混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)中帶有灰色預(yù)測的高效動態(tài)資源分配策略

王汝言　蔣　婧　熊　余　唐劍波（重慶郵電大學(xué)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶400065）

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混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)中帶有灰色預(yù)測的高效動態(tài)資源分配策略

王汝言蔣婧熊余*唐劍波
（重慶郵電大學(xué)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶400065）

針對混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的用戶接入距離增大，使得往返時延增加，造成網(wǎng)絡(luò)中閑置時間增多，進(jìn)而引起帶寬浪費(fèi)的問題，該文提出一種帶有灰色預(yù)測的高效動態(tài)混合資源分配策略。通過對閑置時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色預(yù)測，動態(tài)確立光網(wǎng)絡(luò)單元的帶寬分配策略，以減小網(wǎng)絡(luò)時延；利用波長結(jié)束時間的差異性，周期性地實(shí)時調(diào)整各波長的數(shù)據(jù)傳輸順序，實(shí)現(xiàn)波長的高效利用和負(fù)載均衡。仿真結(jié)果表明，該動態(tài)資源分配策略有效地消除閑置時間的影響，且波長得到高效地利用，提高了帶寬利用率的同時減少網(wǎng)絡(luò)時延。

無源光網(wǎng)絡(luò)；時分波分復(fù)用；動態(tài)資源分配；閑置時間；灰色預(yù)測；資源利用率

1　引言

目前，波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展極大地提升了核心網(wǎng)的承載能力［1］。然而，作為“最后一公里”的接入網(wǎng)發(fā)展相對緩慢，成為制約核心網(wǎng)與用戶之間大容量快速數(shù)據(jù)通信的瓶頸。時分波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（Time and Wavelength Hybrid Division M u ltip lexed Passive Op tical Network，TW DMPON）具有大容量、高帶寬和長距離等優(yōu)勢，被廣泛研究［24］-。而TWDM-PON是基于多點(diǎn)控制協(xié)議（Multi-Point Control Protocol，MPCP）實(shí)現(xiàn)資源分配，接入距離的增大會導(dǎo)致往返時間（Round Trip Time，RTT）增加，使得網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更多的閑置時間，這造成資源浪費(fèi)［5］。同時，TWDM-PON的資源分配較傳統(tǒng)無源光網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜［6］。因而，設(shè)計合理的資源分配策略以消除閑置時間，提高帶寬利用率并降低網(wǎng)絡(luò)時延，是TWDM-PON得以實(shí)際部署的關(guān)鍵。

針對TWDM-PON中閑置時間增大導(dǎo)致帶寬浪費(fèi)的問題，文獻(xiàn)［7］基于波長結(jié)束時間提出對閑置時間填空的策略即最早完成時間填空（Earliest Finish Time w ith Void Filling，EFT-VF），一定程度上消除閑置時間，但需在RTT差異特別大的網(wǎng)絡(luò)中性能才最優(yōu)。文獻(xiàn)［8］結(jié)合EFT-VF的優(yōu)勢，提出多線程部分填空策略，進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)時延，但其性能的提升依賴于平均每條波長在周期內(nèi)傳輸光網(wǎng)絡(luò)單元（Op tical Network Unit，ONU）的數(shù)量。而通過預(yù)測閑置時間內(nèi)到達(dá)ONU端的數(shù)據(jù)，并提前為之分配補(bǔ)償帶寬，有效地減少數(shù)據(jù)在ONU端的等待時延，消除閑置時間的影響。為此，文獻(xiàn)［9］提出通過監(jiān)測ONU端流量變化，隨機(jī)設(shè)定預(yù)測因子來預(yù)測帶寬以進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分配，但未基于預(yù)測因子分析網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)［10］提出基于自適應(yīng)線性預(yù)測的動態(tài)帶寬分配策略，即基于當(dāng)前和過去平均到達(dá)率的線性組合來預(yù)測閑置時間內(nèi)業(yè)務(wù)的平均到達(dá)率，但線性預(yù)測不能很好地預(yù)測突發(fā)性業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)［11］利用業(yè)務(wù)突發(fā)性來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的預(yù)測順序，其預(yù)測精度進(jìn)一步改善，但性能改善不大。文獻(xiàn)［12］通過對不同等級業(yè)務(wù)的線性預(yù)測，保證了不同等級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），但缺乏很好的預(yù)測模型以致預(yù)測精度不高。文獻(xiàn)［13］基于在線-離線分配的改進(jìn)型穩(wěn)定匹配策略，通過指數(shù)衰減模型對周期內(nèi)部分ONU帶寬請求信息進(jìn)行預(yù)測，提高了波長調(diào)度效率，但并未對單個ONU的閑置時間進(jìn)行考慮。盡管上述文獻(xiàn)在一定程度上預(yù)測了閑置時間內(nèi)到達(dá)的業(yè)務(wù)，減小了排隊時延，但缺乏有效的理論模型和定量的分析，且預(yù)測精度有待提高。

為此，本文提出一種基于灰色預(yù)測的高效動態(tài)資源分配策略（Novel Dynam ic Resource A llocation Strategy with Grey Prediction，NDRAS-GP），通過對閑置時間內(nèi)到達(dá)數(shù)據(jù)及周期內(nèi)部分ONU的帶寬請求信息進(jìn)行預(yù)測以動態(tài)確立ONU時隙帶寬分配策略；通過對ONU分配到的時隙帶寬大小進(jìn)行排序，實(shí)時調(diào)整ONU數(shù)據(jù)發(fā)送順序；最后，采用高效的波長傳輸方案進(jìn)行數(shù)據(jù)承載。

2　問題描述

隨著多媒體業(yè)務(wù)和大量智能終端的不斷涌現(xiàn)，用戶對帶寬需求急劇增加，使得資源分配問題面臨巨大的挑戰(zhàn)［14］。在TWDM-PON中，ONU與光線路終端（Op tical Line Term inal，OLT）之間的“請求-授予”過程勢必會導(dǎo)致閑置時間產(chǎn)生，造成帶寬浪費(fèi)，如圖1所示（其中，Tis為閑置起始時間，Tie為閑置結(jié)束時間）。因而，需盡可能地利用TWDMPON多波長傳輸?shù)膬?yōu)勢，消除閑置時間以降低網(wǎng)絡(luò)時延及避免帶寬浪費(fèi)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［15］。

圖1　網(wǎng)絡(luò)閑置時間示意圖

由圖1可知，閑置時間內(nèi)數(shù)據(jù)會持續(xù)到達(dá)ONU緩存。而ONU向OLT發(fā)送的帶寬請求并不包含新到達(dá)的數(shù)據(jù)，OLT也不能為之分配帶寬，使得閑置時間內(nèi)新到達(dá)數(shù)據(jù)要等到下個周期才能申請帶寬，增加網(wǎng)絡(luò)時延。若對閑置時間內(nèi)到達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地預(yù)測，并提前為之分配補(bǔ)償帶寬，則能有效減少數(shù)據(jù)的排隊時延。而ONU向OLT申請帶寬時，并不能獲取ONU在得到授權(quán)帶寬前用戶數(shù)據(jù)流量的全部信息及其變化特征，顯然部分信息未知的用戶數(shù)據(jù)流量屬于灰色系統(tǒng)［16］。在灰色系統(tǒng)中，通過對少量原始數(shù)據(jù)累加后，預(yù)測數(shù)據(jù)具有明顯的指數(shù)特征；然后，通過建立微分方程進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并以逆累加生成的方式獲得原始數(shù)據(jù)的預(yù)測值。雖然ONU的請求信息隨時間推移差異性較大，但是灰色預(yù)測模型可在很短時間內(nèi)對少量原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，使得對閑置時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測獲得的預(yù)測值更為準(zhǔn)確。

對閑置時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬預(yù)測補(bǔ)償后，需盡可能地利用多波長進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而在資源分配的過程中，不可避免地產(chǎn)生了往返時延及波長調(diào)諧時間（Turn Tim e，TT），使得波長開始及結(jié)束的時間不一，引起波長存在空閑時隙，造成帶寬浪費(fèi)。因而，怎樣合理調(diào)度多波長高效地完成數(shù)據(jù)傳輸，提高帶寬利用率的同時實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，是所提策略亟待解決的問題。

3　方法描述

本文所提策略的基本思想為：運(yùn)用灰色預(yù)測模型，并根據(jù)周期內(nèi)波長傳輸?shù)慕Y(jié)束時間，對閑置時間內(nèi)部分ONU的帶寬請求信息進(jìn)行預(yù)測，以消除閑置時間的影響；同時，基于波長最早結(jié)束時間進(jìn)行資源分配，并對ONU數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)排序發(fā)送，實(shí)現(xiàn)波長負(fù)載均衡。為描述該資源分配策略，定義變量如表1所示。

3.1帶有灰色預(yù)測的動態(tài)時隙帶寬分配子策略

本文所提策略是基于固定周期，往返時間RTT、波長調(diào)諧時間TT及第1q-周期的調(diào)度情況會影響第q周期內(nèi)波長k的開始時間及結(jié)束時間根據(jù)波長在周期內(nèi)最早完成時間，確定OLT最終進(jìn)行動態(tài)帶寬分配（Dynam ic Bandw idth A llocation，DBA）計算的決策時間，以提前對下一周期進(jìn)行帶寬授予。

表1　符號及含義

將該值作為DBA的決策時間，同時對帶寬請求還未到達(dá)OLT的部分ONU進(jìn)行預(yù)測，并提前發(fā)送下行授予，以消除閑置時間的影響。然而，動態(tài)改變DBA的決策時間，會導(dǎo)致部分ONU的帶寬請求在DBA決策時并未到達(dá)OLT，需對這部分ONU的帶寬請求進(jìn)行預(yù)測，通過式（2）計算需進(jìn)行預(yù)測的ONU集合

其中，，fqit為ONUi在周期q內(nèi)結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。由于數(shù)據(jù)到達(dá)具有突發(fā)性，ONU并不知當(dāng)前周期內(nèi)帶寬請求大小，且不能獲知閑置時間內(nèi)數(shù)據(jù)流量的信息及變化特征。因而，可利用灰色理論對請求帶寬進(jìn)行補(bǔ)償，獲知ONU在該周期的帶寬請求及閑置時間內(nèi)到達(dá)ONU數(shù)據(jù)的預(yù)測值，以降低排隊時延。

經(jīng)過上述累加過程，原樣本序列的隨機(jī)性得到削弱，變?yōu)檩^有規(guī)律的樣本數(shù)據(jù)。為了便于對該變化過程進(jìn)行研究和描述，分析其時序冗余性，對生成數(shù)據(jù)序列建立微分方程如式（4）所示。

其中，a為發(fā)展系數(shù)，反映了時間序列（0）r的增長速度；u為灰色作用量，反映序列（0）r的數(shù)據(jù)變化關(guān)系。此方程滿足初始條件，當(dāng)如式（5）所示。

為便于求解，將上述微分方程離散化，得到閑置時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)量的差分方程為

對等間隔取樣的離散值（注意到01t=）則為

將式（9）寫為矩陣表達(dá)式：

則式（11）的矩陣形式可寫為

式（14）的最小二乘估計為

經(jīng)最小二乘估計所得值代入式（3）中，可得離散解：

對該解進(jìn)行累減還原計算，即可得原數(shù)列的預(yù)測模型。

由式（18）可得在周期q內(nèi)需進(jìn)行預(yù)測ONU的帶寬請求預(yù)測值）及其余ONU閑置時間內(nèi)帶寬預(yù)測補(bǔ)償值

前面由灰色預(yù)測模型對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行了預(yù)處理，得到了帶寬預(yù)測補(bǔ)償值。為使該預(yù)測值盡可能地反映閑置時間內(nèi)的數(shù)值，需對預(yù)測值進(jìn)行檢驗(yàn)，利用殘差檢驗(yàn)對預(yù)測值做一步考察，如式（19）所示。

經(jīng)過帶寬預(yù)測及修正后，計算出各ONU在周期q內(nèi)獲得帶寬如式（20）所示，其中最小保證帶寬如式（21）。

經(jīng)過前述灰色模型的預(yù)處理及利用殘差檢驗(yàn)對預(yù)測精度進(jìn)行修正，OLT能夠獲得基于時序數(shù)據(jù)序列的灰色預(yù)測值。OLT根據(jù)預(yù)測值補(bǔ)償相應(yīng)的帶寬，可減少業(yè)務(wù)的排隊時間，從而達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的目的。至此，各ONU的時隙帶寬已分配完畢，在資源池中等待OLT為其分配波長以獲得數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2高效的波長分配子策略3.1節(jié)基于灰色理論進(jìn)行帶寬請求預(yù)測，動態(tài)確立了時隙分配策略。而如何高效地利用多波長資源傳輸數(shù)據(jù)，并盡可能實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡及避免帶寬浪費(fèi)是所提策略的重要問題。為此，本文提出高效的波長分配策略。

OLT已將資源池中的時隙資源合理有效地分配給各ONU，動態(tài)調(diào)整發(fā)送ONU數(shù)據(jù)的順序以確立不同的波長承載方案。同時，波長承載ONU數(shù)據(jù)需遵循一定的約束條件，如式（22）～式（24）所示。

其中，式（22）表示波長數(shù)小于ONU總數(shù)；式（23）表示同一個ONU不能同時在兩條或兩條以上的波長上進(jìn)行傳輸；式（24）表示同一時刻每條波長只能傳輸一個ONU的數(shù)據(jù)。所提高效的波長分配策略步驟如下：

步驟1在初始周期0q=時，OLT在資源池中隨機(jī)挑選ONU加載到各波長信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)承載。各波長在周期內(nèi)完成傳輸任務(wù)的結(jié)束時間先后不同，即波長出現(xiàn)空閑的時間不等。如圖2（a）所示，波長1k=的結(jié)束時間最大，而3k=的結(jié)束時間最小。OLT選擇波長3k=這條波長的結(jié)束時間作為決策時間，按照3.1節(jié)的時隙帶寬分配策略對下一周期進(jìn)行DBA計算。

步驟2進(jìn)入常規(guī)周期（1q≥）后，OLT提前對各ONU的帶寬信息進(jìn)行授予，進(jìn)一步消除周期間閑置時間的影響。如圖2（b）所示，由于在初始化周期內(nèi)波長3k=最早結(jié)束傳輸任務(wù)，則該周期內(nèi)并未得到最大化利用，在周期1q=內(nèi)，優(yōu)先對該波長進(jìn)行調(diào)度。依次類推，波長結(jié)束時間越小其優(yōu)先級越高。按照波長優(yōu)先級不同，將資源池中的ONU待發(fā)送數(shù)據(jù)按降序的方式依次加載到各波長信道上進(jìn)行傳輸。

步驟3當(dāng)出現(xiàn)波長可用時，按照波長優(yōu)先級順序進(jìn)行挑選ONU數(shù)據(jù)。如圖2（b）所示，首先考慮波長3k=在完成第1個ONU數(shù)據(jù)后帶寬利用情況，將在資源池中為其預(yù)留最大的ONU數(shù)據(jù)。按照同樣的方式，為各優(yōu)先級波長預(yù)留ONU待發(fā)送ONU數(shù)據(jù)，該最早可用波長將傳輸屬于自己優(yōu)先等級的ONU數(shù)據(jù)。

依次類推，當(dāng)出現(xiàn)最早可用波長時按照波長優(yōu)先級進(jìn)行ONU數(shù)據(jù)挑選，保證波長優(yōu)先級最高的波長得到最充分利用。如圖2（b）所示，理想情況下，周期1q=結(jié)束時，波長3k=最晚結(jié)束調(diào)度任務(wù)，波長1k=最早結(jié)束調(diào)度任務(wù)。較初始周期，各波長結(jié)束時間正好為相反的順序，雖在單周期內(nèi)波長負(fù)載并未達(dá)到均衡，但一段時間內(nèi)各波長達(dá)到負(fù)載均衡。此外，該策略能消除周期間閑置時間的影響，以進(jìn)一步提高帶寬利用率。

可見，基于波長在周期內(nèi)結(jié)束時間的不同，動態(tài)調(diào)整下一周期內(nèi)的優(yōu)先級順序，自適應(yīng)改變其承載ONU的數(shù)據(jù)量，使波長在一段時間內(nèi)達(dá)到均衡。同時，基于波長最早的結(jié)束時間進(jìn)行決策可將帶寬信息提前發(fā)送消除閑置時間，提高帶寬利用率。通過上述兩個子策略，實(shí)現(xiàn)資源的高效調(diào)度，其流程如圖3所示。

圖2　 ONU數(shù)據(jù)塊加載圖

圖3　 NDRAS-GP策略流程圖

4　仿真分析

4.1仿真評價指標(biāo)

帶寬利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均包時延和帶寬浪費(fèi)量。

定義2帶寬浪費(fèi)量，即系統(tǒng)不存在丟包時，周期內(nèi)ONU分得帶寬與數(shù)據(jù)實(shí)際發(fā)送占用帶寬的差值。

4.2仿真環(huán)境設(shè)定

NDRAS-GP的對比策略為文獻(xiàn)［7］中的EFT，文獻(xiàn)［13］中的MSMA及將NDRAS-GP中的灰色預(yù)測模型替換為線性預(yù)測形成的對比策略NDRASLP。EFT基于波長最早可用原則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但未進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測。MSMA采用指數(shù)衰減預(yù)測模型對部分ONU帶寬請求進(jìn)行預(yù)測，但未針對所有ONU的閑置時間進(jìn)行預(yù)測。采用圖4所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌琌LT通過遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與4個TDM子網(wǎng)相連，波長數(shù)K=（2，4，6，8），波長速率為1 Gbps；ONU到OLT的距離為20 km；數(shù)據(jù)包到達(dá)率滿足泊松分布，單個數(shù)據(jù)包的大小服從64 Byte到1518 By te的均勻分布；周期固定大小為2m s，ONU保護(hù)時隙為1 sμ，動態(tài)帶寬分配運(yùn)行時長為10 sμ。

4.3仿真結(jié)果分析

圖5，圖6和圖7表示波長數(shù)K=2，4，6，8時，NDRAS-GP平均包時延、帶寬利用率及網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨負(fù)載率的變化情況。由圖5可見，平均包時延隨負(fù)載率增加而增大。負(fù)載率增大使得波長承載的數(shù)據(jù)量增加，導(dǎo)致等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包增多，平均時延不斷增大。特別地，當(dāng)K=2負(fù)載率為0.8時，平均包時延急劇增大。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源有限，不足以承載過多數(shù)據(jù)以至于排隊等待時延過長。此外，波長數(shù)越多相同負(fù)載率情況下平均包時延越低，且更晚達(dá)到時延急劇增加的負(fù)載率值，這是因?yàn)椴ㄩL數(shù)越多，可用帶寬越多，數(shù)據(jù)可盡快被發(fā)送。由圖6可見，帶寬利用率隨負(fù)載率增加均呈上升趨勢。負(fù)載率增加使得各波長承載的數(shù)據(jù)量增多，可避免因空閑帶來的帶寬浪費(fèi)，使得帶寬利用率增加。然而，當(dāng)K=2負(fù)載率為0.6時，帶寬利用率漸趨于平緩，說明已達(dá)到帶寬容量的飽和值；同時，波長數(shù)越多，相同負(fù)載率下的帶寬利用率越低。由圖7可見，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨負(fù)載率增加而增大。負(fù)載率較小時，不同波長數(shù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量相差不大。隨著負(fù)載率增加，波長數(shù)越少越先滿載達(dá)到最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，顯示出不同波長數(shù)的網(wǎng)絡(luò)承載能具有較大差別。如K=2，負(fù)載率為0.9時，吞吐量趨于穩(wěn)定達(dá)到最大，但負(fù)載率進(jìn)一步增大后，其網(wǎng)絡(luò)吞吐量比波長數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)明顯更小。

圖4　仿真所用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖5　不同波長數(shù)的平均包時延

圖6　不同波長數(shù)的帶寬利用率

圖7　不同波長數(shù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖8為波長數(shù)2K=時，NDRAS-GP與EFT及MSMA平均包時延的比較。由圖可見，負(fù)載率較小時，所有策略的平均包時延均在2m s內(nèi)，且隨負(fù)載率增大呈上升趨勢。然而，當(dāng)負(fù)載率增加到0.8時，系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)，平均包時延均急劇增加，且NDRAS-GP平均包時延較MSMA及EFT更小。NDRAS-GP對閑置時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測補(bǔ)償使ONU緩存數(shù)據(jù)盡可能得到發(fā)送，而MSMA只部分消除了閑置時間對時延效果影響，但相對于不進(jìn)行預(yù)測消除閑置時間的EFT策略，MSMA策略的時延又更優(yōu)一些。圖9為波長數(shù)2K=時，NDRAS-GP與EFT，MSMA及NDRAS-LP帶寬利用率的比較。可見，隨著負(fù)載率的增大，所有策略的帶寬利用率逐漸增大，達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定。NDRAS-GP對閑置時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)及ONU的請求信息進(jìn)行預(yù)測，且在波長結(jié)束時間最早的時刻開始DBA計算并提前發(fā)送授予信息，較其它策略的帶寬利用率均有所提高。這是因?yàn)镋FT采用簡單的波長最早可用原則進(jìn)行波長分配未引入預(yù)測，而MSMA對部分ONU的請求信息進(jìn)行預(yù)測一定程度上消除了周期間閑置時間的影響，NDRAS-LP雖采用線性預(yù)測但較灰色預(yù)測其精度不高。因而，采用預(yù)測的NDRAS-GP，NDRAS-LP及MSMA比未預(yù)測的EFT帶寬利用率效果更好，對閑置時間進(jìn)行全預(yù)測的NDRAS-GP及NDRAS-LP比部分預(yù)測的MSMA帶寬利用率更高。而灰色預(yù)測的預(yù)測精度較線性預(yù)測更高，使得NDRAS-GP比NDRAS-LP的效果更為理想。

圖10和圖11表示負(fù)載率為0.8且波長數(shù)K=2時，接入距離對不同策略平均包時延和帶寬利用率的影響。顯而易見，隨著接入距離的增加，平均包時延隨之增大，而帶寬利用率隨之降低。TWDM-PON多級分光的長距離傳輸結(jié)構(gòu)使得OLT與ONU之間的接入距離增加，造成信息交互的往返時間增大，引起網(wǎng)絡(luò)時延不同程度地增加；同時，波長處于空閑的時間增多，造成資源浪費(fèi)，引起帶寬利用率下降。此外，還可以看出接入距離對NDRAS-GP的影響較小。這是因?yàn)镹DRAS-GP有效地對閑置時間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測補(bǔ)償，減小了接入距離對平均包時延的影響；同時，采用高效的波長分配策略，可實(shí)現(xiàn)波長的負(fù)載均衡，促使帶寬得以高效利用。

圖12表示波長數(shù)2K=時，3種策略的帶寬浪費(fèi)量隨負(fù)載變化的情況。由圖可見，隨著負(fù)載率的增加，帶寬浪費(fèi)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。負(fù)載率較小時，預(yù)測策略的引入，加之網(wǎng)絡(luò)本身額外剩余帶寬較大，造成嚴(yán)重的帶寬浪費(fèi)。當(dāng)負(fù)載率超過0.4時，網(wǎng)絡(luò)中額外剩余帶寬減少，實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的帶寬增加，帶寬浪費(fèi)隨之減少。同時，由于灰色預(yù)測的精度較線性預(yù)測更高，帶寬盡可能地被利用，使NDRAS-GP較NDRAS-LP帶寬浪費(fèi)量更小；而MSMA未對周期內(nèi)所有ONU的閑置時間進(jìn)行預(yù)測，使網(wǎng)絡(luò)帶寬利用未到達(dá)最大化，其帶寬浪費(fèi)比NDRAS-LP更為惡化。定位機(jī)制［J］.電子與信息學(xué)報，2014，36（1）:41-47.doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00214.

圖8　不同策略的平均包時延

圖9　不同策略的帶寬利用率

圖10　接入距離對不同策略平均包時延的影響

圖11　接入距離對不同策略帶寬利用率的影響

圖12　不同策略的帶寬浪費(fèi)量

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5　總結(jié)

針對TWDM-PON傳輸距離的增加引起網(wǎng)絡(luò)閑置時間增多的問題，本文提出帶灰色預(yù)測的高效動態(tài)資源分配策略。通過灰色預(yù)測模型對閑置時間內(nèi)的帶寬進(jìn)行預(yù)測補(bǔ)償以減少網(wǎng)絡(luò)時延及避免帶寬浪費(fèi)；同時，結(jié)合波長傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束時間的差異性，提前進(jìn)行DBA計算，對部分ONU的請求信息進(jìn)行預(yù)測，動態(tài)改變各波長的優(yōu)先級順序并為其加載ONU數(shù)據(jù)，使各波長在一段時間內(nèi)可達(dá)負(fù)載均衡。相比于未進(jìn)行帶寬預(yù)測補(bǔ)償資源分配策略，NDRAS-GP減小了周期間閑置時間的影響，降低了網(wǎng)絡(luò)時延，同時實(shí)現(xiàn)了波長負(fù)載均衡。

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王汝言：男，1969年生，教授，博士，研究方向?yàn)榭臻g光通信、光網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、光信息處理、通信網(wǎng)絡(luò)可靠性與故障管理.

蔣婧：女，1988年生，碩士生，研究方向?yàn)橄乱淮鸁o源網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度算法.

熊余：男，1982年生，副研究員，博士，研究方向?yàn)橄乱淮鸁o源光網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量控制、綠色節(jié)能技術(shù)及可靠性抗毀技術(shù).

唐劍波：男，1990年生，碩士生，研究方向?yàn)榛诨旌辖尤氲臒o源光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源分配機(jī)制.

An Efficient Dynamic Resource Allocation Strategy with Grey Prediction in Hybrid Multiplex Passive Optical Network

WANG Ruyan JIANG Jing X IONG Yu TANG Jianbo
（Key Laboratory ofOptical Communication and Networks，Chongqing University ofPosts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

W ith the access distance of users increasing in hybrid T im e and Wavelength Division M u ltip lexing PassiveOpticalNetworks（TWDM-PONs），the round trip time becomes very long，and idle time is increased in the network.It leads to the prob lem of bandw idth waste.In order to solve this issue，an efficient and hybrid dynam ic resource allocation strategy w ith Grey Prediction（GP）is proposed.In order to decrease the network delay performance and avoid the waste of resource，the Grey Prediction model is utilized to p redict the arrival data during the idle time and dynam ically allocate bandwid th to op tical network units.Utilizing the finishing time difference of data transm ission on wavelengths，the higher transm ission efficiency and load balance of wavelengths can be achieved by constantly ad justing themode ofwavelengths transm ission periodically.The simulation resu lts show that the proposed hybrid strategy can effectively elim inate the idle time to avoid waste of bandwidth and reduce network delay whilemaking wavelengths efficiently used to im prove resource utilization rate.

Passive Optical Networks（PONs）；Time and Wavelength Division Mu ltip lexing（TWDM）；Dynam ic Resource A llocation（DRA）；Idle time；Grey Prediction（GP）；Resource utilization rate

s:The National Natural Science Foundation of China（61401052），The Science and Technology Project of Chongqing M unicipal Education Comm ission（KJ1400418，KJ1500445），The Ph.D.Start-up Fund of Chongqing University of Posts and Telecomm un ications（A 2015-09）

TN915.63

A

1009-5896（2016）08-1880-08

10.11999/JEIT 151201

2015-10-29；改回日期：2016-04-27；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-06-03

熊余xiongyu@cqupt.edu.cn

國家自然科學(xué)基金（61401052），重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目（KJ1400418，KJ1500445），重慶郵電大學(xué)博士啟動基金（A 2015-09）