熊　余，唐劍波，張　鴻，呂　翊

(重慶郵電大學(xué)光纖通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

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TWDM-PON中用戶行為感知的動(dòng)態(tài)資源分配策略

熊余，唐劍波，張鴻，呂翊

(重慶郵電大學(xué)光纖通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

摘要:TWDM-PON是下一代光接入網(wǎng)的主流方案，具有帶寬高、距離長(zhǎng)、用戶多等特點(diǎn)．針對(duì)用戶行為差異性增大的問(wèn)題，為有效降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及提升資源分配的公平性，提出一種用戶行為感知的動(dòng)態(tài)資源分配策略．根據(jù)用戶行為帶來(lái)的業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)變化狀況，動(dòng)態(tài)調(diào)整ONU的輪詢機(jī)制以滿足用戶服務(wù)水平變化要求，并劃分子周期交替發(fā)送不同等級(jí)的業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)塊加載方法來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的多波長(zhǎng)傳輸．仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)策略相比，所提策略在保證資源利用率高達(dá)95％的同時(shí)，既使業(yè)務(wù)平均時(shí)延改善50％以上，也使資源分配具有更好的公平性．

關(guān)鍵詞:TWDM-PON;動(dòng)態(tài)資源分配;用戶行為;資源利用率;業(yè)務(wù)時(shí)延;公平性

1　引言

TWDM-PON(Time and Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network)具有成本低、帶寬大和組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢(shì)，是下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)方案［1］．而資源分配策略是關(guān)系TWDM-PON傳輸性能的重要問(wèn)題．不同于傳統(tǒng)基于時(shí)分復(fù)用的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，TWDM-PON引入多波長(zhǎng)，其資源分配由授權(quán)調(diào)度和授權(quán)大小組成［2，3］，即由波長(zhǎng)和時(shí)隙兩個(gè)資源分配維度構(gòu)成．同時(shí)，多媒體應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)及用戶網(wǎng)絡(luò)行為差異性增大帶來(lái)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)化，向用戶提供自適應(yīng)高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)成為TWDM-PON實(shí)際部署的巨大挑戰(zhàn)．

針對(duì)TWDM-PON資源分配的二維性問(wèn)題，文獻(xiàn)［4］提出一種在線調(diào)度策略，光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)按照先來(lái)先處理原則為ONU(Optical Network Unit，ONU)分配資源，該方法排隊(duì)時(shí)延較低，但不能充分挖掘多波長(zhǎng)的信道優(yōu)勢(shì)．文獻(xiàn)［5］提出離線-在線混合調(diào)度策略，當(dāng)OLT收到ONU的報(bào)告幀時(shí)就為ONU分配帶寬，使輕負(fù)載ONU有可能比重負(fù)載ONU占更多機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致帶寬分配不合理．文獻(xiàn)［6］采用離線調(diào)度策略，就重負(fù)載ONU提出三種動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制，能較公平地分配剩余時(shí)隙帶寬，但資源調(diào)度效率不高．文獻(xiàn)［7］將資源調(diào)度形式化為矩形Packing問(wèn)題，提出一種高效的離線調(diào)度策略，但未考慮業(yè)務(wù)多樣性．文獻(xiàn)［8～10］提出基于業(yè)務(wù)等級(jí)的資源分配策略，減少了業(yè)務(wù)排隊(duì)時(shí)延，但波長(zhǎng)間共享機(jī)會(huì)較少導(dǎo)致帶寬浪費(fèi)較大．文獻(xiàn)［11］提出多業(yè)務(wù)服務(wù)的資源分配策略，采用不同控制機(jī)制以滿足各業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)要求，但其未研究用戶行為且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜．

由于TWDM-PON中用戶網(wǎng)絡(luò)行為差異化變大，使業(yè)務(wù)呈波動(dòng)性和多樣化趨勢(shì);同時(shí)，其多級(jí)結(jié)構(gòu)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增加，從而影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量．因此，在對(duì)TWDM-PON進(jìn)行資源分配時(shí)，需綜合考慮用戶的網(wǎng)絡(luò)行為，從而實(shí)現(xiàn)資源分配的合理性及滿足業(yè)務(wù)時(shí)延要求．

為此，提出一種用戶行為感知的動(dòng)態(tài)資源分配策略(User-Behavior Aware Dynamic Resource Allocation Strategy，UBA-DRAS)分析用戶在當(dāng)前時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)行為，動(dòng)態(tài)確定ONU的重要度，改變輪詢機(jī)制以自適應(yīng)ONU服務(wù)重要性的變化;并采用子周期交替發(fā)送不同類型業(yè)務(wù)，以減少實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延;最后通過(guò)所提的數(shù)據(jù)塊加載方法進(jìn)行多波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸．

2　問(wèn)題描述

TWDM-PON網(wǎng)絡(luò)中，用戶在不同時(shí)段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)行為的差異性導(dǎo)致帶寬請(qǐng)求大小差別較大［12，13］，即用戶不同及用戶所處時(shí)間段不同均會(huì)導(dǎo)致帶寬請(qǐng)求發(fā)生變化．如文獻(xiàn)［14］指出，商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)用戶的帶寬需求在一天內(nèi)差異較大．可見(jiàn)，基于歷史流量信息感知用戶在當(dāng)前時(shí)刻的重要度，并根據(jù)其重要度的動(dòng)態(tài)變化提供不同優(yōu)先級(jí)的資源分配策略，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．

一般地，OLT能感知到第q天t時(shí)刻ONUi的歷史流量信息．由此，可以計(jì)算出P天內(nèi)ONUi在t時(shí)刻的歷史平均帶寬需求值，如式(1)所示．

由于上述輪詢機(jī)制會(huì)導(dǎo)致低服務(wù)等級(jí)ONU發(fā)送數(shù)據(jù)延后，而該類ONU也存在時(shí)延敏感的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)．為此，需根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS要求設(shè)計(jì)合理的輪詢機(jī)制來(lái)調(diào)整不同業(yè)務(wù)的發(fā)送順序．可將輪詢周期劃分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子周期，使ONU實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)總在周期的前段發(fā)送，從而滿足時(shí)延要求以保證其QoS．

由于TWDM-PON具有多波長(zhǎng)屬性，確定輪詢機(jī)制及業(yè)務(wù)發(fā)送順序后，如何利用多波長(zhǎng)傳輸是所提策略的重要問(wèn)題．據(jù)排隊(duì)服務(wù)理論，OLT相當(dāng)于多服務(wù)窗口(多波長(zhǎng))資源池，各ONU向其請(qǐng)求資源以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸．對(duì)于離線調(diào)度機(jī)制，調(diào)度服務(wù)的最優(yōu)目標(biāo)是最小化排隊(duì)時(shí)延和最大化資源利用，該問(wèn)題已被證明是NP-hard問(wèn)題．為此文獻(xiàn)［7］提出擬人策略的啟發(fā)式算法，將多波長(zhǎng)帶寬資源分配形象化為矩形packing問(wèn)題來(lái)解決．受其啟發(fā)，充分考慮用戶行為及不同業(yè)務(wù)的時(shí)延要求，將ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊，排序后構(gòu)造成兩個(gè)數(shù)據(jù)塊發(fā)送的順序表;在對(duì)應(yīng)的子周期中，將數(shù)據(jù)塊按順序表依次進(jìn)行多波長(zhǎng)傳輸．這既達(dá)到了減少波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換以避免資源浪費(fèi)的目的，也使各波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)傳輸達(dá)到負(fù)載均衡．

3　UBA-DRAS策略

UBA-DRAS的基本思想為:基于用戶的歷史流量信息，感知用戶在當(dāng)前時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)行為，動(dòng)態(tài)調(diào)整ONU權(quán)重因子以自適應(yīng)改變輪詢機(jī)制，從而滿足不斷變化的用戶服務(wù)水平;通過(guò)劃分子周期并基于權(quán)重因子分配剩余帶寬，確保實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求，以滿足用戶對(duì)業(yè)務(wù)QoS的差異化需求及帶寬分配的公平性;利用數(shù)據(jù)塊加載的策略進(jìn)行多波長(zhǎng)傳輸，以達(dá)到負(fù)載均衡和提高波長(zhǎng)利用率的目的．

為分析基于用戶行為感知的資源分配策略，定義變量如表1:

表1　變量定義表

3.1高效自適應(yīng)的輪詢機(jī)制

定義1權(quán)重因子wi，t，即根據(jù)歷史平均流量信息確定第i個(gè)ONU在t時(shí)刻的重要度，以確定ONU的在t時(shí)刻的服務(wù)等級(jí)，如式(2)所示．

該權(quán)重因子反映ONUi在當(dāng)前時(shí)刻t平均歷史帶寬的請(qǐng)求大小占當(dāng)時(shí)總帶寬請(qǐng)求值的比例．該值越大，表明該ONU此時(shí)帶寬需求越大，則視為高服務(wù)等級(jí)ONU (H-ONU) ;值越小，表明該ONU帶寬需求越小，則視為低服務(wù)等級(jí)ONU(L-ONU)．

OLT查詢各ONU在當(dāng)前時(shí)刻的wi，t值，將ONU劃分為不同的服務(wù)等級(jí)．一般地，OLT將wi，t從大到小排列后，可把ONU分為K個(gè)服務(wù)等級(jí)組，其中第j服務(wù)等級(jí)組的ONU數(shù)量mj=「N/K?．為更好地對(duì)ONU進(jìn)行區(qū)分服務(wù)，可令第j級(jí)ONU組的時(shí)延要求為jdk，得出一個(gè)周期內(nèi)參與輪詢的ONU數(shù)量，如式(3)所示．通過(guò)式(3)減少輪詢L-ONU的數(shù)量，能有效消除保護(hù)時(shí)隙及信息交互時(shí)間，從而在滿足時(shí)延要求的同時(shí)提高信道利用率．

其中，第j級(jí)ONU組在本周期內(nèi)輪詢的ONU個(gè)數(shù)為「mj/j?(其中「·?表示向上取整)．

為進(jìn)一步說(shuō)明該輪詢機(jī)制，下面舉例說(shuō)明，如圖1所示．假設(shè)PON系統(tǒng)中ONU總數(shù)N = 8，為便于說(shuō)明令波長(zhǎng)數(shù)K =2，即有兩個(gè)ONU服務(wù)組，每組ONU的個(gè)數(shù)為m1= m2= N/2 =4．根據(jù)式(3)，一個(gè)周期內(nèi)OLT輪詢的ONU個(gè)數(shù)n = m1+ m2/2 = 6，即4個(gè)H-ONU均被輪詢，而L-ONU只輪詢2個(gè)．下一周期，OLT繼續(xù)輪詢?nèi)康?個(gè)H-ONU，并且輪詢另外2個(gè)L-ONU．如此交替輪詢，通過(guò)減少L-ONU的輪詢次數(shù)使H-ONU獲得更多帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送．

輪詢機(jī)制在t +1時(shí)刻更新ONU的權(quán)重后，按照上述過(guò)程自適應(yīng)動(dòng)態(tài)改變輪詢策略．

3.2基于業(yè)務(wù)等級(jí)的子周期劃分機(jī)制

采用3．1節(jié)中所提的輪詢機(jī)制，通過(guò)感知用戶在當(dāng)前時(shí)刻t的網(wǎng)絡(luò)行為來(lái)劃分不同的服務(wù)等級(jí)ONU組，但該機(jī)制減少了周期內(nèi)輪詢L-ONU的數(shù)量，出現(xiàn)L-ONU“懲罰”現(xiàn)象．而L-ONU中同樣存在對(duì)時(shí)延敏感的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，應(yīng)保證其業(yè)務(wù)的QoS要求．因此，為使第K個(gè)輪詢周期結(jié)束時(shí)，服務(wù)等級(jí)最低的ONU組中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)能得到發(fā)送，輪詢周期設(shè)定較傳統(tǒng)定義方式有所區(qū)別．

定義2輪詢周期大小Tcycle，即保證第K個(gè)周期結(jié)束時(shí)服務(wù)等級(jí)最低的ONU實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)能得到發(fā)送的最小周期，如式(4)所示．

同時(shí)，為盡可能地讓每一等級(jí)ONU組的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)較非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)總能先得到發(fā)送，本節(jié)提出將輪詢周期劃分業(yè)務(wù)子周期的策略．OLT在當(dāng)前時(shí)刻t接收到各ONU帶寬請(qǐng)求包括實(shí)時(shí)帶寬請(qǐng)求及非實(shí)時(shí)帶寬請(qǐng)求，如下式所示:

定義3業(yè)務(wù)子周期大小Trt及Tnrt，即用于發(fā)送實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)間，如式(6)和(7)所示，以對(duì)兩種業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分服務(wù)．

OLT根據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)發(fā)送子周期Trt，計(jì)算出本周期內(nèi)可以分配給ONU用以發(fā)送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的最小保證帶寬G:

如果單個(gè)ONU實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的帶寬申請(qǐng)量不大于G，則由式(9)統(tǒng)計(jì)出所有輕負(fù)載ONU的剩余帶寬量B－rt－l，否則由式(10)統(tǒng)計(jì)出所有重負(fù)載ONU的額外帶寬需求量B－rt－k;

為每個(gè)輕負(fù)載ONU按需分配帶寬，利用式(11)為重負(fù)載ONU分配剩余帶寬ei:

則為重負(fù)載ONU分配帶寬為:

至此，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送周期的帶寬分配結(jié)束．

同理，根據(jù)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子周期Tnrt計(jì)算出OLT可以分配給ONU發(fā)送非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的最小保證帶寬G'，如下式所示:

重復(fù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)帶寬分配過(guò)程，得到各ONU用于發(fā)送非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所需的帶寬．

為避免OLT發(fā)送GATE幀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成帶寬浪費(fèi)，采用部分授權(quán)的方式對(duì)ONU進(jìn)行授權(quán)，如圖2所示．OLT能感知到某一服務(wù)等級(jí)ONU組發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)間，利用該信息對(duì)下一服務(wù)等級(jí)ONU組提前授權(quán)．經(jīng)保護(hù)時(shí)隙Tg，OLT接收到下一服務(wù)等級(jí)ONU組的上行數(shù)據(jù)．照此方式，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子周期結(jié)束后，進(jìn)入非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子周期，如此交替部分授權(quán)直到本輪詢周期結(jié)束．

3.3帶有負(fù)載均衡的波長(zhǎng)分配機(jī)制

前面感知用戶行為確立了ONU的輪詢機(jī)制，并設(shè)定子周期使時(shí)隙資源得到有效分配．因TWDM-PON的多波長(zhǎng)特性，如何利用多波長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送及減少帶寬浪費(fèi)是所提策略的重要問(wèn)題．因此，這里提出一種高效的數(shù)據(jù)塊加載多波長(zhǎng)傳輸機(jī)制．

OLT對(duì)各等級(jí)ONU實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的帶寬大小進(jìn)行升序排序，即可確定ONU的輪詢順序．因此，為每個(gè)服務(wù)等級(jí)的ONU構(gòu)造數(shù)據(jù)發(fā)送的順序表，如下所示:

ONU的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子數(shù)據(jù)塊，其中數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)表示時(shí)隙大小，寬表示波長(zhǎng)信道速率，則其面積表示待發(fā)送的數(shù)據(jù)量大?。畬⑦@些子數(shù)據(jù)塊加載到K條波長(zhǎng)上進(jìn)行傳輸，其調(diào)度應(yīng)遵循的約束條件如下:

其中，式(16)表示波長(zhǎng)數(shù)小于總的ONU數(shù)量．式(17)表示同一數(shù)據(jù)塊不能同時(shí)在兩條及以上的波長(zhǎng)上傳輸．式(18)表示任意波長(zhǎng)傳輸兩個(gè)數(shù)據(jù)塊的時(shí)間間隔相等．式(19)表示同一時(shí)間內(nèi)每條波長(zhǎng)只能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊．

為此，所提數(shù)據(jù)塊加載機(jī)制的步驟如下:

步驟1在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子周期，將服務(wù)等級(jí)j最高的ONU組中前K(K為波長(zhǎng)數(shù))個(gè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子數(shù)據(jù)塊依次加載到K條波長(zhǎng)信道上傳輸．如圖3所示，設(shè)K = 4，按照實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊發(fā)送表將同時(shí)加載到4條波長(zhǎng)上．由于數(shù)據(jù)塊大小不一，各波長(zhǎng)信道最早出現(xiàn)空閑的時(shí)間不等．

步驟2對(duì)于最早可用波長(zhǎng)λ，以降序的方式加載同一服務(wù)等級(jí)ONU組內(nèi)的數(shù)據(jù)塊，如圖3中的即數(shù)據(jù)表中最大的數(shù)據(jù)塊，此后依次將數(shù)據(jù)塊加載到最早可用波長(zhǎng)上．采用步驟1及步驟2先升序后降序交替加載數(shù)據(jù)塊，依次發(fā)送各等級(jí)ONU組的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子數(shù)據(jù)塊．如此循環(huán)往復(fù)，直到所有服務(wù)等級(jí)ONU組的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢，則轉(zhuǎn)至步驟3．

步驟3接著進(jìn)入非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子周期，對(duì)于最早可用波長(zhǎng)λ，將服務(wù)等級(jí)最高ONU組中的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊(如順序表中第一個(gè)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊)加載到該波長(zhǎng)上進(jìn)行傳輸．同樣地，將非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊依次加載到此后出現(xiàn)的最早可用波長(zhǎng)上進(jìn)行傳輸．按照實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子周期的發(fā)送方式，使各等級(jí)ONU組的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子數(shù)據(jù)塊在多波長(zhǎng)上進(jìn)行傳輸，直到非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)子數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢．

采用上述兩頭加載數(shù)據(jù)塊的方式，OLT能追蹤到各波長(zhǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)塊的順序及時(shí)間，從而避免波長(zhǎng)的頻繁轉(zhuǎn)換以減少帶寬浪費(fèi)．

同時(shí)，權(quán)重因子wi，t未更新前的輪詢周期內(nèi)，相同等級(jí)的ONU組由于用戶行為差異較小，其帶寬請(qǐng)求大小相當(dāng)，使各波長(zhǎng)發(fā)送該等級(jí)ONU數(shù)據(jù)的結(jié)束時(shí)間相差不大．采取該高效的數(shù)據(jù)塊加載方式，也能使各波長(zhǎng)信道上的負(fù)載達(dá)到均衡．

利用用戶行為的統(tǒng)計(jì)規(guī)律特點(diǎn)，充分考慮了ONU的歷史流量信息，使得整個(gè)策略具有較小的時(shí)間復(fù)雜度O(N2)．

4　仿真分析

4.1仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

定義4上行帶寬利用率，即單位時(shí)間內(nèi)用來(lái)傳送有效數(shù)據(jù)的帶寬占總帶寬的百分比．

定義5上行網(wǎng)絡(luò)吞吐量，即假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)不存在丟包的情況，網(wǎng)絡(luò)吞吐量為給定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)所有ONU發(fā)出的數(shù)據(jù)總量．

定義6上行平均包時(shí)延，即給定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)從到達(dá)ONU起至抵達(dá)OLT時(shí)經(jīng)歷的端到端時(shí)延．

定義7公平性，即輕負(fù)載ONU的剩余帶寬在各重負(fù)載ONU之間公平分配的性能指標(biāo)．采用文獻(xiàn)［15］對(duì)剩余帶寬公平分配的定義方式，即剩余帶寬與權(quán)重因子的一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，如式(20)所示:

4.2仿真環(huán)境設(shè)定

本文所提策略UBA-DRAS的對(duì)比策略為文獻(xiàn)［6］的DWDB和文獻(xiàn)［10］的DWPBA-TCH．DWDB只考慮將剩余帶寬怎樣合理的分配給重負(fù)載ONU而未考慮業(yè)務(wù)QoS，采用三種策略對(duì)剩余帶寬進(jìn)行分配即DWDB-UE(無(wú)控制)、DWDB-CE(控制)和DWDB-FE(公平)．DWPBA-TCH基于業(yè)務(wù)進(jìn)行波長(zhǎng)分配，未考慮用戶行為及采用業(yè)務(wù)子周期的思想．采用圖4所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌琌LT通過(guò)RN(遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn))與4個(gè)TDM子網(wǎng)相連，且各子網(wǎng)具有兩種類型的ONU(即H-ONU和L-ONU)，ONU數(shù)量N =64，其中H-ONU與L-ONU的數(shù)量比為1∶1;波長(zhǎng)數(shù)K = (2，4，6，8)，且每條波長(zhǎng)的速率為1Gbit/s; ONU到OLT的物理距離均為20km;用戶數(shù)據(jù)源服從泊松分布，單個(gè)數(shù)據(jù)包的大小服從64字節(jié)到1518字節(jié)的均勻分布;輪詢最大周期為2毫秒，ONU保護(hù)時(shí)隙為1微秒［6］，動(dòng)態(tài)帶寬分配運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為10微秒．

4.3仿真結(jié)果分析

圖5為不同波長(zhǎng)數(shù)下，UBA-DRAS進(jìn)行資源分配時(shí)負(fù)載對(duì)上行帶寬利用率的影響．可見(jiàn)，隨著負(fù)載增大，上行帶寬利用率呈上升趨勢(shì)，特別是K = 4、6、8時(shí)呈線性上升，因?yàn)楦鞑ㄩL(zhǎng)承載的業(yè)務(wù)量增大而處于空閑的時(shí)間逐漸減少，則上行帶寬利用率不斷提高．但K = 2時(shí)在負(fù)載為0.6時(shí)上行帶寬利用率漸趨于平緩，說(shuō)明已達(dá)到系統(tǒng)帶寬容量的飽和值．從圖5中還可看出，波長(zhǎng)數(shù)越多，相同負(fù)載下的上行帶寬利用率越低，這是由于波長(zhǎng)數(shù)較多時(shí)系統(tǒng)總帶寬更大，導(dǎo)致各波長(zhǎng)處于空閑狀態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)．可預(yù)見(jiàn)，波長(zhǎng)數(shù)越多的系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)能力越大，但并不意味波長(zhǎng)數(shù)越多越好，波長(zhǎng)數(shù)的選取應(yīng)基于業(yè)務(wù)狀況以獲得較高的上行帶寬利用率為宜，從而避免資源開銷浪費(fèi)．

圖6表示不同波長(zhǎng)數(shù)下，采用UBA-DRAS進(jìn)行資源分配時(shí)負(fù)載對(duì)上行網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響．顯然，上行網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨負(fù)載的增大而增大．負(fù)載較小時(shí)，不同波長(zhǎng)數(shù)的上行網(wǎng)絡(luò)吞吐量相差不大;但隨著負(fù)載的增加，由于較小的波長(zhǎng)數(shù)更先滿載達(dá)到最大上行網(wǎng)絡(luò)吞吐量，不同波長(zhǎng)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)承載能力就顯示出較大差別．如負(fù)載為0.8，K =2時(shí)吞吐量趨于穩(wěn)定達(dá)到最大，其值甚至可能超過(guò)更多波長(zhǎng)數(shù)的情況，但負(fù)載的進(jìn)一步增大后，其上行網(wǎng)絡(luò)吞吐量比多波長(zhǎng)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)明顯更?。?/p>

圖7比較了三種策略在K =2時(shí)上行帶寬利用率情況．可見(jiàn)，隨著負(fù)載的增大，三種策略的上行帶寬利用率逐步增大，最后趨于穩(wěn)定值．UBA-DRAS較DWPBATCH策略，上行帶寬利用率的改善效果能夠達(dá)到20％，主要是因?yàn)镈WPBA-TCH策略為每種業(yè)務(wù)分配一條波長(zhǎng)進(jìn)行傳輸，減少了波長(zhǎng)共享的機(jī)會(huì)導(dǎo)致上行帶寬利用率不高．UBA-DRAS低負(fù)載時(shí)與DWDB-CE的上行帶寬利用率相當(dāng)，高負(fù)載時(shí)約差2％．這主要是因?yàn)閁BADRAS劃分了業(yè)務(wù)子周期，導(dǎo)致保護(hù)時(shí)隙增加浪費(fèi)了部分帶寬，但UBA-DRAS采用部分授權(quán)減少了閑置時(shí)間，同時(shí)數(shù)據(jù)塊加載的多波長(zhǎng)傳輸減少了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間，使上行帶寬利用率最終達(dá)到在一個(gè)理想的效果．

圖8當(dāng)K =2時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的上行平均包時(shí)延在三種策略中進(jìn)行比較．由圖8(a)圖可見(jiàn)，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的上行平均包時(shí)延隨著負(fù)載增大均呈上升趨勢(shì)，但負(fù)載增加到一定值時(shí)系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)，時(shí)延均會(huì)急劇增加．UBA-DRAS在系統(tǒng)飽和之前，H-ONU實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的平均時(shí)延較L-ONU更小且均小于2ms，表明UBADRAS策略能保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延要求并對(duì)ONU進(jìn)行區(qū)分服務(wù)．與DWDB-CE策略相比，UBA-DRAS策略的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)上行平均包時(shí)延性能提升了68％，這是因?yàn)镈WDB-CE并未對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分級(jí)考慮且未劃分子周期．然而，在一般負(fù)載情況下UBA-DRAS實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的上行平均包時(shí)延性能與DWPBA-TCH的差不多，但在網(wǎng)絡(luò)過(guò)高負(fù)載(load＞0.8)時(shí)，其時(shí)延性能較DWPBA-TCH急劇惡化，這是因?yàn)镈WPBA-TCH策略基于業(yè)務(wù)進(jìn)行波長(zhǎng)分配能使實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)能盡快得到發(fā)送．

從圖8(b)可見(jiàn)，UBA-DRAS中H-ONU非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的上行平均包時(shí)延較L-ONU更小，滿足了H-ONU服務(wù)水平要求．UBA-DRAS中L-ONU的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)上行平均包時(shí)延與DWDB-CE相差不大，而H-ONU非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的上行平均時(shí)延性能比DWDB-CE改善率達(dá)50％．由于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延不敏感，L-ONU具有更低的服務(wù)等級(jí)，故滿足H-ONU時(shí)延性能的策略是值得的．

結(jié)合圖7和圖8，UBA-DRAS與DWDB-CE相比，上行帶寬利用率大致相當(dāng)，但UBA-DRAS對(duì)時(shí)延效果改善顯著，甚至提升了68％的時(shí)延性能;與DWPBA-TCH相比，UBA-DRAS策略實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的上行平均包時(shí)延在中低負(fù)載下差不多，但其帶寬開銷可以節(jié)約20％，而在高負(fù)載下惡化了10％左右，但此時(shí)帶寬利用也提升了7％ ～11％．可見(jiàn)，所提策略在保證較高資源利用率的同時(shí)，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，滿足了業(yè)務(wù)的QoS要求，并對(duì)不同ONU用戶進(jìn)行了區(qū)分服務(wù)．

圖9根據(jù)式(20)對(duì)公平性的定義，將文獻(xiàn)［5］中剩余帶寬分配策略與UBA-DRAS策略進(jìn)行比較．負(fù)載較小時(shí)，幾種策略的公平性值均在0.8以上，這是由于所有ONU的帶寬需求均能得到滿足．隨負(fù)載增加，UE以均分的方式分配剩余帶寬給各重負(fù)載ONU，其公平性下降最快最終在0.1上下，因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)大量ONU帶寬得不到滿足的情況; CE據(jù)ONU實(shí)時(shí)帶寬請(qǐng)求為其分配剩余帶寬，會(huì)導(dǎo)致有些重負(fù)載ONU根本分不到剩余帶寬，其公平性稍好最終也只在0.6左右; FE按請(qǐng)求比例為重負(fù)載ONU分配剩余帶寬，雖使所有ONU均分到了剩余帶寬，但會(huì)出現(xiàn)所有重負(fù)載ONU的帶寬均未得到滿足的情況，其公平性進(jìn)一步提升最后為0.75左右; UBA-DRAS策略基于服務(wù)權(quán)重因子為各重負(fù)載ONU分配剩余帶寬，而不受帶寬請(qǐng)求的影響，其公平性不隨負(fù)載變化，一直保持在公平性較高的狀態(tài)接近為1．

5　總結(jié)

本文針對(duì)TWDM-PON網(wǎng)絡(luò)提出了一種用戶行為感知的動(dòng)態(tài)資源帶寬分配策略，根據(jù)用戶的歷史流量信息確定ONU當(dāng)前時(shí)刻的重要度，通過(guò)調(diào)整各等級(jí)ONU的輪詢機(jī)制以適應(yīng)ONU對(duì)帶寬差異化需求;為減輕低服務(wù)等級(jí)ONU“懲罰”現(xiàn)象及滿足業(yè)務(wù)的QoS要求，采用子周期的思想;將不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)形象化為子數(shù)據(jù)塊，將數(shù)據(jù)塊排序后進(jìn)行多波長(zhǎng)傳輸．相比未考慮用戶行為的資源分配策略，所提策略兼顧考慮了用戶行為及業(yè)務(wù)的QoS要求．仿真表明，UBA-DRAS策略具有較高帶寬利用率，且有效地降低了業(yè)務(wù)時(shí)延，特別使實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延得到大幅降低，為用戶提供了實(shí)時(shí)差異化服務(wù)，也保證了資源分配的公平性．

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熊余男，1982年生于四川資中．重慶郵電大學(xué)副研究員．研究方向?yàn)橄乱淮鸁o(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量控制和綠色節(jié)能技術(shù)、全光網(wǎng)絡(luò)的故障管理技術(shù)．

E-mail: xiongyu@ cqupt．edu．cn

唐劍波男，1990年生于四川威遠(yuǎn)．碩士研究生，研究方向?yàn)榛诨旌辖尤氲臒o(wú)源光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源分配機(jī)制研究．

User-Behavior Aware Dynamic Resource Allocation Strategy in TWDM-PON

XIONG Yu，TANG Jian-bo，ZHANG Hong，LüYi
(Key Laboratory of Optical Fiber Communication，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

Abstract:As a mainstream solution for next generation optical access network，the TWDM-PON has the characteristics of high bandwidth，long distance，numerous access users etc．In order to effectively reduce the network delay and promote the fairness of resource allocation，an user-behavior aware dynamic resource allocation strategy is proposed for adapting to the increasing differences of user-behaviors in TWDM-PON．According to the dynamic traffic status brought by user-behaviors，the ONU polling mechanism is adjusted in real-time to satisfy the requirements of ONU service level．And the introduction of traffic sub-cycle can make the different grade service alternately send．Finally，for achieving multi-wavelength transmission of load balance，an efficient data block loading mechanism is designed．The simulation results show that the proposed strategy can reduce packet delay more than 50％ and keep better fairness during resource allocation，while the utilization rate of network resource can reach 95％．

Key words:TWDM-PON; dynamic resource assignment; user-behaviors; bandwidth utilization; traffic delay; fairness

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(No．61401052) ;重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No．CSTC2011BA2041) ;重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(No．KJ1400418) ;重慶市高校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(No．2011-29)

收稿日期:2014-06-19;修回日期: 2014-09-23;責(zé)任編輯:藍(lán)紅杰

DOI:電子學(xué)報(bào)URL: http: / /www．ejournal．org．cn10．3969/j．issn．0372-2112．2016．02．022

中圖分類號(hào):TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):0372-2112 (2016) 02-0398-07