一种改进的EPON动态带宽分配算法

1引言

EPON(Ethernet Passive Optical Network)综合了低成本的以太网技术和低费用的光纤基础设施，被认为是下一代接入网技术的首选[1]。EPON由OLT(OpticalLine Terminator)、ONU(Optical Network Unit)和POS(Passive Optical Splitter)三部分组成，OLT通过POS与多个ONU相联。EPON上行链路(从ONU到OLT)是多点到点结构，多个ONU共用一个信道，主要采用TDMA数据传输方式，利用Gate和Report机制实现动态带宽分配，在OLT中控制各个ONU的上行数据传输。

经典的EPON动态带宽分配算法是IPACT[2]算法，此后也陆续提出了一些其它的算法．比如支持服务等级协议(SLA)的固定比特速率CBR [3]算法：能根据SLA提供给高级用户保证带宽而对其它用户提供相应服务的BGP[4]算法。这些算法都存在着一些问题，如轻负荷恶化问题，实时业务的OoS保证问题，公平性问题，带宽利用率问题等等；文献[5，6，7]中提到的算法由于idle time问题的存在影响了EPON系统上行链路带宽利用率。本文提出一种减小idle time以提高带宽利用率的动态带宽分配算法，并构建了基于OPNET的系统仿真模型，利用此模型对该算法进行仿真试验。仿真结果表明算法具有高带宽利用率，低EF等级时延抖动。

2一种改进的动态带宽分配方案

EPON系统一般采用固定的轮询周期，将各0NU端的业务划分为三个等级：EF、AF和BE[8]。EF对应语音业务，是固定比特速率的数据流，必须保证有较小的时延和时延抖动；AF对应视频业务，是可变比特速率的数据流，需要一定带宽保证；BE对应数据传输业务对时延和抖动没有要求，需要提供尽力而为的服务。

为保证各类业务的OoS，DBA1算法为每个0NU的EF类业务固定分配带宽，而其它两种业务可根据带宽利用情况采取按需分配或按比例分配。带宽分配过程可分为两部分，首先是OLT给每个ONU分配带宽；其次是各ONU将得到的带宽分配给各个优先级队列。

为有效解决ONU之间的公平性问题，可以采取为每个ONU设定最大授权窗口的方法，当某ONU的请求超过最大窗口时，以最大窗口授权。每个ONU的最大授权带宽为：其中Tcycle为固定的授权周期，N为ONU的个数，G为ONU上行数据间的保护时隙，R为EPON上行链路速率，Wi为各ONU的SIA因子，

令Ri为各ONU的请求带宽大小，Gi为各ONU的授权带宽大小。低负载ONU Ri M表示低负载ONU。则低负载ONU的授权带宽为Gi=Ri，而高负载ONU的授权带宽为：其中J为高负载ONU[9]。

当OLT给ONU分配了一定带宽后，ONU需要把这些带宽再分配给各个优先级队列。各ONU的总请求Ri＝Hi+Mi+Li，其中Hi、Mi、Li分别为EF、AF、BE业务请求带宽大小。其中分别为EF、AF、BE业务的带宽授权大小。为了避免剩余带宽被AF业务完全耗尽，本文采取了按需分配的原则，各ONU的AF、BE业务分配带宽分别为：DBA1算法保证了EPON系统各类业务的QoS，满足了不同业务的不同要求，同时保证带宽的公平分配。但在DBA1算法中，从OLT接收完所有ONU的Report帧，到下一个周期的第一个ONU接收到Gate帧这段时间。上行信道没有充分利用，将产生idle time，原理如图1所示。

idle time由动态带宽分配(DBA)时问和往返时延(RTT)组成。如果使用高速的CPU，DBA时间是可以忽略的。在EPON系统中，当OLT与ONU相距20km时，RTT可达200μs，这通常占轮询周期的10％，极大地降低了EPON系统上行链路的带宽利用率。

对于EF业务，它传送的是固定比特速率的数据流，由于它的确定性，不需要对EF业务进行Report信息的传送，也不需要对EF类业务进行动态带宽分配。因此可在idle time时间内传送各个ONU下一周期的EF业务，进而提高上行链路的带宽利用率，并且由于对EF业务进行集中发送，也降低了EF等级业务时时延抖动。本义将减小了idle time后的改进的算法称为DBA2算法。

作者：王亚民 郭俊娜(西安科技大学通信与信息工程学院）   来源：中电网