基于物理帧结构特性的OFDMA-PON的MAC层机制

刘亚帆，邹垚昭，王 旺，施 燕，顿 涵，薛子威，汪 敏（上海大学 通信与信息工程学院，上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海200072）



基于物理帧结构特性的OFDMA-PON的MAC层机制

刘亚帆，邹垚昭，王 旺，施 燕，顿 涵，薛子威，汪 敏
（上海大学 通信与信息工程学院，上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海200072）

摘要：通过分析O FD M A-PO N物理帧特性，提出了一个新的M A C层机制，包括物理层映射方案、子载波分配算法和轮询调度算法三个内容。并通过系统仿真验证了这一M A C层机制对于提升系统吞吐量的明显作用。

关键词：O FD M A-PO N；D SA；物理映射

0　引言

随着高清电视、高清视频会议和对等网络等高带宽需求业务的不断发展，用户对无源光网络（PON）的带宽需求大幅增长［1］。基于正交频分复用多址技术的OFDMA-PON凭借其频谱效率高和带宽调度灵活等优点已经成为了下一代PON的最优候选方案之一［2］。高效的MAC层机制可以有效提升OFDMA-PON系统的吞吐量，并保证整个网络的服务质量（QoS）［3］。因此，OFDMA-PON的MAC层机制研究是非常重要的。美国NEC实验室的J.Zhang等人结合TDMA和FDMA两种MAC层机制提出了可以消除ONU同步需求的新的MAC层映射方式与控制方法［4］。为了更加灵活地进行带宽分配，雅典信息技术中心的K.Kanonakis等人基于物理层的自适应比特加载机制提出了一种跨层优化算法［5］。然而，在过去的研究中很少考虑到物理帧结构对于数据映射所带来的影响，以及在这个影响下产生的带宽浪费［6］。本文基于OFDMA-PON的物理帧结构特点，提出了一种能带来高带宽利用率的MAC层机制。这一机制包含了物理层映射方案、子载波分配算法和轮询调度算法三种内容。

1　OFDMA-PON系统结构与物理帧结构

OFDMA-PON的点到多点拓扑结构系统［7］由一个OLT和多个ONU组成，下行传输（DS）方向为OLT至ONU，上行传输方向（US）为多个ONU至OLT。OLT位于中心办公室（CO），它可以对网络的上下行资源进行调度。在下行传输方向，OLT可以直接控制下行信息在物理帧中的加载位置。在上行传输方向，OLT则需要收集各个ONU的带宽需求，并通过合理的带宽分配算法来对上行传输进行控制。此外，由于在上行传输过程中多个ONU会同时向OLT传输数据并占据信道中的不同位置，所以上行传输控制过程相对复杂很多，而这一过程即是本文的研究重点。

OFDMA-PON的上行数据需要加载在物理帧中进行传输，物理帧结构如图1所示，系统数据可以加载于载波与符号交织成的资源块中。在加载数据的过程中，激光器切换所产生的噪声会造成误码，并且由于时间同步的不完全精确，所以在数据流中需要插入一些保护空隙。如图1所示，两个周期之间必须插入一个周期间空隙（ICG），同一周期的两个物理帧之间若产生激光器的切换则需插入一个帧间空隙（IFG）。OFDMA-PON物理帧的特性也决定了数据映射过程中的一些限制：首先，固定的帧结构可以保证物理层拥有稳定的数据时延和开销。在带宽调度过程中，一帧的容量就是最小的调度粒度；其次，在一个物理帧中，同一子载波不能被两个以上的ONU占用，因为这种情况需要插入保护空隙。在过去的相关研究中，这两个重要的限制很少被考虑到，因此会不可避免地造成一定的数据碰撞和带宽浪费。

ONU信息在进行物理层映射之前需要先由DBA算法进行裁决，以保证系统服务质量。本文结合之前提出的基于ONU报告的动态带宽分配算法 （ORBDBA）［8］，设计了一套全新的MAC层机制来达到更高的系统吞吐量。

图1　OFDMA-PON的物理帧结构

2　基于帧结构特性的MAC层机制

2.1物理层映射方案

基于前面所提到的OFDMA-PON物理帧特点，本文提出一种周期性FDMA映射方案。如图2（a）所示，在每一个周期内各个有数据需要传输的ONU可以固定占用不同的子载波，而在不同周期内子载波的占用方式互不相关。在这种映射方案中，周期是根据当时需要上传的总数据量的不同而弹性变化的。此方案的优点如下：①在同一周期内保证了各个ONU之间的公平性，ONU传输的数据可以同步被OLT接收；②同一周期内固定的子载波分配策略不仅降低了MAC层控制帧的复杂度，同时也降低了OLT端接收机的复杂度，使其在同一周期内不必改变映射策略；③由于在同一周期的不同物理帧之间没有产生激光器的切换，从而消除了IFG所引起的带宽浪费。

为了进一步加快OFDMA-PON的商用化进程，控制帧的复杂度就需要进一步简化，即尽可能地减少子载波分组。根据OFDMA-PON中子载波的比特加载的梯形分布特点，在子载波分配过程中，同样调制格式的子载波中会分配一组连续的子载波给某一ONU，即如图2（a）所示。这一方法带来的子载波分组的减少可以有效简化控制帧的复杂度。

由于此映射方案中，多个ONU会同时传输数据，那么多个激光器会产生一定的杂散辐射。当同时打开的激光器过多时，这种杂散辐射所引起的较大误码率会导致整个系统的服务质量下降。所以，这里需要设定一个ONU数量阈值。图2（b）演示了一个简单的例子：设阈值为3，当有5个ONU需要传输数据时，将2 个ONU在子周期1中传输数据，其它3个分在子周期2。这里ONU传输的先后顺序可以根据其等级高低来决定。

2.2子载波分配算法

由于不同调制格式的子载波拥有不同的容量，所以不同的子载波分配方案可能会带来不同程度的带宽浪费。所以在考虑子载波粒度和帧容量粒度的情况下，如何在最短时间内传输完所有ONU要传输的数据成为一个必须解决的问题。下面提出一种保证最小带宽浪费的动态载波分配算法（MBW-DSA），这一算法基于自适应周期算法，并且在某一周期或子周期内都是适用的。

一个包含N个子载波和K个ONU的OFDMAPON系统，规定在同一周期中子载波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是模数数模转换器的采样速率，m是正交幅度调制的符号种数。由式（1）可以得到整个上行信道的总容量。经过ORB-DBA裁决后的授权给ONUk的带宽为Gk，那么下一周期内总的授权带宽为ONUk在经过子载波分配后的上行接口总容量如式（2）所示。

ck，n指示了子载波的分配结果，如ck，n=1表示sn被分配给了ONUk。式（3）保证了ck，n的取值只能是0和1，式（4）保证了在一个周期或一个子周期内某一子载波只能被单个ONU所占据。在充分考虑物理帧粒度（Tf是一个物理帧的时间长度）情况下，子载波分配完成后的最小周期Tc可以用式（5）表示。完全忽略载波分配粒度和物理帧粒度的理想周期时长为Tideal=G C。

图2　提出的物理层映射方案

从图2（c）中可以看出Tc往往大于Tideal，甚至在某些极端的子载波分配结果下，Tc会远大于Tideal。为了保证最小的带宽浪费，最终的优化目标可以用min（CTc-CTideal）来表示。这是一个非线性整数规划问题，相关求解方法已有很多相关研究，本文使用LINGO联合MATLAB对MBW-DSA算法进行求解与仿真。

2.3轮询调度算法

在TDMA-PON系统中，ONU的报告信息的时间顺序传输无法满足所有ONU的全局公平性。在OFDMA-PON中，这一问题可以通过分配几个专用子载波作为控制信道的方法来解决［4］。所以为了能够在高网络负载情况下充分提升系统的吞吐量（缩短周期间空隙），并同时保证系统的全局公平性，本文提出了如图3所示的轮询调度算法。为了在调度过程中充分发挥弹性周期的作用，本文将最大周期Tmax设为2ms，最小周期Tmin设置如下：

Tmin=maxrttk+Td-TICG（6）

rttk（k=1，2，…）表示ONUk与OLT之间的循环时间，Td表示OLT对报告信息的处理时间，TICG表示设定的周期间空隙的时长。得益于专用的控制信道，ONU的报告信息可以同时到达OLT，到达的时间点tr=ts+Tc-Tmin，ts表示周期开始的时间点。以上参数设置能够保证OLT收集到各个ONU的最新状态信息，并且可以同时对这些信息通过ORB-DBA算法进行处理以保证全局公平。除此之外，相邻周期之间始终间隔一个固定的ICG，这既有利于系统定时也提高了系统的带宽利用率。

图3　提出的轮询调度算法

3　仿真结果

在网络吞吐量仿真实验中设置了1024个子载波与32个ONU，所有子载波分成四种调制格式，整个系统的上行容量为15Gb/s。同时，设定以下参数：TIFG= 1.7μs，TICG=3μs，Tf=8μs，Tmax=2ms，x=4GS/s，可同时开启的激光器的阈值设为16。系统数据流服从泊松分布，并且在仿真过程中只考虑数据子载波。图4展示了在不同网络负载下本文提出的方案与NEC方案、TDM方案在系统吞吐量方面的对比。TDM方案可以直接将上层数据流加载于某一时间窗的全部子载波上，这是一种简单易行的方案。由于在同一物理帧中不同ONU不可进行时分复用，所以会在ONU加载的最后一帧产生一些带宽资源浪费。而且由于激光器的切换与定时问题，在传输过程中需要加入一些IFG来保证传输质量。NEC方案在ONU加载的最后一帧中运用了频分复用，增加了映射复杂度但减少了带宽资源的浪费。所以从仿真结果可以看出，当系统负载小于0.9时，这三种方案均有理想表现。但当系统负载大于0.9时，TDM方案的表现最差，而依然受到IFG影响的NEC方案在系统负载达到 1.15时吞吐量达到了14.54Gb/s。本文提出的方案虽然一定程度增加了映射复杂度，但是保证了在单个周期内映射策略的不变性，最重要的是消除了在其它两个方案中出现的带宽浪费问题。同时，在MBW-DSA算法和轮询调度算法的支撑下，达到了最小的带宽浪费。从仿真结果可以看出，本文提出的MAC层机制在高负载情况下仍有令人满意的表现。

图4　网络吞吐量对比

图5　周期平均开销对比

图5展示了ONU数量的增加对平均周期开销所造成的影响。从仿真结果可以看出，得益于新的映射方案和MBW-DSA算法，本文提出的MAC层机制在ONU数小于64时表现理想。ONU数继续增大时，由于子载波容量粒度的影响，MBW-DSA算法无法保证得到最佳的结果。但是，即使在ONU数达到512个时，本文提出的方案仍明显好于NEC方案和TDM方案。TDM方案由于物理帧带宽资源的浪费，其表现劣于NEC方案。当ONU数达到256时，由于Tf和Tmax的影响，NEC方案和TDM方案的周期平均开销趋于稳定。

4　结束语

本文提出了一种新的基于OFDMA-PON物理帧结构的MAC层机制，其中包含了物理映射方案、子载波分配算法与轮询调度算法三块内容。从仿真结果可以看出，这一新机制有效提升了OFDMA-PON系统的吞吐量，减少了传输周期的平均开销。

参考文献：

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［2］EFFENBERGER F J，MUKAI H，PARK S，et al.Next-generation PON-part II：Candidate systems for next-generation PON［J］.Communications Magazine，IEEE，2009，47（11）：50-57.

［3］LIM W，KOURTESSIS P，MILOSAVLJEVIC M，et al.Dynamic Subcarrier Allocation for 100 Gbps，40km OFDMA-PONs With SLA and CoS ［J］.Journal of Lightwave Technology，2013，31（7）：1055-1062.

［4］ZHANG J，WANG T，ANSARI N.An efficient MAC protocol for asynchronous ONUs in OFDMA PONs［C］//National Fiber Optic Engineers Conference（NFOEC），March 6-10，2011，California United States：OSA，2011：JWA071.

［5］KANONAKIS K，GIACOUMIDIS E，TOMKOS I.Physical-layer-aware MAC schemes for dynamic subcarrier assignment in OFDMA-PON networks［J］.Journal of Lightwave Technology，2012，30（12）：1915-1923.

［6］克雷默.基于以太网的无源光网络［M］.北京：北京邮电大学出版社，2007.

［7］原荣.光正交频分复用（OFDM）光纤通信系统综述［J］.光通信技术，2011，35（8）：29-33.

［8］LIU Y，QIAN C，CAO B，et al.An ONUs Requesting based Full-Range Dynamic Bandwidth Allocation for OFDMA-PON With SLA and CoS［C］//Asia Communications and Photonics Conference（ACP），November 19-23，2015，Hong Kong，China：OSA，2015：AM1F.8.

中图分类号：TN915.62

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0017-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.005

收稿日期：2016-02-05。

基金项目：国家自然科学基金 （61420106011、61132004、61275073）资助；上海市科学发展基金（13JC1402600、14511100100、15511105400、15530500600）资助。

作者简介：刘亚帆（1990-），男，硕士生，主要从事光接入网相关研究。

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