一種新的OFDM-PON子載波分配機(jī)制

胡發(fā)澤，李汝星，伍仕寶

（上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

一種新的OFDM-PON子載波分配機(jī)制

胡發(fā)澤，李汝星，伍仕寶

（上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072）

OFDM-PON（正交頻分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，而子載波分配是其關(guān)鍵技術(shù)之一。文章介紹了兩種已有的OFDM-PON子載波分配機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出一種新的OFDM-PON上行傳輸?shù)淖虞d波分配機(jī)制，該機(jī)制主要分為求余法和湊數(shù)法兩部分，可以有效地減少用于保護(hù)間隔的帶寬浪費(fèi)。仿真結(jié)果表明，與已有的子載波分配機(jī)制相比，新的子載波分配機(jī)制可以獲得更高的吞吐量。

正交頻分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；子載波分配；吞吐量

0 引 言

近年來，隨著高清數(shù)字電視、視頻會(huì)議、物聯(lián)網(wǎng)和分布式云計(jì)算等高帶寬業(yè)務(wù)的發(fā)展，用戶對(duì)接入帶寬的需求迅猛增長(zhǎng)，發(fā)展具有大容量、高速率和多業(yè)務(wù)的下一代光接入網(wǎng)已勢(shì)在必行。OFDM-PON（正交頻分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）由于其高頻譜利用率、強(qiáng)抗色散能力和靈活的帶寬調(diào)度粒度，已經(jīng)成為下一代光接入網(wǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的方案之一［1-2］。

動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)度在PON中起到了重要的作用［3-5］，目前關(guān)于OFDM-PON的帶寬調(diào)度方案［6-8］很少提及子載波的分配問題［9-10］。大部分方案都將重點(diǎn)放在各ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）以及不同業(yè)務(wù)的帶寬分配上，但是并沒有詳細(xì)說明如何通過分配子載波和時(shí)隙來滿足不同ONU上行傳輸帶寬的需求。

本文討論了基于輪詢機(jī)制的動(dòng)態(tài)帶寬分配方案的結(jié)果來合理地分配子載波給不同的ONU，提出了一種新的子載波分配機(jī)制。仿真結(jié)果和分析表明，新的子載波分配機(jī)制可以獲得更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1 子載波分配機(jī)制的設(shè)計(jì)

假設(shè)一個(gè)OFDM-PON系統(tǒng)由一個(gè)OLT（光線路終端）和N個(gè)ONU組成，擁有L個(gè)子載波。上行傳輸總速率為R bit/s，所有子載波的調(diào)制格式均相同，每個(gè)子載波的傳輸速率均為Rabit/s?；谳喸儥C(jī)制的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法的輪詢周期為Tcycle，不同ONU之間的保護(hù)間隔為Tg。下面介紹文獻(xiàn)［10］中的兩種子載波分配方案并提出一種新的子載波分配方案。

（1）方案1

圖1 方案1示意圖

每個(gè)ONU分配特定的子載波用于控制信息的傳輸，其余用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖虞d波采用類似于時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的TDMA（時(shí)分多址接入）方式來分配給不用的ONU，如圖1所示。由圖可知，該方案會(huì)浪費(fèi)大量帶寬用于不同ONU之間的保護(hù)間隔。這種方案支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益，其一個(gè)輪詢周期內(nèi)的有效帶寬為

（2）方案2

方案2如圖2所示。其控制信道與方案1相同，在同一個(gè)輪詢周期內(nèi)，每個(gè)子載波只分配給一個(gè)ONU使用。該方案節(jié)約了用于不同ONU之間保護(hù)間隔的帶寬，但無(wú)法保證分配給每個(gè)ONU的子載波都能得到充分利用，可能會(huì)造成更大的帶寬浪費(fèi)，并且該方案不能實(shí)現(xiàn)ONU之間的統(tǒng)計(jì)復(fù)用。其一個(gè)輪詢周期內(nèi)最大有效帶寬為B2=Tcycle·R。

圖2 方案2示意圖

（3）新的子載波分配方案

圖3 本文提出的方案示意圖

為了減少用于保護(hù)間隔的帶寬浪費(fèi)，同時(shí)獲得統(tǒng)計(jì)多路復(fù)用增益，本文提出一種新的子載波分配方案，如圖3所示。由方案1可知，如果一個(gè)子載波在同一個(gè)輪詢周期內(nèi)被越多的ONU使用，用于保護(hù)間隔的帶寬浪費(fèi)將越多。由方案2可知，必須盡量保證分配給每個(gè)ONU的子載波得到充分的利用。因此，新方案的核心思想是在一個(gè)輪詢周期內(nèi)每一個(gè)子載波盡量被最少數(shù)目的ONU所使用，并且盡可能保證每個(gè)子載波都得到充分的利用。該方案中，一個(gè)輪詢周期內(nèi)的有效帶寬為B3=Tcycle· R-M·Tg·Ra，式中，M為一個(gè)輪詢周期內(nèi)保護(hù)間隔的個(gè)數(shù)。因此問題轉(zhuǎn)化為如何使得M取值最小，并且盡量保證每個(gè)子載波都得到充分的利用。

假設(shè)經(jīng)過基于輪詢機(jī)制的動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)度算法后，分配給每個(gè)ONU的上行傳輸帶寬已確定。引入矩陣，式中，Bi為分配給ONUi（i=1，2，3…N）的上行傳輸帶寬。下面討論如何通過子載波的分配來實(shí)現(xiàn)每個(gè)ONU的上行傳輸帶寬的分配。為了記錄每條子載波的分配情況，引入矩陣E：

式中，exl（0≤exl≤1）為一個(gè)輪詢周期內(nèi)第l個(gè)子載波被第x個(gè)ONU使用的情況。例如e32=0.5表示在一個(gè)輪詢周期內(nèi)，第3個(gè)子載波的一半帶寬被第2個(gè)ONU使用。

新方案包括兩個(gè)步驟：

步驟一：求余法，即將一部分子載波以O(shè)FDMA（正交頻分多址接入）的方式分配給不同的ONU，通過求余運(yùn)算符（%）來實(shí)現(xiàn)。首先進(jìn)行求余運(yùn)算：然后計(jì)算的值，所有過程為式中，Ni表示分配給ONUi（i=1，2，3…N）的子載波數(shù)目。分配結(jié)果將記錄在矩陣E中。

為了記錄每個(gè)ONU所剩的上行分配帶寬，引入矩陣

式中，Bexcess-i表示ONUi除去步驟一分配的帶寬后所剩的上行傳輸帶寬，其計(jì)算公式為

步驟二：湊數(shù)法，即剩余的子載波采用TDMA的方式分配給不同的ONU。首先，將Bexcess-i按升序進(jìn)行排列，用集合Q1記錄的ONU，用集合Q2記錄的 ONU。給集合Q1中的每個(gè)ONU分配一個(gè)子載波，用集合Q3記錄那些分配給集合Q1里ONU的子載波。采用湊數(shù)法：假設(shè)Bsub-j表示集合Q3中的第j個(gè)子載波所剩的帶寬，從集合Q3中的第1個(gè)子載波開始，尋找集合Q2中Bexcess-i最接近Bsub-j的ONU。這里分兩種情形：第1種，Bexcess-i比Bsub-j略大；第2種，Bexcess-i比Bsub-j略小且滿足對(duì)于第1種情形，可以將第j個(gè)子載波的剩余帶寬分配給ONUi，并調(diào)用其他未使用的子載波來滿足ONUi的剩余上行帶寬，即的差值。對(duì)于第2種情形，可以直接將第j個(gè)子載波的剩余帶寬分配給ONUi，子載波多余帶寬（Bsub-j-Bexcess-i）將忽略不計(jì)。為了更清楚地描述我們的方案，舉例說明如下：假設(shè)有6個(gè)ONU，先將子載波按照OFDM A的方式分配給不同ONU，用集合Q1記錄ONU1、ONU2和ONU3且滿足Bexcess-1＞Bexcess-2＞Bexcess-3＞（Ra·Tcycle）/2，用集合Q2記錄ONU4、ONU5和ONU6且滿足Bexcess-6＜Bexcess-5＜Bexcess-4≤（Ra·Tcycle）/2。將3個(gè)子載波sub-1、sub-2 和sub-3分別分配給ONU1、ONU2和ONU3，計(jì)算Bsub-1=Ra·Tcycle-Bexcess-1，Bsub-2=Ra·Tcycle-Bexcess-2，Bsub-3=Ra·Tcycle-Bexcess-3。根據(jù)前兩種情形進(jìn)行比較，依據(jù)比較結(jié)果分別將子載波sub-1、sub-2和sub-3的剩余帶寬分配給ONU6、ONU5和ONU4，如圖3所示。最后，將子載波的分配結(jié)果記錄在矩陣E中。

2 仿真及結(jié)果分析

設(shè)OFDM-PON系統(tǒng)由一個(gè)OLT和128個(gè)ONU組成，所有ONU距離OLT均為20 km。系統(tǒng)上行傳輸總速率為10 Gbit/s。子載波的數(shù)目為2 048，所有子載波的調(diào)制格式均相同。每個(gè)ONU分配一個(gè)專屬的子載波用于傳輸控制信息。輪詢周期為2 ms，不同ONU之間的保護(hù)間隔為1μs。將所有網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分成高優(yōu)先級(jí)（EF業(yè)務(wù)）、中優(yōu)先級(jí)（AF業(yè)務(wù)）和低優(yōu)先級(jí)（BE業(yè)務(wù)）3個(gè)等級(jí)。具有突發(fā)特性的BE和AF業(yè)務(wù)采用帕累托分布（參數(shù)Hurst=8）來產(chǎn)生，包的大小均勻分布于64～1 518 bit之間。高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)EF（包括語(yǔ)音等）通過泊松分布產(chǎn)生業(yè)務(wù)流，其大小固定為70 bit。3種子載波分配機(jī)制的吞吐量性能如圖4所示。由圖可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載＜0.7時(shí)，3種機(jī)制的吞吐量基本相同；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載＞0.7時(shí)，由于方案2沒有采用統(tǒng)計(jì)多路復(fù)用增益，造成帶寬浪費(fèi)，所以吞吐量最小。方案1的吞吐量比本文所提方案小，這是因?yàn)楸疚姆桨笢p少了用于保護(hù)間隔的帶寬浪費(fèi)。

圖4 吞吐量性能仿真曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的OFDM-PON上行傳輸子載波分配機(jī)制，該分配機(jī)制可以將子載波合理地分配給不同的ONU，并且有效地減少了不同ONU之間用于保護(hù)間隔的帶寬浪費(fèi)。仿真結(jié)果表明，本文所提子載波分配機(jī)制可以獲得更高的吞吐量。

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A Novel Subcarrier Allocation Scheme in OFDM-PON

HU Fa-ze，LI Ru-xing，WU Shi-bao
（Key Lab of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Subcarrier allocation is one of the key technologies in the Orthogonal Frequency Division Multiplexing Passive Optical Network（OFDM-PON），which has been received more and more attentions recently.This paper first introduces two existing subcarrier allocation schemes.Then a novel subcarrier allocation scheme is proposed for upstream transmission in OFDMPON.The scheme is divided into two parts：modulus operation and patchwork scheme.The scheme can effectively reduce the waste of bandwidth of guard time.Simulation results show that the proposed scheme obtains higher throughput compared to existing schemes.

OFDM-PON；subcarrier allocation；throughput

TN915.6

A

1005-8788（2016）03-0001-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.001

2016-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61275073，61420106011）；上海市科委資助項(xiàng)目（13JC1402600，15530500600）

胡發(fā)澤（1991-），男，安徽安慶人。碩士研究生，主要從事OFDM-PON技術(shù)的研究。