（通信与信息系统专业论文）epon系统上行接入信道动态带宽分配算法研究.pdf

摘要 光接入网近年来正逐渐成为接入网领域的主流技术。以太网无源光网络 ( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，e p o n ) 实现了低成本以太网设备和低成本光纤 设施的结合，成为下一代接入网最有希望的解决方案。 本论文主要对e p o n 系统的一些关键技术进行了深入的研究，包括系统的体 系结构、多点控制协议( m p c p ) 、带宽分配算法的设计，本文主要工作包括： 首先对e p o n 系统的工作原理、体系结构及其技术特点进行了分析，并重点 分析了i e e e 8 0 2 3 a h 标准中的多点控制协议( m u l t i - p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l ，m p c p ) ， 研究了报告授权的机制及报告和授权过程的流程图，为动态带宽分配算法的理 论研究及仿真实验提供了基础。 分析了两种经典的动态带宽分配算法，并在总结前人工作的基础上，提出了 一种基于固定周期轮询的支持多业务q o s 保证的改进型动态带宽分配算法。该 算法中，为了满足不同业务的q o s 要求，将o n u 的业务分成三种类型，赋予它 们不同的优先级。提出了对不同优先级业务采用不同的轮询周期的思想，并对高 优先级的话音业务采用固定时隙集中传输，为了减小固定周期轮询算法所固有的 周期间空闲损失提出了报告帧前置的解决方法。 最后通过仿真实验分析了该算法的性能。仿真结果表明，新算法在带宽利用 率和平均包时延上有明显改善。 关键词： 以太网无源光网络；动态带宽分配；多点控制协议；多业务；服务 质量 a bs t r a c t o p t i c a la c c e s sn e t w o r k s a r eb e c o m i n gt h ed o m i n a t i v et e c h n o l o g yi na c c e s s n e t w o r ks p a c ei nc o m i n gy e a r s e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，w h i c h r e p r e s e n t s t h e c o n v e r g e n c eo fl o w c o s te t h e m e te q u i p m e n ta n d l o w c o s tf i b e r i n f r a s t r u c t u r e ，a p p e a rt ob et h em o s tp r o m i s i n gs o l u t i o nf o rt h en e x t g e n e r a t i o n b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ， i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e si ne p o ns y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d ， i n c l u d i n gs t u d yo ns y s t e ms t r u c t u r e ，m p c pp r o t o c o l ，a n db a n d w i d t ha l l o c a t i o n a l g o r i t h m t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r eo u t l i n e da sf o l l o w ： f i r s t ，w ei n t r o d u c et h ee v o l u t i o no fe p o nm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g y ，s t u d yt h e t h e o r ya r c h i t e c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fe p o n i nd e t a i l s ，a n a l y z et h em u l t i p o i n t c o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) o fi e e e 8 0 2 3 a hw h i c hi st h eb a s i co fd y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o na l g o r i t h m ，a n dr e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fr e p o r t g a t ea sw e l la st h e i r f l o wc h a r t t h e nt w oc l a s s i cd b aa l g o r i t h m sa r er e v i e w e d an e wd b aa l g o r i t h m ，w h i c hi s s u p p o r tt h eg u a r a n t e eo fq o sa n db a s e do nf i x e dp o l l i n gt i m e ，i st h ep r e s e n t e dt o e f f i c i e n t l ya n df a i r l ya l l o c a t eb a n d w i d t ha m o n g d i f f e r e n tu s e r sa n dd i f f e r e n ts e r v i c e s i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u e s to fq o s ，t h i sn e wa l g o r i t h m sd i v i d em u l t i p l es e r v i c e s i n t ot h r e et y p e sa n dd e p o s i tt h e mi nd i f f e r e n tp r i o r i t yq u e u e s t h e np o l ld i f f e r e n t q u e u e sw i t hd i f f e r e n tc y c l et i m e ，t r a n s m i th i g h e s tp r i o r i t yq u e u ec o n c e n t r a t i v ew i t h f i x e dt i m es l o t a n dt r a n s m i tr e p o r tf r a m eb e f o r ed a t af r a m et or e d u c ei d i et i m e b e t w e e np o l l i n gc y c l e e x t e n s i v es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e n e wa l g o r i t h mo u t p e r f o r m sc p f c ta l g o r i t h mi np e r f o r m a n c e so fu t i l i z a t i o no f b a n d w i d t ha n dd e l a y k e yw o r d s ：e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( d b a ) ，m u l t i p o i n tc o n t r o lp r o t o c o l ( m p c p ) ，m u l t i p l es e r v i c e s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞婆太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兹o z 签字蜀期；加秽莎 年月j - 闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞逵太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分雨容编入有关数掘痒进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：左2 签字同期：沙d 多年多月夕目 导师签名：o 驯躺炎 签字同期：沙嘟年多月歹f 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百下匕 现代社会已步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑 作用。由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通信 技术的研究与开发以及现代通信网的建设。 网络建设中，过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是 交换，还是传输都己更新了好几代。而另一方面，现在的接入网仍然是被双绞线 铜线主宰的( 9 0 ) ，原始落后的模拟系统。两者在技术上的巨大反差说明接入网 已确实成为制约全网进一步发展的瓶颈。目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问 题的技术手段，如数字用户线路( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，d s l ) 系统、光纤同轴混 合网( h y b r i df i b e r - c o a x i a l ，h r c ) 系统、宽带无线接入系统，但都只能算是一些 过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一问题的长远技术手段是光接入 网。 无源光网络由于其易维护、高带宽、低成本等优点成为光接入中的佼佼者， 是通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多种业务的理想物理平台。而以太 网无源光网络( e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，e p o n ) 因其在设备投资成本以及 操作和维护等方面的优势，成为运营商解决“最后一公里”问题的一种非常经济 的宽带接入方案【1 】，可以说，e p o n 技术已经成为未来接入网技术的发展方向。 1 2 接入网发展概况 1 2 1 接入网概述 整个电信网从地理上可以分成三部分，即核心网、接入网和用户驻地网【2 】 如图1 所示。其中核心网包括长途网( 长途端局以上部分) 和中继网( 长途端局 与市话局之间以及市话局之间的部分) 。按照g 9 0 2 的定义，接入网是由业务节 点接1 2 1 和用户网络接口之间的一系列传送实体( 如线路设施和传输设施) 组成的， 是为供给电信业务而提供所需传送承载能力的实施系统，可经由管理接口配置和 管理。 第一章绪论 用户网络接口业务节点接口业务节点接口用户网络接口 i 用户驻 i 接入ll _ ( 核心网) l 一接入网lh 觜 i 地网 l 图1 1 电信网的组成示意图 接入网是电信网的一个组成部分，负责将电信业务透明的传送到用户，也就 是说用户通过接入网的传输，能灵活的接入到不同的电信业务节点上。具体而言， 接入网即为本地交换机与用户之间的连接部分，通常包括用户线传输系统、复用 设备、交叉连接设备或用户网络终端设备。 近年来随着传输技术和交换技术的不断进步，核心网已经基本实现了光纤 化、数字化和宽带化。同时随着p 业务的迅速增长和多媒体业务的日益丰富， 是得用户住宅网的业务需求也不只局限于原来的语音业务，数据和多媒体业务的 需求已经称为不可阻挡的趋势，现有的语音业务接入网越来越成为制约信息高速 公路建设的瓶颈，成为发展宽带综合业务数字网( b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e d i g i t a ln e t w o r k ，b i s d n ) 的障碍。进入2 0 世纪9 0 年代以来，新的政策法规、新 的业务需求以及一系列新的技术手段的出现为接入网发展提供了新的契机，使得 占电信网络总资产5 0 左右的接入网变得十分活跃，各种技术方案层出不穷，令 人目不暇接。现在接入网已经成为世界各国研究和开发的热点。 一般来说，根据传输方式可以将接入网分成有线和无线两大类。无线接入网 又可以分为固定接入网和移动接入网两类；而有线接入网可以分为铜线接入网和 光纤接入网以及混合光纤同轴电缆网三类【3 1 。 1 2 2 光接入网 光接, k i n ( o p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，o a n ) 是指采用光纤作为主要的传输媒介 来取代传统的双绞线的接入网，泛指本地交换机或远端交换模块与用户之间采用 光纤通信或部分采用光纤通信的系统【4 】。o a n 不是传统的光纤传输系统，而是 一种针对接入网环境所设计的光纤传输系统。一般情况下，o a n 是一个点对多 点的光纤传输系统。 在电信网中引入光接入网的主要目标如下： ( 1 ) 减少铜缆的维护运行费用并降低故障率。目前接入网主要是铜缆网，主 要传送电话业务。铜缆网的故障率很高。光纤接入网可显著降低线路费用和日常 第一章绪论 维护管理费用。且光纤网故障率低，从而提高了网络可靠性。 ( 2 ) 支持开发新业务，特别是多媒体和宽带业务。传统电信网不能提供网络 电视、视频点播、高速数据等宽带业务，而光纤网可提供语音、低速数据、高速 数据、视频点播、口电话等业务，是一个全业务网。 ( 3 ) 增加传输距离，加大覆盖区面积，减少节点数目，有利于简化网络结构。 铜缆网服务区域d , ( r o ( 5 2 ) 若所有o n u 的a f 业务请求都已满足，即掣f = 砰f ，f _ o ，l 一l 。此 时虽不是b e 业务的轮询周期，但为了减小带宽浪费，仍可按式( 5 6 ) 为b e 业务 授权； 若有o n u 的请求未满足，则优先满足a f 业务的需求，为仍有带宽要求 的a f 业务继续分配带宽，按尺，一g ，从大到小的顺序依次分配，直至剩余带 宽为0 ，并将掣f 与二次分配的带宽g ? 合并为新的g ，。 动态带宽分配结束，o n u i 的授权带宽： g = g 夕+ 口， ( 5 3 ) 或，低负载时： g j = g e f + g f + g b e ( s 4 ) 2 ) 若在b e 业务的轮询周期，则执行如下分配方式： 仍然优先满足a f 业务的要求，但为了防止a f 业务量过大而使b e 业务长 期得不到服务处于饿死状态，需要为b e 业务设定一个最小保证带宽g ，一，此 时g ，f 的授权公式修正为： 弘m i n m 。善鲈一艺1 = 0 俨) 矗】 5 ， 掣f = n l 可f ，l 吃删一鲈一酽肺l 寻詈ii ( 5 5 ) l f ：0 夕彩i “ij 接着为b e 业务授权带宽： 弘nm一芝酽一芝gaf)爵嘭rbemi i - - 0i = 0 】 6 ， 酽= n l 酽，l 吃扩酽一i 蔷靠i ( 5 6 ) i 、 夕缈i k ；一j 其中尺，为o n u i 的b e 业务队列的请求长度。 若仍有带宽剩余，则优先为未满足请求的a f 业务分配剩余带宽，按 尺? f g ，从大至u i j , 的顺序依次分配，并更新g ，。若仍有剩余，再按尺严一g 严从 大到小的顺序依次为b e 业务分配剩余带宽，且合并授权g ，。 动态带宽分配结束，o n u i 的授权带宽： g j = g e f + g 譬+ g b e ( 5 - 1 ) 5 1 5 为消除周期间空闲损失所做的努力 在第四章中提到固定周期轮询方式会产生周期间空闲损失，导致其带宽 不能被充分利用。为尽量缩短直至消除，本算法采用o n u 先发送r e p o r t 帧报告本周期发送完授权长度后缓存中将会剩下的队列长度，然后再发送数据帧 的方式。此时。将修正为： 4 0 第五章一种支持多业务o o s 保证的动态带宽分配算法 = r t t + + 等一一半 ( 5 - 8 ) 其中是每周期最后一个o n u 所分到的授权大小。 显然，由于后两项的存在使减小，从而可以获得更高的带宽利用率。 算法的目标是使尽力减小直至等于0 。于是有： g ，( r 7 丁+ 正) 删一l 黜州) x r n + x 2 ( 5 9 ) 为了使每周期最后一个o n u 获得的授权长度满足上式，我们将重负载的 o n u 放在最后传输，同时要尽可能少的改变各o n u 的传输次序，以减少由此带 来的时延抖动。 若系统负载较小，所有o n u 的带宽要求都满足后，仍有剩余带宽，且剩余 带宽大于固有周期空闲损失，即 一下z v 2 - r 触e ( 5 1 0 ) 一下 ( 5 氐 此时即使将重负载的o n u 放最后也无助于消除周期空闲损失，所以无需改 变o n u 的传输次序。将式( 5 8 ) 带入，得到： g ；一g 乙( 乙础一r 丁砭脚一正，明+ 乏刎) 氐一号悟四 ( 5 1 1 ) 其中，q 。，为上一周期最后一个o n u 在当前周期被分配的授权长度， r 珥阳为第一个o n u 的r t t 值。 采用如下算法分配o n u 的传输顺序： o l t 处维护一个o n u 顺序链表，表示上一周期的各o n u 传输次序5 当调用d b a 算法为所有o n u 分配完授权长度后，判断式( 5 11 ) 是否满足： 若满足， 则不调整链表； 否则， 从后向前遍历此链表： 将第一个满足式( 5 9 ) 的g 调至队尾，结束遍历； 若遍历后没有g 满足式( 5 9 ) ，则将最大的g 移至链表尾端； 按链表当前次序开始下一周期的传输。 由此，本算法最终的传输时隙图如图5 1 所示。 4 1 第五章一种支持多业务q o s 保证的动态带宽分配算法 缸蕊恻删广7 劢剐烈- 知 j | |葡，器r jdm 溯，、 ：弋怎b k 弋矗 冀l 燃，嗡嘛 、， 。i l 阍t翩 r l d 疆3 搜投糍a 团据督镞0 豳静露务数据锻c j e 舻。勰搬务数簿锻 图5 1 传输时隙图 5 2e p o n 系统仿真建模及仿真结果分析 为了验证算法的性能，本文利用o p n e t 所提供的建模机制【2 9 】【3 0 】【3 1 1 ，以第二 章中描述的e p o n 基本结构为基础，建立了e p o n 仿真模型。并通对第四章介 绍的c p f c t 算法与新算法进行了仿真分析，对比了其性能。 5 2 1e p o n 系统仿真模型 o p n e t 采用三层建模机制，分别在进程( p r o c e s s ) 层，节点( n o d e ) 层和网络 ( n e t w o r k ) 层进行由下到上的建模。n e t w o r k 模型是最高层次的模型，由网络节点 ( n o d e ) 和连接网络节点的通信链路( l i n k ) 组成，由该层模型可直接建立起仿真网 络的拓扑结构；n o d e 模型由协议模块( m o d u l e ) 和这些模块间的各种连接 ( c o n n e c t i o n s ) 组成，如物理接口模块、数据包流等，在该层可以建立起仿真网络 中各种网络设备的模型，反映设备特，n o d e 模型中的每个协议模块对应一个或 多个进程模型；p r o c e s s 模型由有限状态机来描述协议模块内部的运作机制和响 应过程，而这些有限状态机最终需要通过c 语言编程实现。o p n e t 的三层模型 和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。 5 211o l t 模型 o l t 的节点模型如图5 - 2 所示。 4 2 第五章一种支持多业务o o s 保证的动态带宽分配算注 目52 0 l t 节点模型 o l t 主处理器p r o c e s s o r 模块对r e c e i v e r 接收器收到的包进行分析，如果是 数据包则统计收到的包数量、计算包时延等状态信息，如果是r e p o r t 消息， 则将o n q j 的请求上报d b a 模块为o n u 分配授权，d b a 模块计算后将授权信 息通知主处理器p r o c e s s o r ，p r o c e s s o r 生成g a t e 帧并通过t r a n s m i r e r 发送器发 送给o n u 。其中p r o c e s s o r 的进程模型如图5 - 3 所示，d b a 模块的进程模型如图 5 - 4 所示。 目5 - 3o l t 主处理器p r o c e s s o r 的进程模型 i n i t 状态主要完成系统的初始化，为启动整个e p o n 的运行而设置初始参数。 i d l e 状态为窄闲状态，等待中断的产生。当o l t 收到上行数据包到达触发的包 中断u p p k a r r i v a l 时，由i d l e 状态进入g e t d p e 状态。在g e t t y p e 状态，检 凰 耍 第五章一种支持多业务q o s 保证的动态带宽分配算法 查收到包的类型，如果是数据包，则进入d e s t r o y 状态，更新数据包的统计信息 后销毁该包，井返回i d l e 状态等待下次中断的到达；如果是r e p o r t 帧则进 入d b a 状态，向上层d b a 模块报告o n u 的请求信息，然后返回i d l e 状态。当 o l t 收到上层d b a 模块技来的发送授权帧的请求时，触发中断r e q u e s t ，进 入s e n dg a t e 状态，发送生成的g a t e 帧，发送完毕后返回i d l e 状态。如果收到 其他事件触发的中断d e f a u l t ，则什么都不做。 图5 4 d b a 模块的进程模型 经初始化后进入空闲状态i d l e ，等待系统中断的到达。当收到由p r o c e s s o r 模块传递来的o n u 上报的队列信息所触发包中断r e p o r ta r r i v a l 时，由i d l e 状态转移到r e c o r d 状态，记录o n u 的带宽请求信息，然后返回i d l e 状态。当所 有o n u 的r e p o r t 都收到之后触发统计中断a l lr e c e i v e d ，进入c a l c u l a t e 状态，为各o n u 计算授权带宽，将授权信息传递给p r o c e s s o r 模块，然后返到i d l e 状态。如果收到其他事件触发的中断d e f a u l t ，则什么都不做。 5 2 1 2o n u 模型 o n u 的节点模型如图55 所示 第五章一种支持多业务q o s 保证的动志带宽分配算j 去 鼍婪、 图5 - 5 0 n u 节点模型 咂曰固 l l i d 模块负责解析由r e c e i v e r 接收器收到的数据包的l l i d 字段，若是发给 本o n u 的包则继续向下一个模块传递，否则销毁该包；同时将p r o c e s s o r 处理器 传递来的包加上l l l d 帧头后传递给发送器h - a n s m i t t e r 。p r o c e s s o r 模块负责上报 各业务队列长度信息和发送队列中的数据包。其中p r o c e s s o r 的进程模型如图5 - 6 所示。将三种不同的业务分别存 三个缓存队列q u e u e l 一3 中，队列采用先入先 出( f i r s ti nf i r s o u t , f i f o ) 缓存方式。且缓存队列为被动发送方式，即队列不主动 向处理嚣p r o c e s s o r 发送数据包，而是在到达授权开始时问后由p i - o c e $ $ o l - 模块从 缓存队列中获取数据包并加帧头帧尾后发送，并通过图中虚线表示的状态线从缓 存中读取队列长度信息添加至r e p o r t 帧中。 图5 - 6 0 n u 主处理器p r o c e s s o r 的进程模型 第五章一种支持多业务q o s 保证的动态带宽分配算法 o n u 初始化后进入空闲状态i d l e ，等待系统中断的到达。当收到由l l i d 解 析后传递来的属于自己的g a t e 授权帧后，触发一个包中断g a t ea r r i v a l ， 由i d l e 状态进入o b t a i ng r a n t 状态，提取授权信息，记录授权开始时间和授权长 度，然后返回i d l e 状态。当发送时间到后进入s e n dp k 状态，按授权长度发送缓 存队列中的数据，然后返回i d l e 状态。当需要发送r e p o r t 消息时，进入s e n d r e p o r t 状态，获取缓存队列的长度信息，并发送出去，然后返回i d l e 状态。如果 是其他事件触发的中断d e f a u l t 什么也不做保持在i d l e 状态。 5 213e p o n 网络模型 e p o n 的树形拓扑结构，利用上文建立的o l t 和o n u 节点模型，以含有 1 6 个o n u 的系统为例，建立e p o n 的网络仿真模型如图5 7 所示。其中链路模 型是数据速率为1 0 0 0 m b p s 全双工模型。 驴”一”一r 一一”甲一一气一”一、“一一”r 一一飞一 5 2 2 仿真结果分析 图5 7e p o n 系统网络模型 在上节建立的1 6 个o n u 的e p o n 系统模型中对提出的算法进行仿真，设 定上下行带宽均为1 g b p s ，轮询周期t c y c l 。为2 m s ，保护带宽为l i l t s ，r t t 时间为 1 0 0 1 a s 。e f 业务采用泊松分布( p o i s s o nd i s t r i b u t i o n ) 的模型，a f 业务和b e 业务采 第五章一种支持多业务q o s 保证的动态带宽分配算法 用多个具有p a r e t o 分布的o n o f f 源叠加生成的自相似数据流。令所有o n u 的 服务等级相同，即： 哟：万1 i = 0 ，1 ，2 1 5(512)l=o 121 1 2 啦= 一 ， l ，- 。 1 6 仿真得到带宽利用率随负载变化的情况如图5 8 所示。 孚 。t - 5 0 胬 n 暑 2 5 图5 - 8 新算法与c p f c t 在带宽利用率上的对比 从图中可以看出在低负载时，新算法与固定周期的c p f c t 算法带宽利用率 相似，但随着负载的增加，由于新算法采用r e p o r t 帧前置，且将重载的o n u 后置，基本消除了周期间空闲，因此带宽利用率提高了约1 0 左右。 接下来分析一下数据包时延的构成： 分 到 图5 - 9 数据包时延的构成 数据包传输时延d 为： d = d p o u 七d g u 啊+ d q u e u e d p o l l 为从数据包抵达到下一个r e p o r t 消息发出去之间的时间， 4 7 它的平均 第五章一种支持多业务q o s 保证的动态带宽分配算法 值等于周期的一半；d g r a n t 为从o n u 发出传输窗口的请求知道这个帧获得的传 输时隙开始之间的时间，这个时延可以跨越多个周期( 即一个帧在到达队列出口 之前可能会跳过了几个时隙) ，取决与新帧到达时在队列中已有帧的数量。d q u e u e 为从时隙开始直到该帧开始被发送之间的时延，它的平均值等于时隙长度的一 半，跟前两个参数相比，它要小的多。 支持c o s 扩展的c p f c t 算法与新算法对不同优先级业务传输的时延情况： 口1 彷 斋 罢d 0 1 n1 2 2口口6口品 1 0 a d 图5 1 0 新算法和c p f c t 算法中e f 业务数据包平均时延对比 从图5 1 0 中可以看出，对于e f 业务，虽然在c p f c t 算法中也是固定长度 传输，但它是按o n u 分配的，随着每个o n u 的传输时隙变动的，在不同轮询 周期中的相对位置并不固定，因此其时延还是会随着o n u 的负载变化。但是在 新算法中，e f 业务在每个轮询周期内集中发布，发送时隙和发送长度都是固定 的，因此其时延是固定的。同时由于其传输周期缩短，因此时延明显降低。从图 中可以看出，新算法在e f 业务的时延和时延抖动方面有明显改善。 第五章一种支持多业务q o s 保证的动态带宽分配算法 d 1 ， 面0 0 1 刁 1e 3 图5 1 l 新算法和c p f c t 算法中a f 业务数据包平均时延对比 从图5 1 l 中可以看出，在低负载时，两种算法平均时延区别不大。随着负 载的加大，由于新算法采用二次带宽分配，时延要稍好于c p f c t 算法。在高负 载时，由于新算法为b e 业务限定了最小传输带宽，占用了a f 部分业务的带宽， i o a d 图5 1 2 新算法和c p f c t 算法中b e 业务数据包平均时延对比 从图5 1 2 中对比看出，新算法虽然b e 业务轮询周期延长，但由于引入二次 4 9 第五章一种支持多业务q o s 保证的动态带宽分配算法 分配机制，在低负载有剩余带宽时仍可为b e 业务授权，b e 业务轮询周期收缩， 此时b e 业务的时延相比c p f c t 算法并没有增加。高负载时，其轮询周期延长， 因此b e 业务的时延增大会大于c p f c t 算法。但是因为设定了最小保证带宽， 避免了b e 业务的饿死状态，因此时延并没有象c p f c t 算法那样急速恶化下去。 因此也保证了一定的公平性：不会因为某个o n u 用户的a f 业务量过大而使其 他的o n u 用户的b e 业务得不到服务。 5 3 本章小结 对于e p o n 系统来说，利用高效的动态带宽分配算法来保证各种网络业务的 q o s 是其进行进一步推广所必须解决的问题。在本章中，针对现有算法存在的问 题与各种网络业务的q o s 要求，提出了一种基于固定周期轮询的支持多业务q o s 保证的改进型动态带宽分配算法，提高了带宽利用率，降低了时延和时延抖动。 通过o p n e t 网络仿真软件建立了e p o n 系统模型，对e p o n 上行信道的动态接 入算法进行了仿真，通过仿真结果的对比表明了新算法性能上的改善。 第六章总结与展望 6 1 研究总结 第六章总结与展望 光接入网近年来正逐渐成为接入网领域的主流技术。e p o n 实现了低成本以 太网设备和低成本光纤设施的结合，成为下一代宽带接入网最有希望的解决方 案。e p o n 结构的一个重要特性是在多用户间共享传输介质，d b a 机制提供了 上行信道的统计复用，以达到高效和公平的带宽分配。由于直接影响上行信道的 性能，d b a 算法成为e p o n 的重要论题。 本文首先介绍了e p o n 的系统结构和关键技术，详细分析了多点控制协议， 研究了报告授权机制，提供了仿真流程图。接下来回顾了基于间插轮询周期和 固定论新周期的两种典型的d b a 算法，并对其特性进行了一定的分析。对现有 d b a 算法进行了深入研究，分析了其性能和不足之处，在此基础上提出了一种 支持多业务q o s 保证的改进算法。在新算法中，为了保证不同种业务的q o s ， 将o n u 的业务分成了三种类型，并赋予它们不同的优先级；并提出了对不同优 先级业务采用不同的轮询周期的思想；为了减小固定周期轮询算法所固有的周期 间空阂损失提出了种解决方法。最后通过仿真比较了相应算法的性能。 6 2 研究展望 d b a 算法的发展面临着两个关键的技术挑战：适应流量波动和提供q o s 保 证，这两点同时也是进一步研究的方向。从仿真结果也可看出，新算法在e f 和 a 1 r 业务的时延方面有很好的改善，但这是以牺牲了高负载时的b e 业务的q o s 要求为代价的，同时e f 业务的固定传输时隙也会在e f 业务较少时浪费一部分 带宽。 一种应对方案是预测机制1 3 2 】 3 3 】，即估计o n u 的连续两次传输之间到达的数 据量。一个有吸引力的后续研究途径是开发和评估流量预测机制，为o n u 提前 授权。但是对于视频业务由于视频编码格式的多种多样，且速率变动范围较大， 因此对其进行精确预测是很困难的，并且会大大增加算法的复杂度【3 圳。随着c p u 运算速度的飞速增长，以增加硬件复杂度来换取复杂d b a 算法的实现也变得可 行。基于统计的流量预测及带宽预分配算法可作为今后d b a 算法的一个研究方 第六章总结与展望 向。 再者，由于时间关系，仿真系统存在漏洞也是在所难免的，代码的优化与改 进仍需要一定的工作。 另外在文献【3 5 】中，提到了一个令人激动的后续工作方向是改进e p o n 结构和 开发相应的d b a 算法。通过安装一个额外的光分路器，一个o n u 的传输在向 前到达o l t 的同时，也被反射给所有的o n u ( 包括发送者本身) 。这个结构允 许每个o n u 追踪其余o n u 的传输，从而允许开发并使用分布式的d b a 算法。 参考文献 参考文献 【1 】g k r a m e ra n dg p e s a v e n t o ，e t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ：b u i l d i n g an e x t - g e n e r a t i o no p t i c a la c c e s sn e t w o r k , i e e ec o m m u n m a g ，f e b 2 0 0 2 ， 4 0 ( 2 ) ：6 6 - 7 3 2 】王秉钧，王少毅，接入网技术，北京：机械工业出版社，2 0 0 5 ，2 - 1 0 3 】韦乐平，接入网，北京：人民邮电出版社，1 9 9 7 ，8 1 0 4 李勇，吴志宏，曹玲，光纤接入网技术，北京：北京大学出版社，1 9 9 8 ，3 - 7 5 】韦乐平，张成良，光网络系统、器件与联网技术，北京：人民邮电出版社， 2 0 0 6 ，5 4 6 0 6 】张忠荃，接入网技术，北京：人民邮电出版社，2 0 0 3 6 ，8 1 5 【7 o r e nm a r m u r ，e y a ls h r a g a ，g p o n t h en e x tb i gt h i n gi no p t i c a la c c e s sn e t w o r k s ， n e t w o r ka r c h i t e c t u r e sm a n a g e m e n ta n da p p l i c a t i o n s ，p r o c e e d i n g so fs p i e ，2 0 0 3 ， v 0 1 5 2 8 2 ：19 9 - 2 0 9 8 陈洁，党梅梅，宽带p o n 技术的发展及标准化，电信网技术，2 0 0 3 ( 7 ) ，2 5 - 2 8 9 】f a n , h b a e ，y h s u e h ，m r o g g e ，an e wm e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l g u a r a n t e e i n gf a i m e s sa m o n gu s e r si ne t h e r n e t - b a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ， p r o c e e d i n g so fi e e eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c e ( o f c 0 3 ) ，m a r 2 0 0 3 ，v 0 1 1 ，1 3 4 - 1 3 5 10 i e e es t d 8 0 2 3 a h 一2 0 0 5 ，i e e es t a n d a r df o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e ns y s t e m s l o c a la n d m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s - s p e c i f i cr e q u i r e m e n t sp a r t3 ：c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ( c s m a c d ) a c c e s sm e t h o da n dp h y s i c a ll a y e r s p e c i f i c a t i o n s 11 张文华，光接入网技术e p o n ，中国数据通信，2 0 0 3 ( 0 1 ) ：7 8 8 1 1 2 基于e p o n 的三网合一解决方案，中国有线电视，2 0 0 5 ( 0 2 ) ：1 6 0 - 1 6 2 1 3 徐军波，基于e p o n 的电信、计算机和电视三网合一的探讨， 硕士学位论 文1 ，广州：华南理工大学，2 0 0 6 【14 a b a n e r j e e ，b m u k h e r j e e ，a n dg k r a m e r ，“a c h i e v i n go p e na c c e s si ne t h e r n e t p o n ( e p o n ) ，”p r o c e e d i n g o fi e e e o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n c o n f e r e n c e ( o f c 0 5 ) ，m a r , 2 0 0 5 ，v 0 1 3 ：3 4 9 - - - 35l ， 1 5 陈雪，无源光网络技术，北京：北京邮电大学出版社，2 0 0 6 1 ，11 0 1 2 1 参考文献 16 】g k r a m e r ，b m u l ( 1 l e o e e ，g p e s a v e n t o e t h e m e tp o n ( e p o n ) ：d e s i g na n d a n a l y s i so fa no p t i c a la c c e s sn e t w o r k ，p h o t o n i cn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ， 2 0 0 2 v 0 1 3 ：3 0 7 - 3 1 9 17 】i e e es t d8 0 2 1d 一2 0 0 4 ，i e e es t a n d a r df o rl o c a la n dm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) b r i d g e s 18 】e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l e ，p o i n tt om u l t i p o i n t ，e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) t u t o r i a l e f mi e e e 8 0 2 3s t u d yg r o u p2 0 0 1 19 】c a s s i ，y y e ，s d i x i t ，a n dm a a l i ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o nf o r q u a l i t yo fs e r v i c eo v e re t h e r n e tp o n s ，i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e da r e a si n c o m m u n i c a t i o n s ，n o v 2 0 0 3 ，v 0 1 21 ( 9 ) ：14 6 7 14 7 7 ， 【2 0 】g k r a m e r , b m u k h e r j e ea n dg p e s a v e n t o ，i n t e r l e a v e dp o l l i n gw i t ha d a p t