基于流量預(yù)測(cè)的OFDMA-PON動(dòng)態(tài)帶寬分配算法

鄺 斌，劉人榕，吳雅婷，楊少林

（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）

基于流量預(yù)測(cè)的OFDMA-PON動(dòng)態(tài)帶寬分配算法

鄺 斌，劉人榕，吳雅婷，楊少林

（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）

通過(guò)研究O FD M A-PO N的媒質(zhì)接入控制協(xié)議，提出了一種針對(duì)O FD M A-PO N的媒質(zhì)接入控制協(xié)議，并提出了一種基于流量預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法。通過(guò)對(duì)授權(quán)時(shí)間內(nèi)的業(yè)務(wù)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，更加實(shí)時(shí)反映各個(gè)O N U的帶寬需求。仿真驗(yàn)證了提出的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法可以提高O FD M A-PO N在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)包延時(shí)方面的性能。

媒質(zhì)接入控制協(xié)議；動(dòng)態(tài)帶寬分配算法；O FD M A-PO N

0　引言

近年來(lái)，由于互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了各種新型高帶寬業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，用戶對(duì)帶寬的需求快速增長(zhǎng)。具有巨大帶寬而且低成本的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）已經(jīng)成為下一代接入網(wǎng)中非常重要的寬帶技術(shù)方案[1,2]。正交頻分復(fù)用接入無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) （Orthogonal Frequency Division Multiple Access PON,OFDMA-PON）以其容量高、傳輸成本效率好、色散和偏振膜色散容忍度高、帶寬粒度靈活以及頻譜效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為很有潛力的未來(lái)高速光接入網(wǎng)方案，引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注和研究[3～5]。

關(guān)于OFDMA-PON的關(guān)鍵技術(shù)研究中，動(dòng)態(tài)帶寬分配（Dynamic Bandwidth Allocation,DBA）技術(shù)是其中的重點(diǎn)。DBA算法能根據(jù)不同用戶對(duì)不同等級(jí)帶寬的需求實(shí)時(shí)地進(jìn)行帶寬分配，能夠更好地利用帶寬，從而保證用戶間的公平性。媒質(zhì)接入控制（MAC）協(xié)議也是OFDMA-PON技術(shù)中重要的研究方向，DBA算法的設(shè)計(jì)離不開(kāi)MAC協(xié)議的支持。MAC層的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)OFDMA-PON傳輸調(diào)度，發(fā)揮OFDMA-PON的巨大潛力具有重要的意義。針對(duì)OFDMA-PON，目前已經(jīng)有文獻(xiàn)提出了一些MAC層協(xié)議和DBA算法[6～11]，但是還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的、完善的方案。以下，我們提出一種適用于OFDMA-PON的MAC協(xié)議，并提出一種基于流量預(yù)測(cè)的DBA算法。

1　OFDMA-PON系統(tǒng)

圖1是一個(gè)典型的OFDMA-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它主要由三個(gè)部件構(gòu)成：一個(gè)光線路終端（OLT）、多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）。OLT位于局端，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)中心與PON之間的數(shù)據(jù)傳輸，起著對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制、管理的作用。ONU位于用戶端，負(fù)責(zé)用戶端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。ODN介于ONU和OLT之間，是連接OLT和ONU的樞紐。OFDMA-PON的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程包括上行鏈路傳輸與下行鏈路傳輸，上行為ONU到OLT，下行為OLT到ONU。

在每個(gè)輪詢周期內(nèi)，OLT以頻分和時(shí)分結(jié)合的方式將各個(gè)子載波分配給各個(gè)ONU，具有靈活的帶寬調(diào)度方式，能夠?qū)崿F(xiàn)帶寬的有效調(diào)度。

圖1　OFDMA-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　OFDMA-PON媒質(zhì)接入控制協(xié)議設(shè)計(jì)

OFDMA-PON MAC層定義了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)如何在光纖信道中傳輸，要根據(jù)各個(gè)ONU的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量和傳輸量的要求調(diào)度網(wǎng)絡(luò)有限的帶寬，動(dòng)態(tài)分配各個(gè)ONU的帶寬。MAC層需要完成用戶數(shù)據(jù)調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)、帶寬申請(qǐng)和授權(quán)、ONU發(fā)現(xiàn)、功率控制、測(cè)距及鏈路維護(hù)等功能。

為了避免在OFDMA-PON的上行鏈路中ONU上行數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生沖突，OLT給每個(gè)ONU指定上行傳輸使用的時(shí)隙和子載波來(lái)有效調(diào)度ONU上行數(shù)據(jù)的傳輸。PON是一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常采用多點(diǎn)控制協(xié)議（Multi-Point Control Protocol，MPCP）作為核心的控制協(xié)議。MPCP具有成本低、傳輸效率高、控制簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)勢(shì)。OFDMA-PON也采用MPCP作為鏈路層的控制協(xié)議，但是需要將基于EPON的MPCP協(xié)議進(jìn)行修改。在普通工作模式下，MPCP使用報(bào)告幀（REPORT）和授權(quán)幀（GATE）完成帶寬申請(qǐng)、帶寬授權(quán)、動(dòng)態(tài)帶寬分配、動(dòng)態(tài)功率控制等過(guò)程。

DBA的運(yùn)算過(guò)程在OLT中完成。首先，ONU向OLT發(fā)送REPORT幀，報(bào)告對(duì)不同級(jí)別業(yè)務(wù)的帶寬需求，請(qǐng)求分配帶寬。然后，OLT在獲取了各個(gè)ONU的請(qǐng)求后運(yùn)行DBA算法。最后，OLT給所有ONU發(fā)送GATE幀，把DBA運(yùn)算的結(jié)果廣播給所有ONU。ONU接收到GATE幀以后，在OLT為其指定的傳輸位置上進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)的傳輸。

本文中采用的OFDMA-PON MAC層控制協(xié)議，每隔一個(gè)固定的周期進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)帶寬分配過(guò)程，這樣可以降低進(jìn)行帶寬分配的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化MAC協(xié)議。本文中的輪詢周期設(shè)置為Tcycle=2ms，表示每隔2ms進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)帶寬分配過(guò)程。

目前已有的OFDMA-PON的MAC層帶寬分配方式采用矩形窗的分配形式，雖然可以簡(jiǎn)化協(xié)議的設(shè)計(jì)，但是會(huì)造成矩形間帶寬的浪費(fèi)，減少部分的帶寬利用率。本文提出的OFDMA-PON的MAC協(xié)議采用一種非矩形窗的DBA分配方式（如圖2所示），專門使用幾個(gè)子載波作為控制信道，控制幀都在控制信道中進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)子載波的每個(gè)輪詢周期被等分成了20份，我們將每一份作為帶寬分配的最小單元，這樣可以保證良好的帶寬分配粒度。每個(gè)ONU分配得到一段連續(xù)的單元，這樣可以簡(jiǎn)化GATE幀的結(jié)構(gòu)，只需要傳遞第一個(gè)和最后一個(gè)單元的位置即可。

圖2　帶寬分配方案

圖3是OFDMA-PON系統(tǒng)進(jìn)行DBA的傳輸控制圖。ONU在控制信道中發(fā)送請(qǐng)求給OLT，報(bào)告?zhèn)鬏敳煌?jí)別業(yè)務(wù)需要的帶寬，請(qǐng)求分配相應(yīng)的帶寬。OLT收集到各個(gè)ONU的請(qǐng)求后，按照DBA算法進(jìn)行分配，接著通過(guò)GATE幀指定下一個(gè)周期各個(gè)ONU發(fā)送數(shù)據(jù)的載波和時(shí)隙，下一個(gè)周期各個(gè)ONU按照OLT指定的結(jié)果發(fā)送業(yè)務(wù)。

OFDMA-PON的帶寬申請(qǐng)和授權(quán)過(guò)程，主要通過(guò)MAC控制幀來(lái)進(jìn)行控制。OFDMA-PON的MPCP協(xié)議控制幀格式只需要在EPON的控制幀的基礎(chǔ)上做一些修改。

圖3　OFDMA-PON傳輸控制示意圖

3　動(dòng)態(tài)帶寬分配算法

在本文中，我們將業(yè)務(wù)按照從高到低的順序依次分為三個(gè)等級(jí)：加速轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)（Expedited Forwarding, EF）、保證轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)（Assured Forwarding,AF）和盡力轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)（Best Effort,BE）。

OFDMA-PON進(jìn)行帶寬分配的過(guò)程如圖3所示，各個(gè)ONU將不同等級(jí)業(yè)務(wù)的隊(duì)列長(zhǎng)度上報(bào)給OLT，OLT收集到各個(gè)ONU的隊(duì)列信息以后，經(jīng)過(guò)DBA運(yùn)算，廣播給各個(gè)ONU，告知下一個(gè)周期，ONU進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)隙和子載波。ONU開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)和上報(bào)隊(duì)列信息之間存在時(shí)間差，我們稱之為授權(quán)時(shí)間差TD。在授權(quán)時(shí)間差TD內(nèi)有很多業(yè)務(wù)流量到達(dá)，然而報(bào)告幀僅報(bào)告TD時(shí)間前的業(yè)務(wù)隊(duì)列信息。請(qǐng)求幀不能實(shí)時(shí)反映下一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)候各個(gè)ONU的不同業(yè)務(wù)的隊(duì)列信息，在授權(quán)時(shí)間差內(nèi)到達(dá)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要等待至少一個(gè)周期才能被發(fā)送，這會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。本文提出的DBA算法在進(jìn)行DBA運(yùn)算前，進(jìn)行預(yù)測(cè)各個(gè)ONU在一個(gè)授權(quán)時(shí)間TD內(nèi)即將到達(dá)的業(yè)務(wù)流量，從而減少業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)延。

假設(shè)由一個(gè)OLT和N個(gè)ONU組成的OFDMAPON系統(tǒng)中，上行業(yè)務(wù)信道帶寬為 BU，輪詢周期為Tcycle，那么一個(gè)輪詢周期內(nèi)能夠傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)帶寬總量為Btotal=BU×Tcycle。設(shè)ONUi在第k-1個(gè)周期請(qǐng)求的EF、 AF和BE業(yè)務(wù)的帶寬分別為和，在第k-1個(gè)周期中到達(dá)的EF、AF和BE業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量分別為。為了實(shí)時(shí)反映下一個(gè)周期開(kāi)始時(shí)候各個(gè)ONU需要發(fā)送的業(yè)務(wù)量，我們需要對(duì)在授權(quán)時(shí)間差TD內(nèi)到達(dá)的EF、AF和BE的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)。經(jīng)過(guò)對(duì)授權(quán)時(shí)間內(nèi)的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)之后，ONUi在第k-1個(gè)周期請(qǐng)求的EF、AF和BE業(yè)務(wù)的傳輸量分別為。對(duì)進(jìn)行預(yù)測(cè)的計(jì)算式為：

其中，v1、v2和v3是加權(quán)系數(shù)，本文中采用v1=0.7、v2= 0.2和v3=0.1。

OLT在進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配時(shí)，根據(jù)預(yù)測(cè)后ONUi在第k-1個(gè)周期請(qǐng)求的EF、AF和BE業(yè)務(wù)的帶寬，來(lái)計(jì)算ONUi在第k個(gè)周期授權(quán)得到的EF、AF、BE業(yè)務(wù)的帶寬。

系統(tǒng)首先對(duì)需要帶寬保證的EF業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬分配。為滿足最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的需求，在本文的DBA算法中，對(duì)EF業(yè)務(wù)的帶寬請(qǐng)求完全滿足，即。

式 （2）中，w1、w2是針對(duì)AF、BE業(yè)務(wù)的加權(quán)值來(lái)確保AF、BE業(yè)務(wù)之間的相對(duì)公平。

4　DBA算法仿真

我們使用OPNET對(duì)OFDMA-PON上行傳輸系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)提出的授權(quán)時(shí)間內(nèi)的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)的DBA算法進(jìn)行仿真。仿真模型采用包含10個(gè)ONU的OFDMA-PON系統(tǒng)，系統(tǒng)的上行帶寬設(shè)為BU=10Gb/s，輪詢周期設(shè)為Tcycle=2ms，授權(quán)時(shí)間差為TD=0.3ms。仿真中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的到達(dá)滿足帕累托分布，ONU端EF、AF和BE隊(duì)列的最大長(zhǎng)度設(shè)為10Mb，每個(gè)ONU端EF、AF和BE業(yè)務(wù)到達(dá)的比例設(shè)為1∶2∶2。仿真中設(shè)置了不同大小的數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔的平均值來(lái)模擬不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

本文中DBA算法的參數(shù)設(shè)置為v1=0.7，v2=0.2，v3= 0.1，w1=7，w2=3。仿真主要得到在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下系統(tǒng)包時(shí)延方面的性能。為了進(jìn)行比較，我們?cè)诜抡嬷幸肓撕愣ū忍芈仕惴?（Constant bit rate，CBR）[12]。CBR算法優(yōu)先保證優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，采用嚴(yán)格的優(yōu)先順序進(jìn)行ONU間和ONU內(nèi)分配。我們?cè)诓煌W(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，對(duì)提出的DBA算法的平均包延時(shí)性能進(jìn)行仿真，如圖4所示。本文所提出的算法和CBR算法均優(yōu)先保證EF業(yè)務(wù)的傳輸，故EF業(yè)務(wù)的包延時(shí)都可以保持在較低的水平，保證EF業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于0.7的時(shí)候，本文提出的算法的AF和BE平均包延時(shí)小于CBR算法，因?yàn)楸疚奶岢龅乃惴▽?duì)在授權(quán)時(shí)間內(nèi)到達(dá)的業(yè)務(wù)流量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，有效提高了當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)系統(tǒng)業(yè)務(wù)包時(shí)延方面的性能。

圖4　平均包延時(shí)性能曲線

5　結(jié)束語(yǔ)

本文研究了適用于OFDMA-PON的媒質(zhì)接入控制協(xié)議以及動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，提出了一種對(duì)授權(quán)時(shí)間內(nèi)的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法。本算法可以更加實(shí)時(shí)地反映各個(gè)ONU對(duì)不同業(yè)務(wù)的帶寬需求，提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。通過(guò)仿真對(duì)比，新提出的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)可以減小AF和BE業(yè)務(wù)的延時(shí)，提升系統(tǒng)性能。

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Dynamic bandwidth allocation algorithm based on traffic prediction for OFDMA-PON

KUANG Bin,LIU Ren-rong,WU Ya-ting,YANG Shao-lin
(School of Communication and Information Engineering,Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks of Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Media access control protocol for OFDMA-PON is discussed in this paper.A media access control protocol that suitable for OFDMA-PON is proposed and dynamic allocation algorithm is proposed based on traffic prediction.Through traffic prediction within the authorized time,it can reflect more real-time bandwidth requirements of each ONU.Simulation results show that the proposed dynamic bandwidth algorithm can improve the performance of time delay for OFDMA-PON on the high network load.

media access control,dynamic bandwidth allocation algorithm,OFDMA-PON

TN929.11

A

1002-5561（2016）05-0011-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.004

2016-01-04。

國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：61132004,61420106011, 61401266,61571282）資助；上海市科委項(xiàng)目 （批準(zhǔn)號(hào)：13JC1402600, 14511100100,15511105400,15530500600）資助；上海市教委與上海市教育發(fā)展基金會(huì)“晨光計(jì)劃”（批準(zhǔn)號(hào)：14ZZ096）資助。

鄺斌（1993-），男，碩士研究生，主要從事光接入網(wǎng)OFDMAPON的研究。