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附录A 译文
基于物联网的云端无线网络通信节能方案
I.介绍
简介-随着物联网（Internet of Thing,IOT）这种设备的普及，由网络需求引起的负载持续增加。这直接的影响了在无线网络方面需求的提高，并因此造成明显的能源消耗提高。因此，本文的研究重点为网络的节能。在一个借助光纤的云端网络中，我们提出一种基于光线的终端（optical line terminals，OLTs）和光网络单元（opticalnetworkunits，ONUs）的节能方法，负责设备之间的数据传输。我们提出的方法是创新地通过划分ONUs的睡眠阶段为时间，来提高整个系统的同步和协调，实现提高资源使用效率和使能量不止前往ONUs，并同时流向OLTs和整个网络。这与现存的只是分别的考虑ONUs或OLTs，没有把两个当成一个整体看的文献相反。此外，我们的这个方法是考虑着IOT通信建造的，于是在设计时保证使其拥有最小的延迟，使其适应能够移动和实时反映的IOT。最后，我们的这个方案允许无线网络使用时，没有外部能量提供给ONUs，而是通过结合在OLTs中的能量。数学分析证明我们的这个方法能有效的减少系统的能量消耗。
索引词-云端无线网络通信（Cloud-radioaccessnetwork，C-RAN），节能（energy power saving），无线光纤（fiber-wireless，Fi-Wi),物联网（Internet of Thing,IoT）,光纤功率（power over fiber,PoF）。
我们目前所处的一个时代，是一个不只有笔记本电脑，台式电脑和智能手机能连接到网络，还有着例如汽车和可穿戴式终端等的物品与设备联网的模式，称之为物联网（Internet of Thing,IoT）。[1]-[3]。此外，不只是我们有着广泛多样的东西连接网络，并且伴随着实时影视流媒体作为新的可能性的成长，有着更加多样的服务对这些设备有着需求。事实上，在网上，更多的东西和服务也伴随着更多的需求差异。[4]-[6]。伴随着IoT在各种各样的应用中的使用，结果是IoT终端的分布比正常情况下分布得更广，因此需要一个接一个的网络连接。[7]-[9]。例如，让我们考虑一下传感器设备，它们的作用是作为物联网中的大多数终端节点。[10]。传感器设备可以在固定的时间间隔或是按预定的触发机制转换数据。一些经典的例子像是安全摄像头和农业相关的传感器，甚至是手机和汽车这样作为传感器的设备[11],[12]。此场景不仅能说明物联网终端的多样性，还包含一个广泛的物理领域，这将为形成细胞网络提供最可行的连接解决方案。此外，对实物联网的需求也在提升，过去常常是根据时间的推移收集数据和输出结果的[14],[15]，有时分析数据和处理结果是在旁服务器中完成的[16]-[18].此外，虚拟化技术在与软件定义网络（software defined network,SDN）结合可能让物联网网络更加灵活[19],[20]并使实时物联网更加普遍。然而，上述严格的延迟要求伴随着功耗问题，这需要探寻一个经济和实用性最大化的方法[21]。因此，我们的目标是通过一个既有较强能力的节能方案，来降低网络的电力消耗，推动实时物联网的发展。
本文旨在通过无线光纤技术（Fi-Wi）和云端无线网络通信（C-RAN）的结合实现组网。简单点说，C-RAN中的集中控制器通常用于应对物联网设备中多样性的要求[22],[23]。对于Fi-Wi，主要用于混合电路中的无线/有线网络。有线组件是由分路器、光纤、光纤线路终端（optical line terminals,OLTs）和光纤网络单元组成的（optical network units，ONUs）组成的[24]-[26]。Fi-Wi在这里用作一个无线电组件，创建一个可以适应范围广泛的IoT设备的蜂窝网络[27]。这个广播通信也是由C-RAN中央控制通过管理访问基带（base band units，BBUs）和远程无线电（remote radio heads,RRHs）来管理的[28]。在这里，RRH是一个从OLT和IoT设备中接收和发射无线电波的天线，同时BBU控制RRH的利用率。通过BBUs的协调操作实现顺利的沟通。我们的假设网络如图1所示。FI-WI OLT的职责是转换从核心网络接收到的数据信号转换为光信号，并将光信号转换为光纤维信号。
图 1 我们假设的FI-WI网络架构
此外，OLT本身由多个光用户单元（optical subscriber units,OSUs）组成，可以传输信号用于通讯并能用于供电[29],[30]。在这篇文章中，我们认为每个OLT有多个OSU用于数据通信，并且每个都具有各自具体的波长。特别是OSUs可以使用PoF（power over fiber，一项用于在光纤上传输光能到远距离目的地转化为电能的技术[31]），来提供一种独特波长的能量。这些OSUs也可以根据数据流量需求，自行开关，实现节约能量。
在我们提供的方法中，我们实现了同时在ONU与OLT协同工作中的节能。到目前为止，现有的文献中，OUN和OLT中的节能都是独立完成的，但在我们提出的方法中，为了在与OLT协作中节能，我们提出了一种新颖的ONU睡眠方案。不同于通常的ONU睡眠方案，我们提供的方法介绍了一种根据输入流量状态，实现在睡眠状态和活动状态之间切换的时隙系统。这使得ONUs和OLT的睡眠能同步进行。另外，当ONU处于睡眠状态，它的电池可以通过POF进行充电。这使ONU能在没有其它电源的情况下运行。并且，在我们模型中的输入流量是根据一个典型的IOT流量系统建立的。此外，通过定义一个延迟阈值，能够解决较为敏感的实时IoT服务。最终目标是根据输入流量，能够减少在OLT中OUS的量，较少OLT中的能量消耗。
本文的其余部分组织如下。第二部分介绍和探究关于OLT,RRHs和ONUs相关的节能方案。第三部分，将会介绍我们探究的关于考虑物联网设备的移动性，ONU睡眠和系统能耗问题的数学模型。在第四部分，一个数学分析模型用于评估我们提出的方法和假定网络方案存在的影响。最后，第五部分为这篇文章的结束语。
II.C-RAN的能量消耗
节电视网络设计的一个重要课题。C-RANs由RRHs和BBUs组成，其中RRH与终端物联网设备进行数据交换[32],[33]，和BBU处理基带信号，并管理RRH和设备间的通信。
此外，BBU还执行某些功能，如资源分配，加强干涉蓄电池协调和多点协作。由于这些协调作用，因此对于BBU这是一个同于功耗的主要关注点。此外，在晶格内部和蓄电池联系负担的增加，造成了严重的能源效率与质量的降低[34]。Lee等人[32]根据流量的不同，调整了RRHs的数值，这结果间接减少了BBU的的能源消耗。在那项工作中，调整传入BBU数据包的大小，提供系统的智能协作和较少BBUs活动的数量，减少了消耗的能量。另一个Fi-Wi节能的可能方案，包含了多个组件，例如ONUs和OLT消耗了大量能量[25]。考虑到ONUs，他可以将这些元件置于节电模式，抑制他们的能源消耗。这项技术称为ONU睡眠，并且如果存在规律，它允许执行Fi-Wi网络中相关的节能模式。在这个技术上，ONU可以处于活动状态，也可以处于睡眠状态。在睡眠状态下，ONU关闭它的发射器，同时保持其接收器在线。在活跃阶段，发射器和接收器都打开了，这就允许用于传输在睡眠状态期间接收到的数据。UJIKAW等人[35]介绍了打瞌睡和循环睡眠的时分多路复用的节能技术，其中，前者指的是关闭发射器的同时后者关闭了接收器。对于时间和波长的时分多路复用（multiplexing-POM,TWDM-PON），Naboulsi等人[36]提出了一种处理多个PON流量源和节能的方法。在时分多路复用中OLT的节也十分重要。Pakpahan等人[37]提出一种使用SDN动态更改资源分配较少OLT功耗的方法。这是通过动态的改变频率，波段，线路速率和时隙参数。Kondepu等人[38]改变了活动频带数和OLT收发器数量，并同时评估延迟和功耗。这项工作注意到了可接受程度的延迟和潜在的功耗间的平衡。当考虑到时分多路复用中OLT的控制，关键在于OUSs的合理控制。OSUs是OLT中负责解调光信号并与ONUs沟通的模块。因为OSUs工作在正交波长，可以在同一个OLT中多个OSUs同时工作。省电和低延迟都可以通过协调这些组件来实现[29],[30],[39]-[41]。
III.数学模型
在本节中，我们将通过带有时隙的场景，以促进系统范围内的协调，来详细介绍用于计算ONU和OLT中能耗的模型。
A.系统模型
在我们提出的方法中，OLT具有专用的OSU，通过自己专用波长的电源（使我们可以将电源和数据的频率分开）。OLT还具有阵列波导光栅路由器，可以动态路由每个来自OLT的光信号通过光纤的OSU的波长[42]ONU负责转换光信号返回数据。电源通过光纤以类似方式为ONU供电，这使我们能够给他们电池充电。为了进一步节省电力，ONU也可以以根据数据通信的频率较低的能耗进入睡眠阶段。在其睡眠阶段，ONU将其发射机关闭以降低功率消耗[28]，同时仍保持其接收器处于打开状态，因此没有数据丢失，仍然可以接收电源。相反，在其
活动阶段，发射器和接收器均打开因此可以通过使用数据来实现通信波长。但是，如果OLT同时发送数据和在ONU活动阶段同时通电时，非线性现象可能会破坏数据通信，这就是为什么在数据期间不执行光功率馈送的原因沟通[43]。理想情况下，ONU应该单独运行由OLT提供的能量，即没有其他任何能量额外的电源。为此，每个ONU服务周期必须是活动阶段的一部分（用于实际满足物联网设备的需求）和部分睡眠阶段（用于ONU电池充电）此外，PoF提供的电源在睡眠阶段必须等于活动阶段。因此，为了最大程度地减少能耗，我们希望在考虑输入数据的同时最小化活动相位和延迟要求。
利用ONU和OSU的睡眠阶段只能通过足够的协调来正确地实现能源节约，尤其是因为您必须考虑网络要求。例如，当流量较低时，OLT可以通过将空闲的OSU置于睡眠模式来降低功耗[44]。此外，如果进行了足够的协调以最小化ONU活动阶段的重叠，则可以显着降低所需的OSU数量。但是，由于OSU和ONU之间的连接是动态变化的，因此协调它们的操作并不容易。从而，我们的新建议是将ONU的服务周期更精细地划分为多个时隙，以促进OSU端的协调。通过使用我们的方案，OLT可以为每个时隙调度所需活动OSU的确切数量，从而降低其能耗。而且，虽然活动OSU的最小数量将来自无限数量的无限小时隙，这给我们带来了完美的协调，我们还表明，通过引入更多时隙，ONU的能耗会因开销成本而增加。由于OLT必须向ONU供电（通过PoF）和向OSU（因为它们是OLT组件）供电，因此必须有可以从OSU功耗/ ONU得出的关于OLT能耗的最佳时隙量能量消耗权衡关系。因此，我们的方案提供了一种找到此最佳配置的方法，以将整个系统的能耗降至最低。
图 2 与ONU j相关的交通和移动性的马尔可夫链
- 交通与出行模型
在本文中，我们使用耦合的多个马尔可夫调制泊松过程（CMMPP）[45]-[47]对IoT设备与RRH / ONU之间的流量以及设备的移动性进行联合建模。在我们的模型中，马尔可夫链中的每个状态代表连接到ONU的许多设备，即状态sji表示有i个设备连接到ONU j。此外，状态之间的转换表示设备的移动性，其中Pji，i-1表示设备在连接i台设备时将离开ONU j附近的概率，Pji，i 1表示出现设备的机会。在相同的情况下，设备加入ONU j附近，而Pji，i是没有变化的几率。因此，我们的马尔可夫链仅在相邻状态之间具有连接，如图2所示，其中N是所连接设备中ONU的最大容量。这个模型可以让我们代表仅通过调整状态之间的转移概率即可实现高流动性和低流动性的情况。通过此CMMPP，
（1）
我们有其中lambda;jalpha;是每秒请求中ONU j中的流量到达每秒请求数，lambda;0是单个设备的流量生成速率，而pi;ji是状态sji的稳态概率。 有关如何计算稳态概率，请参阅附录。
- 延迟
让我们假设ONU以Tc秒的长度运行。 这些周期必须必须具有睡眠阶段（持续时间为Tjs）和活动阶段（持续时间为Tja）。 由于ONU的电池仅在睡眠阶段由OLT充电，因此，如果Tjs = 0，则违反了ONU没有外部电源的要求。 另一方面，如果Tja = 0，则连接到ONU的设备将无法获得任何服务，这显然也是不可接受的。此外，在不失一般性的前提下，让我们仅在本节中假设所有周期都从完整的睡眠阶段开始，到完整的活动阶段结束。记为：
（2）
如前所述，ONU能够在其睡眠阶段从设备接收数据。 但是，此类数据无法在睡眠阶段进行处理，因此将其缓冲直到活动阶段开始。 因此，这导致一些延迟。 另外，ONU处理传入数据所花费的时间也有一些最小的延迟，我们将其表示为ONU j每秒lambda;jbeta;请求的处理速率。 最后，我们还将假设以下条件，否则，平均延迟将是无限的
（3）
在睡眠阶段，ONU j将接收Tjs·lambda;jalpha;请求，所有请求都将被缓冲。 睡眠阶段结束后，ONU将开始处理这些缓冲的请求。 以来请求是按照Poisson流程到达的，可以说这组请求的到达与睡眠阶段结束之间的平均等待时间为（Tjs / 2）。 活动阶段之后开始，这些缓冲的请求将
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