基于物理幀結構特性的OFDMA-PON的MAC層機制

劉亞帆，鄒垚昭，王 旺，施 燕，頓 涵，薛子威，汪 敏（上海大學 通信與信息工程學院，上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室，上海200072）

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基于物理幀結構特性的OFDMA-PON的MAC層機制

劉亞帆，鄒垚昭，王 旺，施 燕，頓 涵，薛子威，汪 敏
（上海大學 通信與信息工程學院，上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室，上海200072）

摘要：通過分析O FD M A-PO N物理幀特性，提出了一個新的M A C層機制，包括物理層映射方案、子載波分配算法和輪詢調度算法三個內容。并通過系統仿真驗證了這一M A C層機制對于提升系統吞吐量的明顯作用。

關鍵詞：O FD M A-PO N；D SA；物理映射

0　引言

隨著高清電視、高清視頻會議和對等網絡等高帶寬需求業務的不斷發展，用戶對無源光網絡（PON）的帶寬需求大幅增長［1］?；谡活l分復用多址技術的OFDMA-PON憑借其頻譜效率高和帶寬調度靈活等優點已經成為了下一代PON的最優候選方案之一［2］。高效的MAC層機制可以有效提升OFDMA-PON系統的吞吐量，并保證整個網絡的服務質量（QoS）［3］。因此，OFDMA-PON的MAC層機制研究是非常重要的。美國NEC實驗室的J.Zhang等人結合TDMA和FDMA兩種MAC層機制提出了可以消除ONU同步需求的新的MAC層映射方式與控制方法［4］。為了更加靈活地進行帶寬分配，雅典信息技術中心的K.Kanonakis等人基于物理層的自適應比特加載機制提出了一種跨層優化算法［5］。然而，在過去的研究中很少考慮到物理幀結構對于數據映射所帶來的影響，以及在這個影響下產生的帶寬浪費［6］。本文基于OFDMA-PON的物理幀結構特點，提出了一種能帶來高帶寬利用率的MAC層機制。這一機制包含了物理層映射方案、子載波分配算法和輪詢調度算法三種內容。

1　OFDMA-PON系統結構與物理幀結構

OFDMA-PON的點到多點拓撲結構系統［7］由一個OLT和多個ONU組成，下行傳輸（DS）方向為OLT至ONU，上行傳輸方向（US）為多個ONU至OLT。OLT位于中心辦公室（CO），它可以對網絡的上下行資源進行調度。在下行傳輸方向，OLT可以直接控制下行信息在物理幀中的加載位置。在上行傳輸方向，OLT則需要收集各個ONU的帶寬需求，并通過合理的帶寬分配算法來對上行傳輸進行控制。此外，由于在上行傳輸過程中多個ONU會同時向OLT傳輸數據并占據信道中的不同位置，所以上行傳輸控制過程相對復雜很多，而這一過程即是本文的研究重點。

OFDMA-PON的上行數據需要加載在物理幀中進行傳輸，物理幀結構如圖1所示，系統數據可以加載于載波與符號交織成的資源塊中。在加載數據的過程中，激光器切換所產生的噪聲會造成誤碼，并且由于時間同步的不完全精確，所以在數據流中需要插入一些保護空隙。如圖1所示，兩個周期之間必須插入一個周期間空隙（ICG），同一周期的兩個物理幀之間若產生激光器的切換則需插入一個幀間空隙（IFG）。OFDMA-PON物理幀的特性也決定了數據映射過程中的一些限制：首先，固定的幀結構可以保證物理層擁有穩定的數據時延和開銷。在帶寬調度過程中，一幀的容量就是最小的調度粒度；其次，在一個物理幀中，同一子載波不能被兩個以上的ONU占用，因為這種情況需要插入保護空隙。在過去的相關研究中，這兩個重要的限制很少被考慮到，因此會不可避免地造成一定的數據碰撞和帶寬浪費。

ONU信息在進行物理層映射之前需要先由DBA算法進行裁決，以保證系統服務質量。本文結合之前提出的基于ONU報告的動態帶寬分配算法 （ORBDBA）［8］，設計了一套全新的MAC層機制來達到更高的系統吞吐量。

圖1　OFDMA-PON的物理幀結構

2　基于幀結構特性的MAC層機制

2.1物理層映射方案

基于前面所提到的OFDMA-PON物理幀特點，本文提出一種周期性FDMA映射方案。如圖2（a）所示，在每一個周期內各個有數據需要傳輸的ONU可以固定占用不同的子載波，而在不同周期內子載波的占用方式互不相關。在這種映射方案中，周期是根據當時需要上傳的總數據量的不同而彈性變化的。此方案的優點如下：①在同一周期內保證了各個ONU之間的公平性，ONU傳輸的數據可以同步被OLT接收；②同一周期內固定的子載波分配策略不僅降低了MAC層控制幀的復雜度，同時也降低了OLT端接收機的復雜度，使其在同一周期內不必改變映射策略；③由于在同一周期的不同物理幀之間沒有產生激光器的切換，從而消除了IFG所引起的帶寬浪費。

為了進一步加快OFDMA-PON的商用化進程，控制幀的復雜度就需要進一步簡化，即盡可能地減少子載波分組。根據OFDMA-PON中子載波的比特加載的梯形分布特點，在子載波分配過程中，同樣調制格式的子載波中會分配一組連續的子載波給某一ONU，即如圖2（a）所示。這一方法帶來的子載波分組的減少可以有效簡化控制幀的復雜度。

由于此映射方案中，多個ONU會同時傳輸數據，那么多個激光器會產生一定的雜散輻射。當同時打開的激光器過多時，這種雜散輻射所引起的較大誤碼率會導致整個系統的服務質量下降。所以，這里需要設定一個ONU數量閾值。圖2（b）演示了一個簡單的例子：設閾值為3，當有5個ONU需要傳輸數據時，將2 個ONU在子周期1中傳輸數據，其它3個分在子周期2。這里ONU傳輸的先后順序可以根據其等級高低來決定。

2.2子載波分配算法

由于不同調制格式的子載波擁有不同的容量，所以不同的子載波分配方案可能會帶來不同程度的帶寬浪費。所以在考慮子載波粒度和幀容量粒度的情況下，如何在最短時間內傳輸完所有ONU要傳輸的數據成為一個必須解決的問題。下面提出一種保證最小帶寬浪費的動態載波分配算法（MBW-DSA），這一算法基于自適應周期算法，并且在某一周期或子周期內都是適用的。

一個包含N個子載波和K個ONU的OFDMAPON系統，規定在同一周期中子載波sn（n=1，2，3，…，N）只能被某一ONUk（k=1，2，3，…，K）所占用。sn的容量可以由式（1）表示。式中的x是模數數模轉換器的采樣速率，m是正交幅度調制的符號種數。由式（1）可以得到整個上行信道的總容量。經過ORB-DBA裁決后的授權給ONUk的帶寬為Gk，那么下一周期內總的授權帶寬為ONUk在經過子載波分配后的上行接口總容量如式（2）所示。

ck，n指示了子載波的分配結果，如ck，n=1表示sn被分配給了ONUk。式（3）保證了ck，n的取值只能是0和1，式（4）保證了在一個周期或一個子周期內某一子載波只能被單個ONU所占據。在充分考慮物理幀粒度（Tf是一個物理幀的時間長度）情況下，子載波分配完成后的最小周期Tc可以用式（5）表示。完全忽略載波分配粒度和物理幀粒度的理想周期時長為Tideal=G C。

圖2　提出的物理層映射方案

從圖2（c）中可以看出Tc往往大于Tideal，甚至在某些極端的子載波分配結果下，Tc會遠大于Tideal。為了保證最小的帶寬浪費，最終的優化目標可以用min（CTc-CTideal）來表示。這是一個非線性整數規劃問題，相關求解方法已有很多相關研究，本文使用LINGO聯合MATLAB對MBW-DSA算法進行求解與仿真。

2.3輪詢調度算法

在TDMA-PON系統中，ONU的報告信息的時間順序傳輸無法滿足所有ONU的全局公平性。在OFDMA-PON中，這一問題可以通過分配幾個專用子載波作為控制信道的方法來解決［4］。所以為了能夠在高網絡負載情況下充分提升系統的吞吐量（縮短周期間空隙），并同時保證系統的全局公平性，本文提出了如圖3所示的輪詢調度算法。為了在調度過程中充分發揮彈性周期的作用，本文將最大周期Tmax設為2ms，最小周期Tmin設置如下：

Tmin=maxrttk+Td-TICG（6）

rttk（k=1，2，…）表示ONUk與OLT之間的循環時間，Td表示OLT對報告信息的處理時間，TICG表示設定的周期間空隙的時長。得益于專用的控制信道，ONU的報告信息可以同時到達OLT，到達的時間點tr=ts+Tc-Tmin，ts表示周期開始的時間點。以上參數設置能夠保證OLT收集到各個ONU的最新狀態信息，并且可以同時對這些信息通過ORB-DBA算法進行處理以保證全局公平。除此之外，相鄰周期之間始終間隔一個固定的ICG，這既有利于系統定時也提高了系統的帶寬利用率。

圖3　提出的輪詢調度算法

3　仿真結果

在網絡吞吐量仿真實驗中設置了1024個子載波與32個ONU，所有子載波分成四種調制格式，整個系統的上行容量為15Gb/s。同時，設定以下參數：TIFG= 1.7μs，TICG=3μs，Tf=8μs，Tmax=2ms，x=4GS/s，可同時開啟的激光器的閾值設為16。系統數據流服從泊松分布，并且在仿真過程中只考慮數據子載波。圖4展示了在不同網絡負載下本文提出的方案與NEC方案、TDM方案在系統吞吐量方面的對比。TDM方案可以直接將上層數據流加載于某一時間窗的全部子載波上，這是一種簡單易行的方案。由于在同一物理幀中不同ONU不可進行時分復用，所以會在ONU加載的最后一幀產生一些帶寬資源浪費。而且由于激光器的切換與定時問題，在傳輸過程中需要加入一些IFG來保證傳輸質量。NEC方案在ONU加載的最后一幀中運用了頻分復用，增加了映射復雜度但減少了帶寬資源的浪費。所以從仿真結果可以看出，當系統負載小于0.9時，這三種方案均有理想表現。但當系統負載大于0.9時，TDM方案的表現最差，而依然受到IFG影響的NEC方案在系統負載達到 1.15時吞吐量達到了14.54Gb/s。本文提出的方案雖然一定程度增加了映射復雜度，但是保證了在單個周期內映射策略的不變性，最重要的是消除了在其它兩個方案中出現的帶寬浪費問題。同時，在MBW-DSA算法和輪詢調度算法的支撐下，達到了最小的帶寬浪費。從仿真結果可以看出，本文提出的MAC層機制在高負載情況下仍有令人滿意的表現。

圖4　網絡吞吐量對比

圖5　周期平均開銷對比

圖5展示了ONU數量的增加對平均周期開銷所造成的影響。從仿真結果可以看出，得益于新的映射方案和MBW-DSA算法，本文提出的MAC層機制在ONU數小于64時表現理想。ONU數繼續增大時，由于子載波容量粒度的影響，MBW-DSA算法無法保證得到最佳的結果。但是，即使在ONU數達到512個時，本文提出的方案仍明顯好于NEC方案和TDM方案。TDM方案由于物理幀帶寬資源的浪費，其表現劣于NEC方案。當ONU數達到256時，由于Tf和Tmax的影響，NEC方案和TDM方案的周期平均開銷趨于穩定。

4　結束語

本文提出了一種新的基于OFDMA-PON物理幀結構的MAC層機制，其中包含了物理映射方案、子載波分配算法與輪詢調度算法三塊內容。從仿真結果可以看出，這一新機制有效提升了OFDMA-PON系統的吞吐量，減少了傳輸周期的平均開銷。

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中圖分類號：TN915.62

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0017-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.005

收稿日期：2016-02-05。

基金項目：國家自然科學基金 （61420106011、61132004、61275073）資助；上海市科學發展基金（13JC1402600、14511100100、15511105400、15530500600）資助。

作者簡介：劉亞帆（1990-），男，碩士生，主要從事光接入網相關研究。

Physical frame structure characteristics based on MAC mechanism for OFDMA-PON

LIU Ya-fan，ZOU Yao-zhao，WANG Wang，SHI Yan，DUN Han，XUE Zi-wei，WANG Min
（School of Communication and Information Engineering Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks of Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Abstract：By analyzing the physical frame characteristics of OFDMA-PON，a new MAC mechanism which includes a physical mapping scheme，a dynamic sub-carriers allocation algorithm and a polling algorithm is propose.The system simulation results demonstrate that this new MAC mechanism can distinctly improve the performance of system throughput.

Key words：OFDMA-PON，DSA，physical mapping