一种高带宽利用率10G EPON动态带宽分配算法

高 凡，陈学卿，赵素文（桂林航天工业学院 电子信息与自动化学院，广西 桂林541004）



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一种高带宽利用率10G EPON动态带宽分配算法

高 凡，陈学卿，赵素文
（桂林航天工业学院 电子信息与自动化学院，广西 桂林541004）

摘要：根据网络数据流量特性，针对10G EPO N承载协议数据报文的特殊性，提出了分级授权的带宽分配算法。该算法对保证带宽和尽力而为带宽分配方式进行了优化，在授权周期上采用弹性授权机制以提高带宽利用率。

关键词：动态带宽分配；分级授权；带宽利用率

0　引言

Kramer等人提出的IPACT算法［1］是最原始动态带宽分配算法之一。为了减轻静态带宽利用率低和迟延大等缺点，该算法采用时分复用和交替轮询的方式，但该算法无法防止恶意光网络单元（ONU）独占带宽，对带宽分配周期变动较大等因素存在一定的局限性，也不支持对时延很敏感的时分复用（TDM）业务。近几年各专家学者的研究重点是基于网络业务的自相似性以及高突发性，通过采用神经网络模型［2，3］预测网络流量，以提高EPON带宽分配过程中数据分组的延时性能。这些算法都存在类似IPACT算法的缺陷，于是，本文提出了一种分级授权的带宽分配算法。

1　动态带宽算法

1.1带宽利用率分析

本文提出的动态带宽分配算法延续了现有算法中AF业务、BE业务比特率的不确定性和EF业务比特率的恒定性，将上行链路通信周期分成两个子周期，分别为EF子周期和AF/BE子周期（记为AB子周期）。当EF业务传输时间大于闲置时间时，系统闲置时间的时隙损耗将不存在，为了减小EF业务的时延抖动和平均数据包时延，将本周期对EF业务的授权提前到上一周期，并严格实行带宽调度分配。

带宽利用率为实际传输数据的带宽和上行总带宽之比，一般系统要求带宽利用率达到90%以上。E（U）表示带宽利用率，则E（U）表达式如下∶

式中，W、E（R）分别表示时隙总长度和未利用时隙，Wused为上行传输中被占用的时隙，由光电开销、封装开销和调度开销三部分组成。未利用时隙是由于ONU请求带宽与分配带宽不相等或由于队列优先级不同和数据包延时产生的时隙碎片，这种时隙只能通过调度算法优化而不能彻底消除。guard_overhead表示激光器所占用的开销，其表达式为：

其中，Ton、Toff是ONU打开和关闭激光器的时间；Tsync_time是同步时间，由自动增益控制、时钟数据恢复所需时间和码组定界所需时间三部分组成；EOB是突发结束符，系统检测到这个值表示突发结束，标准规定该值为66bits。激光器打开和关闭时间占了较大比重，为了降低ONU打开和关闭激光器的开销，允许两个不同的ONU打开和关闭激光器的时间存在一定的交叠时间Tcross_time或将多个逻辑链路标识的授权信息合并起来，使具有多个授权信息的ONU激光器只开关一次，节省激光器的开销来提高带宽利用率。

根据EPON系统内部传输数据帧的结构，封装开销avg_overhead可表示为：

式（3）中，负荷长度用l表示，f（l）为分组长度的分布函数，encap（l）表示封装后的报文长度。当系统支持基于帧的前向纠错（FEC）编码时，系统会增加FEC开销，fec_overhead（l）是对报文进行FEC编码所需开销。为了降低误比特率，报文每223个字节后增加 32字节的FEC奇偶校验码，再加上平均长度为12字节的帧间隔，因此，式（3）可写为：

1.2算法实现

FIX是固定带宽，主要用于传输语音业务。当用户请求带宽小于固定带宽时，分配请求带宽的大小，反之，则分配固定带宽的配置带宽。为了满足TDM业务的时延敏感性，每个动态带宽分配开窗周期后对TDM业务进行带宽补偿。Rqs表示请求带宽的大小。带宽分配算法分两种情况（无开窗、开窗业务和TDM业务同时存在），可分别表示如下：

AB是保证带宽业务，用于延时不明显的视频业务。当数据报文长度过长而ONU的配置带宽小，就会导致报文堵死现象。当进行保证带宽分配时，保证带宽的累积可以采用令牌桶机制。此外在算法中对累积设定了一个限值可以防止ONU无请求带宽而保证带宽一直累积，采用受限服务的动态分配算法如下：

BEB是尽力而为带宽业务，用于下载或数据传输业务。按照协议中平均权重进行分配的原则进行第一轮带宽分配，完成后部分ONU的请求带宽可能没有得到满足，同时仍有剩余的总带宽。为了解决这个问题，BEB带宽分配部分采用两轮分配机制，在FIX和AB分配完成后进行再一轮的带宽分配，BEB带宽分配算法为：

Gl表示 BEB业务的理论带宽，受GMAX、Gqs的限制，理论值和实际值往往不相等，其计算公式如下：

其中，BWremain表示当前可用带宽，Galloc表示已经分配的带宽。下发授权时，可以存在交叠的授权时隙（主要是激光器开关所占用时隙）。当每个周期动态带宽分配授权的总带宽大于配置的总带宽时，允许从下周期中预支超出的部分。这两种方法都可以进一步提高带宽利用率。

综上所述，最终分配带宽为∶

1.3性能分析

算法性能分析如下：

①对固定带宽分配时，为了实现TDM业务对带宽的需求，可以通过带宽补偿方式。

②当进行保证带宽分配时，可以采用令牌桶机制来允许保证带宽的累积，在一定程度上解决EPON中传输报文长度过长造成数据堵塞的问题；采用受限服务的IPACT带宽分配方案，提高带宽利用率。

③在尽力而为带宽分配部分，通过采用两轮带宽分配机制，降低总带宽中未利用时隙，有效提高了带宽利用率。

④对于业务的提前授权机制，通过降低激光器的开关时间，并允许开关时间的交叠，周期间的空闲时间得以避免，系统的带宽利用率得到了提高。

⑤由于授权时隙与报文长度不等，带宽分配过程中就会产生时隙碎片。采用两个队列集的带宽请求值上报方法来尽量压缩时隙碎片。无法满足队列集l的带宽请求值时，就按队列集2的带宽请求值去分配。

⑥下发授权时，可以存在交叠的授权时隙（主要是激光器开关所占用时隙）。当每个周期动态带宽分配授权的总带宽大于配置的总带宽时，允许从下周期中预支超出的部分。

2　结束语

上行动态带宽分配技术是10G EPON系统中关键技术之一。文中所提动态带宽分配算法以提高带宽利用率为切入点，对原有算法进行优化改进，兼容1G EPON系统，实现固定带宽、保证带宽、尽力而为带宽三种业务可配，不仅支持优先级高低不同的ONU，还可以对同一优先级的ONU进行公平的带宽分配，可以保证整个10G EPON网络的传输质量［5，6］。

参考文献：

［1］GLEN K，BISWANATH M，GERRY P.Interleaved polling with adaptive cycle time：a dynamic protocol for an Ethernet PON［J］.IEEE Communication，2002，40（2）：74-80．

［2］吴援明.网络中自相似业务流的特性及其影响研究［D］.成都：电子科技大学，2008．

［3］陈赓，夏玮玮，沈连丰.基于传输速率自适应的动态带宽分配算法［J］.通信技术，2014，（5）：25-32.

［4］康尔强.基于EPON的上行动态带宽分配算法的研究［D］.西安：西安科技大学，2010．

［5］李丹.一种保证QoS的10G EPON动态带宽分配算法［J］.通信技术，2012，45（4）：10-12.

［6］TANAKA M，TAKEMOTO M，TAKAHASHI A，et al.Dynamic Bandwidth Allocation Algorithm with Fairness in 1G/10G Coexistence EPON System［J］.IEICE TRANS.COMMUN.，2009，92-B（3）：819-827．

中图分类号：TN915.63

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0025-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.007

收稿日期：2016-03-01。

基金项目：广西教育厅（YB2014434、YB2014437）资助；国家自然科学基金（11301106）资助。

作者简介：高凡（1979-），女，硕士，主要从事光接入网技术研究工作。

Dynamic bandwidth allocation algorithm with high bandwidth utilization for 10G EPON system

GAO Fan，CHEN Xue-qing，ZHAO Su-wen
（College of Electronic Information and Automation，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：According to the network data flow characteristics，a bandwidth allocation algorithm adopting the hierarchical authorization is proposed in view of the specialty of the 10G EPON bearing data packet protocol. The allocation scheme for AB and BEB is optimized in the algorithm.The authorization period on elastic authorization mechanism is used to improve the bandwidth utilization.

Key words：dynamic bandwidth allocation，hierarchical authorization，bandwidth utilization