JP3844764B2

JP3844764B2 - イーサネット受動光加入者網で多重サービスを考慮した動的帯域幅割当方法

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Publication number: JP3844764B2
Application number: JP2004177712A
Authority: JP
Inventors: 虎一呉; 民孝李; 洙亨金; 榮錫金; 潤濟呉; 泰誠朴; 永川金; 赫圭朴; 桂賢安; 景恩韓
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2024-06-16
Also published as: EP1489877B1; CN1574709A; JP2005012800A; EP1489877A3; KR20040108135A; KR100506209B1; US7539211B2; EP1489877A2; US20040252714A1

Description

本発明は、受動光加入者網（Passive Optical Network：以下、“ＰＯＮ"という）に関し、特にギガビットイーサネット受動光加入者網（Gigabit Ethernet Passive Optical Network：以下、“ＧＥ−ＰＯＮ”という）において、ＯＮＵ（Optical Network Unit）にデータを伝送するための帯域幅を割り当てる方法に関する（イーサネット、Ethernetは登録商標、以下同）。

インターネットをはじめとした広帯域幅マルチメディア需要の飛躍的な増加は各家庭にまで光線路を設置する光加入者網（ＦＴＴＨ：fiber to the home）の開発を招来し、これによりＰＯＮ（Passive Optical Network）が提案されるに至った。ＰＯＮは多数のＯＮＵ（Optical network unit）が一つの光ファイバを通じてＯＬＴ（optical line termination）を共有する点対多点（Point to Multipoint）の網構造であり、加入者との情報交換のための伝送方式によりＡＴＭ−ＰＯＮ（以下、ＡＰＯＮという）とイーサネット（Ethernet）ＰＯＮ（以下、ＥＰＯＮという）とに分けられる。

ＡＰＯＮシステムは帯域幅に制限があり（最高６２２Ｍｂｐｓ）、ＩＰ（Internet Protocol）パケットを分割しなければならないため、相対的に低コストで高い帯域幅（約１Ｇｂｐｓ）を確保できる長所を持つＥＰＯＮシステムが、より優れているとされている。

図１は一般的なＥＰＯＮシステムのブロック構成図を示したものであり、一つのＯＬＴ１０と多数のＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）を含み、ＯＬＴ１０とＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）はＯＤＮ２０を通じて接続される。ＯＬＴ１０はツリー構造のルートに位置し、アクセス網の各加入者に情報を提供するために中心的な役割を果たす。ＯＬＴ１０はツリートポロジ構造からなり、ＯＤＮ２０に接続される。ＯＤＮ２０はＯＬＴ１０から伝送された下向（downstream）のデータフレームをＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）に分配するか、あるいはＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）から伝送された上向（upstream）のデータフレームをＴＤＭ（Time Division Multiplexing）方式にてマルチプレッシングしてＯＬＴ１０に伝送する。ＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）は下向データフレームを受信して終端使用者（４０−１，４０−２，…，４０−Ｎ）に提供し、終端使用者（４０−１，４０−２，…，４０−Ｎ）から出力されるデータを可変長（variable length）イーサネットフレームになる上向データフレームとしてＯＤＮ２０を通じてＯＬＴ１０に伝送する。終端使用者（４０−１，４０−２，…，４０−Ｎ）はＮＴ（Network Terminal）を含むＰＯＮで使用できる各種の加入者網終端装置のことを意味する。

点対多点のＥＰＯＮ構造で、一つのＯＬＴ１０とこれに連結された多数のＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）との間の資源共有のために一番よく使われている方法はＧＰＳ（Generalized Processor Sharing）システムである。即ち、点対多点ＥＰＯＮは公正なキューイングを支援するためにＧＰＳを使用する。ＧＰＳに基づいたアルゴリズムをＥＰＯＮに適用することは、ＯＬＴに位置したスケジューラーがＯＮＵに位置した多様なキューを対象にしてスケジューリングすることを意味する。しかし、超過帯域幅が発生した時にはスケジューラーが公正にキューイングアルゴリズムを行うことができない。

図２はＥＰＯＮでのＧＰＳに基づいた帯域幅割当アルゴリズムの単一スケジューリングを示したものである。

図１及び図２を参照すると、ＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）はＯＬＴ１０に登録して自分の位置と存在を知らせ、それぞれのＯＮＵＩＤを割り当てられる。次に、ＯＬＴ１０がＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）にデータを伝送できる機会を上向データ伝送機会許可フレームにより与えると、ＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）は自分が持っているキュー３２にあるデータ量を測定し、そのキュー値を帯域幅割当要求フレームに入れてＯＬＴ１０に伝送する。上向データ伝送機会許可フレームはＯＬＴ１０がＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）のうち一つに上向にデータを伝送できる機会を与える時に用いる下向パケットであり、帯域幅割当要求フレームはＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）のうち一つがＯＬＴ１０の許可を受けてＯＬＴ１０に帯域幅割当を要求する時に用いる上向パケットである。

ＯＬＴ１０がＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）から帯域幅要求を受けると、ＯＬＴ１０のスケジューラー１２はＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）に適切なデータ伝送帯域幅を割り当てる。そして、ＯＬＴ１０はその結果を次のタイムスロットの上向データ伝送機会許可フレームに含ませてＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）に伝送する。この際、割当情報は伝送を始める時刻を示す一番目の時間情報と伝送を保持する時間を示す二番目の時間情報とから構成され、当該時間情報を受けたＯＮＵ（３０−１，３０−２，…，３０−Ｎ）は割り当てられた時刻に与えられた時間だけＯＬＴ２０にデータを伝送する。

かつ、ＥＰＯＮシステムは特定作業に優先順位を与えて音声や画像を簡単に伝送することができる。イーサネットフレームの優先順位の分類はイーサネットフレームの３ビットＶＬＡＮ（Virtual Local Area Network）タグや使用者定義ポートの優先順位に応じて決定される。よって、各ＯＮＵは各加入者に割り当てられた一つ又はそれ以上のキューを含み、各加入者に属している多重キューは音声、ビデオ、データのような他のクラス又は他のトラフィックをサービスするために使用される。

ＧＰＳに基づいた帯域幅割当アルゴリズムはＯＮＵの各キューに帯域幅を公正に割当かつ伝送することはできるが、ＥＰＯＮシステムの拡張性及び効率性の側面では要求事項を充足させない。その理由は下記の通りである。

１）制御面での伝達遅延
ＧＰＳを使用するすべてのアルゴリズムが制御のために非常に小さい伝達遅延を持つと仮定した場合、キュー状態の変化は直ちにスケジューラーに知られ、スケジューラーも同じくキュー状態の変化によるパケットサイズの変化を直ちに認識できる。この仮定は単一チップに存在するシステム構造又はキューがスケジューラーと隣接している時のみに可能である。しかし、ＥＰＯＮは分散されたシステムなので、スケジューラーとキューとの間の伝達遅延時間がパケット伝送時間を超過する。かつ、他のＯＮＵとの衝突をさけるためにＯＮＵが自分に割り当てられたタイムスロットの間のみにデータを伝送するので、ＯＮＵのキュー状態変化に関する情報を行うＲＥＰＯＲＴメッセージは以前に割り当てられたタイムスロットの間に伝送される。従って、伝達遅延と共に制御メッセージ遅延がさらに増加する。

２）制限された制御帯域幅
多様なキューをスケジューリングするためには、各キューに伝送するためにキュー毎に分離されたＧＡＴＥメッセージと各キューが要求する帯域幅を伝送するためにキュー毎に分離されたＲＥＰＯＲＴメッセージとを必要とする。例えば、３２個のＯＮＵがそれぞれ１２８人の加入者にサービスし、各加入者が３個のキューを持つと仮定すると、全１２２８８個のキューが存在する。かつ、３個のうち１個のキューが最大１．５ｍｓの遅延を持つビデオサービスを行うとしたら、１．５ｍｓのうちに４０９６個のＧＡＴＥメッセージを伝送しなければならない。しかし、ＧＡＴＥメッセージを伝送するに２．７５ｍｓがかかるので、制限された制御帯域幅のために４０９６個のビデオサービスのためのキューは支援できない。

３）スイッチオーバーオーバーヘッド
パケットに基づいたＧＰＳシステムはそれらの仮想終了時間に基づきパケットをスケジューリングする。仮想時間はパケット到着時間と各連結毎に割り当てられた相対的な加重値に影響を受けるが、これは他のＯＮＵに位置した他のキューからパケットが連続的に伝送される時のみに可能である。ところが、ＥＰＯＮシステムでは他のＯＮＵに位置した他のキューから伝送されたパケットの間にガードタイムを必要とする。従って、５００バイトの平均イーサネットパケットサイズと、１Ｇｂｐｓのリンク容量、１μｓのガードタイムを考慮した時に２０％のオーバーヘッドが発生し、最小イーサネットパケットサイズ６４バイトが伝送されると仮定すると、６６％のオーバーヘッドが発生する。

以上のように、従来のパケットに基づいたＧＰＳアルゴリズムをＥＰＯＮシステムで使用すると不具合が多く、改善の必要がある。

従って、本発明は、前記のような問題点を解決するために、ＥＰＯＮシステムの拡張性及び効率性を向上させた帯域幅動的割当方法を提供することにその目的がある。

かつ、本発明は、各加入者に多様な特性を持つサービスを効率的に提供するために階層的構造を持つ動的帯域幅割当方法を提供することに他の目的がある。

上記目的を達成するために、本発明は、一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と多数のＯＮＵ（Optical Network Unit）がＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網（Gigabit Ethernet Passive Optical Network：ＧＥ−ＰＯＮ）で、ＯＬＴがＯＮＵのデータ伝送のための帯域幅要求に対応して該各ＯＮＵに帯域幅を割り当てる動的帯域幅割当方法において、全使用可能な帯域幅のうちでＯＮＵから要求された各サービスのために保障される最小帯域を割り当てる段階と、帯域幅を要求したすべてのＯＮＵに最小帯域を割り当てた後に全使用可能な帯域幅内に現在使用可能な帯域幅がある場合、ＯＮＵが要求した帯域幅の和が現在使用可能な帯域幅より小さいと、ＯＮＵが要求した帯域幅を割り当て、一方、ＯＮＵが要求した帯域幅の和が現在使用可能な帯域幅より大きいと、各ＯＮＵのキューサイズと各キューに対する加重値を考慮して該各ＯＮＵに対して新たな要求帯域幅を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする。

また、本発明は、一つのＯＬＴと多数のＯＮＵがＯＤＮを通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網で、ＯＮＵがＯＬＴから割り当てられた帯域幅を各サービスキューの帯域幅要求に対応して各サービスクラスのキューに割り当てる動的帯域幅割当方法において、ＯＬＴにより割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、使用可能な帯域幅が各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる段階と、使用可能な帯域幅のうちで最小保障帯域幅を割り当てて残った残余帯域幅に対して各サービスクラスに応じる加重値を考慮して各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して残余帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする。

さらに、本発明は、一つのＯＬＴと多数のＯＮＵがＯＤＮを通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網で、ＯＮＵがＯＬＴから割り当てられた帯域幅を各サービスキューの帯域幅要求に対応して各サービスクラスのキューに割り当てる動的帯域幅割当方法において、ＯＬＴからの使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、使用可能な帯域幅が各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる段階と、使用可能な帯域幅のうちで最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して要求帯域の大きい順に帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする。

そして、本発明は、一つのＯＬＴと多数のＯＮＵがＯＤＮを通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網で、ＯＮＵがＯＬＴにより割り当てられた帯域幅を各サービスキューの帯域幅要求に対応して各サービスクラスのキューに割り当てる動的帯域幅割当方法において、ＯＬＴにより割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、使用可能な帯域幅が各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる段階と、使用可能な帯域幅のうちで最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して優先順位の一番高いキューに先に帯域幅を割り当て、残余のキューには各サービスクラスに対する加重値を考慮して該各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする。

あるいは、本発明は、ＧＥ−ＰＯＮシステムにおいて、一つのＯＬＴと、ＯＤＮを通じてＯＬＴに接続される複数のＯＮＵと、全使用可能な帯域幅のうちでＯＮＵから要求された各サービスのために保障される最小帯域を割り当てる手段と、帯域幅を要求したすべてのＯＮＵに最小帯域を割り当てた後に全使用可能な帯域幅に現在使用可能な帯域幅がある場合、ＯＮＵが要求した帯域幅の和が現在使用可能な帯域幅より小さいと、ＯＮＵが要求した帯域幅を割り当て、一方、ＯＮＵが要求した帯域幅の和が現在使用帯域幅より大きいと、各ＯＮＵのキューサイズと各キューに対する加重値を考慮して各ＯＮＵに対して新たな要求帯域幅を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とする。

また、本発明は、ＧＥ−ＰＯＮシステムにおいて、一つのＯＬＴと、ＯＤＮを通じてＯＬＴに接続される複数のＯＮＵと、ＯＬＴによりＯＮＵに割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域の和より大きいと、該各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、使用可能な帯域幅が各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる手段と、使用可能な帯域幅のうちで最小保障帯域幅を割り当てて残った残余帯域幅に対して各サービスクラスに応じる加重値を考慮して各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して残余帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とする。

さらに、本発明は、ＧＥ−ＰＯＮシステムにおいて、一つのＯＬＴと、ＯＤＮを通じてＯＬＴに接続される複数のＯＮＵと、ＯＬＴによりＯＮＵに割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域の和より大きいと、該各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、使用可能な帯域幅が各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる手段と、使用可能な帯域幅のうちで最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して要求帯域の大きい順に帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とする。

そして、本発明は、ＧＥ−ＰＯＮシステムにおいて、一つのＯＬＴと、ＯＤＮを通じてＯＬＴに接続される複数のＯＮＵと、ＯＬＴによりＯＮＵに割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、該各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、使用可能な帯域幅が各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる手段と、使用可能な帯域幅のうちで最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して優先順位の一番大きいキューに先に帯域幅を割り当て、残余のキューには各サービスクラスに応じる加重値を考慮して該各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とする。

本発明による動的帯域割当アルゴリズムは、ＯＬＴとＯＮＵがＧＡＴＥメッセージとＲＥＰＯＲＴメッセージを通じて情報交換を行うので、ＭＰＣＰと互換可能になり、効率的なキュー数を使用し、拡張性に優れ、公正なキューイングを保障し、効率的に帯域を使用することができる。

以下、本発明に係る好ましい実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、本発明を説明するにおいて、関連した公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合にはその詳細な説明を省くことにする。

図３は本発明による帯域割当アルゴリズムの階層的構造を示したものである。本発明において、すべてのキューは複数のグループに分かれ、上位段階スケジューラーがグループをスケジューリングし、下位段階スケジューラーが各グループ内にあるキューをスケジューリングする階層的構造からなる。

本発明によりＥＰＯＮは、ＯＬＴ５０内に存在する上位段階スケジューラー５２とＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）内に存在する下位段階スケジューラー７０とに階層化できる。図３はＥＰＯＮでの階層的構造を持つアルゴリズムを示したものである。本発明は階層的構造を持つアルゴリズムを設計するためにＯＬＴとＯＮＵのスケジューリングアルゴリズムを分離して設計した。各ＯＬＴとＯＮＵのスケジューラー５２，７０は各サービスキューに与えられた加重値と現在キュー情報に基づきスケジューリングを行う。

具体的に、本発明によるＯＬＴ５０はＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）へのデータ伝送のための動的帯域幅割当（ＤＢＡ：Dynamic Bandwidth Allocation）機能を行う。本発明において、各ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）はサービスクラス情報に応じて複数のキュー（８０，８２，８４）を有する。該複数のキューはトラフィックタイプにより一般キュー（normal queue）、優先キュー（priority queue）、高優先キュー（high−priority queue）などに分類される。前述のように、イーサネットフレームのサービスクラスは３ビットのＶＬＡＮ（Virtual Local Area Network）タグ（Tag）により示されるので、８個までのサービスクラスを表示できる。ＶＬＡＮタグを用いた優先順位はＩＥＥＥ８０２．１ｐに応じて１から７まで変わるが、最高の優先順位は７であり、最低の優先順位は１である。従って、本発明ではＶＬＡＮタグを用いてクラス別の優先順位を考慮しており、全４個のクラスに分けられる。８個の使用可能な優先順位は４個のグループにマッピングされる。これはシステム仕様により多様に具現できるものである。かつ、音声サービスは一番高い保障性を要するので、クラスに入れずに最優先順位を保障する方法も可能で、本発明では前記のような方式を採用している。結論的に、本発明ではＶＬＡＮタグ情報を用いてＥＰＯＮのクラスが区別できるということだけを述べている。

本実施例では、ＯＮＵのキューにほとんど貯蔵されず無条件的に通過する最優先順位を持つイーサネットフレームに対してはキューを与えない条件で、４個のサービスクラスを持つことと仮定する。

各ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）は各キュー８０，８２，８４に伝送されるデータトラフィックを貯蔵し、これら複数のキューに対して各サービスクラスを考慮して動的帯域幅割当を行うことによりＱｏＳ（Quality of Service）を保障するためのスケジューラー７０を含む。

以下、本発明はＯＬＴでの動的帯域割当方法及びＯＮＵでの動的帯域割当方法について詳細に説明することにする。そして、図４乃至図７で使用するパラメータは下記のように定義される。

図３及び図４で使用されるパラメータの定義は次の通りである。ＢＷ_allocは割り当てられる帯域幅、ＢＷ_guaranteedは最小保障帯域幅、ＢＷ_reqは要求帯域幅のことを意味する。そして、ＢＷ_availは使用可能な帯域幅、ＢＷ_avail ^newは新たな使用可能な帯域幅のことを意味する。“Ｐ”はサービスクラスの優先順位を識別し、“Ｉ”は特定のＯＮＵを意味するもので、１からＩまでの全体的なＯＮＵの数を意味する。

１）ＯＬＴでの動的帯域割当アルゴリズム
まず、ＯＬＴのスケジューラーは受信したＲＥＰＯＲＴメッセージの優先順位フィールドとキュー要求フィールドを利用して、各ＯＮＵのキューが要求した帯域とキューの加重値を考慮して単一ＯＮＵが次のフレームで使用できる伝送帯域を割り当てる。

図４は、このＯＬＴでの動的帯域割当のための比例割当方法の処理流れ図であって、各ＯＮＵのキューが要求した帯域とキューの加重値を考慮して単一のＯＮＵが次のフレームで使用できる伝送帯域を割り当てる。

ＯＬＴ５０のスケジューラー５２は、受信したＲＥＰＯＲＴメッセージの優先順位フィールドとキュー要求フィールドを利用して、各ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）のキューが要求した帯域とキューの加重値を考慮して単一のＯＮＵが次のフレームで使用できる伝送帯域を割り当てる。ＯＬＴスケジューラー５２は比例割当アルゴリズムを行って割当帯域を決定する。ＯＬＴ５０はフレーム毎にＲＥＰＯＲＴメッセージを通じてＯＮＵからの要求帯域情報を集めて全ＯＮＵが要求した帯域を求め、これを次のフレームで使用可能な帯域と比較した後、該比較結果に応じてＯＮＵに帯域幅を割り当てる。

図４を参照すると、まずＯＬＴ５０のスケジューラー５２は１０２段階で、Ｐ０サービスのための固定割当帯域ＧＢＷ_i ^P0と、Ｐ１，Ｐ２サービスのための最小保障帯域ＧＢＷ_i ^P1,P2を割り当てる。まず１０２段階ですべてのＯＮＵに対して各優先順位別に要求した量の総合ＢＷ_reqi ^Pから最小保障帯域ＧＢＷ_i ^P1,P2を除いた総要求量の和Ｒ_P ⁱを求めてから、１０４段階で優先順位別にＯＮＵの要求量を加えると最小保障帯域ＧＢＷ_i ^P1,P2を除いた要求量の総合ＢＷ_totが求められる。そして、これにより得られた値を１１０段階で使用可能な帯域ＢＷ_avail ^newと比較し、その比較結果に応じてアルゴリズムを行うことができる。

最小保障帯域の割当が終わった後、ＯＬＴ５０のスケジューラー５２は１０６段階でＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）に対する最小保障帯域の和を求める。この際、各サービスのために保障される最小帯域の和は全使用可能帯域より小さくなる。かつ、スケジューラー５２は１０８段階で最小保障帯域幅の和を現在使用可能な帯域幅から除いて新たな使用可能な帯域ＢＷ_avail ^currentを求める。スケジューラー５２は１１０段階で各ＯＮＵの要求帯域幅の和ＢＷ_totと新たな使用可能な帯域幅ＢＷ_avail ^currentとを比較する。そして、１１０段階で要求帯域幅の和ＢＷ_totが使用可能な帯域幅ＢＷ_avail ^currentより小さい場合、ＯＬＴ５０のスケジューラー５２は各ＯＮＵが要求した帯域幅と同じ帯域幅を割り当てる。

一方、１１０段階で要求帯域幅の和ＢＷ_totが新たな使用可能な帯域幅ＢＷ_avail ^currentより大きいと、スケジューラー５２は１１４段階で各ＯＮＵｉのキューサイズと各キューに対する加重値を考慮して各ＯＮＵｉの新たな要求帯域ＢＷⁱ _{new_req}を決定する。そして、ＯＬＴ５０のスケジューラー５２は１１６段階で各ＯＮＵｉの新たな要求帯域幅に比例する使用可能な帯域幅ＢＷ_avail ^newに応じる割当帯域幅を下記の数式１のように決定する。

ＯＬＴ５０のスケジューラー５２はＯＮＵｉに比例で割り当てた帯域とＯＮＵｉが実際に要求した帯域とを比較して、もし比例で割り当てた帯域が実際に要求した帯域より大きいと、要求した帯域だけを割り当てる。このように帯域割当に加重値が適用されることにより、ＯＮＵｉに要求した帯域より大きい帯域が割り当てられる問題を解決することができる。

２）ＯＮＵでの動的帯域割当アルゴリズム
次に、ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）はＲＥＰＯＲＴメッセージのキュー要求フィールドを通じて各サービスキューに対する帯域要求情報をＯＬＴ５０に伝送したが、ＯＬＴ５０がスケジューリングを通じてＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）に割り当てた帯域は、各ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）の全体要求帯域に対して割り当てた帯域である。従って、ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）は割り当てられた帯域を自分の優先順位キューに適切な方法にて分けて伝送機会を与えなければならない。その作業を行うスケジューリングアルゴリズムとして比例割当アルゴリズムを考慮することができる。しかし、比例割当アルゴリズムがＯＬＴのスケジューラーとＯＮＵのスケジューラーで反復して行われることにより、実質的なパケット伝送に利用できない帯域幅の浪費が発生する。この問題を解決するために、本発明は最大要求優先割当（ＭＲＦＡ：Maximum Request First Allocation）アルゴリズムと優先順位優先割当（ＨＰＦＡ：High Priority Frist Allocation）アルゴリズムを提案する。

図５は本発明による比例割当アルゴリズムの一実施例の順序図を、図６は本発明による最大要求優先割当アルゴリズムの一実施例の順序図を示し、図７は本発明による優先順位優先割当アルゴリズムの一実施例の順序図を示したものである。以下のＯＮＵでの三つの動的帯域割当アルゴリズムを説明するにおいて、優先順位の一番高いサービスクラスＰ０、Ｐ０よりは優先順位の低い二つのサービスクラスであるＰ１、Ｐ２に対する帯域割当要求がある場合を例に挙げる。

１）比例割当アルゴリズム
ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）のスケジューラー７０は２０２段階でＯＬＴ５０により割り当てられた使用可能な帯域幅ＢＷⁱ _allocと各多重サービスキュー８０，８２，８４の要求帯域ＢＷⁱ _reqとを比較する。これにより、要求帯域幅ＢＷⁱ _reqと割り当てられた帯域幅ＢＷⁱ _allocが一致すると、ＯＮＵのスケジューラー７０は２０４段階で一番優先順位の高いサービスクラスＰ０に対して最小保障帯域幅を割り当てた後、帯域要求したすべてのサービスクラスのキューに対して要求帯域幅を割り当てる。

一方、要求帯域幅ＢＷⁱ _reqと割り当てられた帯域幅ＢＷⁱ _allocが一致しないと、スケジューラー７０は２０６段階で一番優先順位の高いサービスクラスＰ０に対して先に最小保障帯域を割り当て、残余サービスクラスのＰ１、Ｐ２に対して要求帯域で最小保障帯域を割り当てる。次に、スケジューラー７０は２０８段階で帯域要求したすべてのサービスクラスＰ０、Ｐ１、Ｐ２に割り当てられた全最小保障帯域を全部合わせて、現在使用可能な帯域から全最小保障帯域を除いた後に、残った帯域幅があるかを検査する。そして、スケジューラー７０は２１０段階で残余帯域幅に対して各サービスクラスに応じる加重値を考慮して各キュー８０，８２，８４に対する新たな要求帯域を決定し、各キューに新たに決定された要求帯域を全部合わせる。かつ、スケジューラー７０は２１２段階で残余帯域幅と全新たな要求帯域幅に対する各キューの新たな要求帯域幅の比をかけて、算出される新たな使用可能な帯域幅を決定する。前記のような方式によりスケジューラー７０は帯域要求したすべてのキューに対する帯域幅を割り当てる。

ＯＬＴ６０が各ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）に比例で割り当てた帯域に基づき、各ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）は多重サービスキュー８０，８２，８４の要求帯域に比例して帯域を割り当てるため、動的帯域割当時に各サービスキューが割り当てられる量は非常に少なくなる。従って、各サービスキューの数が増加するにつれて残余帯域の大きさと発生頻度が増加し、特に最小伝送が保障されず動的帯域割当のみを行うＰ３サービスではＨＯＬ問題が頻繁に発生するため、Ｐ３サービスでの残余帯域が大幅に増加する。

従って、帯域の利用率を高めるために、ＨＯＬ問題を解決すると同時に残余帯域を減らし得る帯域割当アルゴリズムの設計が必要になった。

２）最大要求優先割当アルゴリズム
最大要求優先割当（Maximum Request First Allocation：ＭＲＦＡ）アルゴリズムはＨＯＬ問題を解決し、残余帯域を減らすために提案された動的帯域割当アルゴリズムである。最大要求優先割当アルゴリズムはＯＬＴから割り当てられた帯域を各キューに動的に割り当てるために、各キューの要求帯域に加重値を適用して新たな要求帯域を決定し、これに基づき要求帯域の一番大きいサービスキューの順に帯域を割り当てるアルゴリズムである。

図６を参照すると、ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）のスケジューラー７０は３０２段階でＯＬＴ５０により割り当てられた使用可能な帯域幅ＢＷⁱ _allocと各多重サービスキュー８０，８２，８４の要求帯域ＢＷⁱ _reqとを比較する。これにより、要求帯域幅ＢＷⁱ _reqと割り当てられた帯域幅ＢＷⁱ _allocが一致すると、ＯＮＵのスケジューラー７０は３０４段階で一番優先順位の高いサービスクラスＰ０に対して最小保障帯域幅を割り当てた後、帯域要求したすべてのサービスクラスのキューに対して要求帯域幅を割り当てる。

一方、要求帯域幅ＢＷⁱ _reqと割り当てられた帯域幅ＢＷⁱ _allocが一致しないと、スケジューラー７０は３０６段階で一番優先順位の高いサービスクラスＰ０に対して先に最小保障帯域を割り当ててから、残余サービスクラスＰ１、Ｐ２に対して最小保障帯域を割り当てる。次に、スケジューラー７０は３０８段階ですべてのサービスクラスＰ０、Ｐ１、Ｐ２に割り当てられた全最小保障帯域を全部合わせた後、現在使用可能な帯域から全最小保障帯域を除き、残余帯域幅があるかを検査する。そして、スケジューラー７０は３１０段階で残余帯域幅に対して各サービスクラスに応じる加重値を考慮して各キュー８０，８２，８４に対する新たな要求帯域を決定する。

そして、スケジューラー７０は３１２段階で帯域要求した各キューに対して計算された新たな要求帯域が大きい順に帯域を割り当てる。図示したように、帯域要求した各キューの使用可能な帯域が帯域要求した各キューの要求帯域より大きいと、スケジューラー７０により割り当てられた帯域幅はキューが要求した最大帯域幅になる。スケジューラー７０は要求帯域が大きい順に使用可能な帯域のうちで最大帯域幅を割り当てる。かつ、スケジューラー７０は３１４段階で現在使用可能な帯域が残っているかを検査し、もしあったら３１２段階に戻る。

前記のように比例割当アルゴリズムにはフレーム毎に単一ＯＮＵに対して最大キューの数だけの残余帯域が存在するが、最大要求優先順位アルゴリズムには最大一つの残余帯域が存在する。かつ、残余帯域はキュー数に影響を受けず、最大残余帯域を持つ場合には最小保障帯域を持つサービスキュー数のみにより影響を受ける。従って、キュー数により残余帯域が増加する比例割当アルゴリズムに比べて最大要求優先割当アルゴリズムは残余帯域を減少させて帯域の利用率を高め、キューの増加に影響を受けないので拡張性に優れている。

３）優先順位優先割当アルゴリズム
優先順位優先割当（High Priority First Allocation：ＨＰＦＡ）アルゴリズムも前記最大要求優先割当アルゴリズムと同様にＨＯＬ問題を解決し、発生する残余帯域を減少させることにより、帯域の利用率を向上させるために提案されたアルゴリズムである。優先順位優先割当アルゴリズムはＯＬＴにより割り当てられた帯域を各キューに割り当てる時に一番優先順位の高いキューの帯域を割り当てられた帯域のうちで保障し、残余帯域がある時には各キューの要求帯域と加重値を考慮して新たな要求帯域を決定し、これに基づき各キューの要求帯域が大きい順に帯域を割り当てる。

図７を参照すると、ＯＮＵ（６０−１，６０−２，…，６０−Ｎ）のスケジューラー７０は４０２段階でＯＬＴ５０により割り当てられた使用可能な帯域幅と各多重サービスキュー８０，８２，８４の要求帯域幅とを比較する。これにより、要求帯域ＢＷⁱ _reqと割り当てられた帯域幅ＢＷⁱ _allocが一致すると、ＯＮＵのスケジューラー７０は４０４段階で一番優先順位の高いサービスクラスＰ０に対して最小保障帯域幅を割り当てた後、帯域要求したすべてのサービスクラスのキューに対して要求帯域幅を割り当てる。

一方、要求帯域幅ＢＷⁱ _reqと割り当てられた帯域幅ＢＷⁱ _allocが一致しないと、スケジューラー７０は４０６段階で一番優先順位の高いサービスクラスＰ０に対して先に最小保障帯域を割り当ててから、残余サービスクラスＰ１、Ｐ２に対して最小保障帯域を割り当てる。次に、スケジューラー７０は４０８段階ですべてのサービスクラスＰ０、Ｐ１、Ｐ２に割り当てられた全最小保障帯域を全部合わせた後、現在使用可能な帯域から全最小保障帯域を除き、残余帯域幅があるかを検査する。

かつ、スケジューラー７０は４１０段階で残余帯域幅に対して一番優先順位の高いキューの帯域を割り当てられた帯域内で保障する。図示したように、一番優先順位の高いサービスキューＰ１に対して先に割り当てられた帯域内でＰ１の要求帯域幅を割り当てる。次に、スケジューラー７０は４１２段階で残余帯域があるかを検査し、もしあったら４１４段階で各キューの要求帯域と加重値を考慮して新たな要求帯域幅を決定し、各キューに対して新たな要求帯域が大きい順に帯域幅を割り当てる。もし、帯域要求した各キューの使用可能な帯域が帯域要求した各キューの要求帯域より大きいと、割り当てられる帯域幅はキューが要求した最大帯域幅になる。スケジューラー７０は要求帯域の大きい順に使用可能な帯域のうちで最大帯域幅を割り当てる。かつ、スケジューラー７０は４１６段階で現在使用可能な帯域が残っているかを検査し、もしあったら４１４段階に戻る。

前記アルゴリズムの場合には常に優先順位の高いキューを先に保障するため、各サービスの要求事項を充足することができ、既に要求した帯域のみを割り当てて優先順位の低いキューに伝送機会を与えるので、キュー間の公正性が保障できる。帯域割当時に優先順位が高い順にキューの伝送機会を先に保障する場合、入力負荷が低いにもかかわらず優先順位の低いキューの遅延がむしろ増加する場合が発生するが、これを低い入力負荷でのペナルティ現象という。この現象は伝送時点で優先順位の高いキューのデータを先に保障したために発生するものである。しかし、優先順位割当アルゴリズムは優先順位の高いキューのサイズと同様な帯域を割り当てず、以前のフレームで要求した帯域のみを割り当てるため、ペナルティ現象を解決することができる。かつ、優先順位優先割当アルゴリズムはフレーム毎に単一ＯＮＵに対して最大一つの残余帯域を発生させるので、残余帯域により浪費される帯域を減らし得る。

本発明によるＯＬＴのスケジューラーはＯＮＵから伝送されたＲＥＰＯＲＴメッセージ内の多重キュー要求情報を受信してスケジューリングした後に、単一ＯＮＵに対して統合されたスケジューリング結果をＧＡＴＥメッセージを通じて伝送する。かつ、本発明によるＯＮＵのスケジューラーはＯＬＴにより割り当てられた帯域に基づきスケジューリングを行い、自分に属する各キューに伝送帯域を割り当てる。このように階層的構造は各キューからＧＡＴＥメッセージとＲＥＰＯＲＴメッセージを取り除くので、拡張性の問題が解決される。よって、一つのＯＮＵ内に存在するすべてのキューがデータの伝送時にガードタイム無しで連続的にサービスされるので、スイッチオーバーオーバーヘッド問題を解決することができる。

なお、本発明による動的帯域割当アルゴリズムはＯＬＴとＯＮＵがＧＡＴＥメッセージとＲＥＰＯＲＴメッセージを通じて情報交換を行うので、ＭＰＣＰと互換可能になり、効率的なキュー数を使用し、拡張性に優れ、公正なキューイングを保障し、効率的に帯域を使用することができる。

以上、本発明について具体的な実施形態に基づき詳細に説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その範囲と均等なものにより定められるべきである。

一般的なＥＰＯＮのブロック構成図。ＥＰＯＮでのＧＰＳに基づいた帯域幅割当アルゴリズムの単一スケジューリングを示した図面。本発明による帯域幅割当アルゴリズムの階層的構造を示した図面。ＯＬＴでの動的帯域幅割当のための比例割当方法の処理流れ図。本発明による比例割当アルゴリズムの順序図。本発明による最大要求優先割当アルゴリズムの順序図。本発明による優先順位優先割当アルゴリズムの順序図。

Claims

一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と多数のＯＮＵ（Optical Network Unit）がＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網（Gigabit Ethernet Passive Optical Network：ＧＥ−ＰＯＮ）で、前記ＯＬＴが前記ＯＮＵのデータ伝送のための帯域幅要求に対応して該各ＯＮＵに帯域幅を割り当てる動的帯域幅割当方法において、
全使用可能な帯域幅のうちで前記ＯＮＵから要求された各サービスのために保障される最小帯域を割り当てる段階と、
前記帯域幅を要求したすべてのＯＮＵに前記最小帯域を割り当てた後に前記全使用可能な帯域幅内に現在使用可能な帯域幅がある場合、前記ＯＮＵが要求した帯域幅の和が前記現在使用可能な帯域幅より小さいと、前記ＯＮＵが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記ＯＮＵが要求した帯域幅の和が前記現在使用可能な帯域幅より大きいと、前記各ＯＮＵのキューサイズと各キューに対する加重値を考慮して該各ＯＮＵに対して新たな要求帯域幅を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする動的帯域幅割当方法。
一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と多数のＯＮＵ（Optical Network Unit）がＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網（Gigabit Ethernet Passive Optical Network：ＧＥ−ＰＯＮ）で、前記ＯＮＵが前記ＯＬＴから割り当てられた帯域幅を各サービスキューの帯域幅要求に対応して各サービスクラスのキューに割り当てる動的帯域幅割当方法において、
前記ＯＬＴにより割り当てられた使用可能な帯域幅が前記帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、前記各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記使用可能な帯域幅が前記各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる段階と、
前記使用可能な帯域幅のうちで前記最小保障帯域幅を割り当てて残った残余帯域幅に対して各サービスクラスに応じる加重値を考慮して前記各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して前記残余帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする動的帯域幅割当方法。
一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と多数のＯＮＵ（Optical Network Unit）がＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網（Gigabit Ethernet Passive Optical Network：ＧＥ−ＰＯＮ）で、前記ＯＮＵが前記ＯＬＴから割り当てられた帯域幅を各サービスキューの帯域幅要求に対応して各サービスクラスのキューに割り当てる動的帯域幅割当方法において、
前記ＯＬＴからの使用可能な帯域幅が前記帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、前記各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記使用可能な帯域幅が前記各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる段階と、
前記使用可能な帯域幅のうちで前記最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して要求帯域の大きい順に帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする動的帯域幅割当方法。
一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と多数のＯＮＵ（Optical Network Unit）がＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて接続されるギガビットイーサネット受動光加入者網（Gigabit Ethernet Passive Optical Network：ＧＥ−ＰＯＮ）で、前記ＯＮＵが前記ＯＬＴにより割り当てられた帯域幅を各サービスキューの帯域幅要求に対応して各サービスクラスのキューに割り当てる動的帯域幅割当方法において、
前記ＯＬＴにより割り当てられた使用可能な帯域幅が前記帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、前記各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記使用可能な帯域幅が前記各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる段階と、
前記使用可能な帯域幅のうちで前記最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して優先順位の一番高い前記キューに先に帯域幅を割り当て、残余の前記キューには各サービスクラスに対する加重値を考慮して該各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる段階とを含むことを特徴とする動的帯域幅割当方法。
ＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）システムにおいて、
一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と、
ＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて前記ＯＬＴに接続される複数のＯＮＵ（Optical Network Unit）と、
全使用可能な帯域幅のうちで前記ＯＮＵから要求された各サービスのために保障される最小帯域を割り当てる手段と、
前記帯域幅を要求したすべてのＯＮＵに前記最小帯域を割り当てた後に前記全使用可能な帯域幅に現在使用可能な帯域幅がある場合、前記ＯＮＵが要求した帯域幅の和が前記現在使用可能な帯域幅より小さいと、前記ＯＮＵが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記ＯＮＵが要求した帯域幅の和が前記現在使用帯域幅より大きいと、前記各ＯＮＵのキューサイズと各キューに対する加重値を考慮して前記各ＯＮＵに対して新たな要求帯域幅を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とするＧＥ−ＰＯＮシステム。
ＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）システムにおいて、
一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と、
ＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて前記ＯＬＴに接続される複数のＯＮＵ（Optical Network Unit）と、
前記ＯＬＴにより前記ＯＮＵに割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域の和より大きいと、該各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記使用可能な帯域幅が前記各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる手段と、
前記使用可能な帯域幅のうちで前記最小保障帯域幅を割り当てて残った残余帯域幅に対して各サービスクラスに応じる加重値を考慮して前記各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して前記残余帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とするＧＥ−ＰＯＮシステム。
ＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）システムにおいて、
一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と、
ＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて前記ＯＬＴに接続される複数のＯＮＵ（Optical Network Unit）と、
前記ＯＬＴにより前記ＯＮＵに割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域の和より大きいと、該各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記使用可能な帯域幅が前記各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる手段と、
前記使用可能な帯域幅のうちで前記最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して要求帯域の大きい順に帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とするＧＥ−ＰＯＮシステム。
ＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet Passive Optical Network）システムにおいて、
一つのＯＬＴ（Optical Line Terminal）と、
ＯＤＮ（Optical Distribution Network）を通じて前記ＯＬＴに接続される複数のＯＮＵ（Optical Network Unit）と、
前記ＯＬＴにより前記ＯＮＵに割り当てられた使用可能な帯域幅が帯域幅を要求した各キューの要求帯域幅の和より大きいと、該各キューが要求した帯域幅を割り当て、一方、前記使用可能な帯域幅が前記各キューの要求帯域幅の和より小さいと、サービスクラスの優先順位に応じて最小保障帯域幅を割り当てる手段と、
前記使用可能な帯域幅のうちで前記最小保障帯域幅を割り当てて残った帯域幅に対して優先順位の一番大きい前記キューに先に帯域幅を割り当て、残余の前記キューには各サービスクラスに応じる加重値を考慮して該各キューに対する新たな要求帯域を決定し、これに比例して帯域幅を割り当てる手段とを含むことを特徴とするＧＥ−ＰＯＮシステム。