CN102497603B - 一种缓解干线通信压力的epon小区下行业务调度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种EPON小区下行业务调度优化方法，涉及光通信技术领域。本发明针对现有EPON网络干线数据传输压力大的问题，提出了一种防止常用下载业务重复占用干线带宽、消除下行冗余数据的优化方法。以小区为单位对ONU进行子网划分，在小区端通过某种辅助节点对到达数据进行过滤，丢弃不属于本子网的冗余数据，使子网内部下行方向产生大量空闲时隙，同时将各个子网常用的下载业务存储在对应的辅助节点中，用户在需要时可实现本地下载，并将子网内部ONU之间的通信数据插入到空闲时隙内进行传输，使这两类数据都不再占用下行主干光纤的带宽。该方法充分提高下行带宽利用率，减轻网络干线通信压力的同时，很好的改善了用户间通信和下载。

Description

一种缓解干线通信压力的EPON小区下行业务调度优化方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种EPON小区下行业务调度优化方法。

技术背景

以太无源光网络（Ethernet Passive Optical Network，EPON）是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、提供多种综合业务的宽带接入技术，它利用PON的拓扑结构实现以太网的接入，是以太网和PON的融合。当前，基于光纤的FTTH被普遍认为是解决宽带接入网的最佳方案，而EPON技术结合了以太网和PON技术，凭借其低成本高性能，成为实现FTTH最理想的方式之一。

典型的EPON系统由光线路终端（OLT）、光分路器/合路器（ODN）和光网络单元（ONU）组成，其中OLT位于中心局端，ONU位于用户端。EPON系统采用WDM技术，实现单纤双向传输，为了分离同一根光纤上多个用户来去方向的信号，采用两种复用技术：下行数据采用广播技术；上行数据采用TDMA技术，如图1所示为EPON网络工作原理。具体来说，在EPON下行链路方向，OLT采用TDM广播方式向各个ONU发送下行数据，在光分路器中将信号分为相互独立的N路信号，每路信号加载有所有指定ONU的数据。当数据包到达ONU时，ONU通过逻辑链路标识（LLID）是否匹配进行识别并接收属于自己的数据包，丢弃其余的数据包，即每一个ONU请求的下载业务必须经过干线传输至光分路器才能够到达请求用户，如果多个用户在不同时间请求同一下载业务（比如，视频点播业务），则该业务会多次重复占用干线下行带宽，浪费了系统资源。通常情况下，EPON系统中OLT和ONU之间的最大距离为10~20km，为了节约光纤成本，光分路器一般设置在靠近ONU端的位置，由于光分路器不具有转发功能，ONU之间的通信必须从源ONU到达OLT之后，再通过OLT转发至目的ONU，即ONU之间的通信也需要占用系统干线链路。

目前，人们对于EPON带宽资源分配的研究主要集中于上行带宽分配。Kramer G等人在“Ethernet Passive Optical Network (EPON): Building A Next-generation Optical Access Network”【IEEE Commun. Mag, 2002, 40(2): 66-73】文章中提出了一种基于请求/授权具有自适应周期的间插轮询算法，将轮询信息和数据传输交织在一起，OLT根据网络实施情况安排上行时隙。WANG Ya-min等人在“Design of DBA Algorithm in EPON Uplike”【Fifth International Conference on Information Assurance and Security[C]. Xi’an, 2010. 751-753】文章中采用了剩余带宽和额外带宽的概念，将轻负载ONU未使用的剩余带宽重新分配给请求带宽大于分配带宽的重负载ONU。Y Luo等人在“Bandwidth Allocation for Multiservice access on EPON”【IEEE Communications Magazine, 2005, 12(4): 653-660】文章中采用预测的方法对上行带宽进行分配，使得授权带宽更接近请求带宽。

上述文献所述方法提高了EPON上行带宽利用率，但都未对EPON下行带宽资源的分配提出优化方案。为了能够缓解EPON干线数据传输压力大的问题，本发明结合EPON现有拓扑结构设计了防止常用下载业务重复占用干线带宽并且消除下行冗余数据的优化方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有EPON干线链路通信传输压力大的缺点，本发明提出一种针对EPON小区模式的下行业务优化方法，该方法以小区为单位对系统内的所有ONU进行子网划分，同时在小区端通过辅助节点对常用下载业务（规定时间段内下载次数多的业务）和子网内部业务进行存储转发，充分提高下行带宽利用率，减轻网络干线通信压力的同时，很好的改善了用户间通信和用户下载体验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将位于一个小区内的ONU归为一个子网，从而将同一个OLT下的所有ONU划分为多个子网，在每一个子网与光分路器之间并且靠近子网的位置设置一个辅助节点，通过该辅助节点完成数据过滤并对数据进行存储转发。辅助节点根据上下行数据的目的地址进行判断，提取出属于本子网ONU的下行业务和本子网内部ONU之间的通信数据，在下行方向丢弃不属于本子网的业务，形成空闲时隙，将子网内部ONU之间的通信数据插入到空闲时隙内进行传输；在上行方向对本子网内部通信数据之外的上行数据进行正常转发，对本子网常用下载业务和子网内部业务这两类业务进行存储转发。存储的子网内部业务在下行空闲时隙内发送，无需经过OLT进行间接传输。

在下行方向，辅助节点对下行数据进行过滤，只接收目的地址属于本子网ONU的下行业务，丢弃其余业务；在上行方向，当上行数据到达辅助节点时，辅助节点提取本子网内部ONU之间的通信数据，其余上行数据仍然正常传输。

根据某一下载业务被用户下载次数的多少，辅助节点将常用下载业务筛选出来，并将这些常用下载业务的拷贝存储起来，当本子网内某一用户需要下载的内容是存储在辅助节点中的常用下载业务时，无需再从OLT端获得数据，可以直接在本地存储区下载，这样能够减小下载常用业务的传输时延，使用户更快的完成下载；另一类数据是子网内部业务，辅助节点对这类业务采用缓存形式保存。

本发明提出的EPON小区下行业务优化方法利用辅助节点对到达数据进行过滤，丢弃不属于本子网的冗余数据，使子网内部下行方向产生大量空闲时隙，并将子网内部ONU之间的通信数据插入到空闲时隙内进行传输，可以减小ONU之间通信的传输时延；同时，将各个子网常用的下载业务存储在对应的辅助节点中，用户在需要时可实现本地下载。由于这两类数据都不再占用下行主干光纤的带宽，显著减轻了网络干线通信的压力。

附图说明

图1 典型EPON网络工作原理；

图2 子网划分结构示意图；

图3下行业务调度优化流程图。

具体实施方式

下面针对附图对本发明的实施方式作具体描述。

本发明提出EPON小区下行业务优化方法，采用子网划分将连接在同一个OLT下的ONU按照小区进行子网划分，同时采用辅助节点对数据进行处理。

如图2所示子网划分结构示意图，将位于一个小区内的ONU归为一个子网，从而将同一个OLT下的所有ONU划分为多个子网，在每一个子网与光分路器之间并且靠近子网的位置设置一个辅助节点，通过该辅助节点完成数据过滤并对数据进行存储转发。

辅助节点设备包括上行检测器、下行检测器、数据库服务器、合路转发器、分离型光分/合路器。

上行检测器负责检测上行数据逻辑链路标识LLID，根据对上行数据LLID中“模式比特位”，上行检测器提取小区内部ONU之间的通信数据并送至合路转发器的相应缓存队列等待下行发送；下行检测器检测所有下行数据的LLID，与数据库服务器的LLID相同的下行数据送入数据库服务器，删除其余数据中的冗余数据，分离非冗余数据中的多点控制协议MPCP控制数据与普通数据，并将两种数据分别送入合路转发器的不同缓存队列中；数据库服务器接收由OLT发往自己的数据，如果收到的是“资源数据”，存储到数据库中，如果收到的是转发类请求，则在数据库中提取出该转发类请求所要求转发的数据，生成完整的下行数据帧送入合路转发器相应的缓存队列。合路转发器根据队列优先级实现多队列数据向分离型光分/合路器的无冲突转发。分离型光分/合路器汇聚上行数据并送入上行检测器，接收下行数据送入各光网络单元的光纤。

图3下行业务调度优化流程图。辅助节点进行数据过滤并对数据进行存储转发过程如下：

在下行方向，EPON采用广播形式发送数据，光分路器将数据分为相互独立的N路信号，每一路信号都包含发送给全部ONU的数据，当信号到达辅助节点时，辅助节点会根据逻辑链路标识（LLID）对数据进行过滤，如果下行数据的LLID既不是广播LLID又与本子网所有ONU的LLID都不相同，则将这些不属于本子网ONU的下行冗余数据全部丢弃，只转发属于本子网的下行数据，这样一来，原本被冗余数据占据的下行时隙得到释放，将这部分时隙称为空闲时隙。

在滤除冗余数据的同时，辅助节点会对本子网的下载业务进行统计，在辅助节点内设置一张下载数据信息表，设置如表1所示的下载数据信息表。辅助节点根据统计信息对数据信息表进行实施更新。如以电影、音乐、视频、软件等常用下载业务为例建立如下信息表。

表1下载数据信息表

表格存储的下载数据信息有：文件大小、重复因子、有效因子,（其中i为A,B,C,D ，表示某一类下载业务）

辅助节点对本子网的所有下载业务进行统计，具体的统计信息有：文件大小、重复因子、有效因子,其中，重复因子为本子网用户下载该业务的总次数，有效因子为本子网用户最后一次下载该业务的时间，所有下载业务每一次经过辅助节点时，辅助节点会记录下本子网用户下载该业务的次数并更新该业务的重复因子，同时会记录下本子网用户最后一次下载该业务的时间并更新该业务的有效因子。

由于存储器的存储空间是有限的，我们将辅助节点下载业务存储区容量（以字节为单位）设为S。按照下载业务重复因子的大小对下载业务进行排队，重复因子最大的下载业务位于队首，然后按照队列顺序从队首开始将各业务大小（所占字节）进行累加，每累加一个业务都需要将累加结果与存储区容量S进行比较，如果累加结果小于S，则继续累加；如果累加结果等于S，则停止累加，并将累加队列中的业务拷贝保存在辅助节点的下载业务存储区；如果累加结果大于S，则停止累加，并将累加队列中最后一个业务之前的其余业务拷贝保存在辅助节点的下载业务存储区。将有拷贝保存在辅助节点下载业务存储区的下载业务称为常用下载业务。存储区保存的这些下载业务会根据重复因子的变化实时改变：因为随着时间的变化，所有下载业务的重复因子也在不断变化，当某一下载业务x的重复因子大于存储区队列末尾业务的重复因子时，将位于存储区队列末尾的业务从队列中删除，并根据下载业务x的重复因子将该业务插入到存储区队列中。

考虑到用户的需求随着时间变化也可能发生改变，某一时段的常用下载业务在一段时间之后可能不会再有用户下载，但是该业务可能具有比较大的重复因子，仍然占用着存储空间。为了避免这种情况，采用有效因子定期对缓存区的业务进行更新，通过对有效期限进行设定，比如设定缓存有效期为一周，则在每周结束时需要对下载业务信息表中所有的有效因子进行判定，对于最后一次下载时间在一周之前的业务，将其重复因子清零，如果该业务保存在存储区内，则将其移出队列。对于余下有效因子在本周之内的业务按照重复因子从大到小的排队方式选出新的常用下载业务存储至辅助节点。

当本子网ONU的下载请求信息到达辅助节点时，辅助节点将请求内容与存储区内保存的下载业务进行对照判定，如果请求的下载内容属于存储区内保存的下载业务，则辅助节点直接将存储区内的业务拷贝发送给请求用户；如果请求的下载内容不属于存储区内保存的下载业务，则辅助节点将下载请求信息转发至OLT，OLT根据用户的下载请求信息将对应的请求下载业务发送给请求用户。

在上行方向，各个ONU发送的上行数据包括两部分内容：一类是ONU上传至OLT的数据；另一类是ONU传输至系统内其它ONU（属于本子网的ONU和属于其它子网的ONU）的数据。从各个ONU发出的上行数据到达辅助节点时，辅助节点根据到达上行数据的目的MAC地址进行判断，如果目的MAC地址是OLT的MAC地址或者是与本子网其余ONU的MAC地址都不相同，则辅助节点将其正常转发出去，如果上行数据到达的目的MAC地址是属于本子网中某一ONU的MAC地址，则辅助节点将这部分上行数据缓存至本地存储器，如果某一子网内部业务的数据到达辅助节点时缓存区已满，则将该数据转发至OLT端进行间接传输。

如前所述，辅助节点会根据下行数据的LLID信息滤除其中不属于本子网的冗余数据，在下行方向产生空闲时隙，设子网个数为N，下行可利用带宽为，假定到达每个子网的下行业务占用相同带宽，即到达每个子网下行业务占用的带宽都为/N，则在每个子网的辅助节点处产生的空闲带宽为- /N，辅助节点将缓存在本地存储器的子网内部数据按照先入先出（FIFO）原则插入到空闲时隙中进行传输，可以看出，如果能够充分利用空闲时隙，则系统下行带宽利用率会得到显著提高。

Claims (4)

1.一种针对EPON小区模式的下行业务调度优化方法，其特征在于：将同一个光线路终端OLT下的所有光网络单元ONU按照小区划分为多个子网，同一小区的OLT划为一个子网，在每一个子网与光分路器之间并且靠近子网的位置设置一个辅助节点，辅助节点根据上、下行数据的目的地址进行判断，提取出属于本子网ONU的下行业务和本子网内部ONU之间的通信数据，在下行方向丢弃不属于本子网的业务，在下行方向，EPON采用广播形式发送数据，光分路器将数据分为相互独立的N路信号，每一路信号都包含发送给全部ONU的数据，当信号到达辅助节点时，辅助节点根据逻辑链路标识LLID对数据进行过滤，如果下行数据的LLID既不是广播LLID又与本子网所有ONU的LLID都不相同，则将这些不属于本子网ONU的下行冗余数据全部丢弃，分离非冗余数据中的多点控制协议MPCP控制数据与普通数据，并将两种数据分别送入合路转发器的不同缓存队列中；将子网内部ONU之间的通信数据插入到空闲时隙内进行传输；在上行方向对本子网内部通信数据之外的上行数据进行正常转发，对本子网常用下载业务和子网内部业务这两类业务进行存储转发；辅助节点对本子网的所有下载业务进行统计，本子网用户下载该业务的总次数为重复因子，本子网用户最后一次下载该业务的时间为有效因子，辅助节点按照下载业务重复因子的大小对下载业务进行排队形成存储区队列，重复因子最大的下载业务位于队首，按照队列顺序从队首开始将各业务大小进行累加并与存储区容量S进行比较，如果累加结果大于等于S，停止累加，将累加队列中的业务拷贝保存在辅助节点的下载业务存储区形成下载业务，当某一下载业务的重复因子大于存储区队列末尾业务的重复因子时，将位于存储区队列末尾的业务从队列中删除，并根据下载业务的重复因子将该业务插入到存储区队列中；采用有效因子定期对缓存区的业务进行更新，在缓存有效期对下载业务信息表中的有效因子进行判定，对于最后一次下载时间在缓存有效期之前的业务，将其重复因子清零，如果该业务保存在存储区内，则将其移出队列，对于有效因子在有效期内的业务按照重复因子从大到小的方式选出新的常用下载业务存储至辅助节点。

2.根据权利要求1所述的下行业务调度优化方法，其特征在于：在滤除冗余数据的同时，辅助节点对本子网的下载业务进行统计，根据统计信息在辅助节点内设置一张下载数据信息表，数据信息表内容包括：文件大小                                               、重复因子、有效因子。

3.根据权利要求1所述的下行业务调度优化方法，其特征在于：当本子网ONU的下载请求信息到达辅助节点时，辅助节点将请求信息与存储区保存的下载业务进行对照，如果请求的下载内容属于存储区内保存的下载业务，则辅助节点直接将存储区内的业务在下行空闲时隙内拷贝发送给请求用户，如果请求的下载内容不属于存储区内保存的下载业务，则辅助节点将下载请求信息转发至OLT， OLT将对应的请求下载业务发送给请求用户。

4.根据权利要求1-3其中之一所述的下行业务调度优化方法，其特征在于：在上行方向，辅助节点根据到达上行数据的目的MAC地址进行判断，如果上行数据到达的目的MAC地址是属于本子网中某一ONU的MAC地址，则辅助节点将上行数据缓存至本地存储器，如果缓存区已满，则将其转发至OLT端进行间接传输。