专利名称：快速响应的动态带宽分配方法、系统及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无源光网络，尤其涉及一种无源光网络中快速响应的动态带宽分配方法、系统及装置。
背景技术：
无源光接入网(PON)是一种利用光纤和光分离器等无源光器件构成光分步网络进行宽带接入的技术方案。它通常是由光线路终端(OLT)，光网络单元(ONU)和光分步网络(ODN)构成。图1显示了一个典型的无源光接入网。它包括OLT11，分支器12，一点对多点树形光分布网13和N个ONU，分别为ONU141，ONU142...ONU14N。其中，OLT通过一点对多点的树形ODN13与多个ONU进行通信。在通信方式上，下行采用的是广播方式，ONU根据数据分组的标识接收属于自己的数据分组。然而，上行采用时分复用(TDMA)方式共享带宽，ONU只能在分配给自己的时隙内向OLT传送信息，其他时间只能等待。ONU的上行传输时隙是由OLT分配的，OLT通过给ONU发送选通消息来通知其什么时候可以开始传输上行数据和传输多长时间。这样，OLT就可以在各ONU之间实现上行链路的带宽分配。由此可见，PON是一种基于一点到多点的网络结构的系统，所有ONU通过OLT的调度共享传输带宽。现有的PON技术包括基于异步传输模式(ATM)的APON/BPON，基于以太网的EPON和具有吉比特(Gigabit)速率的GPON。
由于PON上承载的数据业务往往具有突发性，如果只是简单地给各ONU分配一固定的带宽，可能产生以下情况一些ONU中到达的数据量很少，分配给它的带宽大部分没有被利用；然而，另外一些ONU中到达的数据量很大，分配给它的带宽根本无法满足需要。另外，同一个ONU也有可能在某一时段基本没有到达数据，因此在分配给它的时隙内没有数据要传输；而另一个时段却有大量数据到达。上述情况都会对PON系统宝贵的上行带宽造成巨大浪费。因此，为了有效地利用带宽，PON系统在上行方向上往往采用动态带宽分配(DBA)策略，即OLT根据ONU的实际业务状态动态地调整分配给ONU的上行带宽。
现有的动态带宽分配机制一般将上行带宽(上行传输时间)划分为等长或不等长的周期。所有ONU都在周期内的某段时间把其队列状态报告给OLT；OLT在收集全部所有ONU的状态信息后集中进行处理，从而决定下一周期每个ONU的发送开始时间和结束时间。然后OLT通过下行的选通消息通知ONU有关的信息。由于OLT进行处理需要一定的时间，ONU通常是在周期开始时就进行业务状态的报告，以保证OLT返回的选通消息能在下一周期开始之前到达ONU。为了说明的方便，以下将OLT分配给ONU的一段可长可短的连续的上行发送时间统称为一个“时隙”。
虽然上述方法能较好地实现动态带宽分配，但OLT需要在收集所有ONU的报告消息之后，集中进行带宽分配处理，然后发送选通消息。在这种情况下，为了支持固定比特率业务，OLT必须为各ONU分配一个独立于数据的专用时隙来发送报告消息。由于OLT只使用一个光接收机接收各个ONU发送来的信号，为了使OLT与收到的数据尽快同步，ONU在每个独立的发送时隙开始时都必须发送一段引导信号。此外，在两个独立的上行时隙之间通常应该插入一定间隔的保护带宽。这样，独立于数据的专用报告时隙的引入就降低了系统的带宽利用率。此外，上述传统方法在支持固定比特率(CBR)业务时，OLT一般将上行传输时间划分为等长的周期。但由于PON系统中传输的数据包可以是不等长的(在EPON和GPON协议中都要求PON系统支持可变长度的以太网数据包的传输)，这必然导致在每个周期内都有一部分上行带宽无法分配，原因是它们无法容纳某一特定长度的数据包。
此外，传统方法并没有为各ONU参与带宽分配的公平性问题提供解决方案，只是把所有的分配决策权交给了OLT。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种在无源光网络中快速响应的动态带宽分配方法、系统及装置，从而在支持一定的业务质量的同时，提高网络的带宽利用率，并降低对设备的要求。
为了解决上述问题，根据本发明，提供了一种无源光网络中快速响应的动态带宽分配方法，所述无源光网络包括光线路终端和多个光网络单元，所述光线路终端通过一点到多点的树形光分布网与所述多个光网络单元进行通信，下行采用广播方式，上行采用时分复用方式，所述方法包括如下步骤所述光网络单元向所述光线路终端发送报告消息；收到所述报告消息后，所述光线路终端立即对其进行处理，并立即向所述光网络单元发送相应的选通消息。
本发明还提供了一种无源光网络中快速响应的动态带宽分配系统，所述无源光网络包括光线路终端和多个光网络单元，所述光线路终端通过一点到多点的树形光分布网与所述多个光网络单元进行通信，下行采用广播方式，上行采用时分复用方式，所述光网络单元向所述光线路终端发送报告消息；收到所述报告消息后，所述光线路终端立即对其进行处理，并立即向所述光网络单元发送相应的选通消息。
本发明还提供了一种无源光网络中的光网络单元，它包括缓存装置，用于缓存业务数据；获取装置，用于从缓存装置获取报告消息；发送装置，用于发送从缓存装置来的业务数据和从获取装置来的报告消息。
本发明还提供了种无源光网络中的光线路终端，它包括接收处理装置，用于当收到报告消息后，立刻对其进行处理；发送装置，用于当所述接收处理装置处理完所述报告消息后，立即发送相应的选通消息。
优选地，所述报告消息和业务数据是在同一时隙内发送的。
优选地，所述报告消息的长度是固定的，并且包括两个状态信息最小队列状态和最大队列状态，此两个状态信息是包含完整数据包的长度状态。
优选地，所述光线路终端为每个光网络单元规定一个最小保证带宽。
优选地，所述为每个光网络单元规定的最小保证带宽满足如下条件NG+(1～3)×(L-G)≤B其中N为光网络单元的个数，G为光线路终端为每个光网络单元规定的平均最小保证带宽，L为所有光网络单元在两个周期内到达的业务数据所要求的平均带宽，B为周期内总的上传带宽。
优选地，所述最小保证带宽是通过下行管理链路发送给光网络单元的。
优选地，最小队列状态和报告消息所要求的带宽之和小于或等于最小保证带宽。
优选地，所述选通消息包括最大要求带宽或最小要求带宽值，其中，最大要求带宽是最大队列状态和报告消息所要求的带宽之和；最小要求带宽是最小队列状态和报告消息所要求的带宽之和。
优选地，光线路终端先满足同一周期内先到达的报告消息的要求，当与该消息对应的最大要求带宽与已经为已发送报告消息的光网络单元预留的带宽以及为尚未发送报告消息的光网络单元预留的最小保证带宽之和小于一个周期内的总带宽时，光线路终端为发送该报告消息的光网络单元发送包括最大要求带宽值的选通消息，否则，发送包括最小要求带宽值的选通消息。
优选地，光线路终端对光网络单元的报告消息的处理顺序是循环移位的。
优选地，时分复用的周期不是固定的，在某个标准的周期值附近变化。
优选地，所述缓存装置的长度至少是两个周期内到达的业务数据的平均长度的3倍。
采用本发明后，能取得如下的有益效果提高了网络的带宽利用率，改善了系统的传输性能；本发明采用的快速带宽分配方法十分简单，有利于硬件实现；即时的带宽分配策略使光网络单元有充足的时间进行上行数据流的装配，降低了ONU对处理速度的要求，节约了成本；能在保证一定带宽的基础上实现在各ONU之间公平的带宽分配，并且使各ONU具有一定的业务质量保证。
图1显示了一个典型的无源光接入网；图2显示了一个“按顺序优先”带宽分配方法的符号示意图；图3显示了“准周期”的示意图；图4显示了“循环移位”的示意图；图5显示了光网络单元的示意图；图6显示了光线路终端的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如前面所述，图1显示了一个典型的无源光接入网。它包括OLT11，分支器12，一点对多点树形光分布网13和N个ONU，分别为ONU141，ONU142...ONU14N。其中，OLT通过一点对多点的树形ODN13与多个ONU进行通信。在通信方式上，下行采用的是广播方式，ONU根据数据分组的标识接收属于自己的数据分组。上行采用时分复用(TDMA)方式共享带宽，ONU只能在分配给自己的时隙内向OLT传送信息，其他时间只能等待。
在本发明的一个实施方式中，OLT对到达的报告消息立即进行处理，并立即发送相应对选通消息，而不是像现有技术中，OLT是在收集所有ONU的报告消息之后，集中进行带宽分配处理，然后发送选通消息。在极端情况下，会出现这种情况，某个ONU报告消息要求的传输带宽很大，从而导致下一周期其他的ONU将无法传输业务数据。为了使每个ONU都能提供一定的业务质量(QoS)保证，在本发明的一个实施方式中，OLT为每个ONU规定一个最小保证带宽，并且通过下行管理链路把该最小保证带宽通知给ONU。这样，OLT和相应的ONU都知道该最小保证带宽。该最小保证带宽可以根据情况变化，在极端情况下，也可以是零。因此，即使OLT没有收到ONU的报告消息，它仍然知道特定周期内应该为每个ONU预留的总的保证带宽。
在本发明的一个实施方式中，每个ONU的报告消息是定长的，且包括两个信息最小队列状态所要求的带宽和最大队列状态所要求的带宽，分别用Smin和Smax表示。
在本发明的一个实施方式中，报告消息紧随在业务数据之后被发送，而不需要为其提供独立的发送时隙。因此，OLT除了要考虑业务数据需要的带宽外，还必须考虑报告消息本身要求的带宽和保护带宽。在下面的描述中，为了简便，将保护带宽计入报告消息。此时，Smin指队列状态所要求的带宽，它小于或恰好等于最小保证带宽减去报告消息带宽之后的值，Smax指当前队列状态所要求的带宽。当Smax小于最小保证带宽时，Smin＝Smax。
由于队列的占用状态随着到达数据包的长度变化，而到达的数据包的长度不是固定的，而是变化的。为了简化PON系统，使其不需要具备复杂的上层装配功能，并且能充分利用带宽，在本发明的一个实施方式中，ONU报告的队列状态所要求的带宽信息必须使其能够发送一定数量的完整的数据包，因此上述两个信息都必须是包含完整数据包所要求的带宽信息。
在本发明的一个实施方式中，快速的动态带宽分配过程如下(1)在一个周期内OLT只为各ONU分配一个上行数据传输时隙，该时隙的长度是与选用的ONU队列状态和报告消息所要求的带宽之和相对应；(2)ONU在OLT分配的时隙内将报告消息和数据一起上传给OLT，报告消息紧随在业务数据之后被发送，而不需要为其提供独立的发送时隙；(3)OLT立即对到达的报告时隙进行处理，并立即发送相应的选通消息告诉该ONU下一周期的上行传输时隙；(4)ONU在收到选通消息后根据其中的信息安排下一轮的数据上传。
在本发明的一个实施方式中，OLT采用“按顺序优先”策略来处理报告消息。即，在可能的情况下，OLT尽量满足同一周期内先到达的报告消息的要求，但是OLT必须为其他ONU预留下许诺的最小保证带宽。另外，OLT在带宽计算中使用了最大要求带宽和最小要求带宽这两个值。其中最大要求带宽等于ONU报告的最大队列状态和报告消息所要求的带宽之和；最小要求带宽是指ONU报告的最小队列状态和报告消息所要求的带宽之和。
图2显示了一个“按顺序优先”带宽分配方法的符号示意图。如图所示，如果一个周期内总的上传带宽为P，ONU的数量为N，OLT许诺给各ONU的保证带宽分别为G1，G2...GN，且各ONU分配的带宽分别用V1，V2，V3...Vi-1表示。如果由第i个ONU报告的队列信息得到该ONU的最大要求带宽为Maxi，最小要求带宽为Mini，则“按顺序优先”的方法分配给ONUi的带宽Vi可用下式表示 在本发明的一个优选实施方式中，为了快速处理的需要，用两个变量分别保存 和 的值，并在每次分配完成后对它们进行修改。在此实施方式中，每次分配只需要进行5次加法，1次减法和1次判断。其中，求最大要求带宽和最小要求带宽分别各一次加法，求和两次加法，修改 和 的值分别用一次加法和一次减法。此外，在本发明的另一个实施方式中，为了在每个周期开始时不用对 进行累加，采用一个特定的变量保存该累加值。
由前面对最小要求带宽的定义可知，总的最小保证带宽总是大于或等于总的最小要求带宽。所以，OLT为后续ONU预留的带宽不可能被充分利用。同样地，在其他的带宽分配方法中也存在带宽不能被充分利用的问题，只是没有像在前面所述的“按顺序优先”的方法中那么严重。因此，在本发明的一个实施方式中，采用了“准周期”。它的意思是周期的长度不再固定不变，而是动态变化的，即根据实际的带宽分配状况将剩余带宽计入下一周期进行分配。之所以能够实现此实施方式是因为OLT在收到本周期ONU的报告消息后所作处理都是为了实现该ONU在下一周期的上行传输，所以，OLT可以随时对周期长度作出调整。这样，实际的周期长度是在一个标准周期长度附近变化。优选地，为了更好的支持8KHZ抽样的传统语音业务，标准周期的长度为125μs。当然，本发明并不局限于此，标准周期的长度可以是其他的值。在同一“准周期”内，PON系统中所有ONU各完成一次数据上传。同时，OLT按报告消息到达的先后顺序依次为各ONU分配下一“准周期”的上传带宽。
图3显示了“准周期”的示意图。如图所示，如果系统的标准周期内可以分配的带宽为P＝P0，OLT在第i个周期完成最后一个ONU的分配后的剩余带宽为Δi。那么在下一周期，OLT可以分配的带宽变为Pi+1′＝P0+Δi。
为了防止在负荷较低的情况下Δi无限增大，在本发明的一个实施方式中，当Δi≥P0时，Pi+1′＝Δi。这样，PON系统在负荷较低时完成一轮上传的时间较短；而当负荷较重时，仍然能保证各业务的质量要求。在OLT为各个ONU在每个周期内分配一定数量带宽的情况下，即使是像语音业务一样的实时固定比特率(CBR)业务，由于OLT侧的时钟与ONU的完全一样，只要在出口处加上一小段缓冲机制就可以完全恢复该业务流。另外，此实施方式能使OLT尽快发现新加入的ONU。这是因为当负荷较低时“准周期”长度较短，如果每隔M(M为一常数)个“准周期”就进行一次新加入的ONU的搜索，那么负荷较低时新ONU很快就能被发现。而当负荷较高时，虽然发现时间延长了，但本实施方式仍然能保证及时发现新的ONU。
如前面所述，通过“按顺序优先”的带宽分配方法和“准周期”的引入，PON已经能充分利用所有带宽。而且，在一个“准周期”内，先发送报告消息的ONU对带宽拥有一定的分配优先权。但是，由于ONU的报告消息是在OLT分配的上传时间的起始阶段和后续业务数据一起发送给OLT，而OLT是根据到达的报告消息的先后顺序依次为ONU分配下一“准周期”的上传时间，这种先到先分配的策略将永远使“准周期”内第一个发送报告消息的ONU处于带宽分配的最高优先级，从而导致其他ONU不能得到公平的待遇。
因此，在本发明的一个实施方式中，采用“循环移位”的策略来克服带宽分配不公的问题。即在每个“准周期”内，OLT不立即处理第一个到达的报告消息，而是将其信息存储起来；从第二个报告消息开始，OLT以“按顺序优先”的方法分配带宽；直到完成该“准周期”内最后一个报告消息的处理后，OLT才处理第一个到达的报告消息，为对应的ONU分配带宽。上述情况实际上是在各“准周期”内实现了ONU上传次序的循环移位，且该循环移位的移位步长为1。图4显示了“循环移位”的示意图。然而，本领域的技术人员应当理解，本发明对循环移位的方式和步长不做出具体规定，只要求其能实现对各种次序的遍历。
图5显示了光网络单元的示意图。如图所示，光网络单元50包括获取装置51，缓存装置52和发送装置53。其中获取装置51从缓存装置中获得包括最大队列状态和最小队列状态所要求的带宽信息的报告消息，并把该报告消息发送给发送装置53。缓存装置用于缓存用户的业务数据，并在适当的时候把业务数据发送给发送装置53。当轮到该光网络单元的时隙时，发送装置53向光线路终端发送业务数据和报告消息。
如前面所述，在步长为1的“循环移位”方式下，第一个发送报告的ONU只有到了最后才被处理，这就使该ONU的上传间隔时间增加了一倍。因此，在本发明的一个实施方式中，为了防止具有突发性的业务数据在此期间溢出，每个ONU的缓存装置的长度至少是两个标准周期内到达的业务数据的平均长度的3倍。
为了确保各周期第一个发送报告消息的ONU进行数据上传后能基本清空其缓存装置，以便有更多的缓存空间来存储到达的业务数据，OLT在确定各ONU的最小保证带宽时应使所有上传带宽除了满足所有ONU的保证带宽外，还应该留有一定的自由空间。在本发明的一个实施方式中，当所有ONU两个标准周期内到达的业务数据所要求的平均带宽为L，各ONU的平均保证带宽为G，该自由空间的带宽至少应该是(L-G)的1倍～3倍。在考虑了准周期的情况下，该自由空间的带宽并不会对上传带宽的利用率产生任何影响。
图6显示了光线路终端的示意图。如图所示，光线路终端60包括接收处理装置61，用于当收到光网络单元发来的业务数据和报告消息后，对其进行即时处理。光线路终端60还包括发送装置，用于当所述处理装置处理完所述报告消息后，即时向所述光网络单元发送相应的选通消息。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种无源光网络中快速响应的动态带宽分配方法，所述无源光网络包括光线路终端和多个光网络单元，所述光线路终端通过一点到多点的树形光分布网与所述多个光网络单元进行通信，下行采用广播方式，上行采用时分复用方式，其特征在于，所述方法包括如下步骤所述光网络单元向所述光线路终端发送报告消息；收到所述报告消息后，所述光线路终端立即对其进行处理，并立即向所述光网络单元发送相应的选通消息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述报告消息和业务数据是在同一时隙内发送的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述报告消息的长度是固定的，并且包括两个状态信息最小队列状态和最大队列状态，此两个状态信息是包含完整数据包的长度状态。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述光线路终端为每个光网络单元规定一个最小保证带宽。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，为每个光网络单元规定的最小保证带宽满足如下条件NG+(1～3)×(L-G)≤B其中N为光网络单元的个数，G为光线路终端为每个光网络单元规定的平均最小保证带宽，L为所有光网络单元在两个周期内到达的业务数据所要求的平均带宽，B为周期内总的上传带宽。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述最小保证带宽是通过下行管理链路发送给光网络单元的。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，最小队列状态和报告消息所要求的带宽之和小于或等于最小保证带宽。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述选通消息包括最大要求带宽或最小要求带宽值，其中，最大要求带宽是最大队列状态和报告消息所要求的带宽之和；最小要求带宽是最小队列状态和报告消息所要求的带宽之和。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，光线路终端先满足同一周期内先到达的报告消息的要求，当与该消息对应的最大要求带宽与已经为已发送报告消息的光网络单元预留的带宽以及为尚未发送报告消息的光网络单元预留的最小保证带宽之和小于一个周期内的总带宽时，光线路终端为发送该报告消息的光网络单元发送包括最大要求带宽值的选通消息，否则，发送包括最小要求带宽值的选通消息。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，光线路终端对光网络单元的报告消息的处理顺序是循环移位的。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，时分复用的周期是固定的。
12.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，时分复用的周期不是固定的，在某个标准的周期值附近变化。
13.一种无源光网络中快速响应的动态带宽分配系统，所述无源光网络包括光线路终端和多个光网络单元，所述光线路终端通过一点到多点的树形光分布网与所述多个光网络单元进行通信，下行采用广播方式，上行采用时分复用方式，其特征在于，所述光网络单元向所述光线路终端发送报告消息；收到所述报告消息后，所述光线路终端立即对其进行处理，并立即向所述光网络单元发送相应的选通消息。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述报告消息和业务数据是在同一时隙内发送的。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述报告消息的长度是固定的，并且包括两个状态信息最小队列状态和最大队列状态，此两个状态信息是包含完整数据包的长度状态。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述光线路终端为每个光网络单元规定一个最小保证带宽。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，为每个光网络单元规定的最小保证带宽满足如下条件NG+(1～3)×(L-G)≤B其中N为光网络单元的个数，G为光线路终端为每个光网络单元规定的平均最小保证带宽，L为所有光网络单元在两个周期内到达的业务数据所要求的平均带宽，B为周期内总的上传带宽。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述最小保证带宽是通过下行管理链路发送给光网络单元的。
19.如权利要求16所述的系统，其特征在于，最小队列状态和报告消息所要求的带宽之和小于或等于最小保证带宽。
20.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述选通消息包括最大要求带宽或最小要求带宽值，其中，最大要求带宽是最大队列状态和报告消息所要求的带宽之和；最小要求带宽是最小队列状态和报告消息所要求的带宽之和。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，光线路终端先满足同一周期内先到达的报告消息的要求，当与该消息对应的最大要求带宽与已经为已发送报告消息的光网络单元预留的带宽以及为尚未发送报告消息的光网络单元预留的最小保证带宽之和小于一个周期内的总带宽时，光线路终端为发送该报告消息的光网络单元发送包括最大要求带宽值的选通消息，否则，发送包括最小要求带宽值的选通消息。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，光线路终端对光网络单元的报告消息的处理顺序是循环移位的。
23.如权利要求13-22中任一项所述的系统，其特征在于，时分复用的周期是固定的。
24.如权利要求13-22中任一项所述的系统，其特征在于，时分复用的周期不是固定的，在某个标准的周期值附近变化。
25.一种无源光网络中的光网络单元，其特征在于，它包括缓存装置，用于缓存业务数据；获取装置，用于从缓存装置获取报告消息；发送装置，用于发送从缓存装置来的业务数据和从获取装置来的报告消息。
26.如权利要求25所述的光网络单元，其特征在于，所述缓存装置的长度至少是两个周期内到达的业务数据的平均长度的3倍。
27.一种无源光网络中的光线路终端，其特征在于，它包括接收处理装置，用于当收到报告消息后，立刻对其进行处理；发送装置，用于当所述接收处理装置处理完所述报告消息后，立即发送相应的选通消息。
全文摘要
本发明公开了一种无源光网络中快速响应的动态带宽分配方法、系统及装置，该无源光网络包括光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)，所述OLT通过一点到多点的树形光分布网与所述多个ONU进行通信，下行采用广播方式，上行采用时分复用方式，所述ONU向所述OLT发送报告消息；收到所述报告消息后，所述OLT立即对其进行处理，并立即向所述ONU发送相应的选通消息。所述ONU包括缓存装置，用于缓存业务数据；获取装置，用于从缓存装置获取报告消息；发送装置，用于发送业务数据和报告消息。所述OLT包括接收处理装置，用于收到报告消息后，立即对其进行处理；发送装置，用于当处理完所述报告消息后，立即发送相应的选通消息。
文档编号H04B10/00GK1728640SQ200410053138
公开日2006年2月1日 申请日期2004年7月26日 优先权日2004年7月26日
发明者邹伟, 金珊, 赵岩, 桂洛宁 申请人:上海贝尔阿尔卡特股份有限公司