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技术

本发明专利技术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，属于光无线混合网络通信技术领域。该方法针对现有基于节点休眠的节能机制未能有效降低网络能耗的问题，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。本方法能够在有效降低整个融合网络能耗的基础上，满足用户的接入需求及网络的连通性要求，同时对网络数据包时延不会产生显著影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光无线混合网络通信
，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。
技术介绍
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(WirelessOpticalBroadbandNetworks,WOBAN)是一种由后端的无源光网络(PassiveOpticalNetwork,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(WirelessMeshNetwork,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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术提供如下技术方案：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：SS(WConuk<LW),]]>MS(LW≤WConuk≤TConu2)]]>及HS(TConu2≤WConuk).]]>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：WConuMS=WConu1+WConu2+......+WConuNm-1+WConuNm;]]>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：Pj=Ps×WConujWConuMS=Ps×WConujWConu1+WConu2+......+WConuNm-1+WConuNm;]]>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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：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。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：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：SS(WConuk<LW),]]>MS(LW≤WConuk≤TConu2)]]>及HS(TConu2≤WConuk),]]>其中表示第k个
ONU的当前工作负载，TConu表示ONU容量，LW表示休眠门限值。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：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：
WConuMS=WConu1+WConu2+......+WConuNm-1+WConuNm;]]>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：
Pj=Ps×WConujWConuMS=Ps×WConujWConu1+WConu2+......+WConuNm-1+WConuNm;]]>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：其中Nh表示集合HS中的ONU个数；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。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：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：
式中N表示网络中ONU个数，n表示参与轮询的ONU个数，αk表
示第k个ONU是否为被OLT进行轮询的ONU，αk＝0表示该ONU不参与OLT轮询，αk＝1表示该ONU
参与轮询，Nw表示网络中无线路由器个数；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：
Rij=(1-β)Rp+βRs=(1-β)Npijn×(Nw-Σk=1N(1-αk)Nk)+&be...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汝言，刘侃岭，张鸿，吴大鹏，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85