一种改进的EPON动态带宽分配算法

　　1引言

　　EPON(EthernetPassiveOpticalNetwork)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idletime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idletime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ONURiM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idletime，原理如图1所示。

　　idletime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idletime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idletime后的改进的算法称为DBA2算法。

　　3基于OPNET的EPON仿真模型及仿真结果

　　3.1基于OPNET的EPON仿真模型

　　利用OPNET所提供的建模机制，为DBA2算法建立仿真模型。网络仿真模型由一个OLT以及16个ONU组成。ONU主处理器结点进程模型如图2所示，OLT主处理器结点进程模型如图3所示。

　　图2中各个状态的意义如下：init状态进行初始化处理;idle为等待状态;arrival状态接收数据包，并进行优先级标识;ef_on、af_on、be_on状态处理相应收到的Grant信息并发送Request信息;ef、af、be状态分别向OLT发送数据包。图3中各个状态的意义如下：arrival状态对接收的数据包进行数据统计，并释放掉其占用的资源;req0～reql5状态为OLT接收request信息并完成对各ONU的时隙分配调度。

　　EPON网络仿真中的主要仿真参数设置如下：上行数据帧长为2ms;各ONU的最大传输窗口为15000bytes;上行数据间保护时隙为5μs;RTT为100μs;ONU中EF、AF、BE的缓存器容量分别为3M、3M、4M。EF源设置：包长固定为70bytes，服从泊松分布，上行速率为4.48Mb/s。AF和BE源设置：包长服从64～1518bytes的均匀分布，on状态服从pareto(1，1.4)，off状态服从pareto(0.01，1.2)：用户到ONU数据链路传输速率为0～100Mb/s：OLT到ONU数据链路传输速率为0～1000Mb/s。

　　3.2仿真结果及分析

　　图4为DBA1算法与DBA2算法在EPON系统上行链路中带宽利用率随网络负载变化的对比曲线。可以看出，DBA2算法由于减小了idletime，在网络负载高于0.5时，其带宽利用率明显优于DBA1算法。

　　图5为平均包延时对比曲线图，从图中可以看出，DBA1算法EF等级业务的平均包时延随着网络负载的增加而增加.在网络负载高于0.5以后趋于平稳，显然，由于EF等级业务的集中发送，DBA2算法减小了EF等级业务的时延抖动，显示新算法具有较好的时延特性。

　　4结束语

　　解决接入网瓶颈问题的最佳解决方案，动态分配算法就显得尤其重要。文中提出了一种改进型的动态带宽分配算法，有效地保证整个EPON网络的QoS以及带宽分配公平性，能较好地满足目前网络多业务、多优先级的要求。并利用OPNET构建了EPON系统上行信道的仿真模型，仿真结果表明，改进算法有效提高了上行信道的带宽利用率，同时减小了EF等级业务的时延抖动，具有较好的时延特性。为制定多业务QoS的EPON上行接人带宽分配标准提供参考。