環樹型TWDM—PON動態資源調度方法研究

張治國　胡新天　陳雪

針對基于波長變換型遠端節點（RN）的環樹型時分波分復用無源光網絡（TWDM PON）接入網方案，提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數算法等兩種波長與時隙聯合帶寬分配算法。仿真結果顯示了兩種算法的有效性，最大帶寬利用率算法可有效提高系統帶寬利用率；最小切換次數算法可有效延長系統運行壽命，在現有光開關運行次數條件下系統可保證10年以上的有效運行時間。

環樹型時分波分復用無源光網絡；動態波長-時隙帶寬分配；混合整數線性規劃模型；最小切換次數算法

In this paper， we introduce a wavelength conversion RN-based ring-tree time and wavelength division multiplexing （TWDM） optical access network （OAN）. We also propose a maximum bandwidth utilization rate algorithm and minimum tuning time algorithm. The simulation results show the effectiveness of the two algorithms. The maximum bandwidth utilization rate algorithm improves system bandwidth utilization. The minimum tuning time algorithm prolongs the life of the system， ensuring an effective running time of more than 10 years under existing optical switch running times condition.

ring-tree TWDM； dynamic wavelength-timeslot bandwidth allocation； mixed integer linear programming； minimum tuning time algorithm

近年來，隨著高清視頻、網絡電視（IPTV）、P2P等為代表的高速率高質量業務的發展使得網絡中的數據流量正在飛速增長[1-2]。根據Cisco公司預測2016年全球IP數據量將突破ZB（1021 Byte）大關，達到1.3 ZB/年。網絡數據的增加必將推動網絡容量的提升，作為下一代接入網的主要解決方案，光接入網的高速大容量化是其技術發展趨勢[3-5]。另一方面，隨著接入用戶數量的增加及用戶帶寬的提升，由于商業用戶與居民用戶所產生的業務時間、地點不同及寬帶移動終端用戶的突發匯集等原因[6]，導致未來接入網數據流量的突發性、快速或慢速的大帶寬波動性等特征將會進一步凸顯。因此，下一代光接入網在具備大容量的同時，還應具備靈活調整帶寬資源分配的能力以應對流量在時間與空間分配上的波動。

既可前向兼容現有時分復用無源光網絡（TDM PON）系統以實現網絡平滑升級，又能動態地調度波長和時隙資源以應對業務流量的波動，混合時分波分復用無源光網絡（TWDM PON）是最具應用前景的光接入解決方案之一[7-10]。目前已報道的支持波長與時隙聯合調度的動態TWDM PON方案中，一般通過在一套系統中采用可調收發機或兩套以上收發機的方式[6，11-12]，將擁擠的光波長上的數據流量調整到非擁擠的光波長上，并結合光網絡單元（ONU）間帶寬時隙調度的方式同時實現對波長與時隙的動態調度。但現有解決方案會導致ONU成本較高，對于成本敏感的ONU而言不是有效的解決方案。針對上述問題，我們提出了一種基于波長變換型遠端節點（RN）的環樹型時分波分復用（TWDM）光接入網絡方案[13-14]。RN將所分配的光波長轉換為符合標準規定的固定波長，并用于在樹型網內進行上下行數據傳輸。基于這種機制，在所設計的TWDM-PON光網絡結構中仍然可以后向兼容地繼續使用現有標準化的各類ONU。從而將成本由ONU轉移到對成本相對不敏感的RN上。但是，該網絡結構依然需要解決現有TWDM PON都面臨的問題，即提出基于實時流量波動條件的波長與時隙聯合動態資源調度解決方法。

本文針對TWDM PON面臨的動態資源調度方法問題，提出了一種基于波長變換型遠端節點（RN）的環樹型TWDM PON網絡方案，并基于所設計的TWDM PON方案，提出了兩種分別具有更好服務質量（QoS）和更長設備使用壽命特征的動態波長和帶寬分配（DWBA）算法，另外對DWBA問題中的約束和難點進行了分析闡述。所提的DWBA算法具有很好的兼容性，可以有效地應用到其他TWDM PON系統結構中。

1 基于波長變換型RN的

環樹型TWDM PON結構

本文提出的TWDM PON網絡結構如圖1所示。該方案由中心站（CO）、環型網結構、RN、樹型網結構、ONU等部分構成。一根雙向光纖環型結構將CO與多個RN連接在一起。環型光纖結構上運行多個工作波長，且在CO控制下各波長可以動態的在各RN間分配，各RN可同時分配得到一個或多個上下行光波長。RN處可以進行波長變換，保證樹型結構中使用的波長與環型結構中使用的波長相互獨立。每個RN可連接若干個TDM樹。同一個TDM樹下的所有ONU可以構成一個ONU組。在50 km環型結構長度和20 km樹型結構長度下，該結構最多可以支持8 192個ONU。根據需求，該系統環形結構可支持上下行各32波及以上波長（如[λu1，...，λu32，λd1，...，λd32]）且單波長速率10 Gbit/s的業務波長，另外還有1對控制波長（如[λuc，λdc]）。波長間隔符合ITU-T規定的50 GHz柵格。上下行波段分別位于C波段的紅區和藍區。上下行波段間設有6 nm的保護帶。endprint

在RN處，所有的下行信號通過50/50功率耦合器和紅藍濾波器下路，并被陣列波導（AWG）解復用。解復用后，一方面，固定的控制波長被直接送進從控制器。從控制器提取RN控制信息，然后指導矩陣光開關進行波長選擇和路由。另一方面，其他波長被送入矩陣光開關，矩陣光開關選擇指定的波長下路，并在波長變換后將下路的波長送往ONU。上行信號沿著與下行信號相反的路徑傳輸。不同之處是，波長變換器會根據從控制器的控制調整內部可調激光器的上行波長，并發送上行信號。這樣，與下行信號一樣，環上承載業務的上下波長可以動態地被不同RN共享。另外，每個波長上的時隙分配信息由下行業務波長承載著送到ONU，而ONU的帶寬請求利用上行業務波長送到CO。

基于CO端的DWBA的控制，上下行業務波長可以被動態的分配給不同的ONU組，從而可以根據各ONU的帶寬需求實現對波長分配調度，實現波分的高效利用。例如如圖1右上角所示，以上行為例，當使用[λu1]的ONU組的總帶寬請求已經超過10 Gbit/s的總容量時，其中一個ONU組被重新分配給有空閑帶寬的[λu2]。因為[λu1]和[λu2]就可以承載全部的帶寬請求，所以[λu3]沒有被分配給任何ONU組使用，可以被關閉以獲得系統節能。該網絡結構的另一特點是支持前后向兼容性。同一標準體系下，10G-ONU可以替代已經部署的1G-ONU，并且和剩余的1G-ONU共存。通過RN的波長變換器，TDM樹上既可以使用標準規定的波長，又可以使用由下行突發信號填充所形成的連續信號。

作為典型的應用場景之一，圖2介紹了在IEEE標準體系下1 Gbit/s EPON ONU和10 Gbit/s EPON ONU的共存方式。在樹型結構部分，下行使用WDM共存，而上行采用雙速率TDMA的傳輸方式[7]。在環形結構部分，上行依然采用雙速率TDMA的傳輸方式，而下行則采用雙速率TDM的方式。下行采用雙速率TDM的原因是環形結構部分的成本相對不敏感，而波長資源相對緊張。CO和RN中的雙速率接收機[15]用來接收同波長的1 Gbit/s和10 Gbit/s信號。對于該方案的實施可行性，對于樹型結構部分，該方案可以前后兼容現有PON系統實現對已有投資的保護，對于環型結構部分，可以利用現有的SONET/SDH城域光纖環路設施，該方案的部署只需要更換替代RN處的設備。因此，上述原因保證了該方案的實施可行性。

2 環樹型TWDM-PON動態

資源調度機制及算法

2.1 DWBA機制

在所設計的基于波長變換型RN的環樹型TWDM PON方案中采用了集中式的帶寬分配，由CO統一分配全網的波長和時隙資源，并控制RN和ONU執行分配結果。圖3是帶寬分配實施的處理流程。流程如下：

（1）ONU使用帶內開銷向CO上報帶寬請求。

（2）基于可用帶寬資源、ONU的上下行帶寬需求和用戶服務等級協議，CO運行DWBA算法，DWBA算法用來決定RN處的上下行波長，并為每個ONU安排上下行傳輸窗口的長度和起始時刻。

（3）OLT將分配結果通知給RN，并在相應的數據到達RN時，RN能夠正確的選擇上下行波長。

（4）基于DWBA算法的分配結果，OLT發送下行業務數據和帶寬授權信息。

（5）ONU從帶寬授權中獲知上行帶寬分配的結果，并在規定的窗口發送上行業務。

上行和下行帶寬分配問題都可以利用上述模型表達。雖然可以利用AMPL/CPLEX求得最優的帶寬分配方案[ρn，m]，但是求得的最優解無法應用于實際網絡。帶寬分配問題是NP-hard問題[16]，所以需求最優解的算法復雜度高。算法的執行實際太長以致于不能及時得到分配結果。另外，最優解無法保證不同ONU間的公平性，甚至會出現ONU餓死的現象。所以，我們提出兩種復雜度低的啟發式算法，以追求帶寬分配問題的近似最優解。

2.3 啟發式DWBA算法

通過松弛帶寬分配問題的約束條件和優化目標，我們對所設計環樹型TWDM PON提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數算法兩種DWBA算法。最大帶寬利用率算法盡可能的利用帶寬資源，但是不考慮上述約束條件（4）對光開關切換次數的限制。最小切換次數算法通過減少光開關切換次數盡可能的延長設備的使用壽命，故不以帶寬利用率為第一位的優化目標。

兩個算法的偽代碼如圖4所示。DWBA分配問題被分為動態波長分配算法（DWA）和動態時隙帶寬分配算法（DBA）。DWA每[K]個周期為RN分配一次上下路光波長。對于最小切換次數算法，它首先嘗試仍然為ONU分配前一周期使用的波長。當前一周期使用的波長當前周期不可用或者采用了最大帶寬利用率算法時，ONU會被嘗試安排給用于更多可用帶寬資源的工作波長。最后，如果通過上述步驟，仍然無法為一個ONU找到合適的工作波長，忽略上述約束條件（1），把該ONU安排給承載最少帶寬請求的波長。DBA用來為各ONU組中的ONU分配傳輸時間窗口的大小和起始時間。每個周期每個波長都要執行一次DBA。所采用的DBA算法用于承載有平均速率保證的變速率突發業務[17]。兩個算法的時間復雜度相同，都是[ONM]。DWBA算法偽代碼如圖4所示。

3 環樹型TWDM-PON動態

資源調度算法性能分析

為了分析所提DWBA算法的性能，我們利用MATLAB建立了仿真系統。仿真系統由16個RN、64個ONU組和512個10G-ONU組成。環上業務波長的個數最大為16個。只對上行傳輸進行了仿真。采用了0.8 Hurst參數的自相似數據源。每個ONU擁有一個10 MB的先入先出（FIFO）隊列。DWA和DBA周期都設為2 ms。仿真結果如圖5所示。

圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）對兩個算法進行了對比。仿真中采用了有大負載和小負載兩類ONU的兩點分布。例如，白天大負載ONU可以代表商業用戶，而小負載ONU用來模擬居民用戶。兩類ONU的平均速率分布為400 Mbit/s和100 Mbit/s。通過調整大負載ONU的個數從0到256個，相應的歸一化網絡負載由0.32變化到了0.8。平均看，與最小切換次數算法相比，最大帶寬利用率算法可以多關閉0.73個工作波長，并提高3.81%的帶寬利用率。最小切換次數算法最大需要光開關每秒切換26次，但是最大帶寬利用率算法要切換1 858次。兩種算法的時延和時延抖動相似。endprint

考慮到矩陣光開關的有效開關次數可以達到10億次以上。為了使光開關能工作10年以上，則每秒鐘其切換次數要小于32次。因此，上述最大帶寬利用算法的切換次數太多。我們提出了通過延長DWA周期來減少光開關的切換次數。如圖4（d）所示，當DWA周期[K=100]時，每秒鐘切換次數降到了29次，但相應時延也會有所上升，約15 ms。

4 結束語

本文討論了環樹型TWDM-PON接入方案中的波長與時隙動態分配與調度問題，并基于MILP模型對該問題進行了建模分析。進而提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數算法兩種DWBA算法。仿真結果顯示了兩種算法的有效性。但對比顯示最小切換次數算法的性能相對更占優，它能夠在保證時延的前提下，在現有光開關運行次數條件下系統可保證10年以上的有效運行時間。此外，本文還描述了環樹型TWDM-PON接入方案的后向兼容性和成本效益。

參考文獻

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考慮到矩陣光開關的有效開關次數可以達到10億次以上。為了使光開關能工作10年以上，則每秒鐘其切換次數要小于32次。因此，上述最大帶寬利用算法的切換次數太多。我們提出了通過延長DWA周期來減少光開關的切換次數。如圖4（d）所示，當DWA周期[K=100]時，每秒鐘切換次數降到了29次，但相應時延也會有所上升，約15 ms。

4 結束語

本文討論了環樹型TWDM-PON接入方案中的波長與時隙動態分配與調度問題，并基于MILP模型對該問題進行了建模分析。進而提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數算法兩種DWBA算法。仿真結果顯示了兩種算法的有效性。但對比顯示最小切換次數算法的性能相對更占優，它能夠在保證時延的前提下，在現有光開關運行次數條件下系統可保證10年以上的有效運行時間。此外，本文還描述了環樹型TWDM-PON接入方案的后向兼容性和成本效益。

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考慮到矩陣光開關的有效開關次數可以達到10億次以上。為了使光開關能工作10年以上，則每秒鐘其切換次數要小于32次。因此，上述最大帶寬利用算法的切換次數太多。我們提出了通過延長DWA周期來減少光開關的切換次數。如圖4（d）所示，當DWA周期[K=100]時，每秒鐘切換次數降到了29次，但相應時延也會有所上升，約15 ms。

4 結束語

本文討論了環樹型TWDM-PON接入方案中的波長與時隙動態分配與調度問題，并基于MILP模型對該問題進行了建模分析。進而提出了最大帶寬利用率算法和最小切換次數算法兩種DWBA算法。仿真結果顯示了兩種算法的有效性。但對比顯示最小切換次數算法的性能相對更占優，它能夠在保證時延的前提下，在現有光開關運行次數條件下系統可保證10年以上的有效運行時間。此外，本文還描述了環樹型TWDM-PON接入方案的后向兼容性和成本效益。

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