互聯網+模式下ASON帶寬優化研究?

余 庚

（1.福州理工學院 福州 350506）（2.福建工程學院國脈信息學院 福州 350014）

1 引言

互聯網+［1］時代，基于EPON的光寬帶接入［2］技術無疑是ASON上大數據傳輸時延的首選解決方案。但是當EPON覆蓋距離超過100KM就不可避免地面臨因遠近效應導致光線路終端（OLT）和光網絡單元（ONU）之間上行數據包時延增加和信道帶寬資源利用率下降等QoS［3］問題。因此動態分配帶寬［4］算法就成為了解決這一問題的關鍵。該算法普遍采用呼叫言答機制，即ONU根據OLT為其分配的時隙和窗口大小被動地接受指令來發送上行數據。當某個承載了大數據的ONU無法在被授權的時隙內將數據發送完畢時，再由OLT決定是否繼續為其分配授權。目前采用該機制的算法主要有間插輪詢自適應周期長度（IPACT）和周期輪詢固定周期長度（CPFCT）。

2 IPACT機制

2.1 IPACT動態分配帶寬過程

IPACT通過兩種控制幀同時接收多個ONU上傳數據。為說明該算法動態分配帶寬過程，借助OPNET仿真平臺搭建一個由1個OLT和3個ONU組成的EPON網絡模型［5］，如圖1所示。圖示模型中OLT置有一個輪詢表，當啟用輪詢機制時便開始向每一個ONU發出輪詢同時為其授權（GATE）幀。ONU根據OLT對其授權的窗口將緩沖存儲區內的隊列數據發出并附上報告（Report）幀。此時R幀自動生成隊列數據長度信息便于OLT統計緩沖存儲區被占據的比例進而為調整下一個周期的數據授權窗口調整大小，以此達到動態調整帶寬目的。當ONU中的數據置空，則OLT向該ONU發送一個零的窗口，下一個輪詢周期到來時ONU只要發送一個R幀。為改善上行鏈路使用率，OLT在計算出往返時間（RTT）后再在相鄰兩個ONU的開始時隙和結束時隙之間插入一個間隔時隙（Tguard），這樣就能夠根據帶寬利用率的高低實時動態地接收下一個ONU發往OLT的數據。

圖1 IPACT時隙動態分配示意圖

為避免在輪詢周期內模型中某個攜帶大數據的ONU獨享上行鏈路帶寬就需要為每個ONU分配最大傳輸窗口MTW，該窗口的大小根據最大輪詢周期長度來決定。就IPACT而言，OLT在輪詢周期內為該窗口授權的機制采用限制級服務。該服務在輪詢周期內為ONU授權的帶寬小于MTW，當上行方向上提交的請求超過了MTW則OLT限制其帶寬等于MTW。此時輪詢周期最短。便于比較該機制的實效性，此處引入一個與其相反的固定服務授權機制。該機制至始至終為ONU授權MTW，顯然輪詢周期恒定。

2.2 IPACT實驗分析

為了更好地比較仿真數據，本次仿真將時間放大一百倍。仿真相關參數［6］配置如下：PON鏈路速率1Mbit/s，保護間插時隙5μs，信號在鏈路中的傳播速率2×108m/s，MTW為1500字節，數據幀往返時間105μs、線程數3個。實驗結果分別如圖2所示。

圖2 限制授權（黑）/固定授權（灰）的延時和帶寬使用對照圖

比較曲線可知，限制授權機制較固定授權機制具有更良好的實效性。然而即便如此，限制授權機制下的IPACT算法在QoS［7］方面依然較低，表現為1）若在不同輪詢周期內出現輕重負載時必然導致很明顯的時延差異；2）各類業務的優先權無法得到保障；3）當ONU輕負載時信道被大量的R幀和G幀占據。

3 CPFCT機制

3.1 CPFCT動態分配帶寬過程

該算法采用了多點控制協議，故OLT中也內置了輪詢表來記錄每個ONU緩沖存儲區內的數據請求和收發時間長度。但OLT收到上行方向上ONU發送的數據請求會更新輪詢表，以此類推，后續所有每一個ONU發送完數據請求后也隨即更新其緩沖存儲區內的輪詢表，然后統一計算ONU請求的總帶寬，再一次性為所有ONU指派Gate幀。此時OLT為每個ONU指派的窗口。設Gi為ONU被授權的時隙、Ri/j表示第i/j個ONU發送的請求信息、B為總帶寬，則ONU指派的窗口為。其時隙分配過程如下圖3所示。

圖3 CPFCT時隙動態分配示意圖

圖4 基于CPFCT的周期閑置示意圖

該圖示中CPFCT的輪詢周期長度并不會因ONU負載輕重變化而變化，很適合時延敏感型業務。但是OLT在一個輪詢周期內讀取完所有上行方向上ONU的數據請求和R幀后要先進行計算和生成授權信息才能進行統一授權操作。這個過程需要一定的時間來處理這些時延；此外，OLT將Gate幀統一發往ONU直到ONU上傳數據和R幀（即RTT），這些鄰近周期之間還有一些閑置時隙［8］存在。上述兩個時延無疑已經構成了一定的周期閑置。如圖4所示。

3.2 CPFCT實驗分析

根據OLT為每個ONU所指派的窗口，通過OPNET仿真軟件搭建模型并將圖3第i個周期中第一 個 ONU 授 權 時 隙 記 為 t數據請求+tR幀+tG幀+?RTT 。

仿真相關參數配置如下：PON鏈路速率1Mbit/s，保護間插時隙5μs，CPCFT周期2000ms，信號在鏈路中的傳播速率2×108m/s，MTW為1500字節，數據幀往返時間 105μs、線程數 3個。輪詢［9］周期內第一個ONU的負載以單位時間內的數據包長度來定義。仿真結果分別如圖5、圖6所示。兩個圖示的仿真結果顯示在輕負載時的采用CPFCT的平均時延大于IPACT，時延抖動也小，源于CPFCT采用了固定周期。該特點使其很適合用于傳輸時延敏感型業務。圖5驗證了因存在周期閑置所導致的信道利用率下降現象。

圖5 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）平均時延和帶寬使用對照

圖6 基于CPFCT（黑）和IPACT（灰）的時延抖動對照

4 優化機制原理

4.1 優化過程

IPACT算法雖然帶寬利用率較高，但時延［10］抖動方面表現較差。相比之下CPFCT算法雖然帶寬利用率一般，但良好的時延使得該算法很適合敏感型［11］業務。鑒于CPFCT算法在上述原理和仿真中呈現出的周期閑置長度Lins導致了帶寬利用率下降問題，本次給出了改善機制?？傮w思路是：首先，在輪詢周期中最后一個ONU先發送R幀再提交該ONU緩沖存儲區內的數據給OLT。當輪到ONU上傳R幀時，通過預測［4］系數增加當前窗口的帶寬請求用于彌補等待授權這個時間段收到的帶寬請求。即在OLT收到上行鏈路請求后根據預測系數對相應帶寬請求做適當放大處理。這樣的就可以使得等待時間內所產生的請求在本周期內獲得G幀，不至于像優化前的算法必須等到下一個輪詢周期才能被授權，進而明顯地縮小了業務的時延長度。其次，將第一次分配［12］后輕負載ONU的剩余帶寬按照重負載ONU不足帶寬占剩余帶寬的比例來進行帶寬的再次調度。改進后的算法流程［5］如圖7所示。

圖7 算法優化流程

4.2 優化機制實驗分析

為了準確地闡述CPFCT優化前后的效果，本處仿真相關參數配置與優化前基本保持相同。優化后的CPCFT周期依然為2000ms。經由OPNET仿真［13］得到如圖8所示數據。其中黑色為優化機制、灰色為CPFCT機制、白色為IPACT機制。

圖8 重負載時帶寬利用率與平均時延情況

比較兩圖不難看出優化［14］后的CPFCT表現出良好的帶寬利用率和時延性［15］。這是由于使用優化后的算法，在一個輪詢周期內的最后一個ONU不是先發送數據再發送R幀，而是將D時隙和R時隙先后順序做了顛倒處理，利用發送數據的時間來補償周期輪詢損失。

5 結語

本文通過分析IPACT和CPFCT作為ASON常用帶寬調度算法在應用過程中表現出來的局限性提出了一種優化機制。在結合兩者算法優點的基礎上通過彌補周期閑置、倒換請求窗口時序、二度分配等策略來實施該優化機制。經仿真測試最終驗證了該優化機制的可行性。

優化后的CPFCT帶寬分配機制適合于互聯網+模式下承載了大數據的融合網絡，具有廣泛的適應性。