融合网络的节能技术研究.doc

北京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要融合网络的节能技术研究摘 要由于不断发展的科学技术和不断深入的信息化建设，现代网络的规模越来越大，已经到了不能忽略其能耗的地步。据估计，现在的ICT中的能耗约占全世界各类能耗的1-2%，而且主要是接入网络中的能耗。可持续发展和绿色、低碳环保是当今世界的主题，现在紧缺的资源与不断增加的网络能耗之间的矛盾，已经在产业界以及学术界引起了不断的关注，而且希望通过不断合作来解决这一重要难题。现在网络中节能技术的研究已经是国内外研究的热点，而且具有重大意义以及实际应用价值。如今的网络正朝着个人化和移动化的方向发展，并且在接入的层面仍然存在着各种不同的接入方法。光纤无线接入网络（fiber wireless access network,FiWi）是下一代的宽带接入网络中最具有前景的技术之一，其结合了光网络的大容量和无线接入网络的灵活性、移动性的特点，可以为宽带用户提供更高的数据速率、更低的接入成本、更广泛的覆盖范围、更好的服务质量以及更方便的业务接入。但是，在接入网中存在用户端设备相对分散和数量巨大的特点，这导致了网络能源消耗大和资源利用率低。接入网络是电信网络中的“最后一公里”，其所需要大量的电信设备，其网络能耗约占整个电信网络的70%。人们越来越关注网络中的能耗问题，减少光纤无线接入网络中的能耗，可以更好地达到节能减排以及推动绿色产业发展的目的。本文借鉴了SDN的关键技术OpenFlow技术，提出了基于SDN的光与无线融合网络的节能（FWESS）方案。在光与无线融合接入网中的物理网络中采用了光与无线融合网络FiWi的网络结构。本文在优化的FiWi网络结构的基础上进行光与无线的综合节能，设计了基于SDN的光与无线融合网络的节能架构，并且对基于SDN的光与无线融合网络节能方案进行仿真和分析。本文通过实际监测到的数据进行仿真分析，证实了节能方案可行性。最后对本文所做工作进行了总结并对下一步的研究计划进行了展望。关键词 未来网络 节能技术 光与无线融合 SDN OpenFlow50北京邮电大学硕士研究生学位论文 ABSTRACTRESEARCH ON ENERGY SAVING TECHNOLOGY OF INTEGRATED NETWORKABSTRACTWith the continuous development of science and technology and the deepening of information technology, increasing network size, network energy consumption cant be ignored. ICT is now estimated to account for 1-2% of the world energy consumption, and most of the consumption is in the access network. The theme of todays world is low-carbon green, green and sustainable development. In the reality, the contradictions between energy shortages and the sharp increase of network energy consumption has caused the concern and attention of academia and industry, who work together to solve this major problem. Energy-Saving research in networks has become hot spot and has great strategic significance.Today the network develops towards mobile, personalized trend and a variety of access methods still exist the access level. As one of the most promising technologies in the next-generation broadband access network, fiber wireless hybrid broadband access network (FiWi) combines the mobility of high-capacity optical networks, wireless access networks with Flexibility Features. It can offer broadband users higher data rates, lower access costs, a wider coverage, better quality service and more convenient service access. However, in the access network, client devices dispersion and the large number of devices result in the occurrence of high energy consumption and low resource utilization. As the last kilometer of telecommunications, the access network has many equipments, whose energy consumption accounts for about 70% of the entire telecommunications network. People now pay more and more attentions to Energy issues. The energy saving of FiWi can better achieve energy conservation and promote green industry development.This paper presents a SDN fiber and wireless network energy-saving (FWESS)programs, which introduces the key technology of SDN called OpenFlow technology. The physical network of optical and wireless convergence access network adopts the network structure of FiWi. This paper achieves a comprehensive optical and wireless energy-saving on the basis of the optimized network structure of FiWi. And based on SDN optical and wireless converged network, we do the simulation and analysis of energy-saving programs. In this paper, the simulation analysis are based on the collected actual data, the proves the feasibility of our energy-saving programs. Finally, this paper summarizes our work and outlooks the development of the network in the future.KEY WORDS: Future Network, Energy-saving Technology, Optical and Wireless Convergence, OpenFlow北京邮电大学硕士研究生学位论文目录融合网络的节能技术研究I摘 要IRESEARCH ON ENERGY SAVING TECHNOLOGY OF INTEGRATED NETWORKIIABSTRACTII目录1第一章绪论21.1研究背景和意义21.2本文主要工作61.3文章结构7第二章融合网络及其节能技术的相关研究72.1光与无线融合网络82.1.1光与无线融合网络概述82.1.2光与无线融合网络相关研究82.1.3FiWi融合网络的架构102.1.4FiWi融合网络的优势分析132.2网络节能技术及其影响132.2.1网络节能技术132.2.2网络节能技术分类142.2.3网络节能技术对网络的影响152.3光与无线融合网络节能技术172.3.1光与无线融合网络节能技术分类172.3.2光与无线融合网络节能技术相关标准182.3.3光与无线融合网络节能技术相关研究182.4本章小结21第三章基于SDN的光与无线融合网络节能技术223.1SDN及其关键技术223.1.1SDN技术概述223.1.2SDN关键技术-OpenFlow233.2基于SDN的网络节能技术架构和协议243.2.1基于SDN的网络节能架构设计243.2.2基于SDN的网络节能总体架构253.2.3基于SDN的网络节能技术协议263.3触发节能和节能恢复策略273.3.1确定业务量模型273.3.2节能触发和恢复条件273.4多级睡眠状态的节能模式273.4.1采用多级睡眠状态283.4.2睡眠状态转换及睡眠时长293.5FWESS技术方案的优势303.5.1基于全局视图的统一节能控制303.5.2业务敏感的动态节能策略313.5.3光与无线的综合节能313.6本章小结31第四章方案验证与分析334.1仿真方案334.2仿真参数统计334.3仿真结果与分析344.3.1用户信息统计分析344.3.2系统工作状态统计分析354.3.3不同网络场景下的能耗分析374.3.4基于SDN的节能方案效果分析404.4本章小结41第五章总结与展望425.1总结425.2未来展望43参考文献44致谢48攻读硕士学位期间发表的论文50第一章 绪论1.1 研究背景和意义在INTERNATIONAL ENERGY OUTLOOK 2011的报告里面，阐述了当前全球的能源消耗情况。在1990年，全球能耗是35.4兆Btu（1btu/h=0.293w。）；2008年的统计的能耗是50.5兆Btu。如果按照这个能耗趋势发展，到了2035年，要满足全球的能源需求，生产的电能必须增长至少49%以上，但是这显然是不太可行的。因此为了能够可持续发展，就必须要控制能源的使用量。图1-1 世界能源消耗如今，电信网络中的能耗量也是很惊人的。贝尔实验室曾有研究，研究表明互联网的用电量目前大约是占总用电量的0.4%1。在宽带网使用率高的国家和地区，这一比率预计达到1%，而且如果数据传输速率增加，这一比例仍有不断增大的趋势。所以，在2010年举办的Green Touch会议中，由通信界以及信息界的零头公司企业、学术界专家学者和非政府组织的领域专家人士被召集起来，目的是让通信网络的能源效率在5年内达到一千倍以上。大家朝着共同的目标，一起努力，打破能源使用效率在理论上的上限。如果实现目标，不仅可以使得ICT（Information Communication Technology）企业的碳排放量（大约占到世界总排放量的2%）直接降低，而且可以间接地降低其余的98%的碳排放量中的与ICT有关的那部分2。在目前的光纤接入网络系统中使用的最多的是无源光网络（Passive Optical Network，PON）技术。现在商业应用的无源光网络解决方案是基于时分多址，例如以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network）以及吉比特无源光网络（Gigabit Passive Optical Network，GPON）。在2011年，中国境内的三大电信运营商中国联通、中国电信以及中国移动在PON设备的集中采购中的集采规模分别为2500万线、1600万线和800万线，其中中国联通的集采在历年中是规模最大的，规模涉及的金额达到40亿人民币。与此同时，三大运营商也已经开始规划布局下一代PON技术，10G-EPON（10Gbps EPON）预计将投入商用，正在进行10G-GPON（10Gbps GPON）的技术测试。另外，也正在开展对下一代接光接入技术的深入研究，其中包含了正交频分复用，波分复用，光码分复用，超密集波分复用等下一代光接入技术。并且最近提出了的一个解决方案，其希望能够在可扩展接入网的研发和部署方面进行简化，而且希望在接入网中，正在使用的服务以及下一代多媒体内容更加丰富的网络应用可以得到比较好的支持。使用这些服务的每一个用户所产生的网络需求预计能够达到每秒几个吉比特。光纤接入可以解决带宽需求的不断增加，但是在未来的接入网中还需要具有移动性以及灵活性的特点，这些特点就只能从无线网络中获得。目前在全球范围内使用的主要的两种技术是在IEEE（美国电气和电子工程师协会）802.11a/b/g/n定义的无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）和在IEEE 802.16中定义的全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）。在最新的802.11n标准中采用了多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）以及正交频分复用技术，可以提供最大600Mbps的传输速率。下一代的超高吞吐量无线局域网（Very High Throughput WLAN，VHT WLAN）的传输速率最大可以达到1Gbps3。现在中国范围内主要采用的WLAN技术是WiFi（Wireless Fidelity）技术。三大运营商目前正在尽力进行WLAN的建设与实施。在2010年，中国移动通过公开招标，采购了37万台WLAN设备中国联通采购了20万台设备，以及中国电信采购了4万台。中国移动预计在将来三年之内在中国国境内实施建设100万WiFi热点。与此同时，三大运营商正在积极开展各种不同形式的免费接入WLAN的服务，例如从2011年4月一直到2011年年底，三大运营商的全部的用户全部能够在中国电信在全国范围内，已经超过十万个WiFi热点的区域内，获得免费的高速无线上网的服务。WiMAX网络，在IEEE 802.16标准中有规定，其能够在无论是固定还是移动的场景下工作，不同场景下分别采用点到多点或者网状拓扑技术4。目前最新定制的802.16m标准能够采用高级的空中接口，从而移动传输速率可以达到100Mbps，固定传输速率可以达到1Gbps。目的是在第四代移动通信（4G）系统上满足ITU-R（International Telecommunication Union - Radio communication sector，国际电信联盟无线电通信部门）的IMT-Advanced（International Mobile Telecommunications-Advanced，高级国际移动通信）要求5。在未来网络中一个很重要的发展趋势是进行网络融合。通过对无线网络以及固定网络的融合，尤其是光和无线网络的融合能够提供集中而且高效的移动服务，这些是现有的网络架构所不能实现的。在未来网络中，想要提高能源的利用效率，可以采用器件级技术，设备级技术以及网络级技术。在未来网络中，不能将器件级技术、设备级技术以及网络级技术进行完全的独立使用，而是应该让这些技术互相配合使用，这样才能实现的最理想的节能效果。一个产品的生命周期过程包含原料生产、制造、使用以及处置等阶段，为了最大程度减少对环境的影响，在生命周期的各个阶段都需要考虑能耗问题。但是，在网络中多见的情况是，在使用阶段的能耗大部分是指设备每天24小时的运行所带来的能源消耗。并且电力消耗基本上是在各类能耗中占主要部分。所以，想要最大程度降低网络给环境的各种影响，必须要实施网络的节能。在网络运营过程中，节能也有着重要作用。由于一些不可避免的新服务以及应用程序的不断增加，网络带宽势必也要增加才能满足。但是，将来在物理上会受到能耗以及由于能耗带来的热量，还有电气设备的频率以及光纤容量等的局限。这些问题可能会变成一个主要的障碍，最坏的情况是，不可以再提供新的服务和应用。以往传统的节能减排方案，大部分是依靠设备级的方法技术来实现的，比如对电气设备的集成过程以及半导体处理的规则进行简化。但是，此方案存在物理极限工作频率以及高备用电源的难题。所以，除了器件级技术，像光学器件以及电气的功率减少，设备级以及网络级的方法也能够起到关键的作用。在消耗电力方面，光交换会比电交换更有优势，因为光交换消耗更少的电力，然而在没有电存储的情况下，是很难实现数据包队列的。另外，电路交换在耗电方面会比无连接的分组交换有优势，可以消耗更少的电量。已存的网络节点，像路由器以及交换机等，在其设计阶段就应该考虑到采用智能睡眠模式，就想如今的手机那样，这就是一种设备级的方法。而关于在网络层面实施节能的方法，可以采用有效功耗的流量控制。一个典型的例子就是在使用路由的时候降低峰值的流量。另一个例子是高速缓存和滤波，减少需要传送的数据量。目前关于融合网络的各种不同的架构和其关键的技术，国内外学者都在不断进行研究，例如节能网络，网络虚拟化，和以内容为中心的网络6。目前的研究普遍认为，未来网络在构建过程中应该具有下列要点：（1） 服务意识：未来网络致力于提供服务。在未来网络中，提供给用户的服务的数量以及范围应该是呈现爆炸式地增长，然而为了提供这些服务，未来网络应该用比较少的代价来实现，而不是通过大幅度地增加部署成本和运营成本。（2） 数据意识：未来网络建议优化网络结构。未来网络应该能够在分布式的环境中轻松、准确、大量、快速地处理各类数据。此处所说的“数据”并不是特定的数据类型如音频和视频，而是指所有能在网络上传播和接入的数据。（3） 环保意识：未来网络架构提倡环保。倡议减少材料的消耗，能源的使用以及温室气体排放量。未来网络架构应该是对环境和其他部门有最小的影响。（4） 社会和经济意识：未来网络建议考虑社会效应和经济问题，减少在网络生态系统中涉及的各种行为造成的障碍。同时也从部署和可持续发展角度考虑，减少生命周期成本。可持续发展和环境问题一直是国际主题，而节能技术的研究近年来也一直是热点。如紧凑型基站收发信机、智能天线技术、中继站等，进入了研究试用阶段。还有对于网络级技术，如电路/突发交换，虚拟内存、能源消耗感知的网络规划等。在PON系统中，有很多途径可以实现节能，例如关闭ONU的部分模块、采用自适应链路速率7、关闭OLT的波长子集8等。迄今为止，许多技术已经提出来解决这个问题，目前正在标准化。其中，设置ONU进入睡眠模式被认为是最经济有效的方法910。睡眠的思想，由Jeff Mandin最早提出8，并且针对EPON的节能要求，基于MPCP控制协议设计了一个灵活可扩展的睡眠协议。此后，许多学者纷纷纷提出改进方案和扩展方案。其中有关注于易行的PON睡眠模式方案8，特别是针对ONU，设计出了BM-CDR（Burst ModeClock and Data Recovery）架构，此架构的恢复时间比原先的设计都缩短了很多，基于此架构，作者提出了快速睡眠模式；还有基于MAC层控制和调度算法的角度，讨论将ONU转换成低能耗模式的解决办法11。未来网络应该尽力支持这些高层次的功能和特性。应该注意的是，有些目标的达成是非常困难的。有些目标一旦在一个特定的未来网络里面实现了，那么有些其他的目标可能就无法实现了。因此，是否支持这些设计目标，在特定的未来网络里面实现，是推荐的，可选的，还是必须的，这些都有有待进一步研究的主题12。1.2 本文主要工作本文主要针对节能进行深入的研究，将光与无线融合网络的研究与网络节能技术相结合，提出了基于SDN的融合网络节能方案和全局视图控制的睡眠模式，很大地提高了光与无线融合网络的能源使用效率和灵活性。主要工作如下：1. 介绍了网络节能技术的研究背景和意义，对目前网络节能和光与无线融合接入网的发展现状进行了综述。2. 研究了光与无线融合网络，深入分析了光与无线融合网络的架构和其节能技术的研究。针对目前已有的关于光与无线融合网络的节能方案的大量研究进行了详细分析与总结。3. 提出了基于SDN的光与线融合网络节能（FWESS）方案。介绍了SDN及其关键技术，然后对提出的节能网络进行了详细的方案设计，给出了改进的节能方案的协议架构。对FWESS节能方案中的多级睡眠状态的节能模式及睡眠状态的转换进行了详细地阐述。最后总结了FWESS方案的优势。4. 通过实验室的人流量采集系统，获得若干场所的人流量数据，作为实验仿真数据。最后通过实验仿真验证了所提出的方案的有效性。1.3 文章结构第一章，首先介绍了网络节能技术的研究背景和意义，然后对目前网络节能和光与无线融合接入网的发展现状进行了综述，接着介绍了本文的主要工作和本文的结构组织。第二章，主要阐述了光与无线融合网络，分析了FiWi融合网络的框架以及节能技术的研究，然后针对现有的光与无线融合网络的节能方案进行详细分析总结，进行归类整理。第三章，提出了基于SDN的光与线融合网络节能（FWESS）方案。首先介绍了SDN及其关键技术，然后对FiWi网络的关键实体混合ONU和控制器进行了详细的方案设计，详述了全局视图控制的睡眠模式，给出改进的节能方案的协议架构。接着对基于SDN的节能方案中的多级睡眠状态的节能模式进行了详细地阐述，睡眠状态的转换。最后分析了基于SDN的节能策略的优势。第四章，通过具体的实验验证了基于SDN实现光与无线融合接入网节能技术的性能，并且从各个方面做了详细分析。第五章，对全文进行了总结，提出了对今后工作和网络发展以及网络节能技术的展望。第二章 融合网络及其节能技术的相关研究融合网络是一个很广泛的概念，并且融合网络是未来网络的大趋势。任何异构异质的网络的结合都可以称之为融合网络，例如有线与无线融合网络、移动与固定融合网络等。在本文中，重点讨论的是光与无线融合网络。22.1 光与无线融合网络2.1.1 光与无线融合网络概述光与无线融合网络是一种异构网络，其重要包含前端的光纤网络部分和后端的无线网络部分。现阶段很多专家学者都在进行光和无线网络的技术方面的研究，并且随着研究的不断深入，在一定范围内实现了光与无线融合网络的的部署。光与无线融合网络的现有的主要的实现有 FMC (Fixed Mobile Convergence, 固定移动融合) 13、RoF (Radioon Fiber, 光载无线电) 14、FSO（Free-space Optical，自由空间光通信）15、HOW（Hybrid Optical Wireless，混合光无线）16等。由于和光纤的传输相结合，RoF 可以很大程度上扩大无线信号可以覆盖的区域范围，这对于减少无线系统在安装以及维护过程中的成本是有好处的，然而由于无线信号的引入，为给光传输系统带来本来没有的传播时延，从而可能使得本来可以正常工作的无线 MAC 协议不能使用，使得网络的各种性能的恶化17。FMC 是有很多优势的，其一是在网络层面进行可能的融合，其二也兼顾了业务、服务以及管理等各个方面的问题，然而因为其目标是为了消除固网业务和移动业务剥离的难题，所以这种融合的方式是有很大的局限性的18。FSO 的主要优势在于其快速部署和节约成本，但是通过大气的激光功率衰减难以预测，雾天的衰减较高，支持的用户和服务较少19。HOW 的优点在于用户能够无缝接入到它的无线子网，相比于传统的网络有更好的随处可达性，尤其是在某些偏远地区，光无线网络可以解决网络的覆盖问题。2.1.2 光与无线融合网络相关研究对于光与无线融合网络的研究还是比较多，根据当前的研究，光与无线融合网络有多种不同的网络架构，WOBAN（Wireless-Optical Broadband Access Network，无线-光宽带接入网），MARIN（Metro and Access Ring Integrated Network，地铁和环集成网络的访问），GROWNet（Grid Reconfigurable Optical and Wireless Network，网格可重构光无线网络），FUTON（Fiber-Optic Network for Distributed Extendible Heterogeneous Radio Architecture and Service Provisioning，光纤分布式可伸长的异构无线网络架构和服务供应），ACCORFANCE（A Converged Copper-Optical-Radio OFDMA-based Access Network 基于正交频分多址的同轴电缆-光纤-无线融合接入网）以及FiWi（Fiber-Wireless，光与无线）。1) WOBANWOBAN 无线-光宽带接入网和 FiWi 接入网架构类似，它的前端也是由光接入网组成，后端同样是由无线接入网构成20，和文献21所描述的很相似。后者是一个无线 Mesh 网络，包括一些能够连接到 ONU 的无线路由器，且无线路由器之间也彼此互联。用户和 ONU 之间的连接是通过无线链路，从 ONU 发送到OLT 的数据通过光纤传送22。此外，WOBAN 比传统的无线网络更具有健壮性，在传统的网络中，如果 ONU 和 OLT 之间的光纤发生了故障，ONU 将会失去和用户的连接。同样的，如果分光器和中心局之间的光纤链路发生故障，那么也同样会导致 ONU 和分光器之间失去通信。然而，在 WOBAN 中，用户可以形成Mesh 网络中的多跳系统，通过其他正常运行的 ONU 进行通信。通过这种方式，WOBAN 相比于传统的无线网络具有较高的容错率。值得注意的是 WOBAN相比传统的无线网络能够提供给用户更高的灵活性，因为用户之间也可以建立彼此互联。2) MARINMARIN 是一种混合的光与无线接入网，融合了城域网23。它包括一个基于WiFi 的无线 mesh 子网和一个 TDM/WDM PON 可重构光学回程聚合子网。除了光纤高效、可伸缩对无线 mesh 网络可重构回程，它还提供了高效、灵活、随处可达可自组织了无线接入。此外，MARIN 通过多条路由的可选路径提供了一个集成了负载均衡技术的网络。3) GROWNetGROWNet 提供了一种完全不同的网络架构，有效地利用了更紧密集成的无线，以及光网络，将光纤深入到城市地区21。GROWNet 更有效的利用光资源，它使用集成的分层的架构，有效地利用网络管理，并提供共享机制。文献21提出了对于光回程网络和无线 mesh 子网升级的联合演进策略。在 GROWNet 中接入路由器扮演着内部节点的作用，终端用户可以通过离他们最近的接入路由器连接到 GROWNet21。4) FUTONFUTON 项目的主要目的是研发一种混合的光与无线网络架构，能够使得连接 RAUs 并通过在光纤中传递无线信号来充分利用中央单元共同处理24。在这个项目中，分布式天线系统，和中央处理单元用于给未来网络提供高数据率。FUTON 的部署成本要比传统的方法低很多，因为天线系统要比传统的基站需要的空间小很多。5) ACCORFANCEACCORFANCE 项目提出了 OFDMA-PON 的方法，集成了光纤，同轴电缆和无线，为用户提供高数据率服务25。ACCORFANCE 架构是有在中心局的 OLT和几个 ONU 构成，OLT 和 ONU 之间通过级联的功率分光器连接。在这种架构中，光纤通过功率分光器之后可以通过 DSL（数字用户专线）连接到交换机。目前，关于光与无线融合接入网已经得到了广泛关注，有较好的发展前景，但仍存在一些问题，如光与无线融合的标准规范、网络架构、支撑技术和运营模式以及接入的安全性和生存性等诸多问题，本文研究探讨的重点是组网技术问题。6) FiWiFiWi 接入网是由 Maier 等人与 2007 年最先提出的概念，它是基于无线 Mesh网络和 PON 网络的一种光与无线的融合网络。FiWi 接入网的前端主要是光接入网，它的后端主要是无线接入网26。对于无线终端的点对点通信而言，通过无线-光纤-无线的模式将会比在无线网络中的多跳传输速度快很多，和传统的 PON结构不同的是，ONU 的内连的通信方式非常的直接，可以不需要通过 OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）。基于IP的端到端网络能够提供高宽带、支持多种高宽带业务和独立的接入方式，且无论是固定接入还是移动接入都可以为终端用户提供综合业判。FiWi融合网络满足这些要求，并支持终端口层的移动性。下面我们将重点介绍FiWi融合网络。2.1.3 FiWi融合网络的架构光纤接入和无线接入各有其优势和劣势，光纤容量大，传输距离长，不易受到干扰，且成本逐渐下降，但是接入方式单一；无线接入方式的相对灵活，受地理、环境条件的约束比较少，但又有容易受到干扰的缺点。所以，一种新颖的将光与无线两种技术相融合的融合接入网产生了。其中最具代表性之一的是FiWi融合网络。FiWi融合接入网由前端的无线网络，如 WMN，Wimax，WiFi 等和后端的光纤网络，如 EPON，GPON 等组成。Maier.M 在文献27中对光与无线融合接入网的网络结构进行了总结。FiWi 融合网络的结构如图 2-1 所示。 图2-1 典型的FiWi接入网结构在光纤子网中，位于局端的光线路终端 OLT(Optical Line Terminal)和位于用户侧的光网络单元 ONU (Optical Network Unit)由光纤连接在一起。光网络单元(ONU)与无线节点(例如接入点 AP、基站 BS 等)结合形成 FiWi 节点，也称为混合 ONU(Hybrid ONU)。无线子网可以采用 WiFi、WiMAX 等不同的无线接入技术，FiWi 节点之间或者与其他无线节点之间也可以共同组成 Mesh 网络。本小节将从拓扑设计，网络规划和系统设计三个方面对光与无线融合接入网的基本结构进行总结阐述。1）拓扑结构： FiWi 接入网的拓扑结构可以从光纤和无线两个子网加以研究。其中光纤子网的拓扑结构可以分为环形拓扑、双环形拓扑、星形拓扑，树形拓扑等。环形拓扑只需要将 OLT 和各个 ONU 串联即可，铺设方便但是如果环上某处断开就会导致无法通信；在环形拓扑的基础上，文献28中提出了一种双环形拓扑结构，添加一个反向环对链路进行保护，可以提高网络的可靠性；星形拓扑是需要每个 OLT 和 ONU 之间都使用一条光纤连接，但是在避免干扰的同时也加大了铺设和维护的成本；目前应用最广泛的拓扑结构是树形拓扑，即 PON 拓扑结构，OLT 通过无源分光器实现对多个 ONU 的通信与控制，一处 ONU 出现故障并不影响其他 ONU 的正常工作。与前面三种结构相比较，该结构平衡了通信的可靠性和光纤线路铺设的成本。无线子网的拓扑结构可以分为 ONU 网状结构，用户网状结构和混合网状结构三种。ONU 网状结构是在 ONU 之间形成 mesh结构，通过 ONU 实现对用户侧的管理和控制而无需改变用户设备。用户网状结构是通过用户间的自组织通信完成相互间的连通，并不需要 ONU 具备无线功能，这样会使得网络可管理性较差。对于混合网状拓扑而言，则可以针对具体的情况灵活选择，但是 mesh 节点较多导致网络较难管理。2）网络规划：为了使得网络性能达到最佳，得到优化的 FiWi 接入网部署方案，网络规划至关重要。Sarkar 等人在文献29中提出了混合整数规划的原始模型（Primal Model）PM，以最小化网络设备部署成本为目标，包括 ONU 部署成本，无线路由器部署成本和光纤部署成本等，约束条件包括六个方面ONU 和无线路由器部署成本、用户分配方式、信道分配方式、容量、信号质量、干扰。作为连接 FiWi 光纤子网和无线子网的关键节点，ONU 的位置选择对 FiWi接入网组网有着重大的意义。传统的随机方式和确定方式操作简单容易实施，但性能不佳。文献30中提出一种贪婪算法，按 ONU 到用户的距离进行排序，降低用户连接到紧邻 ONU 的代价，通过较低复杂度的计算即可以得到较为理想的ONU 位置。文献31提出了一种更适合于 ONU 位置全局优化的模拟退火方式，通过对 ONU 位置进行全局优化，得到所有终端用户到多个 ONU 的最小平均成本，但算法的复杂度较高。网络规划中实用性最强，考虑因素最多的是规划方式。规划方式不仅兼顾光纤子网和无线子网的规划，并且把流量、无线路由位置等作为约束条件。Filippini 等人在文献32中，就根据用户请求的业务特点和网络器件的特点，利用规划方式，对 FiWi 接入网的拓扑结构进行了优化。3）系统设计：FiWi 接入网并不是光纤接入网和无线接入网的简单叠加，而是包含光纤子网和无线子网的统一整体。光纤接入和无线接入是由不同的 MAC层协议分别控制的，一种 FiWi 接入网系统设计方案是采用在两个子网的边缘处（即 ONU 处）进行 MAC 协议转换33。这种 MAC 协议转换方案对于 FiWi 接入网的性能提升没有太大作用，Ghazisaidi 等人提出了一种针对 EPON 与WLAN 结合的 FiWi 接入网两层帧汇聚机制34。其中若干个 MAC 业务数据单元（MAC Service Data Units, MSDU）子帧首先被封装成链路协议数据单元（MAC Protocol Data Unit, MPDU），然后，若干个 PMDU 子帧被封装成一个物理业务单元（Physical Service Data Unit, PSDU）。通过对数据帧多次封装的两层帧汇聚机制，使 FiWi 接入网能够应对时变的数据负载和无线信道特性，有效地改善了FiWi 接入网的吞吐量与时延特性。Li 等人在文献35中提出了一种支持 ONU之间通信的 FiWi 接入网系统方案，给出了相应的 ONU 之间通信的动态带宽分配协议，支持 ONU 之间的两种通信方式：多跳无线通信以及 “无线-光纤-无线”通信。2.1.4 FiWi融合网络的优势分析FiWi融合网络的优点归纳如下：(1)高容量：因为FiWi融合网络后端部分为光纤网络，光纤网络具有高容量的特点，因此相比于无线网络，FiWi融合网络可以提供更大的网络容量。(2)灵活快捷接入：因为FiWi融合网络前端网络是无线，无线接入网络可以实现很好地互连，因此相比于光网络，FiWi融合网络具有更加快捷以及灵活的接入方式，能够实现随时随地的接入。(3)成本低： FiWi融合网络最大的优势是具有很高的性价比。如果使用FTTH接入，具有比较高的安装以及维护成本，这对于用户来说是很难接受的。而在FiWi融合网络的接入成本很低，因此利用混合接入除了能够充分发挥光接入技术的优势，而且具有无线接入的成本比较低的优势。(4)生存性好，自组织能力强：如果使用光网络，只要分路器和ONU的光线路出现故障，那么该ONU就没有办法和OLT进行正常地通信。然而在FiWi融合网络中，即使某处出现故障，网络能够自适应地利用无线连接到其他正常工作的ONU，保证通信的正常进行。(5)高可靠性：相比于无线网络，FiWi融合网络能够有效地减少阻塞以及业务数据的丢失。除此之外，任意一个用户都可以与其靠近的的任何一个ONU进行通信。这样的话，如果出现某一个ONU出现故障，网络的自组织能力会给FiWi融合网络提供相当强的负载均衡能力。2.2 网络节能技术及其影响2.2.1 网络节能技术1）网络节能技术介绍ICT，即信息通信技术 (Information Communication Technology，简称ICT) 。ICT是一个比较新的概念和技术领域，它融合了信息技术和通信技术。ICT是二十一世纪最能推动社会发展的技术之一，而且在将来会成为促进世界经济增长的非常重要的动力。信息通信技术能够利用宽带、高速通信网来提供多种业务，它不仅能够传递和共享信息，而且是一种通用的智能工具。节能技术应用在信息和通信领域是近年来提出来的重要主题，在设计未来网络的进程中被提出来。最初的节能研究主要是为了减少公司或者个人的开销，即降低能源成本和稳定的机器操作的热抑制。这些问题的重要性正在增加，因为网络设备性能的提高与致密操作和更高能量消耗息息相关。目前从社会的角度看，它也变得越来越重要，特别是专门用于支持减少温室气体（GHG）的排放量。这些问题将在未来获得更多的重视Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。节能技术在信息和通信技术做出贡献，以减少对环境的影响，被称为“绿色ICT”。“绿色ICT”是一个挑战。绿色通信减少对环境的影响，本身是一个挑战，例如减少个人PC的电使用量，服务器和路由的消耗。未来网络必须成为一个有用的工具，减少其他部门对网络性能的影响。为智能电网、电力分配或无处不在的传感网络（用来监测地球的环境变化）而设计的网络架构就是“绿色未来网络”的典型例子。降低网络设备的能源使用量，例如路由、交换机和服务器也是“绿色未来网络”做出直接贡献的一个例子。能耗，用来衡量系统消耗的能量，能耗的传统定义是：（2-1）在过去的系统中，系统只有on和off两种状态，对应的。传统系统中只有两种状态：绝对的开和关。网络节能打破了这种束缚，引入了分级的思想，让系统能进入不同的状态，对应不同的能耗和服务能力Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。通过低能耗来提高能源使用效率，在有QoS需求时转移到高能状态。先假设状态是连续的，我们定义状态，各个状态对应的能耗，则系统在一天中的能耗 （2-2）其中。现假设各个状态之间是离散的，不同的状态之间组成了一个集合，则能耗，其中表示以为目的的转移状态所产生的转移功率，表示状态过渡时间。从上述公式可以看出，无论是连续的状态还是离散的状态，积分还是求和，在固定的一个周期内，对能源的使用划分等级，降低系统的功率是降低能耗的直接途径3839。2.2.2 网络节能技术分类节能一般来说应该涉及到管理过程，它收集当前状态、分析、进行目标优化操作。管理过程可以在每个技术水平层面：器件级技术、设备级技术和网络级技术。管理过程可能存在于每一个网络节点,或者在一个网络管理服务器负责个人设备的网络。显然,合作需要不同级别的管理来实现全网范围内的节能。（1） 能源及控制测量函数执行控制操作减少能源消耗,所指定的能源管理功能,获得测量状态信息。它被细分为器件级技术、设备级技术和网络级技术。（2） 能源管理功能收集基本信息,计算出最佳案例的运作,和问题操作命令能量控制功能和能量测量功能。它包括三个项子功能:数据采集子函数,优化子函数和操作子函数。（3） 状态信息基地是一个数据库收集基本信息的当前模式从能源及控制测量功能。它是一组状态信息,比如能源消费和交通。本节的重点是节能技术。在本节里，我们按照运用的层面，分为3类：器件级技术，设备级技术和网络级技术。（1） 器件级技术多应用于电子层设备，如大规模集成电路（LSI）微加工，多核中央处理单元（CPU），时钟门控，电源感知的虚拟内存，高级功率放大器（PA）等。（2） 设备级技术应用于一组设备或一个模块，如路由器、交换机等。主要的技术有：光网络节点，睡眠模式控制，ALR/DVS，热设计，缓存服务器，sorry 服务器，整流，紧凑型基站收发信机，智能天线技术，中继站。（3） 网络级技术应用于整个网络，如路由协议应用于多个路由器。主要的技术有：电路/突发交换，能量消耗为基础的路由/交通工程，轻量级协议，传输调度，CDN，交通高峰转移，小单元设计，能源消耗感知的网络规划。（4） 上面我们从应用的层面把节能技术归纳为器件级、设备级和网络级技术。但是在实际的应用中，节能技术的运用不是完全独立的，每个层次的技术都不是单独的，在不同的层面跟其他技术相互配合，是某些技术的组合或者多层技术应用的组合。2.2.3 网络节能技术对网络的影响节能技术运用于网络中，目的是减少所需能源，但是节能必然需要付出一定代价，如何在可以承受的范围内最大限度地节能，是本文研究的重点。在这一节我们首先研究节能对网络带来的影响。（1）减少所需的网络容量，这是一种基于流量的方法。当流量减少时，所需的网络资源和能力也减少，从而降低能源消耗。这个效应的起源如图2-所示方法。实线和虚线的长度一样，当线向上移动时，容量变大，能耗减少，从而能源效率变高。网络容量能源消耗(1 2)基点效率1)图2-2 能耗与网络容量（2）网络能源效率通常可以定义为网络的吞吐量除以功率消耗，即每秒比特/瓦特，在这里