OFDM无源光网络中多业务分层带宽分配算法

2018-10-18刘业君刘玉莹汉鹏超王继东郭磊

通信学报 2018年9期

刘业君，刘玉莹，汉鹏超，王继东，郭磊

刘业君，刘玉莹，汉鹏超，王继东，郭磊

（东北大学计算机科学与工程学院智慧系统国际合作联合实验室，辽宁沈阳 110819）

正交频分复用无源光网络(OFDM-PON，orthogonal frequency division multiplexing passive optical network)具有带宽容量大、资源分配灵活等优势，被公认为下一代光接入网的重要候选技术之一。目前，OFDM-PON系统结构的相关研究层出不穷，然而这些研究大多专注于物理结构和信号传输技术，缺少与新型系统结构相适应的带宽分配算法。OFDM-PON中带宽分配涉及时域、频域、比特等多维资源的联合优化，是保证多业务接入和服务质量的关键技术。针对OFDM-PON的增强型系统结构，提出多业务分层带宽分配算法，以实现增强型OFDM-PON系统带宽资源的高效利用。仿真结果表明，相比传统OFDM-PON系统中无分层带宽分配算法，增强型OFDM-PON的分层带宽分配算法在带宽资源利用率和数据分组时延等性能方面具有明显优势。

正交频分复用无源光网络；动态带宽分配；分层带宽分配；多业务传输

1 引言

近年来，移动互联网、大数据、云计算、物联网等技术的迅猛发展，促进了新兴高带宽应用的不断涌现，用户对带宽的需求急剧增长。带宽资源丰富且建设成本较低的无源光网络（PON, passive optical network）已成为下一代接入网的重要解决方案。目前，广泛应用的以太无源光网络（EPON, ethernet PON）、吉比特无源光网络（GPON, gigabit PON）及其相应的下一代无源光网络技术10G-EPON、10G-GPON等虽然在系统容量和传输距离方面得到明显提升，但EPON和GPON都是基于时分多址的接入网，存在带宽资源浪费、带宽分配缺乏灵活性等问题。随着智慧城市、虚拟现实、无人驾驶、远程医疗和工业互联网等应用需求的不断扩张，目前的EPON和GPON技术将在未来的多元化业务传输需求中面临更严峻的挑战。

正交频分复用无源光网络（OFDM-PON, orthogonal frequency division multiplexing PON）以其带宽粒度灵活、频谱效率高、色散和偏振模色散容忍度高等优点，受到学术界和工业界的广泛关注。目前，OFDM-PON已被证实可提供超过100 Gbit/s的带宽容量[1]，相当于10G-EPON和10G-PON的10倍以上。带宽分配是OFDM-PON系统中实现多用户接入与保证服务质量的关键技术，其时域、频域、功率和调制格式等多维资源优化模式可满足不同类型业务的服务质量需求，与此同时也增加了带宽分配算法的设计难度。

近年来，许多新型OFDM-PON系统结构相继涌现，其中，单极性OFDM（U-OFDM, unipolar OFDM）调制技术被公认为解决直流偏置光OFDM（DCO-OFDM, direct current biased optical OFDM）调制技术能耗问题的有效方法之一[2]。然而，由于帧结构的限制，相比于直流偏置光OFDM调制技术，传统单极性OFDM调制技术牺牲了频谱效率。增强型单极性OFDM调制技术（eU-OFDM, enhanced unipolar OFDM）[3-4]利用信息数据的循环重复规则巧妙地定义出不同的传输层，将传统的单极性OFDM调制信息在时域内进行多路复用，从而解决了传统的单极性OFDM调制方法[2]为提高能量效率而引起的频谱效率损失问题。增强型OFDM-PON系统架构将增强型单极性OFDM调制技术应用在OFDM-PON系统中。相比于基于单极性OFDM调制的传统OFDM-PON系统，增强型OFDM-PON系统在实现近似能效的同时，能提供更高的系统容量，具有大多数现有OFDM-PON系统架构无法比拟的优势。

然而，针对大量涌现的新型OFDM-PON系统结构，并没有与此相对应的带宽分配算法。传统的基于时频资源的二维带宽分配算法[5-6]虽然具有普遍适用性，但却未能考虑新型系统结构独有的资源维度，从而引起带宽资源浪费、带宽分配缺失灵活性等问题。例如，在增强型OFDM-PON系统中，采用增强型单极性OFDM调制技术可从调制分层的角度为带宽资源增加新的复用维度，尽管如此，传统的载波/时隙二维带宽分配算法并未考虑新的复用维度以及不同调制层的传输特征对带宽分配的影响，因此无法保证OFDM-PON新型系统结构的带宽得到充分利用。针对新涌现的且研究空间广阔的增强型OFDM-PON系统结构[2-4]，根据其资源特性对带宽分配算法进行优化设计，具有重要的理论价值和现实意义。

本文针对增强型OFDM-PON系统独特的带宽资源分层结构，研究物理层感知的时隙、载波、比特、调制分层等多维动态带宽分配算法，根据不同业务在传输质量、带宽要求、服务质量等方面的需求特征，将不同业务适配到不同的调制分层，充分利用增强型OFDM-PON系统的带宽资源维度，实现服务质量要求更高的多业务传输。

2 增强型OFDM-PON系统模型

2.1 增强型单极性OFDM调制技术

增强型OFDM-PON系统采用eU-OFDM调制技术实现信号的自适应传输。根据增强模型OFDM-PON系统特有的数据传输分层结构和多业务共同传输的特点，来决定数据传输层与调制格式。eU-OFDM调制技术致力于解决传统的U-OFDM调制技术带宽利用率低等固有问题[2-4]。增强型OFDM-PON调制技术原理如图1所示。eU-OFDM调制技术通过允许多个U-OFDM信息流叠加成单时隙信号在信道中传输来提高频谱效率。每个调制分层上对数据流进行规范的复制，并在不同调制分层之间进行数据叠加。

图1 增强型OFDM-PON调制技术原理

其中，表示可用的调制分层数量。随着分层数量的不断增加，eU-OFDM系统的频谱效率会逐渐接近DCO-OFDM系统[3]（频谱效率约50%）。

在能量效率方面，eU-OFDM调制技术的信号功率相当于各分层信号功率之和。得益于U-OFDM调制自身的能效优势，eU-OFDM调制技术的每个分层上的信号功率均不超过DCO-OFDM信号功率的一半，并且随着分层数量的逐渐增加，单层信号功率逐渐降低。文献[3]通过理论分析和蒙特卡罗仿真已证实，在频谱效率一定的条件下，eU-OFDM调制技术相对于DCO-OFDM调制技术节省的功率如表1所示。由表1可知，eU-OFDM调制技术在3个分层的情况下可实现能量效率与频谱效率之间的最佳折中。

表1 eU-OFDM调制技术相对于DCO-OFDM调制技术的能效分析

2.2 多业务传输

目前，广泛部署的EPON系统与GPON系统中主要支持3类典型业务：快速转发（EF, expedited forwarding）业务，该业务传输量最小，对时延非常敏感，优先级最高，如网络电话（VoIP, voice-over-IP）；保证转发（AF, assured forwarding）业务，该业务传输量较大，对时延不太敏感但需要最小的带宽保证，优先级次之，如邮件类业务；尽力而为（BE, best effort）业务，该业务传输量非常大，时延敏感程度非常低，优先级最低，如超大邮件转发业务。

本文将在增强型OFDM-PON系统结构下进行EF、AF、BE等多业务分层带宽分配算法设计。在增强型OFDM-PON系统中随着调制分层的逐渐增大，所采用的调制阶数也将升高，如第一层采用8-QAM调制方式，至第五层将增加到32-QAM调制方式。采用低阶调制方式有利于降低系统误码率，但传输速率较低，适合数据量不大但对传输可靠性要求较为严格的业务。反之，随着调制阶数的升高，可实现系统的传输速率增大，但误码率也会随之提高。多业务多维带宽分配如图2所示。不同业务的数据分布在不同的调制分层中进行传输，按照优先级从高到低依次把EF、AF、BE这3种业务分别分配到第一层至第三层上进行传输。第一层的低阶调制传输有利于降低EF数据传输的误码率，第三层的高阶调制传输可增加BE业务的传输速率。不同业务的数据分布在不同的调制分层上，并且各层的调制格式可以根据业务需求自行设定，相比于单数据流多业务传输的系统，其带宽资源可得到更充分的利用。

图2 多业务多维带宽分配

2.3 多点控制协议

增强型OFDM-PON系统结构如图3所示，主要由3个部分组成：光线路终端（OLT, optical line terminal）、光分配网络（ODN, optical distribution network）和光网络单元（ONU, optical network unit）。无论是上行带宽还是下行带宽均可以分成多个调制分层和时频单元。本文主要考虑上行传输的情况，采用轮询周期带宽分配机制，轮询周期时长定义为OLT相邻2次发送带宽授权帧（gate帧）的时间间隔[7-8]。在每个轮询周期内，各ONU向OLT发送report帧，报告当前队列状态。首先，OLT根据带宽分配算法决策出各ONU的传输带宽，ONU将来自用户端的AF、BE、EF这3种业务的数据分组根据带宽授权信息加载到不同调制分层的载波和时隙上。然后，通过ODN汇聚成一路数据传输给OLT。最后，OLT将从增强型OFDM符号中解调出数据信息并上传到核心网。

图4 增强型OFDM-PON中改进的MAC帧格式

图3 增强型OFDM-PON系统上行传输模型

带宽分配过程主要采用的控制帧包括gate帧（用于OLT向ONU分配带宽）和report帧（用于ONU向OLT报告带宽请求）。控制信息对可靠性要求较高，因此置于调制分层的第一层中传输。在轮询周期开始时，ONU首先接收gate帧，然后ONU在各自分配的载波、时隙和调制分层中上传数据和report给OLT。此外，为了支持添加调制分层的带宽分配方法，gate帧和report帧需要进行相应修改，gate帧需要告知ONU 3种业务传输数据的调制分层以及在该层上传的数据所占用的载波和时隙，而report帧需要上报3种业务各自的带宽请求。增强型OFDM-PON的gate和report帧格式如图4所示。其中，report帧分3种业务上报各自的队列长度，gate帧除了授权载波和时隙外，还要告知ONU不同业务的授权调制分层。

3 增强型OFDM-PON中分层带宽分配算法

3.1 问题描述

增强型OFDM-PON系统带宽分配的目的是通过合理地分配调制分层、时隙、载波和比特等实现带宽利用率的最大化。带宽分配的优化目标为

并满足以下约束条件。

4) 无争用资源分配：设共有个ONU，同一个子载波在相同时隙内最多被一个ONU占用，即

3.2 LA-DBA算法步骤

针对增强型OFDM-PON结构下调制分层、载波、时隙、比特等多维带宽分配问题提出增强型OFDM-PON分层带宽分配算法（LA-DBA, layered algorithm of dynamic bandwidth allocation）。在增强型OFDM-PON系统分层结构中，各调制分层可采用不同的调制阶数，第一层调制阶数较低，以保证良好的传输性能，其余分层根据数据复制次数依次增加调制阶数，以弥补复制损失的带宽。同时，各层的调制阶数可根据各ONU的带宽需求动态调整。当带宽需求较高时，采用高阶调制方式保证传输速率；当带宽需求较低时，采用低阶调制方式保证传输可靠性。另外，在增强型OFDM-PON结构中，多业务传输机制体现在EF、AF、BE这3种业务分别分配到调制分层的第一层到第三层，其中，各层分配的带宽大小取决于EF、AF、BE业务的各自总带宽需求，并依此决定是否增加超过3层的结构，以及各层是否能分配其他业务带宽。

通过上述分析，LA-DBA算法可按照分层业务间带宽分配及各业务在ONU间带宽分配2个阶段执行。

第一阶段：分层业务间带宽分配。根据各ONU不同业务带宽需求，计算所需的最佳调制分层数量。以3层为基础，若3层无法满足所有ONU总带宽需求，则适当增加层数，考虑到层数过多会降低传输性能，故限定不超过5层。依据EF、AF、BE的业务需求决定各层调制阶数，进而决定各层能授予3种业务的带宽量，LA-DBA算法中决策分层结构、各层调制阶数和不同业务在各层授予带宽的流程如图5所示，具体步骤如下。

图5 增强型OFDM-PON中分层带宽分配整体流程（流程①）

步骤2 将3种业务总带宽需求与3层结构下的最大容量进行比较，若总带宽需求小于3层结构下系统带宽容量，跳至步骤3和步骤4（执行流程②，如图6所示）；否则跳至步骤5。

图6 第一阶段步骤3和步骤4详细流程（流程②）

步骤8 第五层调制阶数设为0，各业务不在第五层授予带宽，系统为4层结构。第四层则依据EF、AF、BE额外带宽请求授予第四层各业务带宽。

第二阶段：各业务在ONU间的带宽分配。为了增加带宽利用率，提高网络性能，保证带宽分配的相对公平，令带宽请求量大的ONU分配到更多带宽的同时请求量较小的ONU也能分配到充分的带宽，采用的分配策略为：根据各业务在各层授予的带宽量计算各业务的ONU平均带宽，据此进行高低业务负载ONU分类，并依次授予ONU在各层的各业务带宽。

通过上述的带宽层分配过程，可以确定EF、AF、BE这3种业务在各层中分配到的带宽量和分层结构中分配到的带宽总量，并确定每一层的调制阶数，接下来，进行3种业务在ONU间的带宽分配。

依据服务等级协议要求，根据各业务分配到的总带宽量，为ONU分配每种业务的最小保证带宽为

将各业务低负载ONU多余的带宽供给高负载ONU，所有低负载ONU多余的带宽总和为

将各业务低负载ONU多余带宽按比例分给高负载ONU，则每个高负载ONU得到的多余带宽为

OLT依据高负载ONU带宽请求从大到小的顺序，为每个高负载ONU分配授权带宽，为

按照第二阶段过程进行3种业务在ONU间的带宽分配，可以计算出ONU在各层的各种业务授权的带宽量。然后进行每个ONU在每一层占用的载波和时隙的分配，在每一层中按照ONU各业务带宽授予量从大到小的顺序进行时频资源分配，首先确定ONU的初始载波和时隙，接下来不断增加ONU的时频单元数量，每多分配一个时频单元就计算一次当前带宽量，如果当前带宽量不大于授权带宽量，则继续分配时频单元，否则给下一个ONU分配时频单元，直至分配完所有ONU的带宽授权或时频单元用尽为止。至此，完成了分层业务带宽分配和ONU间带宽分配。

4 算法仿真及性能分析

表2 仿真参数设置

对比算法采用传统单极性OFDM-PON系统动态带宽分配（UL-DBA, unable layered dynamic bandwidth allocation）算法[12]，该算法在U-OFDM调制技术下忽略调制分层对带宽分配的影响，目标是在系统总带宽一定条件下根据各ONU的业务需求为其分配最接近需求的授权带宽。在不同网络负载情况下执行LA-DBA及其对比算法UL-DBA，2种算法性能比较如图7~图10所示，图中横坐标负载定义为单位时间内系统需要传输的数据量（bit）与整个系统能够传输的数据量（bit）之间的比值。

随着上行负载的变化，OFDM-PON系统资源利用率的变化情况如图7所示。因为增强型OFDM-PON系统通过资源复用能提供比传统OFDM-PON系统更大的带宽容量。为保证LA-DBA与UL-DBA之间对比的公平性，这里的资源利用率被定义为系统有效吞吐量与系统无分层传输状态下初始容量（1 Gbit/s）的比值。随着上行负载的增大，OFDM-PON系统资源利用率增加，但增量不断减小，最后趋于平缓，这是因为随着负载的增加，每个ONU的各业务带宽请求逐渐增大，但整个光纤信道中支持上行传输的带宽资源是有限的，因此随着上行负载增加，OLT为ONU分配的带宽增量逐渐降低，资源利用率趋于平缓。低负载时，由于UL-DBA算法带宽分配较粗糙，单极性OFDM-PON系统分配了比请求量更多的带宽给ONU，虽然资源利用率比LA-DBA算法高，但会造成带宽资源浪费；高负载时，由于增强型OFDM-PON系统特有的分层传输结构，每个子载波通过分层传输得到有效复用，因此LA-DBA算法能实现比UL-DBA算法更高的资源利用率。

图7 LA-DBA和UL-DBA算法系统资源利用率对比

随着系统负载的变化，OLT端接收到的数据分组总数以及EF、AF、BE业务的数据分组总数在20个轮询周期仿真时间内的变化情况分别如图8和图9所示。图8中随着负载的升高，OLT接收的数据分组总数连续增加。在负载较低时，LA-DBA算法中OLT接收的数据分组总数和UL-DBA算法近似相等。随着上行负载逐渐增加，LA-DBA算法的接收数据分组总数逐渐高于UL-DBA算法，其原因是LA-DBA算法在带宽分配上更细化而且增强型OFDM-PON系统带宽容量更大，因此其在高负载时接收到的数据分组总数要大于UL-DBA算法。图9中OLT端接收到的EF、AF业务的数据分组总数近似相等且逐步增加，这是因为在2种算法中，EF和AF业务都为高优先级业务，优先分配带宽。EF数据分组总数少于AF，则是因为EF的数据分组到达率小于AF。在2种算法中，BE业务数据分组总数在负载增加到一定程度后出现下降，这是因为BE业务优先级最低，负载较高时留给BE的带宽资源不足。

图8 LA-DBA和UL-DBA算法在OLT端接收到的数据分组总数对比

图9 LA-DBA和UL-DBA算法在OLT端接收各业务数据分组对比

从图7~图9可以看出，LA-DBA算法在负载容忍性上要优于UA-DBA算法。这是由于LA-DBA算法依据增强型OFDM-PON特定的调制结构而设计，相较于UL-DBA算法，增加了一个调制分层的带宽维度，故LA-DBA算法的负载容忍性更高，带宽分配颗粒度更细化。

随着系统负载的增加，OLT端接收数据分组的平均时延的变化情况如图10所示。从图10可以看出，随着负载升高，平均数据分组时延在逐步增加，这是因为各个ONU的数据分组请求增多，在一个轮询周期内高优先级业务（EF、AF）占用带宽增多，而低优先级业务（BE）分配带宽减少，故低优先级业务不能在一个轮询周期内全部发送出去，造成多个轮询周期的队列等待，从而时延增加。LA-DBA算法的数据分组平均时延在高负载情况下要低于UL-DBA算法，这是因为LA-DBA算法基于增强型OFDM-PON系统结构，其系统带宽容量更大，而且其根据业务优先级不同，将业务合理分配到不同层结构中，使带宽分配更细化，避免造成系统带宽浪费。

图10 LA-DBA算法和UL-DBA算法在OLT端接收到各业务的数据分组平均时延对比

5 结束语

基于增强型OFDM-PON网络结构，本文提出多业务分层带宽分配算法，为新型OFDM-PON网络结构下的带宽分配算法设计提供了理论指导。仿真结果表明，基于增强型OFDM-PON结构的分层多维带宽分配算法相较于传统算法能承受更大的网络负载，并且在网络高负载条件下能保持较低的数据分组时延。

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Layered bandwidth allocation algorithm for multi-service in orthogonal frequency division multiplexing passive optical network

LIU Yejun, LIU Yuying, HAN Pengchao, WANG Jidong, GUO Lei

International Cooperation Laborary of Intelligent System School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

Due to the superiority in large bandwidth capacity and flexible resource allocation, orthogonal frequency division multiplexing passive optical network (OFDM-PON) has been recognized as one of the promising candidates for the next generation PON. There are many research works on the system architecture design of OFDM-PON. However, most of these works focused on the techniques of physical structure and signal transmission and less addressed the bandwidth allocation algorithms supporting the new types of system architecture. The bandwidth allocation in OFDM-PON, which is one of the key techniques to enable the access of multi-service, refers to the joint optimization of multi-dimensional resources in time domain, frequency domain and bits. A layered bandwidth allocation algorithm was proposed for multi-service in the enhanced system architecture of OFDM-PON, aiming at the efficient bandwidth resource utilization. Simulation results prove that the proposed bandwidth allocation algorithm outperforms the conventional algorithms without layered transmission significantly in terms of resource utilization and packet delay.

OFDM-PON, dynamic bandwidth allocation, layered bandwidth allocation, multi-service transmission

TP302

10.11959/j.issn.1000−436x.2018159

刘业君（1986−），男，辽宁丹东人，博士，东北大学副教授，主要研究方向为下一代光接入网、无线光融合通信与网络。