10G-EPON系统中的低时隙损耗动态带宽分配算法

高凡，李海兵（桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西桂林541004）

10G-EPON系统中的低时隙损耗动态带宽分配算法

高凡，李海兵
（桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西桂林541004）

摘要：为了满足用户日益增长的带宽需求，在已有算法的基础上，提出了一种严格按照带宽调度进行带宽分配的动态带宽分配算法。介绍了算法的思想和实现过程，采用OPNET Model er仿真软件对算法进行仿真，并分析了仿真结果。

关键词：动态带宽分配；时隙损耗；带宽利用率

0　引言

10G-EPON被认为是最有前途的下一代接入网技术，一直是各设备供应商和专家学者研究的热点。10G-EPON系统具有点对多点的网络拓扑结构，为避免不同数据发生冲突，上行链路通信系统通常采用时分复用的接入方式。因此，上行链路的动态带宽分配(Dynamic Bandwidth Allocation，DBA)算法决定了10G-EPON系统的性能[1～4]。

现有的动态带宽分配算法不能较好地解决10GEPON系统中光网络单元（ONU）间存在的公平性问题，导致系统时隙损耗较高。为解决该问题，提高系统性能，本文在现有算法[5]的基础上，提出一种新型的面向业务的动态带宽分配算法。

1　算法描述

1.1算法思想

本文提出的动态带宽分配算法延续了现有算法中AF业务、BE业务比特率的不确定性和EF业务比特率的恒定性，将上行链路通信周期分成两个子周期，分别为EF子周期和AF/BE子周期。当EF业务传输时间大于闲置时间时，系统闲置时间的时隙损耗将不存在。为了减小EF业务的时延抖动和平均数据包时延，将本周期对EF业务的授权提前到上一周期，并实行严格带宽调度分配算法。

本文以3个ONU的算法为例进行说明，其授权与发送顺序的示意图如图1所示。在第k-1周期开始时刻，ONU2接收到OLT发送的授权帧G2后，开始发送与授权发送长度一致的EF业务，其中G2包括了第k-l周期3种业务（EF、AF和BE业务）的发送起始时间和发送长度。在第k-2周期中，因为ONU1比ONU3先产生EF业务，所以OLT先向ONUl发送授权帧G1，ONUl接收到G1后向OTL发送EF业务；再向ONU3发送授权帧G3，ONU3接收到G3后向OLT发送EF业务。由于ONU2先产生EF业务，根据EF业务“先产生，先授权”的原则，当ONU3发送完EF业务后，ONU2发送其缓存器中的AF和BE业务，并在这两类业务的传输窗口耗尽后，向OLT发送REPORT信息R2。待ONU2缓存器中的业务和R2传送完成后，与ONU2发送步骤相同，ONU1和ONU3依次完成信息R1和R3的传送。当R3到达OLT时，表明所有ONU都完成了业务传送。本算法在AF/BE子周期对AF、BE业务分配带宽时，优先给AF业务分配带宽，若有剩余，再把剩余带宽分配给BE业务。以上过程按照严格带宽调度算法进行带宽分配，减小了未利用的时隙碎片损耗，提高了上行带宽利用率，使系统能更好地保证EF业务和AF业务的服务质量（QoS）。

图1授权与发送顺序

1.2算法实现

系统可用带宽表示为：

其中，R为链路速率，Tloss为时隙损耗。我们为每个ONU设定最小传输窗口：Bm

iin=Bavall×Wi，Wi表示ONUi的服务等级协议因子

ONUi中AF业务的请求带宽为，BE业务的请求带宽为，分配给ONUi中EF业务、AF业务、BE业务的带宽分别是，和,其中是固定值。

其中，M为所有轻负载ONU的集合。所有重负载ONU的不足带宽为：

其中，K为所有重负载ONU的集合。

重负载ONU的AF业务和BE业务的总授权带宽为：

2　仿真结果与性能分析

我们采用OPNET Modeler仿真软件对本算法实现的系统性能进行分析。仿真参数取值如下：ONU的总个数为32，各ONU到OLT的传输距离为10km时，时延为50μs,两个相邻时隙的保护带宽为2μs,轮询周期为1ms，ONU的负载率为0.1（各个ONU的发射速率为31.25Mb/s）。仿真结果如图2所示。

仿真结果表明，EF业务的平均数据包时延比较小，这是因为本算法对提前授权的EF业务按照“先产生，先授权”的思想进行时隙分配，使EF业务的等待发送时间和平均数据包时延变短。本算法在优先满足AF业务传送需求的基础上，对AF和BE业务采用严格带宽调度算法分配带宽，减小了未利用的时隙碎片损耗，进一步降低了AF业务的平均数据包时延。因为BE业务的优先级比AF业务小，所以BE业务的平均数据包时延比AF业务大。由于BE业务对时延的要求不是很高，因此，其时延增长对系统性能的影响不大。

图2　EF、AF和BE业务平均数据包时延随ONU的负载率变化

3　结束语

上行动态带宽分配技术是10G-EPON系统中关键技术之一，本文提出的动态带宽分配算法能灵活地分配最小传输窗口，支持EF业务先进先出，使EF业务的时延变短，保证了高优先级业务的QoS传输要求[6]。本文对AF、BE业务实行严格带宽调度，避免了周期之间的空闲时间，不仅降低了系统未利用的时隙碎片损耗，而且还提高了最大可用带宽，保证了整个10G-EPON网络的传输质量。本算法在一定程度上增加了算法的复杂度，在今后的研究中将进一步完善。

参考文献：

[1]李丹.一种保证QoS的10G-EPON动态带宽分配算法[J].通信技术, 2012,45(4):10-12.

[2]张小敏,李维民. EPON和GPON的几种动态带宽分配算法的比较[J].通信技术,2009,42(11):127-129.

[3]陈赓,夏玮玮,沈连丰.基于传输速率自适应的动态带宽分配算法[J].通信学报,2014(5):25-32.

[4] CHEN C, CHAIR Z, VELMURUGAN B. 10G EPON:Next Generation Ethernet Passive Optical Networks [C]//Optical Fiber Commun. Conf., San Diego, Mar 23-26, 2009.San Diego:IEEE,2009.

[5]冯江波. WEPON系统动态带宽分配算法的研究和仿真[D].武汉:华中科技大学,2011．

[6]董宝贵. 10GEPON动态带宽分配算法的实现与验证[D].成都:电子科技大学,2010．

Dynamic bandwidth allocation with low loss of time slot for 10G-EPON system

GAOFan,LIHai-bing
(College of Electronic Information and Automation,Guilin University of Aerospace Technology, Guilin Guangxi 541004,China)

Abstract:In order to meet users' ever-increasing demand for bandwidth, the paper presents an improved dynamic bandwidth allocation algorithm which uses the strict bandwidth scheduling to allocate bandwidths based on the existing algorithm. It introduces the ideas and the realization process of the algorithm, simulates the algorithm by using the simulation software OPNET Modeler and analyzes the simulation results.

Key words:dynamic bandwidth allocation, loss of time slot, bandwidth utilization

中图分类号：TN915.63

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0047-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.015

收稿日期：2015-10-26。

基金项目：国家自然科学基金项目（批准号：11301106）资助；广西教育厅项目（批准号：YB2014434）资助。

作者简介：高凡（1979-），女，硕士，主要研究方向为光接入网技术。