多波长光接入网中异类ONU共存场景下DBA算法研究

发布时间：2020-07-05 06:10

【摘要】：无源光网络(Passive Optical Network,PON)的平滑演进是以按需升级(pay-as-you-grow)的方式进行的。在过去几十年中,TDM-PON占据了接入网市场的主导地位;TDM-PON,如EPON和GPON,均为单波长系统,TDM-PON中ONU也有着固定的上下行波长,OLT和ONU之间以点到多点(P2MP)的方式连接与通信。为了满足用户和业务激增的带宽需求,WDM技术被引入接入网中;WDM-PON的波长数即等于ONU数,且ONU均采用波长可调谐收发器,以实现OLT和ONU之间的点到点(P2P)通信连接。从TDM-PON平滑演进到WDM-PON的过程中,由于按需升级,已升级和待升级的网络设备将不可避免地共存在同一个PON中,形成了不同类型的混合WDM/TDM-PON。混合WDM/TDM-PON为多波长系统,其波长数介于TDM-PON和WDM-PON之间;WDM/TDM-PON中部分ONU被率先升级,升级方式包括采用可调谐收发器、扩大ONU波长调谐范围、增加ONU收发器数量等等,我们将传输性能不同的ONU称为异类ONU,也就是说,随着PON平滑演进的推进,混合WDM/TDM-PON中将产生多种类型的异类ONU共存。异类ONU共存是PON平滑演进的必经之路,因此能够实现在异类ONU之间充分且公平地分配带宽的动态带宽算法(Dynamic Bandwidth Allocation,DBA)是支持PON平滑演进顺利进行的关键。我们对异类ONU共存网络场景进行了分类和定义:第一种,可调谐性型异类ONU共存,即具有/不具有波长可调谐性ONU的共存;第二种,多调谐范围型异类ONU共存,指的是固定单波长调谐ONU、多波长可调谐ONU和全波长可调谐ONU的共存;第三种,多收发型异类ONU共存,则为具有不同收发器数量ONU的共存。针对不同的异类ONU共存场景的DBA研究内容如下:1)针对混合WDM/TDM-PON中可调谐性型异类ONU共存的网络场景,建立了相对应的带宽分配数学模型。面向异类ONU不同的网络带宽需求,提出差异化带宽分配算法,不仅保证了调谐性型异类ONU之间还保证了过载和欠载ONU之间的带宽利用公平性。综合考虑到异类ONU在波长时隙分配方面的灵活性差异,提出一种面向波长间负载均衡的波长时隙分配算法,大幅缩短调度周期时长和传输延时水平;2)针对由多收发型异类ONU构成的NG-EPON中多类型用户和多类型业务共存的网络场景,提出了多用户多业务二维优先队列来实现缓存区分管理。提出了新型带宽分配算法,以同时满足多类型用户的差异化SLA需求以及多类型业务的差异化Qo S需求。提出时序填充、波序填充两种波长时隙分配算法,综合两者进行协同调度以满足多用户多业务差异化需求以及实现波长间负载均衡;3)针对WDM/TDM-PON中多调谐范围型异类ONU共存场景建立了带宽分配数学模型。提出将该模型下的ONU聚合问题映射到带背包限制的多背包问题上进行求解。提出了新型ONU聚合算法,该算法以分支定界子算法为框架,分别采用松弛算法和贪婪算法作为上/下界逼近子算法。当网络低负载时,该算法能大幅减少时占用波长数,且保持ONU带宽请求满足率在较高水平;当网络高负载时,该算法通过提高每根波长上带宽利用率而为ONU提供更高的网络吞吐量。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

传输模型,带宽请求

（b）下行方向图2.1 EPON上下行传输模型下行传输主要基于广播的方式将信号传送给所有的ONU，ONU基于数据包中的ONU标识符来辨别是否为属于自己的数据包。然而在上行传输中，OLT基于MAC层发现并且进行ONU注册，同时可以接收到ONU发出的带宽请求信息，OLT需要根据ONU的带宽请求信息来判定有限的带宽资源如何在ONU之间进行分配并且发送带宽分配结果到每个ONU。OLT判定带宽资源如何在ONU之间分配的过程就是动态带宽分配（DBA）。2.1.2 WDM-PONWDM-PON 的是通过波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）

传输模型

图 2.2 WDM PON 传输模型2.1.3 WDM/TDM-PON混合WDM/TDM-PON为从TDM-PON平滑升级到WDM-PON的过渡形态。如图 2.3 所示[7]，混合 WDM/TDM-PON 也为多波长 PON，然而每个 ONU 并不独占波长，而是需要和部分 ONU 以 TDM 形式共享某一根波长，然后，多波长之间通过 WDM 耦合传输。也就是说混合 WDM/TDM-PON 结合了 TDM-PON 的WDM-PON 的优点，大幅度增加了网络容量和网络的可扩展性，而且降低了网络建设和维护的成本。值得注意的是，混合 WDM/TDM-PON 中在上行方向共享同一根波长的 ONU 可被为一个子 PON，子 PON 中仍然可以使用 EPON 的 IEEE802.3ah 标准，这也是混合 WDM/TDM-PON 可以作为 PON 平滑升级过程中的过渡 PON 形式的重要原因。

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