E P O N和W i M A X融合架構下帶寬分配和調度機制的研究

卞現澤

(南京郵電大學 通信與信息工程學院 江蘇 南京 210003)

0 引言

目前，以太網無源光網絡(EPON)[2]以其低成本、高帶寬及基于以太網的架構等優勢得到越來越廣泛的應用，成為最有前景的光纖寬帶接入網技術。與此同時，由IEEE 802.16所規范的WiMAX技術正逐步發展為一種主流的無線寬帶接入技術，和WLAN相比，它能提供更大的帶寬，更遠的距離和更好的服務質量(QoS)支持，和蜂窩技術相比，它能提供更好的數據接入服務，是運用前景最為廣闊的無線接入網技術。

雖然光纖寬帶接入技術能提供較高的帶寬，但將光纖真正接入到每家每戶卻始終存在成本較高的問題，而無線接入卻有著網絡鋪設成本低的特點。因此，EPON和WiMAX這兩種技術的融合將會彌補各自技術的不足，充分發揮光纖接入技術的高帶寬與無線技術的靈活性，給用戶帶來更好的體驗，同時可以大大降低網絡整體的建設成本和維護費用，具有廣闊的市場前景。

1 EPON 與 WiMAX 融合系統架構

EPON光纖接入與WiMAX無線接入融合系統的優勢主要體現在以下幾個方面。

第一，相比較E1/T1和DSL 5km左右的服務范圍，EPON提供的服務范圍可以超出20km。因此，融合網絡可以減少購買由于網絡物理擴張所需設備的額外開支。第二，EPON和WiMAX具有良好的匹配能力去融合彼此。EPON網絡中廣泛使用的16分路器能為每個ONU的上行提供62Mbps。EPON的這個特點也和WiMAX BS的能力相匹配，WiMAX BS的最大容量為75Mbps使得沒有多余的帶寬并且由于能力的差異造成融合節點（例如ONU-BS）的擁塞。第三，兩種技術融合后，可以通過更加有效的整合帶寬分配和分包交換機制大大提高系統的QoS和數據吞吐量，并簡化系統操作量。

本文研究了3種可能的融合結構[1]：獨立的 ONUBS（IOB），聯合的ONU-BS（COB），混合的ONU-BS（HOB）。如圖1 所示。

1.1 獨立式架構

如圖1所示，獨立式架構（IOB）是EPON與 WiMAX最簡單的融合形式，兩系統分別獨立運行，WiMAX BS作為EPON系統的ONU終端用戶提供無線連接。這種結構直接通過以太網標準接口使ONU和BS相連。但是，由于EPON和WiMAX之間單獨運行，ONU無法獲取WiMAX BS授權給用戶站多少帶寬的具體信息，同時，WiMAX BS也無法得知光線路終端OLT分配給ONU的帶寬數量。這使得此種架構無法體現兩系統融合的優勢，尤其是對系統帶寬分配的整體優化。另外，這種形式的融合在終端上仍然使用兩個單獨的設備（ONU和WiMAX BS）其系統成本無法得到有效的控制。

圖1 EPON和WiMAX的融合網絡架構

1.2 綜合式架構

WiMAX是一種面向連接的傳輸技術，其帶寬請求和QoS都是面向連接的。基于面向連接的帶寬請求機制，每個終端無線用戶根據各自的網絡連接服務來分配相應的獨占帶寬。EPON技術的帶寬請求機制是面向隊列的，ONU獲得的獨占帶寬根據不同優先級的服務隊列進行分配。兩者總體上具有相似的運行機制，特別是在帶寬請求與分配的處理上。WiMAX由于采用面向連接的分配機制，其帶寬分配更為合理有效，并能提供更好的QoS保證。由于兩者在帶寬處理上的相似性，可以通過修改相應的EPON MAC層協議使其支持WiMAX系統的面向連接的網絡服務。

綜合式ONU-BS（COB）可以看作是在ONU和WiMAX BS之間引入聯合控制器（JC）。直觀地看，這種結構看起來像是ONU、WiMAX BS和JC的一種混合架構，但聯合控制器（JC）是邏輯上獨立地工作在EPON和WiMAX融合網絡的單一系統。對于融合結構的流量管理，JC負責共享EPON ONU和WiMAX BS之間的狀態信息。COB提供了充分地透明融合沒有網絡運營商之間的干擾，這些網絡運營商都有自己的網絡設備和場地。然而，由于設備物理上的隔離需要支付場地的租金和維護費用。

1.3 混合式架構

混合式的架構（HOB）是EPON與WiMAX系統的進一步融合，如圖1下半部分所示，這種結構最顯著的特點是把所有的ONU，BS和JC等功能模塊嵌入到一個單獨盒子里的印刷電路板（PCBs）上。因為HOB結構的功能與COB結構的相當，所以HOB由于含有JC元件也能夠提供融合流量管理。圖2所示為ONU-BS的功能模塊，硬件方面配置了3個CPU分別完成相應功能：CPU1負責EPON部分的數據通信；CPU3則完成WiMAX部分的數據處理；CPU2作為主CPU協調其他兩個CPU的工作。CPU1和CPU3實時向CPU2通報各自的系統狀態，帶寬需求與分配等信息。CPU2根據其他兩個CPU分別提供的EPON部分和WiMAX部分的帶寬信息，統籌安排并指揮CPU1上行向OLT申請帶寬以及CPU2下行對終端無線用戶分配帶寬。在這種架構下，ONU-BS可以實時獲取原ONU和WiMAX BS的有關帶寬需求， 分配和分組調度的詳細信息，以實現系統對上行方向EPON網絡的帶寬請求和下行方向 WiMAX網絡的帶寬分配，分組調度機制的優化處理。因此，與獨立式架構相比，混合式架構可以大大提高系統傳輸性能和QoS服務保證。另外，由于設備硬件的融合，混合式架構具有更低的設備成本。

2 融合架構下基于QoS的調度機制

為避免EPON和WiMAX的所有數據流量在每一個ONU的緩存器里突發發生，適當的修改加權輪詢可以提供嚴格公正的特性和高效的時延保障。當無線數據流量從SS傳輸到BS時，BS的隊列配置成高優先級隊列確保能優先傳輸數據。在文中，為了管理呼叫準入控制我們提出一種基于隊列的調度機制和上行傳輸機制，使用戶可以有效地滿足對帶寬要求的需求，提高系統的效率。

802.16 協議支持五種類型的QoS：UGS（主動授權業務），rtPS（實時輪詢業務），ertPS（擴展的實時輪詢業務），nrtPS（非實時輪詢業務），BE（盡力而為業務）。如圖3所示，我們設計了兩個調度步驟去配置優先級。首先，我們設定UGS具有最高的優先級去傳輸。其次，我們設定rtPS比ertPS有較高的優先級，然后根據這個優先級次序在優先級隊列1（PQ1）里分配數據分組。此外，nrtPS比BE業務有較高的優先級，然后按照這個優先級次序在優先級隊列2（PQ2）里分配數據分組。接下去，我們參考ONU緩存區的情況來決定UGS，PQ1和PQ2的優先級比。如果ONU的緩存器被填滿小于40%，那么UGS，PQ1和PQ2的優先級比配置為4：2：1。如果ONU的緩存器被填滿在40%和80%之間，那么UGS，PQ1和PQ2的優先級比配置為2：1：0。最后，如果ONU的緩存器被填滿在80%以上，那么UGS，PQ1和PQ2的優先級比分別配置為1：1：0。此外，分別地有，在UGS里的數據分組傳輸到ONU的加速轉發型（EF）隊列里，在PQ1里的數據分組傳輸到ONU的確定轉發型隊列里，在PQ2里的數據分組傳輸到ONU的盡力而為業務（BE）隊列里。在這種模式下，提出的調度機制保障UGS在融合網絡里有較多的機會傳輸。

圖3 混合結構的兩個調度步驟

在先前的研究中基于預測的公平分配過多帶寬（PFEBA）[6]的機制已經發展到減少空閑時間和提高預測的準確性。如圖4所示，PFEBA可以通過延時一些不穩定的流來安排傳輸REPORT消息到OLT的隊列。通過減少空閑時間把PFEBA機制并入提前動態帶寬分配（E-DBA）機制中可以提高所有ONU的公平性并且有較低的分組時延，這個空閑時間是指DBA的計算時間的總和與在OLT和每個ONU之間的往返時間。減少空閑時間能提高帶寬利用率和系統性能。在E-DBA機制中包含兩種操作。首先，OLT在來自bV的REPORT消息之后執行DBA機制，bV是在不穩定程度列表里有較高差異的ONU集合，在傳統DBA機制里在收到 ONUN?1之后結束而不是 ONUN。與此同時， ONUN能同時傳輸數據。這種操作能夠減少傳統DBA機制的空閑時間并且為不穩定流量ONU收集更多的信息 以使能在下一周期有更精確的預測。其次，在下個周期里分配給每個ONU的帶寬是基于所有的ONU以降序進行流量變化，并且通過分配一些具有較高差異的不穩定流量的ONU來更新bV。這種操作通過在傳輸數據之前減少等待時間，可以減輕不穩定流量的ONU之間為了保持預測更加準確的差異。

圖4 提前DBA機制的運行過程

然而，當流量負載重的時候加速轉發型的分組時延和變異的PFEBA的分組時延還不足夠好。這是由于PFEBA根據每個ONU的不穩定程度列表來分配上行次序，如圖5(a)所示，圖中的Pi,j表示在當前周期jONU的流量類型。每一個ONU負責具有不同優先級的隊列，例如0P，1P和2P分別代表語音，視頻和數據流。大體上，0P流對時延和時延差異十分敏感。為了減少高優先級流的最大分組時延和分組時延差異，文中提出的基于QoS的動態帶寬分配（QDBA）機制把一個幀分成兩部分，一部分對于0P流來說是個始終分配幀的第一個位置的穩定部分；另一部分對于1P和2P流來說是基于FPEBA的動態部分，如圖5(b)所示。這樣，它可以保障對時延和時延差異敏感的0P流獲得較低的分組時延和較低的分組時延差異。這是由于0P流始終有穩定的部分去傳輸并且一直在傳輸周期的前面。

圖5 DBA的運行過程 （a）PFEBA （b）QDBA

3 性能分析

在EPON和WiMAX融合結構提出的基于QoS的調度機制的系統性能與IPACT機制在帶有/不帶有在丟包率、平均隊列長度和平均端到端時延方面調度情況的相比較。使用OPNET建模器建立有1個OLT和32個ONU系統模型。下行和上行信道速率均為1Gbps。從ONU到OLT的距離假定為從10km到20km不等，并且每個ONU有10m的有限發送緩沖區。在這里作為被考慮的流量模型，大量的研究表明大部分的網絡流量可以分類為自相似性和遠距離的依賴。這種模型用來產生高度飽滿的BE業務和具有Hurst參數為0.7的確定轉發型流量類，并且分組長度均勻分布在在64和1518字節。在另一方面，高優先級流量使用泊松分布模型且數據包長度固定為70字節。

3.1 丟包率

圖6(a)中比較了在基于隊列的調度機制和非調度機制之間的QDBA算法和IPACT算法的丟包率隨流量負載的變化。仿真結果表明基于隊列的調度機制和非調度機制都是在流量負載達到30%之后開始丟包，特別對于非調度機制來說。盡管使用基于隊列的調度機制的QDBA和IPACT算法在丟包率方面有較好的性能。但是當網絡負載超過30%時，我們看到由于緩存區溢出有相當多的包丟失。

3.2 平均隊列長度

圖6(b)中比較了在基于隊列的調度機制和非調度機制之間的QDBA算法和IPACT算法的平均隊列長度隨流量負載的變化。仿真結果表明使用基于隊列的調度機制的QDBA算法比不使用調度機制的算法有較短的隊列長度。平均隊列長度和平均分組時延是成比例的，較短的分組時延意味著ONU傳輸數據分組較快，因此緩存區包含有較少的分組數據。

2.3 平均端對端時延

圖6(c)中比較了在兩種調度機制之間的QDBA算法和IPACT算法從ONU到OLT的平均端對端時延；圖7中比較了兩種調度算法在EF、AF、BE之間從ONU到OLT的平均端對端時延。圖6(c)表明了文中提出的QDBA算法比IPACT算法有較好的性能，特別是在流量負載高于60%時。可以看到基于隊列的調度機制在不同的服務之間有好的呼叫準入控制性能。因此，經過基于隊列的調度機制之后的端對端時延降低了。圖7顯示了EF、AF和BE的平均端對端時延十分相似，這是因為端對端時延的傳輸時間從分組數據進入到ONU開始直到分組數據能夠被傳輸。更重要的是延時時間的主要因素是根據DBA機制而定。

4 總結

作為一種低成本、高帶寬、移動性和可擴展性的寬帶接入網解決方案，EPON和WiMAX的融合結構通過高效的固定移動融合具有發送綜合帶寬業務的能力。文中提出的EPON中基于QoS的DBA機制并入到PFEBA機制中能提高系統性能。在本文中，我們提出的調度機制總是在幀的固定位置分配高優先級流量使盡量減少時延變化。仿真性能結果表明文中提出的算法能有效地改善丟包率和平均隊列長度。此外，該算法能夠減少不同服務之間的平均分組端對端時延，以確保訂閱用戶的QoS質量。

圖6 (a) 丟包率

圖6 (b) 平均隊列長度

圖6 (c) 平均端對端時延

圖7 EF、AF、BE流量的平均時延

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