余 庚

（1.福州理工學(xué)院 福州 350506）（2.福建工程學(xué)院國(guó)脈信息學(xué)院 福州 350014）

1 引言

EPON作為ASON常用的組網(wǎng)模型，采用了基于IEEE.802.3ah多點(diǎn)控制［1］協(xié)議［2］的控制技術(shù)來允許承載了各類等級(jí)業(yè)務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）共享峰值為1Gbit/s的上行帶寬資源。這些大量ONU承載的業(yè)務(wù)等級(jí)各不相同載荷輕重不一，就業(yè)務(wù)的優(yōu)先性而言，ASON所承載的業(yè)務(wù)等級(jí)有：1）無障礙通行等級(jí)（EF）。該等級(jí)具有最高優(yōu)先級(jí)，因此對(duì)時(shí)延抖動(dòng)都極其敏感；2）確保通行等級(jí)（AF）。該等級(jí)僅要求OLT為ONU分配足夠大小的窗口，目的在于將緩存中的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢即可，顯然對(duì)丟包率敏感；3）最大交付努力等級(jí)（BE）。對(duì)時(shí)延抖動(dòng)和帶寬沒有硬性要求，只需網(wǎng)絡(luò)盡最大努力將數(shù)據(jù)發(fā)送。

ASON網(wǎng)絡(luò)中任意ONU之間并未建立業(yè)務(wù)權(quán)重實(shí)時(shí)傳送機(jī)制，因此就可能出現(xiàn)在忙碌時(shí)段OLT將最大帶寬全部分配給某一個(gè)ONU這樣的帶寬競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，顯然這不利于其他ONU緩存中的各類業(yè)務(wù)。為避免任意一個(gè)ONU在上行信道中無限制地獲得請(qǐng)求窗口，本次從概率均衡的角度提出了一種業(yè)務(wù)授權(quán)機(jī)制。

2 等概率授權(quán)思路

將EPON模型中的輪詢［3］周期置為可變Tmin/max。在該輪詢周期內(nèi)，OLT先掃描發(fā)現(xiàn)所有ONU提交的帶寬請(qǐng)求，該帶寬請(qǐng)求包含了EF、AF、BF三種等級(jí)業(yè)務(wù)的請(qǐng)求。其次OLT按照級(jí)別高低順序存放在緩存中進(jìn)行計(jì)算得到上行方向上所有ONU提交的所有等級(jí)［4］業(yè)務(wù)的帶寬總和。最后再由OLT統(tǒng)籌分配帶寬給每個(gè)ONU的每個(gè)等級(jí)業(yè)務(wù)。分配思想：1）先為EF分配窗口再逐級(jí)為AF、BF分配；2）對(duì)于相同等級(jí)業(yè)務(wù)，則根據(jù)實(shí)際帶寬需求按照比例分配；3）當(dāng)ONU各類等級(jí)提交的請(qǐng)求超出上行鏈路所能夠提供的總帶寬，則適時(shí)調(diào)整輪詢周期。4）輕載時(shí)信道將被大量控制幀占據(jù)而浪費(fèi)了帶寬，此時(shí)輪詢周期調(diào)整至Tmax；5）重載時(shí)為防止某一個(gè)攜帶了大數(shù)據(jù)的ONU獨(dú)占上行帶寬，將輪詢周期縮短至Tmax。

3 等概率授權(quán)模型

借助OPNET仿真平臺(tái)搭建［5］一個(gè)由1個(gè)OLT和32個(gè)ONU構(gòu)成的EPON網(wǎng)絡(luò)。為更好地闡述授權(quán)［6］過程引入授權(quán)相關(guān)參數(shù)：Ri為第ONUi發(fā)送的用戶速率，則RN為上行帶寬總速率；Bi為在一次輪詢周期內(nèi)ONUi需求的帶寬；為了能夠讓每一個(gè)ONU緩存中同一個(gè)等級(jí)業(yè)務(wù)都能有等概率發(fā)送業(yè)務(wù)的機(jī)會(huì)，就必須要為ONUi授權(quán)一個(gè)確保的最小帶寬Bimin；輪詢周期內(nèi)的剩余帶寬定義為BRemain，則BRemain=BTotal-∑Bi,EF；如果BRemain足夠用于承載AF請(qǐng)求，再為BE業(yè)務(wù)分配請(qǐng)求帶寬，此時(shí)BE業(yè)務(wù)獲得的帶寬記為BTotal-∑Bi,EF-∑Bi,AF。但是如果BRemain大小不足以承載AF請(qǐng)求時(shí)，將BRemain全部授權(quán)給AF，這樣的話BE獲得的帶寬∑Bi,BE=0。

為便于后續(xù)對(duì)所設(shè)計(jì)的等概率授權(quán)方法進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)定了如下相關(guān)參數(shù)［7］：32個(gè)ONU圍繞在以O(shè)LT為中心，半徑20km以內(nèi)來散落分布位置。上/下行帶寬為1Gbit/s，輪詢周期為1ms/2ms，Ri=100Mbit/s，RN=1000Mbit/s，一次數(shù)據(jù)往返時(shí)間引入的保護(hù)間隔Tguard=5μs，ONU負(fù)載系數(shù)位于0.1～1.0之間，ONU緩存［8］中三種等級(jí)數(shù)據(jù)源（即：EF、AF/BE）遵循泊松分布和Pareto分布，緩存大小為10MB。

4 固定授權(quán)機(jī)理

為了便于說明可變輪詢周期下不同等級(jí)業(yè)務(wù)的QoS［9］，這里引入傳統(tǒng)業(yè)務(wù)授權(quán)機(jī)制作比較。該機(jī)制下OLT與ONU間呼叫應(yīng)答采用固定時(shí)長(zhǎng)來輪詢，輪詢周期沒有考慮ONUi負(fù)載輕重。通常在一個(gè)固定輪詢周期內(nèi)［10］最后一個(gè)ONU的數(shù)據(jù)和Report幀傳送完OLT才開始統(tǒng)計(jì)Report幀。Report幀包含EF、AF、BE長(zhǎng)度。按業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，該機(jī)制首先為EF授權(quán)固定帶寬Bi,H，其次為AF授權(quán)固定帶寬，最后為BE授權(quán)固定帶寬根據(jù)上述可以獲得所有ONU獲得OLT授權(quán)的總帶寬是Btotal=Bi，H+Bi，M+Bi，L。

圖3 BE業(yè)務(wù)時(shí)延

5 仿真分析

結(jié)合上述設(shè)置的參數(shù)，本次通過OPNET［11］仿真軟件搭建一個(gè)由1個(gè)OLT和32個(gè)ONU構(gòu)成的EPON網(wǎng)絡(luò)模型［12］。仿真結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1 EF業(yè)務(wù)時(shí)延

圖2 AF業(yè)務(wù)時(shí)延

圖4 兩種授權(quán)機(jī)制的丟包率

綜合圖1～圖4，不難看出在兩種授權(quán)機(jī)制下三種等級(jí)業(yè)務(wù)在時(shí)延性能方面的表現(xiàn)各異。在負(fù)載系數(shù)位于0.6～0.8之間，等概率授權(quán)機(jī)制和固定授權(quán)機(jī)制的差異性并不明顯甚至近乎重合。當(dāng)負(fù)載系數(shù)低于這個(gè)區(qū)間時(shí)，等概率授權(quán)機(jī)制無論在時(shí)延性能還是在丟包率方面都是開始凸顯出優(yōu)勢(shì)，甚至在負(fù)載低于0.4時(shí)數(shù)據(jù)丟包率為零。

造成四個(gè)仿真圖示［13］中曲線分布現(xiàn)象的原因如下：1）當(dāng)EPON模型中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載系數(shù)超過0.8以上，即為重載。此時(shí)輪詢周期固定為2ms，達(dá)到了動(dòng)態(tài)輪詢周期的上限。OLT所能提供的授權(quán)已經(jīng)無法滿足32個(gè)ONU提交的帶寬請(qǐng)求總和。這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下同一個(gè)等級(jí)的業(yè)務(wù)得到不均衡授權(quán)就成為了可能，延時(shí)和丟包性［14］能必然受到嚴(yán)重的影響。2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載系數(shù)位于0.6～0.8時(shí)，即為中載。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)參數(shù)處于相對(duì)變化的狀態(tài)。以輪詢?nèi)螢槔?，OLT執(zhí)行完第一次輪詢收到所有ONU的數(shù)據(jù)總帶寬請(qǐng)求與執(zhí)行完第二次輪詢收到所有ONU的數(shù)據(jù)總帶寬請(qǐng)求是不同的。兩次輪詢過程中ONU發(fā)出請(qǐng)求的業(yè)務(wù)等級(jí)和數(shù)據(jù)［15］長(zhǎng)度也不同，這樣就更加導(dǎo)致兩次輪詢的請(qǐng)求之和出現(xiàn)較大的波動(dòng)。等概率授權(quán)在動(dòng)態(tài)輪詢周期中本著先滿足EF帶寬請(qǐng)求再依次統(tǒng)籌AF/BE的原則，輔以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輪詢周期長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)帶寬二次調(diào)配無疑改善了上行信道的傳輸效率、控制了數(shù)據(jù)丟包率。3）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載系數(shù)低于0.6時(shí)，即為輕載。用戶側(cè)所有ONU發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間總和遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于事先設(shè)定的輪詢周期，且輪詢周期可變。相對(duì)固定授權(quán)機(jī)制而言，等概率授權(quán)策略在輕載時(shí)OLT可以適時(shí)加速輪詢ONU的進(jìn)程，此舉必然顯著降低空閑時(shí)隙在信道中出現(xiàn)的概率。

6 結(jié)語

為了讓EPON動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配技術(shù)在ASON上能夠結(jié)合多業(yè)務(wù)、大數(shù)據(jù)特性更好地服務(wù)于用戶群，本文提出了一種基于CoS的多業(yè)務(wù)等概率動(dòng)態(tài)輪詢算法，該算法兼顧了網(wǎng)絡(luò)吞吐量、業(yè)務(wù)權(quán)重、數(shù)據(jù)完整性等重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本次設(shè)計(jì)的等概率授權(quán)算法適合作為一種有效的多陣列調(diào)度方案來消除互聯(lián)網(wǎng)+模式下ASON存在的輕載懲罰現(xiàn)象，也可為不同負(fù)載下的寬帶光接入網(wǎng)提供QoS保障。