CN104168100A - 一种时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法，根据用户的历史流量信息实时动态确定ONU的重要度，通过调整各等级ONU的轮询机制以适应ONU对带宽差异化需求；采用业务发送子周期的思想，将不同业务数据形象化为子数据块，通过对这些子数据块进行排序加载到多波长进行上行传输。相比于未基于用户行为对ONU进行分类并实时动态调整轮询机制的资源分配方法，所提方法能同时兼顾考虑用户行为及业务的QoS要求。相比于其它资源分配方法，本方法达到较高带宽利用率的同时，有效地降低了业务时延，特别是实时业务的时延得到大幅降低，为用户提供了实时动态差异化服务，保证了资源分配的公平性。

Description

一种时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及光网络中的时分波分混合复用无源光网络(Time and Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network,TWDM-PON)的资源调度方法。

背景技术

宽带网络是一项国家重要的基础设施，我国已明确提出“宽带中国”战略。近年来，IPTV、云存储/云计算、社交网络等业务不断涌现，不断推高着对带宽的需求，为宽带战略的实施带来巨大挑战。基于现有的时分复用无源光网络(TDM-PON,Time Division Multiplexing)接入技术难以满足带宽不断增长的需求。因此，具有成本低、带宽大和组网灵活等优势的TWDM-PON，自然成为研究的重点领域。

而资源调度方法是关系到TWDM-PON传输性能的重要问题，不同于传统基于时分复用的TDM-PON(如EPON、GPON等)，TWDM-PON由于多波长的引入，其资源调度由授权调度和授权大小组成，即为每个时分复用(TDM)子网分配的传输信道取决于授权调度(波长分配)，为每个光网络单元(Optical NetworkUnit,ONU)分配的带宽大小取决于授权大小(时隙分配)。TWDM-PON接入网中，用户在不同时段网络行为的差异性导致带宽请求大小差别较大，即不同用户在同一时间内或者相同用户在不同时间内带宽请求具有较大的区别。比如，商业区和住宅区用户的带宽需求在一天内差异较大。可以看出，用户网络行为差异性增大使业务趋于动态化，向用户提供自适应高质量的网络服务成为TWDM-PON实际部署的巨大挑战。

针对TWDM-PON波长和时隙的资源二维性问题，具有两类调度方法。一类是在线轮询调度方法，该类方法的核心思想是光线路终端(Optical LineTerminal,OLT)为每一个波长信道维护一时间变量其表示未来某一时刻，到这个时刻为止该波长信道已经分配好。为了获得上行信道的高利用率及低时延，OLT一般选择较小的(如最早可用波长原则)，紧接着已经分配的时隙来分配下一时隙。为简化该类算法及进一步降低时延，Das G等人提出先来先处理及最早波长可用的在线资源分配方法，为各ONU(Optical Network Unit,ONU)在线分配资源。该类资源调度方法为各ONU调度资源是独立进行的，并没有考虑系统总体负载情况，不能很好支持实时性要求较高业务的服务质量(Quality of Service,QoS)要求。

另一类策略为离线调度方法，该类方法类似于TDM-PON中的周期轮询方式，OLT在接收到所有ONU上报的REPORT帧后，根据REPORT帧携带的请求信息和相关的授权机制来统一授权。如Dhaini A R等人针对剩余带宽的分配问题，提出三种动态波长带宽分配机制，能较好地实现剩余带宽的公平分配，但资源分配效率不高且未基于业务多样性进行考虑。Qin Y等人提出多业务服务的资源分配方法，以最小化波长数及最大化波长利用率为目标，采用不同控制机制以满足各业务的QoS要求，但未基于用户行为进行研究且实现较为复杂。因此，在对TWDM-PON进行资源调度时，需综合考虑用户的网络行为，从而实现资源调度的公平合理性及满足业务的时延要求，并且尽可能提高资源利用率。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种保证较高资源利用率的同时，有效地降低业务时延及使资源调度具有良好的公平性的时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法。本发明的技术方案如下：一种时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法,其包括以下步骤:

一种时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法,其特征在于，包括以下步骤:

101、位于无源光网络中心局端的光线路终端OLT获取历史流量信息其中表示第i个光网络单元ONU_i在t时刻的历史带宽的请求大小，然后计算出第i个光网络单元ONU_i在t时刻的实时权重因子w_i,t，N表示光网络单元ONU_i的数量，实时权重因子w_i,t表示光网络单元ONU_i在t时刻平均历史带宽的请求大小占当时总带宽请求值的比例；若干个光网络单元ONU_i的实时权重因子w_i,t构成了实时权重因子集合w；

102、光线路终端OLT将步骤101中得到的实时权重因子集合w按照大小根据波长数K划分为K个等级的服务等级组，在一个业务周期内，将光网络单元ONU的业务周期划分为实时业务周期和非实时业务周期，按照等级确定对n个光网络单元ONU进行轮询的顺序及数量，其中，m_k表示服务等级最低为k时光网络单元ONU组的数量，表示在本周期内第j级轮询光网络单元ONU组的ONU个数为 表示向上取整，并求得实时业务的最小保证带宽G和非实时业务的最小保证带宽G'；

103、如果光网络单元ONU的申请带宽大于最小保证带宽G时，则根据公式Gate_i＝G+e_i为光网络单元ONU分配带宽，e_i表示剩余带宽；当光网络单元ONU的申请带宽小于最小保证带宽G时，则按照申请带宽进行分配；

104、光线路终端OLT根据步骤103分配给各服务等级ONU实时业务的带宽和非实时业务的带宽，按照此带宽大小对ONU发送顺序进行升序排列，并为每个服务等级的ONU构造数据发送的顺序表Data_{j_rt}和Data_{j_nrt}，如下：

${\mathrm{Data}}_{j\_\mathrm{rt}}=\{b_1^{j,r},b_2^{j,r},b_3^{j,r}...b_m^{j,r}\}$

${\mathrm{Data}}_{j\_\mathrm{nrt}}=\{b_1^{j,\mathrm{nr}},b_2^{j,\mathrm{nr}},b_3^{j,\mathrm{nr}}...b_m^{j,\mathrm{nr}}\}$

式中表示服务等级为j时待发送的最小实时业务数据块，则表示服务等级为j时待发送的最大实时业务数据块；表示服务等级为j时待发送的最小非实时业务数据块，则表示服务等级为j时待发送的最大非实时业务数据块；

105、在实时业务发送周期，将服务等级最高的ONU组中前K个实时业务子数据块按照步骤104中顺序表Data_{j_rt}升序依次加载到K条波长信道上进行传输；当出现最先空闲的波长即最早可用波长时，采用降序排列加载到该空闲波长信道上进行传输；在非实时业务发送子周期，将顺序表Data_{j_nrt}中服务等级最高的ONU组中的非实时业务数据块加载到紧接实时业务子周期最先空闲的波长上,同样地，采用先升序后降序的方式进行发送，待数据块发送完毕后进入下一轮询周期。

进一步的，步骤102中实时业务的最小保证带宽G的计算公式为G＝(T_rt-n×T_g-K×T_u)×K×R×w_i,t，T_rt表示实时业务子周期大小，n为本周期内发送数据ONU的数量，T_g为ONU之间的保护时隙，K为波长数，T_u为波长转换时间，R为信道速率；步骤102中非实时业务的最小保证带宽G'的计算公式为；G'＝(T_nrt-n×T_g-K×T_u)×K×R×w_i,t，T_nrt表示非实时业务子周期大小。采用先升序后降序的方式进行发送，数据块发送完毕后进入下一轮询周期。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出时分波分混合复用PON的一种高效动态资源调度方法，能够根据用户实时网络行为动态确定各ONU的权重因子，基于该权重因子确立各ONU的重要度并归入不同的ONU组，以实现对各网络用户进行区分服务；同时划分业务子周期并基于权重因子分配剩余带宽，确保实时业务能尽快得到发送，以满足业务多样化的服务要求，并提升了网络资源调度的公平性能；利用数据块加载的策略来进行多波长传输，以达到负载均衡及提高波长利用率的目的。相比于其他资源调度方法，本发明在动态调度资源以使其利用率得到一定提高的同时，有效地提升网络时延及公平性能。

附图说明

图1所示为本发明优选实施例时分波分混合复用PON的一种高效动态资源调度方法流程图；

图2ONU按服务优先级轮询图；

图3ONU业务子周期发送图；

图4ONU数据块加载图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明基于用户的历史流量信息，实时感知用户行为，动态调整ONU权重因子以自适应改变ONU的轮询顺序及次数，从而满足实时变化的用户服务水平；通过划分业务子周期并基于权重因子分配剩余带宽，确保实时业务的时延要求，以满足用户对业务服务质量的差异化需求及带宽分配的公平性；利用数据块加载的策略来进行多波长传输，以达到负载均衡和提高波长利用率的目的。

一、新颖的轮询机制

根据每个ONU的值，可以实时确定ONU重要度，如定义1所示。

定义1：实时权重因子w_i,t，即根据历史平均流量信息确定第i个ONU在t时刻的重要度，以确定ONU的实时服务等级，如式(2)所示。

$w_{i,t}=\frac{u_i^t}{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_i^t}---\left(2\right)$

其中N表示ONU的数量，该实时权重因子反映ONU_i在t时刻平均历史带宽的请求大小占当时总带宽请求值的比例。该值越大，表明该ONU此时带宽需求越大，则视该ONU在此时为高服务等级ONU(H-ONU)；值越小，表明该ONU此时带宽需求越小，则视该ONU此时为低服务等级ONU(L-ONU)。

OLT实时查询各ONU的w_i,t值，将ONU划分为不同的服务等级。一般地，OLT将w_i,t从大到小排列后，可把ONU分为K(K为波长数)个服务等级组，其中第j服务等级组的ONU数量为更好地对ONU进行区分服务，可令第j级ONU组的时延要求为jdh，其中d_h为最高服务等级ONU组的时延要求。设一个周期内参与轮询的ONU数量为n，如式(3)所示。通过式(3)减少轮询L-ONU的数量，能有效消除保护时隙及信息交互时间，从而在满足时延要求的同时提高信道利用率。

其中，第j级ONU组在本周期内轮询的ONU个数为(其中表示向上取整)，可见ONU组的服务等级越高，其在周期内轮询的ONU个数越多。

为进一步说明该轮询机制，下面举例说明，如附图2所示。假设PON系统中ONU总数N＝8，为便于说明令波长数K＝2，即有高服务等级和低服务等级两个ONU组，每组ONU的个数为m₁＝m₂＝N/2＝4。根据式(3)，一个周期内OLT轮询的ONU个数n＝m₁+m₂/2＝6，即4个H-ONU均被轮询，而L-ONU只轮询2个。下一周期，OLT继续轮询全部的4个H-ONU，并且轮询另外2个L-ONU。如此交替轮询，通过减少L-ONU的轮询次数使H-ONU获得更多带宽进行数据发送。

二、基于业务种类的动态子周期划分机制

采用前面所提的轮询机制，能实时感知用户行为来划分不同的服务等级ONU组，但该机制减少了周期内轮询L-ONU的数量，出现L-ONU“惩罚”现象。而L-ONU中同样存在对时延要求较高的实时业务，应保证其时延要求满足其业务QoS要求。因此，为使第K个轮询周期结束时，服务等级最低的ONU组中实时业务能得到发送，轮询周期设定较传统定义方式有所区别。

定义2：轮询周期大小T_cycle，即保证第K个周期结束时服务等级最低的ONU实时业务能得到发送的最小周期，如式(4)所示。

$T_{\mathrm{cycle}}=\frac{d_k}{K}---\left(4\right)$

同时，为了尽可能地让每一等级ONU组的实时业务较非实时业务总能先得到发送，在本节提出将轮询周期划分为实时业务和非实时业务子周期的策略。OLT在实时时间t时刻接收到各ONU带宽请求包括实时带宽请求及非实时带宽请求如下式所示：

$B_{i,t}^{\mathrm{req}}=B_{i,t}^{\mathrm{req}\_\mathrm{rt}}{+}_{i,t}^{\mathrm{req}\_\mathrm{nrt}}---\left(5\right)$

定义3：业务子周期大小T_rt及T_nrt，即用于发送实时业务和非实时业务的时间，如式(6)和(7)所示，以对两种业务进行区分服务。

$T_{\mathrm{rt}}=\frac{B_{i,t}^{\mathrm{req}\_\mathrm{rt}}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{B}_{i,t}^{\mathrm{req}}}\×T_{\mathrm{cycle}}---\left(6\right)$

T_nrt＝T_cycle-T_rt    (7)

OLT根据实时业务发送子周期T_rt，计算出本周期内可以分配给ONU用以发送实时业务的最小保证带宽G：

G＝(T_rt-n×T_g-K×T_u)×K×R×w_i,t    (8)

n为本周期内发送数据ONU的数量，T_g为ONU之间的保护时隙，K为波长数，T_u为波长转换时间，R为信道速率。

如果单个ONU实时业务的带宽申请量不大于G，则由式(9)统计出所有轻负载ONU的剩余带宽量B_rt_l，否则由式(10)统计出所有重负载ONU的额外带宽需求量B_rt_k；

$B\_\mathrm{rt}\_l=\underset{i=0}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}(G-\mathrm{repo}{\mathrm{rt}}_i)---\left(9\right)$

$B\_\mathrm{rt}\_q=\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(r{\mathrm{eport}}_i-G)---\left(10\right)$

为每个轻负载ONU按需分配带宽，利用式(11)为重负载ONU分配剩余带宽e_i：

e_i＝R_rt_1*w_i,t    (11)

则为重负载ONU分配带宽为：

Gate_i＝G+e_i    (12)

至此，实时业务数据发送周期的带宽分配结束。

同理，根据非实时业务子周期T_nrt计算出OLT可以分配给ONU发送非实时业务的最小保证带宽G'，如下式所示：

G'＝(T_nrt-n×T_g-K×T_u)×K×R×w_i,t    (13)

重复实时业务带宽分配过程，得到各ONU用于发送非实时业务所需的带宽。

为避免OLT发送GATE帧时间过长而造成带宽浪费，采用部分授权的方式对ONU进行授权，如附图3所示。按照ONU的服务等级，依次对ONU进行授权。OLT能感知到某一服务等级ONU组发送数据结束时间，利用该信息对下一服务等级ONU进行提前授权。经保护时隙T_g，OLT能接收到下一服务等级ONU组的上行数据。按照同样的方式，实时业务数据发送子周期结束后，开始进入非实时业务数据发送子周期，如此交替部分授权直到本轮询周期结束。

三、带有负载均衡的动态波长分配机制

前面基于感知用户行为确立了ONU的轮询机制，并设定业务子周期对时隙资源进行有效地分配。由于TWDM-PON的多波长特性，如何利用多波长进行数据发送并尽可能地避免带宽浪费是所提策略的重要问题。因此，这里提出一种高效的数据块加载多波长传输机制。

OLT根据分配给各服务等级ONU实时业务和非实时业务的带宽，按照此带宽大小对ONU发送顺序进行升序排列。因此，为每个服务等级的ONU构造数据发送的顺序表，如下所示：

${\mathrm{Data}}_{j\_\mathrm{rt}}=\{b_1^{j,r},b_2^{j,r},b_3^{j,r}...b_m^{j,r}\}---\left(14\right)$

${\mathrm{Data}}_{j\_\mathrm{nrt}}=\{b_1^{j,\mathrm{nr}},b_2^{j,\mathrm{nr}},b_3^{j,\mathrm{nr}}...b_m^{j,\mathrm{nr}}\}---\left(15\right)$

式(14)中表示服务等级j待发送的最小实时业务数据块，则表示待发送的最大实时业务数据块；式(15)中表示服务等级j待发送的最小非实时业务数据块，则表示待发送的最大非实时业务数据块。

每个ONU的数据包括实时和非实时业务子数据块，其中数据块长表示时隙大小，宽表示波长信道速率，则其面积表示待发送的数据量大小。将这些子数据块加载到K条波长上进行传输，其调度应遵循的约束条件如下：

K<N    (16)

$\underset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{\&lambda;}}^b=1---\left(17\right)$

$S_{\mathrm{\&lambda;}}^b-F_{\mathrm{\&lambda;}}^b=T_g---\left(18\right)$

其中，b表示顺序表中的某一数据块，而表示某一数据块b是否在波长λ上传输，若是则其值为1，不是则其值为0；表示在波长λ上发送数据块b的开始时间，表示在波长λ上发送数据块b的结束时间，表示任意t时刻波长λ上是否传输数据块b，若是则其值为1，不是则其值为0。式(16)表示波长数小于总的ONU数量。式(17)表示同一数据块不能同时在两条或两条以上的波长上进行传输。式(18)表示任意波长上传输两个数据块的时间间隔相等。式(19)表示同一时间内每条波长只能传输一个数据块。

为此，所提数据块加载机制的步骤如下：

步骤1：在实时业务子周期，将服务等级j最高的ONU组中前K(K为波长数)个实时业务子数据块依次加载到K条波长信道上进行传输。如附图4所示，设K＝4，按照实时业务数据块发送表将及同时加载到4条波长上。由于数据块大小不一，各波长信道最早出现空闲的时间不等。

步骤2：对于最早可用波长λ，按照数据发送顺序表中降序的方式加载同一服务等级ONU组内的数据块，如附图4中的即数据表中最后的数据块，此后依次将和数据块加载到最早可用波长上。采用步骤1及步骤2先升序后降序交替加载数据块的方式，依次发送各服务等级ONU组的实时业务子数据块。如此循环往复，直到所有服务等级ONU组的实时业务子数据块发送完毕，则转至步骤3。

步骤3：接着进入非实时业务子周期，对于最早可用波长λ，将服务等级最高ONU组中的非实时业务数据块(如附图4中的即顺序表中第一个非实时业务数据块)加载到该波长上进行发送。同样地，将非实时业务数据块和依次加载到此后出现的最早可用波长上进行发送。如发送实时业务子数据块先升序后降序的交替发送方式，各等级ONU组的非实时业务子数据块在多波长上进行传输，直到非实时业务子数据块发送完毕。

采用上述两头加载数据块的方式，OLT能追踪到各波长发送数据块的顺序及时间，从而避免波长的频繁转换以减少带宽浪费。

同时，实时服务权重因子w_i,t未更新前的轮询周期内，服务等级相同的ONU组由于用户行为差异较小，其请求带宽大小相当。同一服务等级ONU组发送数据结束时，利用上述数据块顺序发送表以先升序后降序的数据块加载方式，使得各波长发送该等级ONU组的数据结束时间相差不大。间隔保护时隙后，采用同样的方式加载下一等级ONU组的数据块，直到所有ONU数据块发送完毕。采取这种高效的数据块加载方式，也能使各波长信道上的负载达到均衡。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明方法权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法,其特征在于，包括以下步骤:

101、位于无源光网络中心局端的光线路终端OLT获取历史流量信息其中表示第i个光网络单元ONU_i在t时刻的历史带宽的请求大小，然后计算出第i个光网络单元ONU_i在t时刻的实时权重因子w_i,t，N表示光网络单元ONU_i的数量，实时权重因子w_i,t表示光网络单元ONU_i在t时刻平均历史带宽的请求大小占当时总带宽请求值的比例；若干个光网络单元ONU_i的实时权重因子w_i,t构成了实时权重因子集合w；

102、光线路终端OLT将步骤101中得到的实时权重因子集合w按照大小根据波长数K划分为K个等级的服务等级组，在一个业务周期内，将光网络单元ONU的业务周期划分为实时业务周期和非实时业务周期，按照等级确定对n个光网络单元ONU进行轮询的顺序及数量，其中，m_k表示服务等级最低为k时光网络单元ONU组的数量，表示在本周期内第j级轮询光网络单元ONU组的ONU个数为 表示向上取整，并求得实时业务的最小保证带宽G和非实时业务的最小保证带宽G'；

103、如果光网络单元ONU的申请带宽大于最小保证带宽G时，则根据公式Gate_i＝G+e_i为光网络单元ONU分配带宽，e_i表示剩余带宽；当光网络单元ONU的申请带宽小于最小保证带宽G时，则按照申请带宽进行分配；

104、光线路终端OLT根据步骤103分配给各服务等级ONU实时业务的带宽和非实时业务的带宽，按照此带宽大小对ONU发送顺序进行升序排列，并为每个服务等级的ONU构造数据发送的顺序表Data_{j_rt}和Data_{j_nrt}，如下：

${\mathrm{Data}}_{j\_\mathrm{rt}}=\{b_1^{j,r},b_2^{j,r},b_3^{j,r}...b_m^{j,r}\}$

${\mathrm{Data}}_{j\_\mathrm{nrt}}=\{b_1^{j,\mathrm{nr}},b_2^{j,\mathrm{nr}},b_3^{j,\mathrm{nr}}...b_m^{j,\mathrm{nr}}\}$

式中表示服务等级为j时待发送的最小实时业务数据块，则表示服务等级为j时待发送的最大实时业务数据块；表示服务等级为j时待发送的最小非实时业务数据块，则表示服务等级为j时待发送的最大非实时业务数据块；

105、在实时业务发送周期，将服务等级最高的ONU组中前K个实时业务子数据块按照步骤104中顺序表Data_{j_rt}升序依次加载到K条波长信道上进行传输；当出现最先空闲的波长即最早可用波长时，采用降序排列加载到该空闲波长信道上进行传输；在非实时业务发送子周期，将顺序表Data_{j_nrt}中服务等级最高的ONU组中的非实时业务数据块加载到紧接实时业务子周期最先空闲的波长上,同样地，采用先升序后降序的方式进行发送，待数据块发送完毕后进入下一轮询周期。

2.根据权利要求1所述的时分波分混合复用无源光网络的动态资源调度方法,其特征在于，步骤102中实时业务的最小保证带宽G的计算公式为G＝(T_rt-n×T_g-K×T_u)×K×R×w_i,t，T_rt表示实时业务子周期大小，n为本周期内发送数据ONU的数量，T_g为ONU之间的保护时隙，K为波长数，T_u为波长转换时间，R为信道速率；步骤102中非实时业务的最小保证带宽G'的计算公式为；G'＝(T_nrt-n×T_g-K×T_u)×K×R×w_i,t，T_nrt表示非实时业务子周期大小。