Maximizing energy saving in Information and Communication Technology (ICT) becomes an important goal due to rise of energy price (operation expenditure) and environmental impact.
Access networks consume significant portion of overall ICT energy consumption. This is principally because the access networks consist of a huge number of components (i.e. Customer Premises Equipment (CPE)).
TDM Passive Optical Networks (TDM-PONs) (e.g. Ethernet PON (EPON) and Gigabit-capable PON (GPON)) are promising access network technologies (in terms of data rate and energy consumption), and thus they have been widely deployed. Equipment of a TDM-PON are: Optical Line Terminal (OLT), Optical Network Unit (ONU), and passive splitter. In a TDM-PON, ONUs are placed at the CPE side which can support number of users; whereas, the OLT is placed at the central office of the service provider.
The operation of a TDM-PON is point-to-multipoint network in which the OLT connects multiple ONUs via optical medium through passive splitter. The OLT plays the vital role as the master device and it controls multiple slave ONUs. The main role of the OLT is to assign upstream grant time to connected ONUs to send their traffic.
Most of the energy saving research efforts are centered on maximizing energy saving at ONUs. In this perspective, researchers from academia and industry are attracted to develop and propose energy saving techniques and protocols for ONUs in TDM-PONs. A widely used approaches to reduce an ONU's energy consumption are TRx sleep mode and Tx sleep mode mode. In TRx sleep mode, the transmitter and receiver of the fiber link in an ONU are turned \textit{`off'} and turned \textit{`on'} periodically. Whereas, Tx mode aims to power the transmitter \textit{`off'} in absence of upstream traffic while keeping the receiver always \textit{`on'}. Note that there is an overhead time for ONUs to turn \textit{`on'}/\textit{`off'} its transceiver. The OLT uses an algorithm to decide sleep interval length. However, predicting proper sleep interval lengths is very difficult due to the bursty nature of traffic in access networks.
Recent IEEE and ITU-T standards for TDM-Passive Optical Network (TDM-PON) with sleep mode recommend that the Optical Line Terminal (OLT) in a TDM-PON should be in charge of invoking an Optical Network Units (ONU) to move into sleep state in absence of frames. It is considered that, on upstream frame arrival, a sleeping ONU can leave sleep state, in which an ONU turns off its transmitter or both transmitter and receiver immediately, prior to its assigned sleep interval length. In this dissertation, we refer to this approach as immediate early wake-up (IMEW). According to the standards, the OLT may or may not allow an ONU to trigger early wake-up function (EWF) on upstream frames arrival. If the OLT does not allow EWF (not support early wake-up (NSEW)), an ONU should stay in sleep state during its assigned sleep duration and buffer all the upstream frames while it is in this state. In IMEW, upstream frames experience small delay but ONU's energy consumption increases remarkably. Conversely, in NSEW, an ONU consumes less energy compared to IMEW at the price of increasing upstream frame delay and possibility of its buffer overflow.
In this dissertation, the limitations of IMEW and NSEW have motivated us to propose a novel Early Wake-up Decision (EWuD) algorithm which aims at meeting upstream frame delay requirement while reducing ONUs' energy consumption as much as possible. The role of EWuD algorithm is to select an appropriate time for triggering EWF taking into consideration two factors: (1) buffer overflow probability and (2) delay requirement violation of upstream frames. We evaluate EWuD performances using our TDM-PON OPNET Modular based simulation model under wide range of scenarios. Findings demonstrate that our proposed EWuD can successfully meet delay requirement of all upstream frames while reducing ONU's energy consumption significantly.
Moreover, energy saving approaches comes with different types of grants that the OLT can assign to an ONU (i.e. upstream, listening and gratuitous grants). We introduced a solution aim at managing different types grants an make sleeping ONUs intelligent by comprehending the time of receiving a gratuitous grants in order to increase their energy saving.
ICT에서 에너지 절감을 극대화하는 것은 에너지 가격 (운영 비용)과 환경적 영향의 증가 때문에 중요한 목적이 된다.
TDM-PONs (e.g. EPON and GPON)은 유망한 액세스 네트워크 기술이며 이런 기술은 전송률과 에너지 소모면에서 널리 사용된다. TDM-PON은 OLT, ONU 및 광 분배기로 구성된다. TDM-PON에서, ONU들은 사용자들의 수를 지원할 수 있는 고객측에 설치되고, 반면에 OLT는 서비스 제공자의 국사에 설치된다.
OLT 주도의 에너지 절감 기술에서, OLT는 ONU가 트래픽 부재에서 수면 상태로 들어가도록 알린다. 기존 표준들과 연구에서는 상위 트래픽 도착에서 수면하는 ONU는 2가지 접근이 있다고 고려한다: (1) 할당된 수면 간격 길이보다 먼저 수면 상태로 둔다. 이 경우에, 상위 트래픽은 작은 지연을 경험하지만 ONU의 에너지 소모는 현저하게 증가한다. (2) ONU는 할당된 수면 기간 동안 수면 상태를 유지해야하고 이 상태 동안 모든 상위 트래픽은 버퍼에 저장한다. 이 경우에, ONU는 증가하는 상위 트래픽 지연의 가격과 버퍼 오버플로 가능성면에서 이전 접근에 비교하여 적은 에너지를 소모한다.
새로운 제어 메시지 다발은 에너지 절감 절차를 만족하기 위해 소개되었다. 그러나 표준과 현재 연구 작업은 각자의 동적 대역 할당 (Dynamic Bandwidth Allocation, DBA) 주기의 세부사항에 대한 차별 부여를 체계화하는 방법을 정의하지 않았다. 게다가, 에너지 절감에 관계된 제어 메시지 부하는 ONU의 에너지 절감 성능을 줄일 수 있다.
본 논문에서, ONU를 깨우는 접근법들의 제약이 가능한 많이 ONU 에너지 소모를 줄이면서 상위 트래픽 지연 요구사항을 만족을 목적으로 하는 새로운 이른 기상 결정 (Early Wake-up Decision, EWuD) 알고리즘을 제안하는 것을 우리에게 동기를 부여했다. EWuD 알고리즘의 역할은 상위 트래픽의 버퍼 오버플로 가능성과 지연 요구사항 위반을 고려하는 이른 기상 함수 (Early Wake-up Function, EWF)를 작동하기 위한 적절한 시간을 선택하는 것이다. 제안된 EWuD를 증명하는 결과물은 ONU의 에너지 소모를 상당히 줄이면서 모든 상위 트래픽의 지연 요구사항을 성공적으로 만족할 수 있다.
본 논문에서, 우리는 ONU들을 위한 다른 유형의 권한 부여를 관리하는 방법의 질문에 답하는 에너지를 절감하는 DBA를 위한 권한 부여 관리를 소개한다. 따라서, 우리는 각자의 DBA 주기에서 3가지 다른 유형의 가능한 권한을 정의했고 이들 절차에 대한 알고리즘을 그렸다. 게다가, 우리는 제어 메시지 부하를 처리하는 알고리즘을 개발하고 ONU 에너지 소모를 가능한 많이 줄인다.