eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #5/2020
Д.Калмыкова, В.Шувалов
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ДОСТУПА
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ДОСТУПА
Просмотры: 2852
УДК 004.051, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.90.5.34.42
В статье рассмотрены методы повышения энергетической эффективности пассивных сетей доступа. Анализ основан на результатах зарубежных разработок, проведенных за последнее время.
В статье рассмотрены методы повышения энергетической эффективности пассивных сетей доступа. Анализ основан на результатах зарубежных разработок, проведенных за последнее время.
Теги: energy efficiency in broadband access networks lr-pon pon networks сети pon энергетическая эффективность в сетях шпд
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ энергоэффективности оптических сетей доступа
Д.Калмыкова, специалист учебно-методического отдела Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики / kalmykova_dd@sibguti.ru,
В.Шувалов, д.т.н., профессор кафедры
передачи дискретных сообщений и метрологии СибГУТИ / shvp04@mail.ru
УДК 004.051, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.90.5.34.42
ВВЕДЕНИЕ
Интернет стал ключевой инфраструктурой повседневной жизни. Требования к пропускной способности абонентского доступа постоянно растут, что делает особо востребованными широкополосные пассивные волоконно-оптические сети (PON – Passive Optical Network) [1].
Взрывной рост трафика влечет за собой новые требования к сети с точки зрения ее качества и производительности. Одним из важнейших показателей качества сети является ее энергоэффективность. Заслуживающий пристального внимания рост энергопотребления в телекоммуникационных сетях (см. рис.1) требует перехода на технологии следующего поколения [2]. Одной из главных целей создания сетей будущего является снижение энергозатрат на их функционирование за счет использования различных энергосберегающих технологий.
Известно, что на сети доступа приходится более 80% общего энергопотребления проводной сети [3, 4], что делает их важным предметом исследований в области энергоэффективности телекоммуникационных технологий. Перечисленные ниже стандарты отражают эволюцию подходов к энергосбережению в пассивных оптических сетях:
Для повышения энергоэффективности сетей PON применяются различные подходы, такие как мультиплексирование с временным разделением каналов (TDM-PON), мультиплексирование с разделением по времени и длине волны (TWDM-PON), мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM-PON) и PON с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA-PON) [9].
В традиционной технологии TDM-PON оконечное устройство оптической линии в центральном офисе (OLT) подключается к нескольким терминалам оптической сети (ONT) через оптическую распределительную сеть с многоточечным подключением (ODN, optical distribution network). Поскольку один интерфейс OLT совместно используется несколькими десятками ONT, TDM-PON представляет собой наиболее энергоэффективное решение для оптического доступа, развернутое в настоящее время [10].
WDM-PON обеспечивает виртуальное соединение точка-точка (PTP, point-to-point) оптоволоконного доступа через выделенную длину волны для каждого ONT. Однако в большинстве случаев для стабилизации длин волн требуется термоэлектрическое охлаждение (ТEС, thermo-electric cooling). TEС потребляет дополнительную мощность, что снижает любой выигрыш в эффективности, предлагаемый его виртуальной природой [9].
TWDM-PON увеличивает общую пропускную способность PON на количество пар длин волн. При той же пропускной способности потребляемая мощность OLT будет немного выше, чем у "чистого" TDM-PON, поскольку в OLT этой технологии имеется несколько приемопередатчиков. Что касается ONT, то, хотя энергопотребление электроники в технологии TWDM-PON ниже, поскольку скорость линии на канал меньше по сравнению с агрегированной скоростью линии для TDM-PON, однако дополнительная мощность потребляется при настройке передатчика и приемника [9].
PON с множественным доступом с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA-PON) привлекает интерес как альтернативное решение для сетей PON следующего поколения [11, 12]. OFDMA-PON использует большое количество поднесущих, накладывающихся друг на друга в спектре, но не мешающих друг другу, поскольку они ортогональны, что обеспечивает высокую спектральную эффективность. Данная технология обеспечивает более высокую степень детализации полосы пропускания, чем WDM-PON [30]. OFDMA-PON потребляет дополнительную мощность для операций цифровой обработки сигналов (DSP), например, быстрого преобразования Фурье (FFT, fast Fourier transform) и обратного FFT (IFFT, inverse FFT). Высокому энергопотреблению также способствует необходимость в быстродействующих аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях [12].
Для снижения энергопотребления может применяться спящий режим – метод снижения энергопотребления путем отключения частей системы, когда предлагаемый трафик меньше, чем общая емкость системы. Цель тут состоит в том, чтобы сделать среднее энергопотребление максимально пропорциональным транспортной нагрузке. Большая часть усилий в области исследований и стандартизации была сосредоточена на реализации режима ожидания в ONT TDM-PON, но этот метод также может быть применен к OLT в некоторых технологиях доступа.
Также можно экономить энергию в оптических системах WDM-PON, применяя циклический режим ожидания. В дополнение к экономии энергии в ONT квазистатический тип режима ожидания также может применяться к портам приемопередатчика в OLT TWDM-PON. Следует отметить, что комбинирование OFDMA / TDMA возможно в OFDMA-PON, поэтому режимы ожидания также могут использоваться для повышения эффективности использования энергии [9].
Битовое чередование в PON (BiPON, bit interleaving PON) было разработано в контексте Green Touch (глобальный консорциум, созданный для резкого (в тысячу раз) повышения энергетической эффективности информационно-коммуникационных технологий) как новый подход к созданию энергоэффективной TDM-PON. Идея протокола чередования битов состоит в том, что, если ONT может определить, какие биты предназначены для других блоков, эти биты не должны подвергаться дальнейшей обработке. В TDM-PON только небольшая часть общего битрейта предназначена для конкретного ONT, поэтому может быть достигнута значительная экономия энергии [9].
Можно повысить энергоэффективность оптических компонентов в системах WDM-PON, в которых виртуальная одноранговая связь осуществляется по каналу длины волны вместо выделенного оптоволоконного соединения, используя низкую абонентскую скорость и небольшой оптический бюджет. Дополнительным улучшением на уровне компонентов является использование настраиваемого WDM-лазера без охлаждения или отражающего полупроводникового оптического усилителя (RSOA, reflective semiconductor optical amplifier) без охлаждения, который обладает преимуществом высокой точности длины волны без использования энергосберегающего TEС [9].
В OFDMA-PON возможно снизить энергопотребление ONT путем выбора соответствующего набора смежных поднесущих с помощью полосового фильтра. ONT не нужно обрабатывать весь спектр и, следовательно, можно работать с такими энергозатратными функциями, как ADC/DAC и DSP, на гораздо более низких скоростях. OFDMA-PON имеет самое высокое энергопотребление в расчете на абонента. Более подробно методы снижения энергопотребления описаны в [9].
Для повышения энергоэффективности сетей предлагаются новые архитектуры оптических сетей, а также используются различные алгоритмы работы существующих сетей (рис.2).
АРХИТЕКТУРА, ОРИЕНТИРОВАННАЯ НА ЦОД
Интернет-трафик состоит из трафика взаимного общения (P2P, peer-to-peer) (обмен файлами, VoIP, и т. д.) и трафика между клиентом и центром обработки данных (C2D, client-to-datacenter) (веб-доступ, загрузка данных, загрузка контента и т. д.) [13].
Основные службы интернет-приложений, такие как служба социальных сетей (SNS, social network service) или YouTube, переходят на службу C2D. Переход к C2D требует изменения структуры всей телекоммуникационной сети, а не только доступа. На рис.3а показана существующая структура ядра сети Интернет, где несколько автономных систем соединены между собой [14].
Эту сетевую структуру легко расширить для удовлетворения спроса на трафик и масштабировать для удовлетворения большего числа пользователей интернета. Однако структура, представленная на рис.3а, не подходит для трафика C2D. Это связано с тем, что трафик от пользователей к ЦОДам гипергигантов занимает более 40% всего интернет-трафика. Решением является переход к оптической сети агрегации, показанной на рис.3б [15, 16]. Сеть состоит из простой прозрачной сети агрегации, реализованной с помощью оптических коммутаторов, мультиплексоров / демультиплексоров по длине волны и централизованного масштабируемого по производительности L3-маршрутизатора в ЦОДе. В предложенной архитектуре сеть оптического агрегирования metro / доступа имеет простую функцию мультиплексирования и, следовательно, является энергоэффективной.
Энергопотребление маршрутизатора
Потребляемая маршрутизатором мощность определяется следующей формулой [17, 18]:
P = A • C2/3, (1)
где P – потребляемая мощность, Вт;
C – пропускная способность маршрутизатора, Мбит/с;
A – постоянная величина, Вт • Мбит/c–2/3.
Значение A в формуле (1) равно 1,0.
Из (1) следует, что увеличение пропускной способности электрического маршрутизатора повышает энергоэффективность, так как потребляемая мощность на бит уменьшается с увеличением пропускной способности маршрутизатора.
Известно, что один маршрутизатор 1 Тбит/с потребляет 10 кВт, а маршрутизатор 1 Гбит/с – 100 Вт. Для обеспечения одинаковой скорости потребуется 1 тыс. систем с маршрутизаторами 1 Гбит/с и всего одна система с терабитным маршрутизатором. Поэтому электрические маршрутизаторы большой производительности очень эффективны для достижения экономии энергии.
АРХИТЕКТУРА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СВЯЗАННОЙ СЕТИ
Другим решением является распределенная сетевая архитектура. В такой сети датчики, устройства обработки контента, а также терминалы будут иметь IPv6-адреса и будут широко рассредоточены. Гибкие и систематические связи между ними обеспечиваются с помощью волоконно-оптических линий.
В архитектуре распределенной связанной сети контент, оборудование, программы и функции определяются как "сервисные части" (SP, service part), которые связаны между собой оптическими каналами. Оптический кабель создает логическое соединение или путь к SP, обеспечивая огромную пропускную способность, безопасность и минимальную задержку. По связанной сети передачи данных происходит обмен метаданными, а SP связываются путем получения извлекаемых данных, таких как местоположение, функция, возможности и т.д. Комбинация сервисных частей, имеющих различное местоположение, создает услугу гибридизации сети. Эта концепция была предложена как uGrid (ubiquitous grid network environment) [19–21].
Концепция uGrid может применяться для создания информационно-ориентированных сетей (ICN, information-centric networking) [22] и контент-ориентированных сетей (CCN, content-centric network) [23]. CCN считается одним из наиболее перспективных направлений для сети нового поколения (NwGN) в Японии или сети будущего в ЕС и США.
CCN в основном передает большие наборы контента в качестве транспортных единиц на уровне сети обслуживания. CCN может действовать как сеть доставки контента, тогда как uGrid может действовать как сеть, генерирующая контент. Концепция E3-DCN (enhanced-type data-centric network) [24, 25] объединяет CCN и uGrid в среде виртуализации сети и применяет метод маршрутизации с учетом энергопотребления для обеих сетей.
E3-DCN и uGrid обеспечивают функцию обработки в сети. Это означает, что сквозной путь обслуживания не является прозрачным и возможно преобразование данных в сети. Сеть обеспечивает не только транспортировку, но и услугу создания контента, называемую оверлейной сетью генерации данных. В результате будущие энергоэффективные услуги гибридного подключения позволяют пользователям обходиться без владения аппаратным обеспечением или даже сложными программными функциями; сеть предоставляет пользователю желаемый индивидуальный сервис. В E3-DCN наложенная сеть может учитывать реальную производительность сети, задержки, потребление энергии, пропускную способность через программный интерфейс приложения (API).
СХЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТИ НА ОСНОВЕ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
В последнее время набирает популярность технология PON с большим радиусом действия (LR-PON, long–reach PON). Она расширяет зону покрытия PON с традиционных 20 до 100 км, объединяет несколько активных площадок и, таким образом, снижает затраты. Концепция LR-PON предполагает дальнейшее упрощение сети за счет объединения сети доступа и городской (metro) сети, что обеспечивает снижение затрат мощности в пересчете на одного пользователя. В этих сетях используются сплиттеры с высоким общим коэффициентом деления (1024 и более), что позволяет подключить большое число пользователей; появляется возможность упростить процедуры обслуживания и мониторинга сети [26]. На сегодняшний день представлено несколько схем LR-PON с возможностью существенной экономии энергии в практических условиях.
Одним из основных компонентов LR-PON является OLT, который развернут в центральном офисе. Специально для экономии энергии в OLT было предложено централизованное сетевое планирование, основанное на запросах пользователей. Рассматривая различные способы использования сети разными пользователями, разрабатывалась эффективная схема, в которой клиенты с дополнительными требованиями назначаются одному и тому же сегменту сети для совместного использования полосы пропускания. Она обеспечивает постоянное использование высокой полосы пропускания и уменьшает количество необходимых длин волн, тем самым снижая затраты и потребление энергии.
Хотя провайдеры (ISP) предлагают пропускную способность в течение 24 ч семь дней в неделю для всех пользователей, большинство пользователей интенсивно использует сеть только в течение небольшого периода времени. Так, бизнес-пользователям в дневное время требуется высокая пропускная способность, а ночью – незначительная. Домашние же пользователи нуждаются в большей пропускной способности вечером. На основе этого был предложен энергосберегающий подход к планированию сети, основанный на поведении пользователей.
Тщательно изучая потребности абонентов в полосе пропускания и используя дополнительные ежедневные профили трафика для корпоративных и частных клиентов, можно создать LR-PON с наименьшим количеством длин волн и поддерживать постоянную работу сети с высокой частотой использования. При использовании меньшего количества длин волн достигается не только экономия эксплуатационных расходов и капитальных затрат, но и существенно экономится энергия, необходимая для работы сети, что повышает энергоэффективность LR-PON [26].
Рассмотрим простой случай с двумя абонентами, каждый из которых имеет по одному ONT. Первый – это бизнес-пользователь, которому требуется высокая пропускная способность в дневное время (рабочее время) и малая ночью. Второй – домашний пользователь, который имеет бóльшую потребность в полосе пропускания в вечернее время, когда он дома.
Есть два варианта размещения этих абонентов в LR-PON. Можно либо развести их по двум отдельным сегментам сети (что заставит OLT распределять полосу пропускания в соответствии с пиковыми требованиями пользователей и в конечном итоге заставит провайдера развернуть больше длин волн, чем фактически необходимо), либо поместить их в один сегмент. Преимущество второго варианта в том, что часы пиковой нагрузки для двух пользователей различны, и, следовательно, ISP необходимо распределять полосу пропускания только один раз в соответствии с их потребностями в общей пиковой полосе пропускания [26]. Высокая пропускная способность достигается путем назначения типичным бизнес- и домашнему пользователю одной и той же длины волны.
С учетом различного поведения типичных деловых и бытовых абонентов разрабатывается эффективная схема назначения пользователей, в которой клиенты с дополнительными требованиями назначаются одному и тому же сегменту сети для совместного использования полосы пропускания. Задействование большей полосы пропускания может быть достигнуто практически в течение всего дня, тем самым сокращая количество необходимых длин волн, затраты и потребление энергии.
Математические модели для рассматриваемой схемы и алгоритмы назначения пользователя, ориентированные на его поведение, подробно обсуждаются в [26].
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ПЛАНИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ SLA
Современные системы LR-PON могут иметь скорости нисходящего и восходящего потоков 10 и 2,5 Гбит/с соответственно. Здесь может быть задействовано до 17 PON. Каждая из них работает с разными парами восходящих и нисходящих потоков, разделенных по длине волны и обслуживающих до 256 ONT. Всего к OLT может быть подключено до 4352 ONT.
Сети LR-PON имеют топологию многоступенчатого дерева с множеством ветвей и позволяют обеспечивать интеграцию сетей доступа и зоновых сетей. Расширенная функциональность LR-PON обеспечивает значительную экономию за счет сокращения числа требуемых преобразований OEO (оптика – электро – оптика). Таким образом, тенденция развития PON ведет к изменению структуры городских сетей в сторону уменьшения количества узловых станций [27].
Следует иметь в виду, что увеличение линейной скорости в сети доступа почти всегда сопровождается более высоким энергопотреблением. Этот ранее забытый аспект только недавно был признан серьезной проблемой и привлек широкое внимание, что, в свою очередь, привело к интенсивным исследованиям в области энергосбережения в сетях связи. Большинство разработок сосредоточено на переводе сетевых элементов в спящий режим.
Необходимо также тщательно контролировать время задержки, так как чрезмерная задержка может привести к ухудшению условий работы для пользователя, особенно в случае чувствительных к ней приложений. В данном случае речь идет о компромиссе между максимизацией энергосбережения и гарантированием производительности сети.
Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, в [26] была предложена энергосберегающая схема планирования на основе соглашений о качестве обслуживания SLA, которая регулирует время ожидания в соответствии с полученным трафиком как в восходящем, так и в нисходящем направлениях. ONT выходит из режима ожидания до истечения заданного времени ожидания, чтобы отправлять высокоприоритетные пакеты в соответствии с SLA.
В конце каждого активного периода вводится дополнительное защитное время, чтобы предотвратить частое переключение режимов. Данное предложение отвечает схемам управления IEEE P802.3ah/av и требует незначительных изменений в структуре управляющего сигнала. Отметим, что предлагаемый алгоритм следует процедуре для запуска и выхода из спящего режима, описанной в [28].
Основы планирования
Предложенная схема планирования разделяет пакеты, такие как кадры Ethernet, в технологии EPON на два класса с различными SLA. Класс высокого приоритета – ускоренная пересылка (EF, expedited forwarding), которая чувствительна к задержке и требует гарантий пропускной способности. Класс с низким приоритетом – негарантированная доставка (BE, вest effort), которая не может ни гарантировать, что данные достигнут своего назначения, ни предоставить пользователю определенного качества обслуживания QoS.
Чтобы пометить кадры с разными приоритетами, значение приоритета хранится в трехбитовом поле заголовка кадра, определенного IEEE P802.1p [29], что позволяет коммутаторам уровня 2 определять приоритет трафика. Приоритетные очереди используются как в OLT, так и в ONT, чтобы гарантировать, что кадры более высокого класса всегда будут отправляться первыми.
Обычно в цикле опроса ONT отправляют сообщения REPORT со своими данными в OLT, указывая необходимую им полосу пропускания для следующего цикла. OLT, в свою очередь, будет возвращать каждому ONT сообщение GATE, указывая величину назначенной полосы пропускания, которая может быть меньше запрашиваемой пропускной способности в периоды мгновенной большой нагрузки.
Когда ONT входит в режим ожидания и прекращает отправку сообщений REPORT, все кадры с низким приоритетом хранятся в его буфере до истечения периода ожидания. При возвращении ONT в активный режим все кадры в буферах будут отправлены с использованием обычных методов. Таким образом, в худшем случае режим ожидания заставит кадр с низким приоритетом испытывать дополнительную задержку. При этом высокоприоритетным кадрам в восходящем направлении будет гарантирована гораздо меньшая задержка с использованием методов, представленных ниже.
После окончания передачи в обоих направлениях и до того, как OLT и ONT договариваются о переходе в режим ожидания в следующий раз, они ожидают в течение некоторого дополнительного защитного времени Tg, чтобы предотвратить частое переключение режима. На этот раз период времени, используемый для определения того, закончился ли текущий пакет трафика или нет, может быть либо фиксированным, либо динамически изменяться в зависимости от трафика. Если в течение этого периода кадры не принимаются на обоих концах, OLT инициирует режим ожидания для ONT [26].
Ускоренный сервис для высокоприоритетных кадров
В восходящем направлении после поступления высокоприоритетного кадра ONT немедленно активируется, независимо от того, истекло ли заранее определенное время ожидания. Чтобы неожиданно активный ONT мог отправлять свои высокоприоритетные кадры, OLT периодически посылает специальное сообщение GATE Gs всем ONT в спящем режиме, резервируя каждому из них временной интервал в восходящем канале для отправки сообщения REPORT Rs. Частота отправки сообщений GATE связана с SLA; для упрощения протокола можно было бы отправить их в начале каждого цикла опроса.
Ожидается, что зарезервированные временные интервалы в восходящем направлении не вызовут больших издержек, поскольку необходимое время для передачи одного сообщения REPORT, включая защитный интервал, составляет примерно 2 мкс – только 0,2% от типичного времени цикла опроса 1 мс.
После выхода из спящего режима для восстановления и синхронизации ONT требуется 2 мс. Максимум за один цикл (1 мс) ONT получит сообщение GATE и начнет отправку сообщения REPORT, используя зарезервированный интервал. После другого цикла (1 мс) ONT получит сообщение GATE, которое выделяет полосу пропускания в восходящем направлении, и фактическая передача данных обычно начинается менее чем за один цикл, поскольку кадры имеют высокий приоритет.
Аналитическая оценка эффективности работы схемы энергосбережения
Исходя из вышесказанного, для первого поступающего высокоприоритетного кадра ожидается не более 5 мс дополнительной задержки. Для потока с высоким приоритетом и скоростью 1 Мбит/с для 1000-битного кадра будем иметь только 5 кадров за 5 мс. Дополнительная задержка, вызванная режимом ожидания, должна влиять только на прием нескольких первых высокоприоритетных кадров. Задержка для этих кадров может быть дополнительно уменьшена, если OLT обнаружит низкое использование восходящего потока и, таким образом, сможет выделить больший зарезервированный интервал, в котором могут быть отправлены не только сообщение REPORT, но также несколько кадров данных. Схема может применяться и в других ситуациях, например, когда кадры заполняют буфер, и, таким образом, операция пробуждения неизбежна для предотвращения потери данных.
Несмотря на значительный прогресс в разработке энергосберегающих PON с нахождением ONT в спящем режиме, медленный переход из активного режима в спящий режим в ONT, вместе с большим временем восстановления и синхронизации, необходимым во время процесса пробуждения, заставляет разработчиков искать оптимальную схему планирования. Предлагаемая схема энергосберегающего планирования на основе SLA может решить проблему частого переключения режимов. Она регулирует время ожидания в соответствии с трафиком, ожидает дополнительного защитного времени перед вводом нового периода ожидания и позволяет ONT выйти из режима ожидания для отправки высокоприоритетных кадров с соблюдением требований SLA [26].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сегодня задача обеспечения энергоэффективности заключается в разработке и внедрении более совершенных сетей. Архитектура сети, ориентированная на центры обработки данных, и архитектура распределенной связанной сети, рассмотренные в данной статье, являются перспективными и могут быть применимы в будущем.
Рассматривая различные способы использования сети различными типами пользователей (т.е. ежедневные профили потребности в полосе пропускания), можно эффективно назначать пользователей (например, корпоративных и частных) разным длинам волн в LR-PON на этапе сетевого планирования и постоянно достигать высокого уровня использования сети. Подход к назначению с учетом поведения пользователя обеспечивает значительное улучшение по сравнению с традиционным методом назначения с точки зрения используемых длин волн и, таким образом, может экономить энергию, потребляемую LR-PON.
Несмотря на значительный прогресс в разработке энергоэффективных PON с ONT в спящем режиме, медленный переход питания в последних из активного режима в спящий режим вместе с большим временем восстановления и синхронизации, необходимым во время процесса пробуждения, заставляет искать оптимальную схему планирования. Схема энергосберегающего планирования на основе SLA может решить эти проблемы и решить проблему частого переключения режимов. Она регулирует время ожидания в соответствии с трафиком, позволяет ONT выйти из режима ожидания для отправки высокоприоритетных кадров с соблюдением SLA.
Так как вопросы энергоэффективности в сетях ШПД не перестают быть актуальными, необходимо продолжать работать в данном направлении.
ЛИТЕРАТУРА
Конышев В.А., Леонов А.В., Наний О.Е., Трещиков В.Н., Убайдуллаев Р.Р. Оптическая революция в системах связи и ее социально-экономические последствия // Прикладная фотоника. 2016. № 1. С. 15–27.
Energy Efficiency in XG-PON with the Use of Optimized Sleep Mode Method. [Электронныйресурс]. URL: http://userweb.eng.gla.ac.uk/MScPosters2014-EEE/EEE/Energy%20Efficiency%20in%20XGPON%20with%20the%20Use%20of%20Optimized%20Sleep%20Mode%20Method.pdf (22.01.2020).
European Commission, Joint Research Centre. Code of Conduct on Energy Consumption of Broadband Equipment. Version 4.1, January 2013. [Электронный ресурс]. URL: https://conteudos.telecom.pt/Documents/EN/sustainability/corporate-sustainability/code-conduct-energy-efficiency.pdf (09.01.2020).
Baliga J. et al. Energy Consumption in Wired and Wireless Access Networks // IEEE Commun. Mag., June 2011. P. 70–77.
ITU-T G.Sup 45 "GPON power conservation". [Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.Sup 45-200905-I!!PDF-E&type=items (03.02.2020).
ITU-T G.987.3. [Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.987.3-201401-I!!PDF-R&type=items (03.02.2020).
ITU-T G.988 (clause "9.1.14 ONU dynamic powermanagement control"). [Электронныйресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.988/en (03.02.2020).
IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet. [Электронный ресурс]. URL: https://standards.ieee.org/standard/802_3az-2010.html (03.02.2020).
Vetter P., Suvakovic D., Chow H., Anthapadmanabhan P., Kanonakis K., Lee K., Saliou F., Yin X., Lannoo B. Energy-Efficiency Improvements for Optical Access // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. No 4. P. 136–144.
Baliga J. et al. Energy Consumption in Access Networks // Optical Fiber Communication / National Fiber Optic Engineers Conference, San Diego, CA, Feb. 2008. [Электронныйресурс]. URL: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=OFC-2008-OThT6 (04.02.2020).
Cvijetic N., Qian D., Hu J. 100 Gb/s Optical Access Based on Optical Orthogonal Frequency-Division Multiplexing // IEEE Commun. Mag. July 2010. P. 70–77.
Kanonakis K. et al. An OFDMA-Based Optical Access Network Architecture Exhibiting Ultra-High Capacity and Wireline-Wireless Convergence // IEEE Commun. Mag. 2012. Vol. 50. No. 8. P. 71–78.
Yamanaka N., Takeshita H., Tokuhashi K., Sato T. Next Generation Green Metro/Access Network Architecture using Time-slot-based Optical Aggregation Network for Multi-service Access // Cyber Journals: Multidisciplinary Journals in Science and Technology, Journal of Selected Areas in Telecommunications (JSAT). 2013. Vol. 3. Issue 1. P. 14–20.
Yamanaka N., Takeshita H., Okamoto S., Sato T. Using Optical Approaches to Raise Energy Efficiency of Future Central and/or Linked Distributed Data Center Network Services // International Journal of Networking and Computing. 2014. Vol. 4. No. 2. P. 209–222.
Takeshita H., Ishii D., Okamoto S., Oki E., Yamanaka N. High energy efficient layer-3 network architecture based on service cloud and optical aggregation network // IEICE Transactions on Communications 94-B(4). April 2011. P. 894–903.
Takeshita H., Ishii D., Yamanaka N. High-energy efficient layer-3 network architecture based on solitary universal cloud router and optical aggregation network. [Электронный ресурс]. URL: https://www.academia.edu/17939145/High-energy_efficient_layer-3_network_architecture_based_on_solitary_universal_cloud_router_and_optical_aggregation_network (20.01.2020).
Tucker R.S. Optical packet-switched WDN networks: A cost andenergy perspective. [Электронный ресурс]. URL: https://people.eng.unimelb.edu.au/rtucker/talks/files/Tucker_OMG1(2).pdf (20.01.2020).
Tucker R.S., Baliga J., Ayre R., Hinton K., Sorin W.V. Energyconsumption in IP networks. [Электронныйресурс]. URL: https://people.eng.unimelb.edu.au/rtucker/talks/files/Tucker_ECOC2008.pdf (22.01.2020).
Okamoto S., Arakawa Y., Yamanaka N. Proposal of the Ubiquitous Grid Networking Environment (uGrid) // The 2007 IEICE society conference, Vol. 2007–2, No. B-7–15, September 2007. P. 75.
Akagi M., Usui R., Arakawa Y., Okamoto S., Yamanaka N. Cooperating Superpeers based Service-Parts Discovery for UbiquitousGridNetworking (uGrid). [Электронный ресурс]. URL:https://www.academia.edu/17655943/Cooperating_superpeers_based_service-parts_discovery_for_ubiquitous_grid_networking_uGrid_ (01.02.2020).
Ishii D., Nakahara K., Okamoto S., Yamanaka N. A Novel IPRouting/Signaling Based Service Provisioning Concept for UbiquitousGrid Networking Environment // IEEE Globecom 2010 Workshop on Ubiquitous Computing and Networks (UbiCoNet 2010), No. 4–3, Dec. 2010. P. 1808–1812.
Information-Centric Networking Research Group (ICNRG). [Электронный ресурс]. URL:https://irtf.org/icnrg (01.02.2020).
Jacobson V., Smetters D.K., Thornton J.D., Plass M.F., Briggs N.H., Braynard R.L. Networking Named Content // Proc. CoNEXT’09. Dec. 2009. P. 1–12.
Okamoto S., Yamanaka N., Matsubara D., Yabusaki H. Energy Efficient and Enhanced-type Data-centric Network (E3-DCN) // 13th ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking and Parallel/Distributed Computing (SNPD 2012). Aug. 2012. P. 655–660.
Okamoto S. E3-DCN: Energy Efficient Optical Network for Datacentric Network. [Электронный ресурс]. URL: http://biblio.yamanaka.ics.keio.ac.jp/file/PS2012_okamoto.pdf (01.02.2020).
Shi L. Energy-Efficient Long-Reach Passive Optical Networks: Dissertation Doctor of philosophy in Electrical & Computer engineering in the office of graduate studies of the University of California Davis, 2012. 103 p.
Исследование широкополосных пассивных оптических сетей доступа (LR–PON). [Электронный ресурс]. URL: http://masters.donntu.org/2017/fkita/starovoitov/diss/index.htm (05.02.2020).
Mandin J. EPON power saving via sleep mode, Sept. 2008. [Электронный ресурс]. URL: http://www.ieee802.org/3/av/public/2008_09/3av_0809_mandin_4.pdf (06.02.2020).
IEEE P 802.1p. [Электронный ресурс]. URL: https://wikivisually.com/wiki/IEEE_P 802.1p (25.02.2020).
Шувалов В.П., Фокин В.Г. Пассивные оптические сети большого радиуса действия. – М.: Горячая линия – Телеком, 2018. 154 c.
Д.Калмыкова, специалист учебно-методического отдела Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики / kalmykova_dd@sibguti.ru,
В.Шувалов, д.т.н., профессор кафедры
передачи дискретных сообщений и метрологии СибГУТИ / shvp04@mail.ru
УДК 004.051, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.90.5.34.42
ВВЕДЕНИЕ
Интернет стал ключевой инфраструктурой повседневной жизни. Требования к пропускной способности абонентского доступа постоянно растут, что делает особо востребованными широкополосные пассивные волоконно-оптические сети (PON – Passive Optical Network) [1].
Взрывной рост трафика влечет за собой новые требования к сети с точки зрения ее качества и производительности. Одним из важнейших показателей качества сети является ее энергоэффективность. Заслуживающий пристального внимания рост энергопотребления в телекоммуникационных сетях (см. рис.1) требует перехода на технологии следующего поколения [2]. Одной из главных целей создания сетей будущего является снижение энергозатрат на их функционирование за счет использования различных энергосберегающих технологий.
Известно, что на сети доступа приходится более 80% общего энергопотребления проводной сети [3, 4], что делает их важным предметом исследований в области энергоэффективности телекоммуникационных технологий. Перечисленные ниже стандарты отражают эволюцию подходов к энергосбережению в пассивных оптических сетях:
- МСЭ-T G.Sup45 GPON power conservation [5];
- МСЭ-T G.987.3 [6];
- МСЭ-T G.988 [7];
- IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet [8].
Для повышения энергоэффективности сетей PON применяются различные подходы, такие как мультиплексирование с временным разделением каналов (TDM-PON), мультиплексирование с разделением по времени и длине волны (TWDM-PON), мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM-PON) и PON с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA-PON) [9].
В традиционной технологии TDM-PON оконечное устройство оптической линии в центральном офисе (OLT) подключается к нескольким терминалам оптической сети (ONT) через оптическую распределительную сеть с многоточечным подключением (ODN, optical distribution network). Поскольку один интерфейс OLT совместно используется несколькими десятками ONT, TDM-PON представляет собой наиболее энергоэффективное решение для оптического доступа, развернутое в настоящее время [10].
WDM-PON обеспечивает виртуальное соединение точка-точка (PTP, point-to-point) оптоволоконного доступа через выделенную длину волны для каждого ONT. Однако в большинстве случаев для стабилизации длин волн требуется термоэлектрическое охлаждение (ТEС, thermo-electric cooling). TEС потребляет дополнительную мощность, что снижает любой выигрыш в эффективности, предлагаемый его виртуальной природой [9].
TWDM-PON увеличивает общую пропускную способность PON на количество пар длин волн. При той же пропускной способности потребляемая мощность OLT будет немного выше, чем у "чистого" TDM-PON, поскольку в OLT этой технологии имеется несколько приемопередатчиков. Что касается ONT, то, хотя энергопотребление электроники в технологии TWDM-PON ниже, поскольку скорость линии на канал меньше по сравнению с агрегированной скоростью линии для TDM-PON, однако дополнительная мощность потребляется при настройке передатчика и приемника [9].
PON с множественным доступом с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA-PON) привлекает интерес как альтернативное решение для сетей PON следующего поколения [11, 12]. OFDMA-PON использует большое количество поднесущих, накладывающихся друг на друга в спектре, но не мешающих друг другу, поскольку они ортогональны, что обеспечивает высокую спектральную эффективность. Данная технология обеспечивает более высокую степень детализации полосы пропускания, чем WDM-PON [30]. OFDMA-PON потребляет дополнительную мощность для операций цифровой обработки сигналов (DSP), например, быстрого преобразования Фурье (FFT, fast Fourier transform) и обратного FFT (IFFT, inverse FFT). Высокому энергопотреблению также способствует необходимость в быстродействующих аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях [12].
Для снижения энергопотребления может применяться спящий режим – метод снижения энергопотребления путем отключения частей системы, когда предлагаемый трафик меньше, чем общая емкость системы. Цель тут состоит в том, чтобы сделать среднее энергопотребление максимально пропорциональным транспортной нагрузке. Большая часть усилий в области исследований и стандартизации была сосредоточена на реализации режима ожидания в ONT TDM-PON, но этот метод также может быть применен к OLT в некоторых технологиях доступа.
Также можно экономить энергию в оптических системах WDM-PON, применяя циклический режим ожидания. В дополнение к экономии энергии в ONT квазистатический тип режима ожидания также может применяться к портам приемопередатчика в OLT TWDM-PON. Следует отметить, что комбинирование OFDMA / TDMA возможно в OFDMA-PON, поэтому режимы ожидания также могут использоваться для повышения эффективности использования энергии [9].
Битовое чередование в PON (BiPON, bit interleaving PON) было разработано в контексте Green Touch (глобальный консорциум, созданный для резкого (в тысячу раз) повышения энергетической эффективности информационно-коммуникационных технологий) как новый подход к созданию энергоэффективной TDM-PON. Идея протокола чередования битов состоит в том, что, если ONT может определить, какие биты предназначены для других блоков, эти биты не должны подвергаться дальнейшей обработке. В TDM-PON только небольшая часть общего битрейта предназначена для конкретного ONT, поэтому может быть достигнута значительная экономия энергии [9].
Можно повысить энергоэффективность оптических компонентов в системах WDM-PON, в которых виртуальная одноранговая связь осуществляется по каналу длины волны вместо выделенного оптоволоконного соединения, используя низкую абонентскую скорость и небольшой оптический бюджет. Дополнительным улучшением на уровне компонентов является использование настраиваемого WDM-лазера без охлаждения или отражающего полупроводникового оптического усилителя (RSOA, reflective semiconductor optical amplifier) без охлаждения, который обладает преимуществом высокой точности длины волны без использования энергосберегающего TEС [9].
В OFDMA-PON возможно снизить энергопотребление ONT путем выбора соответствующего набора смежных поднесущих с помощью полосового фильтра. ONT не нужно обрабатывать весь спектр и, следовательно, можно работать с такими энергозатратными функциями, как ADC/DAC и DSP, на гораздо более низких скоростях. OFDMA-PON имеет самое высокое энергопотребление в расчете на абонента. Более подробно методы снижения энергопотребления описаны в [9].
Для повышения энергоэффективности сетей предлагаются новые архитектуры оптических сетей, а также используются различные алгоритмы работы существующих сетей (рис.2).
АРХИТЕКТУРА, ОРИЕНТИРОВАННАЯ НА ЦОД
Интернет-трафик состоит из трафика взаимного общения (P2P, peer-to-peer) (обмен файлами, VoIP, и т. д.) и трафика между клиентом и центром обработки данных (C2D, client-to-datacenter) (веб-доступ, загрузка данных, загрузка контента и т. д.) [13].
Основные службы интернет-приложений, такие как служба социальных сетей (SNS, social network service) или YouTube, переходят на службу C2D. Переход к C2D требует изменения структуры всей телекоммуникационной сети, а не только доступа. На рис.3а показана существующая структура ядра сети Интернет, где несколько автономных систем соединены между собой [14].
Эту сетевую структуру легко расширить для удовлетворения спроса на трафик и масштабировать для удовлетворения большего числа пользователей интернета. Однако структура, представленная на рис.3а, не подходит для трафика C2D. Это связано с тем, что трафик от пользователей к ЦОДам гипергигантов занимает более 40% всего интернет-трафика. Решением является переход к оптической сети агрегации, показанной на рис.3б [15, 16]. Сеть состоит из простой прозрачной сети агрегации, реализованной с помощью оптических коммутаторов, мультиплексоров / демультиплексоров по длине волны и централизованного масштабируемого по производительности L3-маршрутизатора в ЦОДе. В предложенной архитектуре сеть оптического агрегирования metro / доступа имеет простую функцию мультиплексирования и, следовательно, является энергоэффективной.
Энергопотребление маршрутизатора
Потребляемая маршрутизатором мощность определяется следующей формулой [17, 18]:
P = A • C2/3, (1)
где P – потребляемая мощность, Вт;
C – пропускная способность маршрутизатора, Мбит/с;
A – постоянная величина, Вт • Мбит/c–2/3.
Значение A в формуле (1) равно 1,0.
Из (1) следует, что увеличение пропускной способности электрического маршрутизатора повышает энергоэффективность, так как потребляемая мощность на бит уменьшается с увеличением пропускной способности маршрутизатора.
Известно, что один маршрутизатор 1 Тбит/с потребляет 10 кВт, а маршрутизатор 1 Гбит/с – 100 Вт. Для обеспечения одинаковой скорости потребуется 1 тыс. систем с маршрутизаторами 1 Гбит/с и всего одна система с терабитным маршрутизатором. Поэтому электрические маршрутизаторы большой производительности очень эффективны для достижения экономии энергии.
АРХИТЕКТУРА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СВЯЗАННОЙ СЕТИ
Другим решением является распределенная сетевая архитектура. В такой сети датчики, устройства обработки контента, а также терминалы будут иметь IPv6-адреса и будут широко рассредоточены. Гибкие и систематические связи между ними обеспечиваются с помощью волоконно-оптических линий.
В архитектуре распределенной связанной сети контент, оборудование, программы и функции определяются как "сервисные части" (SP, service part), которые связаны между собой оптическими каналами. Оптический кабель создает логическое соединение или путь к SP, обеспечивая огромную пропускную способность, безопасность и минимальную задержку. По связанной сети передачи данных происходит обмен метаданными, а SP связываются путем получения извлекаемых данных, таких как местоположение, функция, возможности и т.д. Комбинация сервисных частей, имеющих различное местоположение, создает услугу гибридизации сети. Эта концепция была предложена как uGrid (ubiquitous grid network environment) [19–21].
Концепция uGrid может применяться для создания информационно-ориентированных сетей (ICN, information-centric networking) [22] и контент-ориентированных сетей (CCN, content-centric network) [23]. CCN считается одним из наиболее перспективных направлений для сети нового поколения (NwGN) в Японии или сети будущего в ЕС и США.
CCN в основном передает большие наборы контента в качестве транспортных единиц на уровне сети обслуживания. CCN может действовать как сеть доставки контента, тогда как uGrid может действовать как сеть, генерирующая контент. Концепция E3-DCN (enhanced-type data-centric network) [24, 25] объединяет CCN и uGrid в среде виртуализации сети и применяет метод маршрутизации с учетом энергопотребления для обеих сетей.
E3-DCN и uGrid обеспечивают функцию обработки в сети. Это означает, что сквозной путь обслуживания не является прозрачным и возможно преобразование данных в сети. Сеть обеспечивает не только транспортировку, но и услугу создания контента, называемую оверлейной сетью генерации данных. В результате будущие энергоэффективные услуги гибридного подключения позволяют пользователям обходиться без владения аппаратным обеспечением или даже сложными программными функциями; сеть предоставляет пользователю желаемый индивидуальный сервис. В E3-DCN наложенная сеть может учитывать реальную производительность сети, задержки, потребление энергии, пропускную способность через программный интерфейс приложения (API).
СХЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТИ НА ОСНОВЕ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
В последнее время набирает популярность технология PON с большим радиусом действия (LR-PON, long–reach PON). Она расширяет зону покрытия PON с традиционных 20 до 100 км, объединяет несколько активных площадок и, таким образом, снижает затраты. Концепция LR-PON предполагает дальнейшее упрощение сети за счет объединения сети доступа и городской (metro) сети, что обеспечивает снижение затрат мощности в пересчете на одного пользователя. В этих сетях используются сплиттеры с высоким общим коэффициентом деления (1024 и более), что позволяет подключить большое число пользователей; появляется возможность упростить процедуры обслуживания и мониторинга сети [26]. На сегодняшний день представлено несколько схем LR-PON с возможностью существенной экономии энергии в практических условиях.
Одним из основных компонентов LR-PON является OLT, который развернут в центральном офисе. Специально для экономии энергии в OLT было предложено централизованное сетевое планирование, основанное на запросах пользователей. Рассматривая различные способы использования сети разными пользователями, разрабатывалась эффективная схема, в которой клиенты с дополнительными требованиями назначаются одному и тому же сегменту сети для совместного использования полосы пропускания. Она обеспечивает постоянное использование высокой полосы пропускания и уменьшает количество необходимых длин волн, тем самым снижая затраты и потребление энергии.
Хотя провайдеры (ISP) предлагают пропускную способность в течение 24 ч семь дней в неделю для всех пользователей, большинство пользователей интенсивно использует сеть только в течение небольшого периода времени. Так, бизнес-пользователям в дневное время требуется высокая пропускная способность, а ночью – незначительная. Домашние же пользователи нуждаются в большей пропускной способности вечером. На основе этого был предложен энергосберегающий подход к планированию сети, основанный на поведении пользователей.
Тщательно изучая потребности абонентов в полосе пропускания и используя дополнительные ежедневные профили трафика для корпоративных и частных клиентов, можно создать LR-PON с наименьшим количеством длин волн и поддерживать постоянную работу сети с высокой частотой использования. При использовании меньшего количества длин волн достигается не только экономия эксплуатационных расходов и капитальных затрат, но и существенно экономится энергия, необходимая для работы сети, что повышает энергоэффективность LR-PON [26].
Рассмотрим простой случай с двумя абонентами, каждый из которых имеет по одному ONT. Первый – это бизнес-пользователь, которому требуется высокая пропускная способность в дневное время (рабочее время) и малая ночью. Второй – домашний пользователь, который имеет бóльшую потребность в полосе пропускания в вечернее время, когда он дома.
Есть два варианта размещения этих абонентов в LR-PON. Можно либо развести их по двум отдельным сегментам сети (что заставит OLT распределять полосу пропускания в соответствии с пиковыми требованиями пользователей и в конечном итоге заставит провайдера развернуть больше длин волн, чем фактически необходимо), либо поместить их в один сегмент. Преимущество второго варианта в том, что часы пиковой нагрузки для двух пользователей различны, и, следовательно, ISP необходимо распределять полосу пропускания только один раз в соответствии с их потребностями в общей пиковой полосе пропускания [26]. Высокая пропускная способность достигается путем назначения типичным бизнес- и домашнему пользователю одной и той же длины волны.
С учетом различного поведения типичных деловых и бытовых абонентов разрабатывается эффективная схема назначения пользователей, в которой клиенты с дополнительными требованиями назначаются одному и тому же сегменту сети для совместного использования полосы пропускания. Задействование большей полосы пропускания может быть достигнуто практически в течение всего дня, тем самым сокращая количество необходимых длин волн, затраты и потребление энергии.
Математические модели для рассматриваемой схемы и алгоритмы назначения пользователя, ориентированные на его поведение, подробно обсуждаются в [26].
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ПЛАНИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ SLA
Современные системы LR-PON могут иметь скорости нисходящего и восходящего потоков 10 и 2,5 Гбит/с соответственно. Здесь может быть задействовано до 17 PON. Каждая из них работает с разными парами восходящих и нисходящих потоков, разделенных по длине волны и обслуживающих до 256 ONT. Всего к OLT может быть подключено до 4352 ONT.
Сети LR-PON имеют топологию многоступенчатого дерева с множеством ветвей и позволяют обеспечивать интеграцию сетей доступа и зоновых сетей. Расширенная функциональность LR-PON обеспечивает значительную экономию за счет сокращения числа требуемых преобразований OEO (оптика – электро – оптика). Таким образом, тенденция развития PON ведет к изменению структуры городских сетей в сторону уменьшения количества узловых станций [27].
Следует иметь в виду, что увеличение линейной скорости в сети доступа почти всегда сопровождается более высоким энергопотреблением. Этот ранее забытый аспект только недавно был признан серьезной проблемой и привлек широкое внимание, что, в свою очередь, привело к интенсивным исследованиям в области энергосбережения в сетях связи. Большинство разработок сосредоточено на переводе сетевых элементов в спящий режим.
Необходимо также тщательно контролировать время задержки, так как чрезмерная задержка может привести к ухудшению условий работы для пользователя, особенно в случае чувствительных к ней приложений. В данном случае речь идет о компромиссе между максимизацией энергосбережения и гарантированием производительности сети.
Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, в [26] была предложена энергосберегающая схема планирования на основе соглашений о качестве обслуживания SLA, которая регулирует время ожидания в соответствии с полученным трафиком как в восходящем, так и в нисходящем направлениях. ONT выходит из режима ожидания до истечения заданного времени ожидания, чтобы отправлять высокоприоритетные пакеты в соответствии с SLA.
В конце каждого активного периода вводится дополнительное защитное время, чтобы предотвратить частое переключение режимов. Данное предложение отвечает схемам управления IEEE P802.3ah/av и требует незначительных изменений в структуре управляющего сигнала. Отметим, что предлагаемый алгоритм следует процедуре для запуска и выхода из спящего режима, описанной в [28].
Основы планирования
Предложенная схема планирования разделяет пакеты, такие как кадры Ethernet, в технологии EPON на два класса с различными SLA. Класс высокого приоритета – ускоренная пересылка (EF, expedited forwarding), которая чувствительна к задержке и требует гарантий пропускной способности. Класс с низким приоритетом – негарантированная доставка (BE, вest effort), которая не может ни гарантировать, что данные достигнут своего назначения, ни предоставить пользователю определенного качества обслуживания QoS.
Чтобы пометить кадры с разными приоритетами, значение приоритета хранится в трехбитовом поле заголовка кадра, определенного IEEE P802.1p [29], что позволяет коммутаторам уровня 2 определять приоритет трафика. Приоритетные очереди используются как в OLT, так и в ONT, чтобы гарантировать, что кадры более высокого класса всегда будут отправляться первыми.
Обычно в цикле опроса ONT отправляют сообщения REPORT со своими данными в OLT, указывая необходимую им полосу пропускания для следующего цикла. OLT, в свою очередь, будет возвращать каждому ONT сообщение GATE, указывая величину назначенной полосы пропускания, которая может быть меньше запрашиваемой пропускной способности в периоды мгновенной большой нагрузки.
Когда ONT входит в режим ожидания и прекращает отправку сообщений REPORT, все кадры с низким приоритетом хранятся в его буфере до истечения периода ожидания. При возвращении ONT в активный режим все кадры в буферах будут отправлены с использованием обычных методов. Таким образом, в худшем случае режим ожидания заставит кадр с низким приоритетом испытывать дополнительную задержку. При этом высокоприоритетным кадрам в восходящем направлении будет гарантирована гораздо меньшая задержка с использованием методов, представленных ниже.
После окончания передачи в обоих направлениях и до того, как OLT и ONT договариваются о переходе в режим ожидания в следующий раз, они ожидают в течение некоторого дополнительного защитного времени Tg, чтобы предотвратить частое переключение режима. На этот раз период времени, используемый для определения того, закончился ли текущий пакет трафика или нет, может быть либо фиксированным, либо динамически изменяться в зависимости от трафика. Если в течение этого периода кадры не принимаются на обоих концах, OLT инициирует режим ожидания для ONT [26].
Ускоренный сервис для высокоприоритетных кадров
В восходящем направлении после поступления высокоприоритетного кадра ONT немедленно активируется, независимо от того, истекло ли заранее определенное время ожидания. Чтобы неожиданно активный ONT мог отправлять свои высокоприоритетные кадры, OLT периодически посылает специальное сообщение GATE Gs всем ONT в спящем режиме, резервируя каждому из них временной интервал в восходящем канале для отправки сообщения REPORT Rs. Частота отправки сообщений GATE связана с SLA; для упрощения протокола можно было бы отправить их в начале каждого цикла опроса.
Ожидается, что зарезервированные временные интервалы в восходящем направлении не вызовут больших издержек, поскольку необходимое время для передачи одного сообщения REPORT, включая защитный интервал, составляет примерно 2 мкс – только 0,2% от типичного времени цикла опроса 1 мс.
После выхода из спящего режима для восстановления и синхронизации ONT требуется 2 мс. Максимум за один цикл (1 мс) ONT получит сообщение GATE и начнет отправку сообщения REPORT, используя зарезервированный интервал. После другого цикла (1 мс) ONT получит сообщение GATE, которое выделяет полосу пропускания в восходящем направлении, и фактическая передача данных обычно начинается менее чем за один цикл, поскольку кадры имеют высокий приоритет.
Аналитическая оценка эффективности работы схемы энергосбережения
Исходя из вышесказанного, для первого поступающего высокоприоритетного кадра ожидается не более 5 мс дополнительной задержки. Для потока с высоким приоритетом и скоростью 1 Мбит/с для 1000-битного кадра будем иметь только 5 кадров за 5 мс. Дополнительная задержка, вызванная режимом ожидания, должна влиять только на прием нескольких первых высокоприоритетных кадров. Задержка для этих кадров может быть дополнительно уменьшена, если OLT обнаружит низкое использование восходящего потока и, таким образом, сможет выделить больший зарезервированный интервал, в котором могут быть отправлены не только сообщение REPORT, но также несколько кадров данных. Схема может применяться и в других ситуациях, например, когда кадры заполняют буфер, и, таким образом, операция пробуждения неизбежна для предотвращения потери данных.
Несмотря на значительный прогресс в разработке энергосберегающих PON с нахождением ONT в спящем режиме, медленный переход из активного режима в спящий режим в ONT, вместе с большим временем восстановления и синхронизации, необходимым во время процесса пробуждения, заставляет разработчиков искать оптимальную схему планирования. Предлагаемая схема энергосберегающего планирования на основе SLA может решить проблему частого переключения режимов. Она регулирует время ожидания в соответствии с трафиком, ожидает дополнительного защитного времени перед вводом нового периода ожидания и позволяет ONT выйти из режима ожидания для отправки высокоприоритетных кадров с соблюдением требований SLA [26].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сегодня задача обеспечения энергоэффективности заключается в разработке и внедрении более совершенных сетей. Архитектура сети, ориентированная на центры обработки данных, и архитектура распределенной связанной сети, рассмотренные в данной статье, являются перспективными и могут быть применимы в будущем.
Рассматривая различные способы использования сети различными типами пользователей (т.е. ежедневные профили потребности в полосе пропускания), можно эффективно назначать пользователей (например, корпоративных и частных) разным длинам волн в LR-PON на этапе сетевого планирования и постоянно достигать высокого уровня использования сети. Подход к назначению с учетом поведения пользователя обеспечивает значительное улучшение по сравнению с традиционным методом назначения с точки зрения используемых длин волн и, таким образом, может экономить энергию, потребляемую LR-PON.
Несмотря на значительный прогресс в разработке энергоэффективных PON с ONT в спящем режиме, медленный переход питания в последних из активного режима в спящий режим вместе с большим временем восстановления и синхронизации, необходимым во время процесса пробуждения, заставляет искать оптимальную схему планирования. Схема энергосберегающего планирования на основе SLA может решить эти проблемы и решить проблему частого переключения режимов. Она регулирует время ожидания в соответствии с трафиком, позволяет ONT выйти из режима ожидания для отправки высокоприоритетных кадров с соблюдением SLA.
Так как вопросы энергоэффективности в сетях ШПД не перестают быть актуальными, необходимо продолжать работать в данном направлении.
ЛИТЕРАТУРА
Конышев В.А., Леонов А.В., Наний О.Е., Трещиков В.Н., Убайдуллаев Р.Р. Оптическая революция в системах связи и ее социально-экономические последствия // Прикладная фотоника. 2016. № 1. С. 15–27.
Energy Efficiency in XG-PON with the Use of Optimized Sleep Mode Method. [Электронныйресурс]. URL: http://userweb.eng.gla.ac.uk/MScPosters2014-EEE/EEE/Energy%20Efficiency%20in%20XGPON%20with%20the%20Use%20of%20Optimized%20Sleep%20Mode%20Method.pdf (22.01.2020).
European Commission, Joint Research Centre. Code of Conduct on Energy Consumption of Broadband Equipment. Version 4.1, January 2013. [Электронный ресурс]. URL: https://conteudos.telecom.pt/Documents/EN/sustainability/corporate-sustainability/code-conduct-energy-efficiency.pdf (09.01.2020).
Baliga J. et al. Energy Consumption in Wired and Wireless Access Networks // IEEE Commun. Mag., June 2011. P. 70–77.
ITU-T G.Sup 45 "GPON power conservation". [Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.Sup 45-200905-I!!PDF-E&type=items (03.02.2020).
ITU-T G.987.3. [Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.987.3-201401-I!!PDF-R&type=items (03.02.2020).
ITU-T G.988 (clause "9.1.14 ONU dynamic powermanagement control"). [Электронныйресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.988/en (03.02.2020).
IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet. [Электронный ресурс]. URL: https://standards.ieee.org/standard/802_3az-2010.html (03.02.2020).
Vetter P., Suvakovic D., Chow H., Anthapadmanabhan P., Kanonakis K., Lee K., Saliou F., Yin X., Lannoo B. Energy-Efficiency Improvements for Optical Access // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. No 4. P. 136–144.
Baliga J. et al. Energy Consumption in Access Networks // Optical Fiber Communication / National Fiber Optic Engineers Conference, San Diego, CA, Feb. 2008. [Электронныйресурс]. URL: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=OFC-2008-OThT6 (04.02.2020).
Cvijetic N., Qian D., Hu J. 100 Gb/s Optical Access Based on Optical Orthogonal Frequency-Division Multiplexing // IEEE Commun. Mag. July 2010. P. 70–77.
Kanonakis K. et al. An OFDMA-Based Optical Access Network Architecture Exhibiting Ultra-High Capacity and Wireline-Wireless Convergence // IEEE Commun. Mag. 2012. Vol. 50. No. 8. P. 71–78.
Yamanaka N., Takeshita H., Tokuhashi K., Sato T. Next Generation Green Metro/Access Network Architecture using Time-slot-based Optical Aggregation Network for Multi-service Access // Cyber Journals: Multidisciplinary Journals in Science and Technology, Journal of Selected Areas in Telecommunications (JSAT). 2013. Vol. 3. Issue 1. P. 14–20.
Yamanaka N., Takeshita H., Okamoto S., Sato T. Using Optical Approaches to Raise Energy Efficiency of Future Central and/or Linked Distributed Data Center Network Services // International Journal of Networking and Computing. 2014. Vol. 4. No. 2. P. 209–222.
Takeshita H., Ishii D., Okamoto S., Oki E., Yamanaka N. High energy efficient layer-3 network architecture based on service cloud and optical aggregation network // IEICE Transactions on Communications 94-B(4). April 2011. P. 894–903.
Takeshita H., Ishii D., Yamanaka N. High-energy efficient layer-3 network architecture based on solitary universal cloud router and optical aggregation network. [Электронный ресурс]. URL: https://www.academia.edu/17939145/High-energy_efficient_layer-3_network_architecture_based_on_solitary_universal_cloud_router_and_optical_aggregation_network (20.01.2020).
Tucker R.S. Optical packet-switched WDN networks: A cost andenergy perspective. [Электронный ресурс]. URL: https://people.eng.unimelb.edu.au/rtucker/talks/files/Tucker_OMG1(2).pdf (20.01.2020).
Tucker R.S., Baliga J., Ayre R., Hinton K., Sorin W.V. Energyconsumption in IP networks. [Электронныйресурс]. URL: https://people.eng.unimelb.edu.au/rtucker/talks/files/Tucker_ECOC2008.pdf (22.01.2020).
Okamoto S., Arakawa Y., Yamanaka N. Proposal of the Ubiquitous Grid Networking Environment (uGrid) // The 2007 IEICE society conference, Vol. 2007–2, No. B-7–15, September 2007. P. 75.
Akagi M., Usui R., Arakawa Y., Okamoto S., Yamanaka N. Cooperating Superpeers based Service-Parts Discovery for UbiquitousGridNetworking (uGrid). [Электронный ресурс]. URL:https://www.academia.edu/17655943/Cooperating_superpeers_based_service-parts_discovery_for_ubiquitous_grid_networking_uGrid_ (01.02.2020).
Ishii D., Nakahara K., Okamoto S., Yamanaka N. A Novel IPRouting/Signaling Based Service Provisioning Concept for UbiquitousGrid Networking Environment // IEEE Globecom 2010 Workshop on Ubiquitous Computing and Networks (UbiCoNet 2010), No. 4–3, Dec. 2010. P. 1808–1812.
Information-Centric Networking Research Group (ICNRG). [Электронный ресурс]. URL:https://irtf.org/icnrg (01.02.2020).
Jacobson V., Smetters D.K., Thornton J.D., Plass M.F., Briggs N.H., Braynard R.L. Networking Named Content // Proc. CoNEXT’09. Dec. 2009. P. 1–12.
Okamoto S., Yamanaka N., Matsubara D., Yabusaki H. Energy Efficient and Enhanced-type Data-centric Network (E3-DCN) // 13th ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking and Parallel/Distributed Computing (SNPD 2012). Aug. 2012. P. 655–660.
Okamoto S. E3-DCN: Energy Efficient Optical Network for Datacentric Network. [Электронный ресурс]. URL: http://biblio.yamanaka.ics.keio.ac.jp/file/PS2012_okamoto.pdf (01.02.2020).
Shi L. Energy-Efficient Long-Reach Passive Optical Networks: Dissertation Doctor of philosophy in Electrical & Computer engineering in the office of graduate studies of the University of California Davis, 2012. 103 p.
Исследование широкополосных пассивных оптических сетей доступа (LR–PON). [Электронный ресурс]. URL: http://masters.donntu.org/2017/fkita/starovoitov/diss/index.htm (05.02.2020).
Mandin J. EPON power saving via sleep mode, Sept. 2008. [Электронный ресурс]. URL: http://www.ieee802.org/3/av/public/2008_09/3av_0809_mandin_4.pdf (06.02.2020).
IEEE P 802.1p. [Электронный ресурс]. URL: https://wikivisually.com/wiki/IEEE_P 802.1p (25.02.2020).
Шувалов В.П., Фокин В.Г. Пассивные оптические сети большого радиуса действия. – М.: Горячая линия – Телеком, 2018. 154 c.
Отзывы читателей
