一種高帶寬利用率10G EPON動態帶寬分配算法

高 凡，陳學卿，趙素文（桂林航天工業學院 電子信息與自動化學院，廣西 桂林541004）

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一種高帶寬利用率10G EPON動態帶寬分配算法

高 凡，陳學卿，趙素文
（桂林航天工業學院 電子信息與自動化學院，廣西 桂林541004）

摘要：根據網絡數據流量特性，針對10G EPO N承載協議數據報文的特殊性，提出了分級授權的帶寬分配算法。該算法對保證帶寬和盡力而為帶寬分配方式進行了優化，在授權周期上采用彈性授權機制以提高帶寬利用率。

關鍵詞：動態帶寬分配；分級授權；帶寬利用率

0　引言

Kramer等人提出的IPACT算法［1］是最原始動態帶寬分配算法之一。為了減輕靜態帶寬利用率低和遲延大等缺點，該算法采用時分復用和交替輪詢的方式，但該算法無法防止惡意光網絡單元（ONU）獨占帶寬，對帶寬分配周期變動較大等因素存在一定的局限性，也不支持對時延很敏感的時分復用（TDM）業務。近幾年各專家學者的研究重點是基于網絡業務的自相似性以及高突發性，通過采用神經網絡模型［2，3］預測網絡流量，以提高EPON帶寬分配過程中數據分組的延時性能。這些算法都存在類似IPACT算法的缺陷，于是，本文提出了一種分級授權的帶寬分配算法。

1　動態帶寬算法

1.1帶寬利用率分析

本文提出的動態帶寬分配算法延續了現有算法中AF業務、BE業務比特率的不確定性和EF業務比特率的恒定性，將上行鏈路通信周期分成兩個子周期，分別為EF子周期和AF/BE子周期（記為AB子周期）。當EF業務傳輸時間大于閑置時間時，系統閑置時間的時隙損耗將不存在，為了減小EF業務的時延抖動和平均數據包時延，將本周期對EF業務的授權提前到上一周期，并嚴格實行帶寬調度分配。

帶寬利用率為實際傳輸數據的帶寬和上行總帶寬之比，一般系統要求帶寬利用率達到90%以上。E（U）表示帶寬利用率，則E（U）表達式如下∶

式中，W、E（R）分別表示時隙總長度和未利用時隙，Wused為上行傳輸中被占用的時隙，由光電開銷、封裝開銷和調度開銷三部分組成。未利用時隙是由于ONU請求帶寬與分配帶寬不相等或由于隊列優先級不同和數據包延時產生的時隙碎片，這種時隙只能通過調度算法優化而不能徹底消除。guard_overhead表示激光器所占用的開銷，其表達式為：

其中，Ton、Toff是ONU打開和關閉激光器的時間；Tsync_time是同步時間，由自動增益控制、時鐘數據恢復所需時間和碼組定界所需時間三部分組成；EOB是突發結束符，系統檢測到這個值表示突發結束，標準規定該值為66bits。激光器打開和關閉時間占了較大比重，為了降低ONU打開和關閉激光器的開銷，允許兩個不同的ONU打開和關閉激光器的時間存在一定的交疊時間Tcross_time或將多個邏輯鏈路標識的授權信息合并起來，使具有多個授權信息的ONU激光器只開關一次，節省激光器的開銷來提高帶寬利用率。

根據EPON系統內部傳輸數據幀的結構，封裝開銷avg_overhead可表示為：

式（3）中，負荷長度用l表示，f（l）為分組長度的分布函數，encap（l）表示封裝后的報文長度。當系統支持基于幀的前向糾錯（FEC）編碼時，系統會增加FEC開銷，fec_overhead（l）是對報文進行FEC編碼所需開銷。為了降低誤比特率，報文每223個字節后增加 32字節的FEC奇偶校驗碼，再加上平均長度為12字節的幀間隔，因此，式（3）可寫為：

1.2算法實現

FIX是固定帶寬，主要用于傳輸語音業務。當用戶請求帶寬小于固定帶寬時，分配請求帶寬的大小，反之，則分配固定帶寬的配置帶寬。為了滿足TDM業務的時延敏感性，每個動態帶寬分配開窗周期后對TDM業務進行帶寬補償。Rqs表示請求帶寬的大小。帶寬分配算法分兩種情況（無開窗、開窗業務和TDM業務同時存在），可分別表示如下：

AB是保證帶寬業務，用于延時不明顯的視頻業務。當數據報文長度過長而ONU的配置帶寬小，就會導致報文堵死現象。當進行保證帶寬分配時，保證帶寬的累積可以采用令牌桶機制。此外在算法中對累積設定了一個限值可以防止ONU無請求帶寬而保證帶寬一直累積，采用受限服務的動態分配算法如下：

BEB是盡力而為帶寬業務，用于下載或數據傳輸業務。按照協議中平均權重進行分配的原則進行第一輪帶寬分配，完成后部分ONU的請求帶寬可能沒有得到滿足，同時仍有剩余的總帶寬。為了解決這個問題，BEB帶寬分配部分采用兩輪分配機制，在FIX和AB分配完成后進行再一輪的帶寬分配，BEB帶寬分配算法為：

Gl表示 BEB業務的理論帶寬，受GMAX、Gqs的限制，理論值和實際值往往不相等，其計算公式如下：

其中，BWremain表示當前可用帶寬，Galloc表示已經分配的帶寬。下發授權時，可以存在交疊的授權時隙（主要是激光器開關所占用時隙）。當每個周期動態帶寬分配授權的總帶寬大于配置的總帶寬時，允許從下周期中預支超出的部分。這兩種方法都可以進一步提高帶寬利用率。

綜上所述，最終分配帶寬為∶

1.3性能分析

算法性能分析如下：

①對固定帶寬分配時，為了實現TDM業務對帶寬的需求，可以通過帶寬補償方式。

②當進行保證帶寬分配時，可以采用令牌桶機制來允許保證帶寬的累積，在一定程度上解決EPON中傳輸報文長度過長造成數據堵塞的問題；采用受限服務的IPACT帶寬分配方案，提高帶寬利用率。

③在盡力而為帶寬分配部分，通過采用兩輪帶寬分配機制，降低總帶寬中未利用時隙，有效提高了帶寬利用率。

④對于業務的提前授權機制，通過降低激光器的開關時間，并允許開關時間的交疊，周期間的空閑時間得以避免，系統的帶寬利用率得到了提高。

⑤由于授權時隙與報文長度不等，帶寬分配過程中就會產生時隙碎片。采用兩個隊列集的帶寬請求值上報方法來盡量壓縮時隙碎片。無法滿足隊列集l的帶寬請求值時，就按隊列集2的帶寬請求值去分配。

⑥下發授權時，可以存在交疊的授權時隙（主要是激光器開關所占用時隙）。當每個周期動態帶寬分配授權的總帶寬大于配置的總帶寬時，允許從下周期中預支超出的部分。

2　結束語

上行動態帶寬分配技術是10G EPON系統中關鍵技術之一。文中所提動態帶寬分配算法以提高帶寬利用率為切入點，對原有算法進行優化改進，兼容1G EPON系統，實現固定帶寬、保證帶寬、盡力而為帶寬三種業務可配，不僅支持優先級高低不同的ONU，還可以對同一優先級的ONU進行公平的帶寬分配，可以保證整個10G EPON網絡的傳輸質量［5，6］。

參考文獻：

［1］GLEN K，BISWANATH M，GERRY P.Interleaved polling with adaptive cycle time：a dynamic protocol for an Ethernet PON［J］.IEEE Communication，2002，40（2）：74-80．

［2］吳援明.網絡中自相似業務流的特性及其影響研究［D］.成都：電子科技大學，2008．

［3］陳賡，夏瑋瑋，沈連豐.基于傳輸速率自適應的動態帶寬分配算法［J］.通信技術，2014，（5）：25-32.

［4］康爾強.基于EPON的上行動態帶寬分配算法的研究［D］.西安：西安科技大學，2010．

［5］李丹.一種保證QoS的10G EPON動態帶寬分配算法［J］.通信技術，2012，45（4）：10-12.

［6］TANAKA M，TAKEMOTO M，TAKAHASHI A，et al.Dynamic Bandwidth Allocation Algorithm with Fairness in 1G/10G Coexistence EPON System［J］.IEICE TRANS.COMMUN.，2009，92-B（3）：819-827．

中圖分類號：TN915.63

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0025-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.007

收稿日期：2016-03-01。

基金項目：廣西教育廳（YB2014434、YB2014437）資助；國家自然科學基金（11301106）資助。

作者簡介：高凡（1979-），女，碩士，主要從事光接入網技術研究工作。

Dynamic bandwidth allocation algorithm with high bandwidth utilization for 10G EPON system

GAO Fan，CHEN Xue-qing，ZHAO Su-wen
（College of Electronic Information and Automation，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：According to the network data flow characteristics，a bandwidth allocation algorithm adopting the hierarchical authorization is proposed in view of the specialty of the 10G EPON bearing data packet protocol. The allocation scheme for AB and BEB is optimized in the algorithm.The authorization period on elastic authorization mechanism is used to improve the bandwidth utilization.

Key words：dynamic bandwidth allocation，hierarchical authorization，bandwidth utilization