卞現(xiàn)澤

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210003)

0 引言

目前，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)[2]以其低成本、高帶寬及基于以太網(wǎng)的架構(gòu)等優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為最有前景的光纖寬帶接入網(wǎng)技術(shù)。與此同時，由IEEE 802.16所規(guī)范的WiMAX技術(shù)正逐步發(fā)展為一種主流的無線寬帶接入技術(shù)，和WLAN相比，它能提供更大的帶寬，更遠的距離和更好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)支持，和蜂窩技術(shù)相比，它能提供更好的數(shù)據(jù)接入服務(wù)，是運用前景最為廣闊的無線接入網(wǎng)技術(shù)。

雖然光纖寬帶接入技術(shù)能提供較高的帶寬，但將光纖真正接入到每家每戶卻始終存在成本較高的問題，而無線接入?yún)s有著網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)成本低的特點。因此，EPON和WiMAX這兩種技術(shù)的融合將會彌補各自技術(shù)的不足，充分發(fā)揮光纖接入技術(shù)的高帶寬與無線技術(shù)的靈活性，給用戶帶來更好的體驗，同時可以大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的建設(shè)成本和維護費用，具有廣闊的市場前景。

1 EPON 與 WiMAX 融合系統(tǒng)架構(gòu)

EPON光纖接入與WiMAX無線接入融合系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，相比較E1/T1和DSL 5km左右的服務(wù)范圍，EPON提供的服務(wù)范圍可以超出20km。因此，融合網(wǎng)絡(luò)可以減少購買由于網(wǎng)絡(luò)物理擴張所需設(shè)備的額外開支。第二，EPON和WiMAX具有良好的匹配能力去融合彼此。EPON網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的16分路器能為每個ONU的上行提供62Mbps。EPON的這個特點也和WiMAX BS的能力相匹配，WiMAX BS的最大容量為75Mbps使得沒有多余的帶寬并且由于能力的差異造成融合節(jié)點（例如ONU-BS）的擁塞。第三，兩種技術(shù)融合后，可以通過更加有效的整合帶寬分配和分包交換機制大大提高系統(tǒng)的QoS和數(shù)據(jù)吞吐量，并簡化系統(tǒng)操作量。

本文研究了3種可能的融合結(jié)構(gòu)[1]：獨立的 ONUBS（IOB），聯(lián)合的ONU-BS（COB），混合的ONU-BS（HOB）。如圖1 所示。

1.1 獨立式架構(gòu)

如圖1所示，獨立式架構(gòu)（IOB）是EPON與 WiMAX最簡單的融合形式，兩系統(tǒng)分別獨立運行，WiMAX BS作為EPON系統(tǒng)的ONU終端用戶提供無線連接。這種結(jié)構(gòu)直接通過以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)接口使ONU和BS相連。但是，由于EPON和WiMAX之間單獨運行，ONU無法獲取WiMAX BS授權(quán)給用戶站多少帶寬的具體信息，同時，WiMAX BS也無法得知光線路終端OLT分配給ONU的帶寬數(shù)量。這使得此種架構(gòu)無法體現(xiàn)兩系統(tǒng)融合的優(yōu)勢，尤其是對系統(tǒng)帶寬分配的整體優(yōu)化。另外，這種形式的融合在終端上仍然使用兩個單獨的設(shè)備（ONU和WiMAX BS）其系統(tǒng)成本無法得到有效的控制。

圖1 EPON和WiMAX的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 綜合式架構(gòu)

WiMAX是一種面向連接的傳輸技術(shù)，其帶寬請求和QoS都是面向連接的?；诿嫦蜻B接的帶寬請求機制，每個終端無線用戶根據(jù)各自的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)來分配相應(yīng)的獨占帶寬。EPON技術(shù)的帶寬請求機制是面向隊列的，ONU獲得的獨占帶寬根據(jù)不同優(yōu)先級的服務(wù)隊列進行分配。兩者總體上具有相似的運行機制，特別是在帶寬請求與分配的處理上。WiMAX由于采用面向連接的分配機制，其帶寬分配更為合理有效，并能提供更好的QoS保證。由于兩者在帶寬處理上的相似性，可以通過修改相應(yīng)的EPON MAC層協(xié)議使其支持WiMAX系統(tǒng)的面向連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

綜合式ONU-BS（COB）可以看作是在ONU和WiMAX BS之間引入聯(lián)合控制器（JC）。直觀地看，這種結(jié)構(gòu)看起來像是ONU、WiMAX BS和JC的一種混合架構(gòu)，但聯(lián)合控制器（JC）是邏輯上獨立地工作在EPON和WiMAX融合網(wǎng)絡(luò)的單一系統(tǒng)。對于融合結(jié)構(gòu)的流量管理，JC負責(zé)共享EPON ONU和WiMAX BS之間的狀態(tài)信息。COB提供了充分地透明融合沒有網(wǎng)絡(luò)運營商之間的干擾，這些網(wǎng)絡(luò)運營商都有自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和場地。然而，由于設(shè)備物理上的隔離需要支付場地的租金和維護費用。

1.3 混合式架構(gòu)

混合式的架構(gòu)（HOB）是EPON與WiMAX系統(tǒng)的進一步融合，如圖1下半部分所示，這種結(jié)構(gòu)最顯著的特點是把所有的ONU，BS和JC等功能模塊嵌入到一個單獨盒子里的印刷電路板（PCBs）上。因為HOB結(jié)構(gòu)的功能與COB結(jié)構(gòu)的相當(dāng)，所以HOB由于含有JC元件也能夠提供融合流量管理。圖2所示為ONU-BS的功能模塊，硬件方面配置了3個CPU分別完成相應(yīng)功能：CPU1負責(zé)EPON部分的數(shù)據(jù)通信；CPU3則完成WiMAX部分的數(shù)據(jù)處理；CPU2作為主CPU協(xié)調(diào)其他兩個CPU的工作。CPU1和CPU3實時向CPU2通報各自的系統(tǒng)狀態(tài)，帶寬需求與分配等信息。CPU2根據(jù)其他兩個CPU分別提供的EPON部分和WiMAX部分的帶寬信息，統(tǒng)籌安排并指揮CPU1上行向OLT申請帶寬以及CPU2下行對終端無線用戶分配帶寬。在這種架構(gòu)下，ONU-BS可以實時獲取原ONU和WiMAX BS的有關(guān)帶寬需求， 分配和分組調(diào)度的詳細信息，以實現(xiàn)系統(tǒng)對上行方向EPON網(wǎng)絡(luò)的帶寬請求和下行方向 WiMAX網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配，分組調(diào)度機制的優(yōu)化處理。因此，與獨立式架構(gòu)相比，混合式架構(gòu)可以大大提高系統(tǒng)傳輸性能和QoS服務(wù)保證。另外，由于設(shè)備硬件的融合，混合式架構(gòu)具有更低的設(shè)備成本。

2 融合架構(gòu)下基于QoS的調(diào)度機制

為避免EPON和WiMAX的所有數(shù)據(jù)流量在每一個ONU的緩存器里突發(fā)發(fā)生，適當(dāng)?shù)男薷募訖?quán)輪詢可以提供嚴(yán)格公正的特性和高效的時延保障。當(dāng)無線數(shù)據(jù)流量從SS傳輸?shù)紹S時，BS的隊列配置成高優(yōu)先級隊列確保能優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)。在文中，為了管理呼叫準(zhǔn)入控制我們提出一種基于隊列的調(diào)度機制和上行傳輸機制，使用戶可以有效地滿足對帶寬要求的需求，提高系統(tǒng)的效率。

802.16 協(xié)議支持五種類型的QoS：UGS（主動授權(quán)業(yè)務(wù)），rtPS（實時輪詢業(yè)務(wù)），ertPS（擴展的實時輪詢業(yè)務(wù)），nrtPS（非實時輪詢業(yè)務(wù)），BE（盡力而為業(yè)務(wù)）。如圖3所示，我們設(shè)計了兩個調(diào)度步驟去配置優(yōu)先級。首先，我們設(shè)定UGS具有最高的優(yōu)先級去傳輸。其次，我們設(shè)定rtPS比ertPS有較高的優(yōu)先級，然后根據(jù)這個優(yōu)先級次序在優(yōu)先級隊列1（PQ1）里分配數(shù)據(jù)分組。此外，nrtPS比BE業(yè)務(wù)有較高的優(yōu)先級，然后按照這個優(yōu)先級次序在優(yōu)先級隊列2（PQ2）里分配數(shù)據(jù)分組。接下去，我們參考ONU緩存區(qū)的情況來決定UGS，PQ1和PQ2的優(yōu)先級比。如果ONU的緩存器被填滿小于40%，那么UGS，PQ1和PQ2的優(yōu)先級比配置為4：2：1。如果ONU的緩存器被填滿在40%和80%之間，那么UGS，PQ1和PQ2的優(yōu)先級比配置為2：1：0。最后，如果ONU的緩存器被填滿在80%以上，那么UGS，PQ1和PQ2的優(yōu)先級比分別配置為1：1：0。此外，分別地有，在UGS里的數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)絆NU的加速轉(zhuǎn)發(fā)型（EF）隊列里，在PQ1里的數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)絆NU的確定轉(zhuǎn)發(fā)型隊列里，在PQ2里的數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)絆NU的盡力而為業(yè)務(wù)（BE）隊列里。在這種模式下，提出的調(diào)度機制保障UGS在融合網(wǎng)絡(luò)里有較多的機會傳輸。

圖3 混合結(jié)構(gòu)的兩個調(diào)度步驟

在先前的研究中基于預(yù)測的公平分配過多帶寬（PFEBA）[6]的機制已經(jīng)發(fā)展到減少空閑時間和提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。如圖4所示，PFEBA可以通過延時一些不穩(wěn)定的流來安排傳輸REPORT消息到OLT的隊列。通過減少空閑時間把PFEBA機制并入提前動態(tài)帶寬分配（E-DBA）機制中可以提高所有ONU的公平性并且有較低的分組時延，這個空閑時間是指DBA的計算時間的總和與在OLT和每個ONU之間的往返時間。減少空閑時間能提高帶寬利用率和系統(tǒng)性能。在E-DBA機制中包含兩種操作。首先，OLT在來自bV的REPORT消息之后執(zhí)行DBA機制，bV是在不穩(wěn)定程度列表里有較高差異的ONU集合，在傳統(tǒng)DBA機制里在收到 ONUN?1之后結(jié)束而不是 ONUN。與此同時， ONUN能同時傳輸數(shù)據(jù)。這種操作能夠減少傳統(tǒng)DBA機制的空閑時間并且為不穩(wěn)定流量ONU收集更多的信息 以使能在下一周期有更精確的預(yù)測。其次，在下個周期里分配給每個ONU的帶寬是基于所有的ONU以降序進行流量變化，并且通過分配一些具有較高差異的不穩(wěn)定流量的ONU來更新bV。這種操作通過在傳輸數(shù)據(jù)之前減少等待時間，可以減輕不穩(wěn)定流量的ONU之間為了保持預(yù)測更加準(zhǔn)確的差異。

圖4 提前DBA機制的運行過程

然而，當(dāng)流量負載重的時候加速轉(zhuǎn)發(fā)型的分組時延和變異的PFEBA的分組時延還不足夠好。這是由于PFEBA根據(jù)每個ONU的不穩(wěn)定程度列表來分配上行次序，如圖5(a)所示，圖中的Pi,j表示在當(dāng)前周期jONU的流量類型。每一個ONU負責(zé)具有不同優(yōu)先級的隊列，例如0P，1P和2P分別代表語音，視頻和數(shù)據(jù)流。大體上，0P流對時延和時延差異十分敏感。為了減少高優(yōu)先級流的最大分組時延和分組時延差異，文中提出的基于QoS的動態(tài)帶寬分配（QDBA）機制把一個幀分成兩部分，一部分對于0P流來說是個始終分配幀的第一個位置的穩(wěn)定部分；另一部分對于1P和2P流來說是基于FPEBA的動態(tài)部分，如圖5(b)所示。這樣，它可以保障對時延和時延差異敏感的0P流獲得較低的分組時延和較低的分組時延差異。這是由于0P流始終有穩(wěn)定的部分去傳輸并且一直在傳輸周期的前面。

圖5 DBA的運行過程 （a）PFEBA （b）QDBA

3 性能分析

在EPON和WiMAX融合結(jié)構(gòu)提出的基于QoS的調(diào)度機制的系統(tǒng)性能與IPACT機制在帶有/不帶有在丟包率、平均隊列長度和平均端到端時延方面調(diào)度情況的相比較。使用OPNET建模器建立有1個OLT和32個ONU系統(tǒng)模型。下行和上行信道速率均為1Gbps。從ONU到OLT的距離假定為從10km到20km不等，并且每個ONU有10m的有限發(fā)送緩沖區(qū)。在這里作為被考慮的流量模型，大量的研究表明大部分的網(wǎng)絡(luò)流量可以分類為自相似性和遠距離的依賴。這種模型用來產(chǎn)生高度飽滿的BE業(yè)務(wù)和具有Hurst參數(shù)為0.7的確定轉(zhuǎn)發(fā)型流量類，并且分組長度均勻分布在在64和1518字節(jié)。在另一方面，高優(yōu)先級流量使用泊松分布模型且數(shù)據(jù)包長度固定為70字節(jié)。

3.1 丟包率

圖6(a)中比較了在基于隊列的調(diào)度機制和非調(diào)度機制之間的QDBA算法和IPACT算法的丟包率隨流量負載的變化。仿真結(jié)果表明基于隊列的調(diào)度機制和非調(diào)度機制都是在流量負載達到30%之后開始丟包，特別對于非調(diào)度機制來說。盡管使用基于隊列的調(diào)度機制的QDBA和IPACT算法在丟包率方面有較好的性能。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載超過30%時，我們看到由于緩存區(qū)溢出有相當(dāng)多的包丟失。

3.2 平均隊列長度

圖6(b)中比較了在基于隊列的調(diào)度機制和非調(diào)度機制之間的QDBA算法和IPACT算法的平均隊列長度隨流量負載的變化。仿真結(jié)果表明使用基于隊列的調(diào)度機制的QDBA算法比不使用調(diào)度機制的算法有較短的隊列長度。平均隊列長度和平均分組時延是成比例的，較短的分組時延意味著ONU傳輸數(shù)據(jù)分組較快，因此緩存區(qū)包含有較少的分組數(shù)據(jù)。

2.3 平均端對端時延

圖6(c)中比較了在兩種調(diào)度機制之間的QDBA算法和IPACT算法從ONU到OLT的平均端對端時延；圖7中比較了兩種調(diào)度算法在EF、AF、BE之間從ONU到OLT的平均端對端時延。圖6(c)表明了文中提出的QDBA算法比IPACT算法有較好的性能，特別是在流量負載高于60%時?？梢钥吹交陉犃械恼{(diào)度機制在不同的服務(wù)之間有好的呼叫準(zhǔn)入控制性能。因此，經(jīng)過基于隊列的調(diào)度機制之后的端對端時延降低了。圖7顯示了EF、AF和BE的平均端對端時延十分相似，這是因為端對端時延的傳輸時間從分組數(shù)據(jù)進入到ONU開始直到分組數(shù)據(jù)能夠被傳輸。更重要的是延時時間的主要因素是根據(jù)DBA機制而定。

4 總結(jié)

作為一種低成本、高帶寬、移動性和可擴展性的寬帶接入網(wǎng)解決方案，EPON和WiMAX的融合結(jié)構(gòu)通過高效的固定移動融合具有發(fā)送綜合帶寬業(yè)務(wù)的能力。文中提出的EPON中基于QoS的DBA機制并入到PFEBA機制中能提高系統(tǒng)性能。在本文中，我們提出的調(diào)度機制總是在幀的固定位置分配高優(yōu)先級流量使盡量減少時延變化。仿真性能結(jié)果表明文中提出的算法能有效地改善丟包率和平均隊列長度。此外，該算法能夠減少不同服務(wù)之間的平均分組端對端時延，以確保訂閱用戶的QoS質(zhì)量。

圖6 (a) 丟包率

圖6 (b) 平均隊列長度

圖6 (c) 平均端對端時延

圖7 EF、AF、BE流量的平均時延

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