本發(fā)明屬于通信網(wǎng)絡技術領域，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：

電力通信是構建信息化電力企業(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)管理等各個環(huán)節(jié)中不可或缺的重要部分，人們對電力的要求也越來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成為保證社會發(fā)展的重要基礎設施，因為高速的、及時的、穩(wěn)定的信息交互可以成為社會競爭、經(jīng)濟發(fā)展等活動提供保障。而光纖通信由于其體積小、不受電磁干擾、可靠性高等優(yōu)點受到眾多經(jīng)銷商及用戶的青睞。以光纖為主要傳輸介質(zhì)的光接入網(wǎng)技術已經(jīng)毫無疑問將成為未來電力通信接入網(wǎng)技術的研究熱點，特別是采用光正交頻分復用(Optical OFDM，光OFDM)技術的接入網(wǎng)以其優(yōu)越的性能受到越來越多的關注。

OFDM技術是將串行高速數(shù)據(jù)轉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行調(diào)制的一種多載波調(diào)制技術。OFDM技術支持高階信號調(diào)制格式，具有良好的抗色散能力，可有效消除接收信號的符號間干擾(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技術的頻譜利用率相對較高；同時，OFDM系統(tǒng)資源分配靈活，可根據(jù)實際需求，動態(tài)地將不同子載波的不同時隙分配給不同的ONU，實現(xiàn)靈活地動態(tài)信道資源共享；此外，OFDM可以克服光纖中的色散效應?？傊?，光OFDM技術具有寬帶較大，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，能夠滿足未來高速率、動態(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準的研究重點。

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，隨之而來的高能耗、低能效等新問題卻嚴重制約了網(wǎng)絡規(guī)模和服務能力的可擴展性。而且以往針對光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)的帶寬分配算法普遍存在的片面關注系統(tǒng)吞吐量或帶寬利用率卻忽視了帶寬分配過程中的高能耗或能耗模型考慮不完善等典型問題。因此，設計一種針對光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能帶寬分配算法對建設綠色電力通信網(wǎng)絡有著極其重要的理論意義和應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

針對該項技術相關研究的空白，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)絡單元(Optical Network Unit，ONU)的工作狀態(tài)對網(wǎng)絡能耗的影響，綜合考慮ONU休眠機制與動態(tài)帶寬分配算法，通過時隙、載波和比特的三維帶寬資源分配，在保證業(yè)務的誤碼率和ONU帶寬需求的前提下，最小化光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)中業(yè)務相關能耗和業(yè)務無關能耗。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案實現(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上提出的基于ONU休眠模式的三維動態(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同時關閉發(fā)送機和接收機；假寐模式中，ONU只關閉發(fā)送機，接收機正常和OLT進行通信；正常工作模式中，ONU的發(fā)送機和接收機都正常工作；對于一個給定的ONU，其在每個輪詢周期內(nèi)需要經(jīng)歷四個過程，其中輪詢周期定義為OLT連續(xù)兩次發(fā)送GATE信息的時間間隔；

(1)輪詢周期開始時刻，ONU處于202doze模式，可以接收來自OLT的下行數(shù)據(jù)和203GATE信息；GATE信息中包含：204sleep/doze開始時間、sleep/doze長度、發(fā)送窗口的起始時間、發(fā)送窗口大小、子載波編號以及子載波數(shù)目；

(2)當ONU接收到GATE信息并對其分析處理后，按指示進入相應工作模式；工作模式由OLT通過計算發(fā)送窗口前的空閑時間大小(輪詢周期開始時的假寐時間和發(fā)送窗口前的空閑時間的總和)與相應的轉換時間的大小進行比較后決定；設內(nèi)的業(yè)務無關能耗為內(nèi)的業(yè)務無關能耗為

(3)ONU在205發(fā)送窗口開始到達前喚醒，完成與OLT的時鐘同步；同步完成后進行上行數(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周期的帶寬請求；設發(fā)送窗口大小(即正常工作的時間)為內(nèi)的業(yè)務無關能耗為

(4)當上行數(shù)據(jù)和REPORT信息發(fā)送結束后，ONU進入207sleep或doze模式直至下一輪詢周期開始，設發(fā)送窗口后的空閑時間為內(nèi)的業(yè)務無關能耗為輪詢周期的大小為T_cycle，ONU在一個輪詢周期內(nèi)的能耗為E_i；

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

所述基于ONU休眠模式的三維動態(tài)帶寬分配算法過程中包含動態(tài)帶寬容量分配算法和自適應時隙、載波及比特分配算法；

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

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，則進入流程302，即步驟2；

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

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

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

其中，BW_i^excess＝R_i-BW_MIN表示每個高負載ONU請求的多余帶寬，M表示集合O中的元素個數(shù)；

步驟2-3、OLT依據(jù)ONUs從大到小的優(yōu)先級次序為每個高負載ONU分配帶寬，大小G_i為：

步驟2-4、當高負載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ONUs內(nèi)依據(jù)計算的信道增益從大到小的次序排序，同時所有的子載波均使用最高階調(diào)制方式，即每個子載波上加載的比特數(shù)最大；

步驟4、流程304過程確定輪詢周期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)先級為其分配初始時頻單元和確定ONU間的輪詢方式；

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

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

步驟5-3、確定ONU輪詢順序；當OLT對ONU完成第一次時頻單元的分配后，進行下一次輪詢，其中，ONU之間的輪詢可分為兩種：第一種，在每次時隙和載波分配過程中，OLT為每個ONU僅分配一個時頻資源單元；第二種，在每次輪詢過程中，OLT優(yōu)先為高優(yōu)先級ONU分配滿足的時頻資源，然后再為低優(yōu)先級ONU分配；

步驟6、完成流程305后，進行流程306的判決，即判斷ONU_i當前帶寬BW_i與G_i的大小，若BW_i＜G_i則進入流程307，若BW_i≥G_i，轉到流程310；

步驟7、執(zhí)行自適應時隙、載波和比特分配算法，選擇使ONU總能耗最小的時隙、載波以及每個子載波上加載的比特數(shù)；

步驟7-1、計算加單位時隙時的能耗增加量的大??；當子載波保持不變，增加單位時隙時的能耗變化其中表示業(yè)務相關能耗變化量，與子載波和時隙大小均有關，表示業(yè)務無關能耗變化量，其只與時隙大小相關；通過式(4)計算可得

而只與時隙增加有關，發(fā)送窗口增加一個時隙前的業(yè)務無關能耗為：

發(fā)送窗口增加一個時隙后的業(yè)務無關能耗為：

所以，當發(fā)送窗口增加一個時隙時的業(yè)務無關能耗變化量為：

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

步驟7-2、計算增加單位載波時的能耗增加量的大??；因為與載波的增加無關，所以假設發(fā)送窗口內(nèi)時隙數(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??；若則轉到308，保持載波不變，為ONU_i分配當前時隙的相鄰的時隙；否則轉到309，保持當前發(fā)送窗口不變，為ONU_i分配其載波隊列中可用的信道增益較大的子載波；分配完成之后轉到流程306；

步驟8、進一步降低業(yè)務相關能耗，進行流程310，計算ONU_i當前帶寬BW_i與G_i的差值大??；若滿足進行流程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，減少一個比特數(shù)；重復進行步驟8，直到進入流程312；

步驟9、流程312是將OLT為ONU分配的上行帶寬信息、ONU睡眠開始時刻、睡眠時間大小和喚醒時刻寫入到GATE控制信息中，其中上行帶寬信息包括發(fā)送窗口起始時間、發(fā)送窗口大小、子載波編號、允許使用的子載波個數(shù)、每個子載波上承載的比特數(shù)；

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

步驟11、判斷仿真時間是否結束，若是，則仿真結束，否則跳回步驟1；

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

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

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)定的時隙和子載波上傳輸上行數(shù)據(jù)，并將下一個輪詢周期請求的帶寬大小寫入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，進入流程402，在規(guī)定的時間內(nèi)進入相應的休眠狀態(tài)節(jié)能；

步驟4、執(zhí)行流程403，ONU在規(guī)定的時刻喚醒，進行時鐘恢復和同步，準備進行下一次傳輸；

步驟5、判斷是否仿真時間結束，若是，則仿真結束，否則轉到步驟1。

與現(xiàn)有技術相比，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)帶寬分配過程中，每個ONU一直保持正常工作狀態(tài)，引起ONU端業(yè)務無關能耗較大的問題，允許上行業(yè)務負載為空時，ONU進入睡眠模式或假寐模式，降低ONU的總能耗；

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

3、通過對時隙、載波和比特進行合理優(yōu)化分配，不僅實現(xiàn)了多個ONU間的動態(tài)帶寬分配，而且使ONU能夠靈活改變工作模式，從而實現(xiàn)了降低網(wǎng)絡業(yè)務相關能耗和業(yè)務無關能耗的優(yōu)化目標；

4、本發(fā)明綜合考慮ONU休眠機制與動態(tài)帶寬分配算法，能夠在降低網(wǎng)絡能耗的同時保證業(yè)務的服務質(zhì)量(Quality of Service，QoS)，響應了國家提倡的“節(jié)能減排”和“綠色通信”的發(fā)展策略。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的面向電力通信網(wǎng)絡的光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總能耗對比圖；

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

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

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

圖9為本發(fā)明一種實施例中，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)能效對比圖；

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

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明提供的具體實施方式進行詳細說明。

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上提出的基于ONU休眠模式的三維動態(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)結構中，OLT通過主干光纖與ODN相連接，ODN再通過分支光纖與若干個ONU相連接，以此形成點到多點的樹形拓撲結構。無論是上行帶寬還是下行帶寬均可以分成多個時頻單元，其中一些時頻單元用于存儲控制信息，包括信道狀態(tài)信息以及避免數(shù)據(jù)干擾的保護頻帶，其他的時頻單元則用于傳送數(shù)據(jù)。在下行鏈路方向，OLT通過多個載波以廣播方式將下行數(shù)據(jù)包傳送到多個ONU，在此過程中，只需要使用一個波長；在上行鏈路方向，如果OLT接收機采用直接檢測方式，那么各個ONU的不同波長之間應設置足夠大的光頻譜間隔，以避免光插拍干擾(Optical Beat Interference，OBI)。一個OFDM幀結構如圖所示，其中不同顏色代表載波分給不同的ONU。

一、圖2是本發(fā)明設計的能效型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同時關閉發(fā)送機和接收機；假寐模式中，ONU只關閉發(fā)送機，接收機正常和OLT進行通信；正常工作模式中，ONU的發(fā)送機和接收機都正常工作；對于一個給定的ONU，其在每個輪詢周期內(nèi)需要經(jīng)歷四個過程，其中輪詢周期定義為OLT連續(xù)兩次發(fā)送GATE信息的時間間隔；

(1)輪詢周期開始時刻，ONU處于202doze模式，可以接收來自OLT的下行數(shù)據(jù)和203GATE信息；GATE信息中包含：204sleep/doze開始時間、sleep/doze長度、發(fā)送窗口的起始時間、發(fā)送窗口大小、子載波編號以及子載波數(shù)目；

(2)當ONU接收到GATE信息并對其分析處理后，按指示進入相應工作模式；工作模式由OLT通過計算發(fā)送窗口前的空閑時間大小(輪詢周期開始時的假寐時間和發(fā)送窗口前的空閑時間的總和)與相應的轉換時間的大小進行比較后決定；設內(nèi)的業(yè)務無關能耗為內(nèi)的業(yè)務無關能耗為

(3)ONU在205發(fā)送窗口開始到達前喚醒，完成與OLT的時鐘同步；同步完成后進行上行數(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周期的帶寬請求；設發(fā)送窗口大小(即正常工作的時間)為內(nèi)的業(yè)務無關能耗為

(4)當上行數(shù)據(jù)和REPORT信息發(fā)送結束后，ONU進入207sleep或doze模式直至下一輪詢周期開始，設發(fā)送窗口后的空閑時間為內(nèi)的業(yè)務無關能耗為輪詢周期的大小為T_cycle，ONU在一個輪詢周期內(nèi)的能耗為E_i；

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

所述基于ONU休眠模式的三維動態(tài)帶寬分配算法過程中包含動態(tài)帶寬容量分配算法和自適應時隙、載波及比特分配算法；

所述的動態(tài)帶寬容量分配算法，用于解決多個ONU的帶寬容量分配問題，其主要特點是：OLT在每個輪詢周期內(nèi)根據(jù)所有ONU的帶寬請求動態(tài)地為其分配相應的帶寬大小，為了增加帶寬利用率，提高網(wǎng)絡性能，采用將低負載ONUs多余的帶寬按比例分給那些高負載ONUs。

所述的自適應時隙、載波及比特分配算法，以改進的Greedy算法為基礎，以ONU的授權帶寬作為依據(jù)，致力于在帶寬分配的過程中尋找使ONU總能耗最小的時隙、載波以及每個子載波上加載的比特數(shù)。該算法主要內(nèi)容如下：

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

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

3)對于第二類ONU，當OLT對ONU完成第一次時頻資源的分配后，OLT進行下一次的時頻資源分配。在之后的時頻資源分配的過程中，從橫向時隙和縱向載波兩個方向進行時隙和載波的分配選擇，選擇的依據(jù)是：若增加一個時隙單元時的能耗變化小于增加一個載波時的能耗變化，則載波保持不變，為ONU分配一個當前時隙的相鄰時隙；否則，保持當前發(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休眠模式的三維動態(tài)帶寬分配算法中OLT過程如下：

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，則進入流程302，即步驟2；

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

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

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

其中，BW_i^excess＝R_i-BW_MIN表示每個高負載ONU請求的多余帶寬，M表示集合O中的元素個數(shù)；

步驟2-3、OLT依據(jù)ONUs從大到小的優(yōu)先級次序為每個高負載ONU分配帶寬，大小G_i為：

步驟2-4、當高負載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ONUs內(nèi)依據(jù)計算的信道增益從大到小的次序排序，同時所有的子載波均使用最高階調(diào)制方式，即每個子載波上加載的比特數(shù)最大；

本發(fā)明實例中，所有子載波采用8-QAM調(diào)制。

步驟4、流程304過程確定輪詢周期T_cycle的大小，將其均分成J份；

本發(fā)明實例中，輪詢周期時間為1ms，將整個輪詢周期均分成250份。

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

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

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

步驟5-3、確定ONU輪詢順序；當OLT對ONU完成第一次時頻單元的分配后，進行下一次輪詢，其中，ONU之間的輪詢可分為兩種：第一種，在每次時隙和載波分配過程中，OLT為每個ONU僅分配一個時頻資源單元；第二種，在每次輪詢過程中，OLT優(yōu)先為高優(yōu)先級ONU分配滿足的時頻資源，然后再為低優(yōu)先級ONU分配；

步驟6、完成流程305后，進行流程306的判決，即判斷ONU_i當前帶寬BW_i與G_i的大小，若BW_i＜G_i則進入流程307，若BW_i≥G_i，轉到流程310；

步驟7、執(zhí)行自適應時隙、載波和比特分配算法，選擇使ONU總能耗最小的時隙、載波以及每個子載波上加載的比特數(shù)；

步驟7-1、計算加單位時隙時的能耗增加量的大??；當子載波保持不變，增加單位時隙時的能耗變化其中表示業(yè)務相關能耗變化量，與子載波和時隙大小均有關，表示業(yè)務無關能耗變化量，其只與時隙大小相關；通過式(4)計算可得

而只與時隙增加有關，發(fā)送窗口增加一個時隙前的業(yè)務無關能耗為：

發(fā)送窗口增加一個時隙后的業(yè)務無關能耗為：

所以，當發(fā)送窗口增加一個時隙時的業(yè)務無關能耗變化量為：

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

在本發(fā)明實例中，設定的判定依據(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、計算增加單位載波時的能耗增加量的大??；因為與載波的增加無關，所以假設發(fā)送窗口內(nèi)時隙數(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??；若則轉到308，保持載波不變，為ONU_i分配當前時隙的相鄰的時隙；否則轉到309，保持當前發(fā)送窗口不變，為ONU_i分配其載波隊列中可用的信道增益較大的子載波；分配完成之后轉到流程306；

步驟8、進一步降低業(yè)務相關能耗，進行流程310，計算ONU_i當前帶寬BW_i與G_i的差值大?。蝗魸M足進行流程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，減少一個比特數(shù)；重復進行步驟8，直到進入流程312；

步驟9、流程312是將OLT為ONU分配的上行帶寬信息、ONU睡眠開始時刻、睡眠時間大小和喚醒時刻寫入到GATE控制信息中，其中上行帶寬信息包括發(fā)送窗口起始時間、發(fā)送窗口大小、子載波編號、允許使用的子載波個數(shù)、每個子載波上承載的比特數(shù)；

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

步驟11、判斷仿真時間是否結束，若是，則仿真結束，否則跳回步驟1；

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

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

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)定的時隙和子載波上傳輸上行數(shù)據(jù)，并將下一個輪詢周期請求的帶寬大小寫入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，進入流程402，在規(guī)定的時間內(nèi)進入相應的休眠狀態(tài)節(jié)能；

步驟4、執(zhí)行流程403，ONU在規(guī)定的時刻喚醒，進行時鐘恢復和同步，準備進行下一次傳輸；

步驟5、判斷是否仿真時間結束，若是，則仿真結束，否則轉到步驟1；

對本實施例提出的基于ONU休眠模式的三維動態(tài)帶寬分配算法進行性能分析。為全面評價3D-DBA和HE-DBA算法的性能優(yōu)勢，與基于載波和比特分配的功效型動態(tài)帶寬分配(Power Efficient Dynamic Bandwidth Allocation Based Subcarrier and Bit Allocation，PE-DBA)對比算法進行比較。其中在3D-DBA算法中根據(jù)ONU輪詢順序的不同，又細分為：1)在每次輪詢過程中，OLT只為每個ONU分配一個時頻資源，稱為3D-DBA-TS；2)在每次輪詢過程中，OLT優(yōu)先為高優(yōu)先級ONU分配滿足G_i的時頻資源，然后再為低優(yōu)先級ONU分配，稱為3D-DBA-ONU。

仿真過程中，我們所用的光OFDM接入網(wǎng)系統(tǒng)包含1個OLT和N個ONU(仿真中N可變)，OLT到各個ONU的距離不相等，ONU隨機分布在以OLT為圓心，半徑為50km的圓內(nèi)。網(wǎng)絡中上行數(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的隊列容量設為無限大，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，這是因為3D-DBA算法通過自適應地分配時隙和載波，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，是因為3D-DBA-ONU算法優(yōu)先為高優(yōu)先級ONU分配其所需的時頻資源，而ONU優(yōu)先級排序的依據(jù)為帶寬請求的大小，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，說明本實施例提出的算法穩(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，ONU總能耗低于3D-DBA-TS和3D-DBA-ONU。這是因為在ONU數(shù)目較少的情況下，隨著網(wǎng)絡規(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。這是因為：3D-DBA-ONU在時隙和載波分配過程中的策略是先滿足高優(yōu)先級ONU其所需的時頻資源后，再為下一個ONU分配時頻資源，因此分配給一個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ONU分配一個時頻資源，因此分配給一個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)的時間逐漸增大，從而引起睡眠或者假寐時間降低。

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。這是因為，ONU處于睡眠狀態(tài)的時間主要由上行傳輸時隙決定，ONU數(shù)目越大，在一個固定輪詢周期內(nèi)OLT給給個ONU分配的帶寬容量越小，從而引起上行傳輸時隙越短。

從圖9、圖10中可以看出在網(wǎng)絡規(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的帶寬請求均能得到滿足，而PE-DBA在這兩種不同場景下的能耗較低，故PE-DBA能效較高。隨著上行數(shù)據(jù)速率的增加、網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，3D-DBA-ONU算法優(yōu)于其他兩種算法。這是因為隨著上行數(shù)據(jù)速率的增加和網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，ONU的帶寬請求逐漸增大，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)絡規(guī)模較大時，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ONU部署較少的情況下，大部分甚至所有ONU的帶寬請求均能得到滿足，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。

以上實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于上述的實施例。上述實施例中所用方法如無特別說明均為常規(guī)方法。