基于流量预测的OFDMA-PON动态带宽分配算法

邝 斌，刘人榕，吴雅婷，杨少林

（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）

基于流量预测的OFDMA-PON动态带宽分配算法

邝 斌，刘人榕，吴雅婷，杨少林

（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）

通过研究O FD M A-PO N的媒质接入控制协议，提出了一种针对O FD M A-PO N的媒质接入控制协议，并提出了一种基于流量预测的动态带宽分配算法。通过对授权时间内的业务流量进行预测，更加实时反映各个O N U的带宽需求。仿真验证了提出的动态带宽分配算法可以提高O FD M A-PO N在高网络负载时包延时方面的性能。

媒质接入控制协议；动态带宽分配算法；O FD M A-PO N

0　引言

近年来，由于互联网的迅猛发展，促进了各种新型高带宽业务的不断出现，用户对带宽的需求快速增长。具有巨大带宽而且低成本的无源光网络（PON）已经成为下一代接入网中非常重要的宽带技术方案[1,2]。正交频分复用接入无源光网络 （Orthogonal Frequency Division Multiple Access PON,OFDMA-PON）以其容量高、传输成本效率好、色散和偏振膜色散容忍度高、带宽粒度灵活以及频谱效率高等优点，已经成为很有潜力的未来高速光接入网方案，引起了相关学者的关注和研究[3～5]。

关于OFDMA-PON的关键技术研究中，动态带宽分配（Dynamic Bandwidth Allocation,DBA）技术是其中的重点。DBA算法能根据不同用户对不同等级带宽的需求实时地进行带宽分配，能够更好地利用带宽，从而保证用户间的公平性。媒质接入控制（MAC）协议也是OFDMA-PON技术中重要的研究方向，DBA算法的设计离不开MAC协议的支持。MAC层的研究对实现OFDMA-PON传输调度，发挥OFDMA-PON的巨大潜力具有重要的意义。针对OFDMA-PON，目前已经有文献提出了一些MAC层协议和DBA算法[6～11]，但是还没有一个统一的、完善的方案。以下，我们提出一种适用于OFDMA-PON的MAC协议，并提出一种基于流量预测的DBA算法。

1　OFDMA-PON系统

图1是一个典型的OFDMA-PON系统结构，它主要由三个部件构成：一个光线路终端（OLT）、多个光网络单元（ONU）和光分配网络（ODN）。OLT位于局端，负责业务中心与PON之间的数据传输，起着对整个系统进行控制、管理的作用。ONU位于用户端，负责用户端数据的存储与转发。ODN介于ONU和OLT之间，是连接OLT和ONU的枢纽。OFDMA-PON的数据传输过程包括上行链路传输与下行链路传输，上行为ONU到OLT，下行为OLT到ONU。

在每个轮询周期内，OLT以频分和时分结合的方式将各个子载波分配给各个ONU，具有灵活的带宽调度方式，能够实现带宽的有效调度。

图1　OFDMA-PON系统结构

2　OFDMA-PON媒质接入控制协议设计

OFDMA-PON MAC层定义了业务数据如何在光纤信道中传输，要根据各个ONU的业务服务质量和传输量的要求调度网络有限的带宽，动态分配各个ONU的带宽。MAC层需要完成用户数据调度和转发、带宽申请和授权、ONU发现、功率控制、测距及链路维护等功能。

为了避免在OFDMA-PON的上行链路中ONU上行数据传输发生冲突，OLT给每个ONU指定上行传输使用的时隙和子载波来有效调度ONU上行数据的传输。PON是一个点到多点的网络拓扑结构，通常采用多点控制协议（Multi-Point Control Protocol，MPCP）作为核心的控制协议。MPCP具有成本低、传输效率高、控制简单等众多优势。OFDMA-PON也采用MPCP作为链路层的控制协议，但是需要将基于EPON的MPCP协议进行修改。在普通工作模式下，MPCP使用报告帧（REPORT）和授权帧（GATE）完成带宽申请、带宽授权、动态带宽分配、动态功率控制等过程。

DBA的运算过程在OLT中完成。首先，ONU向OLT发送REPORT帧，报告对不同级别业务的带宽需求，请求分配带宽。然后，OLT在获取了各个ONU的请求后运行DBA算法。最后，OLT给所有ONU发送GATE帧，把DBA运算的结果广播给所有ONU。ONU接收到GATE帧以后，在OLT为其指定的传输位置上进行上传数据的传输。

本文中采用的OFDMA-PON MAC层控制协议，每隔一个固定的周期进行一次动态带宽分配过程，这样可以降低进行带宽分配的复杂度，简化MAC协议。本文中的轮询周期设置为Tcycle=2ms，表示每隔2ms进行一次动态带宽分配过程。

目前已有的OFDMA-PON的MAC层带宽分配方式采用矩形窗的分配形式，虽然可以简化协议的设计，但是会造成矩形间带宽的浪费，减少部分的带宽利用率。本文提出的OFDMA-PON的MAC协议采用一种非矩形窗的DBA分配方式（如图2所示），专门使用几个子载波作为控制信道，控制帧都在控制信道中进行传输。数据子载波的每个轮询周期被等分成了20份，我们将每一份作为带宽分配的最小单元，这样可以保证良好的带宽分配粒度。每个ONU分配得到一段连续的单元，这样可以简化GATE帧的结构，只需要传递第一个和最后一个单元的位置即可。

图2　带宽分配方案

图3是OFDMA-PON系统进行DBA的传输控制图。ONU在控制信道中发送请求给OLT，报告传输不同级别业务需要的带宽，请求分配相应的带宽。OLT收集到各个ONU的请求后，按照DBA算法进行分配，接着通过GATE帧指定下一个周期各个ONU发送数据的载波和时隙，下一个周期各个ONU按照OLT指定的结果发送业务。

OFDMA-PON的带宽申请和授权过程，主要通过MAC控制帧来进行控制。OFDMA-PON的MPCP协议控制帧格式只需要在EPON的控制帧的基础上做一些修改。

图3　OFDMA-PON传输控制示意图

3　动态带宽分配算法

在本文中，我们将业务按照从高到低的顺序依次分为三个等级：加速转发业务（Expedited Forwarding, EF）、保证转发业务（Assured Forwarding,AF）和尽力转发业务（Best Effort,BE）。

OFDMA-PON进行带宽分配的过程如图3所示，各个ONU将不同等级业务的队列长度上报给OLT，OLT收集到各个ONU的队列信息以后，经过DBA运算，广播给各个ONU，告知下一个周期，ONU进行业务数据传输的时隙和子载波。ONU开始发送数据和上报队列信息之间存在时间差，我们称之为授权时间差TD。在授权时间差TD内有很多业务流量到达，然而报告帧仅报告TD时间前的业务队列信息。请求帧不能实时反映下一个周期开始时候各个ONU的不同业务的队列信息，在授权时间差内到达的业务数据需要等待至少一个周期才能被发送，这会增加网络时延。本文提出的DBA算法在进行DBA运算前，进行预测各个ONU在一个授权时间TD内即将到达的业务流量，从而减少业务传输的时延。

假设由一个OLT和N个ONU组成的OFDMAPON系统中，上行业务信道带宽为 BU，轮询周期为Tcycle，那么一个轮询周期内能够传输的业务带宽总量为Btotal=BU×Tcycle。设ONUi在第k-1个周期请求的EF、 AF和BE业务的带宽分别为和，在第k-1个周期中到达的EF、AF和BE业务的业务量分别为。为了实时反映下一个周期开始时候各个ONU需要发送的业务量，我们需要对在授权时间差TD内到达的EF、AF和BE的流量进行预测。经过对授权时间内的流量进行预测之后，ONUi在第k-1个周期请求的EF、AF和BE业务的传输量分别为。对进行预测的计算式为：

其中，v1、v2和v3是加权系数，本文中采用v1=0.7、v2= 0.2和v3=0.1。

OLT在进行动态带宽分配时，根据预测后ONUi在第k-1个周期请求的EF、AF和BE业务的带宽，来计算ONUi在第k个周期授权得到的EF、AF、BE业务的带宽。

系统首先对需要带宽保证的EF业务进行带宽分配。为满足最高优先级业务的需求，在本文的DBA算法中，对EF业务的带宽请求完全满足，即。

式 （2）中，w1、w2是针对AF、BE业务的加权值来确保AF、BE业务之间的相对公平。

4　DBA算法仿真

我们使用OPNET对OFDMA-PON上行传输系统进行建模，对提出的授权时间内的流量进行预测的DBA算法进行仿真。仿真模型采用包含10个ONU的OFDMA-PON系统，系统的上行带宽设为BU=10Gb/s，轮询周期设为Tcycle=2ms，授权时间差为TD=0.3ms。仿真中，业务数据的到达满足帕累托分布，ONU端EF、AF和BE队列的最大长度设为10Mb，每个ONU端EF、AF和BE业务到达的比例设为1∶2∶2。仿真中设置了不同大小的数据包到达间隔的平均值来模拟不同的网络负载。

本文中DBA算法的参数设置为v1=0.7，v2=0.2，v3= 0.1，w1=7，w2=3。仿真主要得到在不同的网络负载下系统包时延方面的性能。为了进行比较，我们在仿真中引入了恒定比特率算法 （Constant bit rate，CBR）[12]。CBR算法优先保证优先级高的业务服务质量，采用严格的优先顺序进行ONU间和ONU内分配。我们在不同网络负载下，对提出的DBA算法的平均包延时性能进行仿真，如图4所示。本文所提出的算法和CBR算法均优先保证EF业务的传输，故EF业务的包延时都可以保持在较低的水平，保证EF业务的服务质量。当网络负载大于0.7的时候，本文提出的算法的AF和BE平均包延时小于CBR算法，因为本文提出的算法对在授权时间内到达的业务流量进行了预测，有效提高了当网络负载较高时系统业务包时延方面的性能。

图4　平均包延时性能曲线

5　结束语

本文研究了适用于OFDMA-PON的媒质接入控制协议以及动态带宽分配算法，提出了一种对授权时间内的流量进行预测的动态带宽分配算法。本算法可以更加实时地反映各个ONU对不同业务的带宽需求，提高系统的服务质量。通过仿真对比，新提出的动态带宽分配算法在高网络负载时可以减小AF和BE业务的延时，提升系统性能。

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Dynamic bandwidth allocation algorithm based on traffic prediction for OFDMA-PON

KUANG Bin,LIU Ren-rong,WU Ya-ting,YANG Shao-lin
(School of Communication and Information Engineering,Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks of Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Media access control protocol for OFDMA-PON is discussed in this paper.A media access control protocol that suitable for OFDMA-PON is proposed and dynamic allocation algorithm is proposed based on traffic prediction.Through traffic prediction within the authorized time,it can reflect more real-time bandwidth requirements of each ONU.Simulation results show that the proposed dynamic bandwidth algorithm can improve the performance of time delay for OFDMA-PON on the high network load.

media access control,dynamic bandwidth allocation algorithm,OFDMA-PON

TN929.11

A

1002-5561（2016）05-0011-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.004

2016-01-04。

国家自然科学基金（批准号：61132004,61420106011, 61401266,61571282）资助；上海市科委项目 （批准号：13JC1402600, 14511100100,15511105400,15530500600）资助；上海市教委与上海市教育发展基金会“晨光计划”（批准号：14ZZ096）资助。

邝斌（1993-），男，硕士研究生，主要从事光接入网OFDMAPON的研究。