一种新的OFDM-PON子载波分配机制

胡发泽，李汝星，伍仕宝

（上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200072）

光通信系统与网络技术

一种新的OFDM-PON子载波分配机制

胡发泽，李汝星，伍仕宝

（上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200072）

OFDM-PON（正交频分复用无源光网络）技术受到越来越多的关注，而子载波分配是其关键技术之一。文章介绍了两种已有的OFDM-PON子载波分配机制，并在此基础上提出一种新的OFDM-PON上行传输的子载波分配机制，该机制主要分为求余法和凑数法两部分，可以有效地减少用于保护间隔的带宽浪费。仿真结果表明，与已有的子载波分配机制相比，新的子载波分配机制可以获得更高的吞吐量。

正交频分复用无源光网络；子载波分配；吞吐量

0 引 言

近年来，随着高清数字电视、视频会议、物联网和分布式云计算等高带宽业务的发展，用户对接入带宽的需求迅猛增长，发展具有大容量、高速率和多业务的下一代光接入网已势在必行。OFDM-PON（正交频分复用无源光网络）由于其高频谱利用率、强抗色散能力和灵活的带宽调度粒度，已经成为下一代光接入网具有竞争力的方案之一［1-2］。

动态带宽调度在PON中起到了重要的作用［3-5］，目前关于OFDM-PON的带宽调度方案［6-8］很少提及子载波的分配问题［9-10］。大部分方案都将重点放在各ONU（光网络单元）以及不同业务的带宽分配上，但是并没有详细说明如何通过分配子载波和时隙来满足不同ONU上行传输带宽的需求。

本文讨论了基于轮询机制的动态带宽分配方案的结果来合理地分配子载波给不同的ONU，提出了一种新的子载波分配机制。仿真结果和分析表明，新的子载波分配机制可以获得更高的网络吞吐量。

1 子载波分配机制的设计

假设一个OFDM-PON系统由一个OLT（光线路终端）和N个ONU组成，拥有L个子载波。上行传输总速率为R bit/s，所有子载波的调制格式均相同，每个子载波的传输速率均为Rabit/s。基于轮询机制的动态带宽分配算法的轮询周期为Tcycle，不同ONU之间的保护间隔为Tg。下面介绍文献［10］中的两种子载波分配方案并提出一种新的子载波分配方案。

（1）方案1

图1 方案1示意图

每个ONU分配特定的子载波用于控制信息的传输，其余用于数据传输的子载波采用类似于时分复用无源光网络的TDMA（时分多址接入）方式来分配给不用的ONU，如图1所示。由图可知，该方案会浪费大量带宽用于不同ONU之间的保护间隔。这种方案支持统计复用增益，其一个轮询周期内的有效带宽为

（2）方案2

方案2如图2所示。其控制信道与方案1相同，在同一个轮询周期内，每个子载波只分配给一个ONU使用。该方案节约了用于不同ONU之间保护间隔的带宽，但无法保证分配给每个ONU的子载波都能得到充分利用，可能会造成更大的带宽浪费，并且该方案不能实现ONU之间的统计复用。其一个轮询周期内最大有效带宽为B2=Tcycle·R。

图2 方案2示意图

（3）新的子载波分配方案

图3 本文提出的方案示意图

为了减少用于保护间隔的带宽浪费，同时获得统计多路复用增益，本文提出一种新的子载波分配方案，如图3所示。由方案1可知，如果一个子载波在同一个轮询周期内被越多的ONU使用，用于保护间隔的带宽浪费将越多。由方案2可知，必须尽量保证分配给每个ONU的子载波得到充分的利用。因此，新方案的核心思想是在一个轮询周期内每一个子载波尽量被最少数目的ONU所使用，并且尽可能保证每个子载波都得到充分的利用。该方案中，一个轮询周期内的有效带宽为B3=Tcycle· R-M·Tg·Ra，式中，M为一个轮询周期内保护间隔的个数。因此问题转化为如何使得M取值最小，并且尽量保证每个子载波都得到充分的利用。

假设经过基于轮询机制的动态带宽调度算法后，分配给每个ONU的上行传输带宽已确定。引入矩阵，式中，Bi为分配给ONUi（i=1，2，3…N）的上行传输带宽。下面讨论如何通过子载波的分配来实现每个ONU的上行传输带宽的分配。为了记录每条子载波的分配情况，引入矩阵E：

式中，exl（0≤exl≤1）为一个轮询周期内第l个子载波被第x个ONU使用的情况。例如e32=0.5表示在一个轮询周期内，第3个子载波的一半带宽被第2个ONU使用。

新方案包括两个步骤：

步骤一：求余法，即将一部分子载波以OFDMA（正交频分多址接入）的方式分配给不同的ONU，通过求余运算符（%）来实现。首先进行求余运算：然后计算的值，所有过程为式中，Ni表示分配给ONUi（i=1，2，3…N）的子载波数目。分配结果将记录在矩阵E中。

为了记录每个ONU所剩的上行分配带宽，引入矩阵

式中，Bexcess-i表示ONUi除去步骤一分配的带宽后所剩的上行传输带宽，其计算公式为

步骤二：凑数法，即剩余的子载波采用TDMA的方式分配给不同的ONU。首先，将Bexcess-i按升序进行排列，用集合Q1记录的ONU，用集合Q2记录的 ONU。给集合Q1中的每个ONU分配一个子载波，用集合Q3记录那些分配给集合Q1里ONU的子载波。采用凑数法：假设Bsub-j表示集合Q3中的第j个子载波所剩的带宽，从集合Q3中的第1个子载波开始，寻找集合Q2中Bexcess-i最接近Bsub-j的ONU。这里分两种情形：第1种，Bexcess-i比Bsub-j略大；第2种，Bexcess-i比Bsub-j略小且满足对于第1种情形，可以将第j个子载波的剩余带宽分配给ONUi，并调用其他未使用的子载波来满足ONUi的剩余上行带宽，即的差值。对于第2种情形，可以直接将第j个子载波的剩余带宽分配给ONUi，子载波多余带宽（Bsub-j-Bexcess-i）将忽略不计。为了更清楚地描述我们的方案，举例说明如下：假设有6个ONU，先将子载波按照OFDM A的方式分配给不同ONU，用集合Q1记录ONU1、ONU2和ONU3且满足Bexcess-1＞Bexcess-2＞Bexcess-3＞（Ra·Tcycle）/2，用集合Q2记录ONU4、ONU5和ONU6且满足Bexcess-6＜Bexcess-5＜Bexcess-4≤（Ra·Tcycle）/2。将3个子载波sub-1、sub-2 和sub-3分别分配给ONU1、ONU2和ONU3，计算Bsub-1=Ra·Tcycle-Bexcess-1，Bsub-2=Ra·Tcycle-Bexcess-2，Bsub-3=Ra·Tcycle-Bexcess-3。根据前两种情形进行比较，依据比较结果分别将子载波sub-1、sub-2和sub-3的剩余带宽分配给ONU6、ONU5和ONU4，如图3所示。最后，将子载波的分配结果记录在矩阵E中。

2 仿真及结果分析

设OFDM-PON系统由一个OLT和128个ONU组成，所有ONU距离OLT均为20 km。系统上行传输总速率为10 Gbit/s。子载波的数目为2 048，所有子载波的调制格式均相同。每个ONU分配一个专属的子载波用于传输控制信息。轮询周期为2 ms，不同ONU之间的保护间隔为1μs。将所有网络业务分成高优先级（EF业务）、中优先级（AF业务）和低优先级（BE业务）3个等级。具有突发特性的BE和AF业务采用帕累托分布（参数Hurst=8）来产生，包的大小均匀分布于64～1 518 bit之间。高优先级业务EF（包括语音等）通过泊松分布产生业务流，其大小固定为70 bit。3种子载波分配机制的吞吐量性能如图4所示。由图可知，当网络负载＜0.7时，3种机制的吞吐量基本相同；当网络负载＞0.7时，由于方案2没有采用统计多路复用增益，造成带宽浪费，所以吞吐量最小。方案1的吞吐量比本文所提方案小，这是因为本文方案减少了用于保护间隔的带宽浪费。

图4 吞吐量性能仿真曲线

3 结束语

本文提出了一种新的OFDM-PON上行传输子载波分配机制，该分配机制可以将子载波合理地分配给不同的ONU，并且有效地减少了不同ONU之间用于保护间隔的带宽浪费。仿真结果表明，本文所提子载波分配机制可以获得更高的吞吐量。

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［9］ Wei W，Wang T，Qian D，et al.MAC Protocols for Optical Orthogonal Frequency Division Multiple Access（OFDMA）-based Passive Optical Networks ［C］//OFC/NFOEC 2008.San Diego，US：IEEE，2008：1-3.

［10］Zhang J，Wang T，Ansari N.An efficient MAC protocol for asynchronous ONUs in OFDMA PONs［C］// OFC/NFOEC 2011.Los Angeles，US：IEEE，2011：1-3.

A Novel Subcarrier Allocation Scheme in OFDM-PON

HU Fa-ze，LI Ru-xing，WU Shi-bao
（Key Lab of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Subcarrier allocation is one of the key technologies in the Orthogonal Frequency Division Multiplexing Passive Optical Network（OFDM-PON），which has been received more and more attentions recently.This paper first introduces two existing subcarrier allocation schemes.Then a novel subcarrier allocation scheme is proposed for upstream transmission in OFDMPON.The scheme is divided into two parts：modulus operation and patchwork scheme.The scheme can effectively reduce the waste of bandwidth of guard time.Simulation results show that the proposed scheme obtains higher throughput compared to existing schemes.

OFDM-PON；subcarrier allocation；throughput

TN915.6

A

1005-8788（2016）03-0001-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.001

2016-01-20

国家自然科学基金资助项目（61275073，61420106011）；上海市科委资助项目（13JC1402600，15530500600）

胡发泽（1991-），男，安徽安庆人。硕士研究生，主要从事OFDM-PON技术的研究。