以太无源光网络中自适应保证服务质量动态带宽分配方法

摘要

本发明涉及以太无源光网络通信中的实时业务传输质量保证，尤其涉及以太无源光网络中自适应保证服务质量的动态带宽分配方法。为本发明采用的技术方案是：在保证系统承诺的服务质量的前提下，诸如如实时业务的最大时延和时延抖动，根据系统上下行的负载量，自动调整轮询周期，使系统的性能包括吞吐量、时延以及时延抖动达到最佳。本发明采用的技术方案是，包括下列步骤：(一)根据以太无源光网络EPON系统承诺能够保证的实时业务的最大时延和时延抖动确定系统的最大轮询周期；(二)根据系统的下行负载量确定最小轮询周期；(三)对光网络单元ONU的流量预测；(四)带宽分配；本发明主要用于以太无源光网络通信。

说明书

技术领域

本发明涉及以太无源光网络通信中的实时业务传输质量保证。具体讲，涉及以太无源光网络中自适应保证服务质量的动态带宽分配方法。

技术背景

(1)接入网和以太无源光网络(FPON)相关背景知识。

接入网中各种业务对时延或时延抖动的要求不同，为满足各自的需求，将业务划分为不同的优先级，一般对时延和时延抖动要求较高的业务具有较高的优先级。服务质量(QOS)保证是指对所承载的不同优先级业提供不同的服务，以满足它们不同的要求。

EPON中通过报告(REPORT)-授权(GATE)控制消息机制，在上行链路上实现多个光网络单元(ONU)的时分复用。对ONU的时隙分配有静态和动态两种方式，其中动态方式能够更好的提高系统性能(吞吐量，时延等)，为实际应用中普遍采用的方式。

(2)现有动态带宽分配(DBA)策略的相关背景。

现有的DBA策略普遍采用轮询方式实现各ONU的时隙分配，根据轮询周期是否固定分为自适应周期轮询机制和固定周期轮询机制[1]。自适应周期轮询机制的特点是周期长度随上行负载量的变化而变化，轻载和中等负载时所承载业务的延时小，重载时带宽利用率高；而固定周期轮询机制的特点是周期不随上行负载量而改变，因而引起的时延和时延抖动较固定，适合承载对时延和时延抖动敏感的业务。

(3)现有DBA策略的不足。

自适应周期轮询机制，以IPACT算法[2]为例主要的不足在于：①轮询周期长度不固定，由此引起的时延和时延抖动也不固定。②上行处于轻载时，轮询周期缩短、频率提高，GATE消息占用的下行带宽增加。针对这些问题，又提出了一种剩余带宽再分配机制[3]，其基本思想是将轻载ONU的富余带宽分配给重载ONU，以减小重载ONU业务的时延，增强系统的统计复用效率，但这种机制并没有完全解决上述两个问题，同时由于引起了周期间空闲损失问题[4]，降低了带宽利用率。而固定周期轮询机制，如CPFCT算法[1]，的主要缺点在于：无论下行是否轻载，上行业务的延时几乎不变，即便上行轻载时也是如此，这样额外增加了业务的时延和时延抖动，同时它也存在周期间空闲损失问题。

另外，现有DBA策略普遍存在的一个问题就是采用限制接入时，最大轮询周期这一重要参数的选择具有随意性，并没有确切的现实依据，不能够使系统的性能达到最佳。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对现有DBA机制存在的问题，本发明的目的是在保证系统承诺的服务质量(如：实时业务的最大时延和时延抖动)的前提下，根据系统上下行的负载量，自动调整轮询周期，使系统的性能(吞吐量，时延以及时延抖动)达到最佳。

本发明采用的技术方案是，包括下列步骤：

(一)根据以太无源光网络EPON系统承喏能够保证的实时业务的最大时延和时延抖动确定系统的最大轮询周期；

(二)根据系统的下行负载量确定最小轮询周期；

(三)对光网络单元ONU的流量预测；

(四)带宽分配；

其中，

(1)所述的最大轮询周期T_cycle^max由以太无源光网络EPON系统承诺能够保证的实时业务的最大时延D_max和时延抖动J_max确定，且上述$T_{\mathrm{cycle}}^{\max }=\min (D_{\max },J_{\max });$

(2)所述的最小轮询周期T_cycle^min(n)由下行负载量R_download(n)确定，且上述

$T_{\mathrm{cycle}}^{\min }\left(n\right)=N\times (\mathrm{IFG}+L_G)/(R-R_{\mathrm{download}}\left(n\right))$

其中N是以太无源光网络EPON网络中光网络单元ONU的数目，IFG是最小帧间隔，包括64比特的前导码及96比特的帧间隔，L_G是授权GATE帧的长度，R是以太无源光网络EPON下行信道的容量，R_download(n)是第n个周期内下行链路上的负载量，T_cycle^min(n)为对应此负载量的最小轮询周期长度；

其中，R_download(n)＝D_down(n)/T(n)，

其中D_down(n)是光线路终端OLT在第n个周期内发送的下行数据量长度，T(n)是第n个周期的实际长度；

(3)所述的对光网络单元ONU进行流量预测时，下一周期内到达光网络单元ONU的平均数据速率用上一周期内光网络单元ONU中数据的实际平均到达速率R_av(n)来近似代替，进而根据光网络单元ONU的等待时间T_wait(n+1)，预测下一周期内等待期间到达光网络单元ONU的数据量长度D_pre(n+1)，且上述

R_av(n)＝[R(n+1)+D_send(n+1)-R(n)]/T_wait(n)

其中R(n)，R(n+1)分别是同一光网络单元ONU在第n和第(n+1)个周期内报告的待传送的数据量长度，D_send(n+1)是光网络单元ONU在第(n+1)个周期内发送到光线路终端OLT的数据量长度，T_wait(n)为连续两次报告R(n)，R(n+1)之间的时间间隔，R_av(n)是本周期内该光网络单元ONU的平均数据到达速率，且

D_pre(n+1)＝R_av(n)×T_wait(n+1)

其中R_av(n)是上面得到的光网络单元ONU本周期内平均数据到达速率的实际值，T_wait(n+1)是光网络单元ONU从发送完报告R(n+1)到分配的下一个时隙开始时刻之间的等待时间，D_pre(n+1)是预测的等待期间光网络单元ONU接收到的来自用户的数据量；

(4)所述的带宽分配时在光网络单元ONU内采用严格优先级调度策略，同时分配给某个光网络单元ONU_i的实际窗口长度G_i(n+1)由最大传送窗口B_i^max，最小传送窗口B_i^min(n+1)以及某个光网络单元ONU_i内待发送的数据总量B_i^total(n+1)这些参数决定，其中上述

$G_i(n+1)=\min (B_i^{\max },\max (B_i^{\min }(n+1),B_i^{\mathrm{total}}(n+1)))$

$B_i^{\max }=[T_{\mathrm{cycle}}^{\max }\times R-N(L_{\mathrm{REPORT}}+T_{\mathrm{guard}}\times R)]\times w_i$

其中B_i^max是某个光网络单元ONU_i在一个轮询周期内能够获得的最大传送窗口长度，T_cycle^max是最大轮询周期长度，R是以太无源光网络EPON上行信道容量，N是以太无源光网络EPON中光网络单元ONU的数目，L_REPORT是报告REPORT帧的长度为512比特，T_uard是保护时间的长度，w_i是某个光网络单元ONU_i的权重因子，且

$B_i^{\min }(n+1)=[T_{\mathrm{cycle}}^{\min }\left(n\right)\times R-N(L_{\mathrm{REPORT}}+T_{\mathrm{guard}}\times R)]\times w_i$

式中B_i^min(n+1)是某个光网络单元ONU_i在第(n+1)个周期将获得的最小传送窗口长度，T_cycle^min(n)是根据第n个周期内下行负载量确定的最小轮询周期长度，R是以太无源光网络EPON上行信道容量，N是以太无源光网络EPON中网络单元ONU的数目，L_REPORT是报告REPORT帧的长度为512比特，T_guard是保护时间的长度，w_i是某个光网络单元ONU_i的权重因子，

B^total(n+1)＝R(n+1)+D_pre(n+1)

其中R(n+1)是其在第(n+1)个周期中报告的待传数据量，D_pre(n+1)是预测的等待期间到达的数据量，B^total(n+1)为该光网络单元ONU下一轮询周期总的待发送数据量。

本发明具有如下技术效果：

(1)根据最大时延和时延抖动确定的最大轮询周期，能够保证系统在重载的情况下，也能够保证实时业务的服务质量(最大时延和时延抖动)，真正实现服务质量保证。

(2)根据下行负载量确定的最小轮询周期能够在保证高优先级业务服务质量的前提下，最大限度地提高下行信道的吞吐量。并且能够根据下行负载量的变化，实时自动调整最小轮询周期T_cycle^min，能够在满足下行信道吞吐量需求的情况下，采用尽可能短的轮询周期，使上行信道轻载时，业务的最大时延和最大时延抖动尽可能小。

(3)采用流量预测机制，能够有效降低轻载或中等负载时，各优先级业务的等待时间，降低它们的时延和时延抖动；同时减少了后到的高优先级业务抢占先到的低优先级业务的发送时隙的现象。

(4)相比现有的各种基于自适应周期机制的DBA策略，本策略对轮询周期附加了一个最小轮询周期T_cycle^min的限制，使轮询周期只能在T_cycle^min与T_cycle^max之间变化，减小了轮询周期的波动范围，从而降低了对时延和时延抖动敏感业务的影响。

附图说明

图1本发明自适应保证服务质量的动态带宽分配方法流程图。

图2本发明ONU流量预测中等待期间到来的数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明本发明。

如图1所示，本发明为以太无源光网络中自适应保证服务质量的动态带宽分配方法，其具体实施方式为：

1、光线路终端(OLT)正常工作后，启动动态带宽分配(DBA)算法，并初始化一些参数，如：系统承诺能够保证的实时业务的最大时延D_max和时延抖动J_max以及各ONU的权重因子w_i等固定参数(可以通过系统的人机交互接口对这些参数进行配置)，和上一周期下行方向的负载量R_download(n)、报告的数据量R(n)等可变参数(不妨初始化为0，因为这些参数将随着系统运行而不断自动调整，初始值的选择不会影响系统性能)。

2、根据EPON系统承诺能够保证的实时业务的最大时延和时延抖动确定系统的最大轮询周期：

$T_{\mathrm{cycle}}^{\max }=\min (D_{\max },J_{\max })$

其中D_max，J_max是EPON系统承诺能够保证的实时业务的最大时延和时延抖动，T_cycle^max是系统的最大轮询周期长度。这样在ONU内采用严格优先级调度的情况下，能够保证在重载情况下，实时业务的时延和时延抖动也基本保持在系统承诺的范围内，服务质量能够得到很好的保证。有了最大轮询周期T_cycle^max和各ONU的权重因子w_i(由各ONU与服务提供商之间的服务等级协定确定)，每个ONU在一个周期内能够获得的最大传送窗口长度便能够确定：

$B_i^{\max }=[T_{\mathrm{cycle}}^{\max }\times R-N(L_{\mathrm{REPORT}}+T_{\mathrm{guard}}\times R)]\times w_i$

其中B_i^max是ONU_i在一个轮询周期内能够获得的最大传送窗口长度，t_cycle^max是最大轮询周期长度，R是EPON上行信道容量，N是EPON中ONU的数目，L_REPORT是报告(REPORT)帧的长度(512比特)，T_guard是保护时间的长度，w_i是ONU_i的权重因子。

3、本发明中的动态带宽分配方法仍然采用自适应周期轮询机制。由于自适应周期轮询机制存在上行轻载时对下行带宽占用量大的固有缺陷，本策略根据系统的下行负载量，设定一个最小轮询周期T_cycle^min，以此限制轮询频率，进而限制对下行带宽的占用。

设某一轮询周期结束时，测得系统的下行负载量为R_download(n)(单位：bps)，那么GATE消息能够占用并且不影响下行链路吞吐量的最大带宽为(R-R_download(n))(R为下行信道的最大传输速率)，进一步我们能够得到对应该最大可占用带宽的最小轮询周期T_cycle^min(n)：

$T_{\mathrm{cycle}}^{\min }\left(n\right)=N\times (\mathrm{IFG}+L_G)/(R-R_{\mathrm{download}}\left(n\right))$

其中N是EPON网络中ONU的数目，IFG是最小帧间隔(包括64比特的前导码及96比特的帧间隔)，L_G是授权(GATE)帧的长度，R是EPON下行信道的容量，R_download(n)是第n个周期内下行链路上的负载量，T_cycle^min(n)为对应此负载量的最小轮询周期长度。注意到因为有最大轮询周的限制，T_cycle^min(n)若大于T_cycle^max，则其值只能为T_cycle^max。

只要第n个周期的实际长度不小于T_cycle^min(n)，则发送GATE消息占有的带宽不会影响下行链路的吞吐量。基于这一考虑，本发明的动态带宽算法引入最小分配窗口B_i^min(n+1)这一参数，第(n+1)个周期内，实际分配给ONU_i的窗口长度将不会小于B_i^min(n+1)，其中：

$B_i^{\min }(n+1)=[T_{\mathrm{cycle}}^{\min }\left(n\right)\times R-N(L_{\mathrm{REPORT}}+T_{\mathrm{guard}}\times R)]\times w_i$

式中B_i^min(n+1)是ONU_i在第(n+1)个周期能够获得的最小传送窗口长度，T_cycle^min(n)是根据第n个周期内下行负载量确定的最小轮询周期长度，R是EPON上行信道容量，N是EPON中ONU的数目，L_REPORT是报告(REPORT)帧的长度(512比特)，T_guard是保护时间的长度，w_i是ONU_i的权重因子。这样就保证了下一轮询周期的实际长度不会低于由上一周期下行负载量确定的最小周期长度。同时由于相邻两个周期的时间间隔非常短(2ms左右)，可近似认为在这段时间内下行负载量保持稳定，进而可以认为按这种方法确定的下一轮询周期的长度不会对该周期内下行吞吐量产生影响。

4、完成以上工作后，OLT等待接收来自ONU的报告(REPORT)消息。每收到一个ONU的报告消息，就记录下该ONU报告的待发送数据量长度R(n+1)，同时结合其上一周期报告的数据量长度R(n)，以及本周期内该ONU传送到OLT的的数据量长度D_send(n+1)，可以对本周期内该ONU中的平均数据到达速率进行估计，如图2所示：

R_av(n)＝[R(n+1)+D_send(n+1)-R(n)]/T_wait(n)

其中R(n)，R(n+1)分别是同一ONU在第n和第(n+1)个周期内报告的待传送的数据量长度，D_send(n+1)是ONU在第(n+1)个周期内发送到光线路终端(OLT)的数据量长度，T_wait(n)为连续两次报告R(n)，R(n+1)之间的时间间隔，R_av(n)是本周期内该ONU的平均数据到达速率。

在带宽允许的情况下，对等待期间到达的没有包含在REPORT消息中的数据分配额外的时隙窗口(带宽)，可以有效减少它们的等待时间。同时因为EPON中，相邻两个轮询周期之间的间隔较小(约2ms)，可以认为在这较短的时间内，ONU中的平均数据到达速率基本保持不变，进而可以对该ONU下一周期内等待期间可能到达数据量进行预测：

D_pre(n+1)＝R_av(n)×T_wait(n+1)

其中R_av(n)是上面得到的ONU本周期内平均数据到达速率，T_wait(n+1)是ONU从发送完报告R(n+1)到分配的下一个时隙开始时刻之间的等待时间。D_pre(n+1)是预测的等待期间ONU接收到的来自用户的数据量。

于是ONU中等待发送的总数据量(由报告的数据量和等待期间到达的数据量两部分组成)，可表示为：

B^total(n+1)＝R(n+1)+D_pre(n+1)

其中R(n+1)是其在第(n+1)个周期中报告的待传数据量，D_pre(n+1)是预测的等待期间到达的数据量，B^total(n+1)为该ONU下一轮询周期总的待发送数据量。

5、有了最大传送窗口m_i^max，最小传送窗口B_i^min(n+1)以及ONU_i内待发送的数据总量B_i^total(n+1)这些参数，下一周期内，实际分配给ONU_i的窗口长度G_i(n+1)可表示为：

$G_i(n+1)=\min (B_i^{\max },\max (B_i^{\min }(n+1),B_i^{\mathrm{total}}(n+1)))$

接着OLT立即给ONU_i发送GATE消息，告诉其分配的窗口长度为G_i(n+1)。

6、若所有的ONU都已分配了一遍发送窗口，则一个轮询周期结束，否则回到4继续等待ONU报告消息的到来，如此循环，直到所有的ONU都已分配了发送窗口。

7、周期结束后，需要更新本周期内下行负载量的值，为确定下一周期的最小周期长度做准备。设本周期内，OLT发送的下行数据量总长度为D_down(n)，本周期的实际长度为T(n)，则下行负载量可表示为：

R_download(n)＝D_dow(n)/T(n)

然后就转入3，开始下一轮询周期的工作，如此往复，便实现了本发明所提出的EPON中自适应保证服务质量的动态带宽分配。

(1)本策略是基于在ONU内采用严格优先级调度来实现的，为达到理想效果，实际实施时也应当在ONU中采用严格的优先级调度机制。

(2)本策略在根据最大时延和时延抖动确定最大轮询周期的过程中，假定每个ONU中缓存的高优先级业务都能在一个传送时隙内发送完，因此进入ONU的高优先级业务的总带宽，不能大于OLT分配给该ONU的最大带宽。

(3)最小轮询周期T_cycle^min将随下行信道负载量的增大而增大，但为保证所承诺的服务质量(最大时延和时延抖动)，T_cycle^min还应满足：$T_{\mathrm{cycle}}^{\min }\le T_{\mathrm{cycle}}^{\max }.$

本发明涉及文献：

[1]周行，秦晓卫，徐佩霞。EPON系统中周期轮询动态带宽分配算法的改进。光通信技术，2007年第8期。

[2]G.Kramer and B.Mukherjee，“Interleaved polling with adaptive cycle time(IPACT)：adynamic bandwidth distribution scheme in an optical access network，”Photon.Netw.Commun.4(1)，89-107(2002).。

[3]Yeon-Mo Yang and Byung-Ha Ahn.Supporting quality of service by using delta dynamicbandwidth allocations in Ethernet passive optical networks.JOURNAL OF OPTICALNETWORKING.February 2005/Vol.4，No.2。

[4]J.Zheng.Efficient bandwidth allocation algorithm for Ethernet passive opticalnetworks，IEE Proceedings Communications 153(3)(2006)464-468。