高 凡，陳學(xué)卿，趙素文（桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林541004）

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一種高帶寬利用率10G EPON動(dòng)態(tài)帶寬分配算法

高 凡，陳學(xué)卿，趙素文
（桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林541004）

摘要：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量特性，針對(duì)10G EPO N承載協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文的特殊性，提出了分級(jí)授權(quán)的帶寬分配算法。該算法對(duì)保證帶寬和盡力而為帶寬分配方式進(jìn)行了優(yōu)化，在授權(quán)周期上采用彈性授權(quán)機(jī)制以提高帶寬利用率。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)帶寬分配；分級(jí)授權(quán)；帶寬利用率

0　引言

Kramer等人提出的IPACT算法［1］是最原始動(dòng)態(tài)帶寬分配算法之一。為了減輕靜態(tài)帶寬利用率低和遲延大等缺點(diǎn)，該算法采用時(shí)分復(fù)用和交替輪詢的方式，但該算法無(wú)法防止惡意光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）獨(dú)占帶寬，對(duì)帶寬分配周期變動(dòng)較大等因素存在一定的局限性，也不支持對(duì)時(shí)延很敏感的時(shí)分復(fù)用（TDM）業(yè)務(wù)。近幾年各專家學(xué)者的研究重點(diǎn)是基于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自相似性以及高突發(fā)性，通過(guò)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［2，3］預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量，以提高EPON帶寬分配過(guò)程中數(shù)據(jù)分組的延時(shí)性能。這些算法都存在類似IPACT算法的缺陷，于是，本文提出了一種分級(jí)授權(quán)的帶寬分配算法。

1　動(dòng)態(tài)帶寬算法

1.1帶寬利用率分析

本文提出的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法延續(xù)了現(xiàn)有算法中AF業(yè)務(wù)、BE業(yè)務(wù)比特率的不確定性和EF業(yè)務(wù)比特率的恒定性，將上行鏈路通信周期分成兩個(gè)子周期，分別為EF子周期和AF/BE子周期（記為AB子周期）。當(dāng)EF業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間大于閑置時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)閑置時(shí)間的時(shí)隙損耗將不存在，為了減小EF業(yè)務(wù)的時(shí)延抖動(dòng)和平均數(shù)據(jù)包時(shí)延，將本周期對(duì)EF業(yè)務(wù)的授權(quán)提前到上一周期，并嚴(yán)格實(shí)行帶寬調(diào)度分配。

帶寬利用率為實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的帶寬和上行總帶寬之比，一般系統(tǒng)要求帶寬利用率達(dá)到90%以上。E（U）表示帶寬利用率，則E（U）表達(dá)式如下∶

式中，W、E（R）分別表示時(shí)隙總長(zhǎng)度和未利用時(shí)隙，Wused為上行傳輸中被占用的時(shí)隙，由光電開(kāi)銷(xiāo)、封裝開(kāi)銷(xiāo)和調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)三部分組成。未利用時(shí)隙是由于ONU請(qǐng)求帶寬與分配帶寬不相等或由于隊(duì)列優(yōu)先級(jí)不同和數(shù)據(jù)包延時(shí)產(chǎn)生的時(shí)隙碎片，這種時(shí)隙只能通過(guò)調(diào)度算法優(yōu)化而不能徹底消除。guard_overhead表示激光器所占用的開(kāi)銷(xiāo)，其表達(dá)式為：

其中，Ton、Toff是ONU打開(kāi)和關(guān)閉激光器的時(shí)間；Tsync_time是同步時(shí)間，由自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)所需時(shí)間和碼組定界所需時(shí)間三部分組成；EOB是突發(fā)結(jié)束符，系統(tǒng)檢測(cè)到這個(gè)值表示突發(fā)結(jié)束，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定該值為66bits。激光器打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間占了較大比重，為了降低ONU打開(kāi)和關(guān)閉激光器的開(kāi)銷(xiāo)，允許兩個(gè)不同的ONU打開(kāi)和關(guān)閉激光器的時(shí)間存在一定的交疊時(shí)間Tcross_time或?qū)⒍鄠€(gè)邏輯鏈路標(biāo)識(shí)的授權(quán)信息合并起來(lái)，使具有多個(gè)授權(quán)信息的ONU激光器只開(kāi)關(guān)一次，節(jié)省激光器的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)提高帶寬利用率。

根據(jù)EPON系統(tǒng)內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，封裝開(kāi)銷(xiāo)avg_overhead可表示為：

式（3）中，負(fù)荷長(zhǎng)度用l表示，f（l）為分組長(zhǎng)度的分布函數(shù)，encap（l）表示封裝后的報(bào)文長(zhǎng)度。當(dāng)系統(tǒng)支持基于幀的前向糾錯(cuò)（FEC）編碼時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加FEC開(kāi)銷(xiāo)，fec_overhead（l）是對(duì)報(bào)文進(jìn)行FEC編碼所需開(kāi)銷(xiāo)。為了降低誤比特率，報(bào)文每223個(gè)字節(jié)后增加 32字節(jié)的FEC奇偶校驗(yàn)碼，再加上平均長(zhǎng)度為12字節(jié)的幀間隔，因此，式（3）可寫(xiě)為：

1.2算法實(shí)現(xiàn)

FIX是固定帶寬，主要用于傳輸語(yǔ)音業(yè)務(wù)。當(dāng)用戶請(qǐng)求帶寬小于固定帶寬時(shí)，分配請(qǐng)求帶寬的大小，反之，則分配固定帶寬的配置帶寬。為了滿足TDM業(yè)務(wù)的時(shí)延敏感性，每個(gè)動(dòng)態(tài)帶寬分配開(kāi)窗周期后對(duì)TDM業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬補(bǔ)償。Rqs表示請(qǐng)求帶寬的大小。帶寬分配算法分兩種情況（無(wú)開(kāi)窗、開(kāi)窗業(yè)務(wù)和TDM業(yè)務(wù)同時(shí)存在），可分別表示如下：

AB是保證帶寬業(yè)務(wù)，用于延時(shí)不明顯的視頻業(yè)務(wù)。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而ONU的配置帶寬小，就會(huì)導(dǎo)致報(bào)文堵死現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)行保證帶寬分配時(shí)，保證帶寬的累積可以采用令牌桶機(jī)制。此外在算法中對(duì)累積設(shè)定了一個(gè)限值可以防止ONU無(wú)請(qǐng)求帶寬而保證帶寬一直累積，采用受限服務(wù)的動(dòng)態(tài)分配算法如下：

BEB是盡力而為帶寬業(yè)務(wù)，用于下載或數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。按照協(xié)議中平均權(quán)重進(jìn)行分配的原則進(jìn)行第一輪帶寬分配，完成后部分ONU的請(qǐng)求帶寬可能沒(méi)有得到滿足，同時(shí)仍有剩余的總帶寬。為了解決這個(gè)問(wèn)題，BEB帶寬分配部分采用兩輪分配機(jī)制，在FIX和AB分配完成后進(jìn)行再一輪的帶寬分配，BEB帶寬分配算法為：

Gl表示 BEB業(yè)務(wù)的理論帶寬，受GMAX、Gqs的限制，理論值和實(shí)際值往往不相等，其計(jì)算公式如下：

其中，BWremain表示當(dāng)前可用帶寬，Galloc表示已經(jīng)分配的帶寬。下發(fā)授權(quán)時(shí)，可以存在交疊的授權(quán)時(shí)隙（主要是激光器開(kāi)關(guān)所占用時(shí)隙）。當(dāng)每個(gè)周期動(dòng)態(tài)帶寬分配授權(quán)的總帶寬大于配置的總帶寬時(shí)，允許從下周期中預(yù)支超出的部分。這兩種方法都可以進(jìn)一步提高帶寬利用率。

綜上所述，最終分配帶寬為∶

1.3性能分析

算法性能分析如下：

①對(duì)固定帶寬分配時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)TDM業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求，可以通過(guò)帶寬補(bǔ)償方式。

②當(dāng)進(jìn)行保證帶寬分配時(shí)，可以采用令牌桶機(jī)制來(lái)允許保證帶寬的累積，在一定程度上解決EPON中傳輸報(bào)文長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)造成數(shù)據(jù)堵塞的問(wèn)題；采用受限服務(wù)的IPACT帶寬分配方案，提高帶寬利用率。

③在盡力而為帶寬分配部分，通過(guò)采用兩輪帶寬分配機(jī)制，降低總帶寬中未利用時(shí)隙，有效提高了帶寬利用率。

④對(duì)于業(yè)務(wù)的提前授權(quán)機(jī)制，通過(guò)降低激光器的開(kāi)關(guān)時(shí)間，并允許開(kāi)關(guān)時(shí)間的交疊，周期間的空閑時(shí)間得以避免，系統(tǒng)的帶寬利用率得到了提高。

⑤由于授權(quán)時(shí)隙與報(bào)文長(zhǎng)度不等，帶寬分配過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生時(shí)隙碎片。采用兩個(gè)隊(duì)列集的帶寬請(qǐng)求值上報(bào)方法來(lái)盡量壓縮時(shí)隙碎片。無(wú)法滿足隊(duì)列集l的帶寬請(qǐng)求值時(shí)，就按隊(duì)列集2的帶寬請(qǐng)求值去分配。

⑥下發(fā)授權(quán)時(shí)，可以存在交疊的授權(quán)時(shí)隙（主要是激光器開(kāi)關(guān)所占用時(shí)隙）。當(dāng)每個(gè)周期動(dòng)態(tài)帶寬分配授權(quán)的總帶寬大于配置的總帶寬時(shí)，允許從下周期中預(yù)支超出的部分。

2　結(jié)束語(yǔ)

上行動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)是10G EPON系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)之一。文中所提動(dòng)態(tài)帶寬分配算法以提高帶寬利用率為切入點(diǎn)，對(duì)原有算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，兼容1G EPON系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)固定帶寬、保證帶寬、盡力而為帶寬三種業(yè)務(wù)可配，不僅支持優(yōu)先級(jí)高低不同的ONU，還可以對(duì)同一優(yōu)先級(jí)的ONU進(jìn)行公平的帶寬分配，可以保證整個(gè)10G EPON網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量［5，6］。

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中圖分類號(hào)：TN915.63

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）06-0025-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.007

收稿日期：2016-03-01。

基金項(xiàng)目：廣西教育廳（YB2014434、YB2014437）資助；國(guó)家自然科學(xué)基金（11301106）資助。

作者簡(jiǎn)介：高凡（1979-），女，碩士，主要從事光接入網(wǎng)技術(shù)研究工作。

Dynamic bandwidth allocation algorithm with high bandwidth utilization for 10G EPON system

GAO Fan，CHEN Xue-qing，ZHAO Su-wen
（College of Electronic Information and Automation，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：According to the network data flow characteristics，a bandwidth allocation algorithm adopting the hierarchical authorization is proposed in view of the specialty of the 10G EPON bearing data packet protocol. The allocation scheme for AB and BEB is optimized in the algorithm.The authorization period on elastic authorization mechanism is used to improve the bandwidth utilization.

Key words：dynamic bandwidth allocation，hierarchical authorization，bandwidth utilization