TWI396401B - Dynamic Bandwidth Assignment Method for Passive Fiber Network - Google Patents

Description

乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法

本發明係關於一種乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，特別是指一種以遞迴式類神經網路組成之管線排程預測器(PRNN)，及延伸遞迴最小平方法(ERLS)學習法則，用來預測終端用戶行為與各種封包數量，應用於每個光終端單元之輪詢時間(cycle time)內所到來的新增封包數，協助光主控終端作為發送頻寬分配值(Grant)的參考依據，使光主控終端與光終端單元間的傳送效能提高，同時降低光終端單元的封包流失率(packet loss rate)。

針對乙太被動式光纖網路上行訊號的排程(scheduling)已有許多研究，由於光終端單元的上行頻寬屬於共用分享式，因此如何分配光終端單元的上行頻寬就成為重要議題；而最早提出上行訊號排程方式是時間分割多重接取(Time Division Multiple Access,TDMA)(如參考文獻[1])，每個光終端單元配給固定的頻寬(timeslot)，雖然時間分割多重接取方式在實務系統設計上較容易作，但卻無法應付光終端單元的變動資料封包需求，也因此導致頻寬使用率較差；因此為了應付數據服務的突發式訊務需求，Kramer(如參考文獻[2])提出可調插入式輪詢時間(Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time,IPACT)的輪詢機制，使光終端單元的動態頻寬需求獲得一些改善，而此方法也提至IEEE 802.3ah委員會，作為乙太被動式光纖網路多點控制通信規約(MultiPoint Control Protocol,MPCP)的標準建議， 然而可調插入式輪詢時間對於光終端單元的各種服務的服務品質之要求，像是延遲(delay)與封包丟棄機率(drop probability)並未加以考慮；而依據可調插入式輪詢時間法則，光終端單元的封包是採先進先出(First Come First Serve,FCFS)原則，也因此所有封包會有一定的延遲時間，而對於語音與即時視訊服務而言，是無法容忍延遲，或是較大的延遲變異(jitter)；因此許多研究提出改善服務品質的排程機制：如參考文獻[3]提出高優先權動態頻寬指配法則(DBA－High Priority)，針對高優先權的服務，降低其封包延遲時間與延遲變異，但同時犧牲了低優先權封包的丟棄率(使丟棄率提高)、延遲時間(使延遲加長)、減低完成傳送率(throughput)，產生不公平現象；另外參考文獻[4],[5]提出光終端單元雙層頻寬指配法則(intra－ONU,inter－ONU,two layer bandwidth allocation,TLBA)，主要方法是拉大每個光終端單元的各種等級訊務的輪詢時間，試著解決參考文獻[3]中有關高低優先權封包的不公平現象；但卻因此增加高優先權服務的延遲時間與降低其完成傳送率，此法則的主要問題是無法滿足突發式訊務的特性；而發輪詢式動態頻寬指配(Burst－polling based delta DBA)法則(參考文獻[6])與多種服務動態頻寬指配(DBA with multiple service,DBAM)法則(如參考文獻[7])提出預測未來可能到達的分類服務訊務方法，試圖改善平均封包延遲時間，但其使用單次最大頻寬(maximum window)觀念，此方法有如光終端單元要五毛，而光主控終端給一塊；光主控終端多給光終端單元頻寬的結果，反而造成頻寬浪費，使傳送效能下降。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待 加以改良。

本案發明人鑑於上述習用之時間分割多重接取與可調插入式輪詢時間(IPACT)動態頻寬指配方法所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功應用一管線排程遞迴式類神經網路預測器(pipelined recurrent neural networks,PRNN)(如參考文獻[8])及延伸遞迴最小平方(extended recursive least squares,ERLS)(如參考文獻[9])學習法則，來完成本件乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法。

本發明之目的即在於提供一種乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，是提出一個以遞迴式類神經網路(pipeline recurrent neural network,PRNN)組成之管線排程預測器，及延伸遞迴最小平方法(extended recursive least squares,ERLS)學習法則，用來預測終端用戶行為與各種封包數量，由於管線排程遞迴式類神經網路預測器具有快速收斂與精準預測的特點，非常適合用於預測乙太被動式光纖網路，各個光終端單元以附加方式(pig－tail)回報之用戶訊務(late－reported traffic)型態，而應用此預測器，可提高乙太被動式光纖網路頻寬使用效率。

本發明之另一目的即在於提供一種乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，是提出一具有預測式可調整服務品質(QoS－promoted)之動態頻寬指配法則(Dynamic Bandwidth Alloeation)，簡稱PQ－DBA演算法則。本發明主要改良IEEE 802.3ah標準制定之乙太被動式光纖網路的上下行傳送法則(Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time,IPACT)，以及其他動態 頻寬指配法則在服務品質與預測用戶行為的弱點，使頻寬使用率達到最佳化，而PQ－DBA演算法則在平均封包延遲(average data delay time)與公平性(Fairness)亦有提昇。

達成上述發明目的之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，係假設一乙太被動式光纖網路(請參閱圖一所示，為本發明之乙太被動式光纖網路系統架構示意圖)，其光主控終端的下行速率為R_E (bps)，用戶至各個光終端單元的速率為R_U (bps)；而光主控終端銜接一個1：M分光器(splitter)至M個光終端單元，分別編號為ONU₁ 至ONU_M ，光主控終端將下行封包廣播至M個光終端單元，各個光終端單元依據其邏輯鏈路識別碼(Logic Link Identifier,LLID)接收屬於自己的封包，而丟棄其他不符光終端單元邏輯鏈路識別碼的封包；當進行上行傳送時，由光主控終端以多點控制規約(MultiPoint Control Protocol,MPCP)方式送出允許指令(Grant MPCPDU)給各個光終端單元，光終端單元則依據該允許封包信息所給定的頻寬與光信號起止時間，來傳送各光終端單元之上行資料；各光終端單元並在其上行資料封包的最後一欄附加上回應指令(REPORT MPCPDU)，一方面回應通知光主控終端，一方面告知光主控終端該光終端單元所剩餘尚未傳送之封包數量，以便向光主控終端請求下一次允許指令(Grant MPCPDU)的給定頻寬。

光終端單元ONU_i 接收來自於用戶端的三種服務封包(語音，視訊，數據)，分別存放於三個佇列(分別標誌為Q_0,i ,Q_1,i ,Q_2,i ,1≦i≦M)，而儲存於佇列中的封包數值則記錄於L_0,i ,L_1,i ,L_2,i ,1≦i≦M； 本發明另增加三組服務品質觀測參數： (1)視訊封包時間延遲門檻(T_d ^＊ )(2)視訊封包丟棄機率門檻(P_d ^＊ )、(3)數據封包等待時間門檻(T_w ^＊ )，將紀錄於佇列Q_0,i ,Q_1,i ,Q_2,i ,1≦i≦M內、在下一個輪詢時間內必須被傳送(否則會因超過服務品質參數門檻值而被丟棄)的封包數目，依序計算並記錄於L_dp,i ,L_d,i ,L_w,i ,1≦i≦M；另外光主控終端則依據各光終端單元的回應指令(REPORT MPCPDU)所送來六種封包數值(L_0,i ,L_dp,i ,L_d,i ,L_w,i ,L_1,i ,L_2,i )計算，加計管線排程遞迴式類神經網路預測器的參考數值，再以PQ－DBA演算法則分配每個光終端單元ONU_i 所能傳送的封包數量；而光終端單元的封包控制模組(packet controller)將來自於用戶終端的封包分別放到對應的佇列中，同時會丟棄已超過佇列容量的封包；但在本發明的PQ－DBA演算法則中，儲存於佇列中的封包若超過時間延遲門檻(T_d ^＊ )時也會被丟棄(意即封包未在T_d ^＊ 時間內被傳送出去)。

光終端單元的佇列管理器(queue manager)則是管控光主控終端－光終端單元間的封包送收，以及負責傳送各個光終端單元的回應指令(REPORT MPCPDU)訊息與佇列狀態，各個光終端單元的佇列狀態主要是顯示並告知光主控終端其各種服務封包量的儲存情形(以Byte為單位)；另外因時間分割多重接取法則(TDMA)與可調插入式輪詢時間法則(IPACT)會產生以下的盲點：當光終端單元在某個時間點已送完所有資料，該光終端單元用回應指令(REPORT MPCPDU＝0)回應至光主控終端，於是在下一個輪 詢時間中該光終端單元將無頻寬可用(光主控終端會給該光終端單元的給定頻寬Grant＝0)；而經過某些時間，假設該光終端單元又有封包產生，需要傳送時，但是此刻的輪詢時間裡該光終端單元並無頻寬可用(因為先前的回應指令REPORT MPCPDU的佇列封包值為0)，只能重新向光主控終端要求頻寬，因此該光終端單元的用戶資料封包必須等待至少2~3個輪詢時間才能被傳送出去。

上述光主控終端與光終端單元間使用允許指令－回應指令作溝通，會有2~3個輪詢時間的落差，但這段時間光終端單元的終端用戶仍持續送資料。因此本發明應用管線排程遞迴式類神經網路預測器來預估每一次輪詢時間內光終端單元的用戶所送出來的各種封包速率，並依此預估速率乘以輪詢時間來推估各式服務的新增封包數量(記錄於L_0,i ,L_1,i ,L_2,i ,L_dp,i ,L_d,i ,L_w,i )，作為光主控終端分配光終端單元頻寬的參考，進而提高乙太被動式光纖網路系統的使用效率。

最後光主控終端會依ONU_i 的順序，依序預測個別ONU_i 在每次輪詢時間內所新增的封包速率與數目，再依PQ－DBA演算法則分配ONU_i 所需的頻寬。

請參閱圖一，為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之乙太被動式光纖網路系統架構圖，其中包含有： 一光主控終端1，係與分光器2相介接，藉由分光器2將下行封包廣播至數個光終端單元3，另外該光主控終端1中具有一管線排程遞迴式類神 經網路11，以給定頻寬分配允許指令；一分光器2，係與光主控終端1及數個光終端單元3相介接，是一個單點對多點的分光器(splitter)；數個光終端單元3，係與分光器2及數個用戶端4相介接，各個光終端單元依據其邏輯鏈路識別碼(Logic Link Identifier,LLID)接收屬於自己的封包，而丟棄其他不符光終端單元邏輯鏈路識別碼的封包；而光終端單元包含了一佇列控制器31、語音服務封包佇列321、視訊服務封包佇列322、數據服務封包佇列323及封包控制器33，另外該數個光終端單元3會在上行資料封包的最後一欄附加上回應指令(REPORT MPCPDU)，一方面回應通知光主控終端1，一方面告知光主控終端1該數個光終端單元3所剩餘尚未傳送之封包數量，以便向光主控終端1請求下一次允許指令(Grant MPCPDU)的給定頻寬；數個用戶端4，係與數個光終端單元3相介接，因光主控終端1與數個光終端單元3間使用允許指令－回應指令作溝通，其中會有2~3個輪詢時間的落差，但這段時間光終端單元的數個用戶端4仍持續送資料；本發明之光主控終端1以遞迴式類神經網路(pipeline recurrent neural network,PRNN)組成之管線排程預測器及動態頻寬指配法則(PQ－DBA)，且本發明之管線排程遞迴式類神經網路預測器具有計算複雜度、快速收斂時間、適於預測非線性與非穩定(nonlinear and non－stationary)信號，如要預測ONU_i 第(N＋1)個輪詢時間的新增封包速率，則以該光終端單元先前p個封包速率λ _m,i (n),λ _m,i (n－1),.....,λ _m,i (n－p＋1)為輸入參考值，再經由運 算，即可得到的預估值；因此本發明係應用管線排程遞迴式類神經網路預測器來預估每一次輪詢時間內光終端單元的用戶所送出來的各種封包速率，並依此預估速率乘以輪詢時間來推估各式服務的新增封包數量(記錄於L_0,i ,L_1,i ,L_2,i ,L_dp,i ,L_d,i ,L_w,i )，作為光主控終端1分配數個光終端單元3頻寬的參考，進而提高乙太被動式光纖網路系統的使用效率。

請參閱圖二，為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之光主控終端與光終端單元上下行溝通示意圖，由圖中可知，光主控終端與光終端單元上下行傳送溝通方式是當光主控終端目前在第(n－1)個輪詢時間(T_i (n－1))，起始於圖二之T1時間點)，光主控終端已接收到ONU_i 的所有佇列資訊(L_m,i (n－1)，其中m＝{0,1,2}，1≦i≦M，及L_dp,i (n－1)、L_d,i (n－1)、L_w,i (n－1))，而光主控終端使用本發明之管線排程遞迴式類神經網路預測器預估ONU_i 在T_i (n－1)時間內所新增的封包數目，作為PQ－DBA演算法則分配給ONU_i 的頻寬(G_m,i (n))依據；而光主控終端會依據先前已知的資訊，計算實際ONU_i 於第(n－1)次輪詢時間之持續時間內，佇列Q _{m ,i} 之新到封包數為：1.高訊務時(High Loading)：當L_m,i (n－1)>0時，表示預測值少於實際新到封包數值A_m,i (n－1)，或是最大給定頻寬仍不足以供應ONU_i 原有之L_m,i (n－2)要求的頻寬，則佇列Q _{m ,i} 於T_i (n－1)時間內之新到封包數為

2.低訊務時(Low Loading)：當L_m,i (n－1)＝0時，表示預測值可能高於實際新到封包數值A_m,i (n－1)，此時無法得知真正的實際新到封包數值，因此選用與之前的已知實際新到封包數值作平均； 因此可知，λ _m,i (n－1)＝A _m,i (n－1)/T _i (n－1)。

3.第n－1個輪詢時間內新增封包數目預測為，由圖二中可知，。

為了使L_m,i (n)最小化(頻寬使用率最大化)，除了光主控終端所分配的頻寬G_m,i (n)需滿足原本Q _{m ,i} 佇列內L_m.i (n－1)之封包需求外，另需提供給T_i (n－1)時間內所新增的封包數目(A_m,i (n－1))；所以預測得愈準，L_m.i (_n )會愈趨近於0，但此時尚未知L_m.i (n)的值，所以只能由第(n－1)輪詢狀態以前所得到的資訊，如λ_m,i (n－2)、λ_m,i (n－3)、λ_m,i (n－4)...，來推估第(n－1)次輪詢時間T_i (n－1)內的新增封包速率。

請參閱圖三，為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之管線排程遞迴式類神經網路預測器架構，由圖中可知，該結構屬於非線性預測模型(nonlinear autogressive－moving average,NARMA)，其中包含了r個處理階層，而每一階層有一個遞迴式類神經網路(recurrent neural network module,RNN)模組及一個比較器；其中除了第一個遞迴式類神經網路模組的第一個輸出端(y_1,1 (n))為真正管線排程遞迴式類神經網路預測器的輸出埠外，個別遞迴式類神經網路模組的輸出端(y_i,1 (n),2≦i≦r)均連接至下一個階層的遞迴式類神經網路模組，而遞迴式類神經網路模組的其他N－1個輸出端(y_i,2 (n)~y_i,N (n))則全部迴授至原遞迴式類神經網路模組內；另外第r個遞迴式類神經網路模組的輸出端(y_r,1 (n))也迴授至原遞迴式類神經網路模組。

請參閱圖四，為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之遞迴式類神經網路模組功能架構，其中每一個類神經網路模組包含有N個神經元(v₁ ^~ v_N )、p個外部輸入埠、N個迴授輸入埠與一個偏壓輸入埠組成；其中該外部輸入埠的輸入源為已知以前歷次的實際新到封包速率λ _p (k),n-p+1kn；迴授輸入埠的輸入源包括N-1個自我迴授(圖四之y_i,2 (n)^~ y_i,N (n))與前一階類神經網路模組的輸出埠(圖三之y_r,1 (n)^~ y_2,1 (n))，而偏壓輸入值設為常數1；因每個遞迴式類神經網路模組為整體r個階層管線排程遞迴式類神經網路預測器之一個子預測器，因此每個子預測器會有一誤差值，定義為e _i (n )=λ (n -i +1)-y_i,1 (n)，1≦i≦r；這個誤差值可作為每個類神經網路模組內，加權影響度的更新之用；本發明使用延伸遞迴最小平方法作為管線排程遞迴式類神經網路預測器的學習法則(learning algorithm)，用來作為加權影響度w_ij 的更新之用；另外為了降低預測系統的複雜度，本發明之所有遞迴式類神經網路模組均配置一樣的加權影響度陣列[W](synaptic weight matrix)，因此，整體管線排程遞迴式類神經網路預測器的誤差必須加總來作為加權影響度的調整；而E(n)定義是所有管線排程遞迴式類神經網路預測器之子預測器的誤差和，而a_n 是一遺忘因子(exponential forgetting factor)，介於0與1之間，由於延伸遞迴最小平方法採用現時與先前(r-1)個誤差值作為預測之判斷基準，因此能得到較好的預測值；有了預測器產生T_i (n)時間內新增封包的速率預測值，即可使用此值，計算預估T_i (n)輪詢時間內新增之封包數量值，也就是；由於可調插入式輪詢時間法則對於光終端單元的用戶無法提供優先權機制，解決服務品質需求，亦即語音與視訊封包的即時性要求較高，對網路的延遲較敏感；而數據封包的等待時間過長易會有飢餓(starvation)困擾；因此本發明另提出預測式可調整升級服務品質之PQ－DBA演算法則動態頻寬指配演算方法，除使頻寬使用率達到最佳化設計外，亦能滿足封包的服務品質要求，其實施方式為：第一個步驟是用戶訊務之優先權等級區分與服務品質參數設計，係在PQ－DBA演算法則裡，將用戶訊務分成六種優先權設計：1) 最高優先權：語音封包(Q_0,i )；2) 第二優先權：面臨機率丟棄問題的視訊封包(L_dp,i )；3) 第三優先權：面臨延遲問題的視訊封包(L_d,i )；4) 第四優先權：面臨延遲問題的數據封包(L_w,i )；5) 第五優先權：一般視訊封包(Q_1,i )；6) 最低優先權：一般數據封包(Q_2,i )。

由於語音服務及視訊服務為即時性之服務，對時間延遲較敏感，因此本發明設計了三個服務品質參數，以提昇其訊務等級：

1) 視訊封包時間延遲門檻(T_d ^＊ )：記錄於參數L_dp,i ，表示哪些在下一次輪詢時間若未被傳送掉則會被丟棄的視訊封包數量(因為在下一次輪詢時間的終點時刻，這些視訊封包的時間延遲已超過門檻值T_d ^＊ )。

2) 視訊封包丟棄機率門檻(P_d ^＊ )：在維持視訊服務品質情形下，所能容忍之視訊封包丟棄機率，記錄於參數L_d,i ，代表為了維持視訊封包的丟棄機率P_d ^＊ 要求，哪些在下一次輪詢時間必須被傳送掉的視訊封包數量(否則在下一次輪詢時間的終點時刻，這些視訊封包的時間延遲已超過門檻值T_d ^＊ ，而啟動P_d ^＊ 比率的隨機封包丟棄)；但隨機丟棄封包的機率值不能太高，否則會因丟棄太多封包而影響視訊服務的服務品質，讓用戶無法接受。

3) 數據封包等待時間門檻(T_w ^＊ )：記錄於參數L_w,i ，代表已超過等待時間門檻(T_w ^＊ )的數據封包數量(以避免數據封包超過等待時間上限，而進入飢餓狀態(starvation mode)，進而啟動隨機丟棄(Random Early Drop,RED)等機制)。

而第二個步驟則是PQ－DBA演算法則之頻寬設計，係在光主控終端之PQ－DBA演算法則會針對ONU_i 所填報之各種優先等級的用戶封包資訊，由高優先等級至低優先等級依序分配其傳輸頻寬，直到所有頻寬用完為止。

請參閱圖五，為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之演算法則(PQ－DBA)流程圖，其中光終端單元(ONU_i ，1≦i≦M)，分別將L_0,i 、L_dp,i 、L_d,i 、L_w,i 、L_1,i 、L_2,i 及1≦i≦M，送至光主控終端端，而光主控終端則依據各光終端單元ONU_i 的回應指令(REPORT MPCPDU)所送來六種封包數值(L_0,i 、L_dp,i 、L_d,i 、L_w,i 、L_1,i 、L_2,i )計算，加上管線排程遞迴式類神經網路預測器之預測值，再以允許指令(Grant MPCPDU)將分配之頻寬值G_0,i ,、G_1,i 及G_2,i ，傳給光終端單元(ONU_i ，1≦i≦M)，並假設每個 QNU_i 的總頻寬為B，其步驟為： 步驟一：依據光終端單元ONU_i 的L_0,i 回報值來設計，加上預測值後，優先分配給語音服務頻寬(G^’ _0,i )；步驟二：依據光終端單元ONU_i 的L_d,i 與L_dp,i 回報值，加上預測值後，並扣除語音服務頻寬後的剩餘頻寬，再分配給第二與第三優先服務品質的視訊服務頻寬(G^’ _1,i )；步驟三：依據光終端單元ONU_i 的L_w,i 回報值加上預測值後 ， 與所剩餘的頻寬，分配給第四優先服務品質的數據服務頻寬(G^’ _2,i )；步驟四：依據光終端單元ONU_i 的佇列Q_1,i 所剩餘的封包數量L_1,i －L_d,i ，加上預測值後，及剩餘頻寬，分配給第五優先的一般視訊服務頻寬(G^” _1,i )；步驟五：依據光終端單元ONU_i 的佇列Q_2,i 所剩餘的封包數量L_2,i －L_w,i ，加上預測值後，及剩餘頻寬，分配給最低優先的數據服務頻寬(G^” _2,i )；步驟六：殘留頻寬分配，若所有光終端單元ONU_i 所要求的頻寬與預測頻寬均能提供且仍有殘留頻寬，也就是，因此L_0,i ,L_1,i 比例再分給各光終端單元ONU_i 的語音服務(G^” _0,i )與視訊服務(G^''' _1,i )； 步驟七：送出允許指令(Grant MPCPDU)(語音)，真正由光主控終端送至ONU_i 的分配頻寬值G_0,i (語音)、G_1,i (視訊)、G_2,i (數據)，為先前六個步驟的個別和：

本發明所提供之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.本發明可準確預估各種等級服務的訊務，在特定時間內(一次輪詢時間)所來到的封包數，提供給光主控終端作為分配各個光終端單元的頻寬參考。

2.由於PRNN/ERLS預測器具有快速收斂與精準預測的特點，非常適合用於預測乙太被動式光纖網路中，各個光終端單元以附加方式(pig-tail)回報之後期用戶訊務(late-reported traffic)型態；應用此管線排程遞迴式類神經網路預測器，可預測出更接近正確且實際之終端用戶行為與各種封包數量，使光主控終端與光終端單元間的傳送效能提高，同時降低光終端單元的封包流失率(packet loss rate)，進而可提高乙太被動式光纖網路的頻寬使用效率。

3.本發明具有較佳的服務品質，因PQ-DBA演算法針對光終端單元之各種優先等級訊務封包可建立更佳之訊務服務品質保障，且PQ-DBA演算法則針對光終端單元之各種優先等級(priority)訊務封包，另設計服務品質觀測參數門檻，來確實保障各種服務(語音、 視訊、數據)品質。

4.本發明可動態升級用戶訊務等級，係依據視訊封包時間延遲門檻(T_d ^＊ )、視訊封包丟棄機率門檻(P_d ^＊ )、數據封包等待時間門檻(T_w ^＊ )等三個服務品質參數設計，將原本較低優先權等級、在下一個輪詢時間內必須被傳送(否則會因超過服務品質參數門檻值而被丟棄)的封包，先行提昇其優先權至較高等級，使光終端單元該類封包在下一次傳遞過程中，更優先被傳送掉，進而提昇服務品質。

5.本發明之PRNN/ERLS預測器可解決時間分割多重接取(TDMA)與可調插入式輪詢時間(IPACT)方法的盲點，因光終端單元的用戶資料封包(最糟時)必須等待至少2~3個輪詢時間才能被傳送出去。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1‧‧‧光主控終端

11‧‧‧管線排程遞迴式類神經網路

2‧‧‧分光器

3‧‧‧數個光終端單元

31‧‧‧佇列控制器

321‧‧‧語音服務封包佇列

322‧‧‧視訊服務封包佇列

323‧‧‧數據服務封包佇列

33‧‧‧封包控制器

4‧‧‧數個用戶端

圖一為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之乙太被動式光纖網路系統架構圖；圖二為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之光主控終端 與光終端單元上下行溝通示意圖；圖三為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之管線排程遞迴式類神經網路預測器架構；圖四為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之遞迴式類神經網路模組功能架構；以及圖五為本發明乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法之演算法則(PQ－DBA)流程圖。

【參考文獻】

[1]G.Kramer,B.Mukherjee,and G.Pesavento,“Ethernet PON (EPON)：design and analysis of an optical access network,”Phontic Network Commun.,vol.3,no.3,pp.307－319,July 2001.

[2]－,“IPACT：A dynamic protocol for an Ethernet PON(EPON),”IEEE Commun.Mag.,vol.40,no.2,pp.74－80,Feb.2002.

[3]H.Cheng,M.Chen,and S.Xie,“A dynamic bandwidth allocation scheme supporting different priority services in EPON,”Proc.of SPIE,vol.5626,pp.1123－1127,2005.

[4]C.M.Assi,Y.Ye,S.Dixit,and M.A.Ali,“Dynamic bandwidth allocation for Quality－of－Service over Ehternet PONs,”IEEE JSAC.,vol.21,pp.1467－1477,Nov.2003.

[5]J.Xie,S.Jiang,and Y.Jiang,“A dynamic bandwidth allocation scheme for differented services in EPONs,”IEEE Opt.Commun.,vol.42,pp.32－39,Aug.2004.

[6]Y.Yang,J.Nho,and B.Ahn,“An enhanced burst－polling based delta dynamic bandwidth allocation scheme for QoS over E－PONs,”NRBC’04,vol.89,pp.31－36,Oct.2004.

[7]Y.Luo and N.Ansari,“Bandwidth allocation for multiservice access on EPONs,”IEEE Opt.Commun.,vol.43,pp.16－21,Feb.2005.

[8]S.Haykin and L. Li,“Nonlinear adaptive prediction of nonstationary signals,”IEEE Trans. Signal Processing,vol 43,pp.526－535,1995.

[9]J.Baltersee and J.A.Chambers,“Nonlinear adaptive prediction of speech using a pipelined recurrent neural network,”IEEE Trans.Signal Process.,vol.46,no.8,pp.2207－2216,Aug.1998.

1‧‧‧光主控終端

11‧‧‧管線排程遞迴式類神經網路

2‧‧‧分光器

3‧‧‧數個光終端單元

31‧‧‧佇列控制器

321‧‧‧語音服務封包佇列

322‧‧‧視訊服務封包佇列

323‧‧‧數據服務封包佇列

33‧‧‧封包控制器

4‧‧‧數個用戶端

Claims (16)

1. 一種乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，係包括：1) 利用具管線排程遞迴式之類神經網路預測器及延伸遞迴最小平方學習法則來預測終端用戶行為與各種封包數量，該管線排程遞迴式類神經網路預測器包含有r個處理階層，而每一階層有一個遞迴式類神經網路模組及一個比較器，該延伸遞迴最小平方學習法則係採用現時與先前r-1個誤差值作為預測之判斷基準，以作為加權影響度w_ij 的更新之用；2) 利用預測式可升級調整服務品質之動態頻寬指配法則，使頻寬使用率達到最佳化。
2. 如申請專利範圍第1項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該乙太被動式光纖網路包含有：一光主控終端，係與分光器相介接，藉由分光器將下行封包廣播至數個光終端單元，另外該光主控終端中具有一管線排程遞迴式類神經網路，以給定頻寬分配允許指令；一分光器，係與光主控終端及數個光終端單元相介接，是一個單點對多點的分光器；數個光終端單元，係與分光器及數個用戶端相介接，各個光終端單元依據其邏輯鏈路識別碼接收屬於自己的封包，而丟棄其他不符光終端單元邏輯鏈路識別碼的封包；數個用戶端，係與數個光終端單元相介接，因光主控終端與數個光終端單元間使用允許指令-回應指令作溝通，其中會有2^~ 3個輪詢時間 的落差，但這段時間光終端單元的數個用戶端仍持續送資料。
3. 如申請專利範圍第2項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該光終端單元包含了一佇列控制器、語音服務封包佇列、視訊服務封包佇列、數據服務封包佇列及封包控制器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該處理階層之第一個遞迴式類神經網路模組的第一個輸出端(y_1,1 (n))為真正管線排程遞迴式類神經網路預測器的輸出埠外，個別遞迴式類神經網路模組的輸出端(y_i,1 (n),2≦i≦r)均連接至下一個階層的遞迴式類神經網路模組，而遞迴式類神經網路模組的其他N-1個輸出端(y_i,2 (n)^~ y_i,N (n))則全部迴授至原遞迴式類神經網路模組內；另外第r個遞迴式類神經網路模組的輸出端(y_r,1 (n))也迴授至原遞迴式類神經網路模組。
5. 如申請專利範圍第4項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該遞迴式類神經網路模組包含有N個神經元(v₁ ^~ v_N )、p個外部輸入埠、N個迴授輸入埠與一個偏壓輸入埠組成。
6. 如申請專利範圍第5項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該外部輸入埠的輸入源為已知以前歷次的實際新到封包速率λ _p (k),n-p+1kn，而迴授輸入埠的輸入源包括N-1個自我迴授(y_i,2 (n)^~ y_i,N (n))與前一階類神經網路模組的輸出埠(y_r,1 (n)^~ y_2,1 (n))，另外其偏壓輸入值設為常數1。
7. 如申請專利範圍第5項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方 法，其中該遞迴式類神經網路模組均配置一樣的加權影響度陣列，以作為整體管線排程遞迴式類神經網路預測器的誤差之加權影響度的調整。
8. 如申請專利範圍第1項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該動態頻寬指配法則包括：1) 用戶訊務之優先權等級區分與服務品質參數設計；2) 演算法則之頻寬設計。
9. 如申請專利範圍第8項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該用戶訊務之優先權等級之設計方法包含：1) 最高優先權：語音封包Q_0,i ；2) 第二優先權：面臨機率丟棄問題的視訊封包L_dp,i ；3) 第三優先權：面臨延遲問題的視訊封包L_d,i ；4) 第四優先權：面臨延遲問題的數據封包L_w,i ；5) 第五優先權：一般視訊封包Q_1,i ；6) 最低優先權：一般數據封包Q_2,i 。
10. 如申請專利範圍第8項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該服務品質參數設計包含了視訊封包時間延遲門檻、視訊封包丟棄機率門檻及數據封包等待時間門檻。
11. 如申請專利範圍第8項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該演算法則為光主控終端針對所填報之各種優先等級的用戶封包資訊，由高優先等級至低優先等級依序分配其傳輸頻寬，直到所 有頻寬用完為止。
12. 如申請專利範圍第8項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該演算法則之步驟為：1) 步驟一：依據光終端單元儲存於佇列中的封包數值L_0,i 回報值來設計，優先分配給語音服務頻寬G^’ _0,i ；2) 步驟二：依據光終端單元的面臨機率丟棄問題的視訊封包L_dp,i 與面臨延遲問題的視訊封包L_d,i 回報值，及扣除步驟一分配之語音服務頻寬後的剩餘頻寬，分配給第二與第三優先服務品質的視訊服務頻寬G^’ _1,i ；3) 步驟三：依據光終端單元的面臨延遲問題的數據封包L_w,i 回報值與步驟二分配後所剩餘的頻寬，分配給第四優先服務品質的數據服務頻寬G^’ _2,i ；4) 步驟四：依據光終端單元的佇列一般視訊封包Q_1,i 所剩餘的封包數量L_1,i -L_d,i ，及步驟三分配後剩餘頻寬，分配給第五優先的一般視訊服務頻寬G^” _1,i ；5) 步驟五：依據光終端單元的佇列一般數據封包Q_2,i 所剩餘的封包數量L_2,i -L_w,i ，及步驟四分配後剩餘頻寬，分配給最低優先的數據服務頻寬G^” _2,i ；6) 步驟六：殘留頻寬分配，若所有光終端單元所要求的頻寬與預測頻寬均能提供且仍有殘留頻寬，則依封包數值L_0,i 及L_1,i 比例再分給各光終端單元的語音服務G^” _0,i 與視訊服務G^''' _1,i ；7) 步驟七：送出允許指令，由光主控終端送至光終端單元的分配頻寬值，為先前六個步驟的個別和。
13. 如申請專利範圍第12項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該分配頻寬值為G_0,i 、G_1,i 及G_2,i ，為先前六個步驟的個別和。
14. 如申請專利範圍第13項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該G_0,i =G^' _0,i +G^" _0,i 。
15. 如申請專利範圍第13項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該G_1,i =G^' _1,i +G^" _1,i +G^''' _1,i 。
16. 如申請專利範圍第13項所述之乙太被動式光纖網路之動態頻寬指配方法，其中該G_2,i =G^' _2,i +G^" _2,i 。