CN110224755A - 一种5g前传的低时延装置及方法 - Google Patents

一种5g前传的低时延装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5G前传的低时延装置及方法，首先将各个子AAU的上行传输请求汇集到位于网络拓扑结构中央的中心AAU，中心AAU根据各个子AAU的上行传输需求及其对应的ONU，得到各个ONU的上行传输需求，并进行本地动态带宽分配，随后将带宽分配结果生成Grant信息分发至各个ONU，各ONU根据带宽分配结果进行上行数据发送从而避免冲突。

Description

一种5G前传的低时延装置及方法
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种5G前传的低时延装置及方法。
背景技术
在5G通信中，RAN网络将从4G和LTE网络的BBU、RRU两级架构演进至CU、DU、和AAU三级架构。在原先的BBU中的非实时处理部分被分割出来重新定义为集中单元(CentralizedUnit,CU),原BBU中的底层物理层功能与原RRU整合为有源天线处理单元(Active AntennaUnit,AAU)，而原BBU的剩余功能重新定义为分布单元(Distribute Unit,DU)，负责处理高层的物理层协议和实时服务。因此，5G承载网将分成工作在AAU和DU之间的前传网络(Fronthaul)、工作在DU和CU之间的中传网络(Middlehaul)和工作在CU和核心网设备及业务网络中间的回传网络(Backhaul)。
增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)和超可靠低时延通信(uRLLC)是国际电信联盟无线电通信局(ITU-R)定义的三类典型5G业务场景，其中uRLLC主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用，典型的uRLLC类业务诸如自动驾驶、增强现实、虚拟现实和感知网络等基于5G网络得以实现，对传输时延的要求十分苛刻。第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project,3GPP)对uRLLC类业务提出了端到端通信1ms量级时延的要求，在端到端通信时延低至1ms量级的前提下，5G通信对前传网络的传输时延就会变得更加苛刻，下一代移动网络联盟(Next Generation Mobile NetworksAlliance,NGMA)提出前传网络的传输时延应当被控制在250us以内。
在前传网络中，无源光网络(Passive Optical Network,PON)技术由于其低成本、大带宽、长距离、大范围和无源化等优良特性，理所当然的成为了目前最有效最值得研究的方案。PON系统结构主要由位于中心交换局(Central Office,CO)的光线路终端(OpticalLine Terminal,OLT)、用户端光网络单元(Optical Network Unit,ONU)和包含无源光器件的光分配网(Optical Distribution Network,ODN)组成。OLT是核心网络与接入网的连接点，ODN一般由光纤、光连接器和光分路器等无源器件组成，ONU位于用户侧，与用户终端设备直接或间接相连。PON网络一般是采取点到多点通信的树状结构为主，其中基于时分复用技术的TDM-PON由于其较低的成本吸引了越来越多的关注。
TDM-PON在下行方向上采用TDM广播的方式，而在上行方向上为了避免各个ONU之间的冲突，采用时分多址接入的方式复用一个波长通道，为每个ONU分配单独的上行时隙，OLT根据每个ONU的上行需求不同为各个ONU分配适当的上行时隙的过程就是动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation,DBA)的过程。现有的DBA技术，普遍采用OLT端进行带宽分配的方式，即ONU在上行传输数据的过程中需要上报所需带宽的请求，然后由OLT进行带宽计算，分配时隙给该用户进行数据传输，下达带宽分配指令给ONU，ONU根据OLT所分配的时隙传输数据帧。在这个过程中，Report和Grant指令的上报与下发带来的往返时间(Round-Trip Time,RTT)产生了较大的时延，尤其在长距离的PON网络中可能会引入毫秒量级的传播时延，从而大大增加了5G前传网络中的总体时延。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种5G前传的低时延装置及方法，利用光纤与无线混合接入的5G前传网络中密集分布的AAU，实现无需OLT参与的本地动态带宽分配，可以有效降低5G前传网络中动态带宽分配带来的时延。
为实现上述发明目的，本发明一种5G前传的低时延装置，其特征在于，包括：
中心有源天线处理单元AAU，用于汇集各个子AAU的上行传输请求，并根据上行传输请求对各个ONU进行动态带宽分配，再将带宽分配信息下发至各个ONU；
各个子AAU，根据自身缓存区中待发送的数据队列大小，生成自己的上行传输请求，再按照本地存储的路由表向中心AAU发送上行传输请求Report，以及转发其它子AAU的上行传输请求；同时各个子AAU上传自己缓存的上行数据至对应的ONU中的缓存区，等待动态带宽分配的Grant信息；
各个用户端光网络单元ONU，基于光纤无线混合接入网络中的拓扑部署，通过本区域内的子AAU接收来自中心AAU的Grant信息，再遵循Grant信息中的带宽分配结果向OLT上传本区域内的子AAU发送的数据；此外，第一个发送上行数据的ONU对动态带宽分配结果加以封装作为头部信息，并添加在其数据信息的头部，使OLT明确各个ONU上行数据的到达时间；
光线路终端OLT，在每个上传周期内接收位于上行数据之前的头部信息，获取其包含的时隙带宽分配情况，并据此依次接收来自各个ONU的上行数据。
本发明还提供一种5G前传的低时延方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在一个带宽分配周期内，各个子AAU根据缓存区中待发送的数据队列大小，生成自己的上行传输请求，然后按照本地存储的路由表向中心AAU发送上行传输请求Report；同时，各个子AAU上传自己缓存的上行数据至对应的ONU中的缓存区，等待动态带宽分配的Grant信息；
(2)、中心AAU收集到所有子AAU的上行传输请求Report后，根据各个子AAU与ONU的一一对应关系，获取各个ONU的缓存数据量，中心AAU根据各个ONU的缓存数据量为各个ONU进行动态带宽分配；
其中，动态带宽分配结果中第一个发送上行数据的ONU在其数据信息的头部添加此次动态带宽分配的时隙分配信息，使OLT明确各个ONU上行数据的到达时间；
(3)、将各个子AAU的动态带宽分配结果作为Grant信息，再由中心AAU经各个子AAU发送至各个ONU，各个ONU接收到Grant信息后，确认属于各自的上行传输时隙；
(4)、各个ONU在各自的上行传输时隙到来时开始发送上行数据至OLT；
(5)、OLT接收到第一个ONU发送的上行数据后，获取其头部信息，获取此次动态带宽分配中各个ONU发送上行数据的到达时间以及传输窗口，并依次对各ONU发送的上行数据进行接收。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种5G前传的低时延装置及方法，首先将各个子AAU的上行传输请求汇集到位于网络拓扑结构中央的中心AAU，中心AAU根据各个子AAU的上行传输需求及其对应的ONU，得到各个ONU的上行传输需求，并进行本地动态带宽分配，随后将带宽分配结果生成Grant信息分发至各个ONU，各ONU根据带宽分配结果进行上行数据发送从而避免冲突。
同时，本发明一种5G前传的低时延装置及方法还具有以下有益效果：
(1)、本发明利用光纤与无线混合接入的5G前传网络中密集分布的AAU，实现无需OLT参与的本地动态带宽分配，可以避免传统动态带宽分配方案中Report和Grant指令的上报与下发带来的往返时间，从而有效降低TDM-PON架构下5G前传网络中的时延；
(2)、本发明通过实现无需OLT参与的本地动态带宽分配，避免了传统动态带宽分配过程对无源光网络中上行和下行资源的占用，从而有效提高了PON网络和5G前传网络的系统效率；
(3)、本发明通过中心AAU完成动态带宽分配过程并直接告知各个ONU带宽分配结果，使得ONU端无需实现根据缓存区数据量上报上行传输需求的功能，从而降低了ONU的复杂度与成本。
附图说明
图1是本发明一种5G前传的低时延装置一种具体实施方式架构图；
图2是本发明一种5G前传的低时延方法流程图；
图3是各ONU上行数据的数据结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种5G前传的低时延装置一种具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种5G前传的低时延装置，主要包括：中心AAU、各个子AAU、各个ONU和OLT。
在长距离的时分复用无源光网络中，ONU端与OLT端之间有长达100km的单模光纤，DU资源池部署在OLT端，OLT通过100km的单模光纤以及不含有源设备的分线器分别与ONU1、ONU2和ONU3连接，AAU1-7部署在ONU端，AAU1、AAU4分属于ONU1，AAU2、AAU5和AAU6分属于ONU2，AAU3、AAU7分属于ONU3。
在光纤与无线混合接入的5G前传网络中，AAU1-3作为一级AAU部署在相应的ONU处且与ONU直接相连，AAU4-7作为二级AAU，通过无线链路与相应的一级AAU链接，从而间接与ONU连接和通信。因此，AAU1-7通过无线链路形成了一个网状的拓扑结构，互相之间具有信息交换能力且本地存储所需的网络拓扑路由表项，在上行传输中，各个AAU将其上行数据上传至对应的ONU中，ONU经由TDM-PON网络向DU发送数据。
具体讲，中心AAU在传统AAU通信功能之外，还会汇集各个子AAU的上行传输请求，并根据上行传输请求对各个子AAU进行动态带宽分配，再将带宽分配信息下发至各个ONU；在本实施例中，AAU2被设定为中心AAU，相较于其它子AAU，中心AAU具有动态带宽分配功能；值得注意的是，中心AAU可以根据网络拓扑结构调整，原则上一般选择位于网络中央的AAU以最小化时延。
各个子AAU在传统AAU通信功能之外，还会根据自身缓存区中待发送的数据队列大小，生成自己的上行传输请求，再按照本地存储的路由表向中心AAU发送上行传输请求Report，以及转发其它子AAU的上行传输请求；同时各个子AAU上传自己缓存的上行数据至对应的ONU中的缓存区，等待动态带宽分配的Grant信息；
各个ONU相较于传统的ONU，无需实现其根据缓存区数据量向OLT端发送请求信息和接受OLT下发的Grant信息的功能；与之对应地，基于光纤无线混合接入网络中的拓扑部署，通过本区域内的子AAU接收来自中心AAU的Grant信息，再遵循Grant信息中的带宽分配结果向OLT上传本区域内的子AAU发送的数据；此外，第一个发送上行数据的ONU对动态带宽分配结果加以封装作为头部信息，并添加在其数据信息的头部，使OLT明确各个ONU上行数据的到达时间；在本实施例中，各ONU都具有简单的在上行传输数据之前添加包含带宽分配情况的头部信息的功能，不再需要根据缓存区待发送上行数据量向OLT端发起传输请求的功能。
OLT，在每个上传周期内接收位于上行数据之前的头部信息，获取其包含的时隙带宽分配情况，并据此依次接收来自各个ONU的上行数据。在本实施例中，OLT端相较于普通时分复用无源光网络无源光网络中的OLT，不再需要动态带宽分配模块以及给各个ONU下发Grant指令的功能，而只需要实现对头部信息的获取和解读，从而得知带宽分配情况。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种5G前传的低时延方法，包括以下步骤：
S1、Report请求生成与发送
在一个带宽分配周期内，各个子AAU根据缓存区中待发送的数据队列大小，生成自己的上行传输请求，然后按照本地存储的路由表向中心AAU发送上行传输请求Report；同时，各个子AAU上传自己缓存的上行数据至对应的ONU中的缓存区，等待动态带宽分配的Grant信息；
在本实施例中，在一个带宽分配周期内，假设AAU1-7的缓存区中待发送的数据量分别为l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7，则AAUi根据其上行数据需求量li生成相应的Report请求Ri。在AAU网络中，每个AAU本地存储了所有AAU的路由信息，因此可以通过直接发送或者转发的方式向中心AAU发送自己的Report请求Ri，同时各个AAU也负责将收到的其它节点AAU的Report信息转发给中心AAU，因为发送与转发只涉及到信号的接收与发送，无需经过其它处理，所以产生的时延可以忽略。
S2、动态带宽分配
中心AAU收集到所有子AAU的上行传输请求Report后，根据各个子AAU与ONU的一一对应关系，获取各个ONU的缓存数据量，中心AAU根据各个ONU的缓存数据量为各个ONU进行动态带宽分配；
其中，动态带宽分配结果中第一个发送上行数据的ONU在其数据信息的头部添加此次动态带宽分配的时隙分配信息，使OLT明确各个ONU上行数据的到达时间；
在本实施例中，位于网络拓扑结构中央的AAU2接收到来自各个节点AAU的Report请求信息R1-7，通过读取Report信息得到各个节点AAU缓存区中待发送的上行数据量li，再根据本地存储的各AAU与ONU的对应关系，得到ONUi中待发送的上行数据量Li为：
其中，表示ONUi下所部署的包括间接链接的所有AAU的集合。随后，AAU2使用预先设定的动态带宽分配算法与模块，计算出各个ONU的上行传输需求，对此次上行传输周期内的带宽进行分配。
根据不同情况下的具体需求，可以选择不同的动态带宽分配算法，这里选择一种简单的动态带宽分配算法加以说明：
假设此次上行传输周期内总共可用于分配的带宽资源为R，则ONUi可分得的带宽资源Ri为：
这里，M为有上行传输需求的ONU的集合，在本实施例中共有3个ONU。在得出各个ONU所分得的带宽资源后，需要确认此次上行传输周期内各ONU的传输顺序，根据实际情况的不同可以选择不同的排序规则，如环状轮流率先发送。本实施例中，考虑到ONU2距离进行动态带宽分配的节点AAU2的物理距离最近，AAU2所分发的Grant信息将首先到达ONU2，因此固定选择ONU2作为每个上行传输周期内第一个发送上行传输数据的ONU以尽快开始上行传输，其余ONU按照公平原则，使用环状顺序轮流发送，即将剩余ONU以环状编号，以环的顺时针顺序依次发送ONU上行数据，环的起点则随着每次上行传输周期递推。
S3、发布Grant信息
将各个子AAU的动态带宽分配结果作为Grant信息，再由中心AAU经各个子AAU发送至各个ONU，各个ONU接收到Grant信息后，确认属于各自的上行传输时隙；
在本实施例中，在经过动态带宽分配确认了各个ONU分得的带宽资源Ri以及各ONU的上行传输顺序后，根据各个ONU的Ri以及传输顺序可以得到每个ONU的上行传输开始时间和传输时间窗口的大小。
假设经过带宽分配的ONU上传数据顺序分别为ONU1、ONU2和ONU3，则根据它们的上传带宽R1、R2和R3可以得到各ONU的传输时间窗口大小为W1、W2和W3，考虑在两个ONU的数据传输之间引入保护间隔时间t，假设ONU1的上行传输开始时间为T1，则ONU2的上行传输开始时间T2为：
T2＝T1+W1+t
同理，ONU3的上行传输开始时间T3为：
T3＝T2+W2+t
以此可以得到ONUi的上行传输开始时间Ti和传输时间窗口大小Wi。将动态分配结果封装成Grant信息之后，AAU2将Grant指令经由AAU网络分发给各个ONU，各ONU获取Grant信息后得知其所分配到的上行时隙情况。
S4、ONU发送上行数据
各个ONU在各自的上行传输时隙到来时开始发送上行数据至OLT；
各ONU在得知各自的上行传输时隙，且ONU缓存区中已经缓存好待发送的上行数据。在开始上行传输之前，按照带宽分配情况获得第一个上行传输时隙的ONU(在本实施例中是ONU2)，在其待发送上行数据的头部添加包含此次动态带宽分配情况的头部信息即Grant信息，如图3所示，相较于普通的上行传输，率先发送数据的ONU2的数据之前添加了头部信息。
S5、OLT接收上行数据
OLT接收到第一个ONU发送的上行数据后，获取其头部信息，获取此次动态带宽分配中各个ONU发送上行数据的到达时间以及传输窗口，并依次对各ONU发送的上行数据进行接收。
在本实施例中，在OLT端开始接收到来自ONU2的上行数据后，通过对其头部信息的读取获知此次动态带宽分配的结果，即知悉各个ONU的Ti和Wi，从而依次分别接收到各个ONU的上行传输数据，通过本地动态带宽分配的方式实现了TDM-PON中的上行传输。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种5G前传的低时延装置，其特征在于，包括：
中心有源天线处理单元AAU，用于汇集各个子AAU的上行传输请求，并根据上行传输请求对各个ONU进行动态带宽分配，再将带宽分配信息下发至各个ONU；
各个子AAU，根据自身缓存区中待发送的数据队列大小，生成自己的上行传输请求，再按照本地存储的路由表向中心AAU发送上行传输请求Report，以及转发其它子AAU的上行传输请求；同时各个子AAU上传自己缓存的上行数据至对应的ONU中的缓存缓存区，等待动态带宽分配的Grant信息；
各个用户端光网络单元ONU，基于光纤无线混合接入网络中的拓扑部署，通过本区域内的子AAU接收来自中心AAU的Grant信息，再遵循Grant信息中的带宽分配结果向OLT上传本区域内的子AAU发送的数据；此外，第一个发送上行数据的ONU对动态带宽分配结果加以封装作为头部信息，并添加在其数据信息的头部，使OLT明确各个ONU上行数据的到达时间。
光线路终端OLT，在每个上传周期内接收位于上行数据之前的头部信息，获取其包含的时隙带宽分配情况，并据此依次接收来自各个ONU的上行数据。
2.一种5G前传的低时延方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在一个带宽分配周期内，各个子AAU根据缓存区中待发送的数据队列大小，生成自己的上行传输请求，然后按照本地存储的路由表向中心AAU发送上行传输请求Report；同时，各个子AAU上传自己缓存的上行数据至对应的ONU中的缓存区，等待动态带宽分配的Grant信息；
(2)、中心AAU收集到所有子AAU的上行传输请求Report后，根据各个子AAU与ONU的一一对应关系，获取各个ONU的缓存数据量，中心AAU根据各个ONU的缓存数据量为各个ONU进行动态带宽分配；
其中，动态带宽分配结果中第一个发送上行数据的ONU在其数据信息的头部添加此次动态带宽分配的时隙分配信息，使OLT明确各个ONU上行数据的到达时间；
(3)、将各个子AAU的动态带宽分配结果作为Grant信息，再由中心AAU经各个子AAU发送至各个ONU，各个ONU接收到Grant信息后，确认属于各自的上行传输时隙；
(4)、各个ONU在各自的上行传输时隙到来时开始发送上行数据至OLT；
(5)、OLT接收到第一个ONU发送的上行数据后，获取其头部信息，获取此次动态带宽分配中各个ONU发送上行数据的到达时间以及传输窗口，并依次对各ONU发送的上行数据进行接收。
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