Nghiên cứu tiết kiệm năng lượng cho các mạng thế hệ mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐOÀN ĐỨC SINH NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG CHO CÁC MẠNG THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH Hà Nội - Năm 2015 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 10 Mục đích nghiên cứu 11 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 11 Kết cấu luận văn .11 Phƣơng pháp nghiên cứu 12 CHƢƠNG I - MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON 13 1.1 Giới thiệu chƣơng 13 1.2 Mạng PON .14 1.3 Mạng PON ghép kênh phân chia theo thời gian 21 1.4 Các tiêu chuẩn cho mạng TDM-PON 25 1.4.1 B-PON 25 1.4.2 E-PON 26 1.4.3 G-PON .28 1.5 Kết luận chƣơng .30 CHƢƠNG II - CƠ CHẾ PHÂN BỔ BĂNG THÔNG ĐỘNG 32 2.1 Giới thiệu .32 2.2 Thuật toán cấp phát băng thông động [2] 32 2.3 Định dạng tin điều khiển [2] 37 2.4 Lập lịch cho tin Grant/Request .39 Đoàn Đức Sinh 2.5 Đánh giá hiệu mạng [2] 43 2.6 Các dịch vụ sử dụng thuật toán DBA 46 2.7 Chất lƣợng QoS .48 2.8 Kết luận chƣơng .50 CHƢƠNG III - PHÂN BỔ BĂNG THÔNG ĐỘNG TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG VỚI CÁC ONU Ở CHẾ ĐỘ NGỦ 51 3.1 Giới thiệu .51 3.2 Phƣơng pháp điều khiển lớp MAC tiết kiệm lƣợng [5] 55 3.3 Cơ chế xác định độ lớn băng thông cấp phép [5] 60 3.4 Xây dựng tốn tạo chu trình cấp phép tiết kiệm lƣợng [5] .61 3.5 Thuật tốn quy hoạch động cấp phép băng thơng tiết kiệm lƣợng [5] 65 3.6 Kết luận chƣơng .67 CHƢƠNG IV - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG PON 68 4.1 Giới thiệu .68 4.2 Mơ hình hệ thống 69 4.2.1 Mơ hình mạng dùng mô 69 4.2.2 Các thông số mô 70 4.3 Sơ đồ thuật tốn mơ 71 4.3.1 Sơ đồ thuật tốn mơ lƣu lƣợng mạng 71 4.3.2 Sơ đồ thuật tốn mơ hiệu mạng PON 73 4.4 Chƣơng trình mơ 74 4.4.1 Giao diện chƣơng trình khởi động .74 4.4.2 Giao diện chƣơng trình 76 4.5 Kết mô 78 4.5.1 Lƣu lƣợng mạng có kích thƣớc gói tin theo phân phối Poisson .78 4.5.2 Hiệu mạng PON 80 4.5.2.1 Thời gian chu kỳ 80 4.5.2.2 Kích thƣớc hàng đợi 85 Đoàn Đức Sinh 4.5.2.3 Thời gian trễ gói tin .90 4.6 Nhận xét 95 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 97 Kết luận 97 Hƣớng nghiên cứu 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CHƢƠNG TRÌNH 100 Chƣơng trình mơ lƣu lƣợng mạng .100 Chƣơng trình mơ hiệu mạng PON .101 Đoàn Đức Sinh LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đoàn Đức Sinh Đoàn Đức Sinh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt ADAEE Adaptive Delay Aware Energy Efficient Giải pháp tiết kiệm lƣợng nhận biết trễ tƣơng thích AON Active Optical Network Mạng quang tích cực ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng CO Central Office Trạm trung tâm DBA Dynamic Bandwidth Assignment Cấp phát băng thông động DCS Downstream Centric Scheme Cơ chế truyền hƣớng xuống EMM Energy Management Mechanism Cơ chế quản lý lƣợng FSAN Full Service Access Network Mạng truy nhập đầy đủ dịch vụ FTTH Fiber To The Home Cáp quang đến tận nhà GEM GPON Encapsulation Method Phƣơng thức đóng gói GPON IPACT Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time Vòng xen kẽ với chu kỳ đáp ứng JIT Just-In-Time Đúng thời gian LLID Link Logic ID MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trƣờng MPCP Multipoint Control Protocol Giao thức điều khiển đa điểm NGN Next Generation Network Mạng hệ NID Node Identification Nhận diện node OLT Đoàn Đức Sinh Optical Line Terminal Trƣờng nhận dạng kênh logic Thiết bị đầu cuối đƣờng dây ONT Optical Network Terminal Thiết bị kết nối đầu cuối ONU Optical Network Unit Bộ kết nối đầu cuối PLOAM Physical Layer Operation, Administration and Maintenance Quản lý vận hành bảo dƣỡng lớp vật lý PMD Physical Media Dependent Phụ thuộc môi trƣờng vật lý PON Physical Media Dependent Mạng quang thụ động PS Passive Splitter Bộ chia quang thụ động QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RTT Round Trip Time Thời gian từ lúc gửi đến lúc nhận SDBA Sleep Aware Dynamic Bandwidth Allocation Phân bổ băng thông động để nhận biết giấc ngủ SLA Service Level Agreement Thỏa thuận mức dịch vụ SNI Service Network Interface Giao diện mạng dịch vụ SRD Short Range Dependent Phụ thuộc thời gian ngắn TDMA Time Division Multiple Access Truy cập đa phân chia theo thời gian TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối UCS Upstream Centric Scheme Cơ chế truyền hƣớng lên UNI User Network Interface Giao diện mạng ngƣời dùng VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia WDM WS Window Size Đoàn Đức Sinh theo bƣớc sóng Kích thƣớc cửa sổ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 – Bảng so sánh chuẩn công nghệ TDM-PON .29 Bảng 2.1 - Cơ chế cấp phát cửa sổ truyền số dịch vụ 46 Bảng 3.1 - Định nghĩa ký hiệu 57 Bảng 4.1 - Thông số mô lưu lượng mạng 70 Bảng 4.2 - Thông số mô hiệu mạng PON .71 Bảng 4.3 - Kết mô lưu lượng mạng 80 Bảng 4.4 - Số liệu mơ thời gian trung bình chu kỳ dịch vụ 82 Bảng 4.5 - Số liệu mô thời gian lớn chu kỳ dịch vụ 84 Bảng 4.6 - Số liệu mơ kích thước hàng đợi trung bình dịch vụ 87 Bảng 4.7 - Số liệu mơ kích thước hàng đợi lớn dịch vụ 89 Bảng 4.8 - Số liệu mơ thời gian trễ trung bình gói tin dịch vụ 92 Bảng 4.9 - Số liệu mơ thời gian trễ lớn gói tin dịch vụ .94 Đoàn Đức Sinh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 - Mạng PON với chia quang thụ động Passive Splitter 14 Hình 1.2 - Mạng PON .15 Hình 1.3 - Bước sóng truyền mạng PON 16 Hình 1.4 – Cấu trúc tổng quan giải pháp PON 19 Hình 1.5 - Kiến trúc tổng quan mạng PON 20 Hình 1.6 - Nguyên lý truyền liệu hướng xuống theo phương thức quảng bá 22 Hình 1.7 - Nguyên lý truyền liệu hướng lên theo chế ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) 22 Hình 1.8 - Cấu trúc chung OLT 23 Hình 1.9 - Cấu trúc chung ONU 24 Hình 1.10 - ONU & OLT gửi tin yêu cầu cấp phát băng thơng 27 Hình 2.1a – OLT gửi tin điều khiển đến ONU 33 Hình 2.1b – ONU gửi liệu lên cửa sổ cấp .34 Hình 2.1c – OLT update thông tin vào bảng polling 35 Hình 2.1d – Các bước thuật toán DBA 36 Hình 2.2 - Vị trí lồng tin điều khiển vào khung Ethernet 38 Hình 2.3 - Lập lịch cho tin Request 40 Hình 2.4 - Lập lịch tin Grant cho ONU thứ i, i+1, i+2 với i-1 bị ngắt .42 Hình 2.5 - Các thành phần thời gian trễ gói tin 45 Hình 3.1 - Sơ đồ chuyển trạng thái ONU 56 Hình 3.2 - Minh họa phương pháp điều khiển lớp MAC tiết kiệm lượng 57 Hình 3.3 - Minh họa chế tạo chu trình cấp phép tiết kiệm lượng .63 Hình 4.1 - Giao diện môi trường làm việc phần mềm Matlab R2014a 68 Hình 4.2 - Kích thước trung bình gói tin phụ thuộc vào tải & thời gian đến trung bình gói tin 69 Hình 4.3 - Sơ đồ thuật tốn mơ lưu lượng mạng 72 Hình 4.4 - Sơ đồ thuật tốn mơ hiệu mạng PON 73 Đoàn Đức Sinh Hình 4.5 - Giao diện chương trình khởi động 75 Hình 4.6 - Giao diện chương trình 76 Hình 4.7 - Biểu đồ lượng liệu đến ONU thời gian 1s 78 Hình 4.8 - Biểu đồ lượng liệu đến ONU thời gian 10 ms 79 Hình 4.9 - Biểu đồ lượng liệu đến ONU thời gian 1000 µs .79 Hình 4.10 - Đồ thị biểu diễn thời gian trung bình chu kỳ dịch vụ 81 Hình 4.11 - So sánh thời gian trung bình chu kỳ loại dịch vụ 83 Hình 4.12 - So sánh thời gian lớn chu kỳ loại dịch vụ 85 Hình 4.13 - Đồ thị biểu thị kích thước hàng đợi trung bình dịch vụ 86 Hình 4.14 - So sánh kích thước hàng đợi trung bình loại dịch vụ .88 Hình 4.15 - So sánh kích thước hàng đợi lớn loại dịch vụ 90 Hình 4.16 - Đồ thị biểu diễn thời gian trễ trung bình gói tin dịch vụ 91 Hình 4.17 - So sánh thời gian trễ trung bình gói tin loại dịch vụ .93 Hình 4.18 - So sánh thời gian trễ lớn gói tin loại dịch vụ 95 Đoàn Đức Sinh Bảng 4.8 - Số liệu mô thời gian trễ trung bình gói tin dịch vụ ONU Load Average delay time (ms) Gated Limited Constant Linear Fixed 0.05 0.340 0.340 0.178 0.320 3.202 0.10 0.367 0.368 0.281 0.346 3.211 0.15 0.394 0.396 0.334 0.372 3.221 0.20 0.421 0.424 0.374 0.398 3.230 0.25 0.448 0.452 0.410 0.425 3.240 0.30 0.557 0.564 0.535 0.529 3.249 0.35 0.597 0.606 0.580 0.569 3.259 0.40 0.638 0.648 0.624 0.608 3.268 0.45 0.799 0.815 0.795 0.765 3.278 0.50 0.985 1.010 0.993 0.948 3.287 0.55 1.198 1.232 1.217 1.156 3.297 0.60 1.739 1.884 1.870 2.123 3.307 0.65 3.434 34.607 34.597 33.299 34.330 0.70 19.301 98.606 98.601 98.536 99.454 0.75 67.733 115.715 115.714 115.661 116.860 0.80 78.546 122.850 122.851 122.930 123.924 0.85 83.241 126.905 126.907 126.941 127.812 0.90 89.194 129.397 129.399 129.423 130.246 0.95 88.513 131.074 131.077 131.145 131.917 Đồn Đức Sinh 92 Hình 4.17 - So sánh thời gian trễ trung bình gói tin loại dịch vụ Đối với tải nhẹ trung bình (dƣới 60%), thời gian trễ dịch vụ Fixed lớn so với dịch vụ lại (gấp ~10 lần) cố định thời gian trễ phụ thuộc vào thời gian chu kỳ - vốn cố định với dịch vụ Fixed Các dịch vụ cịn lại có thời gian trễ gần Còn tải nặng (trên 60%), tất loại dịch vụ bắt đầu tăng đột biến, kể dịch vụ Fixed có thời gian trễ gần Tuy có dịch vụ Gated có thời gian trễ nhỏ hơn, gói tin khơng phải chờ lâu Cịn gói tin cịn lại phải chờ qua nhiều chu kỳ tới lƣợt truyền cửa sổ truyền bị giới hạn Wmax Đồn Đức Sinh 93 Bảng 4.9 - Số liệu mơ thời gian trễ lớn gói tin dịch vụ ONU Load Maximum delay time (ms) Gated Limited Constant Linear Fixed 0.05 0.375 0.376 0.205 0.359 3.202 0.10 0.381 0.391 0.460 0.370 3.212 0.15 0.413 0.418 0.784 0.396 3.221 0.20 0.438 0.442 1.044 0.423 3.231 0.25 0.467 0.472 1.389 0.446 3.240 0.30 0.638 0.644 1.672 0.641 3.250 0.35 0.673 0.681 1.979 0.679 3.260 0.40 0.703 0.712 2.261 0.712 3.269 0.45 0.833 0.848 2.552 0.822 3.279 0.50 1.018 1.034 2.805 0.990 3.289 0.55 1.245 1.261 3.112 1.187 3.298 0.60 1.834 2.154 3.344 3.221 3.308 0.65 3.784 68.050 68.035 67.751 67.764 0.70 38.919 140.895 140.895 140.895 140.895 0.75 102.480 140.895 140.895 140.895 140.895 0.80 103.048 140.895 140.895 140.895 140.895 0.85 98.712 140.895 140.895 140.895 140.895 0.90 127.300 140.895 140.895 140.895 140.895 0.95 115.372 140.895 140.895 140.895 140.895 Đoàn Đức Sinh 94 Hình 4.18 - So sánh thời gian trễ lớn gói tin loại dịch vụ 4.6 Nhận xét Tóm lại từ kết mơ đây, rút số nhận xét chung:  Hiệu mạng PON xét phƣơng diện: thời gian chu kỳ, kích thƣớc hàng đợi thời gian trễ gói tin tất dịch vụ phụ thuộc vào mơ hình lƣu lƣợng  Mơ sử dụng mơ hình lƣu lƣợng phụ thuộc thời gian ngắn nên kết mô giá trị trung bình giá trị lớn khơng có chênh lệch lớn  Trong tất mô phỏng, với tải ONU dƣới 60%, kết mô thu đƣợc dịch vụ Gated, Limited, Constant credit, Linear credit gần nhƣ Đoàn Đức Sinh 95 Trong dịch vụ Fixed tỏ không hiệu linh động (trong mô thời gian chu kỳ thời gian trễ gói tin)  Với tải 60%, ngoại trừ dịch vụ Gated, dịch vụ lại đảm bảo liệu ngƣời dùng khơng bị q trình truyền với điều kiện lƣu lƣợng ONU nhƣ Khơng thể khơng nhắc đến đệm, kích thƣớc lớn tốt  Số lƣợng ONU hoạt động mô 16 Nếu số lƣợng ONU hoạt động mạng PON thực tế nhỏ 16 dịch vụ Gated có nhiều ƣu điểm đáp ứng tốc độ truyền lớn từ User đến ONU ~600 Mbps Đoàn Đức Sinh 96 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Luận văn nghiên cứu tìm hiểu phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng cho mạng hệ mạng truy nhập quang thụ động PON PON mạng quang thụ động mà tất thành phần tích cực tổng đài ngƣời sử dụng khơng tồn tại, thay vào thiết bị thụ động không cần nguồn điện cung cấp Để điều hƣớng lƣu lƣợng mạng dựa việc phân tách lƣợng bƣớc sóng quang học tới điểm đầu cuối đƣờng truyền Mạng PON tùy theo đặc tính mà có loại: BPON, GPON, EPON, WDM-PON… Mục tiêu nhằm cải tiến đƣợc hiệu năng lƣợng mà không tác động nhiều đến chất lƣợng dịch vụ Theo kỹ thuật này, ONU (bộ kết nối đầu cuối thành phần đƣợc đặt nhà khách hàng) đƣợc tắt tình trạng lƣu lƣợng có gắn địa đến đƣợc kiểm tra Toàn hoạt động đƣợc quản lý OLT (thiết bị đầu cuối đƣờng dây, đƣợc đặt trạm trung tâm) Kết mô Matlab để làm rõ chế cấp phát băng thông động giúp ngƣời đọc có đƣợc nhìn cụ thể chế hoạt động mạng hiệu tiết kiệm lƣợng Hƣớng nghiên cứu Sự phát triển kỹ thuật chế độ ngủ mạng PON cần phải nghiên cứu lƣu lƣợng Sự nắm bắt cụ thể tính thực tế lƣu lƣợng mang lại trợ giúp quan trọng việc thiết kế phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng nhờ chế độ ngủ Ngoài cần thêm đánh giá hiệu mạng PON dựa QoS sử dụng chế phân bổ băng thông động DBA khảo sát thuật toán nâng cao hiệu mạng phƣơng pháp sử dụng chế hàng đợi song hành ONU chế lập lịch thơng minh OLT Đồn Đức Sinh 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Ngọc Khoa (2009), Mạng tồn quang – xu hướng tương lai, Tạp chí khoa học & ứng dụng, Việt Nam, số 10 [2] Lê Nhƣ Long (2012), Cấp phát băng thông động mạng PON, Học viện Cơng nghệ bƣu viễn thơng [3] Karamitsos Ioannis, Bandwidth Allocation DBA (BA-DBA) Algorithm for xPON Networks, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 50 – No.12, July 2012 [4] D.Nowak, P.Perry, J.Murphy, Bandwidth Allocation for Service Level greement Aware Passive Optical Networks, Global Telecommunications Conference, 2004 [5] Chengjun Li, Wei Guo, Weisheng Hu, Ming Xia (2014), Energy-efficient dynamic bandwidth allocation for EPON networks with sleep mode ONUs, Optical Switching and Networking, http://dx.doi.org/10.1016/j.osn.2014.07.003 [6] Ch.M.Assi, Y.Ye, S.Dixit, and M.A.Ali, Dynamic Bandwidth Allocation for Quality-of-Service Over PONs, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 21, no 9, pp 1467–1477, Nov 2003 [7] Ying Yan and Lars Dittmann (2011), Energy Efficiency in Ethernet Passive Optical Networks (EPONs): Protocol Design and Performance Evaluation, Journal of communications, Vol 6, No 3, May 2011 [8] Ryogo Kubo, Jun-ichi Kani, Yukihiro Fujimoto, Naoto Yoshimoto, and Kiyomi Kumozaki (2009), Sleep and Adaptive Link Rate Control for Power Saving in 10G-EPON Systems, NTT Access Network Service Systems Laboratories, NTT Corporation 1-1 Hikarinooka, Yokosuka-shi, Kanagawa, 239-0847 Japan Đoàn Đức Sinh 98 [9] L.Zhang, Y.Liu, L Guo, X Gong, Energy-saving scheme based on downstream packet scheduling in ethernet passive optical networks, Opt.Fiber Technol 19(2)(2013)169-178 [10] Y.Yan, S.-W.Wong, L.Valcarenghi, S.-H Yen, D R Campelo, S Yamashita, L Kazovsky, and L Dittmann, Energy Management Mechanism for Ethernet Passive Optical Networks (EPONs), in: Proc IEEE ICC’10, Cape Town, South Africa, May 2010 [11] Luca Valcarenghi, Shing-Wa Wong, Divanilson R Campelo, She-Hwa Yen, Shinji Yamashita, Pier Giorgio Raponi, Leonid Kazovsky, Piero Castoldi (2011), Energy Efficiency in Optical Access Networks, The U S National Science Foundation [12] George Koutitas, Member, IEEE, and Panagiotis Demestichas, Member, IEEE (2010), A Review of Energy Efficiency in Telecommunication Networks, Telfor Journal, Vol 2, No 1, 2010 [13] Deepti Punjabi, Vikram Mehta, Dr Neena Gupta (2012), Power Saving Analysis of Different Optical Access Networks, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, ISSN 2250-2459, Volume 2, Issue 3, March 2012 [14] Abhishek Dixit, Bart Lannoo, Didier Colle, Mario Pickavet, Piet Demeester, Energy efficient dynamic bandwidth allocation for Ethernet passive optical networks: Overview, challenges, and solutions, Elsevier, May 2014 Đoàn Đức Sinh 99 PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN CHƢƠNG TRÌNH Chƣơng trình mơ lƣu lƣợng mạng % Đọc thông số từ người nhập rate=get(handles.edit1,'string'); run_t=get(handles.edit2,'string'); pac_t=get(handles.edit3,'string');ag_time1=get(handles.edit4,'stri ng'); ag_time2=get(handles.edit5,'string'); ag_time3=get(handles.edit6,'string'); % Chuyển đổi kiểu liệu rate=str2num(rate); run_t=str2num(run_t); pac_t=str2num(pac_t); ag_time1=str2num(ag_time1); ag_time2=str2num(ag_time2); ag_time3=str2num(ag_time3); % Chuyển đổi đơn vị ag_time1=ag_time1*10^6; % change s to us ag_time2=ag_time2*10^3; % change ms to us % Tính thơng số cần thiết pac_s=pac_t*rate/8; % kích thước gói tin num_p=run_t*10^6/pac_t; % số lượng gói tin packet_no_p=zeros(num_p,1);packet_no_p(1,1)=1; time_p=zeros(num_p,1);time_p(1,1)=pac_t; % tạo sở liệu gói tin có kích thước phân phối theo phân bố Poisson packetsize_p=poissrnd(pac_s,num_p,1); for i=2:1:num_p packet_no_p(i,1)=i; time_p(i,1)=time_p(i-1,1)+pac_t; end j1=1;j2=1;j3=1; i=1; initial_p1=0; initial_p2=0; initial_p3=0; bytes_p=zeros(3,100); while time_p(j1)