CN104468409A - 一种基于非固定多线程轮询的动态带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于长距离光接入网络(LR-PON)的非固定多线程轮询的动态带宽分配(UMTP)方法。所述的方法包括：光网络单元(ONU)发起业务请求，将其请求发送给光线路终端(OLT)；OLT采用UMTP算法为所有的ONU进行线程的轮询，对于小带宽请求的ONU，OLT为其分配较少的线程，大带宽请求的ONU，OLT则分配较多的线程，完成数目不等线程轮询；OLT按照剩余带宽分配算法为ONU分配可使用的带宽，指定传输数据窗口。通过应用UMTP算法，可以灵活分配ONU的线程数，减少轻负载ONU的线程数量，减轻OLT的工作频率，提高系统的资源利用率，降低重负载ONU的延时。总之，应用在LR-PON中的UMTP是一种比较高效的动态带宽分配方法。

Description

一种基于非固定多线程轮询的动态带宽分配方法

技术领域

本发明涉及了一种长距离光接入网络(LR-PON)的动态带宽分配算法，属于光接入网技术领域。

背景技术

通常按照地理范围，即规模大小和延伸距离远近，将网络划分为局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN)。当前，由于城市规模不断扩大，边远地区用户对于通信宽带的要求不断的提高，我们需要考虑到要低成本的将光纤网络覆盖到城市的各个角落。目前已经标准化的EPON和GPON系统，一般传输距离为20公里，分支比分别为16和32。如果按照这个标准铺设光纤的话，需要的工程量大大的增加了，这将造成了资源和效率的下降。这时候，研究人员就提出了长距离无源光网络(LR-PON)。

目前已有多种长距无源光网络方案，例如英国电信已经设计实现了分支比为1024、覆盖范围100公里、上下行对称10Gbps的LR-PON。另外Russell P.Davey等人采用密集波分复用技术提高GPON的系统容量，并将GPON的最大传输距离由20公里提高到135公里。长距无源光网络是下一代光接入网的发展方向之一，具有传输距离长、容纳用户多的特点，能够有效降低运营商的投资运营成本。

长距无源光网络是一种具有较大成本优势的光接入网解决方案，它通过将PON网络中的主干光纤延长到100公里，使得城域网和接入网相融合，并以最少的层次与网络节点向用户提供大容量的带宽和业务。同时长距无源光网络采用更大的光分支比来扩大用户对设备的共享。

虽然当前长距离光网络的应用还比较少，但是随着器件技术的发展，目前这一方面已经成为了一个研究的重点。针对LR-PON，因为其传输时延的原因，目前国内外研究人员提出很多带宽分配算法来减少传输时延。最具代表性的是Huan Song等人在2009年提出的MTP(多线程轮询)概念。不同于互联网上的多线程，光网络带宽分配中的多线程是指在Gate信息收到之前，ONU可先发送Report信息。MTP是随着长距离网络的出现而被提出来的，能够减少包时延。随后，Abhishek Dixit等人在多线程的基础上提出来AWGAV算法(带空隙填充的自适应多授权轮询算法)，该算法是根据PON的负载改变网络的线程数量，以此来提高网络的性能。

在借鉴这些算法的基础上，本专利基于这些算法存在的缺陷，致力于改进这些算法，改善系统的性能，提高信道的带宽利用率，降低系统的时延。

发明内容

针对于长距离PON，目前提出的各种算法有的没有考虑到当前的实际情况。我们知道，LR-PON一方面已经覆盖到偏远地区，另一方面，它仍存在大负载的都市中。这就对于我们的资源分配造成了一定的影响。因为这会造成了每次ONU请求数据的差异非常大。根据目前的各种各样DBA算法，如果ONU的请求数据是0的话，为了保持OLT和ONU之间的联系，一般情况下,OLT在授权分配带宽的情况时，仍会发送一个Gate帧给ONU。而针对于多线程的情况下，在这样的情况下，ONU的每个线程如果请求数据都为0的话，那么OLT仍会在每个线程对ONU发送授权信息，保证在该线程中，ONU和OLT是相互联系的。这就导致了资源的浪费。

针对于ONU请求数据差异的情况，我们提出的UMTP算法，该算法主要降低了轻负载ONU轮询的线程数量，目的是为了提高系统资源利用率，降低高负载ONU的系统延时。本文针对LR-PON提出了这种动态带宽分配方法，其中包括非固定多线程轮询(UMTP)和剩余带宽分配(EBA)算法。

假设LR-PON系统中ONU的数目为N，网络的传输速率为R_N，轮询周期为T_cycle(一个轮询周期是指每个ONU请求的数据到OLT根据这个请求完成授权)，传输窗口之间的保护间隔为T_g。

非固定多线程轮询：UMTP

在OLT中，系统开辟了一个ONU的线程请求存储模块，每个模块有多个存取数据区域，用来存储每个ONU的线程请求，记为,表示ONU_i在线程k的请求。同时系统在OLT设定一个传输的带宽区域[B_min，B_max]。系统在为ONU授权的时候，在轮询的过程中，为带宽请求大的ONU授权较多的线程，为带宽请求小的ONU授权的线程相应的减少，其具体的实施方法如下：先授权那些请求大于B_min的ONU,而将小于B_min的请求延迟至下一个线程。至于传输窗口的大小，由剩余带宽分配算法决定。以上轮询过程简称为“非固定多线程轮询”。

为了减少数据延时抖动，我们设定系统的轮询周期为T_cycle＝S_fMAX(RTT),这个周期是固定的。另外我们假定每个线程的周期是自适应的，这是为了减少系统的延时，提高整个带宽利用率。在一次轮询周期开始前，OLT已经收集到了上一个周期所有ONU的所有线程的请求。根据这些请求，我们先判断其大小，如果(k不等于最后一个线程),那么我们就先将其请求放入到下一个请求中，并置该请求为0，同时我们并不对请求等于0的ONU进行授权。如果那么就对其ONU进行授权。当然如果则在分配带宽上，我们会加上剩余带宽。为了保持OLT和ONU能够进行正常的通信，如果一个ONU的请求带宽在一个轮询周期内基本很小，甚至都为0的话，在一个轮询周期的最后一个线程，尽管这个请求小于B_min，我们仍然会对其进行一个授权处理。

为了方便起见，我们此处假设LR-PON系统有2个ONU，每个ONU有2个线程。图1(a)显示的是2个周期内使用MTP的ONU线程1,2的带宽请求，图1(b)显示的是2个周期内用UMTP的ONU的带宽请求，图中可以得知，他们的总的请求大小是一样的。图2给出了UMTP与文献中比较有代表性的带宽分配算法的对比结果。其中图2(a)MTP的原理是，在一个轮询周期中，ONU请求带宽不必等收到OLT给的授权，可以先发送其数据缓存情况，向OLT请求分配带宽。这种情况下，线程定义出的数量是固定的。而不管其请求的大小，OLT都会再固定的时隙给其分配带宽。另外OLT是收到所有ONU的REPORT消息后，才开始分配带宽。图2(b)可以看到发送同样的数据，UMTP与MTP相比，其线程数量减少了，所用的时间更少。因为OLT对轻负载ONU采取了延缓授权的机制，这对于这一类ONU，其数据的延时增加了，但是对于重负载ONU情况来说，这一类数据的延时是降低的，这对于整个系统来说，总体平均延时还是降低的。图2可以显示出其在2个周期内，UMTP比MTP的总体时延减少了T2。此外，因为线程的数量越多，将导致了OLT授权更加频繁，此时ONU和OLT之间将存在更多的REPORT和GATE帧情况，造成了整体带宽的浪费。而UMTP将ONU没有授权部分的带宽收集起来作为剩余带宽分配给重负载的ONU，大大减少了重负载的ONU，而且有利于减少授权之间造成的空隙。

完成了线程的请求之后，OLT收到所有ONU的请求后，开始进行带宽的分配。至于带宽的分配，采用了剩余带宽分配算法。

以上动态带宽分配算法都属于多线程轮询方法，在OLT的DBA模块中完成。通过采用UMTP，LR-PON中的系统资源利用率得到提高，重负载ONU时延降低。

附图说明

图1是本发明实施例中的带宽请求示意图。

图2是本发明实施例中的算法示意图。

图3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3对本算法的实施方式作进一步地详细描述。其中GATE和REPORT消息都是EPON消息交互协议中用到的MAC控制帧，GATE消息是从OLT发送到ONU的，用于为该ONU分配传输的时隙，包括传输开始时刻和传输窗口的长度；REPORT消息是ONU用于把本地状况(如缓存占用量，本算法理解为ONU在线程请求之间的数据缓存量，可以理解为请求带宽即可)传递给OLT的反馈机制，用于帮助OLT智能地分配时隙。具体的实施方式如下：

(1)系统初始化：OLT先计算可使用的线程数K，根据计算的线程数向ONU发送GATE消息，建立多线程系统

(2)ONU收到一个和其MAC地址相匹配的GATE消息后，根据GATE中的授权信息配置传输开始时间和传输长度寄存器，同时利用其中的时间戳更新它的本地时钟。

(3)当传输时间到来，ONU开始在无竞争环境下传输数据，发送以太网帧数目取决于被分配的传输窗口的大小；

(4)在ONU发送信息结束时，同时向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。

(5)当REPORT消息到达OLT后，它将被传送到OLT的MAC控制客户端的DBA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)。

(6)OLT中的DBA模块计算所有ONU的上行传输调度，DBA算法执行完毕后，OLT将对ONU授权，即将该ONU的传输开始时间和传输长度封装成GATE消息并广播。其中DBA模块执行算法的过程如下：

a)OLT收到所有ONU第一个线程的REPORT消息后，判断其请求带宽的大小，如果小于B_min，则并不对其请求带宽授权；如果大于B_min而小于B_max，则按照正常情况进行授权；如果大于B_max，则收集起来等到后面统一分配；

b)根据判断情况，对于小于B_min的请求，OLT将其请求带宽移至该ONU的第二个线程，并将其带宽收集起来作为剩余带宽；对于大于B_min而小于B_max，只要收集其剩余带宽，分配给重负载ONU；对于大于B_max，我们将之前收集到的剩余带宽进行公平分配，具体实施算法不在本专利保护范围之内；

c)接下来再对下一个线程进行授权，其处理方法和线程1情况类似，差别的地方在于，如果最后一个线程的请求带宽总和仍小于B_min，那么此时我们仍对ONU进行授权，保持OLT和ONU的通信正常；

(7)OLT对根据其判断情况对ONU发送GATE消息后，开始重复步骤(2)；

本实施例通过UMTP对LR-PON进行动态带宽分配，降低了重负载ONU时延，提高了网络资源的利用率。

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 (2)

1.一种长距离光接入网络(Long Reach Passive Optical Network，LR-PON)中的多线程带宽分配方法，其特征在于：OLT(Optical Line Terminal)收到ONU(Optical Network Unit)的多次带宽请求之后,执行UMTP算法，为每个ONU分配一个周期内的线程数和可使用的带宽，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UMTP算法，其特征在于：当OLT收到所有ONU的带宽请求后，判断ONU的带宽请求，请求带宽大的为其ONU分配多个线程，请求带宽小的则为其分配的线程减少，具体的实施情况如下：如果其请求带宽小于B_min,则将其请求移至下一个线程的ONU请求列表中，然后为请求带宽大于B_min的ONU分配可使用的带宽和开始传输时间，完成了ONU的带宽分配。