基于物理幀結(jié)構(gòu)特性的OFDMA-PON的MAC層機(jī)制

劉亞帆，鄒垚昭，王 旺，施 燕，頓 涵，薛子威，汪 敏（上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200072）

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基于物理幀結(jié)構(gòu)特性的OFDMA-PON的MAC層機(jī)制

劉亞帆，鄒垚昭，王 旺，施 燕，頓 涵，薛子威，汪 敏
（上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200072）

摘要：通過分析O FD M A-PO N物理幀特性，提出了一個(gè)新的M A C層機(jī)制，包括物理層映射方案、子載波分配算法和輪詢調(diào)度算法三個(gè)內(nèi)容。并通過系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了這一M A C層機(jī)制對于提升系統(tǒng)吞吐量的明顯作用。

關(guān)鍵詞：O FD M A-PO N；D SA；物理映射

0　引言

隨著高清電視、高清視頻會(huì)議和對等網(wǎng)絡(luò)等高帶寬需求業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，用戶對無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的帶寬需求大幅增長［1］。基于正交頻分復(fù)用多址技術(shù)的OFDMA-PON憑借其頻譜效率高和帶寬調(diào)度靈活等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為了下一代PON的最優(yōu)候選方案之一［2］。高效的MAC層機(jī)制可以有效提升OFDMA-PON系統(tǒng)的吞吐量，并保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）［3］。因此，OFDMA-PON的MAC層機(jī)制研究是非常重要的。美國NEC實(shí)驗(yàn)室的J.Zhang等人結(jié)合TDMA和FDMA兩種MAC層機(jī)制提出了可以消除ONU同步需求的新的MAC層映射方式與控制方法［4］。為了更加靈活地進(jìn)行帶寬分配，雅典信息技術(shù)中心的K.Kanonakis等人基于物理層的自適應(yīng)比特加載機(jī)制提出了一種跨層優(yōu)化算法［5］。然而，在過去的研究中很少考慮到物理幀結(jié)構(gòu)對于數(shù)據(jù)映射所帶來的影響，以及在這個(gè)影響下產(chǎn)生的帶寬浪費(fèi)［6］。本文基于OFDMA-PON的物理幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種能帶來高帶寬利用率的MAC層機(jī)制。這一機(jī)制包含了物理層映射方案、子載波分配算法和輪詢調(diào)度算法三種內(nèi)容。

1　OFDMA-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與物理幀結(jié)構(gòu)

OFDMA-PON的點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)［7］由一個(gè)OLT和多個(gè)ONU組成，下行傳輸（DS）方向?yàn)镺LT至ONU，上行傳輸方向（US）為多個(gè)ONU至OLT。OLT位于中心辦公室（CO），它可以對網(wǎng)絡(luò)的上下行資源進(jìn)行調(diào)度。在下行傳輸方向，OLT可以直接控制下行信息在物理幀中的加載位置。在上行傳輸方向，OLT則需要收集各個(gè)ONU的帶寬需求，并通過合理的帶寬分配算法來對上行傳輸進(jìn)行控制。此外，由于在上行傳輸過程中多個(gè)ONU會(huì)同時(shí)向OLT傳輸數(shù)據(jù)并占據(jù)信道中的不同位置，所以上行傳輸控制過程相對復(fù)雜很多，而這一過程即是本文的研究重點(diǎn)。

OFDMA-PON的上行數(shù)據(jù)需要加載在物理幀中進(jìn)行傳輸，物理幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以加載于載波與符號(hào)交織成的資源塊中。在加載數(shù)據(jù)的過程中，激光器切換所產(chǎn)生的噪聲會(huì)造成誤碼，并且由于時(shí)間同步的不完全精確，所以在數(shù)據(jù)流中需要插入一些保護(hù)空隙。如圖1所示，兩個(gè)周期之間必須插入一個(gè)周期間空隙（ICG），同一周期的兩個(gè)物理幀之間若產(chǎn)生激光器的切換則需插入一個(gè)幀間空隙（IFG）。OFDMA-PON物理幀的特性也決定了數(shù)據(jù)映射過程中的一些限制：首先，固定的幀結(jié)構(gòu)可以保證物理層擁有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)時(shí)延和開銷。在帶寬調(diào)度過程中，一幀的容量就是最小的調(diào)度粒度；其次，在一個(gè)物理幀中，同一子載波不能被兩個(gè)以上的ONU占用，因?yàn)檫@種情況需要插入保護(hù)空隙。在過去的相關(guān)研究中，這兩個(gè)重要的限制很少被考慮到，因此會(huì)不可避免地造成一定的數(shù)據(jù)碰撞和帶寬浪費(fèi)。

ONU信息在進(jìn)行物理層映射之前需要先由DBA算法進(jìn)行裁決，以保證系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量。本文結(jié)合之前提出的基于ONU報(bào)告的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法 （ORBDBA）［8］，設(shè)計(jì)了一套全新的MAC層機(jī)制來達(dá)到更高的系統(tǒng)吞吐量。

圖1　OFDMA-PON的物理幀結(jié)構(gòu)

2　基于幀結(jié)構(gòu)特性的MAC層機(jī)制

2.1物理層映射方案

基于前面所提到的OFDMA-PON物理幀特點(diǎn)，本文提出一種周期性FDMA映射方案。如圖2（a）所示，在每一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)腛NU可以固定占用不同的子載波，而在不同周期內(nèi)子載波的占用方式互不相關(guān)。在這種映射方案中，周期是根據(jù)當(dāng)時(shí)需要上傳的總數(shù)據(jù)量的不同而彈性變化的。此方案的優(yōu)點(diǎn)如下：①在同一周期內(nèi)保證了各個(gè)ONU之間的公平性，ONU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以同步被OLT接收；②同一周期內(nèi)固定的子載波分配策略不僅降低了MAC層控制幀的復(fù)雜度，同時(shí)也降低了OLT端接收機(jī)的復(fù)雜度，使其在同一周期內(nèi)不必改變映射策略；③由于在同一周期的不同物理幀之間沒有產(chǎn)生激光器的切換，從而消除了IFG所引起的帶寬浪費(fèi)。

為了進(jìn)一步加快OFDMA-PON的商用化進(jìn)程，控制幀的復(fù)雜度就需要進(jìn)一步簡化，即盡可能地減少子載波分組。根據(jù)OFDMA-PON中子載波的比特加載的梯形分布特點(diǎn)，在子載波分配過程中，同樣調(diào)制格式的子載波中會(huì)分配一組連續(xù)的子載波給某一ONU，即如圖2（a）所示。這一方法帶來的子載波分組的減少可以有效簡化控制幀的復(fù)雜度。

由于此映射方案中，多個(gè)ONU會(huì)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，那么多個(gè)激光器會(huì)產(chǎn)生一定的雜散輻射。當(dāng)同時(shí)打開的激光器過多時(shí)，這種雜散輻射所引起的較大誤碼率會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量下降。所以，這里需要設(shè)定一個(gè)ONU數(shù)量閾值。圖2（b）演示了一個(gè)簡單的例子：設(shè)閾值為3，當(dāng)有5個(gè)ONU需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，將2 個(gè)ONU在子周期1中傳輸數(shù)據(jù)，其它3個(gè)分在子周期2。這里ONU傳輸?shù)南群箜樞蚩梢愿鶕?jù)其等級(jí)高低來決定。

2.2子載波分配算法

由于不同調(diào)制格式的子載波擁有不同的容量，所以不同的子載波分配方案可能會(huì)帶來不同程度的帶寬浪費(fèi)。所以在考慮子載波粒度和幀容量粒度的情況下，如何在最短時(shí)間內(nèi)傳輸完所有ONU要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)成為一個(gè)必須解決的問題。下面提出一種保證最小帶寬浪費(fèi)的動(dòng)態(tài)載波分配算法（MBW-DSA），這一算法基于自適應(yīng)周期算法，并且在某一周期或子周期內(nèi)都是適用的。

一個(gè)包含N個(gè)子載波和K個(gè)ONU的OFDMAPON系統(tǒng)，規(guī)定在同一周期中子載波sn（n=1，2，3，…，N）只能被某一ONUk（k=1，2，3，…，K）所占用。sn的容量可以由式（1）表示。式中的x是模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣速率，m是正交幅度調(diào)制的符號(hào)種數(shù)。由式（1）可以得到整個(gè)上行信道的總?cè)萘?。?jīng)過ORB-DBA裁決后的授權(quán)給ONUk的帶寬為Gk，那么下一周期內(nèi)總的授權(quán)帶寬為ONUk在經(jīng)過子載波分配后的上行接口總?cè)萘咳缡剑?）所示。

ck，n指示了子載波的分配結(jié)果，如ck，n=1表示sn被分配給了ONUk。式（3）保證了ck，n的取值只能是0和1，式（4）保證了在一個(gè)周期或一個(gè)子周期內(nèi)某一子載波只能被單個(gè)ONU所占據(jù)。在充分考慮物理幀粒度（Tf是一個(gè)物理幀的時(shí)間長度）情況下，子載波分配完成后的最小周期Tc可以用式（5）表示。完全忽略載波分配粒度和物理幀粒度的理想周期時(shí)長為Tideal=G C。

圖2　提出的物理層映射方案

從圖2（c）中可以看出Tc往往大于Tideal，甚至在某些極端的子載波分配結(jié)果下，Tc會(huì)遠(yuǎn)大于Tideal。為了保證最小的帶寬浪費(fèi)，最終的優(yōu)化目標(biāo)可以用min（CTc-CTideal）來表示。這是一個(gè)非線性整數(shù)規(guī)劃問題，相關(guān)求解方法已有很多相關(guān)研究，本文使用LINGO聯(lián)合MATLAB對MBW-DSA算法進(jìn)行求解與仿真。

2.3輪詢調(diào)度算法

在TDMA-PON系統(tǒng)中，ONU的報(bào)告信息的時(shí)間順序傳輸無法滿足所有ONU的全局公平性。在OFDMA-PON中，這一問題可以通過分配幾個(gè)專用子載波作為控制信道的方法來解決［4］。所以為了能夠在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下充分提升系統(tǒng)的吞吐量（縮短周期間空隙），并同時(shí)保證系統(tǒng)的全局公平性，本文提出了如圖3所示的輪詢調(diào)度算法。為了在調(diào)度過程中充分發(fā)揮彈性周期的作用，本文將最大周期Tmax設(shè)為2ms，最小周期Tmin設(shè)置如下：

Tmin=maxrttk+Td-TICG（6）

rttk（k=1，2，…）表示ONUk與OLT之間的循環(huán)時(shí)間，Td表示OLT對報(bào)告信息的處理時(shí)間，TICG表示設(shè)定的周期間空隙的時(shí)長。得益于專用的控制信道，ONU的報(bào)告信息可以同時(shí)到達(dá)OLT，到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)tr=ts+Tc-Tmin，ts表示周期開始的時(shí)間點(diǎn)。以上參數(shù)設(shè)置能夠保證OLT收集到各個(gè)ONU的最新狀態(tài)信息，并且可以同時(shí)對這些信息通過ORB-DBA算法進(jìn)行處理以保證全局公平。除此之外，相鄰周期之間始終間隔一個(gè)固定的ICG，這既有利于系統(tǒng)定時(shí)也提高了系統(tǒng)的帶寬利用率。

圖3　提出的輪詢調(diào)度算法

3　仿真結(jié)果

在網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了1024個(gè)子載波與32個(gè)ONU，所有子載波分成四種調(diào)制格式，整個(gè)系統(tǒng)的上行容量為15Gb/s。同時(shí)，設(shè)定以下參數(shù)：TIFG= 1.7μs，TICG=3μs，Tf=8μs，Tmax=2ms，x=4GS/s，可同時(shí)開啟的激光器的閾值設(shè)為16。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流服從泊松分布，并且在仿真過程中只考慮數(shù)據(jù)子載波。圖4展示了在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下本文提出的方案與NEC方案、TDM方案在系統(tǒng)吞吐量方面的對比。TDM方案可以直接將上層數(shù)據(jù)流加載于某一時(shí)間窗的全部子載波上，這是一種簡單易行的方案。由于在同一物理幀中不同ONU不可進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，所以會(huì)在ONU加載的最后一幀產(chǎn)生一些帶寬資源浪費(fèi)。而且由于激光器的切換與定時(shí)問題，在傳輸過程中需要加入一些IFG來保證傳輸質(zhì)量。NEC方案在ONU加載的最后一幀中運(yùn)用了頻分復(fù)用，增加了映射復(fù)雜度但減少了帶寬資源的浪費(fèi)。所以從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載小于0.9時(shí)，這三種方案均有理想表現(xiàn)。但當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載大于0.9時(shí)，TDM方案的表現(xiàn)最差，而依然受到IFG影響的NEC方案在系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到 1.15時(shí)吞吐量達(dá)到了14.54Gb/s。本文提出的方案雖然一定程度增加了映射復(fù)雜度，但是保證了在單個(gè)周期內(nèi)映射策略的不變性，最重要的是消除了在其它兩個(gè)方案中出現(xiàn)的帶寬浪費(fèi)問題。同時(shí)，在MBW-DSA算法和輪詢調(diào)度算法的支撐下，達(dá)到了最小的帶寬浪費(fèi)。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的MAC層機(jī)制在高負(fù)載情況下仍有令人滿意的表現(xiàn)。

圖4　網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比

圖5　周期平均開銷對比

圖5展示了ONU數(shù)量的增加對平均周期開銷所造成的影響。從仿真結(jié)果可以看出，得益于新的映射方案和MBW-DSA算法，本文提出的MAC層機(jī)制在ONU數(shù)小于64時(shí)表現(xiàn)理想。ONU數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，由于子載波容量粒度的影響，MBW-DSA算法無法保證得到最佳的結(jié)果。但是，即使在ONU數(shù)達(dá)到512個(gè)時(shí)，本文提出的方案仍明顯好于NEC方案和TDM方案。TDM方案由于物理幀帶寬資源的浪費(fèi)，其表現(xiàn)劣于NEC方案。當(dāng)ONU數(shù)達(dá)到256時(shí)，由于Tf和Tmax的影響，NEC方案和TDM方案的周期平均開銷趨于穩(wěn)定。

4　結(jié)束語

本文提出了一種新的基于OFDMA-PON物理幀結(jié)構(gòu)的MAC層機(jī)制，其中包含了物理映射方案、子載波分配算法與輪詢調(diào)度算法三塊內(nèi)容。從仿真結(jié)果可以看出，這一新機(jī)制有效提升了OFDMA-PON系統(tǒng)的吞吐量，減少了傳輸周期的平均開銷。

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中圖分類號(hào)：TN915.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）06-0017-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.005

收稿日期：2016-02-05。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金 （61420106011、61132004、61275073）資助；上海市科學(xué)發(fā)展基金（13JC1402600、14511100100、15511105400、15530500600）資助。

作者簡介：劉亞帆（1990-），男，碩士生，主要從事光接入網(wǎng)相關(guān)研究。

Physical frame structure characteristics based on MAC mechanism for OFDMA-PON

LIU Ya-fan，ZOU Yao-zhao，WANG Wang，SHI Yan，DUN Han，XUE Zi-wei，WANG Min
（School of Communication and Information Engineering Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks of Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Abstract：By analyzing the physical frame characteristics of OFDMA-PON，a new MAC mechanism which includes a physical mapping scheme，a dynamic sub-carriers allocation algorithm and a polling algorithm is propose.The system simulation results demonstrate that this new MAC mechanism can distinctly improve the performance of system throughput.

Key words：OFDMA-PON，DSA，physical mapping