光接入網絡節能技術研究與測試

蔣 燕，莊湛海

（1.廣州優億信息科技有限公司 廣州510630；2.中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 前言

隨著“寬帶中國”的戰略性推進，寬帶接入網的“最后一公里”光接入網已經逐步成為主流，規模越來越大，接入網絡的能耗也越來越高，因此，光接入網能耗與節能技術的研究已成為一個重要的課題。

光接入網的基本組成包括光線路終端（OLT）、光配線網（ODN）、光網絡單元（ONU）三大部分。其中，OLT放置在局端，ONU放置在用戶端，兩者均是有源設備，其工作過程帶來能源消耗；ODN是OLT和ONU之間的光線路子系統，是由一系列無源光器件（如光纖光纜、光連接器、光分路器等）組成的純無源光分配網，本身不產生能耗。由于OLT設備容量大、功耗高，且包含設備自身的特點以及網絡規劃等方面的原因，因此其存在較大的節能空間。本文通過對OLT設備有效節能的關鍵技術進行深入研究和實驗室測試，提出了光接入網節能的實施方案和策略，為光接入網的節能減排提供了依據和建議。

2 OLT設備節能關鍵技術

2.1 功耗影響因素

OLT主要功能單元包括用戶單元、主控單元、上行網絡接口、電源模塊和風扇模塊，其功能結構如圖1所示。

圖1 OLT功能結構

圖1 中，主控單元、電源模塊、風扇模塊、上行網絡接口為所有用戶共用，是OLT設備的公共功能單元，因此，公共單元功耗是主控單元、電源模塊、風扇模塊和上行網絡接口的能耗總和，OLT設備的功耗構成如圖2所示。

圖2 OLT設備的功耗組成

圖2 中，公共功耗中的主控板卡和電源板卡的功耗相對穩定，在設備配置和工作溫度確定后基本不變；現網中風扇辦卡的控制策略一般推薦采用智能調控模式，根據溫度自動調換檔位，從而產生不同的功耗；上行板卡的功耗區別主要在于板卡類型和上行板卡帶寬，上行板卡帶寬一般是GE或者10GE，一般來說，10GE板卡的功耗高于GE板卡的功耗，不同的平均分配帶寬和ONU數量決定上行板卡采用GE接口或者10GE接口。用戶板卡是指下行的PON板卡，包括EPON業務板卡和GPON業務板卡，這些板卡只要PON口下掛一個ONU，工作就必須正常運轉，消耗電能，因此單個PON口下掛的ONU數量對PON口功耗影響不大，ONU數量對功耗的影響主要表現為對PON口數量的影響。綜上所述，OLT設備一旦確定，其功耗就主要受用戶數量、用戶平均分配帶寬、設備所處環境溫度以及OLT的實際業務流量大小的影響。OLT設備各功能模塊功耗與影響因素的關系如圖3所示。

2.2 節能關鍵技術

根據OLT設備能耗分布特點，OLT設備的節能應該重點關注有效的節能技術，OLT設備可采用的關鍵節能技術主要包含空閑端口關斷節能技術、空閑單板關斷節能技術、風扇智能調速技術等。

圖3 OLT設備功耗影響因素關系

（1）空閑端口關斷節能技術

對于OLT上沒有業務發放的空閑端口，使用端口關斷節能技術，可以降低端口的實際功耗。空閑端口關斷技術原理如圖4所示。

圖4 空閑端口關斷節能技術

用戶板卡上包含多個功能模塊和芯片，可以分為板卡共用模塊和端口專用模塊。當采用空閑端口關斷節能技術時，若設備檢測到端口無業務通過，則自動關閉相應的端口模塊，從而降低端口功耗。理論上，空閑端口關斷節能技術應能將端口專用模塊完全關閉，以最大限度地實現節能。如圖4所示，端口PHY和SFP屬于端口專用模塊，深灰色表示其處于關閉狀態，其余模塊則為板卡上所有端口共用模塊，淺灰色代表其處于正常工作狀態。端口關斷后重新啟用需要一定的時延，但對業務開通和使用無影響。

（2）空閑單板關斷節能技術

現網設備存在預先配置但未實際使用的用戶單板。對于所有端口均未開放業務的單板，可使用單板關斷節能技術，讓這些用戶單板進入深度休眠狀態或者直接下電關斷，最大限度地節省功耗。與空閑端口關斷節能技術類似，當設備啟用空閑單板關斷節能技術時，若設備檢測到單板無業務通過，則自動關閉單板，切斷單板與背板的連接，單板進入深度休眠或下電狀態，從而降低功耗，空閑單板關斷節能技術原理如圖5所示。

圖5 空閑單板關斷節能技術

如圖5所示，理論上，當采用空閑單板關斷節能技術時，單板功耗為0 W。單板關斷后重啟也需一定的時延，但對業務開通和使用無影響。

山東省先后印發了《關于加強海水利用工作的意見》《關于加強污水處理回用工作的意見》等，加大污水處理回用、海水淡化等非常規水源的開發利用，納入區域水資源統一調度配置。在水資源論證與取水許可審批工作中，對污水處理再生水等非常規水的水量和水質能夠滿足建設項目用水需求的，優先配置使用非常規水，嚴格控制取用新水特別是地下水。

（3）風扇智能調速技術

OLT設備溫度受設備工作狀態和機房溫度的影響。智能風扇調速技術采用更精細化的風扇調速檔位，將風扇轉速與散熱瓶頸點的溫度綁定，根據溫度自動控制風扇轉速，達到有效降低風扇模塊功耗的目的。風扇智能調速原理如圖6所示。

圖6（a）中，風扇板各風扇統一設置，無論環境和設備溫度如何，均保持設定好的恒定轉速運轉；圖6（b）則采用智能控制，風扇板各風扇根據部件的溫度智能調節風扇的運轉速度，從而達到節能的目的。兩種方式下的能耗比較如圖7所示。

實現風扇智能調速需要系統能夠自動采集溫度，然后通過網管設置風扇轉速的溫度控制狀態，從而實現風扇智能調速。通常情況下，可以通過對機框內關鍵部件溫度的監控（單板上溫度傳感器）實現智能調節轉速，使得風扇的轉速更加精確，以達到最優的節能效果。采用風扇智能調速技術不僅能降低設備功耗和噪聲，同時也能延長風扇使用壽命。

圖6 風扇智能調速技術

圖7 風扇不同控制策略下的功耗對比

3 光接入網OLT設備節能測試

根據以上的技術研究，通過光接入網設備的實驗室測試數據評估實際的節能效果。本測試采用4個主流光接入網設備廠商提供的4款主流OLT設備，涉及GPON和EPON兩種接入板卡和終端。

3.1 測試環境

測試環境如圖8所示[1]。

圖8 測試環境

圖8 中，OLT通過5 dB或10 dB的光衰減器連接ONU，流量測試儀分別連接OLT的上聯端口和ONU的用戶端口，分別向OLT和ONU發送流量以模擬實際業務流量[2,3]。

3.2 測試分析

（1）空閑端口關斷節能測試

從測試結果可以看出，采用空閑端口關斷技術后，4款設備中，EPON單個端口最高節能能耗比例達32%左右，GPON單個端口最高節能能耗比例約為21%。

表1 空閑端口關斷節能測試結果

（2）空閑單板關斷節能測試

空閑單板關斷節能測試主要測試和記錄了設備中空閑單板下電功能開啟前后的能耗變化情況，測試結果見表2。

表2 空閑單板關斷節能測試結果

如圖4所示，空閑單板關斷時，幾乎可實現100%單板能耗的節省，但明顯可以看出，各廠商在設備實現上相差較大，并非全部實現整個單板關斷，僅能關斷部分模塊。這應該成為后續產業推進的一個重點。

（3）風扇智能調速節能測試

風扇調速節能測試驗證了OLT設備的風扇智能調速功能的實現情況，并研究分析了風扇調速的節能效果。測試結果見表3。

表3 風扇智能調速技術測試結果

結果分析如下所述。

·表3的數據表明，隨著風扇檔位的增加，風扇轉速增高，其功耗也相應增大。

·風扇啟用智能調節功能后，轉速隨環境溫度變化而自動調整，節能效果也比較明顯，當然部分廠商設備并不支持智能調節功能。

·由于測試條件的限制，智能調速僅測試了實驗室溫度（約25℃）下的功耗，其功耗值約相當于風扇最低轉速時的功耗，因此，當設備工作溫度適宜時，采用智能調速模式可大大節省風扇功耗。

4 結束語

可以采用多種技術方案實現光接入網的節能減排，本文對其進行了研究、測試和分析，結果表明，空閑端口關斷節能技術、空閑單板關斷節能技術和智能風扇調速節能技術能有效節省光接入網能耗，而且均不會對業務產生影響。但目前各廠商設備實現情況參差不齊。因此，當前運營商進行網絡建設時應選用支持空閑端口關斷節能技術、空閑單板關斷節能技術和智能風扇調控技術的OLT設備；整個產業應該推動相關技術實現的標準化和設備開發進程，在滿足寬帶業務持續規模發展、支撐“寬帶中國”戰略實現的同時，盡可能地降低能耗，為社會的綠色健康發展打好基礎。

1 中國通信標準化協會.GB/T 28519.通信產品能耗測試方法通則,2012

2 中國通信標準化協會.YDB 067.接入網設備節能技術要求和測試方法_EPON系統,2011

3 中國通信標準化協會.YDB 068.接入網設備節能技術要求和測試方法_GPON系統,2011