无源光网络用户终端的运行方法

专利名称：无源光网络用户终端的运行方法
技术领域：
本发明涉及无源光网络技术领域，尤其涉及一种无源光网络用户终端的运行方法。
背景技术：
在规模越来越大的宽带接入网络中，现有的大部分局域网(LAN)都运行在100Mbit/s的网络上，许多大规模的商业公司正在向吉比特以太网(GE)过渡。而在城域核心网和城域边缘网上，同步光网络(SONET)/同步数字体系(SDH)/吉比特以太网(GE)带宽容量非常充裕，这使得接入网部分产生了严重的带宽瓶颈。与电缆传输相比较，光纤传输具有容量大、损耗小、防电磁干扰能力强等优势，因而，随着光纤传输的成本逐步下降，接入网的光纤化是必然的发展趋势。代表着“最后一公里”部分的接入网段，有超低成本、简单结构以及便于实现等要求，这给技术实现带来了很大的挑战，而无源光网络(PON)采用了无源器件，是实现宽带光接入网最有潜力的技术。
从承载的内容来分类，PON技术主要包括APON(ATM Based PONs，即基于异步传输模式的无源光网络)、EPON(Ethernet Based PONs，即基于以太网的无源光网络)以及GPON(Gigabit PONs，即吉比特无源光网络)等。
无源光网络(PON)的宽带接入技术存在以下的优势无源光网络从中心交换局到用户驻地网之间不存在任何有源器件，取而代之的是将无源光器件插入到网络中，并在整个路径上通过分离光波长的功率来引导传输的流量。这种替换使得服务提供商不再需要向传输环路中的有源器件供能和保养，大大节约了服务提供商的成本。无源的分光器和耦合器只起到传递和限制光的作用，不需要供电和信息处理，而且具有不受限制的平均故障间隔时间(MTBF)，可以全面降低服务供应商的维护成本。
如图1所示，无源光网络通常是由位于中心局(CO)的光线路终端(OLT)和一系列位于用户驻地的光网络单元(ONU)构成，在这些器件中间是由光纤、无源分光器或耦合器构成的光配线网络(ODN)，在一个PON网络中，可从服务交换局拉出单根光纤到宽带业务子区或办公园区，然后再用无源分光器或耦合器从主光纤分离出若干支路到各个大楼或业务设备上。该方式可使多个用户共享从交换局到用户驻地这段相对昂贵的光纤链路，因而也极大降低了光纤到楼(FTTB)和光纤到户(FTTH)的使用成本。
通过采用APON、BPON(宽带无源光网络)、EPON或即将标准化的GPON技术，在PON的主干光纤上可以支持155Mbit/s、622Mbit/s、1.25Gbit/s或2.5Gbit/s的速率。为同时支持语音、数据和视频应用，每个用户的带宽分配可以是静态的，也可以是动态的。
PON网络数据传输原理如下PON技术在上行链路上使用TDMA(Time Division Multiple Access即时分多址)技术，由局端设备OLT对网络中的各个ONU进行时间窗口授权，即授权不同的ONU在不同的时间段内发送上行数据，这样不同ONU的上行数据就不会产生冲突。因此ONU终端的光模块器件会受PON协议的控制，间歇性的打开和关闭光模块的发送功能(即所谓“突发”发送)。ONU终端光模块的接收功能是一直打开的，便于ONU从OLT接收时间段授权信息等。
OLT向ONU发送时间窗口授权的消息帧中通常包含两个信息，允许ONU打开光模块发送的开始时间、允许ONU打开光模块发送的持续时间。OLT根据各ONU的带宽需求动态分配各ONU的授权时间窗口，使得各ONU的使用带宽可动态变化，并符合预设的带宽策略，这个计算和调度的过程称为DBA(动态带宽分配)算法，OLT可通过DBA算法设置某个ONU得到授权时间窗口的模式，譬如定时循环模式等。在ONU注册到PON网络时，OLT和ONU会进行一次时间同步，使得双方都认可一个公共时间。
由于ONU所支持的业务为多业务，其中有的业务长时间运行在低速连接状态，占用带宽很小(如VoIP业务下终端和局端的Keep Alive保持活跃机制等)。当前的ONU终端长时间保持在运行状态，运行过程中所消耗的能量是固定的，不具有自动调整功耗的能力，在长时间运行其实只需要低功耗的业务时，造成能源的大量浪费。
能量消耗包括三方面局端设备、终端设备、中间ODN网络的衰减消耗。局端和终端的消耗很明显，是器件运行造成的，中间ODN网络的消耗较小，是因为激光在光纤中衰减造成的。
由于PON系统提出的时间不长，实际PON设备也没有投入运营，目前还没有涉及PON终端的相关节能技术。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有的无源光网络没有自动调整耗能的功能，在长时间只运行只需要低功耗的业务时，造成能源的大量浪费的不足，提供一种无源光网络用户终端的运行方法，使无源光网络中对能量消耗自动进行调整，节省能源。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为这种无源光网络用户终端的运行方法，在无源光网络系统中只有少量数据业务请求时，无源光网络用户终端以保持低速连接的节能方式运行，包括以下步骤设置无源光网络用户终端进入节能状态的判决条件；无源光网络用户终端检测自身状态是否符合进入节能状态的判决条件，在符合时，向光线路终端发送进入节能状态的请求；无源光网络用户终端收到光线路终端接受请求的回应后，控制内部部分模块进入节能状态，并间歇性地在节能状态和正常状态之间转换。
所述的进入节能状态的判决条件可以为流量阈值或业务端口的活动指示，无源光网络用户终端定时进行进入节能状态判决条件的检测，或根据无源光网络用户终端的活动指示进行中断触发，实时检测自身的状态是否符合进入节能状态的判决条件。
无源光网络用户终端向光线路终端发送进入节能状态的请求报文，报文中包含节能状态参数，若光线路终端接受请求，则根据节能状态参数设定该无源光网络用户终端的动态带宽分配策略，使分配给无源光网络用户终端的授权时间窗口在正常状态时段；若光线路终端不接受请求或未回应请求，则无源光网络用户终端不进入节能状态。
所述的节能状态参数包括节能状态运行时间和正常状态运行时间，无源光网络用户终端根据运行时间定时苏醒和休眠，正常状态下设备正常运行，和光线路终端之间传输低速业务连接的数据；休眠状态下关闭或降低部分模块的功耗，不向光线路终端发送数据。
利用无源光网络用户终端内中央处理模块的低功耗模式，使中央处理模块进入部分休眠状态，只保留中断和监控线程运行，维持基本的业务状态检测任务。
利用无源光网络用户终端内模块自身的节能功能，使各模块进入节能状态；或者对无源光网络用户终端内的相关模块设置电源开关，使得无源光网络用户终端内的中央处理模块通过控制所述电源开关的开启和关闭，使对应的模块在正常状态和节能状态间切换。
在节能状态时关断光模块和无源光网络协议处理模块，使节能状态时无法传输上下行数据，节省光模块和无源光网络协议处理模块的功耗；或者在节能状态时不关断光模块，部分关闭无源光网络协议处理模块，使节能状态时无源光网络用户终端随时可以从光线路终端接收下行数据报文。
所述的无源光网络用户终端在节能状态下持续检测各业务模块的状态，当发现不符合节能判决条件时从节能状态退出，恢复正常工作状态。
所述的无源光网络用户终端在节能状态下，接收光线路终端发送的各种消息和数据报文，当接收到指示退出节能状态的消息报文时，从节能状态退出，恢复正常工作状态。
所述的无源光网络用户终端在节能状态下准备退出节能状态时，向光线路终端发送退出节能状态的请求报文，要求恢复正常运行时的带宽保证。
本发明的有益效果为本发明提供了一种无源光网络用户终端的运行方法，既保持低速连接又节约能源，节约PON终端设备在长时间运行只需要低带宽业务(如语音)时的功耗，为PON终端设备定义节能状态，并提供状态跃迁的条件，根据业务带宽动态调整功耗的能力，在只需要低速连接或单向连接时，ONU终端进入一种节能模式，降低功耗；当用户业务需要大带宽时，ONU终端进入正常模式，功耗恢复正常。
本发明中的节能主要考虑终端设备，终端节能因为量大面广，会起到显著作用，而且在终端配备后备电池，交流电网断电时，本节能方案可使业务支撑更长时间。而且因为ONU终端将来可能是埋墙或因为外接电话需要24小时开机，如果不节能，能源消耗是非常大的，一个终端以15-30W的功率24小时运行，如果能节能一半，将是相当可观的效果。本发明实现了保持低速业务不中断的状态下节约能耗，同时减轻了ONU终端热设计的压力。


图1为PON系统结构示意图；图2为本发明ONU终端逻辑结构图；图3为正常状态下的运行时间分布图；图4为本发明节能状态下的运行时间分布图；图5为本发明ONU终端运行流程示意图。
具体实施例方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明本发明提供一种PON系统网络用户终端设备的节能方案，节约PON终端设备在长时间运行只需要低带宽业务(如语音)时的功耗，并为PON终端设备定义节能状态，并提供状态跃迁的条件。
本发明在无源光网络系统中只有少量数据业务请求时，无源光网络用户终端(即ONU)以保持低速连接的节能方式运行，包括以下步骤1、设置无源光网络用户终端进入节能状态的判决条件；2、无源光网络用户终端检测自身状态是否符合进入节能状态的判决条件，在符合时，向光线路终端发送进入节能状态的请求；3、无源光网络用户终端收到光线路终端接受请求的回应后，控制内部部分模块进入节能状态，并间歇性地在节能状态和正常状态之间转换。
4、如果无源光网络用户终端没有收到光线路终端接受请求的回应，或收到拒绝其进入节能状态的回应，则不进入节能状态，继续正常运行。
在PON网络用户终端设计时，各模块设计有控制开关，通过此开关可以控制各模块的工作状态。在PON网络用户终端设备检测到不需要运行大量业务时，终端设备将进入节能状态，设备中的各个模块，除了监控数据流必要部分，其它模块则进入定时周期性的苏醒和休眠，也就是节能状态。
进入节能状态的判决条件可以采用流量阈值或业务端口的活动指示，无源光网络用户终端定时进行进入节能状态判决条件的检测，或根据无源光网络用户终端的活动指示进行中断触发，实时检测自身的状态是否符合进入节能状态的判决条件。可以利用业务处理部件现有的流量计数器或业务端口的活动指示进行检测，例如数据交换芯片就有流量计数和业务数据类型统计，电话接口模块可检测到用户是否摘机，CATV接口模块可检测到电视是否开机等。CPU软件可设定进入节能状态的判决条件，包括各业务接口状态(如电话是否摘机等)或数据端口(如以太网口)的流量阈值等。当符合预设条件时，终端启动进入节能状态的过程。节能状态判决条件可内置在终端设备软件中，也可由局端网管下发或终端设备用户自行设定，以便修改其内容或参数。
进入节能状态判决条件的检测可使用定时查询机制或中断触发机制，定时查询机制通过设定时间定时进行检测；中断触发机制采用如电话接口模块检测用户是否摘机、CATV接口模块检测电视是否开机，产生中断通知CPU处理，实时进行检测。
作为一个实现特例，如图2简单描述了ONU终端的模块结构，并指定了可进入休眠的模块，图中实线箭头为数据流，虚线箭头为控制流，空白方框是不能休眠的模块，如电源和时钟模块；完全是阴影的方框是可以休眠的模块，如光模块、PON协议处理模块、数据转发模块、业务模块；一半空白一半是阴影的方框是休眠时需要保留一定功能的模块，如CPU模块。这些可进入休眠的模块在具体设计时可利用相关芯片的节能功能(有些芯片可通过管脚或寄存器控制其芯片进入低功耗模式)，或者设计一个电源开关(使用可控硅或继电器)，使得CPU上的软件可通过关闭这些可休眠模块的电源来降低功耗。
CPU可以进入部分休眠状态。大多数通用CPU(PowerPC、IntelIA32、ARM、MIPS等)都提供低功耗模式，CPU可以主动进入其设定的Snap、Sleep等多种模式，在这些模式下，CPU仍可保持部分功能运转，但功耗明显降低。通过内部设定的定时器或外部终端，CPU可从这些低功耗模式推出，恢复到正常模式。
CPU通过图2中的控制总线获取各业务模块的状态信息，以便作节能条件判决；CPU还通过控制总线控制各业务模块的低功耗模式，或直接控制所设计的电源开关来控制业务模块进入关闭模式。CPU在节能状态下只保留中断和监控线程运行，维持最小的业务状态检测任务。
ONU终端进入节能状态的过程描述如下1、检测到各业务模块的状态符合节能判决条件；2、CPU通过PON接口向局端OLT发送一个消息报文，请求进入节能状态，并协商定时连接的参数(正常运行时间t1、部分模块进入休眠或关闭的时间t2等，如图4所示)、自身节能模式(如后面所述节能模式下的两种可选运行方案)等。
3、OLT接收到ONU进入节能状态的请求报文后，根据定时连接参数和自身节能模式等设定该ONU的DBA策略，使分配给无源光网络用户终端的授权时间窗口在正常状态时段t1并发送回应报文，表示接受或拒绝该请求。
4、ONU收到OLT的接受请求报文后，进入节能状态，间歇性的在休眠状态(即节能状态)和正常状态之间转换。
图3所示为正常状态下的运行时间分布图，图4为本发明节能状态下的运行时间分布图；正常状态下运行没有休眠，全部时间处于全功率运行状态，造成能源的浪费；本发明通过间歇性的在休眠状态(即节能状态)和正常状态之间转换，降低能源消耗，节省能源。
如图5所示，ONU在节能状态下，一方面持续检测各业务模块的状态，一旦发现不符合节能判决条件，马上从节能状态退出，恢复正常工作状态；另一方面，ONU在节能状态时间段下接收OLT发送的各种消息和数据报文，一旦接收到OLT指示退出节能状态的消息报文，马上从节能状态退出，恢复正常工作状态。ONU在节能状态下，从外部网络接收到业务数据报文，根据协议判断，需要其退出节能状态时，立即从节能状态退出，恢复正常运行。
ONU在节能状态下准备退出节能状态时，向OLT发送退出节能状态的请求报文，要求恢复正常运行时的带宽保证；OLT根据从ONU接收到的请求进入节能状态报文或请求退出节能状态报文，分析处理，发送回应报文给ONU。
ONU在节能状态下，为通过低速数据连接保证某些业务的正常运行，每隔一定时间自动苏醒(通过定时器实现)，并唤醒休眠的相关模块(包括光模块和PON协议处理模块)，从OLT接收消息和数据报文，并进行处理。处理过程可能是把数据报文从本地端口发送出去，然后再进入休眠状态；或者如前所述，根据OLT的要求或其他协议报文的要求(如MGCP、SIP等NGN话音信令)退出节能状态，恢复正常运行。
对比可以发现节能状态和正常运行状态的区别，在节能状态下，ONU在t1时间段内可上下行传输数据。t2时间段的实现有如下两种方案(即两种节能模式)，ONU可选择性实现这两种方案，并作为节能模式上报给OLT设备1、一种方案是t2时间段内关断光模块和PON协议处理模块，除电源和时钟模块外，其它模块都关闭。这样t2时间段内就无法传输上下行数据，这种方案优点是可节省t2时间段内光模块和PON协议处理模块的功耗；2、另一种方案是t2时间段内不关断光模块、部分关闭PON协议处理模块，除电源和时钟模块外，其它模块都关闭。这样t2时间段内可从OLT接收下行数据报文。由于OLT根据ONU的节能请求设定了DBA策略，使得t2时间段内OLT不向ONU发生时间窗口授权，ONU也就无法在t2时间段内向OLT发生上行数据报文。
上述方案2的优点在于可随时从OLT接收下行报文，这样任何时候来自外部的呼叫(如VoIP电话呼叫等)可即时得到响应。
前述ONU进入节能状态前向OLT发送一个知会请求报文。作为一个具体实例，报文中可包含自身的标识信息、设备版本信息等，还可包括t1、t2值，还可包含申请低速连接的带宽信息，如100kps的低速连接带宽等。
OLT可下发要求ONU退出节能的报文，这种报文在ONU下挂电话，外部网络呼叫该电话时特别有效。这时OLT可通过此报文通知ONU退出节能状态，或OLT简单的将话音信令报文转发给ONU，ONU在处理该报文的过程中，根据信令要求，主动退出节能状态。
图4中的t1、t2值由ONU上报给OLT，OLT根据此参数设定DBA策略，使分配给本ONU的授权窗口基本和t1时间段重合，这样即使ONU在t2时间段内关闭光模块，仍可以在授权窗口内发送上行报文给OLT。
在PON系统正常运行后，终端设备在用户不需要进行通信(如上网、下载、点播、通话等)时，只需要很小的带宽和外部保持低速数据连接(如VoIP模块和中心交换机的定时握手信息、透传水电煤气抄表的串口信息等，带宽低于100Kbps)，部分模块处于休眠的时间会很长，则t1会大大小于t2。在t1为t2的千分之一时，按照EPON标准计算，ONU可获得最大1Mbps带宽，按照GPON标准计算，ONU可获得最大2.5Mbps带宽；但总能耗约相当于全部休眠状态的功耗的0.1％(正常功耗的t1时间段相对全部时间来说可忽略不及)，节省功耗效果相当可观。
t1和t2可由定时器中断来实现(大部分CPU内部就有定时器，可定时产生内部中断通知CPU处理)。包括有节能状态的终端运行期可以分为三个时期节能状态一开始首先需要把t1和t2定时器都清零，然后先开始运行t1定时器，让终端设备继续正常运行t1时间，运行完t1时间之后，由t1中断定时器触发t2定时器开始运行，并且通过模块的控制开关使部分模块进入休眠；在t2时间运行完后，由t2中断定时器触发t1定时器开始运行，并且通过定时器中断唤醒CPU以及相关模块，进入正常工作状态。ONU周期性重复这两个过程，直到在这期间监控线程通过控制总线发现各业务模块有业务请求(如用户电话摘机、用户FE端口Link UP或有数据流量等)，则挂起t1或者t2中断定时器，ONU进入正常工作状态，处理用户业务，直到再次检测到各业务状态符合节能判决条件，设备重新又进入保持低速连接的节能状态，t1或t2中断定时器被清零后，继续运行，如图5所示。
未来的光纤接入网将承载数据、语音、视频、TV等多种业务，甚至可包括防盗监控、水电煤气抄表等附加业务。作为光纤接入的用户终端、ONU很可能要求24小时不间断运行，并且为紧急情况下通信考虑，可能配备后备电池。在这种情况下，ONU的节能设计就显得尤为重要。
由于ONU用户终端运行的大部分时间(譬如晚上)，各业务状态(上网、电话、电视等)处于非激活状态，如果一直保持正常运行，必然会造成能源的浪费和发热。本发明设计了终端的节能状态，实现了保持低速业务不中断的状态下节约能耗，同时减轻了ONU终端热设计的压力。
本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。
权利要求
1.一种无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于，在无源光网络系统中只有少量数据业务请求时，无源光网络用户终端以保持低速连接的节能方式运行，包括以下步骤设置无源光网络用户终端进入节能状态的判决条件；无源光网络用户终端检测自身状态是否符合进入节能状态的判决条件，在符合时，向光线路终端发送进入节能状态的请求；无源光网络用户终端收到光线路终端接受请求的回应后，控制内部部分模块进入节能状态，并间歇性地在节能状态和正常状态之间转换。
2.根据权利要求1所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于所述的进入节能状态的判决条件为流量阈值或业务端口的活动指示，无源光网络用户终端定时进行进入节能状态判决条件的检测，或根据无源光网络业务端口的活动指示进行中断触发，实时检测自身的状态是否符合进入节能状态的判决条件。
3.根据权利要求1或2所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于无源光网络用户终端向光线路终端发送进入节能状态的请求报文，报文中包含节能状态参数，若光线路终端接受请求，则根据节能状态参数设定该无源光网络用户终端的动态带宽分配策略，使分配给无源光网络用户终端的授权时间窗口在正常状态时段；若光线路终端不接受请求或未回应请求，则无源光网络用户终端不进入节能状态。
4.根据权利要求3所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于所述的节能状态参数包括节能状态运行时间和正常状态运行时间，无源光网络用户终端根据运行时间定时苏醒和休眠，正常状态下设备正常运行，和光线路终端之间传输低速业务连接的数据；休眠状态下关闭或降低部分模块的功耗，不向光线路终端发送数据。
5.根据权利要求3所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于利用无源光网络用户终端内中央处理模块的低功耗模式，使中央处理模块进入部分休眠状态，只保留中断和监控线程运行，维持基本的业务状态检测任务。
6.根据权利要求3所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于利用无源光网络用户终端内模块自身的节能功能，使各模块进入节能状态；或者对无源光网络用户终端内的相关模块设置电源开关，使得无源光网络用户终端内的中央处理模块通过控制所述电源开关的开启和关闭，使对应的模块在正常状态和节能状态间切换。
7.根据权利要求6所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于在节能状态时关断光模块和无源光网络协议处理模块，使节能状态时无法传输上下行数据，节省光模块和无源光网络协议处理模块的功耗；或者在节能状态时不关断光模块，部分关闭无源光网络协议处理模块，使节能状态时无源光网络用户终端随时可以从光线路终端接收下行数据报文。
8.根据权利要求3所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于所述的无源光网络用户终端在节能状态下持续检测各业务模块的状态，当发现不符合节能判决条件时从节能状态退出，恢复正常工作状态。
9.根据权利要求3所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于所述的无源光网络用户终端在节能状态下，接收光线路终端发送的各种消息和数据报文，当接收到指示退出节能状态的消息报文时，从节能状态退出，恢复正常工作状态。
10.根据权利要求3所述的无源光网络用户终端的运行方法，其特征在于所述的无源光网络用户终端在节能状态下准备退出节能状态时，向光线路终端发送退出节能状态的请求报文，要求恢复正常运行时的带宽保证。
全文摘要
一种无源光网络用户终端的运行方法，在无源光网络系统中只有少量数据业务请求时，无源光网络用户终端以保持低速连接的节能方式运行，包括以下步骤设置无源光网络用户终端进入节能状态的判决条件；无源光网络用户终端检测自身状态是否符合进入节能状态的判决条件，在符合时，向光线路终端发送进入节能状态的请求；无源光网络用户终端收到光线路终端接受请求的回应后，控制其内部的部分模块进入节能状态，并间歇性地在节能状态和正常状态之间转换。本发明实现了保持低速业务不中断的状态下节约能耗，同时减轻了ONU终端热设计的压力。
文档编号H04L29/12GK1859438SQ20051003742
公开日2006年11月8日 申请日期2005年9月23日 优先权日2005年9月23日
发明者高海, 何勇 申请人:华为技术有限公司