CN1152489C

CN1152489C - 一种异步转移模式无源光网络动态带宽分配的实现方法

Info

Publication number: CN1152489C
Application number: CNB011161043A
Authority: CN
Inventors: 蒋作谦; 刘耀
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2004-06-02
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: CN1384619A

Abstract

本发明公开了一种异步转移模式无源光网络动态带宽分配的实现方法，是将光线路终端(OLT)与光网络单元(ONU)之间的上行带宽按照各ONU的需求公平地分配给相应的光网络单元(ONU)，关键在于该方法至少包括以下的步骤：a.计算各ONU的基准带宽；b.光线路终端(OLT)根据各个光网络单元(ONU)的基准带宽，均匀的生成光网络单元(ONU)的数据许可；c.光线路终端(OLT)在空闲许可位置按积压信元上报队列的优先级从高到低的顺序依次生成各ONU的数据许可，并将数据许可分给相应的光网络单元(ONU)。采用该方法，可使APON系统在满足带宽分配的同时能提高业务的服务质量。

Description

一种异步转移模式无源光网络动态带宽分配的实现方法

技术领域

本发明涉及ATM无源光网络动态带宽分配方法，特别是指一种采用二次分配带宽的思想实现ATM无源光网络动态带宽分配的方法。

背景技术

随着网络化时代的到来，人们对网络发展的需求与日俱增。用户要求能随时随地的将文本、声音、图像、电视信息传送给位于任何地点的任何人，且要求频带要宽、容量要大，于是，光接入网(OAN)应运而生。OAN是以光纤作为传输媒质，可提供高速数据和宽带业务处理的通信网。具体地说，光接入网就是共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的接入链路群，其中，一个接入链路为一个给定的网络接口(V)和单个用户接口(T)之间的全部传输手段。在光线路终端(OLT)和光网络单元(ONU)之间，也就是在网络侧和用户侧之间，没有任何有源电子设备的光接入网称作基于无源光网络的光接入网，简称为无源光网络(PON)。将基于信元传输的ATM宽带业务与PON技术结合在一起，构成ATM无源光网络(APON)，APON中一个OLT可同时连接多个ONU，因此，APON不仅可更灵活地提供宽带多媒体业务，且允许接入网中的多个用户共享整个带宽。

对于APON，现有的ITU-T标准有G.983.1和G.983.2，分别定义了传输媒介层的规范和高层管理实体接口的规范。其中，传输媒介层又分为传输会聚子层(TC)和物理媒介层两部分。G.983.1对TC层的协议标准中包括一类用于实现OLT和ONU之间动态带宽分配的规范，称作介质访问控制(MAC)协议。

目前，实现带宽分配的方法有多种，但大都基于先进先出(FIFO)算法，例如全程先进先出(Global FIFO)算法、静态分配(Dynamic Allocation)算法、带宽许可规划(BPP，Belt Permit Programming)算法，都是FIFO算法或其改进算法。

FIFO算法的基本思想是在ONU侧将业务信元流按FIFO方式混合排队，ONU根据单位时间内到达的信元数目向OLT申请上行带宽，OLT将收到的各ONU的带宽申请也进行排队，按FIFO方式分配带宽。DynamicAllocation算法和BPP算法本质上是对FIFO算法的改良，只是，DynamicAllocation算法是再利用信元到达速率对带宽分配进行加权，改善了高速突发业务的延时特性；而BPP算法是再利用信元到达时间对带宽分配进行加权，改善了信元流的信元时延抖动(CDV)特性。

考虑到业务的多样性，又进一步出现了按优先级进行FIFO排队的算法，比较好的满足实时业务流的时延要求。该方法是将各个优先级内部单独进行FIFO排队，但优先级队列之间不再遵循先进先出的原则，而是先满足高优先级业务的带宽需求。

但是，上述的几种带宽分配方法在实际应用中均存在着不同程度的问题：FIFO算法本身虽然简单、易于实现，但是，对于不同类型的业务流按FIFO方式混合排队，无法保证服务质量(QOS)。而与FIFO相关的改进算法在ONU往OLT传送业务流的流量参数时会耗费上行带宽，降低上行带宽的利用率，而且接入业务数越多，传递的流量参数所需的带宽就越大，同样会影响QOS。优先级分类算法无法保证低优先级业务的QOS，对同一优先级的业务，也会因流量参数不同而混合排队损伤QOS。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种ATM无源光网络动态带宽分配的实现方法，使得APON系统在满足带宽分配的同时能够保证业务的服务质量，进而提高了业务服务质量。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种ATM无源光网络动态带宽分配的实现方法，是将光线路终端(OLT)与光网络单元(ONU)之间的带宽均衡的分配给相应的光网络单元(ONU)，关键在于该方法至少包括以下的步骤：

a.计算业务的基准带宽；

b.光线路终端(OLT)根据各个光网络单元(ONU)的基准带宽，均匀的生成光网络单元(ONU)的数据许可，然后光线路终端(OLT)判断是否存在空闲许可时隙，如果存在，则执行步骤c，否则，直接将所生成的数据许可发送给光网络单元(ONU)，结束当前流程；

c.光线路终端(OLT)在空闲许可位置按积压信元上报队列的优先级从高到低的顺序依次生成各ONU的数据许可，并将当前生成的数据许可与步骤b中生成的数据许可一起发送给相应的光网络单元(ONU)。

该方法进一步包括设定未指定比特率(UBR)业务连接的基准带宽为零的步骤。

其中，步骤a所述的基准带宽为所有恒定比特率(CBR)业务连接的峰值信元速度与所有可变比特率(VBR)业务连接的平均信元速度之和。所述的可变比特率(VBR)业务包括实时可变比特率(rt-VBR)业务和非实时可变比特率(nrt-VBR)业务。

步骤c所述的积压信元上报是光网络单元(ONU)将业务的积压信元数目通过积压信元上报机制上报给光线路终端(OLT)。所述的业务积压信元数目为未指定比特率(UBR)业务积压信元数、或实时可变比特率(rt-VBR)业务积压信元数、或非实时可变比特率(nrt-VBR)业务积压信元数，或其组合。所述的积压信元上报机制包括未指定比特率(UBR)、实时可变比特率(rt-VBR)和非实时可变比特率(nrt-VBR)三种业务的积压信元上报；且未指定比特率(UBR)、实时可变比特率(rt-VBR)和非实时可变比特率(nrt-VBR)业务的积压信元数目经介质访问控制器(MAC)上报给光线路终端(OLT)。所述的实时可变比特率(rt-VBR)和非实时可变比特率(nrt-VBR)业务信元流是经过整形后再进入到优先级队列中的，优先级队列中信元积压状况由介质访问控制器(MAC)上报给OLT。

由于APON与以太网类似，属于共享介质的网络，需要MAC协议来协调各终端对介质的存取。因此，在完善MAC协议设计时要全面考虑到以下几方面：

首先，APON作为接入网面对的业务流是多样的，除数据业务外，还有传统的语音、视频等实时业务，这类业务对时延、抖动等时间参数具有敏感性，如何尽量减少业务流至少是实时业务流的时延和抖动是设计MAC协议时必须考虑的问题。MAC协议作为整个协议层中的一层，应尽量保证其独立性，功能上不与物理层和ATM层发生混叠，这是通信网络层次性的要求。MAC协议还要确保带宽分配原则在各终端的公平性，即各终端的优先权是一样的，当然不同的业务可以有不同的优先级。

其次，要考虑APON系统的下行信息流和上行信息流。APON系统的下行信息流比较简单，采用广播方式，所有的ONU都能收到OLT发出的全部信息，然后，通过ONU的虚通路(VP)过滤表过滤出ONU本身所需要的信息。OLT通过加密算法来保证信息的安全性，即OLT对每个ONU的信息单独加密，只有对应的ONU才能解密自己的信息。

但是，APON系统的上行信息流则采用基于许可的带宽分配方式，OLT在物理层操作维护管理(PLOAM)时隙中向ONU发送信元许可，包括ATM信元许可、PLOAM信元许可、分离时隙(Divided_slot)许可。ONU收到属于自己的信元许可后，才能在许可对应的位置发送该许可所规定类型的信元。这样，可避免上行信元发生碰撞，并提高信道的利用率和吞吐量。

第三，按照G.983.1的规定，OLT中的MAC控制器在APON的ONU之间以公平的方式来分配上行带宽，并需要信息来执行该项任务。针对此需求，同时，也为了使传输帧结构更适于APON系统中的硬件实现动态带宽分配，本发明采用了一种传输帧结构，其构成如图1所示，设定第一时隙为PLOAM时隙，第二时隙为分离时隙，其余为数据时隙。其中，分离时隙又包括八个微时隙，每个微时隙由七个字节构成，前三个字节为开销字节，后四个字节依次为积压的实时可变比特率(rt-VBR)、非实时可变比特率(nrt-VBR)、未指定比特率(UBR)业务的信元数目，以及对表示积压信元数目的这三个字节的循环冗余校验(CRC)。关于该帧结构的相关内容已经另案申请。

基于以上考虑，本发明的核心思想就是采用“基准+微调”的方法来实现动态带宽分配，具体地说，就是采用两次分配带宽的方法，先根据每个ONU的基准带宽对全部带宽进行一次分配，然后再根据优先级队列的积压信元数对空闲带宽进行二次分配。其中，优先级队列由ONU设定，分别对应CBR、rt-VBR、nrt-VBR、UBR四种业务。

由上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种ATM无源光网络动态带宽分配的实现方法，由于采用了二次分配带宽的方法将空闲的带宽再分配，使带宽得到充分的利用，因此，不仅完善了带宽分配算法，提高了带宽的利用率，同时也保证了各种业务的QOS。

另外，该带宽分配的实现方法更适合LAN业务的接入。因为，LAN在作UBR业务处理时，是一个数据包一个数据包发送的，针对此特点，上报机制按完整的LAN数据包分割成若干个信元上报的，分配算法是一次就让ONU发送完一个LAN的数据包对应的所有信元。因此，适合LAN业务接入。

附图说明

图1为本发明的上行传输帧结构示意图；

图2为积压信元上报机制的结构示意图；

图3为本发明带宽分配方法的操作示意图；

图4为本发明带宽分配方法实现的流程图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下：

APON系统支持四种优先级的业务：CBR、rt-VBR、nrt-VBR、UBR。对应这四种业务ONU系统设置了四个优先级队列：队列1、队列2、队列3和队列4，其优先级顺序为：队列1＞队列2＞队列3＞队列4。其中，CBR业务放在最高优先级队列1中； rt-VBR放在队列2中；nrt-VBR放在队列3中；UBR业务放在最低优先级队列4中。假设某ONU中的CBR业务有N 1条连接，rt-VBR业务有N2条连接，nrt-VBR业务有N3条连接、UBR业务有N4条连接。

对于二次带宽分配而言，积压信元上报是进行二次分配的基础和重要环节，为了能更快、更好的上报积压的业务信元数，本发明按照带宽分配的实现思想定义了新的积压信元上报机制，使带宽分配方法达到最佳。本发明中，ONU就是按照图2所给出的积压信元上报机制，将rt-VBR、nrt-VBR、UBR业务在ONU优先级队列中的积压信元数目同时上报给OLT，以便OLT进行带宽微调。

如图2所示，复用器包括CBR、rt-VBR、nrt-VBR和UBR四个业务入口。其中，由于CBR业务速率恒定，OLT根据其流量参数直接产生许可，无须ONU上报积压的信元数目；UBR、rt-VBR和nrt-VBR业务的积压信元数目经MAC传送给OLT。UBR、rt-VBR和nrt-VBR业务是先进入到优先级队列20中，然后再由MAC将优先级队列20中信元积压的状况上报给OLT。在进入优先级队列20之前，UBR业务信元流不需整形，而rt-VBR和nrt-VBR业务信元流需要整形。整形是为了让信元流平滑输出，使其尽可能以持续信元速率流出。因为，对于一个rt-VBR业务，如果不整形，其瞬间高速信元流会灌入共享队列(所有的rt-VBR业务都共享一个队列)，可能造成队列拥塞，对其它rt-VBR连接造成冲击。为了不影响其它rt-VBR、nrt-VBR业务，rt-VBR、nrt-VBR业务信元流在进入到优先级队列前必须按照其流量参数进行整形。

以LAN对UBR的业务处理为例，本发明的积压信元上报机制是这样的：LAN在作UBR业务处理时，是一个数据包一个数据包发送的。考虑到LAN作为UBR业务实现的情形，UBR积压的信元按第5类ATM适配层技术(AAL5)的方式将帧分割后积压的信元数目上报，比如积压了三个LAN的MAC帧，该三帧分割后的信元数目依次为5、36、100个，第四帧正在接受中，已经接受到10个，但还没有到帧的最后一个信元。这时，上报的积压信元数目为前三帧的信元：5+36+100＝141，第四帧积压的信元暂时不上报，以便OLT按LAN的特性分配UBR业务的带宽。

本发明是根据OLT与ONU建立连接的特性，首先计算出该ONU的基准带宽，然后在该基准带宽下，依据接收到ONU的三个优先级队列中的积压的信元的数目来进行带宽微调，即将带宽二次分配，最大限度地利用APON的带宽共享的特性。其具体的操作至少包括以下的步骤，请参见图3、图4所示：

1)设定UBR业务类型的连接的基准带宽为0，对于ONU的N4条UBR业务的上行带宽完全由“微调”，即带宽二次分配来决定，如此，可充分利用APON的带宽共享特性。

2)OLT根据ONU的各种业务的连接数和连接的流量参数，计算出各种业务的基准带宽：

基准带宽＝N1条CBR业务连接的峰值信元速度(PCR)+(N2+N3)条VBR业务连接的平均信元速度(MCR)。

由于在APON系统中，所有ONU的基准带宽之和应小于系统的上行总带宽，因此，对一个新连接的建立，要通过连接允许控制(CAC)机制来进行控制。所谓CAC就是在新连接加入之前，首先要判断该新连接的加入是否会引起基准带宽大于系统的上行总带宽，如果是则拒绝加入，否则接纳。

3)OLT根据每个ONU的基准带宽，均匀地生成每个ONU的许可。然后，OLT检查是否有空闲的许可时隙?如果没有空闲许可位置，则发送所生成的数据许可给ONU。

4)如果有空闲许可位置，则在空闲许可位置按积压信元上报队列的优先级从高到低的顺序依次生成各ONU的数据许可，然后与步骤3中先生成的数据许可一起发给相应的ONU。换句话说，就是在空闲的许可位置，根据ONU的各优先级队列积压信元的情况进行二次分配，如图3所示。在图3中，上行帧结构40包括53个ATM信元，每个信元内含有三个字节的信元头部开销41，该信元头部开销41由OLT设定。在二次分配中，OLT按积压信元上报队列的优先级从高到低的顺序，在空闲许可位置42依次生成相应ONU的数据许可，即：先对高优先级队列中积压的信元生成数据许可，各ONU中高优先级队列的积压信元的数据许可全部生成后，再对低优先级的积压信元生成数据许可。空闲许可位置42全部分配后，再将两次分配生成的所有数据许可一起发给ONU。

ONU收到许可后，也是首先发送高优先级队列中的信元；如果高优先级队列为空，则发送下一个低优先级队列中信元；如果四个队列都为空，则发送空闲(IDLE)信元。

Claims

1、一种异步转移模式无源光网络动态带宽分配的实现方法，是将光线路终端(OLT)与光网络单元(ONU)之间的带宽公平地分配给相应的光网络单元(ONU)，其特征在于该方法至少包括以下的步骤：

a.计算业务的基准带宽；

2、根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：该方法进一步包括设定未指定比特率(UBR)业务连接的基准带宽为零的步骤。

3、根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：步骤a所述的基准带宽为所有恒定比特率(CBR)业务连接的峰值信元速度与所有可变比特率(VBR)业务连接的平均信元速度之和。

4、根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于：所述的可变比特率(VBR)业务包括实时可变比特率(rt-VBR)业务和非实时可变比特率(nrt-VBR)业务。

5、根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于：步骤c所述的积压信元上报是光网络单元(ONU)将业务的积压信元数目通过积压信元上报机制上报给光线路终端(OLT)。

6、根据权利要求5所述的实现方法，其特征在于：所述的业务积压信元数目为未指定比特率(UBR)业务积压信元数、或实时可变比特率(rt-VBR)业务积压信元数、或非实时可变比特率(nrt-VBR)业务积压信元数，或其组合。

7、根据权利要求5所述的实现方法，其特征在于：所述的积压信元上报机制包括未指定比特率(UBR)、实时可变比特率(rt-VBR)和非实时可变比特率(nrt-VBR)三种业务的积压信元上报；且未指定比特率(UBR)、实时可变比特率(rt-VBR)和非实时可变比特率(nrt-VBR)业务的积压信元数目经介质访问控制器(MAC)上报给光线路终端(OLT)。

8、根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于：所述的实时可变比特率(rt-VBR)和非实时可变比特率(nrt-VBR)业务信元流是经过整形后再进入到优先级队列中的，优先级队列中信元积压状况由介质访问控制器(MAC)上报给OLT。