CN103401632A

CN103401632A - 一种大请求优先-公平带宽分配的动态波长带宽分配方法

Info

Publication number: CN103401632A
Application number: CN2013102965936A
Authority: CN
Inventors: 王宏祥; 尚智婕; 纪越峰
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明公开了一种适用于TWDM-PON的大请求优先-公平带宽（LRF-FE）分配的动态波长带宽分配方法，属于光接入网技术领域。光网络单元(ONU)将其请求带宽发送给光线路终端（OLT）；OLT采用LRF-FE算法为所有ONU授权，即将所有的ONU按照其请求从大到小的排序，并按照此顺序依次为ONU分配最先空闲下来的波长，指定其可使用的波长信道及开始使用时间；OLT按照超额带宽公平分配（FE）算法为ONU分配可使用的带宽，指定其传输数据窗口。应用LRF波长分配算法，可以减少波长信道上的时间碎片，实现波长资源的有效利用，降低系统时延，提高系统资源利用率；应用FE带宽分配算法，可使系统公平分配资源，实现ONU之间的公平性。总之，LRF-FE是一种比较高效、公平的动态波长带宽分配算法。

Description

一种大请求优先-公平带宽分配的动态波长带宽分配方法

技术领域

本发明涉及一种时分波分复用堆叠式光接入网络中的动态波长带宽分配算法，属于光接入网技术领域。

背景技术

时分波分复用堆叠式光接入网络（Time-and Wavelength-Division Multiplexed Passive Optical Network，TWDM-PON）是一种在时分复用PON（TDM-PON）的基础上通过波长堆叠构成的网络。其结构承袭自TDM-PON，光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）通过光分路器（Splitter）与所有光网络单元（Optical Network Unit，ONU）相连。从数据率上看，由于波分复用PON（WDM-PON）采取一对一的静态波长分配，TWDM的动态波长及带宽分配使得其最高数据速率更高；从技术角度来看，TWDM-PON不需要改动运营商已铺设的光分配网络（Optical Distribution network，ODN）；在协议上最接近已广泛部署的GPON或XG-PON1，是GPON和XG-PON1的演进，因为该标准对运营商的网络继承演进特性最佳，得到了诸多运营商、芯片厂商和设备厂商的广泛认可和推动。2012年4月结合WDM-PON和TDM-PON技术的TWDM-PON被国际标准组织FSAN选定为NG-PON2的唯一发展方向。

TWDM-PON系统结构利用波分复用，将M个（4个、8个或者更多）10G TDM-PON堆叠而成。OLT复用解复用不同的波长，ONU同一时刻只能接收、发射一个波长。ONU一般使用可调收发技术，光收发机可调谐至M对上下行波长中的任意一对。在一个波长通道内，TWDM-PON可重用10G-PON下行时分复用技术、上行时分多址接入技术、时隙大小、广播及带宽分配等技术。其主要优点是与现有10G-PON的技术继承性好，复用效率与带宽利用率高。

由于下行方向上的信号传输为广播形式，一般只有上行传输需要采用波长带宽分配算法来解决ONU发送的数据包之间的冲突，所以本发明中所有的技术仅用于上行方向。

TWDM-PON是一种波分时分混合复用的光接入技术，系统需要为不同ONU分配工作波长和时隙。目前对于TWDM-PON中的DWBA（Dynamic Wavelength and Bandwidth Allocation）研究还属于起步阶段，在这方面的研究成果比较少，因此本专利所涉及适用于TWDM-PON的多波长调度和带宽分配算法，可以从已有的PON网络带宽分配算法研究中有所借鉴。目前，国内外研究人员已经针对EPON提出了很多动态带宽分配算法，可以分为基于统计时分复用机制的DBA算法和具有QoS保证的DBA算法，前者是为了提高带宽利用率和降低端到端的时延，后者是为了支持多业务QoS要求，所有DBA算法都存在的一个问题是上行信道中存在空闲时间片段，降低了信道的带宽利用率。WDM PON中已有的波长带宽分配算法种类较多，如组同步轮询算法，动态比率算法，波长感知随机接入算法等。SUCCESS HPON中DWDM-PON子系统对波长带宽分配算法也进行的研究，主要提出了顺序调度（Sequential Scheduling）算法、批调度（Batch Scheduling）算法和调度时成帧的顺序调度（S3F）算法。以上三种SUCCESS DWDM-PON的调度算法主要是针对如何共享可调谐收发器和可用波长展开的，重点在提高调度效率和网络吞吐量，对于调度中的公平性考虑较少。在借鉴这些算法优点的基础上，本专利致力于在提高信道的带宽利用率，降低系统时延，支持调度中的公平性方面进行研究突破。

发明内容

为了提高TWDM-PON中的系统资源利用率，降低系统时延，支持调度中的公平性，本发明针对TWDM-PON提出了一种动态波长带宽分配方法，其中包括大请求优先（Large Request First，LRF）分配波长算法和公平分配超额带宽（Fair Excess，FE）算法，以下简称为LRF-FE。虽然TWDM-PON可以提供的容量很大，不太有必要考虑怎样为用户安排波长，但是如果采用一种DWBA方法可以使系统能更早空闲下来，那么系统能够更好适应新的应用请求，实现向后兼容。本发明的主要思想采用LRF波长分配算法，使得系统能更早空闲下来，那么波长信道就能更早空闲下来，因此可以降低系统时延，提高系统资源利用率；当系统处于超载请求的情况下（虽然目前这种情况比较少），对于超额请求的ONU，OLT采用FE，将系统可利用剩余带宽公平分配给超额请求的ONU，实现系统资源的公平调度。

假设TWDM-POM系统中ONU的数目为N，波长的数目为M，网络的传输速率为R_N，最大轮询周期为T_cycle（一个轮询周期是指每个ONU传输一次数据，如果ONU的数据请求是0，也认为传输了数据），传输窗口之间的保护间隔为T_g。

（1）波长的动态分配：LRF

在OLT中，每个波长信道对应一个变量

（m=1,2，…,M），表示波长信道m的下一个可用传输时刻，OLT记录所有

当OLT为ONU_i分配波长信道时，选择当前最小的波长信道，同时授权ONU_i在该波长信道上的传输窗口，然后更新该波长信道的至于传输窗口的大小，由带宽分配算法决定，以上带宽分配过程简称为“最早可用波长信道优先算法”。

在LRF WBA中，一次轮询周期开始前，OLT将已收集到的所有ONU按照其带宽请求从大到小的顺序排序，然后采用最早可用波长信道优先算法，为请求带宽较大的ONU优先服务，即为请求带宽较大的ONU分配当前最小的波长信道，这种重排后再分配的方式可以大大减少波长信道上的碎片，可用图1所示示意图来证明。

为简便起见，我们此处假设TWDM-PON系统中有2个波长和4个ONU。图1（a）中显示的为周期i和（i+1）中所有ONU的带宽请求。图1（b）中给出了LRF DWA与一些文献中比较有代表性的带宽分配算法的对比结果。其中DWBA-1的原理是，OLT只有在收到所有信道上所有ONU的REPORT消息后，才运行带宽分配算法为每个ONU分配波长信道和授权带宽，波长信道的分配方式为最早可用波长信道优先算法。DWBA-2的原理是，OLT收到ONU_i的REPORT消息后，先判断

是否满足，其中

为ONU_i的带宽请求，B^MIN为OLT对所有ONU的最小保证带宽。如果满足则立即为ONU_i授权带宽

否则，等待收到所有ONU的REPORT消息后，再为ONU_i进行带宽授权。

由图1（b）可以看到发送同样的数据，LRF DWA相比DWBA-1和DWBA-2时间碎片更少，更早完成数据传输（此处暂时不考虑控制信息的影响）。由于OLT对所有ONU的反应顺序按照其请求大小不同进行了重新排序，所以某一个ONU的时延有可能没有得到降低，反而会增加，但是对于整个系统来说，总体平均时延是降低的。此外，OLT能够对所有ONU重排的前提是OLT已经得到所有ONU的REPORT消息，图1（b）中，不同于图中DWBA-1在波长λ₁上因为等待ONU₄数据帧末端的REPORT消息而造成的等待时间T_w，LRF将每个ONU的REPORT消息置于数据包的前端，这样，OLT不必等到数据发送完毕就能得到该ONU的REPORT消息，减少了因等待而造成的额时间碎片，这是DWBA-1的缺点所在；另一方面，DWBA-2也解决了DWBA-1的上述缺点，但是，DWBA-2每收到一个ONU的REPORT就为其安排带宽，只有对一些超额请求的ONU除外，这样，OLT对于所有ONU的请求没有整体的理解便做出反应，不便于开展一些更新的应用，比如QoS，CoS等。而LRF是在收到所有ONU的REPORT消息之后针对所有ONU的请求情况统一作出分配规划，能更好地兼顾所有ONU的应用要求。总之，LRF通过对REPOERT消息位置的修改，兼顾了DWBA-1和DWBA-2的优势。

完成波长分配算法后，ONU所使用的波长及开始使用时间已经确定。至于带宽分配，此处采用公平超额带宽分配算法，即将剩余带宽按照重负载ONU请求带宽的比例分配。当

时称该ONU为轻载ONU，反之为重载ONU。剩余带宽是因轻载ONU的

而造成，系统的剩余带宽是指所有轻载ONU的剩余带宽之和。按比例将剩余带宽分配给所有重载ONU，可以保证各ONU之间的公平性。

以上动态波长分配算法和动态带宽分配算法都属于DWBA方法，在OLT的DWBA模块中完成。通过采用LRF-FE DWBA，TWDM-PON中的系统资源利用率得到提高，系统时延降低，还保证了系统资源调度中的公平性。

附图说明

图1是本发明实施例中的算法示意图。

图2是本发明实施例中的算法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图2对本发明实施方式作进一步地详细描述。其中GATE和REPORT消息都是TWDM-PON消息交互协议中用到的MAC控制帧，GATE消息从OLT发送到一个单独的ONU的，用于为该ONU分配传输的时隙，一个时隙用传输波长、传输开始时刻和传输窗口长度三个数值来表示；REPORT消息是ONU用于把本地状况（如缓存占用量，本发明中理解为ONU的请求带宽即可）传递给OLT的反馈机制，用于帮助OLT智能地分配时隙。具体实施方式如下：

（1）ONU向OLT发送REPORT消息，报告当前的带宽需求。REPORT消息由ONU的MAC控制客户端生成并在MAC控制子层被标以时间戳。

（2）当REPORT消息到达OLT后，它将被传送到OLT的MAC控制客户端的DWBA模块，此外，OLT还将利用REPORT消息中包含的时间戳计算它到该ONU的往返时间（RTT）。

（3）OLT中的DWBA模块计算所有ONU的上行传输调度以避免碰撞。DWBA算法执行完毕后，OLT将对ONU授权，即将该ONU的工作的波长信道、传输开始时间和传输长度封装成GATE消息并广播。其中DWBA模块执行算法的过程如下：

a)OLT存储所有ONU的REPORT消息，并将所有的ONU按照其请求带宽从大到小的顺序为ONU排序；

b)OLT检查

（m=1,2…M），比较得出其中数值最小的波长，并将该波长分配给当前排序后的第一个ONU'₁，其传输开始时间为

波长分配结束。

c)若ONU'₁的

则为其授权带宽

若

，则将所有轻载ONU造成的剩余带宽按照其在系统重载请求中所占的比例授权带宽，

，具体实施算法不在本专利保护范围之内。

d)OLT根据G_i更新

（4）当ONU收到一个和其MAC地址相匹配的GATE消息时，将利用其中的授权值来配置本地的可调发射机、传输开始时间和传输长度寄存器（传输开始时间用基于全局同步的绝对时间戳表示）。此外还将利用其中的时间戳更新它的本地时钟。

（5）当传输时间到来，ONU将开始在无竞争的环境下传输数据，发送的以太网帧数目取决于被分配的传输窗口大小。

（6）ONU在被分配的传输时隙的开始发送REPORT消息来报告下一次带宽需求，在传输数据的同时重复步骤（2）。

本实施例通过LRF-FE DWBA对TWDM-PON进行动态波长带宽分配，降低了系统时延，提高了网络资源的利用率，保证了网络用户之间的公平性。

本发明实施例可以通过软件实现，相应的软件可以存储在可读取的存储介质中，例如计算机的硬盘、光盘或软盘中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种时分波分复用堆叠式光接入网络（Time-and Wavelength-Division Multiplexed Passive Optical Network，TWDM-PON）中的动态波长带宽分配（Dynamic Wavelength and Bandwidth Allocation）方法，其特征在于ONU（Optical Network Unit）发起带宽请求后，OLT（Optical Line Terminal）的DWBA模块执行LRF-FE（Large Request First-Fair Excess）算法，为每个ONU分配可使用的波长信道及带宽；在传输时刻到来时，ONU按照授权值传输数据，完成用户与网络之间的信息交互。

2.根据权利要求1所述的LRF-FE算法，其特征在于当OLT收到所有ONU的带宽请求后，将ONU按照其带宽请求从大到小排序，并为请求带宽最大的ONU分配最先空闲的波长，指定其可使用的波长信道及开始使用时间，完成大请求优先（LRF）的波长分配；当波长分配完成后，OLT按照超额带宽公平分配（FE）算法为ONU分配可使用的带宽，指定其传输数据窗口，完成公平带宽分配。

3.根据权利要求2，其特征在于将动态波长分配算法LRF和动态波长分配算法FE结合成一套完整的动态波长带宽分配方法，应用于TWDM-PON。