专利名称：OFDM-PON系统中基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)系统中一种新型的基于QoS的 周期轮询动态带宽分配算法，属于光纤通信系统的范畴。
背景技术：
众所周知，hternet业务的爆炸式增长和多媒体技术的不断进步，刺激了通信网 的数字化，IP化，智能化和个人化等方面的飞速发展。目前传输网已经基本实现了数字化 和光纤化，交换网也基本实现了数字化和程控化，而以铜线为主，被称为“最后一公里”的用 户接入网则发展缓慢，直接影响了电信网所提供的业务的容量、质量、速度已经网络资源的 开发利用，已经成为了制约全网发展的瓶颈所在。
在有线接入技术上，目前应用最广泛的是铜线接入技术(诸如DSL、ADSL等)。尽 管人们采用了多种措施来提高双绞铜线对的传输能力，最大限度保护现有投资，但是铜线 本身存在频带窄、损耗大、维护费用高等固有缺陷。因此，为了适应未来复杂的接入环境以 及不断增长的接入带宽的需求，开发一种具有宽频带、大容量、损耗小、不易受电磁干扰的 有线接入网技术刻不容缓。
光纤接入网(OAN)与传统意义上的光线传输系统不同，是一种针对接入网环境所 设计的特殊的光纤传输网络。它的最主要的优点是支持宽带业务，能够有效解决接入网“最 后一公里”的带宽瓶颈问题，而且传输距离长、质量高、可靠性好。并且可以根据分路方式的 不同可以分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON)。而PON由于其技术实现成本低、可靠 性高已经成为主流的光接入网解决方案。目前主流的PON技术主要是基于时分复用多址接 入(TDMA)技术，例如ATM-P0N(APON)，吉比特PON(GPON)，以太网PON(EPON)等，能够向每 个用户提供兆比特每秒级别的带宽。但是，由于有线接入网络的带宽需求随着诸如高清电 视、高速数据传输、多媒体会议、多媒体网络游戏等新兴业务的出现而爆炸式的增长，现有 的PON技术将不能够满足这飞速发展的带宽需求。所以，对大容量、多业务、高可靠性及廉 价的光纤接入网的研究方兴未艾。波分复用无源光网络(WDM-PON)就是为了满足未来高速 增长需求而开发出来的一种高速接入网。WDM-PON能够给一个或几个用户提供一个特定的 波长进行传输从而实现高速接入。但是，由于其技术本身的弱点导致其网络设备及其昂贵， 由于带宽粒度过大而导致的服务质量(QoS)无法保障等种种致命缺点，已经表明WDM-PON 并不适合作为下一代高速有线接入网络技术的解决方案。
OFDM技术是一种多载波调制(MCM)技术，是在无线通信中被IEEE 802. 11G、数字 音频广播(DAB)、IEEE 802. 16等标准广泛采用的高速传输技术，并且是目前已知的频谱利 用率最高的一种调制技术。它基本原理是将高速的串行数据流分解成若干并行的低速子 数据流同时传输；在频域上可描述为在频域内将给定的信道划分为一系列相互正交的且 相互重叠的子信道，每个子信道使用单个子载波独立进行调制，进行并行传输。
OFDM-PON技术是将OFDMA (正交频分复用多址接入)技术应用于PON的上行信道 中的一种新型光接入网技术。由于引入了 OFDMA技术作为其上行信道的多址接入技术，所以这种新型的PON结构具有ΑΡΟΝ、EPON、GPON等传统PON技术所没有的有点1)由于OFDM 是多载波调制(MCM)系统，提高了系统的频带利用率；2)电域OFDM调制有效的降低了网络 设备的造价，有利于技术的推广；幻较强的抗色度色散和抗偏振模色散能力；4)在OFDM发 射接收机端，信号处理实现比较简单，调制过程可以用反快速傅里叶变换(IFFT)，解调可以 用快速傅里叶变换(FFT)完成；5)良好的带宽粒度，支持动态带宽分配，适合给PON系统提 供上行业务的QoS保障。这几点是传统的PON技术向10(ibpS以及更高速发展的主要限制， 所以OFDM-PON技术可望在下一代光接入网络系统中占据重要地位。
由于OFDM-PON技术提出的时间并不久，目前并没有合适的与之适配的动态带宽 分配(DBA)算法。原有的PON技术的动态带宽分配算法主要都是基于TDMA而设计的，例如 基于EPON架构的自适应周期间插轮询(IPACT)算法等，不能够适应新型的OFDM-PON架构 的特点，所以开发一种新型的、能够良好的适配OFDM-PON系统的并且能够满足多业务接入 服务质量(QoS)需求的动态带宽分配算法势在必行。
为了实现上述目标，本发明提出了一种在OFDM-PON系统中基于QoS的周期轮询动 态带宽分配算法。发明内容
本发明提出一种在OFDM-PON系统中基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法。该 算法利用基于QoS的周期轮询二级动态带宽分配方法，不仅可以保障高优先级业务对的低 时延和低时延抖动的要求，并且能够保证不同优先级业务之间带宽分配的QoS要求以及各 个ONU之间同优先级业务带宽竞争的公平性。
本发明提出了一种在OFDM-PON系统中基于QoS的动态带宽分配算法，解决了现存 的动态带宽分配算法的一些不足，其主要特点是
1)使用二级带宽分配方法，保障了不同业务不同的QoS要求，和不同ONU相同优先 级业务间带宽分配的公平性。
2)采用统计系统不同业务带宽申请比例及设定优先参数的方式对业务间带宽实 行动态分配，有效的兼顾了不同业务间带宽分配的优先性和公平性。
3)采用最小带宽申请优先法则分配不同ONU之间的同优先级业务的带宽，有效的 保障了带宽分配的公平性。
4)采用固定周期轮询及独立的控制信道，有效的降低了系统的控制复杂度和控制 开销。
本发明是基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法，采用的方法基本可分为三个部 分
1)最高优先级业务带宽分配采用完全满足其带宽申请的方式进行动态带宽分 配。
2)优先级间带宽分配部分0LT利用对系统不同优先级业务的长期统计值估计下 一周期的不同优先级间带宽申请的比例，并由此为依据结合优先级参数对不同优先级间业 务的带宽进行分配。
3)各个ONU同优先级业务之间带宽分配部分采用最小带宽申请优先的原则对各 个ONU的带宽申请进行动态带宽分配。
本发明提出的动态带宽分配算法采用优先级间和优先级内二级带宽分配方式，兼 顾了各个优先级间带宽分配的优先性和公平性，保障了同优先级内带宽分配的公平性。
本发明提出的基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法具有如下优点
1)本发明合理的利用了 OFDM-PON的上行信道结构，采用专用的子载波作为控制 信道并且OLT对ONU采用固定周期轮询的方式收集带宽申请消息，有效的简化了系统控制 过程，降低了控制开销。
2)本发明充分的平衡了各个优先级之间带宽分配的优先性和公平性，既保证了高 优先级业务占有带宽的优先性，也保证了各个优先级之间带宽分配的相对公平性。
3)本发明充分的保证了各个ONU之间带宽分配的公平性，防止了某个或者某几个 ONU占据大部分带宽而使其余ONU不能够得到QoS保障的情况。
4)为各个业务根据其数据流特性提供了最大限度的QoS保障。
5)本发明采用的动态带宽分配算法复杂度低，实用性强。
为了更清楚地说明本发明所提出的技术方法，下面将对本发明实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的 附图。
图1是本发明所基于的OFDM-PON的典型场景示意图2是本发明的OFDM-PON系统的上行信道分配示意图3是本发明OLT和ONU之间的控制信息交互示意图4是本发明基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法的总体流程图5是本发明实施列的优先级间带宽分配算法的流程图6是本发明实施列的可变比特率(VBR)业务的动态带宽分配流程图7是本发明实施列的各个业务的平均包时延仿真结果图8是本发明实施列的各个ONU的VBR业务的平均包时延仿真结果图9是本发明实施列的各个ONU的UBR业务的平均包时延仿真结果图10是本发明实施列的各个业务的丢包率仿真结果图11是本发明实施列的各个ONU的VBR业务的丢包率仿真结果图12是本发明实施列的各个ONU的UBR业务的丢包率仿真结果图13是本发明实施列的各个业务的吞吐量的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明光OFDM-PON系统中基于QoS的周期轮询动 态带宽分配算法进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施 例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性 劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图一是本发明基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法所适用的OFDM-PON系统典 型架构图。OFDM-PON和普通的PON技术一样，主要由位于局端的101光线性终端(OLT)，位于小区的105光分配网络(ODN)和位于用户端的109光网络单元(ONU)三部分构成。101 是位于局端的0LT，是整个OFDM-PON系统的核心，实现对各个ONU的控制、管理、测距等一系 列功能。OLT —端连接100城域网、视频点播、有线电视等业务中心，另一端通过103单纤连 接到实现分波合波功能的1050DN。109，110，111等是位于用户端的0NU，0NU —端向用户提 供数个接口，供不同优先级的业务接入使用，另一端连接到1050DN。
在OFDM-PON系统中，由于采用了正交频分复用多址接入(OFDMA)技术，所对应的 信道分配策略与基于TDMA的PON系统有很大的不同。在下行方向，OLT采用102以为中 心频率的OFDM调制方式向各个ONU广播所有下行流量，而各个ONU则侦听OLT的下行广播 流量，根据自身的MAC地址接收特定的广播帧。在上行方向使用OFDMA方式进行实现ONU 的多址接入，每个ONU通过OFDM调制的光信号向1050DN发送自身的上行流量，ODN则将收 到的各个ONU的光信号合成并复用为一个光信号发送给0LT，实现上行流量的发送。如图 一中的1090NU1调制于106子载波f2，1100NU2调制于107子载波f3，0NU3调制于108子载 波f4，通过1050DN合成为104 —个OFDM方式调制的光信号。1050DN将该光波信号发送给 1000LT从而完成上行流量的传输。
图二是对OFDM-PON的上行信道的信道分配图示意图。由于OFDM-PON上行信道采 用OFDM调试方式是一个多载波系统，所以对带宽资源进行了 200频域和207时域的二维划 分，形成了一个201子信道/时隙的二维复用的带宽资源模式。如201子信道/时隙为带 宽分配粒度，可以由OLT动态分配给各个ONU使用。在频域上，将OFDM的子载波被分为J 组，其中将第1至J-I号信道作为流量负载信道，206第J号信道作为205控制信道。在时 域上，204为系统的轮询周期以参数Teyele表示，202为各个轮询周期之间的时间间隔。系统 中 T。y。le 和 Wcontrol 间需满足公式(ι)。Γ1T
cycle ^ —- + ^dba⑴control
其中W。。ntral为控制信道的带宽，T。y&为系统的轮询周期，N为系统中最大的ONU的 数量，C为各个ONU上报带宽请求信息的数据包大小，Tdba为系统进行DBA和带宽分配及结 果广播等的时间开销。
图三是本发明所使用的OLT和ONU之间控制信号交互的示意图。304注册模式 是ONU动态注册进入OFDM-PON系统中的信令交互方式。3000LT和301ONU之间通过交 换 302DISC0VER GATE 帧、303REGISTER REQUEST 帧、305REGISTER ACK 帧、306REGISTER CONFIRM帧实现ONU的动态进入OFDM-PON拓扑中。310是OFDM-PON在运行模式下OLT和 各个ONU之间交互的必要的控制信息。
在308第i周期内，各个3010NU在318带宽请求时间门限内通过控制信道以 307BANDWIDTH REQUEST帧的方式依次向3000LT发送带宽申请消息。在3000LT完成对各个 3010NU的带宽请求消息的收集之后，在317DBA时间门限内完成动态带宽分配算法的运行， 并在本周期剩余的时间内以广播309BANDWIDTH GRANT帧的方式将带宽分配结果矩阵广播 给各个ONU以完成动态带宽分配过程。在311第i+Ι周期内，各个ONU按照308第i周期 OLT给各个ONU分配的带宽向OLT传输各个优先级的312上行数据。同时在311第i+Ι周 期ONU和OLT还通过控制信道进行第i+2周期的带宽申请，这样就实现了带宽请求和负载 流量传输同时进行的流水线模式，提高了带宽利用率。
316是ONU动态退出OFDM-PON拓扑的信令交互模式，30IONU和3000LT之间通过 313DEREGISTER REQUEST 帧、314DEREGISTER ACK 帧、315DEREGISTER CONFIRM 帧实现了 ONU 的动态退出。
图四是基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法的总体流程图。此算法核心为通过 周期性的收集各个ONU的各个优先级业务的带宽申请，在OLT中调用动态带宽分配算法使 系统实现最优的带宽利用状态，最大限度的利用有限的带宽资源为各个接入业务提供不同 级别的QoS保障。为了提供不同级别的业务，我们将接入也为分成了三个优先级1)恒定 比特流(CBR)业务，主要为语音，透明传输等最高优先级的业务，该类业务对系统时延和时 延抖动均很敏感，但是流量稳定；幻可变比特流(VBR)业务，主要为视频业务等，该类业务 对抖动较为敏感；幻不定比特流(UBR)业务主要为数据业务，主要为网络接入业务等，该类 业务突发性强，但是对时延及抖动均不敏感。
400表示OLT在动态带宽分配算法运行的第i个周期内完成对各个ONU的带宽申 请消息的收集，收集到的消息的内容包括了各个ONU的各个优先级的带宽申请，可以以矩 阵B表示。
权利要求
1.一种OFDM-PON系统中基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法，其特征在于为OFDM-PON提供了一种基于QoS的动态带宽分配算法解决方案，该算法复杂度低，控 制开销低，实现简单；不仅保障了不同业务间的QoS要求，而且保障了和不同ONU相同优先 级业务间带宽分配的公平性。
2.根据权利要求1所述一种OFDM-PON系统中基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法， 其特征在于它可以分成三个部分一、基于各个光网络单元(ONU)的带宽申请对一个或几个最高 优先级业务的带宽分配；二、基于对长期业务数据统计信息的估计，进行优先级间的带宽分 配；三、基于最小带宽申请优先原则进行不同ONU同优先级业务间的带宽分配。
3.根据权利要求1-2所述的一种OFDM-PON系统中新型的基于QoS的周期轮询动态带 宽分配算法，周期轮询的方法，其特征在于根据OFDM-PON系统的子载波个数、带宽等具体情况，轮询周期和控制信道的设置方式 是可变的，根据不同的应用场合，本发明利用控制信道收集各个ONU的带宽申请消息部分， 可以采用任何合适的处理方法。
4.根据权利要求1-2所述的一种OFDM-PON系统中基于QoS的周期轮询动态带宽分配 算法，优先级的划分方式，其特征在于根据不同的应用场合，本发明的业务优先级划分方式，完全满足带宽的最高优先级数 量可以没有，也可设置为一个、两个等，需进行优先级间带宽分配的优先级个数也可以任 意，其优先级划分方式可以采用任何合适的处理方法。
5.根据权利要求1-2所述的一种OFDM-PON系统中新型的基于QoS的周期轮询动态带 宽分配算法，不同优先级间带宽分配方法，其特征在于基于对系统的不同优先级间的业务比例的统计的时间长度是可变的，并且优先级间带 宽分配的优先级常数也是可变的，根据不同的应用场合，本发明利用的不同优先级间的带 宽分配算法，可以采用任意的统计长度和任意的优先级常数。
6.根据权利要求1-2所述的一种OFDM-PON系统中新型的基于QoS的周期轮询动态带 宽分配算法，不同ONU中同优先级业务间的带宽分配算法，其特征在于根据优先级间带宽分配的结果，采用最小带宽申请最优法则对各个带宽申请进行响 应，根据实际需要，本发明可以采用不同的具体实现方式。
7.根据权利要求1-6所述的一种OFDM-PON系统中新型的基于QoS的周期轮询动态带 宽分配算法，适用于64、1观、256、512、1024、2048等不同子载波个数的OFDM-PON系统。
全文摘要
本发明公开了一种正交频分复用无源光网络系统(OFDM-PON)中基于服务质量(QoS)的周期轮询动态带宽分配算法，属于光纤通信系统的范畴。此基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法通过优先级间和优先级内部二级动态带宽分配机制，平衡了各个优先级之间带宽分配的优先性和公平性，既保证了高优先级业务占有带宽的优先性，也保证了各个优先级之间带宽分配的相对公平性；充分的保证了各个光网络单元(ONU)之间带宽分配的公平性。同时基于QoS的周期轮询动态带宽分配算法，可适用于采用正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)技术的光接入网系统中。本发明具有实用性强、QoS得到充分保障、算法复杂度低、成本低、等优点。
文档编号H04L12/56GK102045605SQ20101057977
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者乔耀军, 纪越峰, 陈存康 申请人:北京邮电大学