ONU間直通的LR-PON系統(tǒng)仿真設(shè)計

苗方，宋金寶

(中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

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ONU間直通的LR-PON系統(tǒng)仿真設(shè)計

苗方，宋金寶

(中國傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

研究了長距離無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)和多種動態(tài)帶寬分配算法，針對集中帶寬分配的長距離無源光網(wǎng)絡(luò)控制平面的延時過長，影響系統(tǒng)性能的問題，提出了一種ONU間直通的長距離無源光網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過新增波長實現(xiàn)了ONU間在物理層上的直通，基于OPNET進(jìn)行建模仿真并介紹了仿真系統(tǒng)搭建方法，驗證了所提方案的有效性。

寬帶接入網(wǎng)；長距離無源光網(wǎng)絡(luò)；ONU間直通；動態(tài)帶寬分配算法；OPNET

1　引言

在眾多接入技術(shù)中，光纖以其大容量、低成本的優(yōu)勢逐步成為當(dāng)前傳輸網(wǎng)的主流媒介。PON作為寬帶接入“最后一公里”的關(guān)鍵技術(shù)，是在服務(wù)提供商、電信局端和商業(yè)用戶或者家庭用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴呀鉀Q方案。

PON接入網(wǎng)技術(shù)面臨全業(yè)務(wù)、高帶寬的應(yīng)用需求，對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說，為達(dá)到最優(yōu)化的資產(chǎn)投入和運(yùn)營成本，傾向于減少部署接入結(jié)點的數(shù)量。因此下一代無源光接入網(wǎng)的發(fā)展方向主要是高線路速率、長傳輸距離和大用戶容量。高線路速率能夠承載更多用戶、更高速率的業(yè)務(wù)；長傳輸距離和大用戶容量可以增加單個PON系統(tǒng)的覆蓋范圍，減少部署在中心局(CO，Central Office)或分前端的設(shè)備數(shù)量。長距離、大容量的LR-PON(Long Reach PON)接入系統(tǒng)逐漸取代環(huán)狀結(jié)構(gòu)的城域光網(wǎng)，直接接入網(wǎng)絡(luò)的核心層，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。新型的城域接入網(wǎng)架構(gòu)給PON的設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)PON網(wǎng)絡(luò)中，ONU共享鏈路帶寬，由OLT采用動態(tài)帶寬分配機(jī)制(DBA)分配帶寬資源。由于采用主從結(jié)構(gòu)，ONU只能與OLT直接通信，ONU間不能直接通信，所有ONU間的通信數(shù)據(jù)均需要經(jīng)過OLT轉(zhuǎn)發(fā)。這樣造成的結(jié)果是，ONU之間的通信需要先占用上行信道傳送到OLT，然后經(jīng)OLT處理后再占用下行信道發(fā)送給ONU，對P2P類應(yīng)用和局域網(wǎng)內(nèi)流量的承載效率很低，且PON中動態(tài)帶寬分配機(jī)制受控制平面延時的影響嚴(yán)重。在以長距離和多用戶為特征的下一代接入網(wǎng)絡(luò)中，這種情況出現(xiàn)的概率及對帶寬資源的浪費(fèi)都更加顯著：一是占用了上下行的帶寬資源，降低了系統(tǒng)吞吐量；二是增加了業(yè)務(wù)的端到端時延；三是加重了OLT的負(fù)擔(dān)。

針對上述問題，本文提出一種ONU間直通的LR-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了分布式控制的動態(tài)帶寬分配方案，并基于OPNET構(gòu)建了仿真系統(tǒng)模型。

2　相關(guān)研究

PON接入網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)已較成熟，長距離PON的方案也大多與傳統(tǒng)的PON結(jié)構(gòu)相似，一般會通過加入光纖放大器應(yīng)對長距離光鏈路損耗問題。另外為了減少網(wǎng)絡(luò)總體成本，提高單個PON內(nèi)服務(wù)的用戶數(shù)量，LR-PON普遍采用WDM技術(shù)將多個傳統(tǒng)PON集成在一起，即TDM/WDM的混合模式。

動態(tài)帶寬分配也是LR-PON研究的一個重點。LR-PON繼承了傳統(tǒng)PON的邏輯組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以保持建設(shè)和維護(hù)的低成本優(yōu)勢，但是局端和終端之間距離的擴(kuò)展導(dǎo)致控制平面延時大大增加，造成原有的對PON上行帶寬動態(tài)分配方案的效率受到很大影響。為了解決這一問題，文獻(xiàn)[1]中提出了一種多線程輪詢(MTP，Multi-Thread Polling)的動態(tài)帶寬分配算法。MTP的思想是在對ONU進(jìn)行一次授權(quán)后，不等到ONU的報告幀返回就提前對ONU進(jìn)行下一輪的授權(quán)，即開啟一個新的“線程”。多個對ONU輪詢的線程并行工作，一個較長的輪詢周期即被N個線程縮短為原本周期的1/N，由于OLT和ONU之間控制幀傳播延時所造成的空閑等待時間被大大減少，提高了信道利用率并減少了業(yè)務(wù)的平均包延時。但是多線程的應(yīng)用也會帶來不利的影響，一是多線程的帶寬分配機(jī)制提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性，造成設(shè)備的計算負(fù)荷大大增加，甚至多個線程之間可能因為相互獨立造成“過授權(quán)”(Over-Granting)；另外，多個輪詢線程也導(dǎo)致上、下行信道中出現(xiàn)大量的控制幀，線程數(shù)量多了系統(tǒng)性能反而會下降。文獻(xiàn)[2]介紹了一種稱為“NA+”的機(jī)制，對MTP進(jìn)行了改進(jìn)，每個線程都優(yōu)先為最新到達(dá)的幀分配帶寬，以避免重復(fù)授權(quán)。

雖然已提出了大量針對LR-PON的動態(tài)帶寬分配方案來改善高環(huán)路時延帶來的影響，但局端和終端設(shè)備之間的長距離始終是客觀的存在，在OLT對所有ONU集中授權(quán)的框架下，大量MPCP的控制信息需要在上行和下行信道中傳輸上百公里來完成鏈路資源的分配。因此ONU向OLT報告隊列長度然后等待授權(quán)并不是一種有效的方式。于是也有一些研究者希望對OLT集中控制的框架做出調(diào)整，提出了多種無中心化的分布式動態(tài)帶寬分配方案。

Sherif等[3]介紹了一種基于以太網(wǎng)的新型PON架構(gòu)，使用3×N的星型耦合器連接N個ONU和OLT，并將其中OLT側(cè)的兩個端口用隔離器連接。這樣任一個ONU的上行波長的信號會經(jīng)過星型耦合器(SC，Star Coupler)到達(dá)OLT以及所有ONU，ONU端需要增加一個上行波長的光接收器。所有ONU可以同時接收到上行帶寬請求報告，分別運(yùn)行相同的DBA算法即可得到相同帶寬分配結(jié)果，整個帶寬分配過程無需OLT參與，避免了從局端到駐地過長的控制平面?zhèn)鬏斞訒r。Hwang[4]將同樣的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一種基于對等網(wǎng)絡(luò)的多媒體服務(wù)系統(tǒng)中。

在文獻(xiàn)[5]和[6]中，Helmy等提出了一種適合LR-PON的去中心化的媒介訪問機(jī)制，引入了一個額外的控制信道在ONU之間通信。OLT對ONU進(jìn)行集中管理，負(fù)責(zé)傳輸順序和優(yōu)先級的調(diào)度，但不參與帶寬分配的過程。ONU按順序在控制信道輪流發(fā)送報告幀，收集到所有ONU的報告計算出上行帶寬的分配。

從對LR-PON的相關(guān)研究可以看出，用戶距離CO較遠(yuǎn)造成顯著的控制平面延時是影響系統(tǒng)性能的核心問題所在。采用并行處理或者流量估計、預(yù)先授權(quán)等方案，是用增加調(diào)度機(jī)制的復(fù)雜性來解決時延問題，但起到的作用有限；建立ONU之間直通信道能夠縮短控制平面?zhèn)鞑ゾ嚯x，雖然能夠從根本上解決控制平面延時，但是對現(xiàn)有PON的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大改變，并且增加了硬件成本的投入。從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備智能化、集成化以及網(wǎng)絡(luò)資源邊緣化的發(fā)展趨勢來看，ONU間直通信道會有廣泛的利用空間，硬件成本也有可能隨著技術(shù)的發(fā)展而不再是主要的障礙。因此本文對LR-PON的研究采用分布式資源分配的思路，即在ONU間直接通信以調(diào)派資源，不受長距離傳播時延的影響，同時保持中心對各ONU的集中管理和控制。

3　系統(tǒng)設(shè)計

在傳統(tǒng)PON系統(tǒng)中，OLT與ONU之間上、下行分別使用λ1、λ2波長信道。本文所述方案在ONU端增加一組波長為λ3的光收發(fā)器，在1：N星形耦合器的OLT側(cè)使用FBG反射λ3信號，從而提供了獨立的ONU間直連通道，既作為LAN業(yè)務(wù)的通道，同時也是分布式DBA算法的控制信道，如圖1所示。兩個獨立信道的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。相當(dāng)于ONU與OLT之間是傳統(tǒng)的PON結(jié)構(gòu)，各ONU之間組成星型的LAN結(jié)構(gòu)。這樣既能支持對LAN業(yè)務(wù)的有效承載，同時也解決LR-PON較長控制平面延時的問題，從兩方面提高了PON系統(tǒng)的信道效率。

圖1　支持ONU直通的PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　

圖2　PON與LAN疊加的雙通道邏輯結(jié)構(gòu)　

在動態(tài)帶寬分配方案中[7]，上行信道和LAN信道同時工作，LAN信道除了承載PON內(nèi)ONU之間的通信業(yè)務(wù)之外，還作為控制信道協(xié)調(diào)對上行帶寬和LAN帶寬的動態(tài)分配。ONU依次在LAN信道內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括一個REPORT幀和緊隨其后的DATA部分。每個ONU接收系統(tǒng)內(nèi)所有ONU的REPORT幀，根據(jù)其中的隊列請求信息，獨立的進(jìn)行帶寬分配計算。因為LAN通道內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸是在所有ONU間廣播，因此各個ONU都會得到同樣的信息，運(yùn)用同樣的分布式動態(tài)帶寬分配算法，計算出各自的發(fā)送窗口。帶寬分配過程無需得到OLT的授權(quán)，因此能夠解決長環(huán)路時延帶來的性能劣化。REPORT幀中包含兩個隊列信息，一個是上行數(shù)據(jù)等待發(fā)送的隊列長度，一個是LAN業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等待發(fā)送的隊列長度。在LAN信道收集齊所有ONU的隊列信息，使用offline模式對帶寬進(jìn)行統(tǒng)一分配。兩個隊列單獨計算在一個周期內(nèi)分配給各個ONU發(fā)送數(shù)據(jù)的起始時間和窗口大小。

4　仿真建模

本節(jié)介紹基于OPNET仿真軟件建立ONU間直通的長距離EPON系統(tǒng)模型。OPNET采用離散事件仿真機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)行為狀態(tài)進(jìn)行模擬，對所有進(jìn)程模塊計劃事件發(fā)生的時間和事件完成的時間進(jìn)行列表和維護(hù)。OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以分為三層來進(jìn)行建模，分別是：網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進(jìn)程模型。網(wǎng)絡(luò)模型反映了具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；節(jié)點模型是由外圍接口和協(xié)議模型構(gòu)成；進(jìn)程模型則以有限狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議工作方式。OPNET 仿真系統(tǒng)本身帶有多種模型庫，但對于一些模型庫中不存在的協(xié)議模型，需要專門構(gòu)建。建模采用自下而上的方法，首先根據(jù)協(xié)議定義進(jìn)程模型，再依次在進(jìn)程模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建節(jié)點模型，最后以節(jié)點模型按照仿真需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4.1ONU建模

ONU的節(jié)點仿真模型如圖3所示，dcd_onu_mac模塊實現(xiàn)的MAC層協(xié)議是其核心部分，9個數(shù)據(jù)源模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生以太網(wǎng)幀，overflow模塊對溢出緩沖區(qū)的包數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。此外，還包括一對連接PON信道的收發(fā)器以及一對連接LAN信道的收發(fā)器。

圖3　ONU節(jié)點模型　

數(shù)據(jù)源模塊分為三組，分別對應(yīng)產(chǎn)生BE(Best Effort)、AF(Assured Forwarding)和EF(Expedited Forwarding)三種不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流。調(diào)節(jié)各個模塊參數(shù)可以調(diào)整不同業(yè)務(wù)的比例以及上行業(yè)務(wù)和LAN業(yè)務(wù)的比例分配。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流被證明具有自相似和長相關(guān)特性，通常采用自相似流量模型進(jìn)行模擬。自相似流量通常采用多個ON/OFF狀態(tài)疊加而成，ON、OFF兩個狀態(tài)分別為產(chǎn)生數(shù)據(jù)流的狀態(tài)和無數(shù)據(jù)流產(chǎn)生狀態(tài)，其時間符合帕累托分布，在ON狀態(tài)下包到達(dá)的時間間隔符合指數(shù)分布，包長度在64字節(jié)到1518字節(jié)間均勻分布。通過改變包到達(dá)間隔參數(shù)以產(chǎn)生不同業(yè)務(wù)負(fù)載量。自相似的流量生成進(jìn)程模型如圖4所示。

圖4　自相似數(shù)據(jù)源進(jìn)程模型　

ONU的MAC協(xié)議進(jìn)程仿真模型如圖5所示。初始化后進(jìn)入idle狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的包到達(dá)時進(jìn)行queueing排隊處理，根據(jù)是上行業(yè)務(wù)還是LAN業(yè)務(wù)以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級類型放入相應(yīng)的緩沖區(qū)。當(dāng)收到其他ONU發(fā)來的REPORT幀時，記錄其報告的上行和LAN緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量。得到所有ONU的REPORT信息后進(jìn)入onu_schedule進(jìn)行動態(tài)帶寬分配的計算。根據(jù)計算結(jié)果設(shè)置定時中斷，在相應(yīng)的時間窗口內(nèi)發(fā)送各緩沖區(qū)內(nèi)的DATA幀。其中，在LAN信道的數(shù)據(jù)發(fā)送之前插入REPORT幀，以進(jìn)行下一輪的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量上報和帶寬分配計算。每一輪各個ONU都會得到同樣的REPORT幀，運(yùn)用同樣的分布式動態(tài)帶寬分配算法，計算出相同的結(jié)果，得到各自的發(fā)送窗口。

圖5　ONU的MAC協(xié)議進(jìn)程模型　

4.2OLT建模

在ONU各自分布式計算動態(tài)帶寬分配的框架下，OLT并不需要參與帶寬的分配和授權(quán)。因此OLT仿真模型結(jié)構(gòu)簡單，主要是對收到的上行數(shù)據(jù)幀進(jìn)行統(tǒng)計，得出性能仿真分析。OLT的節(jié)點模型如圖6所示。

圖6　OLT節(jié)點模型　

4.3ODN建模

光分配網(wǎng)絡(luò)的核心是星形耦合器，由于FBG的加入，ODN分為了PON和LAN兩個信道的邏輯結(jié)構(gòu)。圖7反映了PON信道的1×16的星形耦合器節(jié)點模型，用于連接OLT和16個ONU，傳輸上、下行的數(shù)據(jù)幀。其主要協(xié)議模塊的功能就是對來自O(shè)LT的下行幀進(jìn)行復(fù)制，然后轉(zhuǎn)發(fā)到連接ONU的16個發(fā)送器；對來自16個接收器的上行幀轉(zhuǎn)發(fā)到連接OLT的上行發(fā)送器。圖8反映了LAN信道的1×16的星形耦合器節(jié)點模型，用于16個ONU之間的連接，傳輸LAN信道數(shù)據(jù)幀和REPORT幀。其主要協(xié)議模塊的功能就是對來自各個ONU的幀進(jìn)行復(fù)制，然后轉(zhuǎn)發(fā)到16個發(fā)送器。

圖7　PON信道ODN節(jié)點模型　

圖8　LAN信道ODN節(jié)點模型　

4.4網(wǎng)絡(luò)層建模

ONU間直通的EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，與圖2中的邏輯結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，將FBG加星形耦合器組合的ODN抽象成為兩個獨立的信道進(jìn)行仿真。16個ONU與OLT之間是傳統(tǒng)的PON結(jié)構(gòu)，各ONU之間組成星型的LAN結(jié)構(gòu)。ONU節(jié)點模型產(chǎn)生PON和LAN兩個信道的數(shù)據(jù)幀，在OLT和ONU節(jié)點內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計以得到各個信道、各種業(yè)務(wù)的吞吐量、端到端時延等仿真結(jié)果。

圖9　ONU間直通的EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　

5　結(jié)束語

本文研究了長距離無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)和多種動態(tài)帶寬分配算法，提出一種ONU間直通的長距離無源光網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，并且基于OPNET仿真軟件設(shè)計了該方案的LR-PON協(xié)議模型，并詳細(xì)介紹了仿真系統(tǒng)平臺的搭建方法。

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(責(zé)任編輯：王謙)

Design of Simulation System for LR-PON with Directly Connected ONUs

MIAO Fang，SONG Jin-bao

(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper investigated the solution of system architectures for LR-PON and the DBA algorithms. To remedy the performance degradation caused by long distance between CO and end users，a decentralized media access scheme for Long-Reach PON which enables directly communication between ONUs is proposed. Also this paper introduced the methods of building the modelers of user defined protocol and designed a simulation system architecture for this decentralized LR-PON in OPNET Modeler.

broadband access networks；LR-PON；directly communication between ONUs；DBA；OPNET Modeler

2015-06-27

苗方(1980-)，男(漢族)，江蘇徐州人，中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院. E-mail：mfcuc06@cuc.edu.cn

TN913.7

A

1673-4793(2016)01-0045-05