CN102594682B - 一种基于流量预测的gpon动态带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于光接入网领域的一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法。它包括下列步骤：1)用户数据采集；2)等待授权时间段业务到达量预测；3)带宽请求量统计与上报；4)带宽动态分配与授权；5)用户数据发送。本发明的有益效果为：本发明通过对光网络单元等待授权时间内到达业务量的预测，提高了请求带宽请求量的准确度，通过对光线路终端授权带宽的分配方法的调整，更好地为高优先级业务提供短时延、高吞吐量的保证，同时在公平性原则下兼顾低优先级业务的带宽分配保证，提高网络带宽利用率，降低等待时延，克服了对于上行带宽静态分配方法和基于全周期的预测方法在精度、可靠性和准确性较低的缺陷。

Description

一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法

技术领域

本发明属于光接入网领域，特别涉及一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法。

背景技术

无源光网络(Passive Optical Networks，PON)技术作为未来接入网技术的热门发展方向，受到越来越广泛的业界关注。其中，吉比特无源光网络(Gigabit-capable Passive Optical Network，GPON)作为目前涌现出的一种非常有前途的PON技术，是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术。

一个典型的无源光网络系统主要由光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和光网络单元(ONU)组成，拓扑结构为点到多点结构，即一个光线路终端连接多个光网络单元。其中在光分配网络中，核心的设备是光分路器，它负责将连接光线路终端的一条干路光纤分路成多条光纤连接到各光网络单元。GPON沿用了APON DBA规范G.983.4定义的T-CONT传输容器的概念，按优先级高低主要分为四种业务类型：T-CONT1～T-CONT4，不同种类的T-CONT业务(指上述四种业务)拥有不同类型的带宽，可以支持不同服务质量(QoS)的业务。

在上述吉比特无源光网络系统中，光线路终端负责为各个光网络单元分配相应的时隙，用于上行传输。因此，如何更好地实现从光网络单元到光线路终端的上行带宽分配是吉比特无源光网络技术中的最为重要的问题及研究热点之一。研究带宽分配的目的是根据实际应用需求在保证分配公平性的基础上尽可能的提高网络整体延时、吞吐量以及丢包率等性能指标。带宽分配方式有静态带宽分配和动态带宽分配两种，相比较于静态带宽分配，动态带宽分配具有明显的优势，因此目前大部分研究学者都关注于对动态带宽分配算法进行讨论研究。其中以T-DBA和AR-DBA两种算法较为典型。T-DBA(TwoLayers-Dynamic Bandwidth Allocation)算法为用户分配不同的加权系数，以此来保证重要用户的带宽使用；对于光网络单元内的不同优先级业务采用不同分配策略，高优先级的业务直接分配固定的带宽，其他优先级业务按照比例分配剩下的带宽，该算法没有考虑对循环周期内业务量的预测，使得带宽申请量的准确性难以保证。AR-DBA算法则是一种基于改进AR(Auto-Regressive)模型的预测型动态带宽分配算法。该算法加入了预测环节，具体为光线路终端通过改进的AR模型预测分配各T-CONT带宽，而预测分配过程又划分为两个子过程：对应AR预测数学模型的预测流量过程和根据输入的预测值进行修正并实现区分业务的带宽分配过程。但是，这种基于全周期的预测方法在带宽申请量上过分依赖于预测函数，对预测性能要求过高，从而难以达到准确申报、降低等待时延的效果。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法。

本发明的目的在于，提供一种基于等待时间预测机制的面向多级T-CONT业务的动态带宽分配机制，在GPON系统中通过对等待时间内到达业务量的预测，更加精确地调整光网络单元对网络当前带宽需求量的申报，根据T-CONT1～T-CONT4四种业务类型对网络带宽、时延、丢包率的不同需求，保证光线路终端为每个光网络单元更加精准地动态分配授权带宽，确保网络对高优先级业务的优先处理和发送，从而提升网络的整体时延、吞吐量以及丢包率的性能指标，克服静态带宽分配、基于全周期的带宽预测在进行动态带宽分配时精度、可靠性和准确性较低的缺陷。

本发明涉及PON接入网络系统中对光网络单元上行带宽的分配方法，具体涉及吉比特无源光网络接入系统中针对不同类型T-CONT业务的带宽动态分配方法。

一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法包括以下步骤：

1)确定吉比特无源光网络系统中连接在同一光线路终端上的光网络单元个数M；对第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M进行初始化，启动吉比特无源光网络系统；从光线路终端接收数据，根据优先级高低分别存入各个光网络单元的T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器中；

2)在每个循环周期内，针对第i光网络单元ONU_i中的四种业务：T-CONT1业务～T-CONT4业务，利用预测公式对第i光网络单元ONU_i中优先级较高的T-CONT1业务～T-CONT3业务在等待授权时间内的到达量进行预测，i取1-M；

3)第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M各自独立地统计T-CONT1业务～T-CONT4业务的到达量，然后确定T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽请求量，将上述带宽请求量在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告的时隙内同时上报光线路终端；

4)在光线路终端依次轮询收到来自所有光网络单元在本循环周期内的带宽请求报告后，光线路终端根据各光网络单元中T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽请求量，按优先级从高到低的顺序，确定带宽分配方法，依照带宽分配方法依次向T-CONT1缓冲器～T-CONT4缓冲器发送授权带宽；

5)第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M在各自分配的时隙，按步骤4)中确定的授权带宽标准分别向光线路终端发送数据，在此期间同时接收来自用户终端的数据，按其优先级高低分别存入T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器中，记入下一循环周期的待传流量请求中，各自分配的时隙是指：光线路终端收到第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告至光线路终端向第i光网络单元ONU_i发送带宽授权报告的时隙，i取1-M。

所述对第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M进行初始化的过程是指：清空第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M中T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器，设定T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器大小，准备接收数据。

所述步骤2)具体包括以下步骤：

21)循环周期是指第i光网络单元ONU_i向光线路终端两次发送用户数据的起始时间间隔，等待授权时间具体是指：第i光网络单元ONU_i向光线路终端发送带宽请求报告至第i光网络单元ONU_i收到来自光线路终端的带宽授权报告的时间间隔；

针对第i光网络单元ONU_i在每个循环周期的带宽请求报告发送前实时更新到达T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器的业务量，i取1-M；

22)针对优先级较高的T-CONT1业务～T-CONT3业务，第i光网络单元ONU_i在发送带宽请求报告时刻统计当前的循环周期内到达T-CONT1缓存器～T-CONT3缓存器的用户数据量，并根据当前循环周期的前J个循环周期的等待授权时间内业务量到达情况预测当前循环周期中等待授权时间内的T-CONT1业务～T-CONT3业务的到达量，其中，预测公式为：

$P_{i,n}^c=\underset{m=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{T_{i,n-m}^{\mathrm{wait}}}{\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{i,n-k}^{\mathrm{wait}}}{Q}_{i,n-m}^c\right)$

上式中，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的等待授权时间收到的C业务量的预测值；C表示业务类型，且此时C∈{T-CONT1，T-CONT2，T-CONT3}；表示第i光网络单元ONU_i在第(n-m)个循环周期的等待授权时间；表示第i光网络单元ONU_i在第(n-m)个循环周期的等待时间内接收到的C业务量；k和m均取1-J。

所述步骤3)具体包括以下步骤：

31)根据上述预测值和带宽请求报告发送前的业务到达量，参照业务类型的不同，按照如下公式分别确定T-CONT1业务～T-CONT3业务的带宽请求量：

$A_{i,n}^C=R_{i,n}^C=P_{i,n}^C$

上式中，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的发送带宽请求报告时刻向光线路终端发送的带宽请求量，C表示业务类型，且C∈{T-CONT1，T-CONT2，T-CONT3}，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的发送带宽请求报告时刻已到达对应缓存器的C业务量；对于T-CONT1业务～T-CONT3业务，对应缓存器分别为T-CONT1缓存器～T-CONT3缓存器；

32)针对根据带宽请求报告发送前的T-CONT4业务到达量，为T-CONT4业务确定带宽请求量，公式如下：

$A_{i,n}^C=R_{i,n}^C$

上式中，C表示业务类型且C∈{T-CONT4}

33)在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告的时隙内，将步骤31)和步骤32)的带宽请求量同时上报光线路终端；

34)针对T-CONT1业务～T-CONT3业务，在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告到其收到带宽授权帧的等待授权时间段内，统计T-CONT1业务～T-CONT3业务的实际到达业务量作为下一循环周期预测的参考数据。

所述带宽分配方法具体包括以下步骤：

41)初始化及授权量定义：光线路终端根据经验值确定FIX_BW和Max值；

其中，FIX_BW表示分配给各个光网络单元中T-CONT1业务的固定带宽阈值；Max表示为各个光网络单元中T-CONT3业务限定的最大带宽上限值；

此外，光线路终端定义各业务的授权数据量表征第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期里C业务获得的授权数据量大小，其中C∈{T-CONT1，T-CONT2，T-CONT3，T-CONT4}；

42)：根据优先级高低，轮询全部T-CONT1业务的带宽请求表，按分配公式为T-CONT1业务分配最大保证带宽，而后更新网络剩余带宽，分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}1}=\max \{\mathrm{FIX}\_\mathrm{BW},A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}1}\}$

然后判断是否轮询完全部T-CONT1业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤42)，如果判断结果为是，则转入步骤43)；

43)轮询全部T-CONT2业务的带宽请求表，为T-CONT2业务分配确保请求带宽，并更新网络剩余带宽，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}& \mathrm{if}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}\≤{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}})\\ \frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}}& \mathrm{if}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}>{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}})\end{array}\right.$

上式中，BW_remain表示当前网络的剩余带宽总量；

然后判断是否轮询完全部T-CONT2业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤43)，如果判断结果为是，则转入步骤44)；

44)轮询全部T-CONT3业务的带宽请求表，按照分配公式为其分配最小保证带宽，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3},\frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}},\mathrm{Max}\}$

45)对于T-CONT3业务，判断其带宽请求量是否大于步骤44)中的最小保证带宽如果判断结果为否，则转入步骤46)；

如果判断结果为是，则记录其带宽请求量与最小保证带宽的差值，写入更新的T-CONT3带宽请求表，用T-CONT3_new业务表示；

然后转入步骤46)；

46)判断是否轮询完全部T-CONT3业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤44)；

如果判断结果为是，则判断剩余带宽是否为零，如果判断结果为是，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果判断结果为否，则更新网络剩余带宽；

47)轮询全部T-CONT4业务的带宽请求表，根据分配公式为T-CONT4业务分配尽力而为带宽，并更新网络剩余带宽量，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4},\frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}}\}$

然后判断剩余带宽是否为零，如果剩余带宽为零，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果剩余带宽不为零，则判断是否轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，如果没有轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，则重新开始步骤47)，如果已经轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，则转入下一步骤；

48)轮询全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，根据分配公式为T-CONT3_new业务进一步动态分配带宽，其其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}{3}_{\mathrm{new}}}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3},\frac{(A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3})*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3})}\}$

上式中，表示对于网络剩余带宽更新后的T-CONT3业务，第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期里为其获得的额外授权数据量；

然后判断剩余带宽是否为零，如果剩余带宽为零，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果剩余带宽不为零，判断是否轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，如果没有轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，则重新开始步骤48)，如果已经轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程；

49)如果上述步骤结束后网络带宽仍有剩余，则按照步骤41)-步骤48)所确定的T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配比例，分配网络的剩余带宽给T-CONT1业务～T-CONT4业务。

本发明的有益效果为：本发明通过对光网络单元等待授权时间内到达业务量的预测，提高了请求带宽申请量的准确度，通过对光线路终端授权带宽的分配方法的调整，更好地为高优先级业务提供短时延、高吞吐量的保证，同时在公平性原则下兼顾低优先级业务的带宽分配保证，提高网络带宽利用率，降低等待时延，克服了对于上行带宽静态分配方法和基于全周期的预测方法在精度、可靠性和准确性较低的缺陷。

附图说明

图1是基于流量预测的GPON动态带宽分配方法流程图；

图2是GPON上下行传输系统结构图；

图3是光线路终端与ONU_i轮询机制与等待时间关系图；

图4是光线路终端动态带宽资源分配方法流程图；

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明要解决的技术问题是：针对现有GPON系统中上行带宽静态分配和全周期预测动态分配方法时延大、准确性低、精度差的问题，提出一种基于等待时间业务量预测的GPON系统上行带宽动态分配方法，提高预测精度，保证高优先级业务的快速发送，同时提高网络带宽利用率。

本发明提供一种根据前J个周期等待时间内的业务到达量来进行本周期内业务到达量的预测方法，从而提高T-CONT1业务～T-CONT3业务的申请带宽精度，降低其发送时延。

本发明在现有固定带宽、确保带宽和尽力而为带宽的提供基础上，提出一种基于最大保证带宽、确保请求带宽、最小保证带宽和尽力而为带宽的动态带宽分配方法，在分配过程中考虑了预测量对带宽申请的影响，在公平性和有效性的前提下提高网络吞吐量和带宽利用率。

本发明提出了包含5个主要阶段的基于等待授权时间内业务量预测的上行带宽动态分配方法，该5个阶段定义在单一光网络单元的一个循环周期内，如图1所示，具体包括用户数据采集阶段、等待时间内业务到达量预测阶段、带宽申请量统计与上报阶段、带宽动态分配与授权阶段和用户数据发送阶段，其中带宽动态分配与授权阶段的带宽分配在光线路终端收集到全部光网络单元的上报信息后由光线路终端统一完成，其余阶段在各光网络单元中独立进行。

一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法，它包括以下步骤：

1)用户数据采集：确定吉比特无源光网络系统中连接在同一光线路终端上的光网络单元个数M，连接方式如图2所示；对第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M进行初始化，启动吉比特无源光网络系统；从光线路终端接收数据，根据优先级高低分别存入各个光网络单元的T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器中；

对第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M进行初始化的过程是指：清空第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M中T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器，设定T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器大小，准备接收数据。

2)等待授权时间内业务到达量预测：在每个循环周期内，针对第i光网络单元ONU_i中的四种业务：T-CONT1业务～T-CONT4业务，利用预测公式对第i光网络单元ONU_i等待授权时间内优先级较高的T-CONT1业务～T-CONT3业务的到达量进行预测，i取1-M；

3)带宽请求量统计与上报：第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M各自独立地统计T-CONT1业务～T-CONT4业务的到达量，然后确定T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽请求量，将上述带宽请求量在其发送带宽请求报告的时隙内同时上报光线路终端；

4)带宽动态分配与授权：在光线路终端依次轮询收到来自所有光网络单元在本循环周期内的带宽请求报告后，光线路终端根据各光网络单元(第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M)中T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽请求量，按优先级从高到低的顺序，确定带宽分配方法，依照带宽分配方法依次向T-CONT1缓冲器～T-CONT4缓冲器发送授权带宽(是向T-CONT1～T-CONT4业务发送授权带宽，T-CONT1～T-CONT4业务分别存储在各个ONU中T-CONT1～T-CONT4缓存器中)；

5)用户数据发送：第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M在各自分配的时隙，按步骤4)中确定的授权带宽标准分别向光线路终端发送数据，在此期间同时接收来自用户终端的数据，按其优先级高低分别存入T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器中，记入下一循环周期的待传流量请求中，各自分配的时隙是指：光线路终端收到第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告至光线路终端向第i光网络单元ONU_i发送带宽授权报告的时隙，i取1-M。

步骤2)具体包括以下步骤：

21)如图3所示，循环周期是指第i光网络单元ONU_i向光线路终端两次发送用户数据的起始时间间隔，即从t1时刻至t3时刻；等待授权时间具体是指：第i光网络单元ONU_i向光线路终端发送带宽请求报告至第i光网络单元ONU_i收到来自光线路终端的带宽授权报告(此时，第i光网络单元ONU_i开始向光线路终端发送用户数据)的时间间隔，即从t2时刻至t3时刻；

针对第i光网络单元ONU_i在每个循环周期的带宽请求报告发送前实时更新到达T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器的业务量，i取1-M；

22)针对优先级较高的T-CONT1业务～T-CONT3业务，第i光网络单元ONU_i在发送带宽请求报告时刻统计当前的循环周期内到达T-CONT1缓存器～T-CONT3缓存器的用户数据量，并根据当前循环周期的前J个循环周期的等待授权时间内业务量到达情况预测当前循环周期中等待授权时间内的T-CONT1业务～T-CONT3业务的到达量，其中，预测公式为：

$P_{i,n}^c=\underset{m=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{T_{i,n-m}^{\mathrm{wait}}}{\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{i,n-k}^{\mathrm{wait}}}{Q}_{i,n-m}^c\right)$

上式中，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的等待授权时间收到的C业务量的预测值；C表示业务类型，且此时C∈{T-CONT1，T-CONT2，T-CONT3}；表示第i光网络单元ONU_i在第(n-m)个循环周期的等待授权时间；表示第i光网络单元ONU_i在第(n-m)个循环周期的等待时间内接收到的C业务量；k和m均取1-J。

步骤3)具体包括以下步骤：

31)根据上述预测值和带宽请求报告发送前的业务到达量(指第i光网络单元ONU_i在每个循环周期的带宽请求帧发送前实时更新到达T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器的业务量)，参照业务类型的不同，按照如下公式分别确定T-CONT1业务～T-CONT3业务的带宽请求量：

$A_{i,n}^C=R_{i,n}^C+P_{i,n}^C$

上式中，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的发送带宽请求报告时刻向光线路终端发送的带宽请求量，C表示业务类型，且C∈{T-CONT1，T-CONT2，T-CONT3}，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的发送带宽请求报告时刻已到达对应缓存器的C业务量；对于T-CONT1业务～T-CONT3业务，对应缓存器分别为T-CONT1缓存器～T-CONT3缓存器；

32)针对根据带宽请求报告发送前的T-CONT4业务到达量，为T-CONT4业务确定带宽请求量，公式如下：

$A_{i,n}^C=R_{i,n}^C$

上式中，C表示业务类型且C∈{T-CONT4}

33)在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告的时隙内，将步骤31)和步骤32)的带宽请求量同时上报光线路终端；

34)针对T-CONT1业务～T-CONT3业务，在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告到其收到带宽授权帧的等待授权时间段内，统计T-CONT1业务～T-CONT3业务的实际到达业务量作为下一循环周期预测的参考数据。

如图4所示，带宽分配方法具体包括以下步骤：

41)初始化及授权量定义：光线路终端根据经验值确定FIX_BW和Max值；

其中，FIX_BW表示分配给各个光网络单元中T-CONT1业务的固定带宽阈值；Max表示为各个光网络单元中T-CONT3业务限定的最大带宽上限值；

此外，光线路终端定义各业务的授权数据量表征第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期里C业务获得的授权数据量大小，其中C∈{T-CONT1，T-CONT2，T-CONT3，T-CONT4}；

42)：根据优先级高低，轮询全部T-CONT1业务的带宽请求表，按分配公式为T-CONT1业务分配最大保证带宽，而后更新网络剩余带宽，分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}1}=,\max \{\mathrm{FIX}\_\mathrm{BW},A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}1}\}$

然后判断是否轮询完全部T-CONT1业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤42)，如果判断结果为是，则转入步骤43)；

43)轮询全部T-CONT2业务的带宽请求表，为T-CONT2业务分配确保请求带宽，并更新网络剩余带宽，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}& \mathrm{if}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}\≤{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}})\\ \frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}}& \mathrm{if}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}>{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}})\end{array}\right.$

上式中，BW_remain表示当前网络的剩余带宽总量；

然后判断是否轮询完全部T-CONT2业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤43)，如果判断结果为是，则转入步骤44)；

44)轮询全部T-CONT3业务的带宽请求表，按照分配公式为其分配最小保证带宽，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3},\frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}},\mathrm{Max}\}$

45)对于T-CONT3业务，判断其带宽请求量是否大于步骤44)中的最小保证带宽如果判断结果为否，则转入步骤46)；

如果判断结果为是，则记录其带宽请求量与最小保证带宽的差值，写入更新的T-CONT3带宽请求表，用T-CONT3_new业务表示；

然后转入步骤46)；

46)判断是否轮询完全部T-CONT3业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤44)；

如果判断结果为是，则判断剩余带宽是否为零，如果判断结果为是，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果判断结果为否，则更新网络剩余带宽；

47)轮询全部T-CONT4业务的带宽请求表，根据分配公式为T-CONT4业务分配尽力而为带宽，并更新网络剩余带宽量，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4},\frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}}\}$

然后判断剩余带宽是否为零，如果剩余带宽为零，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果剩余带宽不为零，则判断是否轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，如果没有轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，则重新开始步骤47)，如果已经轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，则转入下一步骤；

48)轮询全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，根据分配公式为T-CONT3_new业务进一步动态分配带宽，其其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-{\mathrm{CONT}3}_{\mathrm{new}}}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3},\frac{(A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3})*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3})}\}$

上式中，表示对于网络剩余带宽更新后的T-CONT3业务，第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期里为其获得的额外授权数据量；

然后判断剩余带宽是否为零，如果剩余带宽为零，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果剩余带宽不为零，判断是否轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，如果没有轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，则重新开始步骤48)，如果已经轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程；

49)如果上述步骤结束后网络带宽仍有剩余，则按照步骤41)-步骤48)所确定的T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配比例，分配网络的剩余带宽给T-CONT1业务～T-CONT4业务，用来上传下一循环周期用户数据上报阶段(用户数据上报是指光线路终端向T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器发送数据)可能到达T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器中的业务量。

本发明只预测等待授权时间内的业务到达量，从而提高了带宽申请量的上报精度，同时只对较高优先级的业务进行预测，确保了对于高优先级业务的QoS指标，兼顾了网络计算复杂度。针对不同优先级业务的不同带宽分配方法提高了等待时延、网络吞吐量和丢包率指标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定吉比特无源光网络系统中连接在同一光线路终端上的光网络单元个数M；对第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M进行初始化，启动吉比特无源光网络系统；从光线路终端接收数据，根据优先级高低分别存入各个光网络单元的T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器中；

2)在每个循环周期内，针对第i光网络单元ONU_i中的四种业务：T-CONT1业务～T-CONT4业务,利用预测公式对第i光网络单元ONU_i中优先级较高的T-CONT1业务～T-CONT3业务在等待授权时间内的到达量进行预测，i取1～M；

所述步骤2)具体包括以下步骤：

21)循环周期是指第i光网络单元ONU_i向光线路终端两次发送用户数据的起始时间间隔，等待授权时间具体是指：第i光网络单元ONU_i向光线路终端发送带宽请求报告至第i光网络单元ONU_i收到来自光线路终端的带宽授权报告的时间间隔；

针对第i光网络单元ONU_i在每个循环周期的带宽请求报告发送前实时更新到达T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器的业务量，i取1～M；

22)针对优先级较高的T-CONT1业务～T-CONT3业务，第i光网络单元ONU_i在发送带宽请求报告时刻统计当前的循环周期内到达T-CONT1缓存器～T-CONT3缓存器的用户数据量，并根据当前循环周期的前J个循环周期的等待授权时间内业务量到达情况预测当前循环周期中等待授权时间内的T-CONT1业务～T-CONT3业务的到达量，其中，预测公式为：

$P_{i,n}^c=\underset{m=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{T_{i,n-m}^{\mathrm{wait}}}{\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{i,n-k}^{\mathrm{wait}}}{Q}_{i,n-m}^c\right)$

上式中，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的等待授权时间收到的C业务量的预测值；C表示业务类型，且此时C∈{T-CONT1,T-CONT2，T-CONT3}；表示第i光网络单元ONU_i在第(n-m)个循环周期的等待授权时间；表示第i光网络单元ONU_i在第(n-m)个循环周期的等待时间内接收到的C业务量；k和m均取1～J；

3)第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M各自独立地统计T-CONT1业务～T-CONT4业务的到达量，然后确定T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽请求量，将上述带宽请求量在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告的时隙内同时上报光线路终端；

所述步骤3)具体包括以下步骤：

31)根据上述预测值和带宽请求报告发送前的业务到达量，参照业务类型的不同，按照如下公式分别确定T-CONT1业务～T-CONT3业务的带宽请求量：

$A_{i,n}^C=R_{i,n}^C+P_{i,n}^C$

上式中，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的发送带宽请求报告时刻向光线路终端发送的带宽请求量，C表示业务类型，且C∈{T-CONT1，T-CONT2，T-CONT3}，表示第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期的发送带宽请求报告时刻已到达对应缓存器的C业务量；对于T-CONT1业务～T-CONT3业务，对应缓存器分别为T-CONT1缓存器～T-CONT3缓存器；

32)针对根据带宽请求报告发送前的T-CONT4业务到达量，为T-CONT4业务确定带宽请求量，公式如下：

$A_{i,n}^C=R_{i,n}^C$

上式中，C表示业务类型且C∈{T-CONT4}

33)在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告的时隙内，将步骤31)和步骤32)的带宽请求量同时上报光线路终端；

34)针对T-CONT1业务～T-CONT3业务，在第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告到其收到带宽授权帧的等待授权时间段内，统计T-CONT1业务～T-CONT3业务的实际到达业务量作为下一循环周期预测的参考数据；

4)在光线路终端依次轮询收到来自所有光网络单元在本循环周期内的带宽请求报告后，光线路终端根据各光网络单元中T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽请求量，按优先级从高到低的顺序，确定带宽分配方法，依照带宽分配方法依次向T-CONT1缓冲器～T-CONT4缓冲器发送授权带宽；

5)第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M在各自分配的时隙，按步骤4)中确定的授权带宽标准分别向光线路终端发送数据，在此期间同时接收来自用户终端的数据，按其优先级高低分别存入T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器中，记入下一循环周期的待传流量请求中，各自分配的时隙是指：光线路终端收到第i光网络单元ONU_i发送带宽请求报告至光线路终端向第i光网络单元ONU_i发送带宽授权报告的时隙，i取1～M。

2.根据权利要求1所述的一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法，其特征在于，所述对第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M进行初始化的过程是指：清空第1光网络单元ONU₁到第M光网络单元ONU_M中T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器，设定T-CONT1缓存器～T-CONT4缓存器大小，准备接收数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于流量预测的GPON动态带宽分配方法，其特征在于，所述带宽分配方法具体包括以下步骤：

41)初始化及授权量定义：光线路终端根据经验值确定FIX_BW和Max值；

其中，FIX_BW表示分配给各个光网络单元中T-CONT1业务的固定带宽阈值；Max表示为各个光网络单元中T-CONT3业务限定的最大带宽上限值；

此外，光线路终端定义各业务的授权数据量表征第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期里C业务获得的授权数据量大小，其中C∈{T-CONT1,T-CONT2,T-CONT3,T-CONT4}；

42)：根据优先级高低，轮询全部T-CONT1业务的带宽请求表，按分配公式为T-CONT1业务分配最大保证带宽，而后更新网络剩余带宽，分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}1}=\max \{\mathrm{FIX}\_\mathrm{BW},A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}1}\}$

然后判断是否轮询完全部T-CONT1业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤42)，如果判断结果为是，则转入步骤43)；

43)轮询全部T-CONT2业务的带宽请求表，为T-CONT2业务分配确保请求带宽，并更新网络剩余带宽，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}=\left\{\begin{array}{cc}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}& \mathrm{if}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}\≤{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}})\\ \frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}}& \mathrm{if}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}2}>{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}})\end{array}\right.$

上式中，BW_remain表示当前网络的剩余带宽总量；

然后判断是否轮询完全部T-CONT2业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤43)，如果判断结果为是，则转入步骤44)；

44)轮询全部T-CONT3业务的带宽请求表，按照分配公式为其分配最小保证带宽，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3},\frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}},\mathrm{Max}\}$

45)对于T-CONT3业务，判断其带宽请求量是否大于步骤44)中的最小保证带宽如果判断结果为否，则转入步骤46)；

如果判断结果为是，则记录其带宽请求量与最小保证带宽的差值，写入更新的T-CONT3带宽请求表，用T-CONT3_new业务表示；

然后转入步骤46)；

46)判断是否轮询完全部T-CONT3业务的带宽请求表，如果判断结果为否，则重新开始步骤44)；

如果判断结果为是，则判断剩余带宽是否为零，如果判断结果为是，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果判断结果为否，则更新网络剩余带宽；

47)轮询全部T-CONT4业务的带宽请求表，根据分配公式为T-CONT4业务分配尽力而为带宽，并更新网络剩余带宽量，其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4},\frac{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}4}}\}$

然后判断剩余带宽是否为零，如果剩余带宽为零，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果剩余带宽不为零，则判断是否轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，如果没有轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，则重新开始步骤47)，如果已经轮询完全部T-CONT4业务的带宽请求表，则转入下一步骤；

48)轮询全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，根据分配公式为T-CONT3_new业务进一步动态分配带宽，其其分配公式为：

$G_{i,n}^{T-{\mathrm{CONT}3}_{\mathrm{new}}}=\min \{A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3},\frac{(A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3})*{\mathrm{BW}}_{\mathrm{remain}}}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(A_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3}-G_{i,n}^{T-\mathrm{CONT}3})}\}$

上式中，表示对于网络剩余带宽更新后的T-CONT3业务，第i光网络单元ONU_i在第n个循环周期里为其获得的额外授权数据量；

然后判断剩余带宽是否为零，如果剩余带宽为零，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程，如果剩余带宽不为零，判断是否轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，如果没有轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，则重新开始步骤48)，如果已经轮询完全部T-CONT3_new业务的带宽请求表，则结束第i光网络单元ONU_i在本循环周期里T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配过程；

49)如果上述步骤结束后网络带宽仍有剩余，则按照步骤41)-步骤48)所确定的T-CONT1业务～T-CONT4业务的带宽分配比例，分配网络的剩余带宽给T-CONT1业务～T-CONT4业务。