張治國(guó) 胡新天 陳雪
針對(duì)基于波長(zhǎng)變換型遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)(RN)的環(huán)樹(shù)型時(shí)分波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(TWDM PON)接入網(wǎng)方案,提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數(shù)算法等兩種波長(zhǎng)與時(shí)隙聯(lián)合帶寬分配算法。仿真結(jié)果顯示了兩種算法的有效性,最大帶寬利用率算法可有效提高系統(tǒng)帶寬利用率;最小切換次數(shù)算法可有效延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行壽命,在現(xiàn)有光開(kāi)關(guān)運(yùn)行次數(shù)條件下系統(tǒng)可保證10年以上的有效運(yùn)行時(shí)間。
環(huán)樹(shù)型時(shí)分波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò);動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)-時(shí)隙帶寬分配;混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型;最小切換次數(shù)算法
In this paper, we introduce a wavelength conversion RN-based ring-tree time and wavelength division multiplexing (TWDM) optical access network (OAN). We also propose a maximum bandwidth utilization rate algorithm and minimum tuning time algorithm. The simulation results show the effectiveness of the two algorithms. The maximum bandwidth utilization rate algorithm improves system bandwidth utilization. The minimum tuning time algorithm prolongs the life of the system, ensuring an effective running time of more than 10 years under existing optical switch running times condition.
ring-tree TWDM; dynamic wavelength-timeslot bandwidth allocation; mixed integer linear programming; minimum tuning time algorithm
近年來(lái),隨著高清視頻、網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)、P2P等為代表的高速率高質(zhì)量業(yè)務(wù)的發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量正在飛速增長(zhǎng)[1-2]。根據(jù)Cisco公司預(yù)測(cè)2016年全球IP數(shù)據(jù)量將突破ZB(1021 Byte)大關(guān),達(dá)到1.3 ZB/年。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的增加必將推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)容量的提升,作為下一代接入網(wǎng)的主要解決方案,光接入網(wǎng)的高速大容量化是其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[3-5]。另一方面,隨著接入用戶(hù)數(shù)量的增加及用戶(hù)帶寬的提升,由于商業(yè)用戶(hù)與居民用戶(hù)所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)時(shí)間、地點(diǎn)不同及寬帶移動(dòng)終端用戶(hù)的突發(fā)匯集等原因[6],導(dǎo)致未來(lái)接入網(wǎng)數(shù)據(jù)流量的突發(fā)性、快速或慢速的大帶寬波動(dòng)性等特征將會(huì)進(jìn)一步凸顯。因此,下一代光接入網(wǎng)在具備大容量的同時(shí),還應(yīng)具備靈活調(diào)整帶寬資源分配的能力以應(yīng)對(duì)流量在時(shí)間與空間分配上的波動(dòng)。
既可前向兼容現(xiàn)有時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(TDM PON)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí),又能動(dòng)態(tài)地調(diào)度波長(zhǎng)和時(shí)隙資源以應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)流量的波動(dòng),混合時(shí)分波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(TWDM PON)是最具應(yīng)用前景的光接入解決方案之一[7-10]。目前已報(bào)道的支持波長(zhǎng)與時(shí)隙聯(lián)合調(diào)度的動(dòng)態(tài)TWDM PON方案中,一般通過(guò)在一套系統(tǒng)中采用可調(diào)收發(fā)機(jī)或兩套以上收發(fā)機(jī)的方式[6,11-12],將擁擠的光波長(zhǎng)上的數(shù)據(jù)流量調(diào)整到非擁擠的光波長(zhǎng)上,并結(jié)合光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)間帶寬時(shí)隙調(diào)度的方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)與時(shí)隙的動(dòng)態(tài)調(diào)度。但現(xiàn)有解決方案會(huì)導(dǎo)致ONU成本較高,對(duì)于成本敏感的ONU而言不是有效的解決方案。針對(duì)上述問(wèn)題,我們提出了一種基于波長(zhǎng)變換型遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)(RN)的環(huán)樹(shù)型時(shí)分波分復(fù)用(TWDM)光接入網(wǎng)絡(luò)方案[13-14]。RN將所分配的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的固定波長(zhǎng),并用于在樹(shù)型網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行上下行數(shù)據(jù)傳輸?;谶@種機(jī)制,在所設(shè)計(jì)的TWDM-PON光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中仍然可以后向兼容地繼續(xù)使用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化的各類(lèi)ONU。從而將成本由ONU轉(zhuǎn)移到對(duì)成本相對(duì)不敏感的RN上。但是,該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依然需要解決現(xiàn)有TWDM PON都面臨的問(wèn)題,即提出基于實(shí)時(shí)流量波動(dòng)條件的波長(zhǎng)與時(shí)隙聯(lián)合動(dòng)態(tài)資源調(diào)度解決方法。
本文針對(duì)TWDM PON面臨的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度方法問(wèn)題,提出了一種基于波長(zhǎng)變換型遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)(RN)的環(huán)樹(shù)型TWDM PON網(wǎng)絡(luò)方案,并基于所設(shè)計(jì)的TWDM PON方案,提出了兩種分別具有更好服務(wù)質(zhì)量(QoS)和更長(zhǎng)設(shè)備使用壽命特征的動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)和帶寬分配(DWBA)算法,另外對(duì)DWBA問(wèn)題中的約束和難點(diǎn)進(jìn)行了分析闡述。所提的DWBA算法具有很好的兼容性,可以有效地應(yīng)用到其他TWDM PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。
1 基于波長(zhǎng)變換型RN的
環(huán)樹(shù)型TWDM PON結(jié)構(gòu)
本文提出的TWDM PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該方案由中心站(CO)、環(huán)型網(wǎng)結(jié)構(gòu)、RN、樹(shù)型網(wǎng)結(jié)構(gòu)、ONU等部分構(gòu)成。一根雙向光纖環(huán)型結(jié)構(gòu)將CO與多個(gè)RN連接在一起。環(huán)型光纖結(jié)構(gòu)上運(yùn)行多個(gè)工作波長(zhǎng),且在CO控制下各波長(zhǎng)可以動(dòng)態(tài)的在各RN間分配,各RN可同時(shí)分配得到一個(gè)或多個(gè)上下行光波長(zhǎng)。RN處可以進(jìn)行波長(zhǎng)變換,保證樹(shù)型結(jié)構(gòu)中使用的波長(zhǎng)與環(huán)型結(jié)構(gòu)中使用的波長(zhǎng)相互獨(dú)立。每個(gè)RN可連接若干個(gè)TDM樹(shù)。同一個(gè)TDM樹(shù)下的所有ONU可以構(gòu)成一個(gè)ONU組。在50 km環(huán)型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和20 km樹(shù)型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度下,該結(jié)構(gòu)最多可以支持8 192個(gè)ONU。根據(jù)需求,該系統(tǒng)環(huán)形結(jié)構(gòu)可支持上下行各32波及以上波長(zhǎng)(如[λu1,...,λu32,λd1,...,λd32])且單波長(zhǎng)速率10 Gbit/s的業(yè)務(wù)波長(zhǎng),另外還有1對(duì)控制波長(zhǎng)(如[λuc,λdc])。波長(zhǎng)間隔符合ITU-T規(guī)定的50 GHz柵格。上下行波段分別位于C波段的紅區(qū)和藍(lán)區(qū)。上下行波段間設(shè)有6 nm的保護(hù)帶。endprint
在RN處,所有的下行信號(hào)通過(guò)50/50功率耦合器和紅藍(lán)濾波器下路,并被陣列波導(dǎo)(AWG)解復(fù)用。解復(fù)用后,一方面,固定的控制波長(zhǎng)被直接送進(jìn)從控制器。從控制器提取RN控制信息,然后指導(dǎo)矩陣光開(kāi)關(guān)進(jìn)行波長(zhǎng)選擇和路由。另一方面,其他波長(zhǎng)被送入矩陣光開(kāi)關(guān),矩陣光開(kāi)關(guān)選擇指定的波長(zhǎng)下路,并在波長(zhǎng)變換后將下路的波長(zhǎng)送往ONU。上行信號(hào)沿著與下行信號(hào)相反的路徑傳輸。不同之處是,波長(zhǎng)變換器會(huì)根據(jù)從控制器的控制調(diào)整內(nèi)部可調(diào)激光器的上行波長(zhǎng),并發(fā)送上行信號(hào)。這樣,與下行信號(hào)一樣,環(huán)上承載業(yè)務(wù)的上下波長(zhǎng)可以動(dòng)態(tài)地被不同RN共享。另外,每個(gè)波長(zhǎng)上的時(shí)隙分配信息由下行業(yè)務(wù)波長(zhǎng)承載著送到ONU,而ONU的帶寬請(qǐng)求利用上行業(yè)務(wù)波長(zhǎng)送到CO。
基于CO端的DWBA的控制,上下行業(yè)務(wù)波長(zhǎng)可以被動(dòng)態(tài)的分配給不同的ONU組,從而可以根據(jù)各ONU的帶寬需求實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)分配調(diào)度,實(shí)現(xiàn)波分的高效利用。例如如圖1右上角所示,以上行為例,當(dāng)使用[λu1]的ONU組的總帶寬請(qǐng)求已經(jīng)超過(guò)10 Gbit/s的總?cè)萘繒r(shí),其中一個(gè)ONU組被重新分配給有空閑帶寬的[λu2]。因?yàn)閇λu1]和[λu2]就可以承載全部的帶寬請(qǐng)求,所以[λu3]沒(méi)有被分配給任何ONU組使用,可以被關(guān)閉以獲得系統(tǒng)節(jié)能。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的另一特點(diǎn)是支持前后向兼容性。同一標(biāo)準(zhǔn)體系下,10G-ONU可以替代已經(jīng)部署的1G-ONU,并且和剩余的1G-ONU共存。通過(guò)RN的波長(zhǎng)變換器,TDM樹(shù)上既可以使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的波長(zhǎng),又可以使用由下行突發(fā)信號(hào)填充所形成的連續(xù)信號(hào)。
作為典型的應(yīng)用場(chǎng)景之一,圖2介紹了在IEEE標(biāo)準(zhǔn)體系下1 Gbit/s EPON ONU和10 Gbit/s EPON ONU的共存方式。在樹(shù)型結(jié)構(gòu)部分,下行使用WDM共存,而上行采用雙速率TDMA的傳輸方式[7]。在環(huán)形結(jié)構(gòu)部分,上行依然采用雙速率TDMA的傳輸方式,而下行則采用雙速率TDM的方式。下行采用雙速率TDM的原因是環(huán)形結(jié)構(gòu)部分的成本相對(duì)不敏感,而波長(zhǎng)資源相對(duì)緊張。CO和RN中的雙速率接收機(jī)[15]用來(lái)接收同波長(zhǎng)的1 Gbit/s和10 Gbit/s信號(hào)。對(duì)于該方案的實(shí)施可行性,對(duì)于樹(shù)型結(jié)構(gòu)部分,該方案可以前后兼容現(xiàn)有PON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)已有投資的保護(hù),對(duì)于環(huán)型結(jié)構(gòu)部分,可以利用現(xiàn)有的SONET/SDH城域光纖環(huán)路設(shè)施,該方案的部署只需要更換替代RN處的設(shè)備。因此,上述原因保證了該方案的實(shí)施可行性。
2 環(huán)樹(shù)型TWDM-PON動(dòng)態(tài)
資源調(diào)度機(jī)制及算法
2.1 DWBA機(jī)制
在所設(shè)計(jì)的基于波長(zhǎng)變換型RN的環(huán)樹(shù)型TWDM PON方案中采用了集中式的帶寬分配,由CO統(tǒng)一分配全網(wǎng)的波長(zhǎng)和時(shí)隙資源,并控制RN和ONU執(zhí)行分配結(jié)果。圖3是帶寬分配實(shí)施的處理流程。流程如下:
(1)ONU使用帶內(nèi)開(kāi)銷(xiāo)向CO上報(bào)帶寬請(qǐng)求。
(2)基于可用帶寬資源、ONU的上下行帶寬需求和用戶(hù)服務(wù)等級(jí)協(xié)議,CO運(yùn)行DWBA算法,DWBA算法用來(lái)決定RN處的上下行波長(zhǎng),并為每個(gè)ONU安排上下行傳輸窗口的長(zhǎng)度和起始時(shí)刻。
(3)OLT將分配結(jié)果通知給RN,并在相應(yīng)的數(shù)據(jù)到達(dá)RN時(shí),RN能夠正確的選擇上下行波長(zhǎng)。
(4)基于DWBA算法的分配結(jié)果,OLT發(fā)送下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和帶寬授權(quán)信息。
(5)ONU從帶寬授權(quán)中獲知上行帶寬分配的結(jié)果,并在規(guī)定的窗口發(fā)送上行業(yè)務(wù)。
上行和下行帶寬分配問(wèn)題都可以利用上述模型表達(dá)。雖然可以利用AMPL/CPLEX求得最優(yōu)的帶寬分配方案[ρn,m],但是求得的最優(yōu)解無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)。帶寬分配問(wèn)題是NP-hard問(wèn)題[16],所以需求最優(yōu)解的算法復(fù)雜度高。算法的執(zhí)行實(shí)際太長(zhǎng)以致于不能及時(shí)得到分配結(jié)果。另外,最優(yōu)解無(wú)法保證不同ONU間的公平性,甚至?xí)霈F(xiàn)ONU餓死的現(xiàn)象。所以,我們提出兩種復(fù)雜度低的啟發(fā)式算法,以追求帶寬分配問(wèn)題的近似最優(yōu)解。
2.3 啟發(fā)式DWBA算法
通過(guò)松弛帶寬分配問(wèn)題的約束條件和優(yōu)化目標(biāo),我們對(duì)所設(shè)計(jì)環(huán)樹(shù)型TWDM PON提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數(shù)算法兩種DWBA算法。最大帶寬利用率算法盡可能的利用帶寬資源,但是不考慮上述約束條件(4)對(duì)光開(kāi)關(guān)切換次數(shù)的限制。最小切換次數(shù)算法通過(guò)減少光開(kāi)關(guān)切換次數(shù)盡可能的延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,故不以帶寬利用率為第一位的優(yōu)化目標(biāo)。
兩個(gè)算法的偽代碼如圖4所示。DWBA分配問(wèn)題被分為動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)分配算法(DWA)和動(dòng)態(tài)時(shí)隙帶寬分配算法(DBA)。DWA每[K]個(gè)周期為RN分配一次上下路光波長(zhǎng)。對(duì)于最小切換次數(shù)算法,它首先嘗試仍然為ONU分配前一周期使用的波長(zhǎng)。當(dāng)前一周期使用的波長(zhǎng)當(dāng)前周期不可用或者采用了最大帶寬利用率算法時(shí),ONU會(huì)被嘗試安排給用于更多可用帶寬資源的工作波長(zhǎng)。最后,如果通過(guò)上述步驟,仍然無(wú)法為一個(gè)ONU找到合適的工作波長(zhǎng),忽略上述約束條件(1),把該ONU安排給承載最少帶寬請(qǐng)求的波長(zhǎng)。DBA用來(lái)為各ONU組中的ONU分配傳輸時(shí)間窗口的大小和起始時(shí)間。每個(gè)周期每個(gè)波長(zhǎng)都要執(zhí)行一次DBA。所采用的DBA算法用于承載有平均速率保證的變速率突發(fā)業(yè)務(wù)[17]。兩個(gè)算法的時(shí)間復(fù)雜度相同,都是[ONM]。DWBA算法偽代碼如圖4所示。
3 環(huán)樹(shù)型TWDM-PON動(dòng)態(tài)
資源調(diào)度算法性能分析
為了分析所提DWBA算法的性能,我們利用MATLAB建立了仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)由16個(gè)RN、64個(gè)ONU組和512個(gè)10G-ONU組成。環(huán)上業(yè)務(wù)波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)最大為16個(gè)。只對(duì)上行傳輸進(jìn)行了仿真。采用了0.8 Hurst參數(shù)的自相似數(shù)據(jù)源。每個(gè)ONU擁有一個(gè)10 MB的先入先出(FIFO)隊(duì)列。DWA和DBA周期都設(shè)為2 ms。仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)對(duì)兩個(gè)算法進(jìn)行了對(duì)比。仿真中采用了有大負(fù)載和小負(fù)載兩類(lèi)ONU的兩點(diǎn)分布。例如,白天大負(fù)載ONU可以代表商業(yè)用戶(hù),而小負(fù)載ONU用來(lái)模擬居民用戶(hù)。兩類(lèi)ONU的平均速率分布為400 Mbit/s和100 Mbit/s。通過(guò)調(diào)整大負(fù)載ONU的個(gè)數(shù)從0到256個(gè),相應(yīng)的歸一化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載由0.32變化到了0.8。平均看,與最小切換次數(shù)算法相比,最大帶寬利用率算法可以多關(guān)閉0.73個(gè)工作波長(zhǎng),并提高3.81%的帶寬利用率。最小切換次數(shù)算法最大需要光開(kāi)關(guān)每秒切換26次,但是最大帶寬利用率算法要切換1 858次。兩種算法的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)相似。endprint
考慮到矩陣光開(kāi)關(guān)的有效開(kāi)關(guān)次數(shù)可以達(dá)到10億次以上。為了使光開(kāi)關(guān)能工作10年以上,則每秒鐘其切換次數(shù)要小于32次。因此,上述最大帶寬利用算法的切換次數(shù)太多。我們提出了通過(guò)延長(zhǎng)DWA周期來(lái)減少光開(kāi)關(guān)的切換次數(shù)。如圖4(d)所示,當(dāng)DWA周期[K=100]時(shí),每秒鐘切換次數(shù)降到了29次,但相應(yīng)時(shí)延也會(huì)有所上升,約15 ms。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文討論了環(huán)樹(shù)型TWDM-PON接入方案中的波長(zhǎng)與時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配與調(diào)度問(wèn)題,并基于MILP模型對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了建模分析。進(jìn)而提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數(shù)算法兩種DWBA算法。仿真結(jié)果顯示了兩種算法的有效性。但對(duì)比顯示最小切換次數(shù)算法的性能相對(duì)更占優(yōu),它能夠在保證時(shí)延的前提下,在現(xiàn)有光開(kāi)關(guān)運(yùn)行次數(shù)條件下系統(tǒng)可保證10年以上的有效運(yùn)行時(shí)間。此外,本文還描述了環(huán)樹(shù)型TWDM-PON接入方案的后向兼容性和成本效益。
參考文獻(xiàn)
[1] DUSER M. A review of past, present and future optical networks optics is driving structural change [R]. OFC/NFOEC, 2011.
[2] ELAINE W. Next-Generation Broadband Access Networks and Technologies [J]. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(4):597-608.
[3] YU J J, JIA Z S, HUANG M F, MUHAMMAD H, et al. Applications of 40-Gbit/s Chirp-Managed Laser in Access and Metro Networks [J]. Journal of Lightwave Technology, 2009, 27(3):253-265.
[4] QI G, AN V T. Demonstration of 40-Gbit/s WDM-PON System Using SOA-REAM and Equalizatio [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012,24,(11): 952-953.
[5] KIM J Y, YOO S H, MOON S R, KIM D C, LEE C H. 400 Gbit/s (40 × 10 Gbit/s) ASE Injection Seeded WDM-PON based on SOA-REAM [R]. OFC, 2013.
[6] TRAN N C, OKONKWO C, TANGDIONGGA E, JUNG H D, KOONEN T. Cyclic-linked flexibility: An architectural approach for reconfigurable optical WDM-TDM access networks [J]. IEEE/OSA J. Opt. Commun. Netw., 2013,5(6):574-583.
[7] OSSIEUR P. Hybrid DWDM-TDMA PONs for next generation access [R]. OFC/NFOEC, 2012.
[8] WONG E. Characterization of energy-efficient and colorless ONUs for future TWDM-PONs [J]. Optics Express, 2013,21(18):20747-20761.
[9] OSSIEUR P, ANTONY C, NAUGHTON A, et al. Demonstration of a 32×512 Split, 100 km Reach,2×32×10 Gbit/s Hybrid DWDM-TDMA PON Using Tunable External Cavity Lasers in the ONUs [J]. Journal of Lightwave Technology, 2011,29(24): 3705-3718.
[10] ITU-T. Recommendation ITU-T G.989.1. 40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): general requirements [S]. ITU-T, 2013.
[11] BI M, XIAO S, YI L, HE H, LI J, YANG X, HU W. Power budget improvement of symmetric 40-Gbit/s DML-based TWDM-PON system [J]. Opt. Express, 2014,22(6): 6925-6933.
[12] CHENG N, GAO J, XU C, GAO B, LIU D, WANG L, WU X, ZHOU X, LIN H, EFFENBERGER F. Flexible TWDM PON system with pluggable optical transceiver modules [J]. Opt. Express, 2014,22(2): 2078-2091.
[13] HU X T, CHEN X, ZHANG Z G, et al. Flexible ring-tree TWDM network architecture for next generation optical access network [C]//Proceedings of the the 23rd Wireless and Optical Commun. Conf., Newark, NJ, May 9-10, 2014.
[14] HU X T, CHEN X, ZHANG Z G, et al. Ring-tree TWDM Optical Access Network with Dynamic Wavelength and Bandwidth Allocation [R]. CLEO, 2014.
[15] TANAKA K, AGATA A, HORIUCHI Y. IEEE 802.3av 10G-EPON standardization and its research and development status [J]. Lightwave Technol., 2010,28(4): 651-661.
[16] ZHANG J, ANSARI N. Scheduling hybrid WDM/TDM passive optical networks with nonzero laser tuning time [J]. IEEE/ACM Trans. on Netw., 2011,19(4): 1014-1027.
[17] ZHANG J, ANSARI N, LUO Y, EFFENBERGER F, YE F. Next-generation PONs: a performance investigation of candidate architectures for next-generation access stage 1 [J]. IEEE Commun. Mag., 2009,47(8): 49-57.endprint
考慮到矩陣光開(kāi)關(guān)的有效開(kāi)關(guān)次數(shù)可以達(dá)到10億次以上。為了使光開(kāi)關(guān)能工作10年以上,則每秒鐘其切換次數(shù)要小于32次。因此,上述最大帶寬利用算法的切換次數(shù)太多。我們提出了通過(guò)延長(zhǎng)DWA周期來(lái)減少光開(kāi)關(guān)的切換次數(shù)。如圖4(d)所示,當(dāng)DWA周期[K=100]時(shí),每秒鐘切換次數(shù)降到了29次,但相應(yīng)時(shí)延也會(huì)有所上升,約15 ms。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文討論了環(huán)樹(shù)型TWDM-PON接入方案中的波長(zhǎng)與時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配與調(diào)度問(wèn)題,并基于MILP模型對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了建模分析。進(jìn)而提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數(shù)算法兩種DWBA算法。仿真結(jié)果顯示了兩種算法的有效性。但對(duì)比顯示最小切換次數(shù)算法的性能相對(duì)更占優(yōu),它能夠在保證時(shí)延的前提下,在現(xiàn)有光開(kāi)關(guān)運(yùn)行次數(shù)條件下系統(tǒng)可保證10年以上的有效運(yùn)行時(shí)間。此外,本文還描述了環(huán)樹(shù)型TWDM-PON接入方案的后向兼容性和成本效益。
參考文獻(xiàn)
[1] DUSER M. A review of past, present and future optical networks optics is driving structural change [R]. OFC/NFOEC, 2011.
[2] ELAINE W. Next-Generation Broadband Access Networks and Technologies [J]. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(4):597-608.
[3] YU J J, JIA Z S, HUANG M F, MUHAMMAD H, et al. Applications of 40-Gbit/s Chirp-Managed Laser in Access and Metro Networks [J]. Journal of Lightwave Technology, 2009, 27(3):253-265.
[4] QI G, AN V T. Demonstration of 40-Gbit/s WDM-PON System Using SOA-REAM and Equalizatio [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012,24,(11): 952-953.
[5] KIM J Y, YOO S H, MOON S R, KIM D C, LEE C H. 400 Gbit/s (40 × 10 Gbit/s) ASE Injection Seeded WDM-PON based on SOA-REAM [R]. OFC, 2013.
[6] TRAN N C, OKONKWO C, TANGDIONGGA E, JUNG H D, KOONEN T. Cyclic-linked flexibility: An architectural approach for reconfigurable optical WDM-TDM access networks [J]. IEEE/OSA J. Opt. Commun. Netw., 2013,5(6):574-583.
[7] OSSIEUR P. Hybrid DWDM-TDMA PONs for next generation access [R]. OFC/NFOEC, 2012.
[8] WONG E. Characterization of energy-efficient and colorless ONUs for future TWDM-PONs [J]. Optics Express, 2013,21(18):20747-20761.
[9] OSSIEUR P, ANTONY C, NAUGHTON A, et al. Demonstration of a 32×512 Split, 100 km Reach,2×32×10 Gbit/s Hybrid DWDM-TDMA PON Using Tunable External Cavity Lasers in the ONUs [J]. Journal of Lightwave Technology, 2011,29(24): 3705-3718.
[10] ITU-T. Recommendation ITU-T G.989.1. 40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): general requirements [S]. ITU-T, 2013.
[11] BI M, XIAO S, YI L, HE H, LI J, YANG X, HU W. Power budget improvement of symmetric 40-Gbit/s DML-based TWDM-PON system [J]. Opt. Express, 2014,22(6): 6925-6933.
[12] CHENG N, GAO J, XU C, GAO B, LIU D, WANG L, WU X, ZHOU X, LIN H, EFFENBERGER F. Flexible TWDM PON system with pluggable optical transceiver modules [J]. Opt. Express, 2014,22(2): 2078-2091.
[13] HU X T, CHEN X, ZHANG Z G, et al. Flexible ring-tree TWDM network architecture for next generation optical access network [C]//Proceedings of the the 23rd Wireless and Optical Commun. Conf., Newark, NJ, May 9-10, 2014.
[14] HU X T, CHEN X, ZHANG Z G, et al. Ring-tree TWDM Optical Access Network with Dynamic Wavelength and Bandwidth Allocation [R]. CLEO, 2014.
[15] TANAKA K, AGATA A, HORIUCHI Y. IEEE 802.3av 10G-EPON standardization and its research and development status [J]. Lightwave Technol., 2010,28(4): 651-661.
[16] ZHANG J, ANSARI N. Scheduling hybrid WDM/TDM passive optical networks with nonzero laser tuning time [J]. IEEE/ACM Trans. on Netw., 2011,19(4): 1014-1027.
[17] ZHANG J, ANSARI N, LUO Y, EFFENBERGER F, YE F. Next-generation PONs: a performance investigation of candidate architectures for next-generation access stage 1 [J]. IEEE Commun. Mag., 2009,47(8): 49-57.endprint
考慮到矩陣光開(kāi)關(guān)的有效開(kāi)關(guān)次數(shù)可以達(dá)到10億次以上。為了使光開(kāi)關(guān)能工作10年以上,則每秒鐘其切換次數(shù)要小于32次。因此,上述最大帶寬利用算法的切換次數(shù)太多。我們提出了通過(guò)延長(zhǎng)DWA周期來(lái)減少光開(kāi)關(guān)的切換次數(shù)。如圖4(d)所示,當(dāng)DWA周期[K=100]時(shí),每秒鐘切換次數(shù)降到了29次,但相應(yīng)時(shí)延也會(huì)有所上升,約15 ms。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文討論了環(huán)樹(shù)型TWDM-PON接入方案中的波長(zhǎng)與時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配與調(diào)度問(wèn)題,并基于MILP模型對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了建模分析。進(jìn)而提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數(shù)算法兩種DWBA算法。仿真結(jié)果顯示了兩種算法的有效性。但對(duì)比顯示最小切換次數(shù)算法的性能相對(duì)更占優(yōu),它能夠在保證時(shí)延的前提下,在現(xiàn)有光開(kāi)關(guān)運(yùn)行次數(shù)條件下系統(tǒng)可保證10年以上的有效運(yùn)行時(shí)間。此外,本文還描述了環(huán)樹(shù)型TWDM-PON接入方案的后向兼容性和成本效益。
參考文獻(xiàn)
[1] DUSER M. A review of past, present and future optical networks optics is driving structural change [R]. OFC/NFOEC, 2011.
[2] ELAINE W. Next-Generation Broadband Access Networks and Technologies [J]. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(4):597-608.
[3] YU J J, JIA Z S, HUANG M F, MUHAMMAD H, et al. Applications of 40-Gbit/s Chirp-Managed Laser in Access and Metro Networks [J]. Journal of Lightwave Technology, 2009, 27(3):253-265.
[4] QI G, AN V T. Demonstration of 40-Gbit/s WDM-PON System Using SOA-REAM and Equalizatio [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012,24,(11): 952-953.
[5] KIM J Y, YOO S H, MOON S R, KIM D C, LEE C H. 400 Gbit/s (40 × 10 Gbit/s) ASE Injection Seeded WDM-PON based on SOA-REAM [R]. OFC, 2013.
[6] TRAN N C, OKONKWO C, TANGDIONGGA E, JUNG H D, KOONEN T. Cyclic-linked flexibility: An architectural approach for reconfigurable optical WDM-TDM access networks [J]. IEEE/OSA J. Opt. Commun. Netw., 2013,5(6):574-583.
[7] OSSIEUR P. Hybrid DWDM-TDMA PONs for next generation access [R]. OFC/NFOEC, 2012.
[8] WONG E. Characterization of energy-efficient and colorless ONUs for future TWDM-PONs [J]. Optics Express, 2013,21(18):20747-20761.
[9] OSSIEUR P, ANTONY C, NAUGHTON A, et al. Demonstration of a 32×512 Split, 100 km Reach,2×32×10 Gbit/s Hybrid DWDM-TDMA PON Using Tunable External Cavity Lasers in the ONUs [J]. Journal of Lightwave Technology, 2011,29(24): 3705-3718.
[10] ITU-T. Recommendation ITU-T G.989.1. 40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): general requirements [S]. ITU-T, 2013.
[11] BI M, XIAO S, YI L, HE H, LI J, YANG X, HU W. Power budget improvement of symmetric 40-Gbit/s DML-based TWDM-PON system [J]. Opt. Express, 2014,22(6): 6925-6933.
[12] CHENG N, GAO J, XU C, GAO B, LIU D, WANG L, WU X, ZHOU X, LIN H, EFFENBERGER F. Flexible TWDM PON system with pluggable optical transceiver modules [J]. Opt. Express, 2014,22(2): 2078-2091.
[13] HU X T, CHEN X, ZHANG Z G, et al. Flexible ring-tree TWDM network architecture for next generation optical access network [C]//Proceedings of the the 23rd Wireless and Optical Commun. Conf., Newark, NJ, May 9-10, 2014.
[14] HU X T, CHEN X, ZHANG Z G, et al. Ring-tree TWDM Optical Access Network with Dynamic Wavelength and Bandwidth Allocation [R]. CLEO, 2014.
[15] TANAKA K, AGATA A, HORIUCHI Y. IEEE 802.3av 10G-EPON standardization and its research and development status [J]. Lightwave Technol., 2010,28(4): 651-661.
[16] ZHANG J, ANSARI N. Scheduling hybrid WDM/TDM passive optical networks with nonzero laser tuning time [J]. IEEE/ACM Trans. on Netw., 2011,19(4): 1014-1027.
[17] ZHANG J, ANSARI N, LUO Y, EFFENBERGER F, YE F. Next-generation PONs: a performance investigation of candidate architectures for next-generation access stage 1 [J]. IEEE Commun. Mag., 2009,47(8): 49-57.endprint