CN1780223A

CN1780223A - 无源光网络中多类别业务的调度方法及其系统

Info

Publication number: CN1780223A
Application number: CNA2004100843780A
Authority: CN
Inventors: 邹伟; 沈钢; 冷晓冰; 张凯宾
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: CN100411346C

Abstract

本发明公开了一种无源光网络中多类别业务调度方法及其系统，所述无源光网络包括光线路终端和多个光网络单元，所述方法包括下列步骤：所述多个光网络单元在一个固定长度的周期内向所述光线路终端发送包括业务类别信息在内的报告消息；光线路终端根据接收的所述各报告消息，为所述多个光网络单元的各类别业务分配一段连续的上行传输时间；以及根据接收的所述报告消息，所述光线路终端对所述多个光网络单元的不同类别业务进行调度。本发明中每个ONU在一个周期内只需要进行一次数据上传，所以只需要发送一次引导信号，大大节省了带宽，提高了网络的带宽利用率，改善了系统的传输性能。

Description

无源光网络中多类别业务的调度方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种无源光网络(PON)通信领域，尤其涉及一种PON系统中多类别业务的调度方法及其系统。

背景技术

无源光接入网(PON)是一种利用光纤和光分离器等无源光器件构建的光分布网络进行宽带接入的技术方案。它通常是由光线路终端(OLT)，光网络单元(ONU)和光分布网络(ODN)构成。如图1所示：一个OLT通过一点对多点的树形ODN与多个ONU进行通信：下行采用广播方式，ONU根据数据分组的标识接收属于自己的数据分组；上行采用时分复用(TDMA)方式共享带宽，ONU只能在分配给自己的时隙上向OLT传送信息，其他时间只能等待。ONU的上行传输时隙是由OLT分配的，OLT通过发送选通信息给ONU来通知其何时开始传输上行数据和传输多长时间。这样，OLT就可以在各ONU之间控制上行链路的带宽分配。由此可见，PON系统基于一点到多点网络结构，所有ONU通过OLT的调度来共享传输介质。现有的PON技术有基于ATM的APON，基于以太网的EPON和具有吉比特速率的GPON。

PON系统为了有效地利用带宽，往往采用动态带宽分配(DBA)策略，即OLT根据ONU的实际业务状态去动态调整分配给ONU的上行带宽量。DBA带宽分配过程为：OLT首先需要了解每个ONU的业务状态，并利用这些状态信息完成DBA计算，得到每个ONU应获得的带宽量。然后，将带宽量转换成ONU的上行传输时隙大小，并通过下行的选通消息通知ONU。通常，多级业务的动态带宽分配包括：业务调度方法和带宽分配算法。本发明我们仅仅讨论其业务调度方法。

在以前的动态带宽分配方法中，每个ONU只把整个ONU的队列状态报告给OLT，OLT通过处理得到的队列信息决定每个ONU的发送开始时间和结束时间。这种机制在只有单个级别业务存在的情况能够很好的运行。但是，随着以太网的发展，它支持的业务种类也越来越多，原有的带宽分配机制已经不能适应多种业务的调度要求。为了更好的支持多业务，目前，业界已经提出在ONU侧对不同优先级的业务分别进行处理，先发送优先级别高的业务，再发送优先级别低的业务。这种方式解决了单个ONU内部不同优先级的业务的调度问题，但是，这种方式并不能在多个ONU之间公平地处理多优先级的业务，比如，某个ONU上级别较低的业务仍然可能先于其他ONU上级别较高的业务被传送。

为了解决上述问题，申请号为“200410017231.x”、申请名称为“用于调度无源光网络中的多业务类别的控制方法和系统”的专利申请中提供了如下解决方案：多个光网络单元定期向光线路终端发送包括各个业务类别的信息在内的报告消息；光线路终端根据接收的来自所有ONU的报告消息，按优先级为多个光网络单元的各类别业务分别分配传输时间，以及，根据接收的所述报告消息，所述光线路终端对所述多个光网络单元的不同类别业务进行调度。其中，信道带宽优先分配给报告消息，然后是优先级别高的业务，最后是优先级别底的业务。只有所有ONU的高一级业务取得所需的带宽后，才考虑下一级的业务。所以，各ONU在同一上传周期的不同时隙内为各级业务分别进行多次的上行数据传输。

由于在PON系统中，各ONU使用自己独立的激光器，而OLT只使用一个光接收机接收各个ONU发送来的信号。而且，各ONU与OLT的距离不同。所以，在OLT的接收端，不同时隙接收到的光信号在波长、功率和时钟相位上可能存在突变。这就给OLT的同步接收造成很大困难。为了使OLT准确捕捉到各ONU发送的信号，PON系统通常要求①在两个ONU上行数据之间有一段保护带宽；②每个ONU在发送有效信号之前先发送一段引导信号以便于OLT获取时钟同步。值得注意的是，保护带宽和引导信号所占用的带宽十分可观。特别是在EPON中，由于接收光信号动态范围的扩大，要求的引导信号可能会更长。

所以，在以前的多类别业务的调度方法中，OLT为ONU分配不同的传输时隙来分别传送不同优先级的业务数据，而在每个新时隙里ONU必须有一段时间来发送引导信号，这就大大降低了系统的带宽利用率。当ONU数目较多时或传输的业务数据量较小时，这种浪费更加严重。例如，在传送状态报告消息时，由于状态消息本身很短，造成的带宽浪费就相当大了。

因此，需要提供一种能有效地利用带宽的多类别业务调度方法。它不但能解决在单个ONU内部和多个ONU之间公平地处理多优级业务，以满足各种业务类别的服务要求；而且能尽量减小一个周期中ONU进行数据上传的次数，尽量作到一个ONU在一个周期只进行一次上传，以提高带宽利用率。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能有效地利用带宽调度无源光网络中各种类别业务的方法，所述无源光网络包括光线路终端和多个光网络单元，该方法包括下列步骤：

多个光网络单元在一个固定长度的周期内向所述光线路终端发送包括业务类别信息在内的报告消息；光线路终端根据接收的所述各报告消息，为所述多个光网络单元的各类别业务分配一段连续的上行传输时间；以及，根据接收的所述报告消息，所述光线路终端对所述多个光网络单元的不同类别业务进行调度。

优选地，所述光线路终端按照业务类别优先等级从高到低的顺序对各光网络单元内各类别业务进行调度。

优选地，所述光网络终端将向所述各光网络单元分别发送选通分组，其中所述选通分组包括对该光网络单元所有不同类别业务的传输时间和对光网络单元的各类别业务的调度。

优选地，光线路终端在调度各ONU不同类别业务时，在所述各ONU上行数据之间插入安全间隔，以避免冲突。

本发明的另一目的在于提供一种高效的无源光网络，用于提高网络的带宽利用率，改善系统的传输性能。所述无源光网络包括用于接收和发送光数据的多个光网络单元，所述多个光网络单元通过光分布网络与光线路终端相连，其特征在于所述光线路终端包括：

一个处理器，用于根据所述光线路终端从所述多个光网络单元的每一个接收的所述报告消息，为所述多个光网络单元的各类别业务分配一段连续的上行传输时间，并对所述多个光网络单元的不同类别业务进行调度。

优选地，光线路终端的所述处理器这样构成，使得所述光线路终端按照业务类别优先等级从高到低的顺序对光网络单元各类别业务进行调度。

优选地，光线路终端的所述处理器这样构成，使得所述光线路终端将向所述各光网络单元分别发送选通分组，其中所述选通分组包括对应光网络单元下一周期的起始上传时刻和为各个优先级的业务(包括报告消息)分配的传输带宽信息。

优选地，光线路终端的所述处理器这样构成，使得所述光线路终端在调度各ONU不同类别业务时，在所述各ONU上行数据之间插入安全间隔，以避免冲突。

优选地，光线路终端为每个恒定比特率的业务流配置一个服务质量(QOS)缓存器，利用已有的同步时钟来恢复恒定比特率的业务。

更进一步地，本发明提供一种一点对多点的无源光网络，包括用于接收和发送光数据的多个光网络单元，所述多个光网络单元通过光分布网络与光线路终端相连，其特征在于所述光网络单元根据OLT的选通消息在分配的上行传输时间段内将报告消息和各级业务数据一起一次性发送给光线路终端。

优选地，光网络单元为每个恒定比特率的业务流配置一个服务质量(QOS)缓存器，利用已有的同步时钟来恢复恒定比特率的业务。

通过本发明，由于OLT为ONU的各类业务分配一个连续的上传时间段，并通过选通消息告诉ONU各类业务应占的带宽。这样，ONU就能在连续的时间内一次完成所有类别业务的数据发送。在整个数据传送过程中，报告消息实际上是作为优先级别最高的消息首先被处理；然后是恒定比特率(CBR)业务；其他业务按优先级次序在CBR业务之后紧接着被依次处理，从而使ONU在该周期处理的所有业务在一段连续的时间内上传。由于本发明中每个ONU在一个周期内只需要进行一次数据上传，所以只需要发送一次引导信号，大大节省了带宽，提高了网络的带宽利用率，改善了系统的传输性能。而且，本发明分工明确，OLT负责协调各ONU之间及各ONU内部不同优先级业务流的发送次序；ONU只负责报告业务状态；和根据收到的选通消息在分配的时隙内完成报告消息和各优先级业务数据的发送。

通过后面的实施方式和附图的描述，本发明的其他目的和特征将变得更清楚。

附图说明

在此引用并组成说明书一部分的附图示出了本发明的实施方式，并结合说明部分用于解释本发明的原理。

图1是一典型的无源光网络(PON)系统；

图2是一种典型的点对多点PON的网络结构和OLT及ONU的大体结构；

图3是本发明所对应的OLT和ONU多类别业务调度方法；

图4是OLT和ONU所发送的业务数据的示意图例；

图5是本发明所对应的ONU报告消息和OLT选通消息；

图6是本发明点对多点PON的网络结构和OLT及ONU的大体结构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。为了简要，假定PON只承载了两种不同类别的业务，恒定比特率(CBR)业务和可变比特率(VBR)业务。其中CBR业务作为高优先级业务，VBR业务作为低优先级业务。但本发明并不局限于此，它可以支持多个级别的业务。

图2示出一典型的点对多点PON的网络结构和OLT及ONU的大体结构，所示的PON系统包括一个OLT100和二个ONU，ONU 101和ONU 102。当然该系统还可以支持更多的ONU。

图2例中，PON的ONU 101和ONU 102均包括一个光收发机21，一个中央处理器22，用于CBR业务的收发端口25，缓存器24和用于VBR业务的收发端口26；其中，光收发机21用于接收和发送光信号，中央处理器22用于执行各种操作，以确保各ONU正确地运行；OLT与ONU的结构相似，包括一个光收发机11，一个中央处理器12，用于CBR业务的收发端口15，缓存器14和用于VBR业务的收发端口16。由于OLT需要处理的消息较多，为确保OLT的运行，其中央处理器12要求的处理速度较高。

对于整个PON系统，OLT 100中，在中央处理器12的控制下，OLT通过其光收发机11发送下行业务给ONU 101和ONU 102。无源光分支/合并器103将下行光信号分离成两个相同的信号，分别发往ONU 101和ONU 102。这是一种广播机制，每一分支上不仅有属于自己的信号，也包含属于其它ONU的信号。ONU 101和ONU 102的光收发信机21用于接收由OLT 100发来的光信号和发送本ONU上行数据。每个ONU根据收到消息的标识确认该消息是否属于自己，ONU将接收属于自己的消息，并丢弃属于其他ONU的消息。上行方向上，ONU 101和ONU 102的光收发机21分别在OLT 100指定的传输时隙向OLT 100发送上行数据业务，使用时分复用(TDMA)的方式共享上行光纤。

图3的(a)和(b)分别示出了本发明OLT和ONU发送消息和调度业务数据的流程。对于ONU来说，ONU收到有OLT有关各类别业务所分配带宽的选通消息(步骤201)，该选通消息包括该ONU起始传输时刻、各类别业务优先等级、CBR业务分配的时间长度、VBR业务分配的时间长度；之后，ONU根据选通消息，ONU将内部不同业务的队列状态信息组装成报告消息与各类别业务上行数据一起在一定时间长度的周期内发送给OLT(步骤202)。值得注意的是，在以前的无源光网络系统中，各光网络单元也是只进行一次上行数据的传输，其中也包括报告消息。但是，以前的系统并不要求在一定长度的周期内完成系统内所有光网络单元的上行数据传输，所以它们无法支持多级别的业务，特别是固定比特率业务。本发明在一定时间长度的周期内完成所有光网络单元的上行数据传输，从而为支持多种业务级别提供了基础。对于OLT来说，OLT在收到各ONU报告消息后(步骤211)，读取其中的信息，并根据其内容进行各优先级业务的带宽分配处理(步骤212)。OLT为每个ONU各类别业务分配一段连续的上行数据传输时间段，OLT在进行各ONU的上传带宽分配时必须采用一定的机制确保各优先级业务的传输带宽和质量。本发明不涉及具体的机制，只强调OLT在进行带宽分配时，不仅要实现在各ONU内部根据业务的优先级分配带宽，还要实现在不同的ONU之间根据业务的优先级分配带宽。由于ONU发送给OLT的报告消息中包含各个级别业务的信息，且OLT已知可分配的带宽总量，所以实现这一点并不难。例如，OLT可以先为各个ONU的最高级别的业务分配带宽，然后是第二优先级业务，如此继续完成所有业务的分配后，OLT将分配给每个ONU的各级业务的带宽合并为一段连续的上行传输时间，并将各级业务所占部分通过选通消息发送给ONU。同时，为上行数据传输避免冲突，OLT在各ONU上行传输时间段留有一定的安全间隔，进一步地，OLT将该ONU各类业务的带宽分配结果组装成选通消息发送给各ONU(步骤213)。

通常，在PON系统中，为了支持CBR业务，不论在上行方向还是在下行方向，总是以125微秒为固定的时间间隔发送相应的CBR数据分组。使用125微秒为时间间隔是为了适于恒定速率为8KHz TDM业务的传递。本发明中，CBR(恒定比特率)业务是在每个ONU完成报告消息的上传后开始进行处理的。由于各ONU被分配的起始发送时间在每个125μs的周期都不同，CBR业务不再是在固定的时隙上传；但是为了保证其质量，ONU在每个周期内都必须被分配相应长度的时隙(带宽)来进行CBR业务的传送。由于OLT侧已经具备十分精确的时钟系统，OLT、ONU只需要采用缓存的方法就可以支持业务质量要求较高的恒定比特率业务。

图4进一步示出了OLT 100和ONU 101、ONU 102所发送的业务数据的格式。ONU 101的上行比特流由引导信号A、报告消息A、CBR业务数据A和VBR业务数据A组成。ONU 102的上行比特流由引导信号B、报告消息B、CBR业务数据B和VBR业务数据B组成。图例可见，OLT在调度各ONU上行数据传输时，在ONU 101和ONU 102上行数据间留有一定的安全间隔，以避免冲突；并且，在一个周期内，单个ONU的所有类别业务数据在一段连续的时间内发送出去，而不是为每种不同类型业务的数据分别分配一个单独的发送时隙。OLT 100的下行比特流由发往各ONU的选通消息(选通分组A、选通分组B)，CBR业务数据(CBR业务A、CBR业务B)和VBR业务数据(VBR业务A、VBR业务B)组成。

图5示出了具体的ONU报告消息和OLT选通消息的例子。ONU报告消息由各类别业务队列状态组成，例如：CBR队列状态信息、VBR队列状态信息；通常各队列状态信息可以包括该业务的优先级、队列长度信息等；OLT选通消息包括各ONU上行数据发送起始时刻信息、CBR业务分配时长、VBR业务分配时长组成。

图6示出本发明一点对多点PON的网络结构和OLT及ONU的大体结构。与典型的PON网络结构和OLT及ONU的大体结构相似，所示的PON包括一个OLT100和二个ONU，ONU 101和ONU 102。当然本发明还可以支持更多的ONU。

图6例中，PON的ONU 101和ONU 102均包括一个光收发机21，一个中央处理器22，用于CBR业务的收发端口25，缓存器24和用于VBR业务的收发端口26；其中，光收发机21用于接收和发送光信号，中央处理器22用于执行各种操作，以确保各ONU正确地运行。特别的是，本发明ONU根据OLT的选通消息在分配的上行传输时间段内将报告消息和各级业务数据一起一次性发送给光线路终端；而且，对于CBR业务，它还进一步包括一个QOS缓冲器23，以支持恒定比特率的业务质量。

图6例中，OLT与ONU的结构相似，包括一个光收发机11，一个中央处理器12，用于CBR业务的收发端口15，缓存器14和用于VBR业务的收发端口16，特别的是，由于OLT需要处理的消息较多，为确保OLT的运行，其中央处理器12要求的处理速度较高。该中央处理器12根据各光网络单元的接收的所述报告消息，为所述多个光网络单元的各类别业务分配一段连续的上行传输时间，并对所述多个光网络单元的不同类别业务进行调度；如前所述，由于ONU发送给OLT的报告消息中包含各个级别业务的信息，且OLT已知可分配的带宽总量，因此，OLT可以先为各个ONU的最高级别的业务分配带宽，然后是第二优先级业务，如此继续完成所有业务的分配后，OLT将分配给每个ONU的各级业务的带宽合并为一段连续的上行传输时间，并将各级业务所占部分通过选通消息发送给各ONU，中央处理器12在调度各ONU不同类别业务时，在所述各ONU上行数据之间插入安全间隔，以避免冲突。此外，恒定比特率(CBR)业务是在每个ONU完成报告消息的上传后开始进行处理的。由于各ONU被分配的起始发送时间在每个125μs的周期都可能不同，CBR业务不再是在固定的时隙上传，所以，该OLT还进一步包括一个QOS缓冲器13，以支持恒定比特率的业务质量。由于OLT和各ONU侧已经具备了完全同步的时钟系统，所以只要简单地按固定速率读出缓存的业务数据即可完全恢复该恒定比特率的业务流。

通过以上实施方式说明可以确定，ONU多类别业务在一段连续的上行传输时间内一次上传提高了网络的带宽利用率，改善了系统的传输性能。下面，我们结合分析予以说明。

首先，我们来分析本发明对PON系统带宽利用率的改善状况。假设每次引导信号的长度为a；PON系统内存在n种业务类型，各类业务的平均上传长度为b，这里，为方便起见，我们将报告消息也作为一类特殊的业务为n类业务之一；为避免上行数据传输冲突而设置的保护带宽长度为c；则采用本发明的PON系统的带宽利用率为：

ρ = \frac{n \cdot b}{a + c + n \cdot b} = \frac{1}{1 + \frac{(a + c)}{nb}}

如果采用申请号为“200410017231.x”，申请名称为“用于调度无源光网络中多类别业务的控制方法和系统”中提供的技术方案，OLT为所有ONU不同优先级的业务数据分配不同的传输时隙，则PON系统的带宽利用率为：

ρ = \frac{n \cdot b}{n \cdot (a + c) + n \cdot b} = \frac{1}{1 + \frac{(a + c)}{b}}

可见，在多业务要求下，特别是在业务类别较多时，本发明可进一步提高了带宽利用率。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种无源光网络中多类别业务调度方法，所述无源光网络包括光线路终端和多个光网络单元，所述方法包括下列步骤：

多个光网络单元在固定时间长度的周期内向所述光线路终端发送包括业务类别信息在内的报告消息；

光线路终端根据接收的所述各报告消息，为所述多个光网络单元的各类别业务分配一段连续的上行传输时间；以及

根据接收的所述报告消息，所述光线路终端对所述多个光网络单元的不同类别业务进行调度。

2.根据权利要求1所述的无源光网络中多类别业务调度方法，其特征在于，所述光线路终端按照业务类别优先等级从高到低的顺序对各光网络单元内各类别业务进行调度。

3.根据权利要求1所述的无源光网络中多类别业务调度方法，其特征在于，还包括所述光网络终端将向所述各光网络单元分别发送选通分组，其中所述选通分组包括对该光网络单元所有不同类别业务的传输时间和对光网络单元的各类别业务的调度。

4、根据权利要求1所述的无源光网络中多类别业务调度方法，其特征在于，所述光线路终端在调度各ONU不同类别业务时，在所述各ONU上行数据之间插入安全间隔，以避免冲突。

5.根据权利要求1所述的无源光网络中多类别业务调度方法，其特征在于，光线路终端、光网络单元利用已有的同步时钟采用缓存的方法来恢复业务质量要求较高的恒定比特率业务。

6.根据权利要求1所述的无源光网络中多类别业务调度方法，其特征在于，各个光网络单元根据光线路终端的选通消息在分配的上行传输时间段内将报告消息和各级业务数据一起一次性发送给光线路终端。

7.一种一点对多点的无源光网络，包括：

用于接收和发送光数据的多个光网络单元，所述多个光网络单元通过光分布网络与光线路终端相连，其特征在于所述光线路终端包括：

8.根据权利要求7所述的一点对多点的无源光网络，其特征在于，所述光线路终端的所述处理器这样构成，使得所述光线路终端按照业务类别优先等级从高到低的顺序对光网络单元各类别业务进行调度。

9.根据权利要求7所述的一点对多点的无源光网络，其特征在于，所述光线路终端的所述处理器这样构成，使得所述光线路终端将向所述各光网络单元分别发送选通分组，其中所述选通分组包括对应光网络单元下一周期的起始上传时刻和为各个优先级的业务(包括报告消息)分配的传输带宽信息。

10.根据权利要求7所述的一点对多点的无源光网络，其特征在于，所述光线路终端的所述处理器这样构成，使得所述光线路终端在调度各ONU不同类别业务时，在所述各ONU上行数据之间插入安全间隔，以避免冲突。

11.根据权利要求7所述的一点对多点的无源光网络，其特征在于，所述光线路终端为每个恒定比特率的业务流配置一个服务质量(QOS)缓存器，利用已有的同步时钟来恢复恒定比特率的业务。

12.一种一点对多点的无源光网络，包括：

用于接收和发送光数据的多个光网络单元，所述多个光网络单元通过光分布网络与光线路终端相连，其特征在于所述光网络单元根据OLT的选通消息在分配的上行传输时间段内将报告消息和各级业务数据一起一次性发送给光线路终端。

13.根据权利要求12所述的一点对多点的无源光网络，其特征在于，所述光网络单元为每个恒定比特率的业务流配置一个服务质量(QOS)缓存器，利用已有的同步时钟来恢复恒定比特率的业务质量。