CN116319346A - 基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，属于动态带宽调度领域，主要提供了一种多业务场景下可满足时延敏感业务需求的动态带宽分配方法。该方法包括：依据部分预测与“请求——应答”机制相结合的方式为时延敏感业务分配带宽；在负载较大时，依据最大最小公平算法对非时延敏感业务进行带宽分配；基于聚类算法依据ONU的带宽需求对ONU进行分组；采用分组调度方式生成ONU的时隙调度方案。上述方法能够使得ONU的传输顺序在一段时间内仅在组内进行改变，有效降低了ONU中时延敏感业务的时延并实现了抖动的确定性，从而使得多业务场景下时延敏感业务的需求得以满足且高负载下非时延敏感业务传输时ONU的饥饿问题得以避免。

Description

基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法

技术领域

本发明涉及光接入网中时延敏感业务的动态带宽调度方法，特别涉及多业务情景下考虑时延、抖动以及公平性的动态带宽分配方法。

背景技术

随着工业互联网的不断发展，时延敏感业务对时延和抖动的需求日益增加，同时，业务类型的多样化使得网络需要兼顾各业务不同的服务需求。如何在满足多业务场景下不同业务的服务需求的同时使得时延敏感业务的时延和抖动得到保证，对当前光接入网意义重大。

无源光网络(passive optical network,PON)作为一种高速宽带接入技术目前得到快速发展，PON系统是由光网络终端(optical line terminal,OLT)、光网络单元(optical network unit,ONU)和光分配网络(optical distribution network,ODN)组成点对多点网络拓扑结构，其通常采用动态带宽分配机制(DBA)来保证上行传输过程中数据的有序传输。传统的DBA算法通过“请求——应答”机制实现ONU之间的业务的准确传输，能够更好提高带宽利用率以及业务传输的灵活性。然而，传统的动态带宽调度机制是以牺牲时延为代价换取带宽利用率提高的，并不能满足当前多业务场景下时延敏感业务的需求。一方面因为“请求——应答”机制的应用必定会导致至少三个周期的时延；另一方面业务的精细化以及带宽需求的增加使得网络中的带宽资源紧缺，无法使得各个业务都能够很好地满足其业务需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是时延敏感业务的时延与抖动较高以及高负载下ONU饥饿的问题，提出了一种面向时延敏感业务的公平性动态带宽调度方法，有利于降低时延敏感业务的时延和抖动并提高ONU之间的公平性。

第一方面，本申请提供了一种时延敏感业务带宽分配的方法，该方法包括：OLT获取ONU的需求带宽，根据需求带宽，对请求带宽发送后以及下一周期的上行传输窗口开启前所到达的数据包进行流量预测，生成预测带宽，将预测带宽与需求带宽的总和作为ONU的分配带宽，使得OLT为该ONU中时延敏感业务分配的带宽能够最大程度满足此刻ONU中待传输数据包的带宽需求。

例如，在EPON中，ONU发送REPORT帧至OLT，所述需求带宽被封装进REPORT帧中，随着上行时延敏感业务上传至OLT，OLT根据REPORT帧中ONU的需求带宽对REPORT帧发送后ONU传输窗口开启前所到达ONU的数据包大小进行预测，从而生成预测带宽。

在第一方面所描述的方法中，对请求带宽发送后以及下一周期的上行传输窗口开启前到达的数据包大小进行预测时，根据历史流量与负载之间的关系，得出负载与一个DBA周期内到达ONU的数据包大小的关系表达式，根据此刻需求带宽得出当前网络负载并将其代入上述表达式，依据所得数据包大小生成预测带宽，从而更好地满足此刻ONU中待传输数据包的带宽需求。

第二方面，本申请提供了一种基于公平性的非时延敏感业务带宽分配方法，该方法包括：OLT获取ONU的需求带宽，根据非时延敏感业务的需求带宽，计算该ONU中在高负载下能够获得的带宽大小，对ONU中较非时延敏感业务的数据包进行带宽分配。

在第二方面描述的方法中，OLT依据需求带宽判断对非时延敏感业务进行带宽分配。首先判断当前周期中，时延敏感业务带宽授予完成后，所剩余的带宽是否能够满足所有ONU中非时延敏感业务的带宽需求，若剩余带宽小于需求带宽，则采用最大最小公平算法为非时延敏感业务分配带宽；否则，则根据带宽请求为非时延敏感业务进行带宽分配。

在第二方面描述的方法中，最大最小公平算法在分配时先将剩余带宽平均分配给各个ONU，若各个ONU此刻所得的带宽大于其需求带宽，则为ONU分配其需求带宽，将多出的带宽算入剩余带宽中；若各个ONU此刻所得的带宽小于其需求带宽，则先不给予其带宽分配。一个轮询周期后，再次将剩余带宽平均判断是否能满足ONU的需求，依次类推，直至剩余带宽为零，所有ONU带宽分配完成。该方法能够在考虑其带宽需求的基础上，最大程度地将剩余带宽平均分配给各个ONU，使得各个ONU不论其带宽需求为多少均能够传输一部分的数据，避免了负载较高时部分ONU的饥饿问题。

第三方面，本申请提供了一种时隙调度方法，该方法包括：时延敏感业务与非时延敏感业务的传输窗口分隔，先传时延敏感业务的数据包，再传输非时延敏感业务的数据包。在各个优先级的传输窗口中，将此刻所接入的ONU分为不同的组进行传输。组间依据不同组的需求带宽大小和带宽的稳定性将带宽需求小、稳定性高的组别先行传输；组内依据OLT的授予带宽对各组内ONU按从小到大顺序进行排序，从而生成整个DBA周期中各ONU各业务的传输顺序。依据以上所得的传输顺序，计算各个ONU中各个业务传输的开始时间以及传输时间，从而完成时隙调度工作，很好地兼顾了各业务的时延和抖动需求。

在第三方面所描述的方法中，对ONU的分组采用聚类算法完成，依据历史m个DBA周期中各个ONU的需求带宽大小，将需求相近的ONU以及需求互补的ONU分入同一组中。此处的需求相近指的一段时间内数据的总体趋势相近例如方差等数据特征，需求互补指的是尽管单个ONU的带宽需求差别很大，但是整体的带宽之和在一段时间内呈现稳定趋势。且一旦分组完成，接下来的m个DBA周期的分组方式均不改变。从而使得各个ONU的传输顺序在随后的m个DBA周期中仅在其所在的组中变化，该组整体的需求带宽保持稳定，尽可能地降低了ONU的抖动。

在第三方面所描述的方法中，ONU在时延敏感业务传输完成后向OLT发送上行请求带宽，使得OLT可以在非时延敏感业务上行数据传输的过程中进行DBA计算以及下行数据的传输，从而大大提高了带宽利用率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种多业务场景下可满足时延敏感业务需求的动态带宽分配方法，能够使得ONU的传输顺序在一段时间内仅在组内进行改变，有效降低了ONU中时延敏感业务的时延并实现了抖动的确定性，从而使得多业务场景下时延敏感业务的需求得以满足且高负载下非时延敏感业务传输时ONU的饥饿问题得以避免。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种动态带宽分配方法的流程示意图；

图2是本申请实施例提供的一种分组调度方法示意图；

图3是本申请实施例提供的一种动态带宽分配机制中时隙分配示意图；

图4是本申请实施例提供的一种动态带宽调度机制中上下行传输时隙示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

图1是本申请实施例提供的一种动态带宽分配方法的流程图。如图1所示，该方法包括S102至S111。

在步骤S102，DBA上行传输开始后，PON系统按照默认的上行机制和ONU的上传顺序运行，将当前时刻的上行数据包和请求带宽发送至OLT。OLT收到从ONU发送过来的上行数据和请求带宽，分析请求带宽中各个ONU的需求带宽，将时延敏感业务和非时延敏感业务的需求带宽区分开来。

例如：在GPON中，每一个DBA周期到达时，OLT获取当前周期配置的业务等级参数(简称SLA)，然后根据该SLA参数更新T-CONT参数，其中，T-CONT的参数主要包括：T-CONT类型、ONU标识ID、ALLOC-ID、固定带宽(Fix Bandwidth)、保证带宽(Assured Bandwidth)和最大带宽(Maximum Bandwidth)等。

在这里，本申请采用离线调度的方式，等待各个ONU的请求带宽均传输至OLT后，OLT对各个ONU传来的数据包进行分析。与在线调度机制相对比，本方法所采用的离线调度能够在兼顾各个ONU传输需求的同时降低系统总的时延，并提高了带宽利用率。

在步骤S103，根据OLT收到的各个ONU中时延敏感业务的带宽需求，对时延敏感业务进行带宽分配。

在这里，对时延敏感业务进行带宽分配时，OLT在接受到ONUs的带宽请求后，对时延敏感业务进行超前分配，即通过预测请求带宽发送后以及下一周期的上行传输窗口开启前到达ONU的数据包，使得下一周期为ONU中时延敏感业务所分配的带宽能够最大程度传输所有目前到达ONU的数据。具体预测方法如下，根据网络当前负载和到达ONU的时延敏感业务数据包大小的关系生成最佳拟合函数，并将当前的负载值代入拟合函数中，从而获得下一周期中时延敏感业务的带宽预测值。将带宽预测值与请求带宽中的需求带宽相加，即为此刻分配给各ONU的时延敏感业务带宽。

在步骤S104，根据OLT收到的各个ONU中非时延敏感业务的带宽需求，对非时延敏感业务进行带宽分配。

在这里，对非时延敏感业务进行带宽分配时，OLT在接受到ONUs的带宽请求后，先判断当前周期内剩余带宽是否能满足所有非时延敏感业务的带宽需求，此处所述剩余带宽即DBA周期的带宽容量与授予时延敏感业务的带宽之差。将该结果与非时延敏感业务需求带宽做对比，若是剩余带宽大于需求带宽，则依据步骤S106所示直接依据需求带宽为非时延敏感业务分配带宽；若是剩余带宽小于需求带宽，则依据步骤S105所示依据最大最小公平算法为非时延敏感业务分配带宽。

在步骤S105，依据最大最小公平算法为各个ONU分配带宽。首先将此刻的剩余带宽平均分配给每个ONU，若带宽需求小于此刻平均分配的带宽，则计算其剩余带宽，并将其平均剩余带宽分配给需求还未满足的ONU。再次判断平均分配给各ONU的带宽能否满足当前ONU的带宽需求，若是能够满足，则计算其剩余带宽，将剩余带宽再分配给需求未满足的ONU；以此类推，直至剩余带宽为零。

在步骤S107，本申请根据各个ONU的历史带宽需求，对ONUs进行分组。

这里，对ONU的分组采用聚类算法，依据历史m个DBA周期中各个ONU的需求带宽大小，将需求相近的ONU以及需求互补的ONU分入同一组中。

例如，可以依据历史10个DBA周期时间段内各个ONU在各个周期的带宽需求，将方差相近的、需求带宽大小互补的ONU分入一个组中，使得同一组中各个ONU带宽的变化趋势类似且带宽之和趋于一个固定的数，并且在接下来的10个DBA周期中分组的方式不改变，即分组周期为10，10个周期结束后，再依据历史带宽需求进行分析，从而生成下一周期的分组方式。从而保证了ONU的时延在一定范围内进行变化，有效地降低了ONU的抖动。

此时对ONU分组时是对时延敏感业务与非时延敏感业务各自进行分组，即分组后会产生两组分组结果分别为时延敏感业务分组结果与非时延敏感业务分组结果。

步骤S108，依据步骤S107所生成的时延敏感业务分组结果，先根据时延敏感业务的需求带宽，为ONU进行排序。

例如，若将ONU分为4组，排序的具体方式如图2所示，随机状态下，简单的通过各个ONU的序号将ONU分为一组，如图2(a)所示，组内的ONU的带宽需求可能相差甚远，且传输时也仅仅依据ONU序号按顺序传输，组与组之间的排序方式也与各个组的带宽需求无关，不能达到分组以降低抖动的目的。因此，本申请提出了如图2(b)所示分组调度示意图，图中Rn代表不同ONU的带宽需求。该时隙调度方法将一段时间内所需带宽方差小、带宽需求较小的组在DBA周期前期进行传输，方差大、带宽需求大的组在DBA周期后期进行传输，从而尽可能降低各ONU中各业务的抖动。

在图2(b)中，此处R5、R6、R7在历史周期中带宽需求较为稳定，且其三者的和趋于一个稳定值，与其余组相比带宽需求最小。因此，在上行传输窗口开启后，最先传输该组所包含的各个ONU的数据包。并且在传输时，因为ONU5的需求带宽小于ONU7和ONU6的需求带宽，为降低整体的平均时延，组内按照需求带宽的大小依次传输。而在cluster2与cluster3中，尽管历史周期中各个ONU的带宽需求变化幅度均较大(相较于cluster1)，但是其方差相近且其带宽之和均趋于一个固定值。因此，按照整组的带宽需求大小，先传带宽需求较低的cluster2，再传带宽需求较高的cluster3。最后，将历史周期中带宽需求变化幅度大的剩余ONU集合成组最后传输。Cluster2和cluster3的组内ONU依旧按照授予带宽从小到大的顺序依次传输。完成以上所述组内与组间的排序，即可生成时延敏感业务的传输序列。

步骤S109，依据步骤S107所生成的非时延敏感业务分组结果，根据非时延敏感业务的需求带宽，为ONU进行排序。具体的排序方式与S108中所述时延敏感业务排序方式类似，依据带宽大小与方差，将带宽需求小且带宽需求稳定的ONU优先传输，生成非时延敏感业务的传输序列。

在步骤S110中，依据步骤S108与S109生成的时延敏感业务传输序列以及非时延敏感业务传输序列，先为时延敏感业务分配时隙，再依据剩余带宽为非时延敏感业务分配时隙。其具体的时隙分配如图3所示，此处以时延敏感业务分2组以及非时延敏感业务分4组为例。

步骤S111，将步骤S110中所生成的各个ONU的上行业务传输时隙随下行数据发送至ONU中。图4为上下行传输时隙示意图，如图可以看出，DBA周期的计算与下行数据传输是在非时延敏感业务上行数据传输时进行的，由此大大提高了DBA周期内的带宽利用率。

在本申请的实施例中，若DBA周期刚开启，则前m个周期不进行本方法所述的预测与分组方法，采用“请求——应答”机制且不对ONU进行分组，其余流程均采用本发明所述方法。

在本申请的实施例中，可依据实际需要对本申请实施例方法继续按顺序整合、合并和删减。

以上所述，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，其特征在于：包括：

在DBA周期结束时，OLT获取各个ONU的需求带宽；

OLT根据各个ONU的带宽需求，针对于时延敏感业务和非时延敏感业务采用不同的方式进行带宽分配，得出每个ONU中各业务下一周期所能获得的带宽；

根据OLT计算得出的各个ONU各个业务下一周期所能获得的带宽，为各个ONU中各业务分配传输时隙，包括：时延敏感业务与非时延敏感业务的传输窗口分隔；在各自的传输窗口中，以分组后整组带宽尽可能保持稳定为目标，将符合条件的ONU分入同一组中。

OLT依据分组结果为各个ONU中各业务分配时隙，该时隙包括各个ONU中各业务传输的开始时间以及传输时间。

2.根据权利要求1所述的基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，其特征在于：根据ONU需求带宽对时延敏感业务该周期内的授予带宽进行超前分配，包括：

ONU将其需求带宽传输至OLT后，OLT获取到所需求带宽，并依据当前的需求带宽对请求带宽发送后以及下一周期的上行传输窗口开启前到达ONU的数据包大小进行预测，从而生成预测带宽，所述预测带宽与需求带宽之和即为分配给时延敏感业务的总带宽。

3.根据权利要求2所述的基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，其特征在于：依据当前带宽需求对请求带宽发送后以及下一周期的上行传输窗口开启前到达ONU的数据包大小进行预测的方法，包括：

通过对历史流量中每个DBA周期的负载与数据包大小关系进行分析，得出负载与一个DBA周期内到达ONU的数据包大小的关系表达式，根据此刻需求带宽得出当前网络负载并将其代入上述表达式，得到当前周期内请求带宽发送后以及下一周期的上行传输窗口开启前可能到达ONU的数据包大小，依据可能到达的数据包大小生成预测带宽。

4.根据权利要求1所述的基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，其特征在于：对高负载下的非时延敏感业务采用最大最小公平算法进行带宽分配，包括：

根据OLT获取到的非时延敏感业务的需求带宽，判断当前状态下，剩余带宽是否能够满足非时延敏感业务全部的需求，所述剩余带宽为该周期内所能传输的总带宽与时延敏感业务所分配带宽之差；若剩余带宽大于需求带宽，则非时延敏感业务授予带宽等于当前需求带宽；若剩余带宽小于需求带宽，则依据最大最小公平算法，将剩余带宽最大限度平均地分配给各个ONU。

5.根据权利要求4所述的基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，其特征在于：利用最大最小公平算法分配带宽，包括：

首先，判断将剩余带宽平均分配给各个ONU是否可以满足各个ONU的需求，若ONU需求较大，则先不给予其带宽；反之，若ONU需求小于平均带宽，则为ONU分配其请求带宽，将多出的带宽算入剩余带宽中；再将剩余带宽平均判断平均剩余带宽是否能满足ONU的需求，依次类推，直至剩余带宽为零，所有ONU带宽分配完成。

6.根据权利要求1所述的基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，其特征在于：依据各ONU一段时间内的带宽需求对ONU进行分组，包括：

依据ONU的需求带宽，将时延敏感业务和非时延敏感业务分开传输，有效保证了各类业务的性能要求；在各业务的传输窗口内，依据历史DBA周期中各个ONU的请求带宽大小，通过聚类算法将带宽需求相近以及带宽需求互补的ONU分入同一组中；所述需求相近主要是指整体变化趋势类似，所述需求互补主要是指所需带宽需求大小互补。

7.根据权利要求1所述的基于分组的时延敏感无源光网络的动态带宽调度方法，其特征在于：基于分组升序的时隙调度方法，包括：

依据所得出的分组结果，计算每一组的带宽需求总和以及每一组一段时间内所需带宽的方差等数据特征，依据上述两个特征进行组间排序，先行传输带宽需求小、带宽需求稳定的组；对于单独一个组而言，依据OLT授予该组内ONU的带宽对ONU从小到大依次排序；依据组间与组内排序相结合，生成该周期内ONU的传输顺序，并依据所述传输顺序，依次计算所需时间，生成该周期内的时隙调度方案。

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