[發明專利]基于廣義預測控制的周期性節能方法

有效

• 申請號: 202110038473.0
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112887221B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 蔣萬春;王潔;彭麗娟;王建新
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H04L47/20
• 分類號: H04L47/20;H04L47/50
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 歐陽迪奇

本專利公開了一種基于廣義預測控制的周期性節能方法(Generalized Predictive Controlfor Energy Efficient Ethernet with Prediction，GPC?EEEP)，涉及節能以太網(Energy EfficientEthernet,EEE)領域。該策略使用功耗比和平均排隊延遲組合的成本函數來量化節能以太網的性能，并采用廣義預測控制方法自動將基于預測的周期性節能策略(EnergyEfficiencyEthernetwith Prediction，EEEP)的周期長度參數調整為最小化該成本函數的最優解。仿真結果表明：GPC?EEEP策略通過自適應地調整周期長度參數，降低了節能以太網在不同流量場景下的能耗和平均排隊延時組合的成本函數。

技術領域

本發明涉及節能以太網領域，特別涉及一種基于廣義預測控制的周期性節能方法。

背景技術

自IEEE 802.3az標準定義了低功耗空閑(LPI)狀態以來，節能以太網(EEE)已成為降低以太網能耗的主流方法，并已經被許多設備所采用，例如Cisco Nexus 7000，Dell EMCN系列，QLogic bnx2，Intel X550和X710。具體地，當以太網鏈路處于低利用率時，比如在夜晚，將期望以太網端口處于LPI狀態，從而可以減少90％的能耗。但是，在LPI狀態下，EEE端口會關閉大部分組件以節省能量，在該時間內段到達的數據幀無法正常傳輸，將經歷額外的排隊延遲。因此，決定進入和離開LPI狀態的時機的節能以太網策略對于EEE的節能和排隊延遲都至關重要。由于策略的性能與流量場景高度相關，因此此類策略的設計留給了特定的制造商進行實施，而不是被EEE標準所定義。

當前，已經有許多節能以太網策略，但是其中大多數策略，包括默認的幀傳輸策略和幀聚合策略，都需要基于特定流量進行參數配置，以在節能效率和排隊延時之間取得良好的權衡。為了解決這個問題，一些工作建立了數學模型來分析幀聚合的節能效率和延遲開銷。盡管它們可以在給定的流量條件下指導策略的參數配置，但是由于這種參數配置是靜態的，因此它們無法適應動態的流量場景。與上述策略不同，近兩年新提出的基于預測的周期性節能策略EEEP將數據的傳輸過程以周期進行劃分，EEEP的具體內容可見文獻：A.Cenedese,F.Tramarin,S.Vitturi.An Energy EfficientEthernet strategy based ontraffic prediction andshaping[J].IEEE Transactions on Communications,Volume:65,Issue:1,pp.270-282,Jan.2017。該策略公開了在每個傳輸的周期，都通過預測下一個周期內傳入的數據幀來規劃EEE的狀態轉換，從而在不同的流量場景下均實現了良好的節能效率和較小的延遲。

然而，EEEP在實際運行中，其固定周期長度參數可能會損害其性能。圖1是基于預測的周期性節能以太網策略EEEP的轉換示意圖。如圖1所示，原EEEP的周期長度為一個固定值T，在每個周期，EEEP首先基于歷史流量的到達情況預測下一個周期的幀數目該數目用于計算下一個周期的幀傳輸時間τ。然后EEEP將經歷休眠過程t_s進入到LPI狀態以節省能量，該過程將持續T-τ時間，緊接著，EEEP又將經歷喚醒過程t_w進入活躍狀態傳輸數據包。

為了探究周期長度對EEEP策略的影響，通過在NS3仿真平臺進行仿真。仿真采用一個點對點的10Gbps以太網鏈路，發送端以5Gbps的速率向接收端發送數據包，每次仿真以10μs為粒度測量EEEP的平均排隊延時Q和能耗比率R。仿真結果如圖2所示，隨著周期長度的增加，EEEP的平均排隊延時線性增加，而能耗比率呈雙曲線式的下降。如果周期長度太小，能耗會很大；反之，如果周期長度設置得太大，則可能會產生很大的排隊延遲，極大地損害用戶的體驗。換句話說，EEEP需要合適的周期長度參數配置來實現理想的性能。然而，最佳的周期長度在實驗之前是未知的，并隨特定的流量場景所變化，因此，EEEP的固定周期長度設置是不合理的。

發明內容