Speaker: 錢世傑(Shieh-Chieh Chien) Advisor: 吳和庭(Dr. Ho-Ting Wu) 2014/07/30 乙太被動式光纖網路之三模式節能機制設計(The design of three mode based power saving mechanisms in EPON)
大綱 背景 動機 相關技術介紹 三模式節能機制 實驗結果 結論 文獻參考 PON EPON 節能模式與限制 封包服務等級與節能 MPCP IPACT介紹 IPACT 加入下傳資料 解決下傳碰撞方式 節能模式與限制 封包服務等級與節能 上傳演算法運作方法 三模式節能機制 (1) Active to doze (2) Active to sleep (3),(4) 節能模式喚醒 (5) Sleep to doze (6) Doze to sleep 實驗結果 模擬結果 與單向轉換機制比較 結論 文獻參考
背景 用戶對網路頻寬需求增加 目前主要用於存取網路的技術為被動式光纖網路 例如: HDTV、IPTV等應用 存取網路(Access Network; AN) 連接用戶(Subscriber)端設備與網路供應商設備之間的網路 耗能占整體網路上最多[1] 被動式光纖網路(Passive Optical Network; PON) 有效提升頻寬、維護成本低、擴充容易與維護容易 最主要的技術有EPON(Ethernet PON)與GPON(Gigabit-capable PON) 較其他AN技術耗能低[1,2] 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。PON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大
動機 PON的傳輸速率由1Gbps提升至10Gbps PON網路中ONU耗能最高 目前多數研究設計使用Sleep mode 功耗提升－>電費提升&溫室氣體增加 資料更快傳輸完畢－> 更多閒置時間 PON網路中ONU耗能最高 目前多數研究設計使用Sleep mode 下傳量大上傳量少的情況耗電量仍然很高
存取網路耗能比例
PON 被動式光纖網路(Passive Optical Network; PON)： 是由一個OLT與多個ONUs組成。 光線路終端(Optical Line Terminal; OLT)： 位於中央機房 (central office; CO) 光網路單元(Optical Network Unit; ONU)： 位於接近使用者端的地方 (FTTC, FTTH,FTTB..) 資料連結技術：SONET、ATM、Ethernet 媒體存取技術：WDM、TDM、CDM
PON架構
EPON 乙太被動式光纖網路(Ethernet PON; EPON) 於PON網路架構上乘載乙太封包。 下行方向 (OLT -> ONUs)： 分時多工(TDM) 單點對多點(Point-to-multipoint) 乙太網路原生就具有廣播特性 ONU 透過MAC address判別接收資料 上行方向 (ONUs -> OLT)： 分時多工存取(TDMA) 多點對單點(Multipoint-to-point) 使用各自的上傳通道
TDM & TDMA [7] [3]
MPCP 多點控制協定(Multipoint control protocol; MPCP) 一種交換訊息的協定。 共五種媒體存取控制訊息： REGISTER_REQ、REGISTER、REGISTER_ACK 自動探索(auto-discovery), 註冊(registration) 與測距(ranging)。 GATE、REPORT 分配與請求頻寬。
IPACT介紹 Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time (IPACT[4])： 頻寬配置方式 Limited service：限制傳輸上限MTW。 Round-Robin輪詢已註冊的ONU
IPACT介紹
IPACT 加入下傳資料
解決下傳碰撞方式 5000 bit = 625 bytes ONU雷射開關時間，自動增益控制，時脈和資料回復時間，時脈飄移 因為OLT接收不同ONU的上傳，所以需要Guard time調整 AGC、CDR、雷射開關。 因此，才在GATE上作延遲，已延遲接收時間有Gaurd time.
上傳演算法運作方式 GATE安排方式 插入式 非插入式 (1) 一旦收到REPORT進行下個Cycle輪詢[5] (2) 等待當前Cycle資料傳輸完畢進行下個Cycle輪詢 非插入式 (3) 等待當前Cycle資料傳輸完畢進行下個Cycle輪詢
上傳演算法方式(1)
上傳演算法方式(1)
上傳演算法方式(2)
上傳演算法方式(2)
上傳演算法方式(3)
上傳演算法方式(3)
節能模式與限制 一般模式 節能模式 耗能 節能限制 Active mode (TRx-on) 可收送資料。 節能模式 Doze mode( Tx-off, Rx-on) 只接收資料。 Sleep mode(TRx-off) 不能收送資料。 計時器 Y ms 耗能 Active(100%) > Doze(60%, 30%) > Sleep(10%) 節能限制 當ONU與OLT超過mpcp_timeout=1 sec限制沒有互動，OLT將對ONU解除註冊。因此，ONU節能時間需低於1 sec。
封包服務等級與節能 本研究將封包等級分為高和低兩種 提早喚醒 高優先權封包：是對於延遲敏感以及頻寬保證的流量。 例如：控制封包 , 視訊會議… 低優先權封包：是對於其他重要性較低的服務。 例如：E-mail, FTP... 提早喚醒 ONU捨棄節能，盡早服務高優先權資料。
三模式節能機制
(1) Active mode至 Doze mode 我們以單一個ONU的角度來看 進入節能的狀況
(2) Active mode至 Sleep mode
(3),(4)節能模式喚醒
(5) Sleep mode 至 Doze mode
(6) Doze mode 至 Sleep mode
模擬參數 Parameter Value ONU Count 16 Downstream Channel Capacity 1 Gbps Upstream Channel Capacity OLT-ONU Distances 10 km Traffic Pattern Poisson Guard Interval 5 µs Frame size 64bytes~1518bytes ONU queue size 100 Mbytes Maximum transmission window(MTW) 15000 bytes Simulation Time 10 seconds Upstream Scheduling Method IPACT Limited Service Y （Timer for Sleep mode to Doze mode） 20 ms Maximum energy saving time 997 ms(less than 1 second) MTW= (1 cycle time - 16* Guard time )/16 ONUs/8bit *109
觀察Active mode(綠三角)，當下傳負載增加Active mode比例逐漸提升，直到滿載為止。最主要影響原因為每個Cycle的下傳資料消化不掉。 Q. 為何於滿載狀態將有大幅度的差距? 這與上傳封包抵達速率和高優先權比率有關，首先在滿載的時候一個DBA cycle接近於2 ms， 當上傳負載0.05時，平均2.5 ms左又必須回到Active mode， 當上傳負載為0.1時，平均1.26 ms左右必須回到Active mode，ONU若消化掉上傳佇列，僅能短時間進入到Doze mode之後又被喚醒。 觀察Doze mode(藍正方)，當下傳負載逐漸增加時Doze mode比例也逐漸提升， 但是在滿載後受到Cycle time拉長與喚醒基會的比率而減少。 3) 觀察Sleep mode之曲線(淺藍x)，當下傳負載度逐漸增加時，ONU無法馬上於將下傳佇列消化掉， 於是逐漸被Doze mode所佔據，直到下傳滿載不可能有機會在進入Sleep mode為止。 另外，當上傳負載度增加時，Sleep mode比例也會平均下降一些。
模擬結果(輪詢週期) 若我們只觀察固定上傳負載度0.1，高優先權上傳為50%， 當下傳負載度0.6，每個Cycle時間為0.6 ms，由於平均1.2 ms左又必須回Active mode， 因此於滿載前的時候，仍可以在2個Cycle後消化完不久再次進入Doze mode。 當下傳負載度滿載0.625時，每個Cycle時間為1.85 ms左右， 相較於0.6下傳負載，滿載的時候被喚醒，必須等待更多時間才能消化掉上傳佇列進入Doze mode。
模擬結果(下傳延遲)
模擬結果(下傳延遲)
模擬結果(上傳延遲) 0.05的Cycle time比較長，可能是這個原因導致高優先權延遲較高
與單向轉換機制比較 單向轉換機制[5] Doze mode無法回到Sleep mode。 Doze mode受限於timer(Z ms)時間。 最大節能時間為Doze timer(Z)與Sleep timer(Y)總合(70 ms) 進入節能模式時間晚一個cycle。 單向轉換機制： Doze mode 受限於timer 50 ms無法停留更長時間。 Doze mode閒置時無法進入Sleep mode。 較晚進入節能模式
因為本機制於0.05時滿載狀態的節能比較明顯，因此選擇0.05。
與單向轉換機制比較
與單向轉換機制比較
與單向轉換機制比較
與單向轉換機制比較
與單向轉換機制比較
與單向轉換機制比較 本圖是根據Doze mode 60%與Sleep mode 10%耗能比例所畫的， 不同上傳負載度搭配50%高優先權上傳比例的結果。 我們可以透過這張圖想像在不同情境時，ONU的耗能比例。 例如：當使用者維持15Mbps觀看影片時也就是下傳負載0.15，上傳負載若只有10 Mbps，我們將可以節省約80%的功耗。
結論 本研究改善了單向轉換機制節能效果。 節能效果提升<=>延遲提升 為降低頻繁喚醒，應寬鬆限制喚醒條件。 為了更大化節能，應動態調整睡眠時間。 接下來應該朝向10GEPON設定參數，並加入喚醒的時間成本。
文獻參考 [1] J. Baliga et al., “Energy Consumption in Access Networks,” Proc. Optical Fiber Commun. Conf., 2008. [2] C. Lange and A. Gladisch, “On the Energy Consumption of FTTH Access Networks,” Proc. Optical Fiber Commun.Conf., 2009 [3] G. Kramer, “ On Configuring Logical Links in EPON,” Teknovus, Inc. pp. 1-12. [4]G. Kramer, B. Mukherjee, and G. Pesavento, “ IPACT: A Dynamic Protocol for an Ethernet PON (EPON), ”IEEE Commun. Mag., vol. 40, no. 2, pp. 66-73, Feb. 2002. [5]江昀庭(Y.-T. Chiang), “乙太被動式光纖網路之省電機制之設計,”碩士論文，台北科技大學資訊工程所, p. 42, 中華民國103年1月 [3] IEEE Std 1904.1 : “ IEEE Standard for Service Interoperability in Ethernet Passive Optical Networks (SIEPON), ”2013. [4] ITU-T, “G.Sup 45 : GPON power conservation,”2009. [5] Ahmad R. Dhaini,“Toward Green Next-Generation Passive Optical Networks,”IEEE Commun. Mag., pp.94-101, Nov. 2011. [6] J. Mandin, “ EPON Powersaving via Sleep Mode,” IEEE 802.3av Meeting, 2008.
Q&A Thanks for your attention.