E P O N和W i M A X融合架构下带宽分配和调度机制的研究

卞现泽

(南京邮电大学 通信与信息工程学院 江苏 南京 210003)

0 引言

目前，以太网无源光网络(EPON)[2]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，成为最有前景的光纤宽带接入网技术。与此同时，由IEEE 802.16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，是运用前景最为广阔的无线接入网技术。

虽然光纤宽带接入技术能提供较高的带宽，但将光纤真正接入到每家每户却始终存在成本较高的问题，而无线接入却有着网络铺设成本低的特点。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。

1 EPON 与 WiMAX 融合系统架构

EPON光纤接入与WiMAX无线接入融合系统的优势主要体现在以下几个方面。

第一，相比较E1/T1和DSL 5km左右的服务范围，EPON提供的服务范围可以超出20km。因此，融合网络可以减少购买由于网络物理扩张所需设备的额外开支。第二，EPON和WiMAX具有良好的匹配能力去融合彼此。EPON网络中广泛使用的16分路器能为每个ONU的上行提供62Mbps。EPON的这个特点也和WiMAX BS的能力相匹配，WiMAX BS的最大容量为75Mbps使得没有多余的带宽并且由于能力的差异造成融合节点（例如ONU-BS）的拥塞。第三，两种技术融合后，可以通过更加有效的整合带宽分配和分包交换机制大大提高系统的QoS和数据吞吐量，并简化系统操作量。

本文研究了3种可能的融合结构[1]：独立的 ONUBS（IOB），联合的ONU-BS（COB），混合的ONU-BS（HOB）。如图1 所示。

1.1 独立式架构

如图1所示，独立式架构（IOB）是EPON与 WiMAX最简单的融合形式，两系统分别独立运行，WiMAX BS作为EPON系统的ONU终端用户提供无线连接。这种结构直接通过以太网标准接口使ONU和BS相连。但是，由于EPON和WiMAX之间单独运行，ONU无法获取WiMAX BS授权给用户站多少带宽的具体信息，同时，WiMAX BS也无法得知光线路终端OLT分配给ONU的带宽数量。这使得此种架构无法体现两系统融合的优势，尤其是对系统带宽分配的整体优化。另外，这种形式的融合在终端上仍然使用两个单独的设备（ONU和WiMAX BS）其系统成本无法得到有效的控制。

图1 EPON和WiMAX的融合网络架构

1.2 综合式架构

WiMAX是一种面向连接的传输技术，其带宽请求和QoS都是面向连接的。基于面向连接的带宽请求机制，每个终端无线用户根据各自的网络连接服务来分配相应的独占带宽。EPON技术的带宽请求机制是面向队列的，ONU获得的独占带宽根据不同优先级的服务队列进行分配。两者总体上具有相似的运行机制，特别是在带宽请求与分配的处理上。WiMAX由于采用面向连接的分配机制，其带宽分配更为合理有效，并能提供更好的QoS保证。由于两者在带宽处理上的相似性，可以通过修改相应的EPON MAC层协议使其支持WiMAX系统的面向连接的网络服务。

综合式ONU-BS（COB）可以看作是在ONU和WiMAX BS之间引入联合控制器（JC）。直观地看，这种结构看起来像是ONU、WiMAX BS和JC的一种混合架构，但联合控制器（JC）是逻辑上独立地工作在EPON和WiMAX融合网络的单一系统。对于融合结构的流量管理，JC负责共享EPON ONU和WiMAX BS之间的状态信息。COB提供了充分地透明融合没有网络运营商之间的干扰，这些网络运营商都有自己的网络设备和场地。然而，由于设备物理上的隔离需要支付场地的租金和维护费用。

1.3 混合式架构

混合式的架构（HOB）是EPON与WiMAX系统的进一步融合，如图1下半部分所示，这种结构最显著的特点是把所有的ONU，BS和JC等功能模块嵌入到一个单独盒子里的印刷电路板（PCBs）上。因为HOB结构的功能与COB结构的相当，所以HOB由于含有JC元件也能够提供融合流量管理。图2所示为ONU-BS的功能模块，硬件方面配置了3个CPU分别完成相应功能：CPU1负责EPON部分的数据通信；CPU3则完成WiMAX部分的数据处理；CPU2作为主CPU协调其他两个CPU的工作。CPU1和CPU3实时向CPU2通报各自的系统状态，带宽需求与分配等信息。CPU2根据其他两个CPU分别提供的EPON部分和WiMAX部分的带宽信息，统筹安排并指挥CPU1上行向OLT申请带宽以及CPU2下行对终端无线用户分配带宽。在这种架构下，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，分组调度机制的优化处理。因此，与独立式架构相比，混合式架构可以大大提高系统传输性能和QoS服务保证。另外，由于设备硬件的融合，混合式架构具有更低的设备成本。

2 融合架构下基于QoS的调度机制

为避免EPON和WiMAX的所有数据流量在每一个ONU的缓存器里突发发生，适当的修改加权轮询可以提供严格公正的特性和高效的时延保障。当无线数据流量从SS传输到BS时，BS的队列配置成高优先级队列确保能优先传输数据。在文中，为了管理呼叫准入控制我们提出一种基于队列的调度机制和上行传输机制，使用户可以有效地满足对带宽要求的需求，提高系统的效率。

802.16 协议支持五种类型的QoS：UGS（主动授权业务），rtPS（实时轮询业务），ertPS（扩展的实时轮询业务），nrtPS（非实时轮询业务），BE（尽力而为业务）。如图3所示，我们设计了两个调度步骤去配置优先级。首先，我们设定UGS具有最高的优先级去传输。其次，我们设定rtPS比ertPS有较高的优先级，然后根据这个优先级次序在优先级队列1（PQ1）里分配数据分组。此外，nrtPS比BE业务有较高的优先级，然后按照这个优先级次序在优先级队列2（PQ2）里分配数据分组。接下去，我们参考ONU缓存区的情况来决定UGS，PQ1和PQ2的优先级比。如果ONU的缓存器被填满小于40%，那么UGS，PQ1和PQ2的优先级比配置为4：2：1。如果ONU的缓存器被填满在40%和80%之间，那么UGS，PQ1和PQ2的优先级比配置为2：1：0。最后，如果ONU的缓存器被填满在80%以上，那么UGS，PQ1和PQ2的优先级比分别配置为1：1：0。此外，分别地有，在UGS里的数据分组传输到ONU的加速转发型（EF）队列里，在PQ1里的数据分组传输到ONU的确定转发型队列里，在PQ2里的数据分组传输到ONU的尽力而为业务（BE）队列里。在这种模式下，提出的调度机制保障UGS在融合网络里有较多的机会传输。

图3 混合结构的两个调度步骤

在先前的研究中基于预测的公平分配过多带宽（PFEBA）[6]的机制已经发展到减少空闲时间和提高预测的准确性。如图4所示，PFEBA可以通过延时一些不稳定的流来安排传输REPORT消息到OLT的队列。通过减少空闲时间把PFEBA机制并入提前动态带宽分配（E-DBA）机制中可以提高所有ONU的公平性并且有较低的分组时延，这个空闲时间是指DBA的计算时间的总和与在OLT和每个ONU之间的往返时间。减少空闲时间能提高带宽利用率和系统性能。在E-DBA机制中包含两种操作。首先，OLT在来自bV的REPORT消息之后执行DBA机制，bV是在不稳定程度列表里有较高差异的ONU集合，在传统DBA机制里在收到 ONUN−1之后结束而不是 ONUN。与此同时， ONUN能同时传输数据。这种操作能够减少传统DBA机制的空闲时间并且为不稳定流量ONU收集更多的信息 以使能在下一周期有更精确的预测。其次，在下个周期里分配给每个ONU的带宽是基于所有的ONU以降序进行流量变化，并且通过分配一些具有较高差异的不稳定流量的ONU来更新bV。这种操作通过在传输数据之前减少等待时间，可以减轻不稳定流量的ONU之间为了保持预测更加准确的差异。

图4 提前DBA机制的运行过程

然而，当流量负载重的时候加速转发型的分组时延和变异的PFEBA的分组时延还不足够好。这是由于PFEBA根据每个ONU的不稳定程度列表来分配上行次序，如图5(a)所示，图中的Pi,j表示在当前周期jONU的流量类型。每一个ONU负责具有不同优先级的队列，例如0P，1P和2P分别代表语音，视频和数据流。大体上，0P流对时延和时延差异十分敏感。为了减少高优先级流的最大分组时延和分组时延差异，文中提出的基于QoS的动态带宽分配（QDBA）机制把一个帧分成两部分，一部分对于0P流来说是个始终分配帧的第一个位置的稳定部分；另一部分对于1P和2P流来说是基于FPEBA的动态部分，如图5(b)所示。这样，它可以保障对时延和时延差异敏感的0P流获得较低的分组时延和较低的分组时延差异。这是由于0P流始终有稳定的部分去传输并且一直在传输周期的前面。

图5 DBA的运行过程 （a）PFEBA （b）QDBA

3 性能分析

在EPON和WiMAX融合结构提出的基于QoS的调度机制的系统性能与IPACT机制在带有/不带有在丢包率、平均队列长度和平均端到端时延方面调度情况的相比较。使用OPNET建模器建立有1个OLT和32个ONU系统模型。下行和上行信道速率均为1Gbps。从ONU到OLT的距离假定为从10km到20km不等，并且每个ONU有10m的有限发送缓冲区。在这里作为被考虑的流量模型，大量的研究表明大部分的网络流量可以分类为自相似性和远距离的依赖。这种模型用来产生高度饱满的BE业务和具有Hurst参数为0.7的确定转发型流量类，并且分组长度均匀分布在在64和1518字节。在另一方面，高优先级流量使用泊松分布模型且数据包长度固定为70字节。

3.1 丢包率

图6(a)中比较了在基于队列的调度机制和非调度机制之间的QDBA算法和IPACT算法的丢包率随流量负载的变化。仿真结果表明基于队列的调度机制和非调度机制都是在流量负载达到30%之后开始丢包，特别对于非调度机制来说。尽管使用基于队列的调度机制的QDBA和IPACT算法在丢包率方面有较好的性能。但是当网络负载超过30%时，我们看到由于缓存区溢出有相当多的包丢失。

3.2 平均队列长度

图6(b)中比较了在基于队列的调度机制和非调度机制之间的QDBA算法和IPACT算法的平均队列长度随流量负载的变化。仿真结果表明使用基于队列的调度机制的QDBA算法比不使用调度机制的算法有较短的队列长度。平均队列长度和平均分组时延是成比例的，较短的分组时延意味着ONU传输数据分组较快，因此缓存区包含有较少的分组数据。

2.3 平均端对端时延

图6(c)中比较了在两种调度机制之间的QDBA算法和IPACT算法从ONU到OLT的平均端对端时延；图7中比较了两种调度算法在EF、AF、BE之间从ONU到OLT的平均端对端时延。图6(c)表明了文中提出的QDBA算法比IPACT算法有较好的性能，特别是在流量负载高于60%时。可以看到基于队列的调度机制在不同的服务之间有好的呼叫准入控制性能。因此，经过基于队列的调度机制之后的端对端时延降低了。图7显示了EF、AF和BE的平均端对端时延十分相似，这是因为端对端时延的传输时间从分组数据进入到ONU开始直到分组数据能够被传输。更重要的是延时时间的主要因素是根据DBA机制而定。

4 总结

作为一种低成本、高带宽、移动性和可扩展性的宽带接入网解决方案，EPON和WiMAX的融合结构通过高效的固定移动融合具有发送综合带宽业务的能力。文中提出的EPON中基于QoS的DBA机制并入到PFEBA机制中能提高系统性能。在本文中，我们提出的调度机制总是在帧的固定位置分配高优先级流量使尽量减少时延变化。仿真性能结果表明文中提出的算法能有效地改善丢包率和平均队列长度。此外，该算法能够减少不同服务之间的平均分组端对端时延，以确保订阅用户的QoS质量。

图6 (a) 丢包率

图6 (b) 平均队列长度

图6 (c) 平均端对端时延

图7 EF、AF、BE流量的平均时延

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