ONU節(jié)能效應(yīng)研究

劉 波，袁澤勇

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)四川有限公司，四川 成都 610041）

ONU節(jié)能效應(yīng)研究

劉 波，袁澤勇

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)四川有限公司，四川 成都 610041）

文章提出了一種基于光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）的互聯(lián)架構(gòu)，該架構(gòu)下的ONU能有效降低負(fù)載以及運(yùn)行能耗。仿真結(jié)果表明，在新型電交換（ES）接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，采用2，3，4個(gè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的ONU架構(gòu)的接入網(wǎng)在低負(fù)載時(shí)的運(yùn)行能耗進(jìn)一步降低，可以分別使網(wǎng)絡(luò)能耗在一天中下降12%，15%，16%。

ONU互聯(lián)結(jié)構(gòu)；高能效；網(wǎng)絡(luò)能耗

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，能源消耗已經(jīng)成為影響環(huán)境、社會(huì)和諧發(fā)展的重要問(wèn)題。以通信傳送網(wǎng)為支撐的IT產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為高能耗行業(yè)的代表，2009年我國(guó)三大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通信用電量達(dá)到289億度，約等于三峽電站2011年總發(fā)電量的1/3。以中國(guó)移動(dòng)某地級(jí)市分公司為例，其一年電費(fèi)支出3200萬(wàn)元，成為最大的維護(hù)支出成本。通信網(wǎng)中，接入網(wǎng)部分的能耗約占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗的67%。降低接入網(wǎng)能耗對(duì)提高通信網(wǎng)能效，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效、發(fā)展綠色通信產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

2007年澳大利亞R.S.Tucker研究團(tuán)隊(duì)首次提出了綠色光網(wǎng)絡(luò)的概念［1］。隨后各國(guó)學(xué)者圍繞降低光接入網(wǎng)能耗展開(kāi)了一系列的研究，在綠色光接入網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議方面已經(jīng)取得了一定的研究成果。J.Baliga對(duì)各種接入網(wǎng)的能耗進(jìn)行了具體分析［2］。E.Wong等提出了基于垂直腔激光器的新型ONU設(shè)備方案［3-4］。同時(shí)，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在光接入器件降低能耗方面也取得了一定的研究成果［5］。

基于提高能效的目的，本文從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系出發(fā)，構(gòu)建了無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的理論能耗模型，提出ONU組合互聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)低能耗方案并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了ONU互聯(lián)結(jié)構(gòu)的低能耗特性。

1　接入網(wǎng)能耗理論模型

接入網(wǎng)主要結(jié)構(gòu)由Optical Network Terminator （OLT），Remote Node（RN），ONU三大部分構(gòu)成。OLT連接了核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，同時(shí)它控制第二層、第三層節(jié)點(diǎn)在資源管理、服務(wù)聚合以及管理控制下層設(shè)備的功能；RN是連接OLT與ONU的中間節(jié)點(diǎn)，主要起交換開(kāi)關(guān)的作用；ONU是用戶接入設(shè)備，提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、IPTV等業(yè)務(wù)接入。在較為先進(jìn)的密集波分復(fù)用系統(tǒng)下，OLT的能耗主要由其收發(fā)機(jī)模塊，溫控設(shè)備，接口開(kāi)關(guān)產(chǎn)生，POLT=P收發(fā)機(jī)+P溫控設(shè)備+P接口設(shè)備；RN能耗由濾波器的溫控設(shè)備構(gòu)成，PRN=P溫控設(shè)備；ONU的能耗由光收發(fā)模塊、溫控設(shè)備、光纖/電纜接口以及其它一些如穩(wěn)壓器和直流/交流轉(zhuǎn)換帶來(lái)的額外能耗構(gòu)成，PONU=P收發(fā)機(jī)+P溫控設(shè)備+P光纖/電纜接口設(shè)備+P其他。可見(jiàn)，由于復(fù)用技術(shù)而給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了額外的溫控系統(tǒng)設(shè)備的能耗，也增加了接收系統(tǒng)信息處理的難度。

基于Tucker教授提出的ES低能耗接入結(jié)構(gòu)，考慮到器件的規(guī)模與能耗以及接入網(wǎng)器件利用率的關(guān)系，文章提出了ONU的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)ONU的互聯(lián)，增大信道的利用率，減少RN端工作的二層接口器件的數(shù)量，從而降低接入網(wǎng)能耗。

在該接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，ONU和與其臨近的1個(gè)，2個(gè)，3個(gè)或者更多的ONU進(jìn)行互聯(lián)，它們之間可以互相進(jìn)行通信。ONU之間的互聯(lián)信號(hào)收發(fā)由光模塊完成。在組合結(jié)構(gòu)下，由OLT發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)RN處40Gbit接收機(jī)接收，經(jīng)過(guò)處理后再由RN的每個(gè)第二層電光轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接口向其對(duì)應(yīng)的ONU進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸；當(dāng)在低負(fù)載下采用雙ONU互聯(lián)時(shí)，下行信號(hào)首先通過(guò)主ONU的光模塊接收，在光模塊中根據(jù)頭信息進(jìn)行初步處理后，對(duì)應(yīng)于該主ONU的數(shù)據(jù)由1000 base T/F發(fā)送給其服務(wù)客戶，對(duì)應(yīng)于ONU的數(shù)據(jù)在光模塊中進(jìn)行再生后發(fā)送給從ONU再傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)用戶；上行信號(hào)，從ONU的用戶數(shù)據(jù)首先發(fā)送到主ONU對(duì)應(yīng)從ONU的光模塊，主ONU對(duì)其接收后與該主ONU對(duì)應(yīng)的上行信號(hào)進(jìn)行匯聚，再通過(guò)主ONU與RN連接的光模塊發(fā)送至RN接口。若主ONU與從ONU的負(fù)載增大到主ONU無(wú)法負(fù)擔(dān)時(shí)，從ONU根據(jù)需要關(guān)閉與主ONU的連接并與其對(duì)應(yīng)的RN接口建立短時(shí)間連接進(jìn)行分流，當(dāng)主ONU和從ONU均清空緩存后再重新建立主從ONU之間的連接，關(guān)閉從ONU與RN的直接連接。在這種ONU組合互聯(lián)的結(jié)構(gòu)下，每個(gè)ONU中需要裝備的光模塊數(shù)量為N=n，需要建立的ONU之間的光路數(shù)為C2n，其中n為一個(gè)ONU組合中包含的ONU個(gè)數(shù)。這種結(jié)構(gòu)下，OLT，RN，ONU之間的所有光鏈路不需要進(jìn)行波分復(fù)用，都是單纖固定波長(zhǎng)傳輸，并且RN和ONU處都能進(jìn)行信號(hào)再生，所以既不存在信道串?dāng)_，各個(gè)設(shè)備中也就不需要溫控、色散補(bǔ)償、增益補(bǔ)償?shù)妊b置，簡(jiǎn)化了信號(hào)的處理；由于信道的獨(dú)立性，發(fā)射機(jī)的功率也更方便進(jìn)行分別控制。同時(shí)，由主ONU處理從ONU的信號(hào)進(jìn)行再整合使得ONU與OLT之間的連接信道時(shí)隙利用率進(jìn)一步提高。

2　ONU互聯(lián)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果及分析

在ES結(jié)構(gòu)下采用ONU組合互聯(lián)方式接入網(wǎng)能耗隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化如表1所示，作為比較，對(duì)比的原始ES網(wǎng)絡(luò)的能耗曲線。可以看出，在低負(fù)載下，多個(gè)ONU組合互聯(lián)使信息流聚合到一個(gè)主ONU上與RN接口進(jìn)行連接的接入模式可以顯著降低ES接入網(wǎng)能耗。

表1　GPON各模塊理論能耗

在此處，定義每Gbit接入能耗與ONU互聯(lián)數(shù)目的關(guān)系為：

其中常數(shù)C為一由ONU總數(shù)和網(wǎng)絡(luò)各器件獨(dú)立功耗構(gòu)成的與負(fù)載、ONU互聯(lián)數(shù)目無(wú)關(guān)的一固定值。由于在低負(fù)載下，網(wǎng)絡(luò)流量較小，但是同時(shí)網(wǎng)絡(luò)器件卻在不停地按最大負(fù)載工作，造成了資源浪費(fèi)，導(dǎo)致低負(fù)載下傳輸每Gbit信息能耗較高。

考慮到在這種ONU組合互聯(lián)的結(jié)構(gòu)下，每個(gè)ONU中需要裝備的光模塊數(shù)量為N=n=（β+1），需要建立的ONU之間的光路數(shù)為C2n，較多的ONU組合雖然可以降低能耗，但負(fù)面問(wèn)題是需要新建大量連接，并且大大增加ONU設(shè)備中光模塊數(shù)量，使建設(shè)成本過(guò)高。

隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，網(wǎng)絡(luò)的能耗在負(fù)載的閾值以下保持不變，超過(guò)閾值之后，網(wǎng)絡(luò)能耗隨負(fù)載正比增加，直到滿負(fù)載達(dá)到最高能耗，在20時(shí)之后網(wǎng)絡(luò)能耗隨負(fù)載的回落而下降，直到負(fù)載低于閾值后能耗穩(wěn)定不變。經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用2，3，4個(gè)ONU組合互聯(lián)，相比之前的網(wǎng)絡(luò)在一天中網(wǎng)絡(luò)總能耗分別減少了12%，15%和16%。

不同數(shù)目ONU組合后一天中平均每Gbit接入所需的功率隨時(shí)間變化趨勢(shì)繪于圖3-6。可見(jiàn)3個(gè)ONU組合和4個(gè)ONU組合在該網(wǎng)絡(luò)流量模型下能耗區(qū)別較小，證明了2個(gè)或者3個(gè)ONU互聯(lián)是較理想的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ONU之間的互聯(lián)可以建立低能耗接入網(wǎng)末端架構(gòu)。ONU的互聯(lián)減少了在低負(fù)載下工作的器件數(shù)量，降低了能耗。

［1］TUCKER R S.Green optical communications-part II： energy limitations in networks［J］.Sel.Top.Quant.Electron，2011（2）：261-274.

［2］BALIGA J，AYRE R，SORIN W V，et al.Energy consumption in access network［J］.OFC/NFOEC，2008（12）：8-10.

［3］WONG E，MULLER M，DIAS P I，et al.Energy saving strategies for VCSEL ONUs［J］.OFC/NFOEC，2012（5）：12-13.

［4］Wong E，Muller M，DIAS P I，et al.Energy-efficiency of optical network units with vertical-cavity surface-emitting lasers［J］.Opt.Express，2012（14）：14960-14970.

［5］LANGE C，GLADISCH A.On the energy consumption of FTTH access network［J］.OFC/NFOEC，2009（10）：79.

［6］王震.無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2011.

Research on the Energy Saving Effect of the ONU

Liu Bo， Yuan Zeyong
（China Mobile Communications Group Sichuan Co.， Ltd.， Chengdu 610041， China）

An interconnection structure based on the optical network unit （ONU） is proposed in this paper. By using the ONU under this frame， the network load and energy consumption can be decreased effectively. The simulation results showed that in the novel electrical switching access network， the ONU-based structure can further reduce the network consumption with low load. Specifically， the consumption should drop by 12%， 15% and 16% when 2， 3 and 4 points interconnection structure is employed.

ONU interconnection； high energy efficiency； the network energy consumption

劉波（1977— ），男，四川巴中，碩士，工程師；研究方向：通信工程建設(shè)管理。