CN102395060A - 一种基于ofdm-pon的新型带宽分配算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)系统中的一种动态带宽分配算法，属于光纤通信系统的范畴。该方法利用中断申请响应的方法来实现带宽请求和分配过程，将系统中的多个子载波分为三部分：控制信道部分、ONU默认带宽部分及存储在动态池中的部分。在链路负载轻时，各ONU通过将本地流量与本地阈值进行比较来决定是否发起中断申请所需的额外带宽，在链路负载重时，OLT在优先满足各ONU额定带宽的情况下，对剩余的子载波按各ONU所需比例进行分配，以实现带宽的动态分配。本发明可以保证高优先级业务的低时延及低丢包率，同时可以很好的进行带宽的按需分配，在链路业务流量负荷很重时也能很好的满足各ONU及同优先级业务之间带宽的公平分配。

Description

一种基于OFDM-PON的新型带宽分配算法

技术领域

本发明设计属于正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)系统中一种新型的基于QoS的中断请求响应动态带宽分配算法，属于光纤通信系统的范畴。

背景技术

伴随着经济的迅速发展，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换、还是传输都已更新换代，而接入网由于经济性问题如用户的业务需求、用户密度、用户的经济承受能力等多方面原因发展缓慢，成为制约网络向宽带化、全业务化发展的瓶颈。接入网是用户进入城域网/骨干网的桥梁，是信息传送通道的“最后一公里”，高带宽的消耗业务逐步涌现，带宽提速成为迫切需求。为了满足用户的需求，各种新技术不断涌现，接入网技术已成为设备制造商、运营商和电信研究部门关注的焦点和投资的热点。

目前主流的有线接入技术包括ADSL、LAN、HFC、PLC和FTTH，其中部分LAN采用了PON+LAN的方式，而无线接入技术中又有WLAN、WiMAX、WiFi、Bluetooth、3G等技术。目前宽带接入网有两个主要的研究目标，第一是向高速、安全、智能化方向发展，要求网络更灵活、面向用户更多和成本更低，这方面FTTH是有线接入领域的杰出代表。另一个则是多业务的融合，即在同一个平台上灵活提供IPTV、有线电视视频、传统语音、数据业务的接入。在各种宽带接入技术中，无源光网络以其容量大、传输距离长、较低成本、全业务支持等优势成为热门技术。目前已经逐步商用化的无源光网络主要有TDM-PON(APON、EPON、GPON)和WDM-PON，它们的共同特点是：

1)可升级性好、低成本，接入网中去掉了有源设备，从而避免了电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，降低了相应的运维成本；

2)业务透明性较好，高带宽，可适用于任何制式和速率的信号，能比较经济地支持模拟广播电视业务，支持三重播放(Triple play，语音、视频、数据)业务；

3)高可靠性，提供不同业务优先级的QoS保证，适应宽带接入市场IP化的发展潮流，适于大规模应用。

光正交频分复用技术(OFDM)是一种多载波技术，目前已经广泛应用于数字用户环路(ADSL)，HDTV，无线局域网(WLAN)，全球微波互联接入(WIMAX)等各种系统中，并被确立为下一代无线移动通信3GPP长期演进(LTE)项目的核心传输技术。其多个载波，可以分别用来实现不同的业务接入，从而实现多业务融合；而且，根据载波数目的不同，可以接入不同数目的用户，方便系统的维护和升级，且对比与其他几种PON技术，OFDM-PON具有以下几种优势：

1)频谱效率高。传统意义上的10G EPON及WDM-PON技术，一种是利用时分复用实现的时域统计复用，另一种是对刚性管道的统计复用，对于频谱效率的利用率低的可怜。而时域统计复用提供的带宽终究有限，而采用密集的WDM复用又会造成系统串扰等问题，因此，对于频谱效率的深入挖掘就显得尤为重要。高频谱利用率不但可以避免密集波分复用带来的串扰问题，减少系统光电器件成本，又可以较大的增加系统容量，而且，采用高频谱效率的OFDM-PON技术，可以有效的减低对光电器件速率的要求，极大降低系统成本。

2)OFDM对色散、偏振模色散等具有较好的抗性。OFDM技术是一种多载波调制技术，其可以大幅度降低系统符号速率，其频谱宽度变小，从而对一定程度的譜展宽具有较好的容忍性，对色散、偏振模色散具有较好的抗性。

3)DSP技术。由于OFDM技术在无线中的广泛应用，其可以很自然的与DSP技术相结合。对系统相位噪声、非线性以及载波间干扰等，可以很容易的采用DSP技术予以出场，从而极大的提高了系统的灵活性并降低了系统对器件精确度的要求，降低了系统实现难度及成本。

4)成本更低。相对与10G EPON\GPON高昂的10G速率带宽的器件以及WDM-PON高昂的光电器件成本，OFDM-PON采用载波间复用技术，其解调后可以采用简单的滤波器将复用信号解调，从而成本相对较低。

相对与EPON和GPON，OFDM-PON的最大优点是不需要复杂的调度算法(对于各路延时的测定及调度管理)和成帧结构；相对与WDM-PON，该技术可以灵活的分配带宽，从能能适应不同业务对系统带宽的需求。另外，由于目前众多的无线网络采用OFDM技术，因此可以与接入网络实现无缝连接。从而，光OFDM接入技术是下一代PON的有力竞争方案之一。

鉴于OFDM-PON技术正处于研究阶段，其动态带宽分配(DBA)算法也处于研究当中，没有相应的标准建议。现有的关于PON的动态带宽分配算法主要是针对TDMA进行设计，如自适应周期间插轮询(IPACT)算法等，这并不能适应新型的OFDM-PON技术的特点，所以为推进OFDM-PON技术的发展，设计一种全新的适应OFDM-PON系统的动态带宽分配算法非常重要。

为此，本发明提出一种在OFDM-PON系统中基于QoS的中断请求响应动态带宽分配算法。

发明内容

本发明主要提出一种在OFDM-PON系统中基于QoS的中断请求响应动态带宽分配算法。由于该算法基于QoS进行中断请求进行带宽动态分配，所以可以保证高优先级业务的低时延及低丢包率，同时可以很好的进行带宽的按需分配，且在链路业务流量负荷很重时也能很好的满足各ONU及同优先级业务之间带宽的公平分配。

本发明所提出的中断请求响应带宽分配算法所具有的特点主要有以下几点：

1)对于每一个ONU都分配有默认子载波数，其具有的带宽可以满足ONU基本的需求，如可以满足时延要求很高、优先级高的语音业务及部分优先级次之的视频流业务等需求。若ONU的流量超出默认分配的带宽，则向OLT发出中断请求，申请额外的带宽。这保证了最高优先级的低时延要求并能最大化按需分配子载波，体现载波分配的灵活性。

2)在OLT端引用“载波存储动态池”概念，即除去分配给每一个ONU默认的子载波外，其余的载波全部存储在“动态池”中，一旦有一个或多个ONU有中断请求申请子载波，则从动态池中按照公平分配的原则分配所需的载波数；对于成功申请子载波的ONU，若ONU流量没超过阈值时，则发起中断，释放曾申请的子载波，OLT将释放的子载波重新放入动态池中，这保证了载波分配的公平性。

3)在OLT端，对于每一个ONU都设置有额定子载波数，一旦链路流量负荷很重时，OLT将在满足各ONU额定子载波数的情况下再进行子载波的分配，这保证了各ONU之间的公平性，有效防止资源分配的不公平，杜绝了在链路负荷重时某一个ONU占用太多资源的情况。

4)采用独立的控制信道，有效的降低了系统的控制复杂度并且在链路负荷重时也能很好的实现控制、监督功能，保障系统的有效运行。

本发明提出的动态带宽分配算法采用的分配原则，保证了不同优先级带宽分配的优先性，并保障了各ONU相同优先级带宽分配的公平性，其原则如下三部分所述：

1)最高优先级业务带宽分配：完全满足其需求，ONU设定的默认带宽即可满足其需求。

2)优先级间带宽分配部分：按照各优先级设置的权值进行分配。

3)各ONU同优先级业务之间带宽分配部分：采用按需分配、保证额定需求的原则对各ONU的带宽申请进行带宽分配。

本发明提出的基于QoS的中断请求响应动态带宽分配算法具有如下优点：

1)合理利用OFDM-PON的多载波信道结构，采用独立子载波作为控制信道，并且ONU采用中断请求的方式申请带宽，OLT通过响应中断请求来进行带宽分配，适应突发业务的需求，简化了系统控制过程。

2)充分的考虑了各优先级之间带宽分配的优先性和公平性，保证了高优先级业务占有带宽的优先性，同时也保证了各个优先级之间带宽分配的相对公平性。

3)充分的保证了各个ONU之间带宽分配的公平性，通过设置额定带宽来有效防止某个或者某几个ONU占据大部分带宽而使其余ONU不能够得到QoS保障的情况。

4)本发明采用的动态带宽分配算法复杂度低，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明所提出的技术，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为OFDM-PON典型应用场景示意图；

图2为OFDM子载波分配情况示意图；

图3为本发明ONU发起中断请求流程图；

图4为本发明OLT响应中断请求流程图；

图5为本发明OLT与ONU间交互示意图；

图6为基于本发明各业务的平均包时延仿真结果图；

图7为基于本发明各业务的平均丢包率仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例也仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2所示为OFDM子载波分配分配情况示意图。由于OFDM调制是多载波调制方式，各子载波相互正交，本发明将子载波划分为三部分，200为用于控制信道的子载波，201为构成各ONU默认带宽的子载波，202为属于载波存储动态池中的子载波。

图3所示为某个ONU某一次执行中断请求响应带宽分配算法的流程图，此算法核心为每一个ONU维护一个状态表，记录当前分配的带宽及其他状态信息，通过比较当前总流量是否超过阈值来决定是否发起中断申请额外的带宽以满足当前需求，而不同的业务则通过优先级的设定来分享当前的带宽，从而实现最大限度的利用有限的带宽资源为各个接入业务提供不同级别的QoS保障。在此，将接入业务分成了三个优先级：1)恒定比特流(CBR)业务，这类业务对时延和抖动均敏感，主要为语音，透明传输等最高优先级的业务；2)可变比特流(VBR)业务，这类业务对时延较为敏感，主要为视频业务等；3)不定比特流(UBR)业务，这类业务突发性强，对时延和抖动要求较低，主要为数据业务。

300表示ONU端存储的本地状态信息表，主要包括当前带宽信息、阈值、申请状态、额外带宽和申请值这几项。

301表示ONU查询状态表，以当前带宽来传输本地业务，此时将依据业务优先级首先将带宽分配给CBR业务，对该类型的带宽系统完全满足其需求。在完成对CBR业务的带宽分配后，ONU统计系统剩余的带宽资源并进行优先级间级带宽分配，即对VBR和UBR业务按照设定的优先级权值k进行带宽分配，以w_VBR和w_UBR分别表示ONU分配给VBR和UBR业务的总带宽。

$\left\{\begin{array}{c}{w}_{\mathrm{VBR}}=w_{\mathrm{rest}}*k\\ w_{\mathrm{UBR}}=w_{\mathrm{rest}}*(1-k)\end{array}\right.---\left(1\right)$

302为ONU端进行中断请求算法的处理模块，首先303会比较当前流量是否会超过阈值，如果超过则进行304过程，304为准备中断申请子载波过程，通过将本地流量与当前带宽进行比较来决定申请多少额外的子载波：

其中，R为当前流量，B为当前带宽，R₀为单个子载波所代表的每秒传输速度；

进入308，等待OLT的响应；309若OLT响应，则修改状态表相关信息，完成此次带宽分配过程。

若303比较结果为否，则进入305查看状态表中申请状态，在306若曾申请过额外带宽，由于此时流量已经小于阈值，则准备释放多余的带宽，此时中断申请的子载波数值为：

$n=-\frac{B_{\mathrm{ex}}}{R_0}---\left(3\right)$

和304过程一样，进入308等待OLT响应，若响应，310修改状态表信息。

若306比较结果为否，则此次不产生中断请求，结束此次带宽分配过程。

图4是OLT响应各ONU中断请求过程的流程图。OLT端将为每一个ONU建立一张状态表用来记录各ONU的状态，同时OLT还维护记录载波存储动态池的状态表，用来进行跟踪动态池中子载波的状态。

400为某个ONU的状态表，分别记录ONU_i当前带宽信息、申请状态、是否响应、额定带宽等信息，401为动态池状态表，记录未分配载波和已分配载波信息。

402过程为OLT扫描中断请求队列，查看发出中断请求的ONU中断类型，在403判断中断类型是否为释放子载波，若是，则在404过程中释放其申请释放的子载波，同时修改相应的状态表及动态池信息。

若在403过程中发现中断类型为请求带宽，则在405中查看载波动态池的状态信息，在406过程中判断动态池中未分配的载波个数是否满足申请的需求，若满足，则转到407直接分配子载波，同时修改状态表相关信息。

若动态池中载波个数不足，则转到408查看申请者当前带宽，在409若某m个ONU的当前带宽小于其额定带宽，则转到410，优先满足这m个ONU需求，若n_s不足，则从目前已经申请了带宽且当前带宽超出额定带宽的ONU中回收一定的子载波数用以分配给当前这m个ONU，回收的子载波数为：

其中n_i为需求的子载波个数，{n_p，p＝1…a}为申请了带宽且当前带宽超出额定带宽ONU的超出额定带宽的子载波个数。

分配完这m个ONU后，在411中再给剩余的ONU分配子载波，每个ONU按照每个人的需求比例来分享剩余的子载波个数。至此，进行到412，OLT按照算法运行结果进行分配，修改状态表相应状态并响应ONU中断请求，结束此次带宽分配过程。

图6至图7是本发明基于QoS的中断请求响应动态带宽分配算法在典型的场景下的性能仿真结果图。

仿真过程中，我们设定一个具有1个OLT，128个ONU的OFDM-PON应用场景。其中上行信道由1024个子载波构成，总带宽为10Gbps；使用其中8个子载波作为控制信道；ONU端优先级权值k设置为0.6。

图6是各个业务的平均包时延仿真结果图，图7是各个业务的丢包率仿真结果图。由图可以看到，CBR业务由于优先级最高，优先满足其带宽要求，所以其平均包时延参数始终保持最低，近似为传输时延0.2ms，其丢包率恒定为零，这充分满足了CBR业务低时延地抖动和低丢包率的QoS要求。另外，通过观察VBR业务和UBR业务可得，随着系统流量的上升，这两种业务都出现了丢包和时延变大的现象，并且VBR业务相对于UBR业务要好，这保证VBR业务相对于UBR业务的优先性。

上面对本发明所述的一种新型的基于QoS的中断请求响应动态带宽分配算法进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型的基于QoS的中断请求响应动态带宽分配算法，其特征在于，OLT端有子载波存储动态池，且建立各ONU状态表及子载波分配状态表，通过响应ONU端中断来进行子载波的分配。

2.根据权利要求1所述的OLT端，其特征在于，当链路负载很重，动态池没有空闲的子载波时，OLT将对每个ONU依照各自的额定子载波数分配子载波。

3.根据权利要求2所述的ONU端，其特征在于，ONU端维护本地状态表，并通过比较本地业务总流量与阈值大小来判断是否需要向OLT发起中断，申请额外的带宽，且依据各业务的优先级进行本地子载波的分配。

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