CN114039934B - 一种基于双轮询机制的多业务共存tdm-pon系统的调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于双轮询机制的多业务共存TDM‑PON系统的调度方法，包括：S1、用户端提前上报数据业务信息；S2、CU/DU端生成动态带宽分配决策信息并传输给OLT；S3、OLT通过动态带宽分配决策信息对TDM‑PON系统内的各个ONU进行带宽分配；S4、对轮询周期进行等长分块；S5、对各个ONU中每个轮询周期内到达的数据进行业务分类并进行优先级排序；S6、基于单个轮询周期中进行二次轮询的双轮询机制依次对uRLLC业务、eMBB业务进行第一次轮询、第二次轮询，将uRLLC数据、eMBB数据轮询出来；S8、对所有上行传输完毕的数据包进行上行时延计算。本发明有效保障uRLLC业务的可靠性。

Description

一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法
技术领域
本发明属于光与无线融合接入技术领域，具体涉及一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法。
背景技术
随着第五代移动通信系统(5G)的到来，移动数据流量的井喷式增长、各类新业务的出现、用户需求在数据速率、传输时延、可扩展性等方面的持续递增，这对现有的无线接入网络提出了新的挑战。为了减轻前传网络的带宽压力，在云无线接入网(Cloud RadioAccess Network,C-RAN)基带池化的基础上，不同的功能分割选项将前传网络重新划分基带处理单元(Base Band Unit,BBU)和射频拉远单元(Radio Remote Unit,RRU)的功能。5G的无线接入网从4G/LTE的BBU-RRU两级结构演变成集中式单元(Centralized Unit,CU)、分布式单元(Distributed Unit,DU)、射频单元(Radio Unit,RU)的三级结构。然而，即使采用了功能分割的三级接入网结构，移动前传网络对于带宽的要求仍然很高。
由于移动前传网络对低时延和大带宽的需求，进而对于移动前传的传输网技术的要求也随之提高。在诸多候选方案中，时分复用无源光网络(Time Division MultiplexingPassive Optical Network,TDM-PON)被认为是一种可行的无源解决方案。RRU通过共享TDM-PON的光纤和网络设备，达到经济高效的成本效益。然而，传统TDM-PON的上行传输需要有一个光网络单元(Optical Network Unit,ONU)端向光链路终端(Optical LinkTerminal,OLT)端发送请求(Report)信号和OLT端给各个ONU授权(Grant)带宽信号的过程，因而传统的TDM-PON系统的上行传输的动态带宽分配机制造成的时延大于毫秒级别，这对于未来5G甚至6G移动前传网络的时延需求是不可接受的。
为此，2014年日本NTT实验室提出一种面向无线和光融合的动态带宽分配(mobileDynamic Bandwidth Allocation,mobile-DBA)方案，与传统的动态带宽分配方案不同的是，mobile-DBA方案在用户设备的上行链路数据传输之前处理BBU的调度信息，OLT使用处理后的信息提前进行带宽的分配计算。该方案将上行传输时延降低到传统DBA的约1/20。此外，TDM-PON下行采用广播的方式向各光网络单元(Optical Network Unit,ONU)传输数据，上行采用时分多址的方式进行上行数据传输，每个ONU只在它被授权的时隙内进行数据发送。传统的TDM-PON轮询传输机制使得特定ONU在此次数据传输以后必须要等待周期内的其他ONU完成传输才能开始下一周期的传输。若某个数据在周期的最后到达，则该数据需要其他所有ONU传输完才能得到发送，这会造成很长的排队时延。在5G中有三种主要的业务应用场景，分别是增强型移动带宽(enhanced Mobile BroadBand,eMBB)、大规模机器类通信(massive Machine Type Communication,mMTC)和超低时延高可靠通信(ultra-Reliableand Low Latency Communication,uRLLC)，其中，uRLLC业务对时延要求非常高，端到端通信时延要达到毫秒级。而上述的传统TDM-PON轮询传输机制存在的缺陷明显，无法满足uRLLC业务的时延需求。
本发明将基于TDM-PON的轮询周期等长分块，提出双轮询机制，在传统的上行传输调度机制的基础上，进一步提高uRLLC业务的优先级。试验结果表明，在双轮询机制下，uRLLC业务造成的时延将会比传统的单轮询机制小，同时，双轮询机制相比于单轮询机制更具有应对高负载网络条件的能力。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法，包括以下步骤：
S1、用户端提前上报数据业务信息给集中式单元端及分布式单元端；
S2、集中式单元端及分布式单元端根据用户端上报的数据业务信息提前生成动态带宽分配决策信息，并将动态带宽分配决策信息传输给光链路终端；
S3、光链路终端通过动态带宽分配决策信息对TDM-PON系统内的各个光网络单元进行带宽分配；
S4、对TDM-PON传统的轮询周期进行等长分块；
S5、对各个光网络单元中每个轮询周期内到达的数据进行业务分类并进行优先级排序，uRLLC业务排在eMBB业务前面；其中，uRLLC业务和eMBB业务各自的数据根据到达光网络单元缓冲区的先后时间进行排序；
S6、基于单个轮询周期中进行二次轮询的双轮询机制，在多业务共存的TDM-PON系统中对uRLLC业务进行第一次轮询，根据轮询顺序把各个光网络单元中的uRLLC数据轮询出来；
S7、对eMBB业务进行第二次轮询，根据轮询顺序把各个光网络单元中的eMBB数据轮询出来；
S8、对所有上行传输完毕的数据包进行上行时延计算。
作为优选方案，所述步骤S4中，等长分块的分块数量M取值为4到20范围内的偶数。
作为优选方案，所述步骤S4中，等长分块的分块数量从4依次增加至20，对应地，轮询周期长度Tcycle取值不断减小。
作为优选方案，所述步骤S5中，每个光网络单元中uRLLC业务数据和eMBB业务数据根据泊松分布在每个轮询周期中到达。
作为优选方案，所述步骤S5具体包括：
在每个轮询周期内到达的业务数据，将会进入每个光网络单元的缓冲区等待发送；同时，每个光网络单元的缓冲区会对其内的数据进行优先级排序；
利用L＝{E1,E2,U1,E3,…,En,Um}表示缓冲区内的根据泊松分布到达的数据队列，其中，U表示为uRLLC数据，E表示为eMBB数据，其各自的下标数字代表相应数据进入缓冲区的先后顺序；
各光网络单元中进行优先级排序后的缓冲区数据队列表示为：
L’＝{U1,U2,…,Um,E1,E2,…,En}
其中，n、m分别为数据队列中eMBB数据、uRLLC数据的数量。
作为优选方案，所述步骤S8中，时延计算的计算模型为：
Latency＝Dqueuing+Dprocessing+Dtransport
其中，Dqueuing、Dprocessing和Dtransport分别代表了排队时延、处理时延和传输时延；
所述传输时延为固定值，若前传传输距离为10km，光信号在光纤中的产生时延为5us/km，则传输时延为50us；
所述排队时延是指一个数据包从一个轮询周期到达直至下一轮询周期被发送的时长；
所述处理时延是指发送一个数据包的一个比特开始到最后一个比特结束的时长。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、由于传统的轮询周期时间太长，导致排队时延过大无法满足5G移动前传网络的时延需求。本发明采用对传统轮询周期进行等长分块的方法，将轮询周期减小可以有效减少数据包在移动前传网络中的排队时延。
2、由于传统的单轮询机制中对于uRLLC优先级的处理效果不够显著，本发明提出的基于TDM-PON的多业务共存双轮询机制，通过先将uRLLC业务在第一次业务中轮询出来，提高uRLLC业务的优先级。
3、由于传统的单轮询机制在面对高负载情况下，处于轮询队列末端的ONU可能无法获得带宽资源，这对于这些ONU中的uRLLC业务的可靠性保障是致命的。本发明提出的双轮询机制将uRLLC业务优先级提前，首先给各个ONU内的uRLLC业务数据分配带宽。因此，在面对网络高负载情况下，也会先给uRLLC业务分配宽带，可以有效保障uRLLC业务的可靠性。
附图说明
图1是实施例一提供的基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法的流程图；
图2是实施例一提供的5G移动前传网络结构和基于TDM-PON的上行传输方案示意图；
图3是实施例一提供的mobile DBA方案示意图；
图4是实施例一提供的基于TDM-PON的单轮询调度机制的示意图；
图5是实施例一提供的基于TDM-PON的双轮询调度机制的示意图；
图6是实施例一提供的基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法的仿真实验结果分析图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明的用户端提前上报数据业务信息给集中式单元及分布式单元(Distributed Unit,DU)端，CU/DU端根据用户端上报的数据业务信息提前生成动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation,DBA)决策信息，并将该DBA信息传输给光链路终端(Optical Link Terminal,OLT)，OLT将通过DBA信息对该TDM-PON系统内的所有光网络单元(Optical Network Unit,ONU)进行整体调度。
更具体的，OLT发送给ONU的DBA信息是根据本专利所提出的调度周期等长分块的双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统中的调度算法生成的。作为本专利的创新点，根据传统单轮询机制的缺点，提出了在单个轮询周期中进行两次轮询的双轮询机制。该带宽分配算法内容包含第一次针对uRLLC业务轮询的各ONU传输窗口的开始时间和结束时间，第二次针对增强型移动带宽(evolved-Mobile BroadBand,eMBB)业务轮询的各ONU传输窗口的开始时间和结束时间以及根据等长分块后的轮询周期长度。在第一次轮询中，依据轮询次序将各ONU缓冲区内的uRLLC业务数据包进行排队发送，通过第一次轮询将uRLLC业务的优先级大大提高，保证其拥有充足的带宽资源以保证其可靠性；在第二次轮询中，依据轮询次序将各ONU缓冲区内的eMBB业务数据包进行排队发送，将uRLLC业务放在eMBB业务之前发送可使uRLLC业务数据包的排队时延得到减小，可有效保证uRLLC业务的低时延需求。
本发明的基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法，主要步骤如下：
步骤1，用户端提前上报数据业务信息给CU/DU端；
步骤2，CU/DU端根据用户端上报的数据业务信息提前生成DBA决策信息，并将该DBA信息传输给OLT，以便OLT进行下一步的整体调度；
步骤3，OLT端通过得到的DBA信息对该TDM-PON系统内的ONU进行整体调度，各个ONU都被提前分配了各自的带宽资源，这一步骤可以省去传统的“上报”和“授权”带来的上行传输时延；
步骤4，对TDM-PON传统的轮询周期进行等长分块，分块数量M以4、6、8增加到20(M取4到20之间的偶数)；
步骤5，对各个ONU中每个周期内到达的缓冲区内数据进行业务分类并进行优先级排队，将时延优先级高的uRLLC业务放在eMBB业务前面，以便后续轮询调度；
步骤6，在单个轮询周期中进行第一次轮询，第一次轮询通过轮询顺序把各ONU中的uRLLC业务轮询出来；
步骤7，在轮询周期中进行第二次轮询，第二次轮询通过轮询顺序把各ONU中的eMBB业务轮询出来；
步骤8，对所有上行传输完毕的数据包进行上行时延计算。
在步骤1中，用户端提前上报数据业务信息给CU/DU端；
在步骤2中，CU/DU端根据用户端上报的数据业务信息提前生成DBA决策信息，并将该DBA信息传输给OLT，以便OLT进行下一步的整体调度；
在步骤3中，OLT端通过得到的DBA信息对该TDM-PON系统内的ONU进行整体调度，各个ONU都被提前分配了各自的带宽资源，这一步骤可以省去传统的“上报”和“授权”带来的上行传输时延。根据用户端提前上报的数据信息，OLT会从CU/DU端得到带宽分配信息，OLT通过这个DBA信息对该TDM-PON系统内的ONU进行整体调度。每个ONU会得到两次轮询中发送窗口的开始时间和窗口大小，从而可以很好地避免ONUs在上行传输中造成拥塞；
在步骤4中，对TDM-PON传统的轮询周期进行等长分块，分块数量M以4、6、8增加到20(M取4到20范围内的偶数)，相应地，轮询周期Tcycle取值不断减小；
在步骤5中，本系统中存在两种业务，分别是uRLLC业务和eMBB业务。每个ONU中uRLLC业务数据和eMBB业务数据根据泊松分布在每个轮询周期中到达。其中uRLLC帧长64bytes，eMBB帧长1500bytes。uRLLC业务是零星的，数据量很小，但对时延要求高，eMBB业务量大，对带宽要求不高，虽然在5G移动前传网络中时延要求也是250us，但对于uRLLC业务来讲，其优先级低于uRLLC业务，同时其可靠性要求也没有uRLLC业务高。在每个轮询周期内到达的业务数据，将会进入每个ONU的缓冲区等待发送。本文用L＝{E1,E2,U1,E3,…,En,Um}来表示缓冲区内的根据泊松分布到达的数据队列，其中，U表示为uRLLC数据，E表示为eMBB数据，其各自的下标数字代表该数据进入缓冲区的先后顺序。同时，每个ONU的缓冲区会对缓冲区内的数据进行优先级排序，uRLLC业务数据会放在eMBB业务数据前面。各ONU中进行优先级排序后的缓冲区数据队列可表示为L’＝{U1,U2,…,Um,E1,E2,…,En}。同时根据mobile-DBA，用户设备会提前上报缓冲区的情况给OLT端，OLT端也会给各个ONU发送带宽授权信号。
在步骤6中，进行对所有ONU的第一次轮询调度，第一次轮询的目的是把各ONU内所有的uRLLC数据轮询出来，使缓冲区内的uRLLC数据得到优先发送，数据队列中只剩eMBB数据。
本发明中对各数据包的时延计算提出了计算模型，如下：
Latency＝Dqueuing+Dprocessing+Dtransport
在上述时延计算模型中，Dqueuing、Dprocessing和Dtransport分别代表了排队时延、处理时延和传输时延。其中，传输时延是一个固定值，本发明设置ONU与OLT之间的距离，即前传传输距离为10km，光信号在光纤中的产生时延为5us/km，则传输时延为50us；排队时延是指一个数据包从一个轮询周期到达直至下一轮询周期被发送的时长；处理时延是指发送一个数据包的一个比特开始到最后一个比特结束的时长。
在步骤7中，进行对所有ONU的第二次轮询调度，此时缓冲区数据队列可表示为L＝{E1,E2,…,En}。第二次轮询的目的是将各ONU中的eMBB业务轮询出来。eMBB数据包的时延计算模型和uRLLC业务的时延计算模型一样。
实施例一：
如图1所示，本实施例的基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法，包括以下步骤：
第1步：用户端提前上报数据业务信息给CU/DU端；
第2步：CU/DU端根据用户端上报的数据业务信息提前生成DBA决策信息，并将该DBA信息传输给OLT，以便OLT进行下一步的整体调度；
第3步：OLT端通过得到的DBA信息对该TDM-PON系统内的ONU进行整体调度，各个ONU都被提前分配了各自的带宽资源，这一步骤可以省去传统的“上报”和“授权”带来的上行传输时延；
第4步：对TDM-PON传统的轮询周期进行等长分块，分块数量M以4、6、8增加到20(M取4到20范围内的偶数)，相应地，轮询周期Tcycle取值不断减小；
第5步：对各个ONU中每个轮询周期内到达的数据进行业务分类并进行优先级排序，将时延优先级高的uRLLC业务放在eMBB业务前面，以便后续轮询调度；其中，uRLLC业务和eMBB业务各自的数据根据到达ONU缓冲区的先后时间进行排序；
第6步：根据传统的单轮询机制的缺点，本实施例提出了在单个轮询周期中进行两次轮询的双轮询机制。在多业务共存的TDM-PON系统中将时延要求和可靠性要求高的uRLLC业务进行第一次轮询，将时延要求和可靠性要求宽松的eMBB放在第二次轮询。在单个轮询周期中进行第一次轮询，第一次轮询根据轮询顺序把各ONU中的uRLLC数据轮询出来；
第7步：在轮询周期中进行第二次轮询，第二次轮询根据轮询顺序把各ONU中的eMBB数据轮询出来；
第8步：对所有上行传输完毕的数据包进行上行时延计算。
如图2所示，提供了5G移动前传网络结构和基于TDM-PON的上行传输方案示意图。如图2(a)所示，提供了基于TDM-PON的5G移动前传网络结构，CU、DU和OLT在物理上被放置在一起，同时，ONU被放置在RU的近端。TDM-PON是一个点对多点网络，一个OLT连接着多个ONU，OLT对ONU进行整体调度。如图2(b)所示，用户设备提前给OLT端上报上行传输数据的情况和请求信息，OLT提前给各ONU发送带宽分配授权信息，ONU根据轮询调度顺序上传各自数据，且其中ONU间存在2us的传输保护间隔。
如图3所示，提供了基于mobile DBA的上行传输动态带宽分配算法，其主要思想是：用户设备提前向CU/DU端上行传输任务的信息，CU/DU在收到用户端上报的信息后向OLT端发送DBA信息，OLT再根据DBA信息向每个ONU分配动态带宽。由此，各个ONU在用户端上行数据到达时，可以不用等待传统的“上报”和“授权”过程，这极大地减少了上行传输的时延。
如图4所示，提供了基于TDM-PON系统的传统单轮询机制，在单轮询机制中，只会对所有ONU依次轮询一次，且各ONU内的数据不会进行优先级排列。位于轮询队列末尾的ONU内的uRLLC数据的时延会很大。本实施例针对TDM-PON这一性能缺陷提出了双轮询调度机制。
如图5所示，提供了基于TDM-PON的双轮询调度机制的示意图。图中横向表示时间，纵向表示传输网的空间距离，其中，前传网络ONU到OLT的距离为10km。两条直虚线之间表示一个轮询周期，每个轮询周期内到达的业务数据都会进入每个ONU的缓冲区等待被发送。在下一个轮询周期，第一次轮询会轮询各ONU中的uRLLC业务，每个ONU调度之间有一个2us的保护间隔；第二次轮询周期会轮询各ONU中的eMBB业务，ONU间同样也有2us的保护间隔。
如图6所示，图中DPM代表双轮询机制，SPM代表单轮询机制，UP代表基于单轮询机制下各ONU缓冲区中将uRLLC业务数据排在eMBB业务数据前面的优先级处理。由图6(a)所示，基于双轮询机制的uRLLC业务平均上行传输时延要明显低于基于单轮询机制的uRLLC业务平均上行传输时延，同时，随着ONU数量增加，也就是网络负载加重，双轮询机制下的uRLLC平均时延变化不大，但单轮询机制下的uRLLC业务数据的平均时延则由于网络负载的加重而明显上升。此外，随着1ms轮询周期等长分块数量增加，也就是轮询周期的变短，由于数据包的等待时延不断变小，uRLLC的平均时延也随之下降。图6(b)是uRLLC数据包在轮询周期为100us，ONU数量为8时的时延发生概率分布图，由图可见，采用双轮询机制可使所有数据包时延控制在160us以内，基于单轮询机制的时延发生概率虽也被控制在250us以内，但明显效果差于双轮询机制。如图6(c)所示，由于双轮询机制是将uRLLC业务的优先级提高，那么eMBB业务的优先级自然降低，这是以牺牲eMBB业务的时延为代价换来的，图中，双轮询机制的eMBB业务平均时延要高于两个基于单轮询机制对比方案，但随着周期长度的减小，eMBB业务数据的时延也可以很好地控制在250us以内。
本实施例通过在调度周期等长分块后采用双轮询机制，在单个轮询周期中对所有进行两次分业务轮询，通过双轮询机制提高TDM-PON系统中的对时延要求高的高可靠低时延业务(ultra-Reliable Low Latency Communication,uRLLC)的优先级以减少uRLLC业务的上行时延。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、用户端提前上报数据业务信息给集中式单元端及分布式单元端；
S2、集中式单元端及分布式单元端根据用户端上报的数据业务信息提前生成动态带宽分配决策信息，并将动态带宽分配决策信息传输给光链路终端；
S3、光链路终端通过动态带宽分配决策信息对TDM-PON系统内的各个光网络单元进行带宽分配；
S4、对TDM-PON传统的轮询周期进行等长分块；
S5、对各个光网络单元中每个轮询周期内到达的数据进行业务分类并进行优先级排序，uRLLC业务排在eMBB业务前面；其中，uRLLC业务和eMBB业务各自的数据根据到达光网络单元缓冲区的先后时间进行排序；
S6、基于单个轮询周期中进行二次轮询的双轮询机制，在多业务共存的TDM-PON系统中对uRLLC业务进行第一次轮询，根据轮询顺序把各个光网络单元中的uRLLC数据轮询出来；
S7、对eMBB业务进行第二次轮询，根据轮询顺序把各个光网络单元中的eMBB数据轮询出来；
S8、对所有上行传输完毕的数据包进行上行时延计算；
时延计算的计算模型为：
Latency=D queuing +D processing +D transport ；
其中，D queuing 、D processing 和D transport 分别代表了排队时延、处理时延和传输时延；
所述传输时延为固定值，若前传传输距离为10 km，光信号在光纤中的产生时延为5us/km，则传输时延为50 us；
所述排队时延是指一个数据包从一个轮询周期到达直至下一轮询周期被发送的时长；
所述处理时延是指发送一个数据包的一个比特开始到最后一个比特结束的时长。
2.根据权利要求1所述的一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法，其特征在于，所述步骤S4中，等长分块的分块数量从4依次增加至20，且等长分块的分块数量为偶数。
3.根据权利要求1所述的一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法，其特征在于，所述步骤S5中，每个光网络单元中uRLLC业务数据和eMBB业务数据根据泊松分布在每个轮询周期中到达。
4.根据权利要求3所述的一种基于双轮询机制的多业务共存TDM-PON系统的调度方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：
在每个轮询周期内到达的业务数据，将会进入每个光网络单元的缓冲区等待发送；同时，每个光网络单元的缓冲区会对其内的数据进行优先级排序；
利用L={E1, E2, U1, E3, … ,En, Um}表示缓冲区内的根据泊松分布到达的数据队列，其中，U表示为uRLLC数据，E表示为eMBB数据，其各自的下标数字代表相应数据进入缓冲区的先后顺序；
各光网络单元中进行优先级排序后的缓冲区数据队列表示为：L’={U1,U2, … ,Um,E1,E2, … ,En}；
其中，n、m分别为数据队列中eMBB数据、uRLLC数据的数量。
CN202111227917.1A 2021-10-21 2021-10-21 一种基于双轮询机制的多业务共存tdm-pon系统的调度方法 Active CN114039934B (zh)

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