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[2009-9-4]
 

1引言

  EPON(EthernetPassiveOpticalNetwork)综合了低成本的以太网技术和低费用的光纤基础设施,被认为是下一代接入网技术的首选[1]。EPON由OLT(OpticalLine Terminator)、ONU(Optical Network Unit)和POS(Passive Optical Splitter)三部分组成,OLT通过POS与多个ONU相联。EPON上行链路(从ONU到OLT)是多点到点结构,多个ONU共用一个信道,主要采用TDMA数据传输方式,利用Gate和Report机制实现动态带宽分配,在OLT中控制各个ONU的上行数据传输。

  经典的EPON动态带宽分配算法是IPACT[2]算法,此后也陆续提出了一些其它的算法.比如支持服务等级协议(SLA)的固定比特速率CBR[3]算法:能根据SLA提供给高级用户保证带宽而对其它用户提供相应服务的BGP[4]算法。这些算法都存在着一些问题,如轻负荷恶化问题,实时业务的OoS保证问题,公平性问题,带宽利用率问题等等;文献[5,6,7]中提到的算法由于idletime问题的存在影响了EPON系统上行链路带宽利用率。本文提出一种减小idletime以提高带宽利用率的动态带宽分配算法,并构建了基于OPNET的系统仿真模型,利用此模型对该算法进行仿真试验。仿真结果表明算法具有高带宽利用率,低EF等级时延抖动。

  2一种改进的动态带宽分配方案

  EPON系统一般采用固定的轮询周期,将各0NU端的业务划分为三个等级:EF、AF和BE[8]。EF对应语音业务,是固定比特速率的数据流,必须保证有较小的时延和时延抖动;AF对应视频业务,是可变比特速率的数据流,需要一定带宽保证;BE对应数据传输业务对时延和抖动没有要求,需要提供尽力而为的服务。

  为保证各类业务的OoS,DBA1算法为每个0NU的EF类业务固定分配带宽,而其它两种业务可根据带宽利用情况采取按需分配或按比例分配。带宽分配过程可分为两部分,首先是OLT给每个ONU分配带宽;其次是各ONU将得到的带宽分配给各个优先级队列。

  为有效解决ONU之间的公平性问题,可以采取为每个ONU设定最大授权窗口的方法,当某ONU的请求超过最大窗口时,以最大窗口授权。每个ONU的最大授权带宽为:其中Tcycle为固定的授权周期,N为ONU的个数,G为ONU上行数据间的保护时隙,R为EPON上行链路速率,Wi为各ONU的SIA因子,

  令Ri为各ONU的请求带宽大小,Gi为各ONU的授权带宽大小。低负载ONURiM表示低负载ONU。则低负载ONU的授权带宽为Gi=Ri,而高负载ONU的授权带宽为:其中J为高负载ONU[9]。

  当OLT给ONU分配了一定带宽后,ONU需要把这些带宽再分配给各个优先级队列。各ONU的总请求Ri=Hi+Mi+Li,其中Hi、Mi、Li分别为EF、AF、BE业务请求带宽大小。其中分别为EF、AF、BE业务的带宽授权大小。为了避免剩余带宽被AF业务完全耗尽,本文采取了按需分配的原则,各ONU的AF、BE业务分配带宽分别为:DBA1算法保证了EPON系统各类业务的QoS,满足了不同业务的不同要求,同时保证带宽的公平分配。但在DBA1算法中,从OLT接收完所有ONU的Report帧,到下一个周期的第一个ONU接收到Gate帧这段时间。上行信道没有充分利用,将产生idletime,原理如图1所示。

  idletime由动态带宽分配(DBA)时问和往返时延(RTT)组成。如果使用高速的CPU,DBA时间是可以忽略的。在EPON系统中,当OLT与ONU相距20km时,RTT可达200μs,这通常占轮询周期的10%,极大地降低了EPON系统上行链路的带宽利用率。

  对于EF业务,它传送的是固定比特速率的数据流,由于它的确定性,不需要对EF业务进行Report信息的传送,也不需要对EF类业务进行动态带宽分配。因此可在idletime时间内传送各个ONU下一周期的EF业务,进而提高上行链路的带宽利用率,并且由于对EF业务进行集中发送,也降低了EF等级业务时时延抖动。本义将减小了idletime后的改进的算法称为DBA2算法。

  3基于OPNET的EPON仿真模型及仿真结果

  3.1基于OPNET的EPON仿真模型

  利用OPNET所提供的建模机制,为DBA2算法建立仿真模型。网络仿真模型由一个OLT以及16个ONU组成。ONU主处理器结点进程模型如图2所示,OLT主处理器结点进程模型如图3所示。

  图2中各个状态的意义如下:init状态进行初始化处理;idle为等待状态;arrival状态接收数据包,并进行优先级标识;ef_on、af_on、be_on状态处理相应收到的Grant信息并发送Request信息;ef、af、be状态分别向OLT发送数据包。图3中各个状态的意义如下:arrival状态对接收的数据包进行数据统计,并释放掉其占用的资源;req0~reql5状态为OLT接收request信息并完成对各ONU的时隙分配调度。

  EPON网络仿真中的主要仿真参数设置如下:上行数据帧长为2ms;各ONU的最大传输窗口为15000bytes;上行数据间保护时隙为5μs;RTT为100μs;ONU中EF、AF、BE的缓存器容量分别为3M、3M、4M。EF源设置:包长固定为70bytes,服从泊松分布,上行速率为4.48Mb/s。AF和BE源设置:包长服从64~1518bytes的均匀分布,on状态服从pareto(1,1.4),off状态服从pareto(0.01,1.2):用户到ONU数据链路传输速率为0~100Mb/s:OLT到ONU数据链路传输速率为0~1000Mb/s。

  3.2仿真结果及分析

  图4为DBA1算法与DBA2算法在EPON系统上行链路中带宽利用率随网络负载变化的对比曲线。可以看出,DBA2算法由于减小了idletime,在网络负载高于0.5时,其带宽利用率明显优于DBA1算法。

  图5为平均包延时对比曲线图,从图中可以看出,DBA1算法EF等级业务的平均包时延随着网络负载的增加而增加.在网络负载高于0.5以后趋于平稳,显然,由于EF等级业务的集中发送,DBA2算法减小了EF等级业务的时延抖动,显示新算法具有较好的时延特性。

  4结束语

  解决接入网瓶颈问题的最佳解决方案,动态分配算法就显得尤其重要。文中提出了一种改进型的动态带宽分配算法,有效地保证整个EPON网络的QoS以及带宽分配公平性,能较好地满足目前网络多业务、多优先级的要求。并利用OPNET构建了EPON系统上行信道的仿真模型,仿真结果表明,改进算法有效提高了上行信道的带宽利用率,同时减小了EF等级业务的时延抖动,具有较好的时延特性。为制定多业务QoS的EPON上行接人带宽分配标准提供参考。


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