU分配；

步驟6、完成流程305后，進(jìn)行流程306的判決，即判斷ONU_i當(dāng)前帶寬BW_i與G_i的大小，若BW_i＜G_i則進(jìn)入流程307，若BW_i≥G_i，轉(zhuǎn)到流程310；

步驟7、執(zhí)行自適應(yīng)時(shí)隙、載波和比特分配算法，選擇使ONU總能耗最小的時(shí)隙、載波以及每個(gè)子載波上加載的比特?cái)?shù)；

步驟7-1、計(jì)算加單位時(shí)隙時(shí)的能耗增加量的大??；當(dāng)子載波保持不變，增加單位時(shí)隙時(shí)的能耗變化其中表示業(yè)務(wù)相關(guān)能耗變化量，與子載波和時(shí)隙大小均有關(guān)，表示業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗變化量，其只與時(shí)隙大小相關(guān)；通過(guò)式(4)計(jì)算可得

而只與時(shí)隙增加有關(guān)，發(fā)送窗口增加一個(gè)時(shí)隙前的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為：

發(fā)送窗口增加一個(gè)時(shí)隙后的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗為：

所以，當(dāng)發(fā)送窗口增加一個(gè)時(shí)隙時(shí)的業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)能耗變化量為：

其中，P_a為ONU處于active模式時(shí)的功耗；P_s為ONU處于sleep模式時(shí)的功耗；P_d為ONU處于doze模式時(shí)的功耗；P′_a/s/d要根據(jù)在時(shí)間段內(nèi)的ONU處于的狀態(tài)判定；通過(guò)上述公式，可知增加單位時(shí)隙時(shí)的能耗變化為：

在本發(fā)明實(shí)例中，設(shè)定的判定依據(jù)為1)若則ONU_i在內(nèi)為sleep模式；2)若則ONU_i在內(nèi)為doze模式；3)若則ONU_i在內(nèi)為active模式。

步驟7-2、計(jì)算增加單位載波時(shí)的能耗增加量的大小；因?yàn)榕c載波的增加無(wú)關(guān)，所以假設(shè)發(fā)送窗口內(nèi)時(shí)隙數(shù)為n，λ_j表示增加的載波，那么得：

步驟7-3、流程307表示為比較和的大小；若則轉(zhuǎn)到308，保持載波不變，為ONU_i分配當(dāng)前時(shí)隙的相鄰的時(shí)隙；否則轉(zhuǎn)到309，保持當(dāng)前發(fā)送窗口不變，為ONU_i分配其載波隊(duì)列中可用的信道增益較大的子載波；分配完成之后轉(zhuǎn)到流程306；

步驟8、進(jìn)一步降低業(yè)務(wù)相關(guān)能耗，進(jìn)行流程310，計(jì)算ONU_i當(dāng)前帶寬BW_i與G_i的差值大??；若滿(mǎn)足進(jìn)行流程311，選擇ONU_i的載波占用集合L_i中信道增益最低的子載波，減少一個(gè)比特?cái)?shù)；重復(fù)進(jìn)行步驟8，直到進(jìn)入流程312；

步驟9、流程312是將OLT為ONU分配的上行帶寬信息、ONU睡眠開(kāi)始時(shí)刻、睡眠時(shí)間大小和喚醒時(shí)刻寫(xiě)入到GATE控制信息中，其中上行帶寬信息包括發(fā)送窗口起始時(shí)間、發(fā)送窗口大小、子載波編號(hào)、允許使用的子載波個(gè)數(shù)、每個(gè)子載波上承載的比特?cái)?shù)；

步驟10、接下來(lái)進(jìn)行流程313，即OLT向各個(gè)ONU發(fā)送GATE控制信息和下行業(yè)務(wù)；

步驟11、判斷仿真時(shí)間是否結(jié)束，若是，則仿真結(jié)束，否則跳回步驟1；

(二)如圖4所示，所述基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法中ONU過(guò)程如下：

步驟1、流程400，即ONU接收到GATE控制信息后，首先對(duì)GATE信息分析處理，從中提取分配的上行帶寬信息、睡眠開(kāi)始時(shí)刻、睡眠時(shí)間大小和喚醒時(shí)刻等信息；

步驟2、流程401向OLT發(fā)送上行數(shù)據(jù)和REPORT控制信息，具體操作是ONU根據(jù)提取的上行帶寬信息，在規(guī)定的時(shí)隙和子載波上傳輸上行數(shù)據(jù)，并將下一個(gè)輪詢(xún)周期請(qǐng)求的帶寬大小寫(xiě)入REPORT控制信息中，在ONU傳輸上行數(shù)據(jù)的末尾或者上行數(shù)據(jù)傳輸完畢后發(fā)送給OLT；

步驟3、流程401完成后，進(jìn)入流程402，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入相應(yīng)的休眠狀態(tài)節(jié)能；

步驟4、執(zhí)行流程403，ONU在規(guī)定的時(shí)刻喚醒，進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和同步，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次傳輸；

步驟5、判斷是否仿真時(shí)間結(jié)束，若是，則仿真結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到步驟1；

對(duì)本實(shí)施例提出的基于ONU休眠模式的三維動(dòng)態(tài)帶寬分配算法進(jìn)行性能分析。為全面評(píng)價(jià)3D-DBA和HE-DBA算法的性能優(yōu)勢(shì)，與基于載波和比特分配的功效型動(dòng)態(tài)帶寬分配(Power Efficient Dynamic Bandwidth Allocation Based Subcarrier and Bit Allocation，PE-DBA)對(duì)比算法進(jìn)行比較。其中在3D-DBA算法中根據(jù)ONU輪詢(xún)順序的不同，又細(xì)分為：1)在每次輪詢(xún)過(guò)程中，OLT只為每個(gè)ONU分配一個(gè)時(shí)頻資源，稱(chēng)為3D-DBA-TS；2)在每次輪詢(xún)過(guò)程中，OLT優(yōu)先為高優(yōu)先級(jí)ONU分配滿(mǎn)足G_i的時(shí)頻資源，然后再為低優(yōu)先級(jí)ONU分配，稱(chēng)為3D-DBA-ONU。

仿真過(guò)程中，我們所用的光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)包含1個(gè)OLT和N個(gè)ONU(仿真中N可變)，OLT到各個(gè)ONU的距離不相等，ONU隨機(jī)分布在以O(shè)LT為圓心，半徑為50km的圓內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)中上行數(shù)據(jù)包產(chǎn)生服從泊松分布，平均數(shù)據(jù)包大小為500Bytes，OLT和ONU的隊(duì)列容量設(shè)為無(wú)限大，上行和下行鏈路速率均為1Gb/s，GATA包的大小為64Bytes。

如圖5和圖6所示，D-DBA-TS和3D-DBA-ONU兩種算法的ONU總能耗要小于PE-DBA算法，這是因?yàn)?D-DBA算法通過(guò)自適應(yīng)地分配時(shí)隙和載波，優(yōu)先選擇那些信道增益較高的載波。之所以3D-DBA-ONU算法性能優(yōu)于3D-DBA-TS，是因?yàn)?D-DBA-ONU算法優(yōu)先為高優(yōu)先級(jí)ONU分配其所需的時(shí)頻資源，而ONU優(yōu)先級(jí)排序的依據(jù)為帶寬請(qǐng)求的大小，則越被先分配信道增益較大的載波，其發(fā)送功率即越低，因此最小化那些ONU能耗最大的ONU可以最小化整個(gè)系統(tǒng)的ONU總能耗。

圖5描述了隨著上行數(shù)據(jù)速率的變化，ONU總能耗的變化情況。隨著上行數(shù)據(jù)速率的增大，ONU總能耗增加，但增量不斷減小，最后趨于平衡，說(shuō)明本實(shí)施例提出的算法穩(wěn)定性高。圖6描述了隨著ONU數(shù)目的變化，ONU總能耗的變化情況。PE-DBA算法在ONU數(shù)目較小時(shí)，ONU總能耗低于3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU。這是因?yàn)樵贠NU數(shù)目較少的情況下，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐漸增加，3D-DBA-ONU算法性能逐漸趨近最優(yōu)。

從圖7、圖8中可以看出3D-DBA-ONU算法的平均ONU休眠率高于3D-DBA-TS。這是因?yàn)椋?D-DBA-ONU在時(shí)隙和載波分配過(guò)程中的策略是先滿(mǎn)足高優(yōu)先級(jí)ONU其所需的時(shí)頻資源后，再為下一個(gè)ONU分配時(shí)頻資源，因此分配給一個(gè)ONU內(nèi)相鄰的子載波的信道增益差值較小，從而引起3D-DBA-ONU更傾向于選擇能耗增加量較小的載波方向；3D-DBA-TS分配策略是每次只為每個(gè)ONU分配一個(gè)時(shí)頻資源，因此分配給一個(gè)ONU內(nèi)相鄰載波的信道增益相較于3D-DBA-ONU算法較大，從而引起3D-DBA-TS更傾向于選擇能耗增加量較小的時(shí)隙方向。

圖7描述的是隨著上行數(shù)據(jù)速率的變化，3D-DBA-ONU算法和3D-DBA-TS算法的平均ONU休眠率的變化情況。隨著數(shù)據(jù)速率的增加，平均ONU休眠率降低。這是由于隨著數(shù)據(jù)速率的增加，ONU正常工作狀態(tài)的時(shí)間逐漸增大，從而引起睡眠或者假寐時(shí)間降低。

圖8描述了隨著ONU數(shù)目的變化，平均ONU休眠率的變化情況。隨著ONU數(shù)目的增加，平均ONU休眠率增大。這是因?yàn)?，ONU處于睡眠狀態(tài)的時(shí)間主要由上行傳輸時(shí)隙決定，ONU數(shù)目越大，在一個(gè)固定輪詢(xún)周期內(nèi)OLT給給個(gè)ONU分配的帶寬容量越小，從而引起上行傳輸時(shí)隙越短。

從圖9、圖10中可以看出在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較低、上行數(shù)據(jù)速率較低的情況下，PE-DBA算法能效高于3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU。這是由于在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小、上行數(shù)據(jù)速率較低的情況下，所有ONU的帶寬請(qǐng)求均能得到滿(mǎn)足，而PE-DBA在這兩種不同場(chǎng)景下的能耗較低，故PE-DBA能效較高。隨著上行數(shù)據(jù)速率的增加、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，3D-DBA-ONU算法優(yōu)于其他兩種算法。這是因?yàn)殡S著上行數(shù)據(jù)速率的增加和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，ONU的帶寬請(qǐng)求逐漸增大，但由于光纖信道容量限制，ONU分配的帶寬有限，而3D-DBA-ONU算法在數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，其ONU總能耗低于PE-DBA，因此3D-DBA-ONU能效高于PE-DBA。

圖9描述了隨著上行數(shù)據(jù)速率的變化，PE-DBA、3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU算法的系統(tǒng)能效的變化情況。從圖9中可以看出在隨著上行數(shù)據(jù)速率的增加，系統(tǒng)能效連續(xù)降低，但降低量不斷減小。圖10描述了隨著ONU數(shù)目的變化，PE-DBA、3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU算法的系統(tǒng)能效的變化情況。從圖10中可以看出，隨著ONU數(shù)目的增加，系統(tǒng)能效持續(xù)降低，但降低量減小。這是由于當(dāng)ONU部署較少的情況下，大部分甚至所有ONU的帶寬請(qǐng)求均能得到滿(mǎn)足，因此系統(tǒng)吞吐量較大，從而引起系統(tǒng)能效較高，隨著ONU數(shù)目的增大，能耗增大，而且OLT向每個(gè)ONU分配的帶寬降低，其吞吐量下降，從而引起系統(tǒng)能效降低。

以上實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述的實(shí)施例。上述實(shí)施例中所用方法如無(wú)特別說(shuō)明均為常規(guī)方法。