CN1346182A - 异步转移模式无源光网络的部分反压传输技术 - Google Patents

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Abstract

对于用户网接口(UNI)卡(例如,以太网UNI卡)或非恒定比特率源的其他网络接口卡产生的业务,利用部分反压(PBP)技术可以获得ATM－PON中上游业务的高效传输和公平性保证。PBP技术利用优先级队列与客户侧接口装置(例如,光网络终端单元)的UNI卡之间反馈流控制机构,可以获得改进的输入业务的传输效率和公平性保证。基于来自接口装置的反馈信息,动态地控制UNI卡的峰值上游速率,其中队列状态监测器观察优先级队列中的业务电平。

Description

异步转移模式无源光网络的部分反压传输技术
本发明一般涉及异步转移模式(ATM)通信系统，具体涉及利用无源光网络(PON)的ATM通信系统。
在光纤到家(FTTH)/先纤到大楼(FTTB)的环境下，异步转移模式-无源光网络(ATM-PON)被认为是解决光纤基接入网通信到终端用户的一个有前途的方法。许多ATM-PON利用树形布局，其中无源光分路器/合并器在下游方向提供广播，而在上游方向提供合并。光分路器/合并器通常在上游方向耦合到单个光线路终端单元(OLT)和在下游方向耦合到多个光网络终端单元(ONT)，因此产生树形布局。OLT提供光接入网的网络侧接口，而ONT提供到光接入网的客户侧接口。因为来自ONT的所有输入ATM信元组合成一个信元流，通过光合并器路由到OLT；除非利用适当的预防机构，在来自不同ONT的上游(ONT到OLT)信元中就可能发生冲突。
利用授权分配技术以控制来自各个ONT的上游信元转移，其中从OLT给ONT的允许授权是在特定的时隙发送一个上游信元。许多厂家和标准化组织所考虑的通用方法是per-QoS(服务质量)级业务控制，其中给ONT中的每个QoS级提供一个队列，简单的调度程序在各个队列中提供优先化的服务。一种现有技术ONT结构包括：ONT中有物理存储器的两个用户网络接口(UNI)卡，配置成若干个队列以适应不同的服务级。一个典型的优先级队列配置分配CBR(恒定比特率)业务给第一优先级队列，分配实时VBR(可变比特率)业务给第二优先级队列，分配非实时VBR业务给第三优先级队列，分配ABR(现有的比特率)业务给第四优先级队列，和分配UBR(未规定的比特率)给第五优先级队列。在接收到正常数据授权时，服务器扫描第一优先级队列，并发送任何现有的信元。否则，服务器扫描下一个队列，并重复扫描到第五优先级队列，直至它找到待发送的信元。按照这种方法，可以保证具有较高优先级的队列在较低优先级的队列之前接收到服务。若仅仅利用具有这种优先级队列方案的数据授权，则可能发生所谓的饥饿效应。例如，若出现任何非一致性的贪婪业务到达一个较高优先级的队列，则较低优先级队列中的信元不能接收到适当量的服务，即使它符合业务合同。为了避免这种饥饿效应和提供适当量的服务给较低优先级队列中的信元，可以利用带标记的授权(它是特殊的数据授权)。在从OLT接收到带标记的授权时，服务器开始扫描各个队列，例如，不是从第一优先级队列而是从第三优先级队列开始扫描。
与ONT中这种per-QoS级业务控制有关的一个问题是，当多个UNI用于相同的ONT中时，在各个UNI(例如，以太网UNI)之间缺乏公平性保证。因为具有相同QoS级(例如，ABR和UBR)的所有输入业务存储在相同的优先级队列，且在没有任何连接概念下由调度程序给以处理，可能会有这样一种情况，当其他终端用户的业务率非常高时，一些终端用户的业务不能得到有保证的服务量。所以，在ONT内部应当实现某种机构，使相同ONT中各个以太网UNI之间获得公平性。
基于上述ONT结构和利用带标记授权以解决公平性问题的一种技术，它有分配到不同优先级队列的两个以太网UNI的业务流，即，一个分配到高优先级队列，另一个分配到低优先级队列。利用两种不同的授权以隔离两个业务流，一种是正常数据授权，另一种是带标记授权。于是，OLT能够直接控制相同ONT中具有不同授权的两个以太网UNI，并在它们之间提供公平性。
这种二队列方案有若干个缺点。例如，二队列方案通常导致低效率和不对称的利用带宽。就是说，与较高优先级队列相关的业务流不能共享分配给其他业务流(即，带标记授权)的带宽，而较低优先级队列的业务流能够共享分配给较高优先级队列的业务流(即，数据授权)的带宽。所以，浪费了某些部分的带宽。即使具有相同的授权率，实际发射的两个业务流量可能是不同的，除非在接收到数据授权时，较高优先级队列中总是有信元。
另一个缺点是利用非标准化带标记授权。这种技术不能用于这样的情况，一个厂家的ONT与不支持带标记授权的其他厂家OLT结合使用。最后，二队列方案适合于差的缩放性。例如，二队列方案能够适用于一个ONT中两个以太网UNI卡，其中每个以太网UNI可能仅有一个业务流，即，虚信道。然而，若一个ONT支持多于两个以太网UNI卡，或每个以太网UNI卡能够支持多于一个业务流，则二队列方案不再适用。
对于用户网接口(UNI)卡(例如，以太网UNI卡)或非恒定比特率源的其他网络接口卡产生的业务，利用部分反压(PBP)技术可以获得ATM-PON中上游业务的高效传输和公平性保证。PBP技术利用优先级队列与客户侧接口装置(例如，光网络终端单元)的UNI卡之间反馈流控制机构，可以获得改进的输入业务的传输效率和公平性保证。基于来自接口装置的反馈信息，动态地控制UNI卡的峰值上游速率，其中队列状态监测器观察优先级队列中的业务电平。在达到优先级队列中指定的阈值电平之后，状态监测器触发UNI卡的上游输出中速率控制器的激活。速率控制器减小UNI卡的峰值输出到受控的峰值速率。一旦队列电平减小到第二阈值电平以下时，状态监测器去激活速率控制器。
根据以下对本发明的详细描述并结合附图可以获得对本发明更完全的了解，相同的参考数字表示相同的单元，其中：
图1是配置成树形拓扑的ATM无源光网络(PON)的典型实施例；
图2是用于无源光网络的光线路终端单元(OLT)的典型方框图；
图3是用于无源光网络的光网络终端单元(ONT)的典型方框图；和
图4-5说明按照本发明用于ONT内部的部分反压技术的使用。
在光纤到家(FTTH)/光纤到大楼(FTTB)的环境下，在与终端用户通信的光纤基接入网中采用异步转移模式-无源光网络(ATM-PON)。图1表示配置成基本树形布局的ATM-PON 10。无源的光分路器/合并器12在上游方向耦合到单个光线路终端单元(OLT)14和在下游方向耦合到多个光网络终端单元(ONT)16。无源的光分路器/合并器12在下游方向提供广播，而在上游方向提供合并。在图1所示的典型ATM-PON中和按照ITU-T建议书G.983-1和983-1(部分的全业务接入网(FSAN)建议)，OLT14提供光接入网的网络侧接口，而ONT16提供到光接入网的客户侧接口。
参照图2，它表示典型OLT14的方框图。OLT14通常经标准化接口22(例如，VB5.x，V5.x，NNI)耦合到交换网络20。在分配侧24，OLT按照一致的要求，例如，比特率或功率预算，提供多个光接入。OLT14一般包括：服务端口26，光配线网(ODN)接口28，和VP管理的MUX30，以及电源和操作，管理和维护功能32。可以理解，所示的组合并不排除OLT中的虚信道(VC)层功能。
一般地说，服务端口26连接到网络中的服务节点。服务端口插入ATM信元到上游同步数字系列(SDH)有效负荷和从下游SDH有效负荷中提取ATM信元。MUX 30在服务端口26与ODN接口28之间提供VP连接，给不同的VP分配不同的服务。利用VP的各个VC交换各种信息，例如，主目录，信令，和OAM流。在ODN接口28中，PON线路终端处理光电子转换过程。ODN接口28插入ATM信元到下游PON有效负荷和从上游PON有效负荷中提取ATM信元。
ATM-PON中的OLT14通过发出授权命令完全控制ONT中的上游业务。利用授权分配技术控制从ONT16到OLT14的上游信元传递。授权分配技术对于协调来自各个ONT的信元传输是必需的，因为在给定的时隙，一个ONT不知道其他的ONT是否发射信元或不发射信元。应该明白，在一个特定的时隙，给发送上游信元的ONT一个允许授权。授权是在下游物理层操作和维护(PLOAM)信元中传递的。当目前的ITU建议书规定每个ONT一次有一个数据授权。由于每个ONT仅有一个数据授权，OLT控制上游业务不是基于每个连接而是基于每个ONT。理想的是，ONT依靠自己处理给它的每个连接，这就限定该ONT中每个连接排队和调度方案的实施。然而，ATM-PON中主要关心的是系统的整体经济。在这个方面，由于部署了大量的ONT，大量ONT是经济的主要目标，ONT的复杂排队和调度方案就没有实际意义。
图3表示ONT16的典型功能方框图。ONT16是有源装置，它把内部网络布线设备耦合到接入网。ONT16一般包括：光配线网(ODN)接口40，用户端口42，传输，服务和客户复用(MUX)/分用功能44，以及电源和操作，管理和维护功能46。ODN接口40处理光电子转换过程，其中ODN接口从下游PON有效负荷中提取ATM信元和基于从下游帧定时获得的同步，插入ATM信元到上游PON有效负荷。如图所示，复用器(MUX)44耦合和复用服务接口到ODN接口40。因为仅仅合法的ATM信元可以传输通过MUX44，许多VP可以有效地共享分配的上游带宽。应当明白，用户端口42通过UNI连接到一个或多个终端用户装置，例如，计算机终端，LAN的集线器/网桥和/或视频广播电视。用户端口42插入ATM信元到上游有效负荷和从下游有效负荷中提取ATM信元。
如在背景部分中所讨论的，许多厂家的ONT16中per-QoS级业务控制的一个重要问题是，在利用多个UNI时，相同ONT中各个以太网UNI卡之间缺乏公平性保证。因为相同QoS级(例如，ABR和UBR)的所有输入业务存储在相同的优先级队列中，且在没有任何连接概念下由调度程序给以处理，可能会有这样一种情况，当其他终端用户的业务率非常高时，一些终端用户的业务不能得到有保证的服务量。
一种基于带标记授权以解决上述公平性问题的技术，它有分配到不同优先级队列的两个以太网UNI的业务流，即，一个给高优先级队列，另一个给低优先级队列。利用两种不同的授权以隔离两个业务流，一种是正常数据授权，另一种是带标记授权。于是，OLT能够直接控制相同ONT中具有不同授权的两个以太网UNI，并在它们之间提供公平性。二队列方法有若干个缺点，本发明的部分反压分配技术可以克服这些缺点。
图4-5表示按照本发明一个典型实施例的ONT50。如图所示，ONT50耦合到N个用户网接口(UNI)卡52，例如，以太网UNI卡。此处所用的术语以太网是指基于IEEE 802.3标准的那些网络和网络协议，它包括但不局限于10 base-5，10 base-2，10 base-T。然而，应当明白，本发明可用于任何类型的VBR/UBR服务，并不局限于以太网。UNI卡52一般包括：一个输入端口和提供单个数字流的一个输出端口，其中UNI卡52通过ONT50耦合用户网及其相关的装置到接入网。UNI卡52提供用户网数据的适当译码(例如，以太网)到ONT。每个UNI卡52依次耦合到ONT50中单个优先级队列56。本领域专业人员能够理解，优先级队列56可以是任何类型的存储元件，例如，程序控制的RAM或FIFO缓冲器，其作用是在接收到请求之后按顺序存储和输出数据。在本发明的情况下，优先级队列存储指向上游的以太网业务，然后把它转换成ATM信元格式。应当明白，优先级队列的(存储)容量一般是基于UNI卡的输出率选取的，因为它们与授权率有关，以及基于其他通常明白的准则。作为例子，一个典型ONT50的优先级队列56可以容纳高达4096个信元。对于在ONT接收到的每个数据授权，向上游发射一个信元到OLT。
按照本发明，每个UNI卡52配备一个速率控制器58，在激活时它限制UNI卡52的峰值输出率。每个UNI卡52中的速率控制器58耦合到ONT核心中的队列状态监测器60。队列状态监测器60耦合到优先级队列58，如图所示，它包括上阈值电平‘ut’和下阈值电平‘lt’。队列状态监测器60在ONT核心与以太网UNI卡52之间提供优先级队列状态信息的反馈信道。应当明白，队列状态监测功能可以作为包括在ONT核心中数字处理器内的软件程序给以实现，周期性地检查队列电平。或者，状态监测器60主要是以硬件的形式实现的，例如，在达到某个电平时，检测与该队列相关的标志状态。
当队列状态监测器60检测到给定电平时，发射反馈信号到UNI卡52以激活其中的速率控制器58。队列状态监测器60的作用是接通以太网UNI卡52中的速率控制器58，用于限制它们的峰值速率到受控的峰值速率‘y’。若队列电平(即，存储在该队列中信息量)小于下阈值‘lt’，则速率控制器58被关断。通过在上阈值‘ut’时接通速率控制器和在下阈值‘lt’时关断速率控制器，获得滞后效应以限制两个状态之间的交换量。也可以使上阈值与下阈值相等，但是，这一般是不需要的，因为速率控制与返回之间的转变将增大。
按照如下的方法在ONT50中实现本发明。最初，信元传输是在以太网UNI卡52(或其他的LAN协议接口)中的速率控制器58被关断情况下开始的。图4中表示为‘x’的峰值信元速率是在没有速率控制下UNI卡产生的最大速率。给以太网业务分配的授权速率用‘w’表示，在目前的讨论中假设授权速率是恒定的。还应当理解，本发明可以扩展到时间变化的情况，把合适的变量(例如，x，y，w)考虑为时间的函数。
只要存储在优先级队列56中的信息量不超过上阈值‘ut’，就允许每个以太网UNI卡52以高达它们的峰值速率为‘x’的速率发射。然而，若以太网业务的优先级队列56的电平大于上阈值‘ut’，则以太网UNI卡52中的速率控制器58被接通，用于限制它们的峰值速率到受控的峰值速率‘y’。若该队列电平小于下阈值‘lt’，则速率控制器58被关断。
如上所述，为了减小两个速率(速率控制器的激活和去激活)之间的交换量，利用滞后机构，其中上阈值‘ut’大于下阈值‘lt’一个给定的量。一般地说，滞后量与分组大小和业务模式有关。实际上，分配的授权速率在没有速率控制的情况下往往小于峰值速率之和，即，w＜Nx，有助于使带宽使用最大化，因为以太网业务是非常突发性的。受控的峰值速率‘y’和上阈值‘ut’应当这样确定，在优先级队列中没有信元损失。若‘y’设定为0，这是一种经典的反压方案。因此，本发明不同于经典的反压方法。在无源光网络中实施这些方法也是未知的。
为了确定受控峰值速率和上阈值以避免信元损失，应该明白，一旦所有的UNI是在速率控制下，应当没有信元损失。在理想的情况下，在从超过‘ut’电平到速率控制激活的转变中没有时间延迟，‘ut’可以设定在最小值，例如，“队列大小-1(在信元中)”。然而，在实际的情况下，总是存在非零时间延迟。例如，延迟可以发生在检测到超过‘ut’电平，处理和反压传输到UNI，速率控制，等等。假设这个延迟是D秒，UNI卡的峰值速率表示为X信元/秒，分配的上游BW是W信元/秒(到OLT)，和N是UNI数目。在最差的情况下，在D秒的转变周期内，总数为D*X*N(UNI数目)的信元到达队列。在相同的周期内，高达D*W的信元可以从队列发送到OLT。所以，即使在超过‘ut’之后，该队列应当至少保持多于“D*X*N-D*W”的信元，为的是避免在这个转变周期内的信元损失。本领域专业人员应当知道，以上给出一个简单的估算，在实际的实施方案中，还要考虑包括时隙(离散时间)在内的其他因数。
可以看出，与现有技术的二队列方法比较，部分反压(PBP)方案有很大的优点。例如，在正常工作条件下，其中输入流的组合速率不是太高，来自以太网UNI卡的输入业务流不必受到限制。这样一来，通过统计复用操作可以获得高的传输效率。来自以太网UNI卡的业务流输入速率必须限制到某个电平仅仅是在这个时间，当以太网UNI卡有持久和过大的业务流时，这会导致大的信元损失和不公平性。始终限制以太网UNI卡的峰值速率可以解决不公平性问题，但不能获得高效的传输。为了在减小不公平性效应的同时得到统计复用操作的优点，基于ONT核心的反馈信息，本发明动态地控制以太网UNI卡的峰值速率。此外，ONT核心与以太网UNI卡之间反馈信息的链路速度可能不特别地快，所以，反馈信息量和从ONT核心到以太网UNI卡的信息量转移频率可能受到限制。因此，利用滞后机构以限制受控峰值速率与非受控峰值速率之间的转变次数。
在减小各个以太网UNI之间可能不公平性的同时，本发明获得高效的传输。它不求助于任何类似于带标记授权的非标准化方法，所以，它是容易实现的，且在互通其他厂家的OLT上不会出现问题。它还有不同于二队列方法的良好缩放性，即，所支持的UNI卡数目不受到限制。
以上的描述仅仅是说明本发明的原理。本领域专业人员能够设计出多种装置，虽然此处没有给以描述和展示，然而，它们体现了本发明精神和范围内的原理。例如，虽然本发明的描述是指公平分配从以太网UNI卡接收到的通信业务，应当明白，用于ATM-PON的本发明PBP方案也可用于其他类型的网络接口卡。这些接口卡可以是其他类型的LAN业务网络接口卡，例如，权标环，帧中继，或VBR源的ATM接口卡，诸如，AAL2(ATM适应层2)，AAL5和话音/视频。此外，本发明可用于增大VBR，ABR，或UBR源或任何不同于CBR服务类型的接口卡效率。还应当明白，本发明描述的ONT可以支持多于两个UNI接口卡，其中每个接口卡的输出耦合到优先级队列。此外，虽然所描述的UNI卡有单个输出流，应当明白，本发明可以支持有多于一个输出流的UNI卡。在这种情况下，把每个流当作单个逻辑卡，它的输出耦合到优先级队列。本发明也不必局限于光网络，可用于其他类型的无源网。本领域专业人员可以知道许多其他的改动和本发明原理的应用，可以根据此处的描述进行设想。因此，本发明的范围仅仅受以下所附权利要求书的限制。

Claims (11)

1.一种用于调节无源网中上游信元传输的设备，该上游信元传输是从客户侧网络接口装置到网络侧接口装置，所述客户侧网络接口装置适合于耦合一个或多个客户网络接口卡，该网络接口卡有速率控制器以减小所述接口卡从第一速率到第二速率的可允许输出速率，所述设备包括：
优先级队列，耦合到所述客户侧网络接口装置的对应网络接口卡，在其中存储等待上游传输到所述网络侧接口装置的信元；和
队列状态监测器，耦合到所述优先级队列，所述状态监测器的作用是检测在所述队列中何时超过第一阈值，其中产生的反馈信号是响应被超过的所述第一阈值，因此，所述网络接口卡的所述速率控制器被激活，用于限制其所述可允许输出速率到所述第二速率；当所述队列中的电平下降到第二阈值以下时，所述速率控制器被去激活，因此，所述接口卡的所述可允许输出速率恢复到所述第一速率。
2.按照权利要求1或3的设备，其中所述网络接口卡从以太网，权标环，帧中继，AAL2，AAL5，和话音/视频构成的组中接收选取的通信业务。
3.一种用于无源光网络中的光网络终端(ONT)设备，所述ONT适合于耦合一个或多个网络接口卡，该网络接口卡有速率控制器以减小所述接口卡从第一速率到第二速率的最大可能输出速率，所述设备包括：
优先级队列，耦合到所述ONT的对应网络接口卡，按照从光线路终端(OLT)装置发出的授权，用于存储等待上游传输到所述OLT的信元；和
队列状态监测器，耦合到所述优先级队列，所述状态监测器的作用是检测在所述队列中何时超过第一阈值，其中产生的反馈信号是响应被超过的所述第一阈值，因此，所述网络接口卡的所述速率控制器被激活，用于改变所述网络接口卡的输出速率从所述第一速率到所述第二速率；当所述队列中的电平下降到第二阈值以下时，所述速率控制器被去激活，因此，所述接口卡的所述最大可能输出速率返回到所述第一速率。
4.按照权利要求1或3的设备，其中所述网络接口卡从非恒定比特率源接收通信业务。
5.按照权利要求1或3的设备，其中所述无源光网络(PON)是ATM-PON。
6.按照权利要求1或3的设备，其中所述第一阈值和所述第二阈值是不同的，因此，在所述队列中提供滞后以限制速率控制之间的转变。
7.按照权利要求1或3的设备，其中所述客户侧接口是光网络终端(ONT)，从所述队列输出的所述信元是响应于从所述网络侧接口产生的授权。
8.按照权利要求1或3的设备，其中选取所述上阈值以避免速率控制激活与返回之间转变期间的信元损失。
9.按照权利要求1或3的设备，其中在超过所述第一阈值时，该队列至少保持(D*X*N-D*W)个附加的信元，D代表转变延迟，X代表峰值速率，N代表用户网络接口数目，和W代表分配的上游带宽。
10.一种用于调节无源光网络中上游信元传输的方法，该上游信元传输是从客户侧光网络接口装置到网络侧光接口装置，其中所述客户侧光网络接口与一个或多个客户网络接口卡耦合，该网络接口卡有速率控制器以减小所述接口卡从第一速率到第二速率的可允许输出速率，所述方法包括以下步骤：
监测所述客户侧光网络接口中的优先级队列，该队列中有存储的等待上游传输到所述网络侧光接口装置的信元；
当所述队列中超过第一阈值时，激活所述速率控制器以限制所述网络接口卡的所述可允许输出速率到所述第二速率；和
当所述队列下降到第二阈值以下时，去激活所述速率控制器，因此，所述接口卡的所述可允许输出速率恢复到所述第一速率。
11.按照权利要求10的方法，其中所述客户侧接口是光网络终端(ONT)，所述信元是从所述队列中输出的，用于响应从所述网络侧接口产生的授权。
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