EPON中的一种新型动态带宽分配算法

1、2011年第2 期中文核心期刊EPON 中的一种新型动态带宽分配算法A new DBA Algorithm in EPONXIE Zhao-sheng,SUN Qian g(Beijing Jiaotong University ,Beijing 100081,ChinaAbstract :Dynamic Bandwidth Allocation (DBAis an important research area in Ethernet Passive Optical Network (EPONsystem .The paper presented a new DBA algorithm wi

2、th two-layer -three assignments based on the business in EPON.The algorithm improves the bandwidth utilization and QoS guarantee of the dynam-ic bandwidth allocation.The optimal algorithm is given by researching and the performance analyzing is mak-ing by simulation in the paper.It's proving tha

3、t they have very good performance in a comparison of the algo-rithm.Key words :EPON;DBA;quality of service;bandwidth utilization解朝晟,孙强(北京交通大学,北京100081摘要:动态带宽分配是以太网无源光网络(EPO N 系统中的一个重要研究领域,提出了一种基于业务的两层三次带宽分配的DB A 新型算法。该算法在兼顾动态带宽分配的带宽利用率和Q O S 保证方面进行了改进,通过研究分析给出了最优算法,并在模拟流量下进行了性能分析。通过与已有算法的对比,证明其有很好的性

4、能。关键词:以太无源光网络;动态带宽分配算法;服务质量;带宽利用率中图分类号:TN915.6;TN929.11文献标识码:A 文章编号:1002-5561(201102-0001-030引言在EPON (Ethernet Passive Optical Network ,以太无源光网络系统中,设计优良的动态带宽分配算法是目前EPON 技术研究的焦点之一。一个优良的DBA (Dynamic Bandwidth Allocation ,动态带宽分配算法1应当满足:带宽利用率高、支持不同业务的QoS(Quality of Service ,服务质量和能够兼顾公平等。传统网络中的动态带宽分配(DBA方

5、法2对带宽资源的有效利用提出了改进,但大都局限于某种特定网络或业务,没有较好的扩展性。针对目前网络业务的特点,能够同时解决QoS 以及网络带宽资源有效利用的网络带宽资源分配问题,是目前研究的热点问题。在分析传统带宽分配方法和各种业务模型的基础上,考虑业务不同的QoS 要求及带宽资源的有效利用,结合各种QoS 业务模型思想以及动态带宽分配方法的优点,提出了一种新型的面向业务的两层三次动态带宽分配算法。1两层三次动态带宽分配算法1.1设计原则两层三次动态带宽分配算法的设计基于三个原则:一是提高上行带宽的利用率,充分占用idletime(空闲时间;二是保证要求很小时延和时延抖动的固定比特速率的业务,

6、分配预置带宽;三是区分业务等级,对要求很小时延和时延抖动的可变比特速率的业务保证充分的带宽,对其它业务保证按相应权重进行带宽分配,并保证要求最低的业务等级在每个轮询周期内能有最低的带宽保证。1.2算法原理本算法在设计时,上行带宽区分为两部分:空闲带宽和业务带宽。上行传输周期区分为两段:传输时隙和idletime 。实际业务类型区分为四类:EF (加速转发固定带宽业务、EF 动态带宽业务、AF (保证转发业务、BF(尽力而为业务。Idletime 是由动态带宽分配时间和往返时延(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 (Optical Line

7、 Terminal ,光线路终端与ONU (Optical Network Unit ,光网络单元相收稿日期:2010-08-04。作者简介:解朝晟(1978-,男,硕士生,主要研究方向为光纤通信。2011年第2 期距20km 时,往返传输时延(RTT 可达200s ,约占轮询周期的10%3。算法原理如图1所示。空闲带宽和业务带宽分为两层传输。空闲带宽传输为第一层,它传输EF 固定带宽业务,传输时段主要在idletime 内,在前一周期结束时,有EF 固定带宽业务的ONU 不经OLT 授权直接在idletime 内传送该类业务。如果EF 固定带宽业务占用的带宽小于或等于空闲带宽,则空闲带宽中只

8、传输EF 固定带宽业务;如果EF 固定带宽业务占用的带宽大于空闲带宽,则该业务除占用整个idletime 时段的空闲带宽外,大于的带宽还要挤占部分业务带宽。在第一层传输中为EF 固定带宽业务进行分配为带宽的第一次分配。业务带宽传输为第二层,主要传输其它三种类型业务。在第一次带宽分配的基础上,第二次分配是在业务带宽内为EF 动态带宽业务按各ONU 请求的带宽分配相应的带宽。第三次分配是以第二次分配为基础,在剩余的业务带宽中,为AF 、BF 业务分配带宽,即第三次带宽分配。第三次分配时,如果AF 业务占用的带宽不大,则根据各ONU 申请的带宽需求对AF 业务进行带宽分配(实际上,个别ONU 中对A

9、F 业务带宽要求大,挤占带宽多,在对各个ONU 分配带宽时,需要设置最大带宽阈值,在本文中对此阈值限制作了忽略,在剩余带宽中根据BF 业务量大小按需或按比例对各ONU 中BF 业务进行带宽分配;如果AF 业务占用的带宽大,则在第二次带宽分配后的剩余带宽中,除保证各BF 业务的最小保证带宽外,对其余带宽根据各个ONU 申请的AF 带宽数按比例作出分配,在计算时按各ONU 所占权重进行计算。1.3实现步骤在本算法中,具体的实现步骤可做这样的描述。设空闲带宽为B S ,业务带宽为B c ;ONU 向OLT 申请的带宽用R 表示,OLT 对ONU 分配的带宽用B 表示。则:EF 固定带宽业务总带宽为R

10、 f (B f ,第i 个ONU 中EF 固定带宽业务分配带宽为R fi (B fi ;EF 动态带宽业务总带宽为R d (B d ,第i 个ONU 中EF 动态带宽业务带宽为R di (B di ;AF 业务总带宽为R a (B a ,第i 个ONU 中AF 业务带宽为R ai (B ai ;BF 业务总带宽为R b (B b ,第i 个ONU 中BF 业务带宽为R bi (B bi ;BF 业务最小保证带宽为B m ,第i 个ONU 中BF业务最小保证带宽为B mi ;第i 个ONU 传送AF 业务带宽权重为W i ,传送BF 业务带宽权重为i ;OLT 询问周期为T ,各ONU 时隙为T

11、 i ,保护时隙为T m ,idletime 为t 。其算法流程如图2所示。1.4性能分析基于一个由20个ONU 组成的EPON 系统,OLT 与ONU 之间的速率为1000Mb/s ,最大距离为10km (RTT =50s ,OLT 的授权周期为2ms ,假设仿真时不存在丢包的情况,设ONU 的缓存为无限大,有4个优先级队列:EF 固定带宽业务、EF 动态带宽业务、AF 业务、BF 业务,每个ONU 都存在EF 固定带宽业务,其业务带宽为1Mb/s ,对本算法进行性能分析得出:区分业务等级,提供了更优的QoS 服务保证 。图1两层三次带宽分配算法示意图解朝晟,孙强:EPON 中的一种新型动态

12、带宽分配算法2011年第2 期本算法区分了四类业务、三个等级,对于最先优先级的EF 固定带宽业务和EF 动态带宽业务,本算法中实现了按需分配带宽的要求,对EF 固定带宽业务划分了空闲带宽,并且各ONU 中该业务集中在每周期的特定时段进行传送,在25个以下的ONU 系统中,不存在时延抖动,优于其它各算法。在传送AF 、BF 业务时,本算法吸收了文献1,4,5的改进意见,对AF 、BF 两种业务做了相应的QoS 保证。设定最大保证带宽和最小保证带宽,确保了带宽分配的公平性。本算法在对AF 和BF 两种业务进行带宽分配时设定了每个ONU 传送的最大保证带宽,保证了ONU 之间带宽分配的公平性。同时本

13、算法还增加了BF 业务最小保证带宽,在AF 、BF 两种业务之间保证了公平性,优于文献1和文献4对BF 业务的处理,并且大大减少了丢包率,减小了BF 业务的传输延迟。充分利用idletime 空闲时间,提高了带宽利用率。在王亚民、郭俊娜提出的一种改进的EPON 动态带宽分配算法3中,对idletime 空闲时间的占用也有一些说法,但是讲有很笼统,本算法把idletime 同算法中划分的空闲带宽结合起来,并区分了EF 业务中的固定带宽和动态带宽,对idletime 空闲时间的占用以算法形式列出来,更具有可操作性和应用性。基于前面的系统假定,20个ONU 时,idletime 占用率为80%,带宽

14、利用率为98%,大大高于其它算法。2结束语我们提出的两层三次带宽分配DBA 算法,有效地保证了整个EPON 网络的QoS 以及带宽分配的公平性,能较好地满足目前网络多业务、多优先级的要求,并且充分占用了idletime 空闲时间,有效地提高了上行信道的带宽利用率,同时减小了EF 业务的时延抖动,具有较好的时延特性。参考文献:1周永刚,钱宗珏,寿国础,等.EPON 系统中基于业务等级的动态带宽算法研究J.电信科学,2006,22(3:68-70.2KRAMER G ,MUKHERJEE B,PESAVENTO G .IPACT :Adynamic protocol for an Ethernet PON(EPONJ.IEEE Commun .Mag.,2002,40(2:74-80.3王亚民,郭俊娜.一种改进的EPON 动态带