一種基于SLA的WDMEPON動態波長帶寬分配算法

桂宇洋

【摘要】 波分復用技術結合時分復用形成了混合WDM EPON，如何提高系統的帶寬利用率和用戶服務質量成為關鍵技術。結合已有算法的優缺點，提出一種新的動態波長帶寬分配算法。該算法結合業務等級分類和用戶服務等級協議的權重為光網絡單元分配相應的帶寬和波長，以達到提高服務質量、帶寬分配公平性，提高上行帶寬利用率和改善網絡性能的目的。

【關鍵詞】 動態波長帶寬分配 服務等級協議 服務質量 WDM EPON 公平性

Abstract：Wavelength division multiplexing technique combined with time division multiplexing form mixed WDM EPON.How to improve the system bandwith utilization and quality of service has become the key technology.Combined with the existing algorithms，this paper proposes a new dynamic wavelength and bandwidth allocation algorithm which allocates the bandwith and wavelength to the ONU based on different traffic types and SLA weights.The purpose of doing it is to improve the quality of service， utilization rate of the uplink bandwidth and fairness of bandwidth allocation.，and finally improve the performance of the network.

Key words：DWBA；SLA； QOS；WDM EPON；fairness

一、引言

以太無源光網絡（EPON）實現了高帶寬和多業務接入，因此是一種很有競爭力的接入解決方法，目前 EPON標準中采用了時分復用的方式。然而，由于用戶數量的不斷增加和傳輸質量要求向更高的方向發展，EPON系統將不能滿足此需求。波分復用無源光網絡（WDM PON）被認為是下一帶寬帶接入網的發展方向和光纖到戶的最終解決方案。但是由于它的成本很高，因此應用受到了限制。結合WDM 對 EPON 系統進行升級，不僅可以實現較低的成本，并能增加網絡容量擴展的彈性，是實現從EPON向WDM-PON平滑升級的過渡方案。

服務等級協定（SLA）是運營商與用戶之間簽訂的正式合同，用來規定服務質量、 優先級和責權。SLA從客戶的角度出發，把承諾的服務品質進行量化。

上行信道中動態波長帶寬分配（DWBA）與 SLA密切相連。因此，對WDM-EPON進行動態波長帶寬分配算法研究在波長信道間的負載均衡、QOS、數據延時、波長帶寬的公平性、資源利用率等方面有著重要的意義。

目前WDM EPON的動態波長帶寬分配主要是根據ONU的請求進行帶寬分配，雖然很多算法對ONU端的業務進行了分類，但并沒有對相同業務中的用戶進行分類，沒有考慮到用戶的SLA，于是在多用戶SLA 的實際網絡應用中產生了很大的局限性。因此，在文獻[1]所提算法的基礎上，提出了一種全新的基于SLA的WDM EPON 上行波長帶寬分配算法——BS-DWBA。

二、WDM EPON的網絡架構及MPCP協議

2.1 WDM EPON網絡架構

WDM EPON的上行方向是ONU到OLT的數據傳輸方向，下行方向是從OLT 到 ONU 的數據傳輸方向，系統結構如圖1所示。

在上行方向中，各個ONU之間共享資源的多個波長信道（λk1…λkn）。而每個波長信道又被劃分成了很多不同的時隙，由OLT通過DWBA算法來分配相應的波長和時隙給各個ONU 以避免上行信道沖突，采用的是TDM和WDM相結合的方式。

下行方向仍然采用 EPON 結構中的點到多點（λμ1…λμn）的單波廣播方式。

一種光接入網結構，主要分為兩種情況：（1）結構 A1：ONU 被分成多個子集，每個子集分配一個固定的波長信道來用于上行傳輸，每一個ONU都有一對固定波長的收發器。這種結構不能實現不同波長間帶寬的統計復用，系統總帶寬利用率很低。（2）結構 A2：相對于結構A1，A2更靈活，它能夠同時支持時間和波長的共享。在上行傳輸中，每一個ONU可以配備一個或多個固定發射器，根據ONU端的流量需求可以進行升級。這種結構中 ONU 的工作波長是可變的。OLT在接收帶寬請求的同時，根據各個ONU所支持的波長分配傳輸窗口給相應的ONU。WDM-PON資源作為一個池，所有的ONU共享這些資源。BS-DWBA算法的研究主要基于A2結構。這種結構根據OLT端的DWBA算法使ONU的上行傳輸在不同時刻從一個波長協調到另一個波長上。

2.2 WDM MPCP協議

為了保證EPON 對 WDM的升級，必須擴展原來的多點控制協議（MPCP協議）。

擴展后的協議不僅支持波長分配，還要兼容EPON中的MPCP協議。拓展后的WDM MPCP協議應具有良好的兼容性，協議中的REGISTER_REQ 和 GATE 消息體中應包含波長信息。WDM EPON幀結構可參考文獻[2]。

因為提出的BS-DWBA算法結合了SLA，因此在原有的WEM EPON幀結構中請求幀應增加請求用戶等級的字段，可用SLA_TYPE來表示，而用戶類型中應說明三種業務類型的帶寬請求信息。授權幀中也應增加SLA_TYPE字段，表示當前授權幀所針對的用戶類型。

三、BS-DWBA算法

目前有兩種上行分配方式：在線分配和離線分配。本文的研究是基于離線分配方式。

將 ONU 端所連接的用戶分為三種不同的類型：p用戶，n 用戶和l用戶。當網絡負載發生變化時，P用戶的QOS參數基本保持恒定；當網絡負載改變時，N用戶的QOS參數控制在一定的范圍內；在低負載時，L用戶可能獲得QOS保證，而高負載時網絡性能會有較為明顯的下降，但EF業務還是應得到保證。同時，對每種類型的用戶，進行了業務劃分：高優先級業務EF、中優先級業務AF和低優先級業務 BE。其中高優先級業務要求嚴格時延和抖動，如語音；中優先級業務提供帶寬保證服務，但時延不嚴格，如視頻服務；低優先級業務對時延和抖動的要求都不嚴格，如數據服務。因此，ONU獲得授權帶寬為其內EF、AF和BE業務獲得授權帶寬的總和，算法如圖2所示。

3.1 總體算法思路

在上行方向，將ONU內不同用戶類型以及相同用戶類型中不同業務等級綜合考慮來公平地共享上行帶寬。因此在進行帶寬波長動態分配時，首先將總的帶寬請求分為EF業務的帶寬請求，AF業務的帶寬請求和BE業務的帶寬請求，根據每類業務所占的權重來分配相應的授權帶寬；然后根據不同業務中用戶的SLA的請求帶寬信息，來進行相應的帶寬授權；最后各個ONU的授權帶寬為不同業務中不用用戶類型授權帶寬的總和。帶寬分配完成后，再為每個ONU分配傳輸波長，將待發送數據分配到最早可用的波長和時隙上。

3.2 算法描述

因此，采用BS-DWBA算法可以最終得出ONUi的授權帶寬，為了保證上行帶寬的利用率，分配完帶寬后再進行時隙和波長的分配，分配原則是將待發送數據分配到最早可用的時隙和波長上，最早可用時隙和波長是指可用時隙上比其他波長要早。

3.3 性能分析

通過分析用戶請求帶寬和可用總帶寬的三種關系，設計出了一種新的波長和帶寬分配算法，算法性能分析如下：

（1）先對業務進行EF、AF、BE分類，再相應地對這三類業務進行SLA分類，在一定程度上保證了用戶SLA的情況下，也確保了高優先級業務的QOS要求，降低了時延，提升了網絡質量。（2）在重負載時，結合ONU的不同用戶的不同業務等級的請求帶寬和用戶權重，既確保了重要用戶的QOS參數，又能使限制用戶獲得相應的帶寬保障，同時確保了限制用戶高優先級業務的QOS要求，在一定程度上體現了用戶和業務間的公平性。

四、結束語

在WDM-EPON 網絡中，DWBA 算法能夠對波長和帶寬資源進行有效地分配。本文在對文獻[3]中所提算法分析的基礎上，結合實際情況中用戶的SLA對其不足進行了相應地改進。

改進后的BS-DWBA算法根據 ONU 端的不同的業務等級以及相同業務等級中不同用戶類型的情況對帶寬和波長進行分配，不僅能夠使各類優先級業務的隊列時延得到相應的保證，還能實現不同用戶的QOS和帶寬分配的公平性，進一步提升了網絡性能。

參 考 文 獻

[1] 張春蕾，陳海靈，閆彩化. WDM-PON 的動態波長分配算法[J]. 光通信技術，2013（01）：5-8

[2] 邢盈盈. 混合WDM-TDM無源接入網絡動態波長帶寬分配算法研究[D]. 南京郵電大學，2013

[3] FAWAZ M，DAHEB B，AUDOUIN O. Service level agreement and provisioning in optical networks[J]. Communications Magazine，2004， 42（1）：6-43