WLAN与EPON融合接入网上行带宽分配算法

张　娜

(西昌学院汽车与电子工程学院　四川 西昌615013 )



WLAN与EPON融合接入网上行带宽分配算法

张娜

(西昌学院汽车与电子工程学院四川 西昌615013 )

为了提高带宽的利用率，提出一种WLAN与EPON融合接入网上行带宽分配算法。该算法将无线终端接入的业务分为不同的服务等级，以实现不同业务QoS保证。首先，ONU-AP给各个无线终端STA分配带宽，采用IEEE802.11E协议的简单调度算法给语音业务和一般数据业务分配带宽，利用视频流的平均速率估算视频业务的传输带宽。其次，光线路终端OLT给各个ONU-AP分配带宽，OLT根据语音业务速率和当前视频业务流量分别估算语音、视频业务在下一个轮询周期的带宽，并将剩余带宽在重负载终端中二次分配，最后给一般数据业务分配带宽。通过仿真实验，结果表明：与传统算法相比，该算法的网络时延和丢包率明显降低，实现了带宽资源的合理分配。

无线局域网以太无源光网络带宽分配算法仿真

0　引　言

无线局域网WLAN能够为移动用户提供灵活的、随时随地的接入服务，因此，将无线局域网技术与现行的有线通信网络相结合，可以满足移动用户多样化的接入需求，提供良好的语音、图像和数据服务。在有线通信网络中，以太无源光网络EPON具有故障率低、结构灵活等优点，被认为是下一代光纤入户的首选方案。因此，将WLAN与EPON进行融合组网，一直是宽带接入网研究的热点[1]。

在WLAN与EPON融合接入网中，如何有效分配上行带宽是研究的重点。在WLAN带宽分配中，IEEE802.11E协议提出了一种简单调度算法[2]分配上行带宽，该算法仅适合为固定比特率的业务分配带宽，不适合为变化比特率的业务分配带宽。为此，人们开始研究如何改善IEEE802.11E的简单调度算法以适应变化比特率业务的带宽分配[3-5]。这些算法虽然对自适应交织轮询算法IPACT进行了改进，但是在本质上都是采用“先报告后授权GAR(GrantAfterReport)”的方式分配上行带宽，并且在按照优先级分配带宽时对剩余带宽的利用不够充分，造成了一定的资源浪费。为了更加合理地利用上行带宽，提高带宽的利用效率，本文在借鉴以上算法优点的基础上，提出了一种WLAN与EPON融合接入网上行带宽分配算法，区分不同的业务等级，在对语音业务、视频业务的带宽进行合理预测的基础上，采用“先授权后报告GBR(GrantBeforeReport)”的方式分配上行带宽，减少网络延时，提高系统的吞吐量。最后采用网络仿真软件NS-2构建仿真平台，通过仿真实验，验证本文算法的有效性和可行性。

1　融合接入网结构

目前，WLAN与EPON的组网方式分基于射频ROF(RadioOverFiber)[6]和基于基带BOF(BasebandOverFiber)[7]两种。考虑到BOF融合方式具有QoS服务质量保证、覆盖范围大、易于技术实现等优点。因此，本文选用BOF方式完成WLAN与EPON的融合接入，其融合接入网结构如图1所示。WLAN采用基础式网络架构，无线接入节点AP与EPON的ONU整合成一个设备ONU-AP，在ONU-AP的内部，ONU与AP之间用以太接口相连，并将WLAN网络配置为点到多点模式，实现一个基站对其范围内的多个终端用户STA的服务。

图1　基于BOF的WLAN与EPON融合接入网结构

2　上行带宽分配算法

融合接入网的上行带宽分配过程如图2所示，整个过程分为两步：一是ONU-AP给各个无线用户终端STA分配带宽；二是光线路终端OLT(OpticalLineTerminal)给各个ONU-AP分配带宽。ONU-AP的接入控制模块按照一定准则判断是否允许新业务的接入[8]，并为不同优先级的业务分配带宽；OLT根据ONU-AP中各个队列缓冲区的长度，为不同的优先级队列分配不同的授权传输窗口。在整个带宽分配中，ONU-AP既是带宽的分配者，又是带宽的申请者，因此，带宽计算过程主要集中在ONU-AP中，从而使得系统的计算复杂度和信令开销大大降低。

图2　融合接入网上行带宽分配过程

2.1ONU-AP对STA的带宽分配算法

为了实现对无线终端用户不同业务的QoS保证，整个上行带宽的分配采用IEEE802.11E协议[9]。无线终端用户按照优先级从高到低传输的业务有语音业务AC_VO、视频业务AC_VI和一般数据业务AC_BE。按照IEEE802.11E协议，STAi向ONU-AP申请带宽时传送的业务流参数TSPEC(TrafficSpecification)的各元素有：最大服务间隔为MSIi(MaximumServiceInterval)、信标帧间隔为BI(BeaconInterval)、最大MAC服务数据单元MSDU大小为M、平均MAC服务数据单元MSDU大小为Li、最小物理层传输速率为RiPHY，传输语音业务的速率为ρi。设在非竞争期CFP内，承载语音业务的各STA归属于集合为W，承载视频业务的各STA归属于集合为Y，ONU-AP对STA的带宽分配步骤如下：

(1) 计算公共服务间隔SI

取各STA的MSIi的最小值，并选取信标帧间隔BI的可用因数，使得小于或等于MSIi的最小值。例如：有3个STA申请带宽，它们的最大服务间隔MSI分别为80、70、60ms，信标帧间隔BI为100ms，则最小的MSI为60ms，而100ms的可用因素为50，因此选取公共服务间隔为50ms。计算公式如下：

(1)

式中，n为自然数，n=1,2,3,…。

(2) 计算TXOP

分别计算语音业务流和视频业务流的传输时间段TXOP。

① 语音业务流的TXOPi

按照IEEE802.11E协议的简单调度算法，可计算语音业务的TXOPi为：

(2)

式中，O是传输开销，符号「·⎤为向上取整。

② 视频业务流的TXOPi

虽然视频业务流的速率是变化的，但是它的速率具有一定的相关性，可以根据当前的业务流量预测出下一个很短时间内的视频业务流量[10]。下面将IEEE802.11E协议的简单调度算法进行适应性改进，用于估算下一次轮询时应分配给视频业务的带宽。在计算中，为了接入更多业务流，采用视频业务流的平均速率。

设本次轮询时视频业务流开始和结束的队列长度分别为Lstar、Lend，在本次轮询时间段SI内发送的分组MSDU个数为N，则在时间段SI内视频业务流的队列长度为：

Q=Lend+N-Lstar

(3)

(4)

那么，可以预测下一个轮询周期内视频业务流的平均速率为：

(5)

可以计算出下一个轮询周期内分配给视频业务流的传输时间为：

(6)

式中，O是传输开销，符号「·⎤为向上取整。

(3) 计算非竞争期CFP的时间长度

设在轮询周期的时间段SI内，竞争期CP占用的比率为γ(0<γ<1)，则非竞争期CFP可分配的时间长度为：

TCFP=(1-γ)×SI

(7)

(4) 上行带宽分配策略

在竞争期CP内，采用IEEE802.11E协议的简单调度算法传输一般数据AC_BE业务流，这里不再赘述；非竞争期CFP内带宽的分配分为以下两种情况：

此时，上行接入带宽满足所有业务流的传输需求，因此，可按照各业务的实际带宽需求分配上行带宽。

此时，上行接入带宽不能满足所有业务流的传输需求，因此，按照QoS服务等级，优先分配带宽给所有语音业务流AC_VO，然后再将剩余带宽分配给视频业务流AC_VI，并将传输视频业务流的无线终端STA分为轻负载和重负载两种，先满足轻负载的传输带宽需求，再满足重负载的传输带宽需求。

设传输视频业务流的无线终端有N个，那么满足所有语音业务流后将剩余的带宽进行平均分配，每个业务流分配到的带宽TXOPtemp为：

(8)

a) 若TXOPtemp≥TXOPi(i∈Y)时，表明每个视频业务流分得的带宽完全满足其传输需求，此时的无线终端为轻负载，因此可按照每个视频流的实际需求分配上行带宽。

b) 若TXOPtemp

(9)

(5) 新业务接入控制

设当前已有k个业务流，如果第k+1个业务流需要申请上行带宽进行传输，则第k+1个业务流需要满足以下条件才能被系统接纳：

(10)

式中，SI是公共服务间隔，TXOPk+1是第k+1个业务流申请的上行传输时间段，TXOPi是现有业务流的上行传输时间段，BI是信标帧间隔，TCP是竞争期内一般数据业务流AC_BE的传输时间。

2.2OLT对ONU-AP的带宽分配算法

按照优先级从高到低的顺序，在ONU-AP内部将业务分为[11]：加速转发业务EF(ExpeditedForwarding)、保证转发业务AF(AssuredForwarding)和尽力而为业务BE(BestEffort)，其中EF业务对应于语音业务，AF业务对应于视频业务，BE业务对应于一般数据业务。在传统的算法中，一般按照“先报告后授权GAR(GrantAfterReport)”的方式分配上行带宽[12]。带宽的分配过程中，为了提高带宽的利用率，本文首先为EF类语音业务分配带宽，然后为AF类视频业务分配带宽，最后为BE类一般数据业务分配带宽，并将上行带宽的轮训周期分为EF子周期和AF/BE子周期。在EF子周期内，对所有ONU-AP的EF队列进行优先传输，考虑到语音业务的速率是固定的，所以OLT能够根据当前EF队列的发送速率，可计算出下一个EF子周期所有ONU-AP的EF队列的累计分组长度。因此，无需Report帧上报EF业务的队列长度，由OLT通过计算后对下一个EF子周期的带宽进行授权，从而可以有效节省时间，降低EF业务的端到端时延，保证了EF业务的QoS服务质量。在AF/BE子周期内，主要对所有ONU-AP的AF类视频业务和BE类数据业务进行优先传输。由于AF类视频业务的速率具有很强的时间相关性，因此，可以根据当前的视频业务流量预算出下一个AF/BE子周期内的AF类视频业务的队列长度，从而节省时间，提高上行链路的吞吐量。算法的具体过程如下[13]：

(11)

(12)

其中，α为带宽调节因子，0<α≤1，在具体的工程应用时，可根据视频流量的实际情况进行适当选取。

下面阐述OLT对ONU-AP的带宽分配算法。设网络中有n个ONU-AP，各个ONU-AP具有相同的带宽分配权重，ONU-AP需要的最小保证带宽为Bmin字节，各个ONU-AP之间的传输保护时隙为Tg，OLT对ONU-AP的最大轮询周期为Tcycle，上行链路的传输速率为Rup比特/秒，每个Report帧最多可以报告8个缓冲队列的长度，则有：

(13)

对于EF类业务，由于无需Report帧上报EF业务的队列长度，由OLT通过计算后对下一个EF子周期的带宽进行授权，而对于AF类和BE类业务，需要Report帧上报其业务队列长度，再进行带宽分配，因此，这里分两种情况讨论带宽分配情况。

(1) EF类业务的带宽分配

(14)

(2) AF/BE类业务的带宽分配

(15)

(16)

(17)

(18)

这表示所有轻负载剩余的带宽不能完全满足所有重负载不足的带宽，此时，将剩余的带宽在各个重负载中按照带宽需求比例进行二次分配，那么各重负载ONU-AP额外分得的带宽为：

(19)

(20)

(21)

3　算法仿真及分析

为了验证本文算法的有效性，采用网络仿真软件NS-2作为仿真平台，以端到端的数据平均时延、丢包率作为考察指标，建立仿真实验网络。采用两种方法分配网络的上行带宽，一种是采用传统的算法，用IEEE802.11E协议的简单调度算法分配无线终端STA到ONU-AP的带宽，利用IPACT算法的“先报告后授权”方式分配ONU-AP到OLT的带宽；另一种是采用本文的算法分配网络的上行带宽。最后，通过仿真，将两种算法对网络性能的影响进行对比分析，限于篇幅，这里仅给出数据平均时延、丢包率两个参数的对比情况。

仿真实验的WLAN与EPON融合网络部署OLT1台、ONU-AP32台，每台ONU-AP可接入无线终端STA20台，每台STA向上传输业务包括语音、视频和一般数据业务三种。在实验中，假设OLT和ONU-AP均没有下行业务向STA传输。在仿真中，STA上传的语音业务采用G.711编码，语音速率为64Kbit/s，通过UDP协议传输，数据包长为160B，最大传输时延为50ms；视频业务采用H.264编码，平均速率为200Kbit/s，数据包长服从均值为600B的指数分布，最大传输时延为100ms；一般数据业务为FTP业务，数据速率为800Kbit/s，数据包长为1000B，最大传输时延为250ms。公共服务间隔SI取50ms，整个仿真时间为200s，每隔10s增加一个无线终端STA向网络申请带宽并上传业务数据。在仿真中，涉及到的网络参数如表1所示。

表1　仿真网络参数

(1) 数据平均时延情况

图3为网络端到端数据平均时延测试结果。从图3可以看出，与传统算法相比，本文算法采用了区分服务等级的方法，因此端到端数据平均时延明显小于传统算法。在语音业务方面，由于语音业务在本文算法的带宽申请中优先级最高，且在ONU-AP向OLT申请带宽时，无需Report帧上报语音业务的队列长度，由OLT通过带宽预测计算后对下一个轮询周期的带宽进行授权，从而可以有效节省时间，降低了语音业务的端到端时延。在视频业务方面，由于本文算法对视频业务流量进行了预测计算，因此可预先对下一轮询周期内的视频业务带宽进行有效分配，从而缩短了带宽分配时间，降低了视频业务的端到端时延；而传统算法无法预测视频流量，且采用固定周期固定时间段的方法分配上行带宽，造成了视频流量较大时带宽分配不足的问题，从而引起业务阻塞，导致端到端时延增加，且时延抖动较大。在FTP业务方面，本文算法的时延也得到了较大的改善。

图3　数据平均时延测试结果

(2) 丢包率情况

图4为网络丢包率测试结果。从图4可以看出，与传统算法相比，本文算法在网络丢包率性能方面得到极大的改善。在语音业务方面，由于本文算法将语音业务的优先级设置为最高，在分配带宽时，语音业务优先获得上行带宽，所以本文算法下语音业务的丢包率为0。在视频业务方面，由于本文算法采用了视频流量预测、带宽二次分配等手段，可有效保证视频业务的传输带宽，因此本文算法下丢包率基本控制在2%以下，但是实验中也发生了3次丢包率超过5%的现象，这主要是由于本文算法给视频业务分配带宽时采用平均视频流量进行带宽预测，当实际视频流量超过平均视频流量时，分配的带宽不能满足实际需求，从而导致了丢包率增大的现象；如果在算法中采用峰值视频流量进行带宽预测，虽然可以避免大流量视频业务丢包的现象，但是会导致大多数情况下带宽资源的浪费，因此，本文算法采用平均视频流量进行带宽预测是合理的。在FTP业务方面，本文算法的丢包率明显低于传统算法的丢包率，这主要是因为在传统算法中，各业务以到达的先后顺序进行带宽申请，较大流量的视频数据会导致网络阻塞，引起各业务的丢包率增加，而且随着接入业务数量的增加，这种阻塞现象就越明显，从而引起丢包率大幅度增加，而本文算法能够合理分配带宽，满足各业务的带宽需求，因此丢包率较低。

图4　网络丢包率测试结果

4　结　语

本文将WLAN与EPON技术相结合，构建了一种基于BOF的WLAN与EPON融合宽带接入网，以满足用户灵活、多样的宽带接入需求。为了合理分配网络资源，提高上行带宽的利用率，给出了一种能够区分业务等级的WLAN与EPON融合接入网上行带宽分配算法。与传统算法相比，该算法能够合理预测语音和图像业务的带宽需求，并采用“先授权后报告”方式实现上行带宽的分配。通过仿真实验，结果表明：本文的算法能有效减少网络的时延和丢包率。由于EPON与WLAN采用的安全协议不同，因此下一步将重点研究统一安全框架下的融合接入网信息安全问题，并合理布局ONU-AP设备，提高网络的无线覆盖范围。

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UPSTREAMBANDWIDTHALLOCATIONALGORITHMFORWLANANDEPONAMALGAMATIONACCESSNETWORK

ZhangNa

(SchoolofAutomotiveandElectronicEngineering,XichangCollege,Xichang615013,Sichuan,China)

Inordertoimprovetheutilisationratioofbandwidth,weputforwardanupstreambandwidthallocationalgorithmforWLANandEPONamalgamationaccessnetwork.ThealgorithmdividestheaccessoperationofwirelessterminalsintodifferentservicegradestorealiseQoSassuranceofdifferentoperations.First,theONU-APallocatesbandwidthforSTAofeachwirelessterminal,andadoptsthesimplescheduleralgorithmofIEEE802.11Eprotocoltoallocatebandwidthforvoiceandcommondataoperations,andutilisestheaveragerateofvideoflowtoestimatethetransmissionbandwidthofvideooperation.Secondly,theopticallineterminal(OLT)allocatesbandwidthforeachONU-AP,accordingtotherateofvoiceoperationandcurrentflowofvideooperation,OLTestimatesthebandwidthforvoiceandvideooperationinthenextpollingperiodseparately,andallocatessecondarilythesurplusbandwidthforheavyloadterminals,andfinallyallocatesthebandwidthforcommondataoperations.Throughthesimulationexperiment,resultsdemonstratethatcomparedwithtraditionalalgorithm,thenetworkdelayandlosingpacketratioofthealgorithmarereducedobviously,itrealisesthereasonableallocationofbandwidthresource.

Wirelesslocalareanetwork(WLAN)EthernetPassiveOpticalNetwork(EPON)BandwidthallocationalgorithmSimulation

2015-07-23。四川省教育厅青年基金项目(11ZB1 15)。张娜，副教授，主研领域：光通信技术与网络构建。

TP393.3TN

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.029