EPON和WiMax融合架构下带宽分配算法的研究

1、2009年第 12 期中文核心期刊EPON 和 WiMax 融合架构下带宽分配算法的研究Research on the bandwidth allocation underthe convergence network of EPON and WiMAXZHANG Shu, LIU De-ming, WU Guang-sheng, CHANG Yu-guang(Collegeof Optoelectronic Science and Engineering ,Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, ChinaA

2、bstract :The convergence network of EPON and WiMAX is cost-effective, high-bandwidth and high cover-age area solutions for future access network. EPON and WiMAX belong to different QoS model, so how to construct a unified bandwidth allocation scheme, distinguish between various services and provide

3、QoS assur-ance for the convergence network are common problems. In this article, we proposed a bandwidth allocation framework for the convergence network and elaborate on the process of bandwidth application and allocation. Future more, we provide the detailed algorithm design.Key words :EPON, WiMAX

4、, convergence, QoS, bandwidth allocation张 曙, 刘德明, 吴广生, 常宇光(华中科技大学 光电子科学与工程学院 , 武汉 430074摘 要 :EPO N 和 W i A M X 的融合架构提供了一种低成本 、 高带宽和高覆盖的接入网的解决方案 。 EPO N 和W i M A X 有着不同的服务质量 (Q oS 体系模型, 对于融合架构来说, 如何建立统一的带宽分配策略, 实现区分多业务和保证 Q oS 是需要面对的一个问题 。 文章设计了一个融合网络下的带宽分配框架, 详细分析了 带宽申请和分配的过程, 并给出了具体的算法设计 。关键词 :EPO

5、N ; W i M A X ; 融合; Q oS ; 带宽分配 中图分类号 :TN929.11文献标识码 :A 文章编号 :1002-5561(2009 12-0037-030引言随 着 IPTV 和 视 频 点 播 等 高 带 宽 需 求 业 务 的 发 展 , 宽带接入已成为热点技术 。 为了进一步优化组合 资源 , 降低成本和提供更大带宽 、 更灵活的宽带接入 业务 , 光纤和无线接入网络的融合成为一种很有前途 的架构 1,2。 目前 , 以太网无源光网络 (EPON3以其低成 本 、 高带宽及基于以太网的架构等优势得到越来越广 泛的应 用 。 与此同 时 , 由 IEEE 802.16

6、4所规范 的WiMAX 技术正逐步发展为一种主流的无线宽带接入技术 , 和 WLAN 相比 , 它能提供更大的带宽 , 更远的距 离和更好的服务质量 (QoS支持 , 和蜂窝技术相比 , 它 能提供更好的数据接入服务 。 因此 , EPON 和 WiMAX 这两种技术的融合将会弥补各自技术的不足 , 充分发 挥光纤接入技术的高带宽与无线技术的灵活性 , 给用 户带来更好的体验 , 同时可以大大降低网络整体的建 设成本和维护费用 , 具有广阔的市场前景 。1EPON 和 WiMax 的融合架构文献 5中介绍了三种 EPON 和 WiMAX 的融合架 构 :独立式 、 混合式和统一式架构 。 考虑

7、到技术成熟度 和成本 , 本文 采用混合式 架构 , 即将 ONU 和 WiMAXBS 整合成单一的设备 ONU-BS , 这使得原有的两个设备在硬件和软件上同时得到整合 , 如图 1所示 。收稿日期 :2009-08-13。作者简介 :张曙 (1977-, 男 , 博士生 , 从事光接入网和家庭网络的研究 。图 1EPON 和 WiMAX 的隔合架构輧輵 訛2009年第 12 期EPON 和 WiMAX 混合式融合架构能同时提供宽带 固 定 和 无 线 接 入 , 在 ONU-BS 内 部 , 原 ONU 和WiMAX BS 之间通过 Ethernet 接口相连接 , WiMAX 网 络配置

8、为点到多点模式 。 在此模式下 , 一个基站 (BS服务于它范围内的所有终端用户 (SS。 多个 ONU-BS 通 过 EPON 网络连接到 OLT , 并接入互联网 。 这种融合 不会产生带宽瓶颈 , 因为在分支比为 1:16的情况下 ,EPON 可以提供给每个 ONU 平均 60Mb/s的带宽 , 这 和 WiMAX 基站提供的大约 70Mb/s的峰值速率 相匹 配 4。 在这种架构中 , ONU-BS 可以实时获取原 ONU 和 WiMAX BS 的有关带宽需求 , 分配和分组调度的详细信息 , 以实现系统对上行方向 EPON 网络的带宽请求 和下行方向 WiMAX 网络的带宽分配 。2

9、混合架构下基于 QoS 的上行带宽分配算法对于 EPON 和 WiMAX 的融合架构来说 , 如何有 效地分配上行带宽 , 以实现区分多业务和保证 QoS 是 需要面对的问题 。 从总体上看 , EPON 和 WiMAX 都是 采用一种请求 /授予的机制来进行带宽分配 , 即终端(ONU或者 SS 根据自身的带宽需求周期性地向中心站点 (OLT或者 WiMAX BS 发 送带宽请求 信息 , 而 中 心站点则根据一定的算法计算出相应的带宽 , 然后授 权分配给终端 。 EPON 标准定义了 MPCP 协议 , 其中Report/Gate帧 就 是 用 来 实 现 请 求 /授 予 机 制 的

10、3, WiMAX 标准中 MAC 层中也有 类似的带宽 请求帧和授予帧 4。 EPON 和 WiMAX 在带宽分配和 QoS 支持上具有相似的地方 , 在 EPON 系统中 , 需要传送的数据包 被排列在不同的优先级队列中 , 每个 ONU 为不同优 先级队列分配带宽并调度传输数据 。 而在 WiMAX 中 , 带宽的分配是根据终端用户所建立的每个网络连接 服务来确定的 , 每个终端 SS 用户为不同 QoS 等级的 网络连接服务分配带宽并调度数据 。 但是 , 从本质上 看 , EPON 和 WiMAX 属于不同的 QoS 模型 。 EPON 属 于 DiffServ 模型 , 是一种基于类

11、的 QoS , 只能提供相对 的 QoS ; WiMAX 是面向连接的 , 是一种基于服务流的QoS , 每个服务流在被服务之前先提出连接请求 , BS 中的接纳控制模块根据情况决定是否接纳 , 如果接纳 , 就能为该服务流提供绝对的 QoS 。 因此 , 为了建立统一 的带宽分配策略 , 如何协调这两种 QoS 机制是本文需 要解决的问题 。图 2是本文设计的融合网络的带宽分配框架 。 整 个架构分为两个主要部分 , 一是连接的建立 , 二是带 宽的申请和分配 。 在第一部分的设计中 , 因为 OLT 是最终的带宽分配者 , 我们把接纳控制模块放到了 OLT 中实现 , 当 SS 需要为某个

12、业务建立连接时 , 它将向ONU-BS 发送请求接入信令 , 信令中包含了业务接入 所 需 要 的 QoS , ONU-BS 向 OLT 转 发 信 令 , OLT 中 的接纳控制模块按照一定的接纳控制准则判断是否允 许接入 , 之后将判决的结果以请求应答信令发向 SS 。 从 SS 端到 OLT 端 , 需要一个通道来及时地传递连接 信令 , 这需要 ONU 给 ONU-BS 分配额外的带宽 。 接纳 控制模块是系统的关键模块之一 , 需要融合 EPON 和WiMAX 的接纳控制进行详细设计 , 这里不再讨论 。第二部分的设计中 , 在 SS 端 , 每个 SS 到 BS 的连 接在连接建立

13、之后都会被分类器分配一个服务类别 。WiMAX 协 议 支 持 四 种 服 务 类 别 :UGS 、 rtPS 、 nrtPS 和 BE , UGS 的服务类别最高 , 依次递减 。 上行带宽请求发生器将根据各连接队列的深度以及队列所对应的服 务类别 , 向 BS 发送带宽请求 BW_request。 当 ONU-BS 为各个 SS 分配带宽后 , 带宽分配的消息由 ONU-BS 在每一帧的开始通过 UL-MAP 消息广播至全网 , 每个SS 在收到 UL-MAP 消息后 , 按照所分配的时隙在上行链路子帧发送数据 。在 ONU-BS 端 , ONU-BS 具 有 所 有 SS 带 宽 请 求

14、 的全部信息 。 根据这些信息 , ONU-BS 用 Report 帧向OLT 申请带宽以支持终端用户的网络服务 。 根据 E -PON 协 议 , REPORT 帧 最 多 可 以 支 持 8个 优 先 级 队列 , 这里定义了三个 :EF 、 AF 和 BE , EF 的队列优先级 类别最高 , 依次递减 。 一旦 ONU-BS 向 ONU 分配了带 宽 , ONU-BS 便马上获知有多少带宽向下分配 , 然后把 这些带宽按照一定的算法分配给各个 SS , 实现了对终 端用户不同 QoS 等级服务的支持 。 另外 , 为了实现更 有 效 的 整 合 统 一 , 需 要 在 EPON 优 先

15、 级 队 列 和WiMAX 不同 QoS 等级服务之间建立一个 QoS 映射机制 , 这种机制决定了哪个等级服务的数据流排列进哪 种优先级的队列中以匹配 QoS 的需求 , 这里服务类型图 2融合网络的带宽分配构架张 曙 , 刘德明 , 吴广生 , 等 :EPON 和 WiMax 融合架构下带宽分配算法的研究輧 輶 訛2009年第 12 期UGS 对 应 EF 队 列 , rtPS 和 nrtPS 合 并 起 来 共 同 对 应 AF 队列 , BE 对应 BE 队列 。 在 OLT 端 , OLT 具有所有 ONU-BS 带宽请求的全部信息 。 根据这些信息 , OLT 按 照一定的算法分配

16、带宽 , 然后用 Gate 帧把带宽分配的 信息下发给 ONU-BS 。下面是本文设计的 OLT 端的带宽分配算法描述 。 设 EPON 网络内有 n 个 ONU-BS , 传输速率为 R Mb/s, 轮询周期为 T cycle , 不同 ONU-BS 间传输保护时间间隔 为 T g , 以 B min 表示 ONU-BS 所能获得的最小保证带宽(以字节为单位 , 同时假设各个 ONU-BS 的带宽分配权重都相同 , 则有 :B min =(T cycle -n ×T g ×R /(8×n (1 前面提到过 , ONU-BS 是用 Report 帧向 OLT 申请

17、 带宽的 , REPORT 帧最多可以支持 8个优先级队列 , 这 里定义了 3个 :EF 、 AF 和 BE , 设 ONU-BSi 中这三个 队列申请的带宽为 :B i,j req(j =1,2,3, 则 ONU-BSi 申请的 总带宽 B i req=3j =1B i,j req。 与文献 6中一样 , ONU-BS 可以分为两类 , 轻负载和重负载 , 轻负载的 ONU-BS 申请 带宽低于 B min , 重负载的 ONU-BS 申请带宽大于 B min 。 首先 , 计算出系统的剩余总带宽 B excess =mj =1(B min -B i req, m为轻负载 ONU-BS 的

18、个数 , 把剩余总带宽在重负载ONU-BS 中平均分配 , B i excess =B excess /h, h 为重负载 ONU-BS 的个数 , 最终 , 每个 ONU-BSi 分配得到的带宽 可表示为 :B i g =min(B min +B i excess , B i req(2下面介绍本文设计的 ONU-BS 端的带宽申请和 分配算法描述 。 设某个 ONU-BSi , WiMAX 网络内连 接有 S n 个终端 SS , 并且 , ONU-BSi 已经根据式 (2 被 分 配 了 B i g 带 宽 。 WiMAX 协 议 支 持 4种 服 务 类 别 :UGS 、 rtPS 、

19、 nrtPS 和 BE 。 设某个终端 SSx , 这 4个队列申请的带宽为 B x,j req(j =1,2,3,4, 则终端 SSx 申请的总带 宽 B x req=4j =1B x,j req, 用 B x,j g(j=1,2,3,4表示为终端 SSx 各个服务类别分配的带宽 , 并设计了如下的带宽分配算法 :if B i g >S nx =1B xreqthenB x,j g =B x,jreqelseB avl =B i g -N 1x =1B x,1reqB x,2g=(W AF ×B avl ×W rtPS /N 2B x,3g=(W AF ×

20、B avl ×W nrtPS /N 3B x,4g =(W BF ×B avl /N 4end if上面的算法中第一步如果 ONU-BSi 满足所有终 端 SS 的带宽申请 , 则满足所有终端的带宽需求 。 否则 , 首先无条件满足 UGS 服务类别的需求 , 因为 UGS 服 务类别最高 , 剩余带宽按权重在各个服务类别中分配 。 服务类别 rtPS 和 nrtPS 合并起来共同对应 AF 队列 , 服务类别 BE 对应 BE 队列 , 本文为 AF 队列和 BE 队 列设置了权重 W AF 和 W BF , 并为服务类别 rtPS 和 nrtPS 设置了权重 W rtP

21、S 和 W nrtPS , 以达到灵活分配带宽的目 的 , N 1、 N 2、 N 3和 N 4分别对应着有相应服务类型带 宽申请的终端集合个数 。3结束语光纤无线融合是一种很有前途的架构 , 本文在 E -PON 和 WiMAX 网络融合的基础上 , 设计了一个基于 QoS 的带宽分配框架方案 , 详细分析了带宽申请和分配的流程 , 并给出了具体的带宽分配算法 , 实现了区 分多种业务和保证了 QoS 。 EPON 和 WiMAX 网络融合 是一个很大的研究课题 , 还有很多方面需要进一步研 究 , 本文只是进行了初步的探讨 。 参考文献 :1SUEMURA Y, NAKAMURA S, HU J