寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)帶寬分配和業(yè)務(wù)劃分的制作方法

專利名稱：寬帶無源光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)帶寬分配和業(yè)務(wù)劃分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無源光網(wǎng)絡(luò)上動態(tài)帶寬分配的問題。其對多個光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)的上行信道帶寬進行仲裁。另外，本發(fā)明涉及無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)上業(yè)務(wù)劃分的問題。其結(jié)合排隊、調(diào)度和基于分類的帶寬分配來服務(wù)不同的終端用戶。更具體地說，基本的帶有流量預(yù)測的限制共享(LSTP)方案被擴展來服務(wù)于寬帶PON(EPON，BPON，GPON)上的分類的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流。
無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)致力于業(yè)務(wù)提供商中心局與客戶端之間的第一英里的通信基礎(chǔ)設(shè)施，也被稱為“接入網(wǎng)”。隨著在互聯(lián)網(wǎng)上提供的業(yè)務(wù)的擴展，通過使用波分復(fù)用(WDM)有助于顯著增加骨干網(wǎng)的帶寬，提供每波長每秒數(shù)十吉比特的帶寬。同時，局域網(wǎng)(LAN)已經(jīng)從10Mbps增加到100Mbps，并正在被升級為吉比特以太網(wǎng)。骨干網(wǎng)的容量與終端用戶的需求之間的如此增長的差距導(dǎo)致了[3]中所述的嚴重的接入網(wǎng)瓶頸。希望具有能夠提供低成本且有效的設(shè)備以便于多業(yè)務(wù)接入到終端用戶的接入網(wǎng)技術(shù)。PON被認為是一種有吸引力且有前途的寬帶用戶接入網(wǎng)解決方案。作為一種便宜、簡單且可升級的技術(shù)，以及具有傳送綜合業(yè)務(wù)的能力，PON在IEEE802.3ah第一英里以太網(wǎng)(EFM)任務(wù)組織[1]和ITU-T研究組15[2]的標準化處理中被探討過了，其旨在顯著提高寬帶業(yè)務(wù)性能，同時最小化設(shè)備、操作和維護成本。
作為一種低成本、高速度的技術(shù)，以及隨著近來對PON標準IEEE802.3ah、ITU-T G.983x和ITU-T G.984x的通過，PON成為一種有吸引力且有前途的寬帶用戶接入網(wǎng)解決方案。如圖1所示，PON由位于提供商中心局的光線路終端(OLT)和與之相關(guān)聯(lián)的、將寬帶業(yè)務(wù)傳送給終端用戶的一組光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)組成。單根光纖從OLT延伸到1:N無源光分路器，無源光分路器扇出多個單根光纖使之連接到不同的ONU。在PON中去除了傳統(tǒng)接入網(wǎng)中的諸如再生器和放大器之類的有源電子部件，取而代之的是不太昂貴的、更簡單且更容易維護的無源光分路器。PON的主要特征是多個ONU使用共享的上行信道，因此，帶寬管理成為提高PON效率的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的帶寬分配方案具有某些嚴重的局限性。一個主要問題是在等待時間到達的上行數(shù)據(jù)不能在下一時隙中被傳送，這樣就導(dǎo)致了附加的數(shù)據(jù)延遲、嚴重的數(shù)據(jù)丟失以及較長的隊列尺寸。還存在實現(xiàn)寬帶接入網(wǎng)的高帶寬效率的障礙。因此，已知可用的帶寬分配方案在這些網(wǎng)絡(luò)中效率很低。
由于接入網(wǎng)需要容納不同種類的業(yè)務(wù)流，因此業(yè)務(wù)劃分就成為希望PON提供的突出特點。由于訂戶的服務(wù)等級協(xié)議(SLA)的差異，不同的終端用戶可能具有不同的帶寬需求。一種實用的方法是通過提供不同長度的時隙來服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)流，使用基于時隙的帶寬分配。現(xiàn)有的業(yè)務(wù)劃分方案具有某些嚴重的局限性。主要問題包括如何對本地業(yè)務(wù)流進行排隊及如何對其進行調(diào)度，以及如何為不同隊列分配上行帶寬。可用的業(yè)務(wù)劃分方案僅解決了部分問題，并且這些業(yè)務(wù)劃分方案對于在PON上傳送不同的業(yè)務(wù)流的效率較低。
利用下行信道的全部帶寬，數(shù)據(jù)從OLT被下行廣播給ONU。ONU通過所攜帶的目的地址來選擇性地接收指定給它們的數(shù)據(jù)。
通過PON將數(shù)據(jù)上行傳送到OLT的過程不同于將數(shù)據(jù)下行傳送到本地用戶的過程。在上行方向，針對上行業(yè)務(wù)流使用不同的信道波長，多個ONU共享該公用的上行信道。因此，在一個時隙中只有單個ONU可以進行傳送，以避免數(shù)據(jù)碰撞。來自本地用戶的數(shù)據(jù)首先被緩存在ONU中，直到專門分配的時隙到來。在該時隙中，被緩存的數(shù)據(jù)將以全信道速率被“突發(fā)式”地輸出給OLT。
為了提供不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，上行信道的帶寬管理對于成功地實現(xiàn)PON來說是關(guān)鍵性問題。不同的PON技術(shù)具有其自己的MAC控制消息，以便于進行上行帶寬分配。例如，EPON采用由IEEE 802.3ah EFM任務(wù)組織提出的多點控制協(xié)議(MPCP)[1]。ONU使用REPORT消息來向OLT報告帶寬需求，而OLT使用GATE消息來為特定的ONU分配時隙。文獻中已經(jīng)有許多用于解決上行帶寬分配的建議。
限制帶寬分配(LBA)[3]方案授權(quán)ONU所請求的時隙長度，但不超過上限。保證帶寬的輪詢(BGP)方案[4]根據(jù)ONU的服務(wù)等級協(xié)議(SLA)來為ONU分配時隙。Choi和Huh[5]提出了針對多媒體業(yè)務(wù)的分類的帶寬分配。但是，BGP方案與PON標準不兼容，且不會被標準化。LBA方案以及Choi和Huh的方案沒有考慮在ONU等待時間進入的數(shù)據(jù)，該等待時間的范圍為從發(fā)送隊列長度報告到發(fā)送緩存數(shù)據(jù)的時間，這樣，在ONU等待時間進入的數(shù)據(jù)不得不被推遲到下一時隙，產(chǎn)生了附加延遲和丟失。
Assi等人[6]通過把進入的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)簡單地替換成在上一等待時間期間進入的數(shù)據(jù)的實際量來以粗略的方式預(yù)測這種進入的數(shù)據(jù)。其缺點是ONU的服務(wù)順序劇烈地改變，重負載的ONU總是在輕負載的ONU之后受到服務(wù)，因此，對進入的高優(yōu)先級業(yè)務(wù)流的預(yù)測被嚴重地削弱了，這是因為每個ONU的等待時間可能變化得很劇烈。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方法提供了一種時間和空間復(fù)雜性非常低的、有效且動態(tài)地為多個ONU進行上行信道帶寬分配的技術(shù)。該方法還提供了通過結(jié)合排隊、調(diào)度以及基于分類的帶寬分配來將業(yè)務(wù)劃分成不同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的技術(shù)。
公開了一種動態(tài)的上行帶寬分配方案，即，帶有流量預(yù)測的限制共享(LSTP)方案，來提高PON的上行傳輸?shù)膸捫?。LSTP采用標準的MAC控制消息，根據(jù)在線業(yè)務(wù)流負載動態(tài)地分配帶寬。ONU的報告包括已被緩存的數(shù)據(jù)和對即將進入的數(shù)據(jù)的預(yù)測，使得減小數(shù)據(jù)延遲并減少數(shù)據(jù)丟失。在LSTP中，OLT以固定的順序為ONU服務(wù)，以便于流量預(yù)測。
為了提高PON的帶寬效率，根據(jù)在線的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流負載來對上行帶寬進行動態(tài)分配。在每個時隙的末端，ONU報告其本地隊列狀態(tài)，包括已被緩存的數(shù)據(jù)和對在等待時間要到達的數(shù)據(jù)的預(yù)測。預(yù)測過程基于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的突發(fā)特性，且具有非常低的計算復(fù)雜性，這使得所公開的方案對于任何規(guī)模的PON都是可升級的。流量預(yù)測有助于減小數(shù)據(jù)延遲以及數(shù)據(jù)丟失。
關(guān)于業(yè)務(wù)劃分，每個光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)將其本地業(yè)務(wù)流分為優(yōu)先級遞減的三類加速轉(zhuǎn)發(fā)(EF)、保證轉(zhuǎn)發(fā)(AF)和盡力而為(BE)。當緩存器滿時，較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)取代較低優(yōu)先級數(shù)據(jù)。為了減輕低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的不可控的延遲和對其不公平的丟棄，使用基于優(yōu)先級的調(diào)度方法，在特定傳輸時隙傳送被緩存的數(shù)據(jù)。帶寬分配結(jié)合了服務(wù)等級協(xié)議(SLA)以及在線業(yè)務(wù)流動態(tài)特性?；镜膸в辛髁款A(yù)測的限制共享(LSTP)方案被擴展以服務(wù)于分類的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流。



根據(jù)以下對本發(fā)明的目前為優(yōu)選的、盡管如此也是例證性的實施例的詳細描述，結(jié)合附圖，將對上述簡短說明以及進一步的目標特征和優(yōu)點更加徹底地理解，其中 圖1是無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)的功能框圖； 圖2根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例所使用的REPORT消息和GATE消息的表示； 圖3是用于解釋EPON情況操作的時序圖； 圖4是用于解釋結(jié)合了用于在EPON上進行動態(tài)帶寬分配的帶有流量預(yù)測的限制共享(LSTP)的EPON操作的時序圖； 圖5是針對圖4表示的系統(tǒng)類型的、隨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流負載變化的平均幀延遲的曲線圖； 圖6是針對圖4表示的系統(tǒng)類型的、隨網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流負載變化的幀丟失率的曲線圖。

具體實施例方式 PON的主要挑戰(zhàn)包括MAC協(xié)議設(shè)計和多業(yè)務(wù)提供。由于無源光分路器的方向特性，ONU很難通過常規(guī)的、為以太網(wǎng)設(shè)計的CSMA/CDMAC協(xié)議來檢測數(shù)據(jù)碰撞。因此，有效的MAC協(xié)議對于保證高的帶寬利用率是至關(guān)重要的。由于PON不直接支持QoS(服務(wù)質(zhì)量)，而接入網(wǎng)需要容納各種業(yè)務(wù)流，因此，多業(yè)務(wù)接入是期望PON提供的顯著特征。由于訂戶的服務(wù)等級協(xié)議的差異，不同的ONU可能具有不同的帶寬需求。一種實用的方法是通過提供不同長度的時隙給不同的ONU來采用基于時隙的帶寬分配。
固定帶寬分配(FBA)在每個服務(wù)周期授權(quán)給每個ONU固定的時隙長度。服務(wù)周期被定義為每個ONU將其數(shù)據(jù)傳送給OLT一次的時間。FBA正像以時分多址(TDMA)的方式來工作，其中，每個ONU的時隙被預(yù)先確定，且與實際業(yè)務(wù)流到達率不相關(guān)。由于沒有隊列狀態(tài)報告和傳輸授權(quán)的開銷，F(xiàn)BA易于實現(xiàn)。另一方面，即使沒有數(shù)據(jù)要傳送，ONU在其分得的時隙中也將占據(jù)上行信道，這樣引起了緩存在其它ONU中的所有數(shù)據(jù)的延遲增加。在上行信道負載輕或甚至信道空閑時，大量數(shù)據(jù)可能被積壓在緩存器中，這就導(dǎo)致了上行信道的不充分利用。
限制帶寬分配(LBA)通過使用MAC控制消息來報告本地隊列尺寸和通知帶寬仲裁決定(例如，EPON中的REPORT/GATE機制)，以便監(jiān)控進入的業(yè)務(wù)。ONU的時隙長度由最大時隙長度Bmax來確定上限，該最大時隙長度可以通過SLA或其它系統(tǒng)參數(shù)來確定。當報告的隊列尺寸小于該限制時，OLT授權(quán)請求的帶寬；否則，授權(quán)的帶寬為Bmax。LBA通過隊列狀態(tài)報告來跟蹤業(yè)務(wù)流負載，授權(quán)的時隙長度根據(jù)動態(tài)業(yè)務(wù)流而變化，且服務(wù)周期會因為在不同服務(wù)周期中為ONU分配不同的時隙長度而變化。LBA的保守特征由于其自身的局限性而限制了每個ONU，這樣也限制了對于上行帶寬的積極競爭。
在上述帶寬協(xié)商機制下，如圖3所示，每個ONU經(jīng)歷從發(fā)送隊列狀態(tài)到發(fā)送緩存數(shù)據(jù)的等待時間。當在時刻t1發(fā)送REPORT消息時，ONU僅向OLT報告已經(jīng)緩存的數(shù)據(jù)，因此，在等待時間(即，t3-t1)到達的數(shù)據(jù)不得不被推遲到下一個時隙，即使上行信道負載輕也如此?；谛庞?Credit-based)的帶寬分配(CBA)[3]考慮了這種數(shù)據(jù)，當OLT分配上行帶寬時，信用被添加到每個ONU的請求中。Bgrant＝Bqueue+C，其中Bgrant為授權(quán)給ONU的帶寬，Bqueue為在緩存器中排隊的數(shù)據(jù)(用帶寬表示)，C為信用。C可以為常數(shù)信用值或線性信用值。在等待時間進入的數(shù)據(jù)被希望在當前時隙內(nèi)傳送(或部分傳送)。
在LBA中，可能有一些輕負載的ONU，其帶寬需求低于上述限制。輕負載的ONU未使用的帶寬的總和被稱為過剩帶寬(excessivebandwidth)，即Bexcess。作為LBA的擴展，過剩帶寬再分配(EBR)通過在重負載的ONU之間重新分配它來利用Bexcess。重負載的ONUk獲得附加帶寬Badd，k，其中Badd，k＝(Bexcess＊Bmax，k)/(∑jBmax，i)，Bmax，i為在LBA中規(guī)定的ONUi的帶寬限制。
除了在不同ONU之間的上行信道帶寬分配以外，單個ONU有必要為其不同的終端用戶提供多種業(yè)務(wù)。位于客戶方的ONU必須能夠支持到終端用戶的數(shù)據(jù)、語音和視頻業(yè)務(wù)。這可以通過結(jié)合排隊、調(diào)度和基于分類的帶寬分配來實現(xiàn)。
不同的PON技術(shù)為業(yè)務(wù)劃分提供它們自己的支持。例如，在EPON中，如圖2所示，一個64字節(jié)的GATE消息攜帶多達6個授權(quán)給一個特定的ONU。“number of grants”字段指示該消息中有多少授權(quán)；“grantlevel”字段指示為其產(chǎn)生授權(quán)的隊列的順序。每個授權(quán)包含授權(quán)起始時間和授權(quán)長度。來自O(shè)NU的一個64字節(jié)的REPORT消息報告多達8個隊列的狀態(tài)。“report bitmap”字段標識被報告隊列的順序。OLT根據(jù)帶寬分配算法處理隊列狀態(tài)報告，并發(fā)回包括至少一個授權(quán)的GATE消息。因此，報告ONU的多個隊列和為ONU授權(quán)多個請求都是可能的，這就使得為ONU的終端用戶提供業(yè)務(wù)劃分變得切實可行。
將ONU的業(yè)務(wù)流分類為不同類別是一種實用的業(yè)務(wù)劃分的方法[11]。高優(yōu)先級類為“加速轉(zhuǎn)發(fā)”(EF)，其對延遲敏感且需要帶寬保證。中等優(yōu)先級類為“保證轉(zhuǎn)發(fā)”(AF)，其對延遲不敏感，但需要帶寬保證。低優(yōu)先級類為“盡力而為”(BE)，其既對延遲不敏感又不需要帶寬保證。屬于不同類別的數(shù)據(jù)被送入它們對應(yīng)的優(yōu)先級隊列中。所有的隊列共享同一緩存器。當緩存器滿時，進入的較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)取代較低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，而進入的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)立刻被丟棄。根據(jù)特定的調(diào)度方案來傳送被緩存的數(shù)據(jù)。如在IEEE802.1D[12]中定義的那樣，“嚴格優(yōu)先級調(diào)度”首先為被緩存的較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)服務(wù)。只有當其它兩個隊列都空時，才能傳送BE數(shù)據(jù)。通過遵守優(yōu)先級順序，“嚴格優(yōu)先級調(diào)度”先于可能已經(jīng)在緩存器中排隊的較低優(yōu)先級數(shù)據(jù)為在等待時間期間到達的較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)服務(wù)。如圖3所示，在等待時間期間(即t7-t5)到達的EF數(shù)據(jù)將先于較早到達(即在t5之前)的AF和BE數(shù)據(jù)得到服務(wù)。因此，較低優(yōu)先級數(shù)據(jù)遭受不可控增長的延遲(如果緩存器未滿)或不公平的丟棄(如果緩存器滿)。
“基于優(yōu)先級的調(diào)度”[5]通過在特定時間間隔中使用“嚴格優(yōu)先級調(diào)度”來解決不公平。當ONU在一個間隔中傳送了所有緩存的數(shù)據(jù)之后，如果在當前時隙中還能夠傳送更多的數(shù)據(jù)，則為在該時間間隔之后到達的數(shù)據(jù)服務(wù)。通過將間隔配置為發(fā)送隊列狀態(tài)之間的時間(即，圖3中從t1到t5)，在等待時間(即t7-t5)到達的較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)將在先前間隔(即t5-t1)的所有類別的數(shù)據(jù)受到服務(wù)后才被服務(wù)。這種方案為低優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供了有界限的延遲。
參考文獻[5]通過在做出決定之前收集來自所有ONU的隊列狀態(tài)來處理基于分類的帶寬分配。無論EF業(yè)務(wù)流的動態(tài)特性如何，OLT都分配固定帶寬給所有ONU的EF業(yè)務(wù)流。AF請求按如下方式被授權(quán)如果所有ONU的AF請求之和小于或等于為EF業(yè)務(wù)流服務(wù)之后所剩余的帶寬，則所有AF請求都被授權(quán)；否則，剩余帶寬在所有AF請求之間相等地分配。在為EF和AF業(yè)務(wù)流服務(wù)之后的剩余帶寬在所有的BE請求之間被分配。主要的缺點包括針對EF業(yè)務(wù)流的固定帶寬分配由于增加了數(shù)據(jù)延遲而劣化了AF和BE業(yè)務(wù)流；以及長的報告收集時間，直到已經(jīng)收到來自所有ONU的報告后該收集時間才會結(jié)束。
參考文獻[6]中提出的算法按照先前周期中在等待時間進入的數(shù)據(jù)的量來估計等待時間進入的EF業(yè)務(wù)流，該算法被稱為DAB2。所報告的EF業(yè)務(wù)流為被緩存的EF數(shù)據(jù)的總和加上估計值，而報告的AF和EF業(yè)務(wù)流為實際的緩存的數(shù)量。利用EBR來授權(quán)請求的帶寬，其中輕負載隊列接收即時授權(quán)，而重負載隊列的授權(quán)被推遲，直到所有報告均被接收到。DBA2通過立即為輕負載隊列進行授權(quán)來減輕收集所有報告引起的延遲。這種算法對在等待時間到達的EF數(shù)據(jù)進行估計，通過分配估計帶寬來提供優(yōu)先權(quán)給EF業(yè)務(wù)流。該算法的缺點是ONU的服務(wù)順序在每個服務(wù)周期中都會改變，而且重負載的ONU總是在輕負載的ONU之后受到服務(wù)，因此，由于每個ONU的等待時間可能劇烈變化，所以，對進入的EF數(shù)據(jù)的估計被嚴重地破壞。
帶有流量預(yù)測的限制共享(LSTP)方案 LSTP方案依賴于PON MAC控制消息來分配上行帶寬。每個ONU預(yù)測其下一個時隙的帶寬需求，并發(fā)送消息給OLT。OLT基于該報告和SLA來確定帶寬分配。
位于客戶方的ONU必須能夠支持到本地用戶的寬帶數(shù)據(jù)、語音和視頻業(yè)務(wù)。將ONU的業(yè)務(wù)流分類為不同的類別是一種實用的用于提供區(qū)分業(yè)務(wù)的方法。借用Diffserv[7]中的業(yè)務(wù)流分類，其中高優(yōu)先級類別為加速轉(zhuǎn)發(fā)(EF)，中優(yōu)先級類別為保證轉(zhuǎn)發(fā)(AF)，以及低優(yōu)先級類別為盡力而為(BE)。將屬于不同類別的數(shù)據(jù)送入它們對應(yīng)的優(yōu)先級隊列進行排隊。所有的隊列共享同一緩存器。當緩存器滿時，進入的較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)取代較低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，而進入的低優(yōu)先級立刻被丟棄。
在LSTP中，如圖4所示，每個ONU在其專門被分配的時隙中將緩存數(shù)據(jù)傳送到OLT。ONU通過使用上行控制消息(例如，EPON中的REPORT消息)來攜帶其下一次傳送的帶寬需求。OLT通過發(fā)回下行消息(例如，EPON中的GATE消息)來對該需求進行授權(quán)，并以固定順序?qū)NU進行服務(wù)(例如，如圖4所示的EPON情形中OLT交替為兩個ONU服務(wù))。
ONU的服務(wù)間隔被定義為其數(shù)據(jù)傳送之間的時間。例如，如圖4所示，關(guān)于ONU1，服務(wù)間隔(假設(shè)為n)的范圍是從時刻t1到時刻t6。時刻t2到時刻t4是ONU1和OLT之間的RTT加上報告處理時間。時刻t2到時刻t6是ONU1在服務(wù)間隔n中的等待時間，在該等待時間中，ONU1空閑，且來自本地用戶的更多數(shù)據(jù)進入隊列進行排隊。ONU1的服務(wù)間隔(n+1)開始于時刻t6，且從時刻t6到時刻t8的這個授權(quán)時隙基于在時刻t2發(fā)送的REPORT消息來決定。關(guān)于ONU2，服務(wù)間隔n開始于時刻t3，結(jié)束于t9。時刻t3到時刻t5是ONU2的專用時隙，并且在時刻t5發(fā)送其EF、AF和BE隊列狀態(tài)的報告。時刻t5到t9為ONU2在服務(wù)間隔n中的等待時間。
在LSTP中，ONU預(yù)測在等待時間期間到達的數(shù)據(jù)，用帶寬表示為
其中，

為所預(yù)測的在服務(wù)間隔(n+1)的等待時間期間到達ONUi的c(c∈{EF，AF，BE})類數(shù)據(jù)，以帶寬表示；

是在服務(wù)間隔n的等待時間期間到達ONUi的c類數(shù)據(jù)的實際量，以帶寬表示；αl，c，k(n)是權(quán)重因數(shù)，而L是流量預(yù)測器的階數(shù)。預(yù)測背后直觀的是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的自相似性，這表示網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流呈現(xiàn)長相關(guān)[8]，且業(yè)務(wù)流在時隙之間是相關(guān)的。
通過最小均方(LMS)算法[9]來更新權(quán)重因數(shù) 其中，μ(n)為步長，ei，c(n)為預(yù)測誤差，即 帶寬預(yù)測的計算復(fù)雜度為O(L)。
以帶寬表示的預(yù)測數(shù)據(jù)，即

在最佳情況下，應(yīng)該等于在等待時間期間實際到達的以帶寬表示的數(shù)據(jù)，即

由于預(yù)測器的非理想性，預(yù)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)生比實際數(shù)據(jù)更小或更大。在等式(3)中的預(yù)測誤差被用來對步長進行適應(yīng)性的調(diào)整，因而提高預(yù)測準確性。
在服務(wù)間隔n中，ONUi通過發(fā)送消息給OLT來請求該ONUi在服務(wù)間隔(n+1)的帶寬，指示用于下一次傳輸?shù)膸捫枨?。該帶寬需求為進入隊列進行排隊的數(shù)據(jù)

與預(yù)測值

之和，即 OLT在接收到請求后立即做出帶寬分配的決定，服務(wù)間隔(n+1)中ONUi的c類業(yè)務(wù)流的授權(quán)帶寬為 Bi，cg(n+1)＝min{Bi，cr(n+1)，Si，c}， (5) 其中，St，c為SLA中針對c類業(yè)流務(wù)規(guī)定的ONUi的最大帶寬參數(shù)。
通過帶寬請求

和最大帶寬參數(shù)Si，c中較小的值來為ONUi的c類業(yè)務(wù)的帶寬分配確定上限。如果帶寬需求不超過最大帶寬參數(shù)，則所分配的帶寬根據(jù)進入的業(yè)務(wù)流而動態(tài)地改變。
在最佳情況下，當實際進入的數(shù)據(jù)等于預(yù)測結(jié)果時，所有進入隊列進行排隊的數(shù)據(jù)從ONU傳送到OLT，沒有數(shù)據(jù)被推遲到下一個時隙。當實際數(shù)據(jù)少于預(yù)測結(jié)果時，所分配的時隙對于進入隊列進行排隊的數(shù)據(jù)來說足夠長，且該預(yù)測也被認為是成功的。如果實際數(shù)據(jù)超出了預(yù)測結(jié)果，那么，所分配的時隙中只能傳送部分進入隊列進行排隊的數(shù)據(jù)，剩余數(shù)據(jù)不得不等待下一個時隙。在最后一種情況下的預(yù)測是失敗的。在以下部分中將從理論角度分析預(yù)測成功的概率及其對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。
性能分析 在這部分中，分析LSTP中關(guān)于帶寬預(yù)測的成功概率、數(shù)據(jù)丟失以及數(shù)據(jù)延遲方面的性能。為了符號上的簡單，在下面的分析中省略了對服務(wù)間隔的引用。
預(yù)測誤差對網(wǎng)絡(luò)性能起關(guān)鍵作用。如

稱該帶寬預(yù)測是成功的。因此帶寬預(yù)測的成功概率為 Pi，cs＝P{ei，c≦0}. (6) 對于基于LMS的適應(yīng)性預(yù)測，預(yù)測誤差是高斯型的[9]。假設(shè)預(yù)測誤差的均值為mi，c，方差為

即，則帶寬預(yù)測的成功概率為 其中Q(.)是Q函數(shù)[10]。預(yù)測失敗的概率為 數(shù)據(jù)延遲被定義為從數(shù)據(jù)包進入ONU緩存器進行排隊到將該數(shù)據(jù)包的最后一位發(fā)出給OLT的平均時間。關(guān)注在等待時間期間進入的數(shù)據(jù)的延遲。在LSTP中，數(shù)據(jù)延遲根據(jù)預(yù)測結(jié)果而有所不同。在預(yù)測成功時，即，

所請求的帶寬足以將在等待時間進入的數(shù)據(jù)傳送給OLT，這樣，數(shù)據(jù)延遲與平均服務(wù)間隔長度有關(guān)。假設(shè)平均服務(wù)間隔長度為tint，在成功預(yù)測的情況下，數(shù)據(jù)延遲為

當

時，預(yù)測失敗，這些進入的數(shù)據(jù)不得不等待下一個服務(wù)間隔來傳輸。相應(yīng)的延遲與沒有流量預(yù)測的系統(tǒng)中的延遲相同，即，

結(jié)合這兩種情況，數(shù)據(jù)延遲為 (8) 與沒有流量預(yù)測的系統(tǒng)相比，LSTP對在等待時間中到達的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)延遲的改善如下 延遲的減小與預(yù)測成功概率緊密相關(guān)。越精確的預(yù)測意味著越高的

并且在等待時間期間到達的數(shù)據(jù)的延遲將被進一步減小。
LSTP采用按優(yōu)先級排隊的機制。所有類別的數(shù)據(jù)共享公用的物理緩存器。EF數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級，AF數(shù)據(jù)具有中等優(yōu)先級，以及BE數(shù)據(jù)具有最低優(yōu)先級。如果緩存器滿，進入的較高優(yōu)先級數(shù)據(jù)取代較低優(yōu)先級數(shù)據(jù)。
如果緩存器滿，并且既沒有AF數(shù)據(jù)也沒有BE數(shù)據(jù)已經(jīng)在緩存器中排隊，EF業(yè)務(wù)流才會經(jīng)歷數(shù)據(jù)丟失。假設(shè)ONUi中的固定緩存器尺寸為Ai，則ONUi中的EF業(yè)務(wù)流的幀丟失概率為


其中，mi，EF和

分別為EF業(yè)務(wù)流預(yù)測誤差ei，EF的均值和方差。
如果緩存器滿，并且已進入隊列排隊數(shù)據(jù)屬于EF或AF業(yè)務(wù)流，則到達的AF數(shù)據(jù)被丟失。相應(yīng)的數(shù)據(jù)丟失概率為
EF業(yè)務(wù)流和AF業(yè)務(wù)流是獨立的，且LSTP對這兩種業(yè)務(wù)流分別采用專用的預(yù)測器，因此，ei，EF和ei，AF是獨立的。進一步假設(shè)和則

類似地，如果緩存器滿，BE數(shù)據(jù)被丟失。假設(shè)EF、AF和BE業(yè)務(wù)流的預(yù)測誤差分別為以及如以上所討論的，這些預(yù)測誤差是獨立的。因此，ONUi中的BE業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)的丟失概率為

仿真 通過仿真結(jié)果來評價LSTP方案的性能。在OPNET仿真器中建立如圖1所示的系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)模型具有一個OLT和32個ONU。每個ONU具有20M字節(jié)的有限緩存器，上行信道和下行信道均為1Gbps。進入的業(yè)務(wù)流是自相似的，其Hurst參數(shù)為0.8。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的長度在64字節(jié)到1518字節(jié)之間隨機變化。整個網(wǎng)絡(luò)的總業(yè)務(wù)流負載從0.1變化到0.8，EF、AF和BE數(shù)據(jù)分別占20％、30％和50％的業(yè)務(wù)流。為了比較的目的，使用參考文獻[3]中的LBA方案、參考文獻[6]中的DBA2方案和本發(fā)明提出的本系統(tǒng)模型中的LSTP方案。LSTP中預(yù)測器的階數(shù)，即L，被設(shè)置為4，步長μ由下式設(shè)定 品質(zhì)指數(shù)為數(shù)據(jù)延遲和數(shù)據(jù)丟失。圖5示出了平均數(shù)據(jù)延遲和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流負載之間的關(guān)系。LBA經(jīng)歷最長的延遲，這歸因于LBA忽略了在等待時間期間進入的數(shù)據(jù)，因此更多的數(shù)據(jù)有可能被推遲到下一個時隙。DBA2通過使用對在等待時間期間進入的EF業(yè)務(wù)流進行粗略預(yù)測的方法而減輕了這個問題。從LBA到DBA2的延遲的減小顯示出流量預(yù)測在減少上行傳送等待時間方面起到了重要的作用。LSTP勝過DBA2和LBA。有幾點有助于LSTP獲得最短的平均數(shù)據(jù)延遲。首先，LSTP對所有類型的業(yè)務(wù)流進行預(yù)測，而不像DBA2中那樣僅對一個類別的業(yè)務(wù)流進行預(yù)測，也不像LBA中那樣不進行流量預(yù)測。第二，在LSTP中通過使用適用于適應(yīng)性的在線流量預(yù)測的基于LMS的預(yù)測器，改善了預(yù)測準確性。第三，LSTP執(zhí)行固定的ONU服務(wù)順序，而不是DBA2中的動態(tài)服務(wù)順序，從而減少了像DBA2中那樣的服務(wù)間隔長度的劇烈變化，因此有助于流量預(yù)測。第四，在LSTP中，OLT即時應(yīng)答ONU帶寬請求。在DBA2中，重負載的ONU總是在輕負載的ONU之后得到服務(wù)，而那些重負載ONU中被推遲的業(yè)務(wù)導(dǎo)致了進入的數(shù)據(jù)的較長的延遲。
越短的平均數(shù)據(jù)延遲意味著ONU傳送數(shù)據(jù)越快，因此，由于緩存器溢出而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失機會也更少。LBA、DBA2和LSTP的關(guān)于數(shù)據(jù)丟失的性能顯示出與數(shù)據(jù)延遲相似的趨勢。數(shù)據(jù)丟失率被定義為丟失的數(shù)據(jù)量與總數(shù)據(jù)量的比。如圖6再次所示，LBA的數(shù)據(jù)丟失率最大，LSTP的數(shù)據(jù)丟失率最小，這顯示了由LSTP提供的流量預(yù)測和即時帶寬分配通過請求預(yù)測的帶寬而減少了數(shù)據(jù)丟失，由此減少了緩存器中堆積的數(shù)據(jù)量。
所公開的LSTP方案通過基于分類的流量預(yù)測以及基于SLA的確定上限的帶寬分配，增強了ONU之間的上行帶寬的共享。已經(jīng)根據(jù)預(yù)測成功概率、平均數(shù)據(jù)延遲和基于分類的數(shù)據(jù)丟失概率各方面，對LSTP的性能進行了理論分析。仿真結(jié)果證明了LSTP增強了對在等待時間期間進入的數(shù)據(jù)的預(yù)測準確性，而且改進的流量預(yù)測也有助于減少數(shù)據(jù)等待時間和數(shù)據(jù)的丟失。
雖然為說明的目的已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以有許多添加、修改和替換而不脫離如所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
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權(quán)利要求
1.一種用于在通信網(wǎng)絡(luò)中分配時隙給網(wǎng)絡(luò)單元和為網(wǎng)絡(luò)終端提供網(wǎng)絡(luò)帶寬分配的方法，其中，所述通信網(wǎng)絡(luò)包括終端，該終端為多個下游網(wǎng)絡(luò)單元提供服務(wù)，并基于時間劃分的方式在各時隙中接收來自網(wǎng)絡(luò)單元的上行通信，該終端通過響應(yīng)于來自網(wǎng)絡(luò)單元的請求，將由終端確定的可變時間區(qū)間授權(quán)給網(wǎng)絡(luò)單元的各時隙，來在網(wǎng)絡(luò)單元之間分配上行帶寬；網(wǎng)絡(luò)單元，其存儲由此接收到的、去往所述終端的本地信息，所述分配時隙給網(wǎng)絡(luò)單元和為網(wǎng)絡(luò)終端提供網(wǎng)絡(luò)帶寬分配的方法包括
使得單元所請求的時間區(qū)間包括所存儲的等待從網(wǎng)絡(luò)單元傳送到終端的本地數(shù)據(jù)的傳送時間以及包括等待時間，該等待時間是用于將數(shù)據(jù)從所述單元傳送到所述終端所需的時間的估計值，該數(shù)據(jù)是期望在所述請求和接收到授權(quán)之后發(fā)起從所述單元到所述終端的傳送之間的間隔中被接收的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的方法，其中，所述終端為位于業(yè)務(wù)提供商的中心局的光線路終端，所述網(wǎng)絡(luò)單元為光網(wǎng)絡(luò)單元，其以光學(xué)方式鏈接到所述終端。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述終端為用于下行通信的無源分路器。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中單元在發(fā)送完突發(fā)數(shù)據(jù)后發(fā)送請求，所述時間的估計值為用于發(fā)送在間隔中接收到的數(shù)據(jù)所需要的時間，該間隔為所述請求與從所述單元到所述終端的隨后下一個傳送發(fā)起之間的間隔。
5.如權(quán)利要求1所述的在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的方法，其中，網(wǎng)絡(luò)單元存儲多組信息，本地信息組中的每個成員具有多個預(yù)先定義的優(yōu)先級中的一個優(yōu)先級，該方法還包括在網(wǎng)絡(luò)單元中，維護將被傳送到所述終端的成員的緩存器；把要被傳送到所述終端的成員送入各隊列中進行排隊，每個隊列專用于具有特定優(yōu)先級的成員；以及在網(wǎng)絡(luò)單元請求與由此隨后而進行的數(shù)據(jù)傳送之間的間隔中，當緩存器滿時，用要被接收的具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)取代緩存器中的數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求5所述的在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的方法，其中所述終端為位于業(yè)務(wù)提供商的中心局的光線路終端，所述網(wǎng)絡(luò)單元為光網(wǎng)絡(luò)單元，其以光學(xué)方式鏈接到所述終端。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述終端為用于下行通信的無源分路器。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中單元在發(fā)送完突發(fā)數(shù)據(jù)后發(fā)送請求，所述時間的估計值為用于發(fā)送在間隔中接收到的數(shù)據(jù)所需要的時間，該間隔為所述請求與從所述單元到所述終端的隨后下一個傳送發(fā)起之間的間隔。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其中有三個優(yōu)先級，這三個優(yōu)先級以優(yōu)先級遞減的順序被定義為最高優(yōu)先級，用于對延遲敏感且具有帶寬保證的成員；第二優(yōu)先級，用于對延遲不敏感但具有帶寬保證的成員；以及低優(yōu)先級，用于對延遲不敏感且不具有帶寬保證的成員。
10.一種用于在通信網(wǎng)絡(luò)中在具有不同優(yōu)先級的信息組之間提供業(yè)務(wù)劃分的方法，其中，所述通信網(wǎng)絡(luò)包括終端，該終端為多個下游網(wǎng)絡(luò)單元提供服務(wù)，并基于時間劃分的方式在各時隙中接收來自網(wǎng)絡(luò)單元的上行通信，該終端通過響應(yīng)于來自網(wǎng)絡(luò)單元的請求，將各時隙授權(quán)給網(wǎng)絡(luò)單元，來在網(wǎng)絡(luò)單元之間分配上行時隙；網(wǎng)絡(luò)單元，其存儲由此接收到的、去往所述終端的本地信息組，本地信息組中的每個成員具有多個預(yù)先定義的優(yōu)先級中的一個優(yōu)先級，所述在具有不同優(yōu)先級的信息組之間提供業(yè)務(wù)劃分的方法包括
在網(wǎng)絡(luò)單元中，維護將被傳送到所述終端的成員的緩存器；
把要被傳送到所述終端的成員送入隊列中進行排隊，每個隊列專用于具有特定優(yōu)先級的成員；
在網(wǎng)絡(luò)單元請求與由此隨后而進行的數(shù)據(jù)傳送之間的間隔中，當緩存器滿時，用要被接收的具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)取代緩存器中的數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中有三個優(yōu)先級，這三個優(yōu)先級以優(yōu)先級遞減的順序被定義為最高優(yōu)先級，用于對延遲敏感且具有帶寬保證的成員；第二優(yōu)先級，用于對延遲不敏感但具有帶寬保證的成員；以及低優(yōu)先級，用于對延遲不敏感且不具有帶寬保證的成員。
12.一種用于在通信網(wǎng)絡(luò)中為網(wǎng)絡(luò)單元分配時隙的方法中的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中，所述通信網(wǎng)絡(luò)包括終端，該終端為多個下游網(wǎng)絡(luò)單元提供服務(wù)，并基于時間劃分的方式在各時隙中接收來自網(wǎng)絡(luò)單元的上行通信，該終端通過響應(yīng)于來自網(wǎng)絡(luò)單元的請求，將由終端確定的可變時間區(qū)間授權(quán)給網(wǎng)絡(luò)單元的各時隙，來在網(wǎng)絡(luò)單元之間分配上行帶寬；網(wǎng)絡(luò)單元，其存儲由此接收到的、去往所述終端的本地信息，所述改進的網(wǎng)絡(luò)單元按如下方式構(gòu)建其請求的時間區(qū)間包括所存儲的等待從網(wǎng)絡(luò)單元傳送到所述終端的本地數(shù)據(jù)的傳送時間，以及包括等待時間，該等待時間是用于將數(shù)據(jù)從所述單元傳送到所述終端所需的時間的估計值，該數(shù)據(jù)是期望在所述請求和接收到授權(quán)之發(fā)起從所述單元到所述終端的傳送之間的間隔中被接收的數(shù)據(jù)。
13.如權(quán)利要求12所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中所述終端為位于業(yè)務(wù)提供商的中心局的光線路終端，所述網(wǎng)絡(luò)單元為光網(wǎng)絡(luò)單元，其以光學(xué)方式鏈接到所述終端。
14.如權(quán)利要求13所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其被構(gòu)造成與作為用于下行通信的無源分路器的終端耦合。
15.如權(quán)利要求12所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中所述單元被構(gòu)造成在發(fā)送完突發(fā)數(shù)據(jù)后發(fā)送請求，所述時間的估計值為用于發(fā)送在間隔中接收到的數(shù)據(jù)所需要的時間，該間隔為所述請求與從所述單元到所述終端的隨后下一個傳送發(fā)起之間的間隔。
16.如權(quán)利要求12所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中由網(wǎng)絡(luò)單元存儲多組信息，本地信息組中的每個成員具有多個預(yù)先定義的優(yōu)先級中的一個優(yōu)先級，該網(wǎng)絡(luò)單元還包括要被傳送到所述終端的成員的緩存器；針對在每個隊列中要被傳送到所述終端的成員的多個隊列，所述每個隊列專用于具有特定優(yōu)先級的成員，所述網(wǎng)絡(luò)單元被構(gòu)造成在緩存器滿時，用要在網(wǎng)絡(luò)單元請求與由此而進行的隨后的數(shù)據(jù)傳送之間的間隔中接收的具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)取代緩存器中的數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求12所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中所述網(wǎng)絡(luò)單元是光網(wǎng)絡(luò)單元，其與終端通信，該終端是位于業(yè)務(wù)提供商的中心局的光線路終端，其以光學(xué)方式鏈接到所述終端。
18.如權(quán)利要求17所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中所述網(wǎng)絡(luò)單元被構(gòu)造成與作為用于下行通信的無源分路器的終端耦合。
19.如權(quán)利要求16所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中所述單元被構(gòu)造成在發(fā)送完突發(fā)數(shù)據(jù)后發(fā)送請求，所述時間的估計值為用于傳送在間隔中接收到的數(shù)據(jù)所需要的時間，該時間間隔為所述請求與從所述單元到所述終端的隨后下一個傳送發(fā)起之間的間隔。
20.如權(quán)利要求16所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中有三個優(yōu)先級，這三個優(yōu)先級以優(yōu)先級遞減的順序被定義為最高優(yōu)先級，用于對延遲敏感且具有帶寬保證的成員；第二優(yōu)先級，用于對延遲不敏感但具有帶寬保證的成員；低優(yōu)先級，用于對延遲不敏感且不具有帶寬保證的成員。
21.一種用于在通信網(wǎng)絡(luò)中具有在不同優(yōu)先級的信息組之間提供業(yè)務(wù)劃分的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，其中，所述通信網(wǎng)絡(luò)包括終端，該終端為多個下游網(wǎng)絡(luò)單元提供服務(wù)，并基于時間劃分的方式在各時隙中接收來自網(wǎng)絡(luò)單元的上行通信，該終端通過響應(yīng)來自于網(wǎng)絡(luò)單元的請求將各時隙授權(quán)給網(wǎng)絡(luò)單元，來在網(wǎng)絡(luò)單元之間分配上行時隙；網(wǎng)絡(luò)單元，其存儲由此接收的、去往所述終端的本地信息組，本地信息組中的每個成員具有多個預(yù)先定義的優(yōu)先級中的一個優(yōu)先級，所述在具有不同優(yōu)先級的信息組之間提供業(yè)務(wù)劃分的改進的網(wǎng)絡(luò)單元包括
用于要被傳送到所述終端的成員的緩存器；
用于要被傳送到所述終端的成員的多個隊列，每個隊列專用于具有特定優(yōu)先級的成員，網(wǎng)絡(luò)單元被構(gòu)造成在緩存器滿時，用在網(wǎng)絡(luò)單元請求與由此而隨后進行的數(shù)據(jù)傳送之間的間隔中接收的具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)取代緩存器中的數(shù)據(jù)。
22.如權(quán)利要求21所述的改進的網(wǎng)絡(luò)單元，該網(wǎng)絡(luò)單元被構(gòu)造成具有三個優(yōu)先級，這三個優(yōu)先級以優(yōu)先級遞減的順序被定義為最高優(yōu)先級，用于對延遲敏感且具有帶寬保證的成員；第二優(yōu)先級，用于對延遲不敏感但具有帶寬保證的成員；第三優(yōu)先級，用于對延遲不敏感且不具有帶寬保證的成員。
全文摘要
公開了一種動態(tài)上行帶寬分配方案，即帶有流量預(yù)測的限制共享(LSTP)，來提高PON的上行傳輸?shù)膸捫省STP采用PON MAC控制消息，且根據(jù)在線業(yè)務(wù)流負載動態(tài)地分配帶寬。ONU的帶寬需求包括已經(jīng)緩存的數(shù)據(jù)和對進入數(shù)據(jù)的預(yù)測，這樣可以減小幀延遲并減輕數(shù)據(jù)丟失。在LSTP中，OLT對各ONU按固定順序提供服務(wù)，以便于流量預(yù)測。每個光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)將其本地業(yè)務(wù)流分類為優(yōu)先級遞減的三個類別加速轉(zhuǎn)發(fā)(EF)、保證轉(zhuǎn)發(fā)(AF)和盡力而為(BE)。當緩存器滿時，具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)取代具有較低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。為了減輕對較低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的不可控延遲和不公平丟棄，采用基于優(yōu)先級的調(diào)度方式以在特定傳輸時隙傳送緩存數(shù)據(jù)。該帶寬分配結(jié)合了服務(wù)等級協(xié)議(SLA)和在線業(yè)務(wù)流動態(tài)特性?；镜膸в辛髁款A(yù)測的限制共享(LSTP)方案被擴展來服務(wù)于分類的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流。
文檔編號H04B10/2581GK101512970SQ200680018954
公開日2009年8月19日 申請日期2006年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者尼爾萬·安薩里, 羅元秋 申請人:新澤西理工學(xué)院