CN107404444B - 一种上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法，包括：光线路终端OLT在接收到与之相连的光网络单元ONU发送来的报告帧之后，得到上行数据带宽请求；同时根据本地下行数据缓存情况，得到相应ONU的下行数据带宽请求，并计算该光网络单元ONU的上下行数据带宽的差值。随后OLT根据ONU的上下行数据带宽的差值，对所有的ONU进行两两配对，并计算出每一对ONU的带宽差值之和。最后OLT按照给定的时隙窗口分配规则，通过向每一个ONU发送门帧，为每一对ONU分配一个共用的上下行时隙窗口。在此窗口期间，ONU进行上下行数据的传输。本发明通过匹配上下行时隙窗口，可以减小轮询周期，保证用户的带宽需求，缩短ONU处于活跃状态的时间，减少能耗。

Description

一种上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法。
背景技术
无源光网络系统，采用一个局端设备，即光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)，通过远端节点(Remote Node，RN)连接多个远端设备，即光网络单元(Optical NetUnit，ONU)，构成一个点对多点的树型拓扑结构，如图2所示。
在无源光网络中，由于光分配网的方向特性，任何一个ONU在进行上行数据传输时，只能将数据包传输到OLT，不能传送到其他的ONU，换句话来说，无源光网络在上行方向上的行为特性与点到点的网络相同。为了保证数据包传送的准确性，人们提出了一种“非冲突”的机制，这一机制授权ONU在一段时间(一般称之为时隙窗口)内独占网络资源，即在上行数据传输时采用时分多址技术(Time Division Multiple Access，TDMA)。所有的ONU都与一个公共的参考时钟同步，而且每一个ONU具体使用某个时隙均由OLT统一分配和管理。ONU把从用户收到的数据包先缓存起来，直到它的发送时隙到来，再把它缓存的数据包以全线速率“突发”发送，这样就可以避免OLT与多个ONU之间传输的数据发生碰撞。
当前，无源光网络大部分所采用的带宽分配的方法是动态带宽分配DynamicBandwidthAllocation(DBA)。在该方法中，上行数据带宽请求采用的是时分多址复用的技术，而下行数据带宽请求采用的是广播的方式，即光线路终端OLT向所有的光网络单元ONU发送数据，而ONU选择性接收。在中国专利申请号CN1614944A的文献记载中，提出了一种无源光网络上行带宽的动态分配控制方法，该方法是在OLT、光分配网和多个ONU组成的无源光网络上进行上行带宽的动态分配控制。这种广播式下行数据发送方式，要求每一个ONU的接收机必须始终处于活跃状态，造成不必要的能源浪费。
Y.Yan等人在2010 IEEE International Conference on Communications(ICC2010)上发表了题为″Energy Management Mechanism for Ethernet Passive OpticalNetworks(EPONs)″的文章，提出了两种带宽调度方法，分别是以上行为中心的调度Upstream Centric Scheduling(UCS)和以下行为中心的调度Downstream CentricScheduling(DCS)。在UCS中，每个ONU的时隙窗口的大小仅仅取决于上行数据带宽请求。这一调度方法存在一个明显的缺点：如果下行数据带宽请求较大，那么下行数据就不能在当前ONU时隙窗口内传输完毕，必须等到下个轮询周期，乃至下下个轮询周期，这一调度方法不适合于对延迟要求敏感的业务。但是，DCS模式采用的是一种灵活的方式传输下行数据，这与UCS截然相反。在DCS中，OLT会给ONU传送一个类似于门帧的控制帧(GATEDC)，它指明ONU何时接收下行数据，即使ONU处于睡眠模式，也必须被唤醒以接收下行数据。这一方法能够使得OLT对下行业务队列进行调度以最小化延迟，但是会增大整个OLT轮询的周期，降低带宽资源的利用效率。这两种调度方法没有同时考虑上下行数据的匹配情况，可能造成不必要的能源浪费或者带宽资源浪费。
经对现有文献检索发现，D.P.Van等人在2016IEEE Trans.on WirelessCommunications上发表了题为″ECO-FiWi：An Energy Conservation Scheme forIntegrated Fiber-Wireless Access Networks″的文章，提出了一种同时考虑上下行数据带宽分配的方案，为了弥补传统型带宽分配方法中能源浪费的缺点。该方案中，每一个光网络单元的上下行时隙窗口的大小取决于其上行数据带宽请求与下行数据带宽请求之间的最大值。然而，当光网络单元ONU的下行数据带宽请求远大于上行数据带宽请求的情形下，或者在ONU的下行数据带宽请求远小于上行数据带宽请求的情形下，也就是说待传输的上下行数据量差距较大时，可能导致分配给该ONU的时隙窗口过大，造成不必要的能源浪费和带宽资源浪费。
发明内容
技术问题：本发明提供一种可以提高带宽利用率以及减少能源消耗的上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法。
技术方案：本发明的上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法，包括以下步骤：
(1)光线路终端OLT在接收到与之相连的光网络单元ONU发送来的报告帧之后，得到上行数据带宽请求B上，光线路终端OLT同时根据本地下行数据缓存情况，得到该光网络单元ONU的下行数据带宽请求B下，计算该光网络单元ONU的上下行数据带宽请求的差值ΔB，即用该光网络单元ONU的上行数据带宽请求B上减去其下行数据带宽请求B下；
(2)光线路终端OLT得到所有的光网络单元ONU的上下行数据带宽请求的差值ΔB之后，对所有差值ΔB进行从正值到负值、从大到小的降序排列，对排序队列中所有光网络单元ONU，从队列两端向中间逐次进行首尾两两配对，并分别计算得到每一光网络单元ONU配对的上下行数据带宽请求差值之和∑(i，j)ΔB＝ΔBi+ΔBj，配对的两个光网络单元ONU上行数据带宽请求之和∑(i，j)B上＝Bi上+Bj上，以及下行数据带宽请求之和∑(i，j)B下＝Bi下+Bj下，其中i和j为配对的两个光网络单元ONU的编号，即配对的第i个光网络单元ONU与第j个光网络单元ONU；
(3)光线路终端OLT按照给定的时隙窗口分配规则，通过向每一个光网络单元ONU发送门帧，为每一个光网络单元ONU分配上下行时隙窗口。
进一步的，本发明方法中，所述步骤(2)中的首尾两两配对，是首先将队列中上下行数据带宽请求的差值最大的光网络单元ONU与上下行数据带宽请求的差值最小的光网络单元ONU进行配对，然后将上下行数据带宽请求的差值次大的光网络单元ONU与上下行数据带宽请求的差值次小的光网络单元ONU配对，同理依次将队列中所有的光网络单元ONU进行配对，若队列中光网络单元ONU总数为奇数，剩余的最后一个光网络单元ONU单独成组。
进一步的，本发明方法中，所述步骤(3)中的时隙窗口分配规则为，根据上下行匹配水平值η＝∑(i，j)ΔB/min{∑(i，j)B上，∑(i，j)B下}所属的范围，按照以下三种情况分配对应的时隙窗口：
A.-δ≤η≤δ，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝max{∑(i，j)B上，∑(i，j)B下}。；
B.η∈(δ，+∞)，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝∑(i，j)B上；
C.η∈(-∞，-δ)，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝α*∑(i，j)B下，且α*∑(i，j)B下≥∑(i，j)B上，其中α为比例因子且0＜α＜1。
进一步的，本发明方法中，所述的两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度CL，即由第i个ONU和第j个ONU的时隙窗口组合而成。
本发明方法可有效提高网络节能效率，保证用户业务的服务质量，可广泛地应用于点对多点的树型拓扑结构的无源光接入网络。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明提出了一种上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法，该方法考虑了光网络单元ONU的上下行数据带宽请求大小的差异性，将ONU两两配对，光线路终端OLT为每一对ONU分配一个总的时隙窗口。现有的技术中，采用的是动态带宽分配(DBA)的方法，这种方法仅仅在上行方向考虑了带宽分配，而在下行方向采取的仍然是广播的方式，这一方法要求ONU的接收机始终处于活跃状态，造成不必要的能源浪费。然而，还有一些方法同时考虑了上下行数据带宽的分配，但是，它们并没有考虑到光网络单元ONU的上下行数据带宽请求相差较大的情况，当上行数据带宽请求远大于下行数据带宽请求，或者上行数据带宽请求远小于下行数据带宽请求时，会造成光线路终端OLT为光网络单元ONU分配过大的时隙窗口，造成带宽资源的浪费，同时造成能源的浪费。本发明的一种上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法很好的解决了光网络单元ONU的上下行数据带宽请求相差较大的问题，提高了带宽资源的利用效率，同时大大减少了能源的消耗。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为无源光网络的结构示意图；
图3为情形A时，OLT为ONU分配的时隙窗口示意图；
图4为情形B时，OLT为ONU分配的时隙窗口示意图；
图5为情形C时，OLT为ONU分配的时隙窗口示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
图1为上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法的原理图，包括以下步骤：
(1)光线路终端OLT在接收到与之相连的光网络单元ONU发送来的报告帧之后，得到上行数据带宽请求B上，光线路终端OLT同时根据本地下行数据缓存情况，得到该光网络单元ONU的下行数据带宽请求B下，计算该光网络单元ONU的上下行数据带宽请求的差值ΔB，即用该光网络单元ONU的上行数据带宽请求B上减去其下行数据带宽请求B下；比如计算第i个光网络单元ONU的上下行数据带宽请求差值：ΔBi＝Bi上-Bi下，其中i∈(1，2，3…n)且ΔBi∈(-∞，+∞)，即用该光网络单元ONU的上行数据带宽请求B上减去其下行数据带宽请求B下；该差值为正值时，说明其上行数据带宽请求B上大于其下行数据带宽请求B下；该差值为负值时，说明其上行数据带宽请求B上小于其下行数据带宽请求B下。
(2)光线路终端OLT得到所有的光网络单元ONU的上下行数据带宽请求的差值ΔB之后，对所有差值ΔB进行从正值到负值、从大到小的降序排列，对排序队列中所有光网络单元ONU，从队列两端向中间逐次进行首尾两两配对，并分别计算得到每一光网络单元ONU配对的上下行数据带宽请求差值之和∑(i，j)ΔB＝ΔBi+ΔBj，配对的两个光网络单元ONU上行数据带宽请求之和∑(i，j)B上＝Bi上+Bj上，以及下行数据带宽请求之和∑(i，j)B下＝Bi下+Bj下，其中i和j为配对的两个光网络单元ONU的编号，即配对的第i个光网络单元ONU与第j个光网络单元ONU；
(3)光线路终端OLT按照给定的时隙窗口分配规则，通过向每一个光网络单元ONU发送门帧，为每一个光网络单元ONU分配上下行时隙窗口。
所述的上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法中的首尾两两配对，是首先将队列中上下行数据带宽请求的差值最大的光网络单元ONU与上下行数据带宽请求的差值最小的光网络单元ONU进行配对，然后将上下行数据带宽请求的差值次大的光网络单元ONU与上下行数据带宽请求的差值次小的光网络单元ONU配对，同理依次将队列中所有的光网络单元ONU进行配对，若队列中光网络单元ONU总数为奇数，剩余的最后一个光网络单元ONU单独成组。
所述的上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法的时隙窗口分配规则为，根据上下行匹配水平值η＝∑(i，j)ΔB/min{∑(i，j)B上，∑(i，j)B下}所属的范围，按照以下三种情况分配对应的时隙窗口：
A.-δ≤η≤δ，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝max{∑(i，j)B上，∑(i，j)B下}。；
B.η∈(δ，+∞)，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝∑(i，j)B上；
C.η∈(-∞，-δ)，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝α*∑(i，j)B下，且α*∑(i，j)B下≥∑(i，j)B上，其中α为比例因子且0＜α＜1。
对于δ的取值，可根据实际应用，对上下行匹配水平值的具体要求来取值，一般取值范围为(0，0.2]，δ的取值越小，说明对上下行匹配度的要求就越高。举例来说，当对上下行匹配水平值要求不高时，δ可适当取一个相对较大的值，如0.2；若对上下行匹配水平值要求较高时，δ可适当取一个相对较小的值，如0.1。
所述的上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法中的两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度CL，即由第i个ONU和第j个ONU的时隙窗口组合而成。
从图3、图4以及图5中可以看出，在分配得到的总的时隙窗口长度CL中，ONU的工作方式为：针对其中某一个ONU而言，在这个时隙窗口中，当其发射机开启时，该ONU处于活跃状态；当其发射机和接收机都关闭时，该ONU处于睡眠状态；当其发射机关闭而接收机开启时，该ONU处于监听状态。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)光线路终端OLT在接收到与之相连的光网络单元ONU发送来的报告帧之后，得到上行数据带宽请求B上，光线路终端OLT同时根据本地下行数据缓存情况，得到该光网络单元ONU的下行数据带宽请求B下，计算该光网络单元ONU的上下行数据带宽请求的差值ΔB，即用该光网络单元ONU的上行数据带宽请求B上减去其下行数据带宽请求B下；
(2)光线路终端OLT得到所有的光网络单元ONU的上下行数据带宽请求的差值ΔB之后，对所有差值ΔB进行从正值到负值、从大到小的降序排列，对排序队列中所有光网络单元ONU，从队列两端向中间逐次进行首尾两两配对，并分别计算得到每一光网络单元ONU配对的上下行数据带宽请求差值之和∑(i，j)ΔB＝ΔBi+ΔBj，配对的两个光网络单元ONU上行数据带宽请求之和∑(i，j)B上＝Bi上+Bj上，以及下行数据带宽请求之和∑(i，j)B下＝Bi下+Bj下，其中i和j为配对的两个光网络单元ONU的编号，即配对的第i个光网络单元ONU与第j个光网络单元ONU；
(3)光线路终端OLT按照给定的时隙窗口分配规则，通过向每一个光网络单元ONU发送门帧，为每一个光网络单元ONU分配上下行时隙窗口，所述时隙窗口分配规则为，根据上下行匹配水平值η＝∑(i，j)ΔB/min{∑(i，j)B上，∑(i，j)B下}所属的范围，按照以下三种情况分配对应的时隙窗口：
A.-δ≤η≤δ，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝max{∑(i，j)B上，∑(i，j)B下}。；
B.η∈(δ，+∞)，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝∑(i，j)B上；
C.η∈(-∞，-δ)，其中δ是一个正数，用于限定上下行匹配水平值η的范围，则这两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度为CL＝α*∑(i，j)B下，且α*∑(i，j)B下≥∑(i，j)B上，其中α为比例因子且0＜α＜1。
2.根据权利要求1所述的上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法，其特征在于，所述步骤(2)中的首尾两两配对，是首先将队列中上下行数据带宽请求的差值最大的光网络单元ONU与上下行数据带宽请求的差值最小的光网络单元ONU进行配对，然后将上下行数据带宽请求的差值次大的光网络单元ONU与上下行数据带宽请求的差值次小的光网络单元ONU配对，同理依次将队列中所有的光网络单元ONU进行配对，若队列中光网络单元ONU总数为奇数，剩余的最后一个光网络单元ONU单独成组。
3.根据权利要求1所述的上下行窗口匹配的无源光网络节能带宽分配方法，其特征在于，所述的两个配对的光网络单元ONU总的时隙窗口长度CL，即由第i个ONU和第j个ONU的时隙窗口组合而成。
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