TWI287365B - A dynamic bandwidth allocation method in an ethernet passive optical network - Google Patents

Description

1287365 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 、本發明係有關一種被動光網路之動態頻寬分配方 法，特別是具懲罰機制且於每個傳輪周期之間，各個通 路之時間分配係可變的之動態頻寬分配方法。 【先前技術】 • 被動光網路（P〇N，Passive Optical Network)近年 之研究及產業應用上已經愈來愈多，其主要包含有乙太 被動光網路⑽⑽’ Ethernet P0N)、寬頻被動光網路 (BP0N，Broadband P0N)使用於非同步傳輸網路（atm. Asynchronous Transfer Mode)等等，其中 Ερ〇Ν 之主要 架構可見於【第i圖】，主要由—個局端（1〇, 〇lt， Optical Line Terminal)、一個—對多之光偶合器（12, • Optical Splitter)、多個用戶端（14, 〇NU，owicM network Unit)及光纖（16, 0pticalFiber)所組成，其 中光偶合器目前使用較多者為一對十六、一對二十一、 或一對六十四，因此，用戶端之數量即分別為十六、三 十二、或六十四’運作時，由局端以廣播方式（Br〇adcast) 傳給用戶端，此為下傳；而用戶端則以分時多工方式 (TDM, Time Division MultiPlexing)方式上傳給局 端；也就是說資料下傳時每一個用戶端均會收到資料， 1287365 然、各別用戶端只會篩選並讀取與之相關之資料，而資 料上傳時，是由局端依次指定特定之用戶端上傳資料， 此時被指定之用戶端需立即上傳資料（Burst mode)給 局端，此即所謂的多點控制協定（MPCP，Multipoint Control Protocol)及 PON 之運作模式。 . 關於PON運作時，其資料上傳頻寬分配方式，主要 分為二大類，其一為固定式，其二為動態分配方式，固 • 定式頻寬分配方式之運作原理為每個用戶端均享有固 定之頻寬，例如·· 65%用於上傳，35%用於下傳；而動態 頻寬分配方式則可見於美國電機暨電子工程師學會 (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers)論文期刊通訊部分之Chadi M· Assi， Yinghua Ye, Sudhir Dixit, and Mohamed A. Ali， “Dynamic Bandwidth Allocation for • Quality-of-Service Over Ethernet PONs， u IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 21，No· 9，November 2003，pp· 1467-1477 論文，其 使用下列公式（a)-(c)來進行動態頻寬分配：

/ n g = fRiJ/R

(a) n i ΧβΜΙΝ +B excess ^ ( > β MIN jyMIN cycle ^ X 7") X Γ (b) Bi =—~o- 1287365 j)excess、， (c) ^excess _nT〇tal X R. 1 ~~ΎΣΧ 公式（a)為其基本頻寬分配方法，其中，及表_ 要求的頻寬’ 5’表⑽/i.的保障頻寬，万厂表剩餘頻寬 並重分配給〇化·，坪則是娜,實際分配到的頻寬，: 公式（a)可知’當所要求頻寬少於保障頻寬時，〇叫可 配配=所要求的頻寬，反之，啊可分配到保障頻寬之 外’：可額外分配到超額頻寬，保障頻寬如公式㈦所 不’其中’ U-個傳輸週期（cycletime)，^ 的個數，以讎㈣時間，r表傳輪 的保障頻寬權重(依用戶契約決定)。超額頻寬如=) 依利用剩餘頻寬，但剩餘頻寬 則，因其可t導二=比:分配’並不符合公平原 而可分到大量頻寬。"里頻見的用戶因要求較大頻寬 頻寬提出利用流量預測及事先配置多餘 中、低優先權的等待時間，其主要由高、 …種優先權的頻寬需求組成，並將高優先權部份 8 1287365 加入流量預測機制，並以其定義之配置方式運作，即可 ^ 降低高優先權資料的平均傳輸延遲，但此方法會導致其 它優先權資料平均傳輸延遲增加，且流量預測誤差會降 低頻寬使用率。 除此之外，公告於2004年11月30日之美國第 . 6826160 號專利「 Dynamic bandwidth allocation through multi-channel time slot assignment and • migration for broadband access」，係提出一種動態 頻寬配置之方法，從用戶端取得目前流量狀況，再加入 條件來動態產生頻寬，該方法係可動態分配頻寬，但可 能造成網路流量異常大的用戶會佔據太多頻寬而產生 不公之情形，同時，該方法並不特別使用於EP0N網路 上。 再者，公告於2005年5月1〇日之美國專利第 φ 6891856 號「Delay-compensated timeslot assignment method and system for point-to-multipoint communication networks」，主要提出解決延遲問題之 方法及糸統’但热法明確長：供服務品質（Q〇S，Qual ty of Service)的頻寬保證。 【發明内容】 由上述可知，傳統動態頻寬分配有下述二項爭議 點，其一為公平性，若某個0NU持續長時間要求大量頻 9 1287365 .寬，該ONU會持續佔去過多的剩餘頻寬，形成分配上之 不公；其二為延遲問題，在網路傳輸過程中，若之 幾個0NU持續長時間的要求大量頻寬，而前述方法= 使得該少數_岐遲時間降低，但其他_延遲° .部增長，所以整個ΕΡ0Ν的總延遲時間是增長的。$ • #本發明提出—種被動光網路中具㈣機制 能 頻寬分配方法，其係由一 〇LT、一一 心 鲁哭Π糾 對夕之被動光偶合 D〇 PaSS1Ve Splltter)、及數個 0NU 所構成，太 動態頻寬分配方法包括：設定各^ =配置有與各用戶端一對一對應之分配頻寬、超額： :累加值、以及懲罰旗標；詢問各用戶端之二 員 =用戶端分配頻寬;決定超额頻寬累加值;決定見徽 1中二以及依決定之分配頻寬進行資料傳輸二 丨復至定之分配頻寬進行資料傳輸步驟後，即回 輸。問各用戶端之要求頻寬步驟重覆進行資料傳 別述之懲言g旗標係在 議t之最大頻宽…，二〜求頻寬大於頻寬協 ,、， 、見即累加兩者之差值於超額 被設定：= 傳輪’以避免部分用戶端持續要求過大之頻 1287365 寬，導致分配不公之情形。 其次，由於本發明在資料上傳部分係依照多點控制 協定（MPCP，Multipoint Control Protocol)的同意訊息 (GATE message)與回報訊息（Report message)格式及不 同資料類型來加以訂定各類佇列，使得用戶端之要求頻 , 寬中之各仔列具有優先權之標識，而在前述上傳資料步 驟時，即依此優先權資料進行排序而傳輸的，意即傳輸 # 時將頻寬先分配具有QoS (Quality-of_Service)之特性的 仔列，達到滿足Q〇S之特性。 再者，前述決定各用戶端分配頻寬時，當要求頻寬 低於保障頻寬時，局端仍直接配予保障頻寬，以符合合 約，並可避免在局端詢問並配置各用戶端之分配頻寬 時，前述要求頻寬較低之用戶有新增加的資料要傳輸， 而產生延遲之情形。 _ 綜上所述，藉由本發明之技術手段，得以有效的解 決習知技藝之問題，達到公平分配、提供QoS資料低傳 輸延遲與高輸出量，實具產業利用性、新穎性、及進步 性。 有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作實施方式 詳細說明如下。 11 1287365 【實施方式】

⑴首先請參閱【第2圖】，其為本發明之局端9〇與用 鳊92夕重丁列架構圖，圖中可以見悉本發明係於巧 端9〇與用戶端92各配置有八個佇列94, 96之架構，並 :據用戶端92之各佇列96的優先權與上傳資料量(頻 =值）、局端90各佇列94的下傳資料量、本發明之徵 罰機制及頻寬分配原則進行動態頻寬分配。 α 、'本發明動態頻寬分配分為二大部分··資料上傳與資 料下傳，百先說明下傳部分之頻寬配置方法，其包含下 ，步驟·（S1)將局端9G各仔列94之資料量相加，並計 异所需頻寬’· (S2)若所需頻寬大於二分之一傳輸週期 (1/2 Cycle Tnne)時，將下傳頻寬（办丽你從㈣設定為二分 之一傳輸週期，若所需頻寬未大於二分之—傳輸週期， 則下傳頻見即設定為所需頻寬；以及（S3)依下傳頻寬進 行資料下傳。 办^述的下傳頻寬配置方法中明顯可以看出下傳頻 見不得大於二分之—傳輪週期，以保障上傳之頻寬及通 訊之流暢；而當前述下傳頻寬被配置完成後，傳輪週期 '咸去"FH i即為剩餘頻寬你⑹㈣，此剩餘頻寬愈 大’則上傳之資料量與可供分配的頻寬即會愈大。 其-人，關於上傳資料之方法，係依照 12 1287365 (Multipoint Control protocol)的同意訊息（GATE message)與回報訊息（Report message)格式及不同資料 類型來加以訂定各類佇列，使得各佇列均具有資料類 型、優先權訊息及資料量等基本資訊，以供做分配頻寬 之依據，由於MPCP、GATE/Report message及資料分 . 類定義屬於所屬領域之通常知識，故不再贅述。 本發明動態頻寬分配方法之流程圖如【第3圖】至 • 【第7圖】所示，包含下列步驟： 設定各用戶端92之頻寬協議（步驟20);在局端90 配置有與各用戶端 92 —對一對應之分配頻寬 (的）、超額頻寬累加值（為）、以及懲罰旗標Uoch) (步驟30);詢問各用戶端92之要求頻寬（i?叫從吨）（步驟 40);決定各用戶端92分配頻寬的）（步驟5 0 );決 定超額頻寬累加值（為）（步驟60);決定懲罰旗標 • 之狀態（步驟70);以及依決定之分配頻寬進行資料傳 輸（步驟80);其中，在依決定之分配頻寬進行資料傳 輸步驟後，即回復至該詢問各用戶端92之要求頻寬步 驟重覆進行資料傳輸。 上述之頻寬協議係由系統提供者與用戶端簽訂之 合約中所述明之頻寬需求，其至少包含保障頻寬 (万/_)、一最大頻寬（万严@)、及一平均頻寬（万严σ)，其中 保障頻寬係為用戶端提出最低頻寬需求；而前述之局端 13 1287365 更配置有超額頻寬上限值（A/d)、超額頻寬解鎖值（A 严）、以及與該用戶端一對一對應之超額頻寬累加值 (為），而該懲罰旗標（加竦）具有懲罰知=〇及非懲罰 二個狀態，且其初始狀態為非懲罰狀態，而為 之初始值為零。 本發明即利用前述懲罰旗標α〇竦）、要求頻寬 吨）、超額頻寬累加值（為）等之適當運作，以對各 春用戶端92配置出最適當之分配頻寬矻），來達到 公平地動態分配頻寬、最低延遲及QoS之特性。關於步 驟50、步驟60、及步驟70之運作模式，將一敘述之。 步驟50之「決定分配頻寬」之方法請見於【第4 圖】，其係當懲罰旗標為懲罰狀態時（加成·=1)，該分配 頻寬即設定為零（产0)(步驟52、54);當懲罰旗標 為非懲罰狀態且要求頻寬小於保障頻寬時心=0 and • 於· <灰_)，分配頻寬即設定為要求頻寬U//o⑶的= (步驟52、56、58);而當懲罰旗標為非懲罰狀 態且要求頻寬大於保障頻寬（切冰=0 and >此_) 時，先將分配頻寬設定為保障頻寬C4此⑶尸万严〃），待 所有0NU分配完後尚有剩餘頻寬時，再分配要求頻寬大 於保障頻寬之部分（，仏产及叫狀风），若無剩餘頻寬 時，則不再分配（步驟5 2、5 6、5 5、5 7、5 9 )，意即先 將該分配頻寬設定為保障頻寬，待所有0NU分配完畢 14 1287365 後’再分配要求頻寬大於保障頻寬部份。 此步驟50之運作意義即為當卿的懲罰旗標為徵 罰候’則不給予任何頻寬;在步驟58的部份: 當遂罰旗標為非懲罰狀態的時候，若卿所要 寬小於保障職，職接分配其要求頻寬，等所有要求、 小於保障頻寬的0NU分配完畢，接下來分配要求頻寬 大於保IV頻見的QNU，㈣分配每個⑽U保障頻寬的 部份，然後再計算剩餘頻寬，若有剩餘頻寬時，再依序 分配大於保障頻寬的部份。最後逐一分配給擁有⑽ 特性的件列，然後在分配給w⑽的仔列，如此即 可支援QoS的資料傳輸。 在要求頻覓小於保障頻寬時，以直接分配保障頻寬 的原因為二’其-為保障頻寬由用戶合約決定，因此有 貝任保p早其使用權，其二為在分配頻寬期間，假設 將會有其他資料到達因此多分配的頻寬可減少這 #又期間到達資料傳輸延遲的時間。 由於分配方式是依照佇列優先權高至低的方式來 分，，所以當〇夏^的某一佇列要求頻寬大於〇夏^最大 頻寬時，此演算法會同意佇列的要求，並分配頻寬，但 是OiVG也將被終止下一回合的分配，並將此回合多分 配的頻寬加入超額頻寬累加值中（詳如後述）。當 的超額頻寬累加值人·大於超額頻寬上限值（乂严勺時，此 15 1287365 不被給衫配頻寬，也就是將之前多使用的頻 :退、°其他使用，直到小於超額頻寬解鎖值（4 !)再、”。予分配頻寬，此優先權分配頻寬之原則亦使 用於前述下傳部分。 ，於步驟60「決定超額頻寬累加值」之方法請參 見【^ 5圖】及【第6圖】，該步驟60係包含二步驟： 「计异超額頻寬累加值」（步驟61)、以及「合理 丨額頻寬累加值」（步驟68)，而步驟61更包含·· ° 若懲罰旗標為懲哥狀態山成叫）時，則超額頻寬累 加值等於超額頻寬累加值減去保障頻寬u· u，） (步驟62、67);若懲罰旗標為非懲罰狀態且要求頻寬 於保Ρ早頻見⑹味=〇 and瓜㈣d鹰），則超額頻寬累 加值即等於超額頻寬累加值減去保障頻寬與要求頻 細㈣)（步驟62、63、64);即若律 罰旗標為非懲罰狀態且要求頻寬介於保障頻寬: ^ r. (Z., .〇 and < ^ ^ ^ ^ ^ 見累加值不變（步驟62、63、65)，即為=為；以、ς 罰旗標為非懲舰態且要求頻寬大於最大頻寬(Μ Γ0 and #娜> ’則超額頻寬累加值等於超額頻丄 加值加上要求頻寬再減去最大頻寬 、見’、 0_2、63、65、66)。 Z ^叫 此為之计异方法重點在於當用戶端％之要求頻寬 16 1287365 大於最大頻寬時，即 命f认加i ^其差值於為，反之、若要喪箱 見小於保障頻寬時， 右要求頻 態，其一為者用卢# 了減去未使用頻寬，但有二種狀 宽mAn处 為磁剖狀態時，即減去保障頻 用戶端92被限制傳輸)，若用:： 此\ '以狀恶時，即減去（保障頻寬·要求頻寬），如 =來’即可讀公平及有彈性之方 各用 92及頻寬。 & 分用尸％ 士當然，在要求頻寬介於保障頻寬與最大頻寬之門 時，為即不做任何增減動作。 貞見之間 而前述步驟68「合理化超額頻寬累加值為」之方法 為虽超額頻寬累加值小於零(為<〇)時，設定超額頻寬累 =為零⑷），如此即不致有不合理之現象，同時由 於用戶端心卩使要翔寬低於卿頻寬 置予保障頻寬。 月仍配

再者，關於步驟70「決定懲罰旗標之狀態 法’請參考【第7圖】，其包含： 若懲罰旗標為非懲罰狀態(即岭0)且超額頻寬 累加值大於超額頻寬上限值u< A严勺，懲罰旗標即設定 為懲罰狀態U〇cbl)(步驟72、74、78);若懲罰^桿 為懲罰狀態(即切成:1)且超額頻寬累加值小於超額； 寬解鎖值u< 4严），懲罰旗標即設定為非懲罰狀能 (步驟72、76、79);以及其餘條件，懲罰旗= 17 1287365 不變。 此一懲罰機制即是當用戶 頻寬時，即ψ古十並m %要求頻見大於最大 — >卩累#其差值於為，#為大於^ 设疋為懲罰狀態，使猂兮 p Locki nw 用戶端於下幾輪傳輪令無法傳 :唯有以·低於超额頻寬解鎖值（似严)時，方恢愎 傳輸’而此行為為事件 有任何增減的情況發生# eVen riven)’即當為 1機制，至於方：檢查是否有要執行懲罰 广於4.之加減方式已於前文有述及，不再費述。 綜上所述，本發明藉由上僂 法、懲罰機制、搭配佇列由古 ^、見刀配方 =二賢料的傳輸’以達到⑽傳輸延遲的規範’ 忙用^、見》配的公平性，並且讓系統業者(局端恂可以 92之需求來簽訂合約’實施用性、新賴性及 =本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用 本發明’任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明 =精神和範圍内，當可作些許之更動_飾，因此本發 所2 ί利保護乾圍須視本說明書所附之申請專利範圍 所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖，係為被動光網路架構示意圖； 弟2圖，係為本發明之局端與用戶端多重仵列架構示意 18 1287365 圖， 第3圖，係為本發明之動態頻寬分配方法之實施例流程 圖， 第4圖，係為本發明之決定各用戶端之分配頻寬之實施 例流程圖； 第5圖，係為本發明之決定超額頻寬累加值之實施例流 程圖； φ 第6圖，係為本發明之計算超額頻寬累加值之實施例流 程圖；及 第7圖，係為本發明之決定懲罰旗標狀態之實施例流程 圖。 【主要元件符號說明】 10, 90 局端 12 光偶合器 14, 92 用戶端 16 光纖 94, 96 仔列 19

Claims (1)

1287365 十、申請專利範園： 1 · 一種被動光網路中具懲罰機制之動態頻寬分配方 法’该被動光網路（PON，Passive Optical)係由一局 (OLT，Optical Line Terminal )、一 一對多之光偶 合器（Optical Splitter)、及多個用戶端（〇NU， Optical Network Unit)所構成，該動態頻寬分配方 法包括： 設定各該用戶端之一頻寬協議； 在該局端配置有與各該用戶端一對一對應之多 個刀配頻覓、多個超額頻寬累加值、以及多個懲罰旗 1示， 詢問各該用戶端之一要求頻寬； 決定該分配頻寬； 決定該超額頻寬累加值；

決定該懲罰旗標之狀態；以及 依決疋之各該分配頻寬進行資料傳輸； 二中在依各该分配頻寬進行資料傳輸步驟後， 即回设至該詢問各該用$ 用戶為之该要求頻寬步驟重覆 進行資料傳輸。 •如申巧專利範圍第 弟 Μ所述之被動光網路中具懲罰 保障態頻咖方法，其中該頻寬協議包含有-障頻見、一最大頻寬、及一平均頻寬。 20 Ϊ287365 m心圍第2項所述之被動光網路中具_ 動態頻寬分配方法，其中該局端更配置有一超 u見上限值、一超額頻寬解鎖値、以及與該用 :::應r超額頻寬累加值，而該懲罰旗標具有 態二一個，態’且其初始狀態為非懲罰狀 ^各“超頜頻寬累加值之初始值為跫。 4.=請專利範圍第3項所述之被動光網 機制之動態頻寬分配方法，其中該決定該分配頻2 為磁刻狀態時，該分配頻 小於;二罰旗標為非懲罰狀態且該要求頻寬 _微^ =寬時，該分配頻寬即為該要求頻寬，而 田該心剖旗払為非懲罰狀態且 障頻寬時，該分配頻寬即設定為伴障:八於該保 刪分配完畢後，再⑽===待所有 份。 貝見大於保障頻寬部 5.如申請專利範圍第2項所述之被動光 機:之動態頻寬分配方法,其中該決定該= 加值之步驟復包含： 貝乂員見累 計算該超額頻寬累加值；以及 合理化該超額頻寬累加值。 Ή請專利範圍第5項所述之被動光網 徵- 機制之動態頻寬分配方法，其中 —剖 超额頻寬累 21 Ϊ287365 加值之步驟復包含： 等二=巧標為懲罰狀態’則該超額頻寬累加值 荨；〇起頟頻寬累加值減去該保障頻寬； 若該懲罰旗標為非懲罰狀態且該要求 =保P早頻見’則該超額頻寬累加值即等於該超額頻寬 累加值減去該保障頻寬與要求頻寬之差； 、 若該懲罰旗標為非懲罰狀態且該要求頻寬介於 該保P早頻1與該最大頻寬之間，則該超額頻寬累加值 η若該懲旗標為非懲罰狀態且該要求頻寬大於 該最大頻寬，則該超額頻寬累加值等於 累 加值加上該要求㈣再料該最大頻寬。

7. ^申請專利範圍帛5項所述之被動光網路中具懲罰 $制之動態頻寬分配方法，其中該合理化該超額二寬 累加值之步驟當該超額頻寬累加值小於零時，設定該 超額頻寬累加值為零。 ^ 8. 如申請專利範圍帛i項所述之被動光網路中具懲罰 機，動態頻寬分配方法二 狀態之步驟復包含·· 、若懲罰旗標為非懲罰狀態且超額頻寬累加值大 於超額頻寬上限值，懲罰旗標即設定為懲罰狀態； 若懲罰旗標為懲罰狀態且超額頻寬累加值於 22 1287365 懲罰狀態；以 超額頻寬解鎖值，懲罰旗標即設定為非 其餘條件，懲罰旗標不變。 9‘L申請專利範圍第3項所述之被動光網路中呈徽3 =動態頻寬分配方法’其中該超額頻寬上限二 為該平均頻寬之二十倍。 10機t二t專利範圍第3項所述之被動光網路中具懲罰 為=!寬分配方法，其中該超額頻寬解鎖值約 马該超額頻見上限值之百分之七十。 u· ^料簡圍第丨項所叙縣光_巾具懲罰 之動態頻寬分配方法’其中該要求頻寬係為一多 知列架構下之八個佇列頻寬值之總和。 12=中請專·圍第1!項所述之被動光網路中具懲 制之動恶頻寬分配方法，其中各該佇列並各別具 優先㈣，當依決定之各該分配頻寬進行資料傳 =依該優先權值高者先行傳輸，而優_ 23