劉業(yè)君，劉玉瑩，漢鵬超，王繼東，郭磊

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OFDM無源光網(wǎng)絡(luò)中多業(yè)務(wù)分層帶寬分配算法

劉業(yè)君，劉玉瑩，漢鵬超，王繼東，郭磊

（東北大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院智慧系統(tǒng)國際合作聯(lián)合實驗室，遼寧 沈陽 110819）

正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(OFDM-PON，orthogonal frequency division multiplexing passive optical network)具有帶寬容量大、資源分配靈活等優(yōu)勢，被公認(rèn)為下一代光接入網(wǎng)的重要候選技術(shù)之一。目前，OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究層出不窮，然而這些研究大多專注于物理結(jié)構(gòu)和信號傳輸技術(shù)，缺少與新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的帶寬分配算法。OFDM-PON中帶寬分配涉及時域、頻域、比特等多維資源的聯(lián)合優(yōu)化，是保證多業(yè)務(wù)接入和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。針對OFDM-PON的增強(qiáng)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出多業(yè)務(wù)分層帶寬分配算法，以實現(xiàn)增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)帶寬資源的高效利用。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)OFDM-PON系統(tǒng)中無分層帶寬分配算法，增強(qiáng)型OFDM-PON的分層帶寬分配算法在帶寬資源利用率和數(shù)據(jù)分組時延等性能方面具有明顯優(yōu)勢。

正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)；動態(tài)帶寬分配；分層帶寬分配；多業(yè)務(wù)傳輸

1 引言

近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了新興高帶寬應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，用戶對帶寬的需求急劇增長。帶寬資源豐富且建設(shè)成本較低的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON, passive optical network）已成為下一代接入網(wǎng)的重要解決方案。目前，廣泛應(yīng)用的以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON, ethernet PON）、吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（GPON, gigabit PON）及其相應(yīng)的下一代無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)10G-EPON、10G-GPON等雖然在系統(tǒng)容量和傳輸距離方面得到明顯提升，但EPON和GPON都是基于時分多址的接入網(wǎng)，存在帶寬資源浪費、帶寬分配缺乏靈活性等問題。隨著智慧城市、虛擬現(xiàn)實、無人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)張，目前的EPON和GPON技術(shù)將在未來的多元化業(yè)務(wù)傳輸需求中面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（OFDM-PON, orthogonal frequency division multiplexing PON）以其帶寬粒度靈活、頻譜效率高、色散和偏振模色散容忍度高等優(yōu)點，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，OFDM-PON已被證實可提供超過100 Gbit/s的帶寬容量[1]，相當(dāng)于10G-EPON和10G-PON的10倍以上。帶寬分配是OFDM-PON系統(tǒng)中實現(xiàn)多用戶接入與保證服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其時域、頻域、功率和調(diào)制格式等多維資源優(yōu)化模式可滿足不同類型業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求，與此同時也增加了帶寬分配算法的設(shè)計難度。

近年來，許多新型OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相繼涌現(xiàn)，其中，單極性O(shè)FDM（U-OFDM, unipolar OFDM）調(diào)制技術(shù)被公認(rèn)為解決直流偏置光OFDM（DCO-OFDM, direct current biased optical OFDM）調(diào)制技術(shù)能耗問題的有效方法之一[2]。然而，由于幀結(jié)構(gòu)的限制，相比于直流偏置光OFDM調(diào)制技術(shù)，傳統(tǒng)單極性O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)犧牲了頻譜效率。增強(qiáng)型單極性O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)（eU-OFDM, enhanced unipolar OFDM）[3-4]利用信息數(shù)據(jù)的循環(huán)重復(fù)規(guī)則巧妙地定義出不同的傳輸層，將傳統(tǒng)的單極性O(shè)FDM調(diào)制信息在時域內(nèi)進(jìn)行多路復(fù)用，從而解決了傳統(tǒng)的單極性O(shè)FDM調(diào)制方法[2]為提高能量效率而引起的頻譜效率損失問題。增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)架構(gòu)將增強(qiáng)型單極性O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在OFDM-PON系統(tǒng)中。相比于基于單極性O(shè)FDM調(diào)制的傳統(tǒng)OFDM-PON系統(tǒng)，增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)在實現(xiàn)近似能效的同時，能提供更高的系統(tǒng)容量，具有大多數(shù)現(xiàn)有OFDM-PON系統(tǒng)架構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢。

然而，針對大量涌現(xiàn)的新型OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并沒有與此相對應(yīng)的帶寬分配算法。傳統(tǒng)的基于時頻資源的二維帶寬分配算法[5-6]雖然具有普遍適用性，但卻未能考慮新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨有的資源維度，從而引起帶寬資源浪費、帶寬分配缺失靈活性等問題。例如，在增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)中，采用增強(qiáng)型單極性O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)可從調(diào)制分層的角度為帶寬資源增加新的復(fù)用維度，盡管如此，傳統(tǒng)的載波/時隙二維帶寬分配算法并未考慮新的復(fù)用維度以及不同調(diào)制層的傳輸特征對帶寬分配的影響，因此無法保證OFDM-PON新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的帶寬得到充分利用。針對新涌現(xiàn)的且研究空間廣闊的增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2-4]，根據(jù)其資源特性對帶寬分配算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

本文針對增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)獨特的帶寬資源分層結(jié)構(gòu)，研究物理層感知的時隙、載波、比特、調(diào)制分層等多維動態(tài)帶寬分配算法，根據(jù)不同業(yè)務(wù)在傳輸質(zhì)量、帶寬要求、服務(wù)質(zhì)量等方面的需求特征，將不同業(yè)務(wù)適配到不同的調(diào)制分層，充分利用增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)的帶寬資源維度，實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量要求更高的多業(yè)務(wù)傳輸。

2 增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)模型

2.1 增強(qiáng)型單極性O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)

增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)采用eU-OFDM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)信號的自適應(yīng)傳輸。根據(jù)增強(qiáng)模型OFDM-PON系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)傳輸分層結(jié)構(gòu)和多業(yè)務(wù)共同傳輸?shù)奶攸c，來決定數(shù)據(jù)傳輸層與調(diào)制格式。eU-OFDM調(diào)制技術(shù)致力于解決傳統(tǒng)的U-OFDM調(diào)制技術(shù)帶寬利用率低等固有問題[2-4]。增強(qiáng)型OFDM-PON調(diào)制技術(shù)原理如圖1所示。eU-OFDM調(diào)制技術(shù)通過允許多個U-OFDM信息流疊加成單時隙信號在信道中傳輸來提高頻譜效率。每個調(diào)制分層上對數(shù)據(jù)流進(jìn)行規(guī)范的復(fù)制，并在不同調(diào)制分層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加。

圖1 增強(qiáng)型OFDM-PON調(diào)制技術(shù)原理

其中，表示可用的調(diào)制分層數(shù)量。隨著分層數(shù)量的不斷增加，eU-OFDM系統(tǒng)的頻譜效率會逐漸接近DCO-OFDM系統(tǒng)[3]（頻譜效率約50%）。

在能量效率方面，eU-OFDM調(diào)制技術(shù)的信號功率相當(dāng)于各分層信號功率之和。得益于U-OFDM調(diào)制自身的能效優(yōu)勢，eU-OFDM調(diào)制技術(shù)的每個分層上的信號功率均不超過DCO-OFDM信號功率的一半，并且隨著分層數(shù)量的逐漸增加，單層信號功率逐漸降低。文獻(xiàn)[3]通過理論分析和蒙特卡羅仿真已證實，在頻譜效率一定的條件下，eU-OFDM調(diào)制技術(shù)相對于DCO-OFDM調(diào)制技術(shù)節(jié)省的功率如表1所示。由表1可知，eU-OFDM調(diào)制技術(shù)在3個分層的情況下可實現(xiàn)能量效率與頻譜效率之間的最佳折中。

表1 eU-OFDM調(diào)制技術(shù)相對于DCO-OFDM調(diào)制技術(shù)的能效分析

2.2 多業(yè)務(wù)傳輸

目前，廣泛部署的EPON系統(tǒng)與GPON系統(tǒng)中主要支持3類典型業(yè)務(wù)：快速轉(zhuǎn)發(fā)（EF, expedited forwarding）業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)傳輸量最小，對時延非常敏感，優(yōu)先級最高，如網(wǎng)絡(luò)電話（VoIP, voice-over-IP）；保證轉(zhuǎn)發(fā)（AF, assured forwarding）業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)傳輸量較大，對時延不太敏感但需要最小的帶寬保證，優(yōu)先級次之，如郵件類業(yè)務(wù)；盡力而為（BE, best effort）業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)傳輸量非常大，時延敏感程度非常低，優(yōu)先級最低，如超大郵件轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。

本文將在增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下進(jìn)行EF、AF、BE等多業(yè)務(wù)分層帶寬分配算法設(shè)計。在增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)中隨著調(diào)制分層的逐漸增大，所采用的調(diào)制階數(shù)也將升高，如第一層采用8-QAM調(diào)制方式，至第五層將增加到32-QAM調(diào)制方式。采用低階調(diào)制方式有利于降低系統(tǒng)誤碼率，但傳輸速率較低，適合數(shù)據(jù)量不大但對傳輸可靠性要求較為嚴(yán)格的業(yè)務(wù)。反之，隨著調(diào)制階數(shù)的升高，可實現(xiàn)系統(tǒng)的傳輸速率增大，但誤碼率也會隨之提高。多業(yè)務(wù)多維帶寬分配如圖2所示。不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分布在不同的調(diào)制分層中進(jìn)行傳輸，按照優(yōu)先級從高到低依次把EF、AF、BE這3種業(yè)務(wù)分別分配到第一層至第三層上進(jìn)行傳輸。第一層的低階調(diào)制傳輸有利于降低EF數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，第三層的高階調(diào)制傳輸可增加BE業(yè)務(wù)的傳輸速率。不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分布在不同的調(diào)制分層上，并且各層的調(diào)制格式可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求自行設(shè)定，相比于單數(shù)據(jù)流多業(yè)務(wù)傳輸?shù)南到y(tǒng)，其帶寬資源可得到更充分的利用。

圖2 多業(yè)務(wù)多維帶寬分配

2.3 多點控制協(xié)議

增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由3個部分組成：光線路終端（OLT, optical line terminal）、光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN, optical distribution network）和光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU, optical network unit）。無論是上行帶寬還是下行帶寬均可以分成多個調(diào)制分層和時頻單元。本文主要考慮上行傳輸?shù)那闆r，采用輪詢周期帶寬分配機(jī)制，輪詢周期時長定義為OLT相鄰2次發(fā)送帶寬授權(quán)幀（gate幀）的時間間隔[7-8]。在每個輪詢周期內(nèi)，各ONU向OLT發(fā)送report幀，報告當(dāng)前隊列狀態(tài)。首先，OLT根據(jù)帶寬分配算法決策出各ONU的傳輸帶寬，ONU將來自用戶端的AF、BE、EF這3種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組根據(jù)帶寬授權(quán)信息加載到不同調(diào)制分層的載波和時隙上。然后，通過ODN匯聚成一路數(shù)據(jù)傳輸給OLT。最后，OLT將從增強(qiáng)型OFDM符號中解調(diào)出數(shù)據(jù)信息并上傳到核心網(wǎng)。

圖4 增強(qiáng)型OFDM-PON中改進(jìn)的MAC幀格式

圖3 增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)上行傳輸模型

帶寬分配過程主要采用的控制幀包括gate幀（用于OLT向ONU分配帶寬）和report幀（用于ONU向OLT報告帶寬請求）。控制信息對可靠性要求較高，因此置于調(diào)制分層的第一層中傳輸。在輪詢周期開始時，ONU首先接收gate幀，然后ONU在各自分配的載波、時隙和調(diào)制分層中上傳數(shù)據(jù)和report給OLT。此外，為了支持添加調(diào)制分層的帶寬分配方法，gate幀和report幀需要進(jìn)行相應(yīng)修改，gate幀需要告知ONU 3種業(yè)務(wù)傳輸數(shù)據(jù)的調(diào)制分層以及在該層上傳的數(shù)據(jù)所占用的載波和時隙，而report幀需要上報3種業(yè)務(wù)各自的帶寬請求。增強(qiáng)型OFDM-PON的gate和report幀格式如圖4所示。其中，report幀分3種業(yè)務(wù)上報各自的隊列長度，gate幀除了授權(quán)載波和時隙外，還要告知ONU不同業(yè)務(wù)的授權(quán)調(diào)制分層。

3 增強(qiáng)型OFDM-PON中分層帶寬分配算法

3.1 問題描述

增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)帶寬分配的目的是通過合理地分配調(diào)制分層、時隙、載波和比特等實現(xiàn)帶寬利用率的最大化。帶寬分配的優(yōu)化目標(biāo)為

并滿足以下約束條件。

4) 無爭用資源分配：設(shè)共有個ONU，同一個子載波在相同時隙內(nèi)最多被一個ONU占用，即

3.2 LA-DBA算法步驟

針對增強(qiáng)型OFDM-PON結(jié)構(gòu)下調(diào)制分層、載波、時隙、比特等多維帶寬分配問題提出增強(qiáng)型OFDM-PON分層帶寬分配算法（LA-DBA, layered algorithm of dynamic bandwidth allocation）。在增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)中，各調(diào)制分層可采用不同的調(diào)制階數(shù)，第一層調(diào)制階數(shù)較低，以保證良好的傳輸性能，其余分層根據(jù)數(shù)據(jù)復(fù)制次數(shù)依次增加調(diào)制階數(shù)，以彌補(bǔ)復(fù)制損失的帶寬。同時，各層的調(diào)制階數(shù)可根據(jù)各ONU的帶寬需求動態(tài)調(diào)整。當(dāng)帶寬需求較高時，采用高階調(diào)制方式保證傳輸速率；當(dāng)帶寬需求較低時，采用低階調(diào)制方式保證傳輸可靠性。另外，在增強(qiáng)型OFDM-PON結(jié)構(gòu)中，多業(yè)務(wù)傳輸機(jī)制體現(xiàn)在EF、AF、BE這3種業(yè)務(wù)分別分配到調(diào)制分層的第一層到第三層，其中，各層分配的帶寬大小取決于EF、AF、BE業(yè)務(wù)的各自總帶寬需求，并依此決定是否增加超過3層的結(jié)構(gòu)，以及各層是否能分配其他業(yè)務(wù)帶寬。

通過上述分析，LA-DBA算法可按照分層業(yè)務(wù)間帶寬分配及各業(yè)務(wù)在ONU間帶寬分配2個階段執(zhí)行。

第一階段：分層業(yè)務(wù)間帶寬分配。根據(jù)各ONU不同業(yè)務(wù)帶寬需求，計算所需的最佳調(diào)制分層數(shù)量。以3層為基礎(chǔ)，若3層無法滿足所有ONU總帶寬需求，則適當(dāng)增加層數(shù)，考慮到層數(shù)過多會降低傳輸性能，故限定不超過5層。依據(jù)EF、AF、BE的業(yè)務(wù)需求決定各層調(diào)制階數(shù)，進(jìn)而決定各層能授予3種業(yè)務(wù)的帶寬量，LA-DBA算法中決策分層結(jié)構(gòu)、各層調(diào)制階數(shù)和不同業(yè)務(wù)在各層授予帶寬的流程如圖5所示，具體步驟如下。

圖5 增強(qiáng)型OFDM-PON中分層帶寬分配整體流程（流程①）

步驟2 將3種業(yè)務(wù)總帶寬需求與3層結(jié)構(gòu)下的最大容量進(jìn)行比較，若總帶寬需求小于3層結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)帶寬容量，跳至步驟3和步驟4（執(zhí)行流程②，如圖6所示）；否則跳至步驟5。

圖6 第一階段步驟3和步驟4詳細(xì)流程（流程②）

步驟8 第五層調(diào)制階數(shù)設(shè)為0，各業(yè)務(wù)不在第五層授予帶寬，系統(tǒng)為4層結(jié)構(gòu)。第四層則依據(jù)EF、AF、BE額外帶寬請求授予第四層各業(yè)務(wù)帶寬。

第二階段：各業(yè)務(wù)在ONU間的帶寬分配。為了增加帶寬利用率，提高網(wǎng)絡(luò)性能，保證帶寬分配的相對公平，令帶寬請求量大的ONU分配到更多帶寬的同時請求量較小的ONU也能分配到充分的帶寬，采用的分配策略為：根據(jù)各業(yè)務(wù)在各層授予的帶寬量計算各業(yè)務(wù)的ONU平均帶寬，據(jù)此進(jìn)行高低業(yè)務(wù)負(fù)載ONU分類，并依次授予ONU在各層的各業(yè)務(wù)帶寬。

通過上述的帶寬層分配過程，可以確定EF、AF、BE這3種業(yè)務(wù)在各層中分配到的帶寬量和分層結(jié)構(gòu)中分配到的帶寬總量，并確定每一層的調(diào)制階數(shù)，接下來，進(jìn)行3種業(yè)務(wù)在ONU間的帶寬分配。

依據(jù)服務(wù)等級協(xié)議要求，根據(jù)各業(yè)務(wù)分配到的總帶寬量，為ONU分配每種業(yè)務(wù)的最小保證帶寬為

將各業(yè)務(wù)低負(fù)載ONU多余的帶寬供給高負(fù)載ONU，所有低負(fù)載ONU多余的帶寬總和為

將各業(yè)務(wù)低負(fù)載ONU多余帶寬按比例分給高負(fù)載ONU，則每個高負(fù)載ONU得到的多余帶寬為

OLT依據(jù)高負(fù)載ONU帶寬請求從大到小的順序，為每個高負(fù)載ONU分配授權(quán)帶寬，為

按照第二階段過程進(jìn)行3種業(yè)務(wù)在ONU間的帶寬分配，可以計算出ONU在各層的各種業(yè)務(wù)授權(quán)的帶寬量。然后進(jìn)行每個ONU在每一層占用的載波和時隙的分配，在每一層中按照ONU各業(yè)務(wù)帶寬授予量從大到小的順序進(jìn)行時頻資源分配，首先確定ONU的初始載波和時隙，接下來不斷增加ONU的時頻單元數(shù)量，每多分配一個時頻單元就計算一次當(dāng)前帶寬量，如果當(dāng)前帶寬量不大于授權(quán)帶寬量，則繼續(xù)分配時頻單元，否則給下一個ONU分配時頻單元，直至分配完所有ONU的帶寬授權(quán)或時頻單元用盡為止。至此，完成了分層業(yè)務(wù)帶寬分配和ONU間帶寬分配。

4 算法仿真及性能分析

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

對比算法采用傳統(tǒng)單極性O(shè)FDM-PON系統(tǒng)動態(tài)帶寬分配（UL-DBA, unable layered dynamic bandwidth allocation）算法[12]，該算法在U-OFDM調(diào)制技術(shù)下忽略調(diào)制分層對帶寬分配的影響，目標(biāo)是在系統(tǒng)總帶寬一定條件下根據(jù)各ONU的業(yè)務(wù)需求為其分配最接近需求的授權(quán)帶寬。在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下執(zhí)行LA-DBA及其對比算法UL-DBA，2種算法性能比較如圖7~圖10所示，圖中橫坐標(biāo)負(fù)載定義為單位時間內(nèi)系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（bit）與整個系統(tǒng)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（bit）之間的比值。

隨著上行負(fù)載的變化，OFDM-PON系統(tǒng)資源利用率的變化情況如圖7所示。因為增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)通過資源復(fù)用能提供比傳統(tǒng)OFDM-PON系統(tǒng)更大的帶寬容量。為保證LA-DBA與UL-DBA之間對比的公平性，這里的資源利用率被定義為系統(tǒng)有效吞吐量與系統(tǒng)無分層傳輸狀態(tài)下初始容量（1 Gbit/s）的比值。隨著上行負(fù)載的增大，OFDM-PON系統(tǒng)資源利用率增加，但增量不斷減小，最后趨于平緩，這是因為隨著負(fù)載的增加，每個ONU的各業(yè)務(wù)帶寬請求逐漸增大，但整個光纖信道中支持上行傳輸?shù)膸捹Y源是有限的，因此隨著上行負(fù)載增加，OLT為ONU分配的帶寬增量逐漸降低，資源利用率趨于平緩。低負(fù)載時，由于UL-DBA算法帶寬分配較粗糙，單極性O(shè)FDM-PON系統(tǒng)分配了比請求量更多的帶寬給ONU，雖然資源利用率比LA-DBA算法高，但會造成帶寬資源浪費；高負(fù)載時，由于增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)特有的分層傳輸結(jié)構(gòu)，每個子載波通過分層傳輸?shù)玫接行?fù)用，因此LA-DBA算法能實現(xiàn)比UL-DBA算法更高的資源利用率。

圖7 LA-DBA和UL-DBA算法系統(tǒng)資源利用率對比

隨著系統(tǒng)負(fù)載的變化，OLT端接收到的數(shù)據(jù)分組總數(shù)以及EF、AF、BE業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組總數(shù)在20個輪詢周期仿真時間內(nèi)的變化情況分別如圖8和圖9所示。圖8中隨著負(fù)載的升高，OLT接收的數(shù)據(jù)分組總數(shù)連續(xù)增加。在負(fù)載較低時，LA-DBA算法中OLT接收的數(shù)據(jù)分組總數(shù)和UL-DBA算法近似相等。隨著上行負(fù)載逐漸增加，LA-DBA算法的接收數(shù)據(jù)分組總數(shù)逐漸高于UL-DBA算法，其原因是LA-DBA算法在帶寬分配上更細(xì)化而且增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)帶寬容量更大，因此其在高負(fù)載時接收到的數(shù)據(jù)分組總數(shù)要大于UL-DBA算法。圖9中OLT端接收到的EF、AF業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組總數(shù)近似相等且逐步增加，這是因為在2種算法中，EF和AF業(yè)務(wù)都為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，優(yōu)先分配帶寬。EF數(shù)據(jù)分組總數(shù)少于AF，則是因為EF的數(shù)據(jù)分組到達(dá)率小于AF。在2種算法中，BE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分組總數(shù)在負(fù)載增加到一定程度后出現(xiàn)下降，這是因為BE業(yè)務(wù)優(yōu)先級最低，負(fù)載較高時留給BE的帶寬資源不足。

圖8 LA-DBA和UL-DBA算法在OLT端接收到的數(shù)據(jù)分組總數(shù)對比

圖9 LA-DBA和UL-DBA算法在OLT端接收各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分組對比

從圖7~圖9可以看出，LA-DBA算法在負(fù)載容忍性上要優(yōu)于UA-DBA算法。這是由于LA-DBA算法依據(jù)增強(qiáng)型OFDM-PON特定的調(diào)制結(jié)構(gòu)而設(shè)計，相較于UL-DBA算法，增加了一個調(diào)制分層的帶寬維度，故LA-DBA算法的負(fù)載容忍性更高，帶寬分配顆粒度更細(xì)化。

隨著系統(tǒng)負(fù)載的增加，OLT端接收數(shù)據(jù)分組的平均時延的變化情況如圖10所示。從圖10可以看出，隨著負(fù)載升高，平均數(shù)據(jù)分組時延在逐步增加，這是因為各個ONU的數(shù)據(jù)分組請求增多，在一個輪詢周期內(nèi)高優(yōu)先級業(yè)務(wù)（EF、AF）占用帶寬增多，而低優(yōu)先級業(yè)務(wù)（BE）分配帶寬減少，故低優(yōu)先級業(yè)務(wù)不能在一個輪詢周期內(nèi)全部發(fā)送出去，造成多個輪詢周期的隊列等待，從而時延增加。LA-DBA算法的數(shù)據(jù)分組平均時延在高負(fù)載情況下要低于UL-DBA算法，這是因為LA-DBA算法基于增強(qiáng)型OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)帶寬容量更大，而且其根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級不同，將業(yè)務(wù)合理分配到不同層結(jié)構(gòu)中，使帶寬分配更細(xì)化，避免造成系統(tǒng)帶寬浪費。

圖10 LA-DBA算法和UL-DBA算法在OLT端接收到各業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組平均時延對比

5 結(jié)束語

基于增強(qiáng)型OFDM-PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文提出多業(yè)務(wù)分層帶寬分配算法，為新型OFDM-PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的帶寬分配算法設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。仿真結(jié)果表明，基于增強(qiáng)型OFDM-PON結(jié)構(gòu)的分層多維帶寬分配算法相較于傳統(tǒng)算法能承受更大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并且在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載條件下能保持較低的數(shù)據(jù)分組時延。

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Layered bandwidth allocation algorithm for multi-service in orthogonal frequency division multiplexing passive optical network

LIU Yejun, LIU Yuying, HAN Pengchao, WANG Jidong, GUO Lei

International Cooperation Laborary of Intelligent System School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

Due to the superiority in large bandwidth capacity and flexible resource allocation, orthogonal frequency division multiplexing passive optical network (OFDM-PON) has been recognized as one of the promising candidates for the next generation PON. There are many research works on the system architecture design of OFDM-PON. However, most of these works focused on the techniques of physical structure and signal transmission and less addressed the bandwidth allocation algorithms supporting the new types of system architecture. The bandwidth allocation in OFDM-PON, which is one of the key techniques to enable the access of multi-service, refers to the joint optimization of multi-dimensional resources in time domain, frequency domain and bits. A layered bandwidth allocation algorithm was proposed for multi-service in the enhanced system architecture of OFDM-PON, aiming at the efficient bandwidth resource utilization. Simulation results prove that the proposed bandwidth allocation algorithm outperforms the conventional algorithms without layered transmission significantly in terms of resource utilization and packet delay.

OFDM-PON, dynamic bandwidth allocation, layered bandwidth allocation, multi-service transmission

TP302

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2018159

劉業(yè)君（1986?），男，遼寧丹東人，博士，東北大學(xué)副教授，主要研究方向為下一代光接入網(wǎng)、無線光融合通信與網(wǎng)絡(luò)。

劉玉瑩（1993?），女，黑龍江哈爾濱人，東北大學(xué)碩士生，主要研究方向為OFDM無源光網(wǎng)絡(luò)。

漢鵬超（1992?），女，黑龍江齊齊哈爾人，東北大學(xué)博士生，主要研究方向為下一代光接入網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。

王繼東（1992?），男，遼寧沈陽人，東北大學(xué)碩士生，主要研究方向為OFDM無源光網(wǎng)絡(luò)。

郭磊（1980?），男，四川眉山人，博士，東北大學(xué)教授，主要研究方向為光通信與網(wǎng)絡(luò)、無線通信等。

2018?05?18；

2018?08?20

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61471109, No.61501104）

The National Natural Science Foundation of China (No.61471109, No.61501104)