1、2009年第 12 期中文核心期刊EPON 和 WiMax 融合架構(gòu)下帶寬分配算法的研究Research on the bandwidth allocation underthe convergence network of EPON and WiMAXZHANG Shu, LIU De-ming, WU Guang-sheng, CHANG Yu-guang(Collegeof Optoelectronic Science and Engineering ,Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, ChinaA

2、bstract :The convergence network of EPON and WiMAX is cost-effective, high-bandwidth and high cover-age area solutions for future access network. EPON and WiMAX belong to different QoS model, so how to construct a unified bandwidth allocation scheme, distinguish between various services and provide

3、QoS assur-ance for the convergence network are common problems. In this article, we proposed a bandwidth allocation framework for the convergence network and elaborate on the process of bandwidth application and allocation. Future more, we provide the detailed algorithm design.Key words :EPON, WiMAX

4、, convergence, QoS, bandwidth allocation張 曙, 劉德明, 吳廣生, 常宇光(華中科技大學(xué) 光電子科學(xué)與工程學(xué)院 , 武漢 430074摘 要 :EPO N 和 W i A M X 的融合架構(gòu)提供了一種低成本 、 高帶寬和高覆蓋的接入網(wǎng)的解決方案 。 EPO N 和W i M A X 有著不同的服務(wù)質(zhì)量 (Q oS 體系模型, 對于融合架構(gòu)來說, 如何建立統(tǒng)一的帶寬分配策略, 實(shí)現(xiàn)區(qū)分多業(yè)務(wù)和保證 Q oS 是需要面對的一個問題 。 文章設(shè)計(jì)了一個融合網(wǎng)絡(luò)下的帶寬分配框架, 詳細(xì)分析了 帶寬申請和分配的過程, 并給出了具體的算法設(shè)計(jì) 。關(guān)鍵詞 :EPO

5、N ; W i M A X ; 融合; Q oS ; 帶寬分配 中圖分類號 :TN929.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1002-5561(2009 12-0037-030引言隨 著 IPTV 和 視 頻 點(diǎn) 播 等 高 帶 寬 需 求 業(yè) 務(wù) 的 發(fā) 展 , 寬帶接入已成為熱點(diǎn)技術(shù) 。 為了進(jìn)一步優(yōu)化組合 資源 , 降低成本和提供更大帶寬 、 更靈活的寬帶接入 業(yè)務(wù) , 光纖和無線接入網(wǎng)絡(luò)的融合成為一種很有前途 的架構(gòu) 1,2。 目前 , 以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò) (EPON3以其低成 本 、 高帶寬及基于以太網(wǎng)的架構(gòu)等優(yōu)勢得到越來越廣 泛的應(yīng) 用 。 與此同 時 , 由 IEEE 802.16

6、4所規(guī)范 的WiMAX 技術(shù)正逐步發(fā)展為一種主流的無線寬帶接入技術(shù) , 和 WLAN 相比 , 它能提供更大的帶寬 , 更遠(yuǎn)的距 離和更好的服務(wù)質(zhì)量 (QoS支持 , 和蜂窩技術(shù)相比 , 它 能提供更好的數(shù)據(jù)接入服務(wù) 。 因此 , EPON 和 WiMAX 這兩種技術(shù)的融合將會彌補(bǔ)各自技術(shù)的不足 , 充分發(fā) 揮光纖接入技術(shù)的高帶寬與無線技術(shù)的靈活性 , 給用 戶帶來更好的體驗(yàn) , 同時可以大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的建 設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用 , 具有廣闊的市場前景 。1EPON 和 WiMax 的融合架構(gòu)文獻(xiàn) 5中介紹了三種 EPON 和 WiMAX 的融合架 構(gòu) :獨(dú)立式 、 混合式和統(tǒng)一式架構(gòu) 。 考慮

7、到技術(shù)成熟度 和成本 , 本文 采用混合式 架構(gòu) , 即將 ONU 和 WiMAXBS 整合成單一的設(shè)備 ONU-BS , 這使得原有的兩個設(shè)備在硬件和軟件上同時得到整合 , 如圖 1所示 。收稿日期 :2009-08-13。作者簡介 :張曙 (1977-, 男 , 博士生 , 從事光接入網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò)的研究 。圖 1EPON 和 WiMAX 的隔合架構(gòu)輧輵 訛2009年第 12 期EPON 和 WiMAX 混合式融合架構(gòu)能同時提供寬帶 固 定 和 無 線 接 入 , 在 ONU-BS 內(nèi) 部 , 原 ONU 和WiMAX BS 之間通過 Ethernet 接口相連接 , WiMAX 網(wǎng) 絡(luò)配置

8、為點(diǎn)到多點(diǎn)模式 。 在此模式下 , 一個基站 (BS服務(wù)于它范圍內(nèi)的所有終端用戶 (SS。 多個 ONU-BS 通 過 EPON 網(wǎng)絡(luò)連接到 OLT , 并接入互聯(lián)網(wǎng) 。 這種融合 不會產(chǎn)生帶寬瓶頸 , 因?yàn)樵诜种П葹?1:16的情況下 ,EPON 可以提供給每個 ONU 平均 60Mb/s的帶寬 , 這 和 WiMAX 基站提供的大約 70Mb/s的峰值速率 相匹 配 4。 在這種架構(gòu)中 , ONU-BS 可以實(shí)時獲取原 ONU 和 WiMAX BS 的有關(guān)帶寬需求 , 分配和分組調(diào)度的詳細(xì)信息 , 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對上行方向 EPON 網(wǎng)絡(luò)的帶寬請求 和下行方向 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配 。2

9、混合架構(gòu)下基于 QoS 的上行帶寬分配算法對于 EPON 和 WiMAX 的融合架構(gòu)來說 , 如何有 效地分配上行帶寬 , 以實(shí)現(xiàn)區(qū)分多業(yè)務(wù)和保證 QoS 是 需要面對的問題 。 從總體上看 , EPON 和 WiMAX 都是 采用一種請求 /授予的機(jī)制來進(jìn)行帶寬分配 , 即終端(ONU或者 SS 根據(jù)自身的帶寬需求周期性地向中心站點(diǎn) (OLT或者 WiMAX BS 發(fā) 送帶寬請求 信息 , 而 中 心站點(diǎn)則根據(jù)一定的算法計(jì)算出相應(yīng)的帶寬 , 然后授 權(quán)分配給終端 。 EPON 標(biāo)準(zhǔn)定義了 MPCP 協(xié)議 , 其中Report/Gate幀 就 是 用 來 實(shí) 現(xiàn) 請 求 /授 予 機(jī) 制 的

10、3, WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)中 MAC 層中也有 類似的帶寬 請求幀和授予幀 4。 EPON 和 WiMAX 在帶寬分配和 QoS 支持上具有相似的地方 , 在 EPON 系統(tǒng)中 , 需要傳送的數(shù)據(jù)包 被排列在不同的優(yōu)先級隊(duì)列中 , 每個 ONU 為不同優(yōu) 先級隊(duì)列分配帶寬并調(diào)度傳輸數(shù)據(jù) 。 而在 WiMAX 中 , 帶寬的分配是根據(jù)終端用戶所建立的每個網(wǎng)絡(luò)連接 服務(wù)來確定的 , 每個終端 SS 用戶為不同 QoS 等級的 網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)分配帶寬并調(diào)度數(shù)據(jù) 。 但是 , 從本質(zhì)上 看 , EPON 和 WiMAX 屬于不同的 QoS 模型 。 EPON 屬 于 DiffServ 模型 , 是一種基于類

11、的 QoS , 只能提供相對 的 QoS ; WiMAX 是面向連接的 , 是一種基于服務(wù)流的QoS , 每個服務(wù)流在被服務(wù)之前先提出連接請求 , BS 中的接納控制模塊根據(jù)情況決定是否接納 , 如果接納 , 就能為該服務(wù)流提供絕對的 QoS 。 因此 , 為了建立統(tǒng)一 的帶寬分配策略 , 如何協(xié)調(diào)這兩種 QoS 機(jī)制是本文需 要解決的問題 。圖 2是本文設(shè)計(jì)的融合網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配框架 。 整 個架構(gòu)分為兩個主要部分 , 一是連接的建立 , 二是帶 寬的申請和分配 。 在第一部分的設(shè)計(jì)中 , 因?yàn)?OLT 是最終的帶寬分配者 , 我們把接納控制模塊放到了 OLT 中實(shí)現(xiàn) , 當(dāng) SS 需要為某個

12、業(yè)務(wù)建立連接時 , 它將向ONU-BS 發(fā)送請求接入信令 , 信令中包含了業(yè)務(wù)接入 所 需 要 的 QoS , ONU-BS 向 OLT 轉(zhuǎn) 發(fā) 信 令 , OLT 中 的接納控制模塊按照一定的接納控制準(zhǔn)則判斷是否允 許接入 , 之后將判決的結(jié)果以請求應(yīng)答信令發(fā)向 SS 。 從 SS 端到 OLT 端 , 需要一個通道來及時地傳遞連接 信令 , 這需要 ONU 給 ONU-BS 分配額外的帶寬 。 接納 控制模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一 , 需要融合 EPON 和WiMAX 的接納控制進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì) , 這里不再討論 。第二部分的設(shè)計(jì)中 , 在 SS 端 , 每個 SS 到 BS 的連 接在連接建立

13、之后都會被分類器分配一個服務(wù)類別 。WiMAX 協(xié) 議 支 持 四 種 服 務(wù) 類 別 :UGS 、 rtPS 、 nrtPS 和 BE , UGS 的服務(wù)類別最高 , 依次遞減 。 上行帶寬請求發(fā)生器將根據(jù)各連接隊(duì)列的深度以及隊(duì)列所對應(yīng)的服 務(wù)類別 , 向 BS 發(fā)送帶寬請求 BW_request。 當(dāng) ONU-BS 為各個 SS 分配帶寬后 , 帶寬分配的消息由 ONU-BS 在每一幀的開始通過 UL-MAP 消息廣播至全網(wǎng) , 每個SS 在收到 UL-MAP 消息后 , 按照所分配的時隙在上行鏈路子幀發(fā)送數(shù)據(jù) 。在 ONU-BS 端 , ONU-BS 具 有 所 有 SS 帶 寬 請 求

14、 的全部信息 。 根據(jù)這些信息 , ONU-BS 用 Report 幀向OLT 申請帶寬以支持終端用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 。 根據(jù) E -PON 協(xié) 議 , REPORT 幀 最 多 可 以 支 持 8個 優(yōu) 先 級 隊(duì)列 , 這里定義了三個 :EF 、 AF 和 BE , EF 的隊(duì)列優(yōu)先級 類別最高 , 依次遞減 。 一旦 ONU-BS 向 ONU 分配了帶 寬 , ONU-BS 便馬上獲知有多少帶寬向下分配 , 然后把 這些帶寬按照一定的算法分配給各個 SS , 實(shí)現(xiàn)了對終 端用戶不同 QoS 等級服務(wù)的支持 。 另外 , 為了實(shí)現(xiàn)更 有 效 的 整 合 統(tǒng) 一 , 需 要 在 EPON 優(yōu) 先

15、 級 隊(duì) 列 和WiMAX 不同 QoS 等級服務(wù)之間建立一個 QoS 映射機(jī)制 , 這種機(jī)制決定了哪個等級服務(wù)的數(shù)據(jù)流排列進(jìn)哪 種優(yōu)先級的隊(duì)列中以匹配 QoS 的需求 , 這里服務(wù)類型圖 2融合網(wǎng)絡(luò)的帶寬分配構(gòu)架張 曙 , 劉德明 , 吳廣生 , 等 :EPON 和 WiMax 融合架構(gòu)下帶寬分配算法的研究輧 輶 訛2009年第 12 期UGS 對 應(yīng) EF 隊(duì) 列 , rtPS 和 nrtPS 合 并 起 來 共 同 對 應(yīng) AF 隊(duì)列 , BE 對應(yīng) BE 隊(duì)列 。 在 OLT 端 , OLT 具有所有 ONU-BS 帶寬請求的全部信息 。 根據(jù)這些信息 , OLT 按 照一定的算法分配

16、帶寬 , 然后用 Gate 幀把帶寬分配的 信息下發(fā)給 ONU-BS 。下面是本文設(shè)計(jì)的 OLT 端的帶寬分配算法描述 。 設(shè) EPON 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有 n 個 ONU-BS , 傳輸速率為 R Mb/s, 輪詢周期為 T cycle , 不同 ONU-BS 間傳輸保護(hù)時間間隔 為 T g , 以 B min 表示 ONU-BS 所能獲得的最小保證帶寬(以字節(jié)為單位 , 同時假設(shè)各個 ONU-BS 的帶寬分配權(quán)重都相同 , 則有 :B min =(T cycle -n T g R /(8n (1 前面提到過 , ONU-BS 是用 Report 幀向 OLT 申請 帶寬的 , REPORT 幀最多可

17、以支持 8個優(yōu)先級隊(duì)列 , 這 里定義了 3個 :EF 、 AF 和 BE , 設(shè) ONU-BSi 中這三個 隊(duì)列申請的帶寬為 :B i,j req(j =1,2,3, 則 ONU-BSi 申請的 總帶寬 B i req=3j =1B i,j req。 與文獻(xiàn) 6中一樣 , ONU-BS 可以分為兩類 , 輕負(fù)載和重負(fù)載 , 輕負(fù)載的 ONU-BS 申請 帶寬低于 B min , 重負(fù)載的 ONU-BS 申請帶寬大于 B min 。 首先 , 計(jì)算出系統(tǒng)的剩余總帶寬 B excess =mj =1(B min -B i req, m為輕負(fù)載 ONU-BS 的個數(shù) , 把剩余總帶寬在重負(fù)載ONU

18、-BS 中平均分配 , B i excess =B excess /h, h 為重負(fù)載 ONU-BS 的個數(shù) , 最終 , 每個 ONU-BSi 分配得到的帶寬 可表示為 :B i g =min(B min +B i excess , B i req(2下面介紹本文設(shè)計(jì)的 ONU-BS 端的帶寬申請和 分配算法描述 。 設(shè)某個 ONU-BSi , WiMAX 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)連 接有 S n 個終端 SS , 并且 , ONU-BSi 已經(jīng)根據(jù)式 (2 被 分 配 了 B i g 帶 寬 。 WiMAX 協(xié) 議 支 持 4種 服 務(wù) 類 別 :UGS 、 rtPS 、 nrtPS 和 BE 。 設(shè)某個終

19、端 SSx , 這 4個隊(duì)列申請的帶寬為 B x,j req(j =1,2,3,4, 則終端 SSx 申請的總帶 寬 B x req=4j =1B x,j req, 用 B x,j g(j=1,2,3,4表示為終端 SSx 各個服務(wù)類別分配的帶寬 , 并設(shè)計(jì)了如下的帶寬分配算法 :if B i g S nx =1B xreqthenB x,j g =B x,jreqelseB avl =B i g -N 1x =1B x,1reqB x,2g=(W AF B avl W rtPS /N 2B x,3g=(W AF B avl W nrtPS /N 3B x,4g =(W BF B avl /N

20、 4end if上面的算法中第一步如果 ONU-BSi 滿足所有終 端 SS 的帶寬申請 , 則滿足所有終端的帶寬需求 。 否則 , 首先無條件滿足 UGS 服務(wù)類別的需求 , 因?yàn)?UGS 服 務(wù)類別最高 , 剩余帶寬按權(quán)重在各個服務(wù)類別中分配 。 服務(wù)類別 rtPS 和 nrtPS 合并起來共同對應(yīng) AF 隊(duì)列 , 服務(wù)類別 BE 對應(yīng) BE 隊(duì)列 , 本文為 AF 隊(duì)列和 BE 隊(duì) 列設(shè)置了權(quán)重 W AF 和 W BF , 并為服務(wù)類別 rtPS 和 nrtPS 設(shè)置了權(quán)重 W rtPS 和 W nrtPS , 以達(dá)到靈活分配帶寬的目 的 , N 1、 N 2、 N 3和 N 4分別對應(yīng)著有相應(yīng)服務(wù)類型帶 寬申請的終端集合個數(shù) 。3結(jié)束語光纖無線融合是一種很有前途的架構(gòu) , 本文在 E -PON 和 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)融合的基礎(chǔ)上 , 設(shè)計(jì)了一個基于 QoS 的帶寬分配框架方案 , 詳細(xì)分析了帶寬申請和分配的流程 , 并給出了具體的帶寬分配算法 , 實(shí)現(xiàn)了區(qū) 分多種業(yè)務(wù)和保證了 QoS 。 EPON 和 WiMAX 網(wǎng)絡(luò)融合 是一個很大的研究課題 , 還有很多方面需要進(jìn)一步研 究 , 本文只是進(jìn)行了初步的探討 。 參考文獻(xiàn) :1SUEMURA Y, NAKAMURA S, HU J Q. P