長(zhǎng)距離無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)多線程輪詢算法

張清玲，何榮希（大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116026）

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長(zhǎng)距離無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)多線程輪詢算法

張清玲，何榮希
（大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116026）

摘要：針對(duì)長(zhǎng)距離無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、傳播時(shí)延大的特點(diǎn)，提出一種基于上行數(shù)據(jù)包時(shí)延的自適應(yīng)多線程輪詢算法（A M TP）。該算法中O LT依據(jù)上行數(shù)據(jù)包時(shí)延狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整輪詢周期內(nèi)對(duì)O N U的帶寬授權(quán)次數(shù)。仿真結(jié)果表明：與已有算法相比，A M TP算法具有較高的信道利用率、較低的上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)值。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；動(dòng)態(tài)帶寬分配；自適應(yīng)；多線程輪詢

0　引言

長(zhǎng)距離無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（LR-PON）將OLT與ONU之間距離擴(kuò)展到100km甚至更遠(yuǎn)，導(dǎo)致往返時(shí)延高達(dá)1ms［1］，因此，在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)帶寬分配算法（DBA）時(shí)應(yīng)充分考慮傳播時(shí)延的影響，盡可能減少信道空閑時(shí)間，以提高信道利用率［1，2］。

多線程輪詢算法（MTP）［3，4］是針對(duì)LR-PON設(shè)計(jì)的經(jīng)典DBA算法，其通過(guò)在OLT與ONU之間建立多個(gè)平行進(jìn)程進(jìn)行通信，可以提高信道利用率。固定線程數(shù)目的MTP無(wú)法很好適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化，文獻(xiàn)［5］提出一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)改變輪詢周期內(nèi)對(duì)ONU授權(quán)次數(shù)的AMGAV算法，可以提高信道利用率。但是，AMGAV未考慮OLT收到Report消息至ONU收到Gate消息這段時(shí)間內(nèi)可能有數(shù)據(jù)包到達(dá)ONU的情況。為此，文獻(xiàn)［6］引入帶寬預(yù)測(cè)機(jī)制，提出S-AMGAV算法，有利于盡快上傳新到達(dá)ONU的數(shù)據(jù)包。但是該算法一個(gè)周期內(nèi)ONU授權(quán)次數(shù)高達(dá)十幾次，大大增加了控制開銷。上述算法依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載來(lái)調(diào)整輪詢周期內(nèi)使用線程數(shù)目，但是，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載僅反映一段時(shí)間內(nèi)用戶產(chǎn)生數(shù)據(jù)的平均情況，未能很好反映網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀況?？紤]到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的突發(fā)性，即使在高負(fù)載情況下也可能會(huì)有一些ONU處于輕負(fù)載狀態(tài)。同樣地，在低負(fù)載條件下也可能存在重負(fù)載ONU。上行數(shù)據(jù)包時(shí)延能較好反映網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生以及緩存數(shù)據(jù)包的情況。基于此，本文在繼承上述算法優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮突發(fā)業(yè)務(wù)特點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布不均和動(dòng)態(tài)變化等特征，提出一種基于數(shù)據(jù)包時(shí)延的自適應(yīng)多線程輪詢算法（AMTP）。該算法在OLT端依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包時(shí)延動(dòng)態(tài)改變輪詢周期內(nèi)線程數(shù)目，既能避免使用過(guò)多線程，減少控制開銷，又能減少上行信道空閑時(shí)間，提高信道利用率。

1　算法描述

由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的突發(fā)性，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的數(shù)量是變化的。數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率越大，ONU緩存數(shù)據(jù)越多，上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延越大。為了改善時(shí)延性能，相應(yīng)地需要增加線程數(shù)目。因此，可以根據(jù)上行數(shù)據(jù)包時(shí)延情況來(lái)動(dòng)態(tài)改變輪詢周期內(nèi)為各個(gè)ONU進(jìn)行帶寬授權(quán)的次數(shù)。在AMTP算法中，OLT依據(jù)ONU上行數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延值來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)輪詢周期的線程數(shù)目，使用盡量少的線程來(lái)保證上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延維持在一個(gè)較低水平。在具體描述所提算法前，引入以下符號(hào)：N：ONU的個(gè)數(shù)；BWi，j：ONUi在線程j的帶寬請(qǐng)求；B0：各個(gè)ONU的最小保證帶寬；BWj：線程j所有ONU的帶寬請(qǐng)求之和；Thnum：輪詢過(guò)程中所使用的線程數(shù)目；Bscarity，j：線程j所有輕負(fù)載ONU節(jié)省帶寬的總和；BW0：為各個(gè)ONU分配的初始化帶寬；Bexces，j：線程j所有重負(fù)載ONU不足帶寬的總和；R：上下行鏈路的傳輸速率；TG，j：OLT為線程j所有ONU進(jìn)行帶寬授權(quán)的時(shí)刻；Tth：線程融合閾值門限；TR，j：OLT收到線程j所有ONU的Report消息時(shí)刻；Gi，j：OLT在線程j為ONUi分配的帶寬；Tg：連續(xù)兩個(gè)ONU上行數(shù)據(jù)傳輸保護(hù)時(shí)間間隔。

算法具體描述如下：

算法首先為各個(gè)ONU的各個(gè)線程進(jìn)行初始化帶寬分配，分配的帶寬為：

系統(tǒng)進(jìn)入正常通信狀態(tài)后，為防止重負(fù)載ONU獨(dú)占上行信道，設(shè)置各個(gè)ONU的最大保證帶寬B0= 15500字節(jié)［7］。將帶寬請(qǐng)求小于等于、大于B0的ONU分別稱為輕、重負(fù)載ONU，并將輕負(fù)載ONU節(jié)省下來(lái)的帶寬按比例分配給重負(fù)載ONU［8］。線程j授權(quán)ONUi的帶寬為：

與MTP算法［4］一樣，AMTP算法可能也會(huì)出現(xiàn)線程融合問(wèn)題［9］。為了克服線程融合問(wèn)題，可以減少當(dāng)前線程的部分帶寬，然后將這部分帶寬分配給下一線程中的ONU。即當(dāng)BWjBWj+1≥Tth時(shí)，可將線程j中部分帶寬分配給線程j+1的ONU。同時(shí)，若OLT對(duì)于線程j的帶寬授權(quán)消息沒(méi)有發(fā)送出去而線程j+1的帶寬請(qǐng)求消息已到達(dá)OLT（即TG，j≥TR，j+1），并且BWj+1與BWj之和小于B0時(shí)，則將線程j+1的帶寬請(qǐng)求在線程j進(jìn)行帶寬授權(quán)。這樣在線程j+1報(bào)告的緩存數(shù)據(jù)在線程j就上傳，可以降低這部分緩存數(shù)據(jù)的上行時(shí)延，全網(wǎng)數(shù)據(jù)包平均時(shí)延也會(huì)在一定程度上降低［9］。

國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定在100km范圍內(nèi)的接入網(wǎng)中，要使語(yǔ)音信息無(wú)失真地傳給用戶，需要保證其傳輸時(shí)延不超過(guò)1.5ms［7］。由文獻(xiàn)［9］可知，即使是在高負(fù)載條件下，如果線程間采用合適的調(diào)度算法和適當(dāng)?shù)木€程數(shù)目，仍然能保證網(wǎng)絡(luò)中上行數(shù)據(jù)包時(shí)延低于1.5ms。在所提出的AMTP算法中，為了減少算法的復(fù)雜度，同時(shí)使用盡量少的控制信息以提高上行信道傳輸效率，算法規(guī)定每個(gè)輪詢周期中最多使用3個(gè)線程。

在AMTP算法中，如果在一個(gè)最小保證帶寬的時(shí)間范圍內(nèi)，收到的上行數(shù)據(jù)包時(shí)延都高于1.5ms，此時(shí)如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于0.8且線程數(shù)目低于3，則可以繼續(xù)增加輪詢周期使用的線程數(shù)目（加1）；如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高于0.8，而且線程數(shù)目大于1，則應(yīng)減少輪詢周期使用的線程數(shù)目（減1）。另外，如果在一個(gè)最小保證帶寬時(shí)間范圍內(nèi)，收到的所有上行數(shù)據(jù)包時(shí)延都低于1.5ms，同時(shí)所使用線程數(shù)目大于1，此時(shí)應(yīng)減少使用的線程數(shù)目（減1）以減少控制開銷，進(jìn)一步提高上行信道利用率。

AMTP算法動(dòng)態(tài)改變線程數(shù)目后，在下一輪詢周期將按照更新后的線程數(shù)目為各個(gè)ONU進(jìn)行帶寬授權(quán)，并重復(fù)執(zhí)行上述步驟。

2　計(jì)算機(jī)仿真及數(shù)據(jù)分析

本節(jié)利用OPNET軟件搭建LR-PON仿真平臺(tái)，對(duì)提出的AMTP算法進(jìn)行仿真分析，并與MTP［4］、AMGAV［5］和S-AMGAV［6］三種算法進(jìn)行比較。仿真網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)OLT、1個(gè)光分路器和16個(gè)ONU，ONU到OLT的距離為100km左右，AMTP的初始線程數(shù)為1，各線程初始化帶寬授權(quán)時(shí)間為0.3ms［4］，MTP算法的線程數(shù)固定為2，這是文獻(xiàn)［4］綜合考慮計(jì)算復(fù)雜度和數(shù)據(jù)包時(shí)延情況給出的最佳線程數(shù)。網(wǎng)絡(luò)用戶產(chǎn)生的上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服從H參數(shù)為 0.8的 Pareto分布，幀長(zhǎng)為560bits，R=1Gb/s，Tg=5μs，Tth=5。仿真性能指標(biāo)包括輪詢周期內(nèi)平均使用線程數(shù)、上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延、上行信道利用率和上行數(shù)據(jù)包時(shí)延抖動(dòng)。

圖1　輪詢周期內(nèi)平均使用線程數(shù)

圖1給出了不同算法在一個(gè)輪詢周期內(nèi)平均使用的線程數(shù)隨相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（網(wǎng)絡(luò)中每秒產(chǎn)生數(shù)據(jù)的總比特?cái)?shù)與R的比值［7］）變化的情況，可以看出：S-AMGAV算法的平均線程數(shù)隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加逐漸減少，AMGAV和AMTP算法變化不大。AMGAV算法的平均線程數(shù)維持在7左右，而AMTP算法較小，平均線程數(shù)在1～2之間。這是因?yàn)椋涸赟-AMGAV算法中，單位周期的線程數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中ONU的數(shù)目成反比，并且隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加逐漸減少。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中只有16個(gè)ONU且負(fù)載較低時(shí)，線程數(shù)接近20個(gè)。在AMGAV算法中，單位周期內(nèi)OLT為各個(gè)ONU的授權(quán)次數(shù)（線程數(shù)）與各個(gè)ONU的帶寬請(qǐng)求之和成反比，且不能超過(guò)8。因?yàn)槭跈?quán)次數(shù)為8的時(shí)間較多，所以AMGAV算法中不同負(fù)載下對(duì)各個(gè)ONU進(jìn)行帶寬授權(quán)的次數(shù)變化不大。在AMTP算法中，最大輪詢線程數(shù)目設(shè)定為3，并且依據(jù)上行數(shù)據(jù)包時(shí)延動(dòng)態(tài)調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)中線程數(shù)目為1和2的時(shí)間相對(duì)較多，平均授權(quán)次數(shù)在1～2之間，授權(quán)次數(shù)最少。

圖2　不同算法上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延比較

圖2比較了不同相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延的變化情況，可以看出：無(wú)論網(wǎng)絡(luò)負(fù)載如何變化，AMTP算法的上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延都低于另外三種算法。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，4種算法的上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延都逐漸增大，而AMTP算法增加較為緩慢。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于0.5時(shí)，MTP算法的上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延高于S-AMGAV和AMGAV算法；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高于0.5時(shí)，MTP算法的上行數(shù)據(jù)包時(shí)延低于AMGAV算法，但是與S-AMGAV算法比較接近。這是因?yàn)锳MTP算法采用動(dòng)態(tài)輪詢周期時(shí)間，輪詢周期隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整，使用的線程數(shù)目也隨著上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延的變化而動(dòng)態(tài)變化，可以保證上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延維持在低于1.5ms內(nèi)。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，SAMGAV和AMGAV算法能夠給各個(gè)ONU進(jìn)行更多次授權(quán)，各個(gè)ONU也有更多機(jī)會(huì)上傳數(shù)據(jù)，所以時(shí)延性能比MTP算法好；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相對(duì)較高時(shí)，AMGAV算法給各個(gè)ONU的授權(quán)次數(shù)仍然多于MTP。由于此時(shí)ONU緩存的上行數(shù)據(jù)較多，而授權(quán)次數(shù)多意味著控制開銷大，相應(yīng)地用于傳輸數(shù)據(jù)的帶寬較少，可能導(dǎo)致較多數(shù)據(jù)包不能及時(shí)上傳，因而AMGAV算法的時(shí)延大于輪詢次數(shù)較少的MTP算法。

圖3　不同算法的上行信道利用率比較

圖3比較了不同相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下4種算法上行信道利用率的變化情況，可以看出：不論是高負(fù)載還是低負(fù)載條件下，AMTP算法的信道利用率都明顯高于其它算法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于0.5時(shí)，MTP算法的信道利用率稍低于S-AMGAV以及AMGAV算法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高于0.5時(shí)，結(jié)果剛好相反。這是因?yàn)椋篈MTP算法解決了多線程輪詢算法存在的線程融合和重復(fù)授權(quán)問(wèn)題，同時(shí)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中上行數(shù)據(jù)包時(shí)延情況動(dòng)態(tài)改變所用線程數(shù)目，可以提高上行帶寬利用率。MTP算法采用固定的輪詢次數(shù)，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包時(shí)延的情況做出調(diào)整，尤其是在低負(fù)載條件下，各個(gè)ONU進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳的機(jī)會(huì)固定不變，而各個(gè)ONU中緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量以及數(shù)據(jù)包到達(dá)ONU的時(shí)間不確定，導(dǎo)致ONU內(nèi)緩存的數(shù)據(jù)包可能會(huì)錯(cuò)過(guò)僅有的2次上傳機(jī)會(huì)，上行信道在一段時(shí)間內(nèi)將處于空閑狀態(tài)，信道利用率降低。雖然當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，MTP算法的信道利用率越來(lái)越接近AMTP，但是仍然低于AMTP算法。這是因?yàn)椋寒?dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中平均每個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包較多，需要傳輸?shù)纳闲袛?shù)據(jù)包也比較多，上行信道可能一直處于傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，利用率比較高。雖然如此，MTP算法線程數(shù)固定為2，而AMTP算法在負(fù)載較高時(shí)，所使用線程數(shù)目為1的時(shí)間較多，控制消息相對(duì)較少，所以信道利用率高于MTP算法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，MTP算法的信道利用率低于S-AMGAV和AMGAV算法，這是因?yàn)樵赟AMGAV和AMGAV算法中，OLT可以對(duì)各個(gè)ONU進(jìn)行更多次授權(quán)，各個(gè)ONU也有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，由于MTP算法采用線程數(shù)固定為2，而在S-AMGAV和AMGAV算法中，一個(gè)周期內(nèi)OLT對(duì)ONU進(jìn)行帶寬授權(quán)的次數(shù)仍然較多，控制消息的增加會(huì)占用更多的信道帶寬，造成信道利用率低于MTP算法。

圖4　不同算法的上行數(shù)據(jù)包時(shí)延抖動(dòng)比較

圖4比較了不同算法的上行數(shù)據(jù)包時(shí)延抖動(dòng)隨相對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的情況。上行數(shù)據(jù)包時(shí)延抖動(dòng)反映了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)ONU緩存數(shù)據(jù)包的時(shí)延變化情況。從圖4可以看出：無(wú)論網(wǎng)絡(luò)負(fù)載如何變化，AMTP算法的包時(shí)延抖動(dòng)都低于MTP算法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于0.5時(shí)，AMTP算法的包時(shí)延抖動(dòng)大于S-AMGAV和AMGAV算法；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高于0.5時(shí)，AMTP算法的包時(shí)延抖動(dòng)小于S-AMGAV和AMGAV算法。這是因?yàn)椋涸诰W(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，ONU中緩存的數(shù)據(jù)包較少，而S-AMGAV 和AMGAV算法使用的線程數(shù)目相對(duì)較多，數(shù)據(jù)包在各個(gè)線程內(nèi)都能被及時(shí)發(fā)送出去，由此數(shù)據(jù)包時(shí)延差別較小。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，AMTP中可以根據(jù)時(shí)延值的變化調(diào)整使用的線程數(shù)目，使所有數(shù)據(jù)包平均時(shí)延都維持在較低的范圍內(nèi)。MTP使用固定數(shù)目的線程，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件的變化做出調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大時(shí)，ONU中可能緩存了幾個(gè)周期的數(shù)據(jù)，也可能存在剛到達(dá)的數(shù)據(jù)，因此，時(shí)延抖動(dòng)較大。S-AMGAV算法隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，單位周期內(nèi)對(duì)各個(gè)ONU授權(quán)的次數(shù)逐漸減少，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)接近AMTP算法對(duì)各個(gè)ONU授權(quán)的次數(shù)，因此，包時(shí)延值大小差不多，時(shí)延抖動(dòng)也比較接近。但是在AMGAV算法中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，單位周期內(nèi)OLT對(duì)各個(gè)ONU進(jìn)行帶寬授權(quán)的次數(shù)仍然較多，這樣會(huì)因?yàn)榭刂葡⒌脑龆喽箓鬏敂?shù)據(jù)的帶寬減少，可能導(dǎo)致ONU內(nèi)緩存數(shù)據(jù)包增多，上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延差異大，包時(shí)延抖動(dòng)最大。

3　結(jié)束語(yǔ)

MTP算法使用固定的線程數(shù)，無(wú)法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，AMGAV和S-AMGAV算法雖然可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整輪詢周期內(nèi)的線程數(shù)，但是一個(gè)周期內(nèi)對(duì)各個(gè)ONU進(jìn)行帶寬授權(quán)的次數(shù)較多，增加的控制消息和線程切換過(guò)程都會(huì)延緩上行數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)也增加了計(jì)算的復(fù)雜度。本文提出的AMTP算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包時(shí)延的變化情況，自適應(yīng)調(diào)整輪詢周期的線程數(shù)目，是一種更靈活和適應(yīng)性更強(qiáng)的DBA算法。仿真結(jié)果表明：與已有算法相比，AMTP算法盡可能減少每個(gè)輪詢周期內(nèi)使用的線程數(shù)目，能夠提高上行信道利用率，降低上行數(shù)據(jù)包平均時(shí)延和數(shù)據(jù)包時(shí)延抖動(dòng)。

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中圖分類號(hào)：TN929.18

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）06-0021-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.006

收稿日期：2016-01-22。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61371091）資助。

作者簡(jiǎn)介：張清玲（1990-），女，碩士生，主要研究方向?yàn)楣饩W(wǎng)絡(luò)。

Adaptive multi-thread polling algorithm for long distance passive optical networks

ZHANG Qing-ling，HE Rong-xi
（College of Information Science and Technology，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026，China）

Abstract：In this paper，a packet delay based adaptive multi-thread polling algorithm （AMTP）has been proposed for a long reach passive optical network（LR-PON）which has large coverage and considerable propagation delay.AMTP can adjust the number of polling thread dynamically according to the average delay of the received packets.Simulation results show that the proposed algorithm can achieve higher channel utilization and lower packet delay，as well as decreased packet delay jitter compared with the existing algorithms.

Key words：LR-PON，dynamic bandwidth allocation（DBA），adaptive，multi-thread polling