基于EPON的动态带宽分配算法研究精灵论文

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1、基于 EPON 的动态带宽分配算法研究陈存康（北京邮电大学信息光子学和光通信教育部重点实验室，北京100876）摘要：本论文展示了一种基于以太网的下一代无源光网络（EPON）。并且提出了一种称为固定周期流水线轮询（CPP）的动态带宽分配算法（DBA）。通过应用二级带宽分配机制、 带宽预申请机制和最小带宽申请优先原则等方法，使得 CPP 有效的保障了在多业务接入场 景下的 QoS 需求。为研究算法的性能对 CPP 进行了仿真，仿真结果显示 CPP 以低时延和低 抖动有效的支持快速转发业务（EF），同时平衡了确保转发业务（AF）和尽力而为业务（BE） 之间的优先性和相对公平性，并且实现了不同 ON

2、U 间的同优先级业务带宽分配的公平性。 与传统的 DBA 算法相比，CPP 具有执行效率高，算法复杂度低，性能良好等优点。 关键词： 无源光网络（PON）；EPON；固定周期流水线轮询（CPP）；动态带宽分配算法（DBA）；服务质量（QoS）中图分类号：TN915.63A study of Dynamic Bandwidth Allocation Algorithm Based on Ethernet-Passive Optical NetworkCHEN Cunkang(Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communica

3、tions, the Ministry ofEducation, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, 100876，P. R. China)Abstract: In this paper, an architecture of next generation access network namely Ethernet-PON (EPON) is presented. A novel efficient dynamic bandwidth allocation algorithm based on EPON

4、namely fixed cyclic polling in pipeline dynamic bandwidth allocation (CPP-DBA) algorithm is investigated. By using two level bandwidth allocation mechanism, bandwidth pre-request for expedited forward (EF) service and small bandwidth request allocated first principle for assured forwarding (AF) and

5、best effort (BE) services to allocate bandwidth, CPP meets QoS requirements effectively in a multi-service access scenario. A simulation is conducted to study the performance of CPP-DBA algorithm in EPON. The results show that CPP supports EF service with low packet delay and jitter, balances priori

6、ty and fairness between AF and BE services. Compared with the traditional DBA algorithm, CPP meet QoS requirements excellently and adapted EPON better with higher bandwidth efficiency and lower complexity.Key words: Passive optical network (PON);Cyclic polling in pipeline (CPP); EPON; Dynamic bandwi

7、dth allocation (DBA); Quality of Service (QoS)0引言众所周知，Internet 业务的爆炸式增长和多媒体技术的不断进步，刺激了通信网的数字 化，IP 化，智能化和个人化等方面的飞速发展。目前传输网已经基本实现了数字化和光纤 化，交换网也基本实现了数字化和程控化，而以铜线为主，被称为“最后一公里”的用户接入 网则发展缓慢，直接影响了电信网所提供的业务的容量、质量、速度已经网络资源的开发利 用，已经成为了制约全网发展的瓶颈所在。在有线接入技术上，目前应用最广泛的是铜线接入技术（诸如：DSL、ADSL 等）。但作者简介：陈存康（1985-），男，在读硕士

8、研究生，主要研究方向：宽带通信网等. E-mail:cunkang.chen是由于铜线本身存在频带窄、损耗大、维护费用高等固有缺陷。因此，为了适应未来复杂的接入环境以及不断增长的接入带宽的需求，开发一种具有宽频带、大容量、损耗小、不易受 电磁干扰的有线接入网技术刻不容缓。无源光网络（PON）是目前公认的能满足未来带宽需求、多业务接入等条件的有线接入 的优秀解决方案之一。目前主流的 PON 技术大多是基于时分多址接入（TDMA）技术，诸 如：ATM-PON、EPON、GPON 等。这些 PON 技术能够为每个用户提供兆级别带宽的接入 服务1。EPON 技术已经在我国开始商用，但是基于 EPON

9、架构的动态带宽分配（DBA）算 法仍有优化的空间。本文提出了一种新型的称为基于流水线固定周期轮询（CPP）的 DBA 算法能够支持 EPON 的多业务接入、提供良好的 QoS 保障并且能实现带宽在各个 ONU 和各 个业务之间的动态分配。1网络架构和 MAC 协议图 1 是典型的基于点到多点（PMP）拓扑的 EPON 网络架构示意图。光线性终端（OLT）、 光分配网络（ODN）、光网络单元（ONU）是 EPON 的三个主要部件。OLT 是 EPON 网络 的核心设备，实现了上行流量向业务中心的转发、下行流量的广播转发、动态带宽分配、测 距和控制等一系列功能。ONU 实现动态带宽申请、多业务接入

10、、下行流量的侦听和接收、 上行流量按 OLT 带宽分配结果的转发等一系列功能。ODN 实现分波和合波功能，是 PON 的核心部件。位于局端的 OLT 通过一根单纤与位于小区的 ODN 相连，所有的上下行流量 均通过该单纤以不同波长复用实现双工传输。各个 ONU 通过 ODN 扇出的尾纤和 ODN 相连。 在下行方向，OLT 将城域网（MAN）、公共电话网（PSTN）和有线电视（CATV）等业务 中心的数据以广播的方式实现向各个 ONU 的转发。下行的广播信号到达 ODN 之后通过其 分波功能实现所有下行广播光信号在各个尾纤中的复制。各个 ONU 则通过侦听并根据自身 的 MAC 地址选择性的接

11、收广播帧实现 EPON 下行流量的转发。在上行方向，各个 ONU 根 据 OLT 动态分配或者静态指定的带宽窗口进行不同优先级的业务的转发。各个 ONU 的上 行帧通过尾纤到达 ODN 之后，通过其上行合波功能整合为一个上行信号到达 OLT，OLT 根据帧内信息实现各个优先级业务向不同业务中心的转发。EPON 能够支持不同优先级的业务接入，主要的业务可以分为三类：1）PWE 业务、TDM 透明传输业务和语音业务等构成的最高优先级的业务，该类业务对系统时延和抖动要求都很 高，并在 ITU-T 中有明确的技术标准；2）视屏流业务等构成的次优先业务，该类业务对系 统抖动性能要求较高；3）IP 业务等

12、构成的最低优先级的业务，该类业务对系统的抖动和时 延的要求都不高，但是这种业务流量具有突发性等特点。图 1. 基于 PMP 拓扑的 EPON 架构示意图Fig.1 Example of proposed PMP topology based EPON architecture图 2 CPP-DBA 算法 OLT 和 ONU 之间的控制信息交互图Fig. 2 Control message interaction of CPP DBA algorithm图 2 是基于流水线的固定周期轮询（CPP）动态带宽分配算法（DBA）在 OLT 和 ONU之间周期性信令交互的示意图。EPON 中引入了多点控

13、制协议（MPCP）来实现控制信息的 交互。为了支持 ONU 动态的进入和离开 EPON 拓扑，该协议定义了 EPON 的两种工作模式： 初始化模式和运行模式。在初始化模式中，OLT 和 ONU 之间通过交互 DISCOVER GATE、 REGISTER REQUEST、REGISTER ACK 和 REGISTER CONFIRM 帧，即使用了类似于三序 握手协议的方式使得 ONU 能够被动态发现和动态进入拓扑2。运行模式中定义了支持 CPP 算法实现的所有的控制帧格式。首先各个 ONU 在 i 周期通过依次向 OLT 上报各自的各个优 先级业务队列的缓冲长度,也即下一周期的带宽需求量。在完

14、成对拓扑中所有的 ONU 的带宽 请求消息的收集之后，OLT 运行 CPP 算法对各个 ONU 各个优先级队列进行动态带宽分配， 并在 i 周期结束之前将分配结果矩阵以广播的形式发送给各个 ONU 以便其能够在第 i+1 周 期按 OLT 在第 i 周期的分配结果进行上行流量的传输。2动态带宽分配算法基于对 EPON 结构深入的研究，我们提出了一种新型的称为基于流水线的固定周期轮 询（CPP）动态带宽分配（DBA）算法。该算法以流水线的方式周期性的轮询各个 ONU 的 带宽申请信息3，完成 DBA 运算之后将运行结果以广播形式发送给各个 ONU 完成下一周期 带宽的动态分配。CPP 算法中使用

15、了二级带宽分配机制、EF 业务带宽预申请机制等一系列 方法保障各个业务的不同的 QoS 需求。首先，CPP 算法进行如公式（1）所示的优先级间带宽初次分配。由于 EF 业务在运行 之前一般由用户向运营商进行带宽申请和注册，所以其带宽需求非常稳定且具有可测性。并 且由于该业务对时延和抖动的要求极高，所以在 CPP 对 EF 业务采用完全满足其带宽申请的 分配的策略。公式中 W 是系统中总的可以分配的带宽资源，WEF ,WAF ,WBE 分别是带宽初次分 配后 EF、AF、BE 所分配的带宽大小，WEF i,WAF i,WBE i 是 CPP 对各 ONU 各优先级的带宽 申请做出的最终的带宽分配

16、结果数组， BEF i, BAF i, BBE i 是各 ONU 各业务的带宽申请数组， N 是 EPON 拓扑中 ONU 节点的数量。对 AF 和 BE 业务的优先级间带宽分配采用如公式（1） 的带宽申请量比值和优先级参数 m 共同调节的分配策略。m 值的大小由公式（2）计算大小， 其中的 k 值大小决定了 AF 相对 BE 业务优先占有的带宽资源。通过设置 k 参数平衡了 AF和 BE 业务带宽分配的优先性和相对公平性。 NWEF = BEF i i=1WAF = (W WEF ) m = (W W ) (1 m)WBE EF（1）N NBAF i Nm = i =1 + k，BBE i

17、i=1BAF i N0 k 1 i=1 BBE i i=1（2）WEF i = BEF i, i = 1, 2, 3, N（3）完成带宽的优先级间分配之后，CPP 对各 ONU 的 EF 业务进行带宽分配。由于 EF 业务 主要为语音、TDM 等恒定比特流等时延和抖动敏感的业务，所以在优先级内分配时采用公 式（3），即完全满足其带宽需求。为充分利用其恒定比特流的特性和满足业务的 QoS 需求， CPP 使用了一种带宽预申请机制，即以本周期的带宽申请量作为下周期带宽申请量的预测 值。即对 EF 业务采用即到即传输类似电路交换的一种转发模式4，消除了普通周期轮询业 务由于流水线轮询造成的 EF 业

18、务的固定一个周期时延，有效的提高了 EF 业务的 QoS 性能。再次，CPP 对各个 ONU 的 AF 业务进行带宽。在分配 AF 业务时采用了一种称为最小 带宽申请优先的机制，其具体的带宽分配过程如图 3 所示。若 AF 业务的总申请量小于 WAF ， 所有的带宽申请将被完全满足。若申请量超过了 WAF ，则按照图 3 中的最小带宽优先算法进 行各个 ONU 的 AF 业务的带宽分配。这种机制有效的保证了有限的带宽资源不会被一个或 者几个大申请量的 ONU 占有而造成其余正常运行的 ONU 不能够得到足够的带宽情况的发 生，保证了各个 ONU 同优先级业务之间享有带宽的公平性。最后进行 BE

19、 业务的带宽分配，其分配过程与 AF 业务相同。当 OLT 完成 DBA 过程之后，带宽分配结果矩阵WEF i,WAF i,WBE i 将被 OLT 广播给各个ONU，作为下一周期上行信道带宽分配的结果。3性能研究图 3 CPP 对各个 ONU 的 AF 业务进行带宽分配的流程图Fig.3 Flowchart of processing AF request by CPP algorithm为验证文章提出的 CPP-DBA 算法的性能，我们将 CPP-DBA 算法在 EPON 上运行的性 能进行了仿真。仿真场景设置如下：1）拓扑设置为一个 OLT 和 32 个 ONU 构成的一个 PMP 的

20、EPON；2）以 1Gbps 的速率的时分多址复用（TDMA）进行上行流量的传输；3）每个优 先级的带宽分配方式如公式（1）和（2）所示，并且为保证 AF 业务占有带宽的相对优先性， k 值设置为了 0.2；4）每个 ONU 中的各个优先级的缓存大小均为 0.5MB；5）轮询周期为1ms；6）控制帧大小均为 64KB，即以太网的最小帧长。为了对比 CPP 算法的性能，一个经典的基于 EPON 而设计的称之为恒定比特流（CBR） 的 DBA 算法在同一场景下进行了仿真5。与 CPP 类似，CBR 也是一种二级带宽分配算法。 但是，与 CPP 不同的是，CBR 算法中各个 ONU 仅向 OLT 报

21、告队列总长度进行带宽申请， OLT 完成带宽分配之后，ONU 根据 OLT 分配的带宽再次对各个不同优先级的业务进行带宽 分配。也即将一部分的带宽分配功能转移到了 ONU 中实现。并且，CBR 算法与 CPP 在具 体的各个优先级的带宽分配策略上也有很大不同。本次仿真主要考察 CPP 和 CBR 动态带宽分配算法的 QoS 性能，所以主要关注了丢包率（PLR）、平均包时延（PAD）和系统 QoS 性能密切相关的性能参数。图 4 是 CPP 和 CBR 算法在 EPON 中的丢包率性能仿真图。图 4（a）是 CPP 和 CBR 各 业务的丢包率仿真结果图。从图中可以看出，CPP 和 CBR 两种

22、算法的 EF 业务的丢包率在 不同的系统流量下均为 0，所以 CPP 和 CBR 算法都有效的保障了 EF 这种最高优先级业务在系统中的带宽需求。而两种算法的 AF 和 BE 业务均在一定的系统流量下开始有了丢包率，并且 AF 业务的丢包率性能均要好于 BE 业务。这是由于优先级高的业务相对于优先级低的 业务能够相对的占有更多的带宽资源。CPP 算法的 AF 和 BE 业务的丢包率在相同的系统流 量下均要比 CBR 算法的要小，所以 CPP 算法在丢包率性能上比 CBR 算法优秀，这是由于 CPP 算法使用集中智能控制方式，在 OLT 端完成了所有的资源调度工作。图 4（b）和图 4（c）是

23、CPP 的不同 ONU 中的同优先级业务的 PLR 性能曲线，不同 ONU 间的同优先级业 务的 PLR 曲线高度重合，表明了 CPP 在处理不同 ONU 间同优先级业务的高度公平性。(a)各业务的 PLR 性能图(b)各个 ONU 的 AF 业务性能图(c) 各个 ONU 的 BE 业务性能图(a)PLR of each service(b) PLR of AF in each ONU (CPP) (c) PLR of AF in each ONU (CPP)图 4 CPP 和 CBR 在 EPON 中的丢包率（PLR）性能仿真图Fig.4 PLR performance of CPP an

24、d CBR in EPON图 5 是 CPP 和 CBR 算法的平均包时延性能的仿真结果图。图 5（a）是 CPP 和 CBR 算法的 PAD 性能仿真结果图。首先，CPP 算法 EF 业务的 PAD 为 0.6ms，满足了 ITU-T G.982 中关于语音和 TDM 接入业务的时延小于 1.5ms 的建议6。这是由于 CPP 根据 EF 恒定比特 流特性的业务性质采用了带宽预申请机制进行动态带宽分配的结果，消除了普通业务由于周 期轮询产生的一个周期的固定时延，相比 CBR 算法 EF 业务的 PAD 的性能有了显著的提高。 并且 CPP 的 AF 业务和 BE 业务的 PAD 性能比 CB

25、R 算法也有一定程度的提高。图 5（b） 和图 5（c）是 CPP 的不同 ONU 中同优先级业务的 PAD 性能曲线，结果显示曲线高度重合， 表明了 CPP 在处理不同 ONU 之间的同优先级业务的高度公平性。在低系统流量条件下，各 个 ONU 的 AF 业务和 BE 业务的平均包时延在 1.2ms 至 2.2ms 间均匀分布，这是由周期轮询 机制下的 ONU 上报的队列状态时刻不同而造成的各个 ONU 的附加时延并不同而引起。(a)各业务的 PAD 性能图(b)各个 ONU 的 AF 业务性能图(c) 各个 ONU 的 BE 业务性能图(a)PDA of each service(b) P

26、DA of AF in each ONU (CPP) (c) PDA of AF in each ONU (CPP)图 5 CPP 和 CBR 在 EPON 中的平均包时延（PAD）性能仿真图Fig.5 PDA performance of CPP and CBR in EPON4结论本文提出了一种新型的基于 EPON 架构称为 CPP 的 DBA 算法。EPON 具有高带宽、高 带宽效率和高性价比等优点，被认为是下一代有线接入网的主要解决方案之一。CPP-DBA 算法不仅良好的适配了 EPON 架构的特点，充分利用了其独特的信道特性，而且对各个业务实现了良好的 QoS 保障。CPP 保障了最

27、高优先级的 EF 业务的 PAD、PLR 和抖动性能 其性能符合 ITU-T 的相关标准的建议。通过带宽申请比例分配和固定参数调节机制为 AF 和 BE 业务分配带宽，不仅保证了高优先级业务的优先性，同时也保障了低优先级带宽分配的 相对公平性。通过最小带宽申请优先原则保证了不同 ONU 的同优先级业务之间带宽分配的 公平性，防止了一个或者几个大带宽申请 ONU 占据大部分带宽资源的情况。CPP 运行效率 高，算法复杂度低，并且有效的保障了不同优先级业务的不同 QoS 需求，良好的适配了 EPON 网络。参考文献 (References)1 KANONAKIS K, TOMKOS I, PFEI

28、FFER T et al. ACCORDANCE: A Novel OFDMA-PON Paradigm for Ultra-High Capacity Converged Wireline-Wireless Access Networks A. Transparent Optical Networks 12th International Conference (ICTON 2010) C. IEEE Press, 2007. 14.2 WANG Zhong-jun, YEO Doreen, GAN Xiao-dan et al. MPCP Design in Prototyping Opt

29、ical Network Unit ofEthernet in the First Mile A. International Conference Communications Systems 2004 (ICCS 2004) C. IEEE Press, 2004. 121 125.3 WEI Wei, WANG Ting, QIAN Da-you. MAC Protocols for Optical Orthogonal Frequency Division MultipleAccess (OFDMA)-based Passive Optical Networks J. Optical

30、Fiber communication/National Fiber OpticEngineers Conference (OFC/NFOEC 2008) A, IEEE Press, 2008: 1-34 KIM Chan, YOO Tae-whan, and KIM Bong-Tae. A Hierarchical Weighted Round Robin EPON DBA SchemeJ. International Conference on Communications (ICC 2007) C, IEEE Press, 2007: 2156 - 2161.5 WANG Ya-min, LIU Yan. Design of DBA Algorithm in EPON Uplike A. Fifth conference on InformationAssurance and Security (IAS 2009) C. IEEE Press, 2009. 751-753.6 ITU-T Recommendation G.732 primary PCM multiplex equipment for voice frequencies S.