ONU间直通的LR-PON系统仿真设计

苗方，宋金宝

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)



ONU间直通的LR-PON系统仿真设计

苗方，宋金宝

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

研究了长距离无源光网络系统架构和多种动态带宽分配算法，针对集中带宽分配的长距离无源光网络控制平面的延时过长，影响系统性能的问题，提出了一种ONU间直通的长距离无源光网络的系统结构，通过新增波长实现了ONU间在物理层上的直通，基于OPNET进行建模仿真并介绍了仿真系统搭建方法，验证了所提方案的有效性。

宽带接入网；长距离无源光网络；ONU间直通；动态带宽分配算法；OPNET

1　引言

在众多接入技术中，光纤以其大容量、低成本的优势逐步成为当前传输网的主流媒介。PON作为宽带接入“最后一公里”的关键技术，是在服务提供商、电信局端和商业用户或者家庭用户之间的数据传输的最佳解决方案。

PON接入网技术面临全业务、高带宽的应用需求，对网络运营商来说，为达到最优化的资产投入和运营成本，倾向于减少部署接入结点的数量。因此下一代无源光接入网的发展方向主要是高线路速率、长传输距离和大用户容量。高线路速率能够承载更多用户、更高速率的业务；长传输距离和大用户容量可以增加单个PON系统的覆盖范围，减少部署在中心局(CO，Central Office)或分前端的设备数量。长距离、大容量的LR-PON(Long Reach PON)接入系统逐渐取代环状结构的城域光网，直接接入网络的核心层，简化了系统结构。新型的城域接入网架构给PON的设计带来新的挑战。

传统PON网络中，ONU共享链路带宽，由OLT采用动态带宽分配机制(DBA)分配带宽资源。由于采用主从结构，ONU只能与OLT直接通信，ONU间不能直接通信，所有ONU间的通信数据均需要经过OLT转发。这样造成的结果是，ONU之间的通信需要先占用上行信道传送到OLT，然后经OLT处理后再占用下行信道发送给ONU，对P2P类应用和局域网内流量的承载效率很低，且PON中动态带宽分配机制受控制平面延时的影响严重。在以长距离和多用户为特征的下一代接入网络中，这种情况出现的概率及对带宽资源的浪费都更加显著：一是占用了上下行的带宽资源，降低了系统吞吐量；二是增加了业务的端到端时延；三是加重了OLT的负担。

针对上述问题，本文提出一种ONU间直通的LR-PON系统结构，设计了分布式控制的动态带宽分配方案，并基于OPNET构建了仿真系统模型。

2　相关研究

PON接入网系统架构已较成熟，长距离PON的方案也大多与传统的PON结构相似，一般会通过加入光纤放大器应对长距离光链路损耗问题。另外为了减少网络总体成本，提高单个PON内服务的用户数量，LR-PON普遍采用WDM技术将多个传统PON集成在一起，即TDM/WDM的混合模式。

动态带宽分配也是LR-PON研究的一个重点。LR-PON继承了传统PON的逻辑组网结构以保持建设和维护的低成本优势，但是局端和终端之间距离的扩展导致控制平面延时大大增加，造成原有的对PON上行带宽动态分配方案的效率受到很大影响。为了解决这一问题，文献[1]中提出了一种多线程轮询(MTP，Multi-Thread Polling)的动态带宽分配算法。MTP的思想是在对ONU进行一次授权后，不等到ONU的报告帧返回就提前对ONU进行下一轮的授权，即开启一个新的“线程”。多个对ONU轮询的线程并行工作，一个较长的轮询周期即被N个线程缩短为原本周期的1/N，由于OLT和ONU之间控制帧传播延时所造成的空闲等待时间被大大减少，提高了信道利用率并减少了业务的平均包延时。但是多线程的应用也会带来不利的影响，一是多线程的带宽分配机制提高了系统的复杂性，造成设备的计算负荷大大增加，甚至多个线程之间可能因为相互独立造成“过授权”(Over-Granting)；另外，多个轮询线程也导致上、下行信道中出现大量的控制帧，线程数量多了系统性能反而会下降。文献[2]介绍了一种称为“NA+”的机制，对MTP进行了改进，每个线程都优先为最新到达的帧分配带宽，以避免重复授权。

虽然已提出了大量针对LR-PON的动态带宽分配方案来改善高环路时延带来的影响，但局端和终端设备之间的长距离始终是客观的存在，在OLT对所有ONU集中授权的框架下，大量MPCP的控制信息需要在上行和下行信道中传输上百公里来完成链路资源的分配。因此ONU向OLT报告队列长度然后等待授权并不是一种有效的方式。于是也有一些研究者希望对OLT集中控制的框架做出调整，提出了多种无中心化的分布式动态带宽分配方案。

Sherif等[3]介绍了一种基于以太网的新型PON架构，使用3×N的星型耦合器连接N个ONU和OLT，并将其中OLT侧的两个端口用隔离器连接。这样任一个ONU的上行波长的信号会经过星型耦合器(SC，Star Coupler)到达OLT以及所有ONU，ONU端需要增加一个上行波长的光接收器。所有ONU可以同时接收到上行带宽请求报告，分别运行相同的DBA算法即可得到相同带宽分配结果，整个带宽分配过程无需OLT参与，避免了从局端到驻地过长的控制平面传输延时。Hwang[4]将同样的结构应用于一种基于对等网络的多媒体服务系统中。

在文献[5]和[6]中，Helmy等提出了一种适合LR-PON的去中心化的媒介访问机制，引入了一个额外的控制信道在ONU之间通信。OLT对ONU进行集中管理，负责传输顺序和优先级的调度，但不参与带宽分配的过程。ONU按顺序在控制信道轮流发送报告帧，收集到所有ONU的报告计算出上行带宽的分配。

从对LR-PON的相关研究可以看出，用户距离CO较远造成显著的控制平面延时是影响系统性能的核心问题所在。采用并行处理或者流量估计、预先授权等方案，是用增加调度机制的复杂性来解决时延问题，但起到的作用有限；建立ONU之间直通信道能够缩短控制平面传播距离，虽然能够从根本上解决控制平面延时，但是对现有PON的结构进行了较大改变，并且增加了硬件成本的投入。从网络设备智能化、集成化以及网络资源边缘化的发展趋势来看，ONU间直通信道会有广泛的利用空间，硬件成本也有可能随着技术的发展而不再是主要的障碍。因此本文对LR-PON的研究采用分布式资源分配的思路，即在ONU间直接通信以调派资源，不受长距离传播时延的影响，同时保持中心对各ONU的集中管理和控制。

3　系统设计

在传统PON系统中，OLT与ONU之间上、下行分别使用λ1、λ2波长信道。本文所述方案在ONU端增加一组波长为λ3的光收发器，在1：N星形耦合器的OLT侧使用FBG反射λ3信号，从而提供了独立的ONU间直连通道，既作为LAN业务的通道，同时也是分布式DBA算法的控制信道，如图1所示。两个独立信道的逻辑结构如图2所示。相当于ONU与OLT之间是传统的PON结构，各ONU之间组成星型的LAN结构。这样既能支持对LAN业务的有效承载，同时也解决LR-PON较长控制平面延时的问题，从两方面提高了PON系统的信道效率。

图1　支持ONU直通的PON系统结构　

图2　PON与LAN叠加的双通道逻辑结构　

在动态带宽分配方案中[7]，上行信道和LAN信道同时工作，LAN信道除了承载PON内ONU之间的通信业务之外，还作为控制信道协调对上行带宽和LAN带宽的动态分配。ONU依次在LAN信道内传输数据，每次传输的数据包括一个REPORT帧和紧随其后的DATA部分。每个ONU接收系统内所有ONU的REPORT帧，根据其中的队列请求信息，独立的进行带宽分配计算。因为LAN通道内的数据传输是在所有ONU间广播，因此各个ONU都会得到同样的信息，运用同样的分布式动态带宽分配算法，计算出各自的发送窗口。带宽分配过程无需得到OLT的授权，因此能够解决长环路时延带来的性能劣化。REPORT帧中包含两个队列信息，一个是上行数据等待发送的队列长度，一个是LAN业务数据等待发送的队列长度。在LAN信道收集齐所有ONU的队列信息，使用offline模式对带宽进行统一分配。两个队列单独计算在一个周期内分配给各个ONU发送数据的起始时间和窗口大小。

4　仿真建模

本节介绍基于OPNET仿真软件建立ONU间直通的长距离EPON系统模型。OPNET采用离散事件仿真机制对网络行为状态进行模拟，对所有进程模块计划事件发生的时间和事件完成的时间进行列表和维护。OPNET仿真网络系统可以分为三层来进行建模，分别是：网络模型、节点模型和进程模型。网络模型反映了具体的网络拓扑结构；节点模型是由外围接口和协议模型构成；进程模型则以有限状态机来描述协议工作方式。OPNET 仿真系统本身带有多种模型库，但对于一些模型库中不存在的协议模型，需要专门构建。建模采用自下而上的方法，首先根据协议定义进程模型，再依次在进程模型的基础上构建节点模型，最后以节点模型按照仿真需要的拓扑结构组成网络系统。

4.1ONU建模

ONU的节点仿真模型如图3所示，dcd_onu_mac模块实现的MAC层协议是其核心部分，9个数据源模块负责产生以太网帧，overflow模块对溢出缓冲区的包数量进行统计。此外，还包括一对连接PON信道的收发器以及一对连接LAN信道的收发器。

图3　ONU节点模型　

数据源模块分为三组，分别对应产生BE(Best Effort)、AF(Assured Forwarding)和EF(Expedited Forwarding)三种不同优先级的业务流。调节各个模块参数可以调整不同业务的比例以及上行业务和LAN业务的比例分配。

以太网数据流被证明具有自相似和长相关特性，通常采用自相似流量模型进行模拟。自相似流量通常采用多个ON/OFF状态叠加而成，ON、OFF两个状态分别为产生数据流的状态和无数据流产生状态，其时间符合帕累托分布，在ON状态下包到达的时间间隔符合指数分布，包长度在64字节到1518字节间均匀分布。通过改变包到达间隔参数以产生不同业务负载量。自相似的流量生成进程模型如图4所示。

图4　自相似数据源进程模型　

ONU的MAC协议进程仿真模型如图5所示。初始化后进入idle状态，当有数据源产生的包到达时进行queueing排队处理，根据是上行业务还是LAN业务以及业务优先级类型放入相应的缓冲区。当收到其他ONU发来的REPORT帧时，记录其报告的上行和LAN缓冲区数据量。得到所有ONU的REPORT信息后进入onu_schedule进行动态带宽分配的计算。根据计算结果设置定时中断，在相应的时间窗口内发送各缓冲区内的DATA帧。其中，在LAN信道的数据发送之前插入REPORT帧，以进行下一轮的缓冲区数据量上报和带宽分配计算。每一轮各个ONU都会得到同样的REPORT帧，运用同样的分布式动态带宽分配算法，计算出相同的结果，得到各自的发送窗口。

图5　ONU的MAC协议进程模型　

4.2OLT建模

在ONU各自分布式计算动态带宽分配的框架下，OLT并不需要参与带宽的分配和授权。因此OLT仿真模型结构简单，主要是对收到的上行数据帧进行统计，得出性能仿真分析。OLT的节点模型如图6所示。

图6　OLT节点模型　

4.3ODN建模

光分配网络的核心是星形耦合器，由于FBG的加入，ODN分为了PON和LAN两个信道的逻辑结构。图7反映了PON信道的1×16的星形耦合器节点模型，用于连接OLT和16个ONU，传输上、下行的数据帧。其主要协议模块的功能就是对来自OLT的下行帧进行复制，然后转发到连接ONU的16个发送器；对来自16个接收器的上行帧转发到连接OLT的上行发送器。图8反映了LAN信道的1×16的星形耦合器节点模型，用于16个ONU之间的连接，传输LAN信道数据帧和REPORT帧。其主要协议模块的功能就是对来自各个ONU的帧进行复制，然后转发到16个发送器。

图7　PON信道ODN节点模型　

图8　LAN信道ODN节点模型　

4.4网络层建模

ONU间直通的EPON系统结构如图9所示，与图2中的逻辑结构相对应，将FBG加星形耦合器组合的ODN抽象成为两个独立的信道进行仿真。16个ONU与OLT之间是传统的PON结构，各ONU之间组成星型的LAN结构。ONU节点模型产生PON和LAN两个信道的数据帧，在OLT和ONU节点内进行统计以得到各个信道、各种业务的吞吐量、端到端时延等仿真结果。

图9　ONU间直通的EPON系统结构　

5　结束语

本文研究了长距离无源光网络系统架构和多种动态带宽分配算法，提出一种ONU间直通的长距离无源光网络的系统架构，并且基于OPNET仿真软件设计了该方案的LR-PON协议模型，并详细介绍了仿真系统平台的搭建方法。

[1]Song H，Banerjee A，Kim B W，Mukherjee B.Multi-Thread Polling：A Dynamic Bandwidth Distribution Scheme for Long-Reach PON[J].IEEE J Sel Areas Commun，2009，27(2)：134-142.

[2]Skubic B，et al.Dynamic Bandwidth Allocation for Long Reach PON：Overcoming Performance Degradation[J].IEEE Commun Mag，2010，48：100-108.

[3]Sherif S R，Antonis Hadjiantonis，etal.A Novel Decentralized Ethernet-Based PON Access Architecture for Provisioning Differentiated QoS[J].Journal of Light wave Technology，2004，22：2483-2497.

[4]Hwang I S，Liem A T.A hybrid scalable peer-to-peer IP-based multimedia services architecture in passive optical networks[J].J Lightwave Technol，2013，31(2)：213-222.

[5]Helmy A H，Habib Fathallah，Adel Abdennour.Decentralized Media Access vs. Credit-Based Centralized Bandwidth Allocation for LR-PONs[C].International Conference on High Capacity Optical Networks and Enabling Technologies(HONET)，2011：329-333.

[6]Helmy A H，Riyadh，Saudi Arabia，Fathallah H A.Taking Turns With Adaptive Cycle Time a Decentralized Media Access Scheme for LR-PON[J].Lightwave Technology，2012，29(21).

[7]Fang Miao，Li Feng.A Decentralized Bandwidth Allocation Scheme for Long-Reach Passive Optical Network[C].In 3rd International Conference on Information Technology and Management Innovation(ITMI 2014)，July 19-20，2014.

(责任编辑：王谦)

Design of Simulation System for LR-PON with Directly Connected ONUs

MIAO Fang，SONG Jin-bao

(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper investigated the solution of system architectures for LR-PON and the DBA algorithms. To remedy the performance degradation caused by long distance between CO and end users，a decentralized media access scheme for Long-Reach PON which enables directly communication between ONUs is proposed. Also this paper introduced the methods of building the modelers of user defined protocol and designed a simulation system architecture for this decentralized LR-PON in OPNET Modeler.

broadband access networks；LR-PON；directly communication between ONUs；DBA；OPNET Modeler

2015-06-27

苗方(1980-)，男(汉族)，江苏徐州人，中国传媒大学信息工程学院. E-mail：mfcuc06@cuc.edu.cn

TN913.7

A

1673-4793(2016)01-0045-05