89、网络设备节能与音频传输技术解析

网络设备节能与音频传输技术解析

1. 网络设备睡眠模式节能技术

在网络设备的运行过程中，节能是一个重要的研究方向。当网络设备中有数据需要处理时，处于忙碌（BUSY）状态，会进行数据传输；而当没有数据处理时，即处于空闲（IDLE）状态，设备会激活部分模块的低功耗睡眠模式。一般来说，设备激活睡眠模式时，能耗约为活跃（ACTIVE）模式的 10%。

目前，大部分关于睡眠模式的研究主要集中在局域网（LAN）或以太网、无源光网络（PON）等接入网络。然而，为了构建未来的节能网络，睡眠模式技术应应用于骨干网络。光突发交换（OBS）结合了光电路交换（OCS）和光分组交换（OPC）的优势，是一种很有前景的骨干网络技术。在 OBS 网络中，数据突发和突发控制分组（BCP）分开传输到目的地，这使得在突发组装期间可以节省发射机的能耗。而且，在突发到达核心路由器之前，路由器会接收 BCP 来调度和控制交换，因此 OBS 核心路由器可以从活跃状态切换到睡眠模式。

1.1 OBS 边缘路由器架构

为了降低 OBS 网络中的能耗，对 OBS 边缘路由器架构进行了修改，引入了睡眠模式。具有睡眠模式的 OBS 边缘路由器由线卡、交换控制单元（SCU）、电子交换机和 OBS 线卡组成。
- 线卡 ：负责在接入网络和核心网络之间传输和接收数据包，其架构与传统数据包路由器中的线卡相同。
- SCU ：由交换机控制器和路由引擎组成，根据接入网络的数据包信息、核心网络的 BCP 和路由信息来控制交换矩阵，以实现线卡与 OBS 线卡的合理连接。
- 电子交换机 ：连接输入端口和输出端口。
- OBS 线卡 ：是边缘路由器的主要设备，负责突发的组装和拆卸，以实现数据的传输和接收。其内部包含控制信息处理引擎、突发组装和拆卸引擎、突发波长选择器和物理层/收发器（PHY/Transceiver）。

块	子块	模块	功能
OBS 线卡	控制信息处理单元	BCP 处理器、BCP 内存、BCP 调度器、睡眠/唤醒控制器、转发引擎	BCP 创建、处理和调度，路由信息控制，PHY/Transceiver 的睡眠和唤醒控制
	突发组装单元	突发组装内存、突发组装器、突发发送内存	突发创建
	突发拆卸单元	突发拆卸器、数据包内存、流量处理器	突发拆卸
	突发波长选择器	选择合适的波长
	PHY/Transceiver	发送和接收突发

为了支持 OBS 网络中的睡眠模式机制，边缘路由器在控制信息处理单元中设有睡眠/唤醒控制器。该控制器在突发组装处理未完成时，可将 PHY/Transceiver 的状态从活跃切换到睡眠或从睡眠切换到活跃，从而降低 OBS 边缘路由器的能耗。此外，由于边缘路由器可容纳至少 40Gbps 的高容量，并能连接多个核心路由器，当负载较低时，可以将部分线卡切换到睡眠状态以节省能源。

1.2 性能评估

为了评估节能性能，对具有睡眠模式的边缘路由器和传统数据包路由器的功耗进行了分析和比较。
- 功耗比较 ：路由引擎（38.5%）和转发引擎（28.1%）在各路由器中功耗最大。与数据包路由器相比，OBS 边缘路由器由于增加了突发组装和拆卸单元等模块，功耗约为其 1.3 倍。但当从活跃状态切换到睡眠状态时，可降低功耗。
| 组件 | 路由器类型 | 数据包路由器 | OBS 边缘路由器（带睡眠模式） |
| — | — | — | — |
| OBS 线卡 | 控制信息处理单元 | | |
| | 数据包（BCP）处理器 | 3.3% | 3.2% |
| | 数据包（BCP）内存 | 1.5% | 1.5% |
| | 数据包重构器（BCP 调度器） | 3.7% | 4.3% |
| | 睡眠/唤醒控制器 | 0.3% | 0.4% |
| | 转发引擎 | 28.1% | 28.7% |
| | 突发组装单元 | | |
| | 突发组装内存 | - | 1.5% |
| | 突发组装器 | - | 3.2% |
| | 突发发送内存 | - | 1.5% |
| | 突发拆卸单元 | | |
| | 流量处理器 | - | 3.2% |
| | 数据包内存 | - | 1.5% |
| | 突发拆卸器 | - | 3.2% |
| | 突发波长选择开关 | - | 12.8% |
| | O/E | - | 0.2% |
| | E/O | - | 0.2% |
| | PHY/Transceiver(40Gbps) | 1% | 1.1% |
| SCU | 路由引擎 | 38.5% | 39.4% |
| | 交换机控制器 | 0.3% | 0.4% |
| 电子交换机(320Gbps) | | 23.3% | 23.9% |
| 总计 | | 100% | 130.6% |

• 仿真结果 ：使用 OPNET 建模器对具有睡眠模式的边缘路由器的节能性能进行了仿真，从睡眠时间和平均排队延迟两个方面进行评估。仿真结果表明，在整个睡眠时间图的周期内，边缘路由器都有节能的机会。特别是在利用率为 0.1 时，PHY/Transceiver 可睡眠 180 秒。基于长度的突发组装算法在低利用率下表现优于基于时间的算法，因为基于长度的算法突发创建时间更长。在平均排队延迟方面，基于长度的算法排队延迟略高，但能保证服务质量（QoS）边界，这意味着睡眠模式不仅能降低能耗，还能保证 OBS 网络的 QoS。

参数	值
链路容量	40Gbps
活跃到睡眠时间	无
睡眠到活跃时间	2us
流量模式	指数分布
仿真时间	200
突发组装方案	时间（阈值 = 1ms）、长度（阈值 = 3Mbit）

2. 基于可见光通信的多跳音频数据传输系统

如今，光学通信凭借其高速、对健康无害等优势，在众多应用中得到了广泛使用。光学通信可分为有线光学通信（使用光纤电缆作为通信信道）和无线光学通信（使用自由空间作为通信信道）。基于可见光通信（VLC）的系统属于无线光学通信，LED 技术的发展为照明系统带来了节能和降低维护成本的新机遇。LED 具有低热惯性，能够以高频在开和关状态之间切换，可利用这一特性通过可见光波高速传输数据。

2.1 系统提出背景

此前已有一些关于可见光通信的研究，但存在一定局限性。如有的原型仅能在单跳通信中提供中等数据速率，有的音频传输系统只能在短距离内直接传输音频数据，且数字音频信号质量有待提高。而目前尚未有对多跳音频数据传输系统的实际实现和性能评估，因此提出了一种通过多个中继从发射机到接收机高速传输高质量音频数据的多跳系统。

2.2 信号格式

该传输系统使用的数字音频信号格式为 S/PDIF（索尼/飞利浦数字互连格式）。它是一种用于在各种设备之间传输数字音频信号的数据链路层和物理层协议，由国际电工委员会（IEC）在 IEC 60958 中标准化为 IEC 60958 类型 II。S/PDIF 与 AES/EBU 有一些小差异，可视为原始 AES/EBU 的小更新。数字音频信号以 S/PDIF 格式通过带有 RCA 连接器的同轴电缆或带有 TOSLINK 连接器的光纤电缆传输。

在 S/PDIF 中，原始数字数据流使用差分曼彻斯特编码（也称为双相标记码 BMC 或 FM1）进行编码。根据该编码规则，在一个数据周期内，信号的两次过零表示逻辑 1，一次过零表示逻辑 0，时钟频率是原始数据比特率的两倍。BMC 编码的优点包括：信号在每比特至少发生一次转换，便于接收设备进行时钟恢复和同步；在噪声环境中比其他编码更不易出错。因此，系统使用 BMC 编码通过可见光通信信道传输数字音频信号。

2.3 系统描述

• 系统整体架构 ：提出的多跳音频数据传输系统中，音频数据源通过 USB 端口输入到发射机模块。原始数字音频信号被编码为 S/PDIF 格式，进行移位、放大后发送到 LED。每个中继对数字音频信号进行校正和放大后再发送到下一个中继。接收机接收到的编码音频信号在光电二极管（PD）处被放大，去除移位的直流分量，解码为原始数字音频信号，然后转换为模拟音频信号，最后发送到扬声器。
• 发射机模块 ：主要功能是从设备获取音频信号（模拟或数字信号），转换为 S/PDIF 音频数字信号并传输到下一跳。如果音频信号是模拟的，会先经过 ADC 块转换为数字信号，再编码为 S/PDIF 数字信号。由于 S/PDIF 信号是双极性信号，而 LED 会削波该双极性信号，所以在发送到 LED 之前需要通过添加适当的直流分量将其向上移位，然后进行放大以驱动 LED。
• 中继模块 ：主要功能是改善由于外部光源干扰导致的数字音频信号质量，并补偿由于通过可见光长距离传输导致的信号功率损失。信号校正块改善从光电二极管接收到的 S/PDIF 方波信号质量，然后将改善后的 S/PDIF 信号放大后发送到 LED 以传输到下一跳。
• 接收机模块 ：主要功能是将接收到的数字音频信号转换为模拟音频信号。前两个块的功能与中继模块相同。由于发射机模块中添加了直流分量以避免信号削波，所以在接收机模块中需要过滤掉该数字信号的直流部分以获得 S/PDIF 数字信号，然后将 S/PDIF 信号发送到 DAC 块以重构模拟音频信号。

以下是系统各模块的功能总结表格：
| 模块 | 主要功能 |
| — | — |
| 发射机模块 | 获取音频信号，转换为 S/PDIF 格式，移位、放大后发送到 LED |
| 中继模块 | 改善数字音频信号质量，补偿信号功率损失 |
| 接收机模块 | 将接收到的数字音频信号转换为模拟音频信号 |

下面是该系统的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[音频数据源] --> B(发射机模块)
    B --> C(中继 1)
    C --> D(中继 2)
    D --> E(接收机模块)
    E --> F[扬声器]
    B -- 编码、移位、放大 --> G(LED)
    C -- 信号校正、放大 --> H(LED)
    D -- 信号校正、放大 --> I(LED)
    G --> J(光电二极管):::process
    H --> K(光电二极管):::process
    I --> L(光电二极管):::process
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

3. 总结

在网络设备节能方面，具有睡眠模式的 OBS 边缘路由器虽然在正常状态下能耗约为数据包路由器的 1.3 倍，但通过睡眠模式可有效降低能耗，且能保证 QoS 性能。在音频传输方面，基于可见光通信的多跳音频数据传输系统利用 S/PDIF 信号格式和 BMC 编码，通过发射机、中继和接收机模块的协同工作，有望实现高速、高质量的多跳音频数据传输。这两项技术分别在网络设备节能和音频传输领域具有重要的应用价值和发展潜力。