WDM-OFDM-PON的三维带宽分配方法和系统

摘要

本发明提供一种WDM-OFDM-PON的三维带宽分配方法和系统，包括：确定各ONU的分配顺序；确定各ONU的带宽；对ONU进行波长分配，使得波长调节开销和波长间负载差最小；对各波长内的ONU进行频率分配，使得波长内各频率信道负载差最小和频谱碎片率最小。本发明能够将波分复用、频分复用、时分复用三种复用方式相结合，尽可能地满足了各优先级业务的特点，使得带宽分配随网络流量灵活变化。本发明在继承TWDM-PON的优点同时也发挥了OFDM的高频谱利用率、抗码间干扰和抗衰落能力，在传输速率上得到大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及WDM-OFDM-PON通信领域，尤其涉及一种 WDM-OFDM-PON的三维带宽分配方法和系统。

背景技术

波分复用无源光网络（Wavelength Division Multiplexing PON， WDM-PON）是采用波分复用作为接入技术的无源光网络，是未来接 入网的最终方向。

WDM-PON有三种方案：第一种是每个光网络单元（Optical  Network Unit，ONU）分配一对波长，分别用于上行和下行传输，从而 提供了OLT到各ONU固定的虚拟点对点双向连接；第二种是ONU采 用可调谐激光器，根据需要为ONU动态分配波长，各ONU能够共享 波长，网络具有可重构性；第三种是采用无色ONU（colorless ONU）， 即ONU与波长无关方案，或下行使用WDM-PON，上行使用时分复用 技术（time-division multiplexing PON，TDM-PON）的混合PON。

但是，当前新型的PON系统WDM-PON，以及OFDMA-PON、 TWDM-PON等都是将三种复用方式中一两种结合的系统，在业务传输 上各有利弊，无法体现三种复用方式的所有优点。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明提供一种WDM-OFDM-PON的三维带宽分配方法和系统， 以解决现有技术中无法将三种复用方式结合的技术问题。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种三维带宽分配方 法，包括：

确定各ONU的分配顺序；

确定各ONU的带宽；

对ONU进行波长分配，使得波长调节开销和波长间负载差最小；

对各波长内的ONU进行频率分配，使得波长内各频率信道负载差 最小和频谱碎片率最小。

进一步地，所述确定各ONU的分配顺序包括：

将每一个周期分为EF子周期与AF/BE子周期两个阶段，将EF业 务首包到达光线路终端的时间作为决定各ONU带宽分配顺序的第一 要素，各ONU的上报带宽作为第二要素，以确定各ONU的分配顺序。

进一步地，所述确定各ONU的带宽包括：

对高优先级业务进行带宽分配：当R_1,j<B₁^max时，W_1,j=R_1,j；反 之，W_1,j=B₁^max；其中R矩阵和W矩阵是16个ONU三个优先级业务的 申请带宽和分配带宽，R_1,j与W_1,j是对R矩阵和W矩阵第一行求和；

计算EF业务总的申请带宽W_EF及剩余带宽W_rest：

$W_{\mathrm{EF}}=\underset{1}{\overset{16}{\Sigma }}{W}_{1,j}$

W_rest=B_U-W_EF；

对中低优先级业务进行带宽分配，包括：对每个ONU的AF/BE 业务总的带宽进行分配；在每个ONU内分别对AF和BE业务进行分 配。

进一步地，所述对ONU进行波长分配包括：

确定波长调节开销计算式：C_ijk=|j-i|×C_unit,其中C_unit为单元波长调 节开销，与ONU的平均负载为同一数量级；

根据下述公式计算波长负载平衡和波长调节开销的权重，根据所 述权重计算结果进行波长分配：

w_load[i]=(1-p[i])*p_load[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

w_tune[i]=p[i]*p_tune[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

其中p[i]为各ONU对波长调节开销和负载差的敏感系数，p_load[i] 与p_tune[i]分别是上一轮询中各ONU带宽分配产生的波长负载差和波 长开销占所有ONU产生的波长负载差及波长开销总值的比例。

进一步地，所述对各波长内的ONU进行频率分配包括：

各ONU根据高优先级业务的首包到达时间决定下一轮询发包顺 序，每个包的时隙分配顺序按从下到上从左至右的顺序进行；根据上 一个ONU分配后各个子信道的负载情况，将当前ONU中未分配的包 中包长最大的包，分配给负载最小的信道，更新各子信道的负载情况 并继续下一个包的分配。

另一方面，本发明还提供一种三维带宽分配系统，包括：顺序相 连的分配顺序单元、带宽确定单元、波长分配单元和频率分配单元； 其中：

分配顺序单元，用于确定各ONU的分配顺序；

带宽确定单元，用于确定各ONU的带宽；

波长分配单元，用于对ONU进行波长分配，使得波长调节开销和 波长间负载差最小；

频率分配单元，用于对各波长内的ONU进行频率分配，使得波长 内各频率信道负载差最小和频谱碎片率最小。

进一步地，所述分配顺序单元还用于：

将每一个周期分为EF子周期与AF/BE子周期两个阶段，将EF业 务首包到达光线路终端的时间作为决定各ONU带宽分配顺序的第一 要素，各ONU的上报带宽作为第二要素，以确定各ONU的分配顺序。

进一步地，所述带宽确定单元还包括：

高优先级分配子单元：用于对高优先级业务进行带宽分配：当 R_1,j<B₁^max时，W_1,j=R_1,j；反之，W_1,j=B₁^max；其中R矩阵和W矩阵是 16个ONU三个优先级业务的申请带宽和分配带宽，R_1,j与W_1,j是对R 矩阵和W矩阵第一行求和；

带宽计算子单元，用于利用如下公式计算EF业务总的申请带宽 W_EF及剩余带宽W_rest：

$W_{\mathrm{EF}}=\underset{1}{\overset{16}{\Sigma }}{W}_{1,j}$

W_rest=B_U-W_EF；

中低优先级分配子单元，用于对每个ONU的AF/BE业务总的带 宽进行分配；在每个ONU内分别对AF和BE业务进行分配。

进一步地，所述波长分配单元还包括：

波长开销计算子单元，用于利用公式C_ijk=|j-i|×C_unit计算波长调节 开销，其中C_unit为单元波长调节开销，与ONU的平均负载为同一数量 级；

权重计算子单元，用于根据下述公式计算波长负载平衡和波长调 节开销的权重，根据所述权重计算结果进行波长分配：

w_load[i]=(1-p[i])*p_load[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

w_tune[i]=p[i]*p_tune[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

其中p[i]为各ONU对波长调节开销和负载差的敏感系数，p_load[i] 与p_tune[i]分别是上一轮询中各ONU带宽分配产生的波长负载差和波 长开销占所有ONU产生的波长负载差及波长开销总值的比例。

进一步地，所述频率分配单元还用于：

根据高优先级业务的首包到达时间决定下一轮询发包顺序，每个 包的时隙分配顺序按从下到上从左至右的顺序进行；根据上一个ONU 分配后各个子信道的负载情况，将当前ONU中未分配的包中包长最大 的包，分配给负载最小的信道，更新各子信道的负载情况并继续下一 个包的分配。

（三）有益效果

可见，在本发明实施例提出的WDM-OFDM-PON的三维带宽分配 方法和系统中，能够将波分复用、频分复用、时分复用三种复用方式 相结合，尽可能地满足了各优先级业务的特点，使得带宽分配随网络 流量灵活变化。本发明实施例在继承TWDM-PON的优点同时也发挥 了OFDM的高频谱利用率、抗码间干扰和抗衰落能力，在传输速率上 得到大大提高。本发明实施例为无线与有线集成接入到PON系统提供 了足够接入带宽，且更加方便了无线系统的接入，适用于Open Access  Network系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显 而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附 图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1三维带宽分配方法的流程示意图；

图2是本发明实施例2三维带宽分配方法的流程示意图；

图3是本发明实施例2的低优先级业务总带宽分配流程示意图；

图4是本发明实施例2的ONU内带宽分配流程示意图；

图5是本发明实施例2的波长子频带数计算流程示意图；

图6是本发明实施例2的波长分配流程示意图；

图7是本发明实施例2的频域分配二维示意图；

图8是本发明实施例3三维带宽分配系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。

随着数字信号处理技术的高速发展，正交频分复用（Orthogonal  Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制技术逐渐在PON领域受 到越来越多的关注。OFDM有着其他调制方式所不具有的优势，比如 OFDM技术能够很好地支持各种不同终端构架的信息的复用传输，还 能很好地实现动态带宽分配。把OFDM技术与波分复用（Wavelength  Division Multiplexing，WDM）、时分复用（Time Division Multiplexing， TDM）技术相结合是当今PON结构发展的趋势。Orthogonal frequency  division,time division and wavelength division multiplexing passive  optical network(OFTWDM-PON)即WDM-OFDM-PON系统在波分的基 础上再对每个波长同时进行频分与时分复用的无源光网络。

实施例1：

本发明实施例1提供一种三维带宽分配方法，参见图1，包括：

步骤101：确定各ONU的分配顺序；

步骤102：确定各ONU的带宽；

步骤103：对ONU进行波长分配，使得波长调节开销和波长间负 载差最小；

步骤104：对各波长内的ONU进行频率分配，使得波长内各频率 信道负载差最小和频谱碎片率最小。

可见，在本发明实施例提出的三维带宽分配方法中，能够将波分 复用、频分复用、时分复用三种复用方式相结合，尽可能地满足了各 优先级业务的特点，使得带宽分配随网络流量灵活变化。本发明实施 例在继承TWDM-PON的优点同时也发挥了OFDM的高频谱利用率、 抗码间干扰和抗衰落能力，在传输速率上得到大大提高。本发明实施 例为无线与有线集成接入到PON系统提供了足够接入带宽，且更加方 便了无线系统的接入，适用于Open Access Network系统。

优选地，确定各ONU的分配顺序可以包括：将每一个周期分为 EF子周期与AF/BE子周期两个阶段，将EF业务首包到达光线路终端 的时间作为决定各ONU带宽分配顺序的第一要素，各ONU的上报带 宽作为第二要素，以确定各ONU的分配顺序。

优选地，确定各ONU的带宽可以包括：

对高优先级业务进行带宽分配：当R_1,j<B₁^max时，W_1,j=R_1,j；反之， W_1,j=B₁^max；其中R矩阵和W矩阵是16个ONU三个优先级业务的申请 带宽和分配带宽，R_1,j与W_1,j是对R矩阵和W矩阵第一行求和；

计算EF业务总的申请带宽W_EF及剩余带宽W_rest：

$W_{\mathrm{EF}}=\underset{1}{\overset{16}{\Sigma }}{W}_{1,j}$

W_rest=B_U-W_EF；

对中低优先级业务进行带宽分配，包括：对每个ONU的AF/BE业 务总的带宽进行分配；在每个ONU内分别对AF和BE业务进行分配。

优选地，对ONU进行波长分配可以包括：

确定波长调节开销计算式：C_ijk=|j-i|×C_unit,其中C_unit为单元波长调 节开销，与ONU的平均负载为同一数量级；

根据下述公式计算波长负载平衡和波长调节开销的权重，根据所 述权重计算结果进行波长分配：

w_load[i]=(1-p[i])*p_load[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

w_tune[i]=p[i]*p_tune[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

其中p[i]为各ONU对波长调节开销和负载差的敏感系数，p_load[i] 与p_tune[i]分别是上一轮询中各ONU带宽分配产生的波长负载差和波 长开销占所有ONU产生的波长负载差及波长开销总值的比例。

优选地，对各波长内的ONU进行频率分配可以包括：

各ONU根据高优先级业务的首包到达时间决定下一轮询发包顺 序，每个包的时隙分配顺序按从下到上从左至右的顺序进行；根据上 一个ONU分配后各个子信道的负载情况，将当前ONU中未分配的包 中包长最大的包，分配给负载最小的信道，更新各子信道的负载情况 并继续下一个包的分配。

实施例2：

本发明实施例2以具体对WDM-OFDM-PON系统进行三维带宽分 配为例，来详细说明本发明实施例的实现过程，参见图2：

步骤201：确定各ONU的分配顺序。

本步骤中，在三维带宽分配之前，首先需要确定各ONU的分配顺 序。将每一个周期均划分为EF子周期与AF/BE子周期两个阶段，在 一个周期内的AF/BE业务结束后发送Report包，随后便立即开始下一 轮EF业务，使EF业务不用再等待Gate包的到达，以减少EF业务延 时。将EF业务首包到达光线路终端（optical line terminal，OLT）的时 间作为决定各ONU带宽分配顺序的第一要素，各ONU的上报带宽作 为第二要素。这样的分配顺序同时考虑的本轮正在传送的EF业务延时 与还在分配带宽的AF/BE业务的上报带宽。

步骤202：对高优先级业务进行带宽分配。

本步骤中，首先对高优先级业务进行带宽分配，具体方式为：

当R_1,j<B₁^max时，W_1,j=R_1,j；反之，W_1,j=B₁^max；其中R矩阵和W 矩阵是16个ONU三个优先级业务的申请带宽和分配带宽，R_1,j与W_1,j是对R矩阵和W矩阵第一行求和。

步骤203：对中低优先级业务总的带宽进行带宽分配。

本步骤中，首先需要计算EF业务总的申请带宽W_EF及剩余带宽 W_rest：

$W_{\mathrm{EF}}=\underset{1}{\overset{16}{\Sigma }}{W}_{1,j}$

W_rest=B_U-W_EF。

然后，利用图3的流程对中低优先级业务总的带宽进行分配，其 中R_2,3与R_2,3’表示对R矩阵的第2,3行所有元素求和。在首先确定各 ONU的总带宽之后，通过将最小带宽优先分配法与轮询间空闲时段缓 存监控结合，使得当总请求带宽高于总可分配带宽时，对低于平均请 求带宽的ONU赋予所请求的带宽，超过平均请求带宽的ONU能获取 平均请求带宽及根据各自请求带宽占剩余ONU总带宽比例的剩余可 分配带宽。而对于总请求带宽低于总可分配带宽的情况，则在分配给 ONU请求的带宽外再考虑轮询间空闲时段的平均缓存。

步骤204：在每个ONU内进行带宽分配。

本步骤中，在所有ONU的总带宽分配完后，再进行第二轮的带宽 分配，分配流程见图4，其中P2与P3是AF和BE业务的优先级常数， 本实施例中考虑动态的P2与P3。

这种分配方式既保证了各ONU的公平又考虑到各ONU的业务量， 特别是在网络轻负载时确保了EF业务低延时的同时AF业务合理的高 带宽，BE业务能尽量上传。分配更加合理实用。

步骤205：对ONU进行波长分配，使得波长调节开销和波长间负 载差最小。

本步骤中，首先确定波长调节开销计算式：C_ijk=|j-i|×C_unit,其中 C_unit为单元波长调节开销，与ONU的平均负载为同一数量级。

然后根据下述公式计算波长负载平衡和波长调节开销的权重，根 据所述权重计算结果进行波长分配：

w_load[i]=(1-p[i])*p_load[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

w_tune[i]=p[i]*p_tune[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

其中p[i]为各ONU对波长调节开销和负载差的敏感系数，p_load[i] 与p_tune[i]分别是上一轮询中各ONU带宽分配产生的波长负载差和波 长开销占所有ONU产生的波长负载差及波长开销总值的比例。

图5为波长子频带的计算流程，图6为本发明实施例波长分配的 算法流程。

步骤206：对各波长内的ONU进行频率分配，使得波长内各频率 信道负载差最小和频谱碎片率最小。

本步骤中，通过修改ONU中的发包机制，即将原来通过延迟发包 来模拟发送时延的方法变为修改每个包的产生时间，使包产生时间提 前，而发送过程没有延时，这样就解决了由于包长变化导致的ODN处 OFDM帧合成时间无法统一的困难。图7是频域分配算法的二维图， 图中每一个小正方形为一个基准包长(70Byte)，每一个方框是分配给一 个包的slot，各ONU根据高优先级业务的首包到达时间决定下一轮询 发包顺序。Slot分配顺序按从下到上从左至右的顺序进行，当某一列的 slot都被分配后向右分配下一列的slot，从排序在第一位的ONU开始 依次分配。根据每个ONU上传的report信息，其内包含此ONU中各 优先级业务的包长List表。根据上一个ONU分配后各个子信道的负载 情况，选择其中负载最小的信道channel k，再找出当前ONU中未分配 的包中包长最大的那个，将channel k分配此包，然后更新各子信道的 负载情况，然后继续下一个包的分配。

至此，则完成了本发明实施例2三维带宽分配的全过程。

实施例3：

本发明实施例3提供一种三维带宽分配系统，参见图8，包括：

分配顺序单元801，用于确定各ONU的分配顺序；

带宽确定单元802，用于确定各ONU的带宽；

波长分配单元803，用于对ONU进行波长分配，使得波长调节开 销和波长间负载差最小；

频率分配单元804，用于对各波长内的ONU进行频率分配，使得 波长内各频率信道负载差最小和频谱碎片率最小。

优选地，分配顺序单元801还可以用于：将每一个周期分为EF子 周期与AF/BE子周期两个阶段，将EF业务首包到达光线路终端的时 间作为决定各ONU带宽分配顺序的第一要素，各ONU的上报带宽作 为第二要素，以确定各ONU的分配顺序。

优选地，带宽确定单元802还可以包括：

高优先级分配子单元：用于对高优先级业务进行带宽分配：当 R_1,j<B₁^max时，W_1,j=R_1,j；反之，W_1,j=B₁^max；其中R矩阵和W矩阵是 16个ONU三个优先级业务的申请带宽和分配带宽，R_1,j与W_1,j是对R 矩阵和W矩阵第一行求和；

带宽计算子单元，用于利用如下公式计算EF业务总的申请带宽 W_EF及剩余带宽W_rest：

$W_{\mathrm{EF}}=\underset{1}{\overset{16}{\Sigma }}{W}_{1,j}$

W_rest=B_U-W_EF；

中低优先级分配子单元，用于对每个ONU的AF/BE业务总的带 宽进行分配；在每个ONU内分别对AF和BE业务进行分配。

优选地，波长分配单元803还可以包括：

波长开销计算子单元，用于利用公式C_ijk=|j-i|×C_unit计算波长调节 开销，其中C_unit为单元波长调节开销，与ONU的平均负载为同一数量 级；

权重计算子单元，用于根据下述公式计算波长负载平衡和波长调 节开销的权重，根据所述权重计算结果进行波长分配：

w_load[i]=(1-p[i])*p_load[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

w_tune[i]=p[i]*p_tune[i]/(p[i]*p_tune[i]+(1-p[i])*p_load[i])

其中p[i]为各ONU对波长调节开销和负载差的敏感系数，p_load[i] 与p_tune[i]分别是上一轮询中各ONU带宽分配产生的波长负载差和波 长开销占所有ONU产生的波长负载差及波长开销总值的比例。

优选地，频率分配单元804还可以用于：根据高优先级业务的首 包到达时间决定下一轮询发包顺序，每个包的时隙分配顺序按从下到 上从左至右的顺序进行；根据上一个ONU分配后各个子信道的负载情 况，将当前ONU中未分配的包中包长最大的包，分配给负载最小的信 道，更新各子信道的负载情况并继续下一个包的分配。

可见，本发明实施例具有如下有益效果：

在本发明实施例提出的WDM-OFDM-PON的三维带宽分配方法和 系统中，能够将波分复用、频分复用、时分复用三种复用方式相结合， 尽可能地满足了各优先级业务的特点，使得带宽分配随网络流量灵活 变化。本发明实施例在继承TWDM-PON的优点同时也发挥了OFDM 的高频谱利用率、抗码间干扰和抗衰落能力，在传输速率上得到大大 提高。本发明实施例为无线与有线集成接入到PON系统提供了足够接 入带宽，且更加方便了无线系统的接入，适用于Open Access Network 系统。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。