混合復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中帶有灰色預(yù)測(cè)的高效動(dòng)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(wú)源光網(wǎng)絡(luò)中帶有灰色預(yù)測(cè)的高效動(dòng)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(duì)混合復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的用戶接入距離增大，使得往返時(shí)延增加，造成網(wǎng)絡(luò)中閑置時(shí)間增多，進(jìn)而引起帶寬浪費(fèi)的問(wèn)題，該文提出一種帶有灰色預(yù)測(cè)的高效動(dòng)態(tài)混合資源分配策略。通過(guò)對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色預(yù)測(cè)，動(dòng)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(shí)延；利用波長(zhǎng)結(jié)束時(shí)間的差異性，周期性地實(shí)時(shí)調(diào)整各波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸順序，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的高效利用和負(fù)載均衡。仿真結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)資源分配策略有效地消除閑置時(shí)間的影響，且波長(zhǎng)得到高效地利用，提高了帶寬利用率的同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)；時(shí)分波分復(fù)用；動(dòng)態(tài)資源分配；閑置時(shí)間；灰色預(yù)測(cè)；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(duì)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(shí)分波分復(fù)用無(wú)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(zhǎng)距離等優(yōu)勢(shì)，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(huì)導(dǎo)致往返時(shí)間（Round Trip Time，RTT）增加，使得網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更多的閑置時(shí)間，這造成資源浪費(fèi)［5］。同時(shí)，TWDM-PON的資源分配較傳統(tǒng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜［6］。因而，設(shè)計(jì)合理的資源分配策略以消除閑置時(shí)間，提高帶寬利用率并降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，是TWDM-PON得以實(shí)際部署的關(guān)鍵。

針對(duì)TWDM-PON中閑置時(shí)間增大導(dǎo)致帶寬浪費(fèi)的問(wèn)題，文獻(xiàn)［7］基于波長(zhǎng)結(jié)束時(shí)間提出對(duì)閑置時(shí)間填空的策略即最早完成時(shí)間填空（Earliest Finish Time w ith Void Filling，EFT-VF），一定程度上消除閑置時(shí)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(shì)，提出多線程部分填空策略，進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，但其性能的提升依賴于平均每條波長(zhǎng)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(guò)預(yù)測(cè)閑置時(shí)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(shí)延，消除閑置時(shí)間的影響。為此，文獻(xiàn)［9］提出通過(guò)監(jiān)測(cè)ONU端流量變化，隨機(jī)設(shè)定預(yù)測(cè)因子來(lái)預(yù)測(cè)帶寬以進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分配，但未基于預(yù)測(cè)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(cè)的動(dòng)態(tài)帶寬分配策略，即基于當(dāng)前和過(guò)去平均到達(dá)率的線性組合來(lái)預(yù)測(cè)閑置時(shí)間內(nèi)業(yè)務(wù)的平均到達(dá)率，但線性預(yù)測(cè)不能很好地預(yù)測(cè)突發(fā)性業(yè)務(wù)。文獻(xiàn)［11］利用業(yè)務(wù)突發(fā)性來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的預(yù)測(cè)順序，其預(yù)測(cè)精度進(jìn)一步改善，但性能改善不大。文獻(xiàn)［12］通過(guò)對(duì)不同等級(jí)業(yè)務(wù)的線性預(yù)測(cè)，保證了不同等級(jí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS），但缺乏很好的預(yù)測(cè)模型以致預(yù)測(cè)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(guò)指數(shù)衰減模型對(duì)周期內(nèi)部分ONU帶寬請(qǐng)求信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高了波長(zhǎng)調(diào)度效率，但并未對(duì)單個(gè)ONU的閑置時(shí)間進(jìn)行考慮。盡管上述文獻(xiàn)在一定程度上預(yù)測(cè)了閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)的業(yè)務(wù)，減小了排隊(duì)時(shí)延，但缺乏有效的理論模型和定量的分析，且預(yù)測(cè)精度有待提高。

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

2　問(wèn)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(duì)帶寬需求急劇增加，使得資源分配問(wèn)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(qǐng)求-授予”過(guò)程勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致閑置時(shí)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(shí)間，Tie為閑置結(jié)束時(shí)間）。因而，需盡可能地利用TWDMPON多波長(zhǎng)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，消除閑置時(shí)間以降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)間示意圖

由圖1可知，閑置時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)會(huì)持續(xù)到達(dá)ONU緩存。而ONU向OLT發(fā)送的帶寬請(qǐng)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(shí)間內(nèi)新到達(dá)數(shù)據(jù)要等到下個(gè)周期才能申請(qǐng)帶寬，增加網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。若對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)地預(yù)測(cè)，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(duì)時(shí)延。而ONU向OLT申請(qǐng)帶寬時(shí)，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(guò)對(duì)少量原始數(shù)據(jù)累加后，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)具有明顯的指數(shù)特征；然后，通過(guò)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(cè)值。雖然ONU的請(qǐng)求信息隨時(shí)間推移差異性較大，但是灰色預(yù)測(cè)模型可在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)少量原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)，使得對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)獲得的預(yù)測(cè)值更為準(zhǔn)確。

對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬預(yù)測(cè)補(bǔ)償后，需盡可能地利用多波長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而在資源分配的過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生了往返時(shí)延及波長(zhǎng)調(diào)諧時(shí)間（Turn Tim e，TT），使得波長(zhǎng)開(kāi)始及結(jié)束的時(shí)間不一，引起波長(zhǎng)存在空閑時(shí)隙，造成帶寬浪費(fèi)。因而，怎樣合理調(diào)度多波長(zhǎng)高效地完成數(shù)據(jù)傳輸，提高帶寬利用率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，是所提策略亟待解決的問(wèn)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(cè)模型，并根據(jù)周期內(nèi)波長(zhǎng)傳輸?shù)慕Y(jié)束時(shí)間，對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)部分ONU的帶寬請(qǐng)求信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，以消除閑置時(shí)間的影響；同時(shí)，基于波長(zhǎng)最早結(jié)束時(shí)間進(jìn)行資源分配，并對(duì)ONU數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序發(fā)送，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(cè)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙帶寬分配子策略

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

表1　符號(hào)及含義

將該值作為DBA的決策時(shí)間，同時(shí)對(duì)帶寬請(qǐng)求還未到達(dá)OLT的部分ONU進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提前發(fā)送下行授予，以消除閑置時(shí)間的影響。然而，動(dòng)態(tài)改變DBA的決策時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致部分ONU的帶寬請(qǐng)求在DBA決策時(shí)并未到達(dá)OLT，需對(duì)這部分ONU的帶寬請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)式（2）計(jì)算需進(jìn)行預(yù)測(cè)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(shí)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(qǐng)求大小，且不能獲知閑置時(shí)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(duì)請(qǐng)求帶寬進(jìn)行補(bǔ)償，獲知ONU在該周期的帶寬請(qǐng)求及閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)ONU數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)值，以降低排隊(duì)時(shí)延。

經(jīng)過(guò)上述累加過(guò)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(duì)該變化過(guò)程進(jìn)行研究和描述，分析其時(shí)序冗余性，對(duì)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(shí)間序列（0）r的增長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)量的差分方程為

對(duì)等間隔取樣的離散值（注意到01t=）則為

將式（9）寫(xiě)為矩陣表達(dá)式：

則式（11）的矩陣形式可寫(xiě)為

式（14）的最小二乘估計(jì)為

經(jīng)最小二乘估計(jì)所得值代入式（3）中，可得離散解：

對(duì)該解進(jìn)行累減還原計(jì)算，即可得原數(shù)列的預(yù)測(cè)模型。

由式（18）可得在周期q內(nèi)需進(jìn)行預(yù)測(cè)ONU的帶寬請(qǐng)求預(yù)測(cè)值）及其余ONU閑置時(shí)間內(nèi)帶寬預(yù)測(cè)補(bǔ)償值

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

經(jīng)過(guò)帶寬預(yù)測(cè)及修正后，計(jì)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(guò)前述灰色模型的預(yù)處理及利用殘差檢驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)精度進(jìn)行修正，OLT能夠獲得基于時(shí)序數(shù)據(jù)序列的灰色預(yù)測(cè)值。OLT根據(jù)預(yù)測(cè)值補(bǔ)償相應(yīng)的帶寬，可減少業(yè)務(wù)的排隊(duì)時(shí)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(shí)隙帶寬已分配完畢，在資源池中等待OLT為其分配波長(zhǎng)以獲得數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2高效的波長(zhǎng)分配子策略3.1節(jié)基于灰色理論進(jìn)行帶寬請(qǐng)求預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)確立了時(shí)隙分配策略。而如何高效地利用多波長(zhǎng)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(wèn)題。為此，本文提出高效的波長(zhǎng)分配策略。

OLT已將資源池中的時(shí)隙資源合理有效地分配給各ONU，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送ONU數(shù)據(jù)的順序以確立不同的波長(zhǎng)承載方案。同時(shí)，波長(zhǎng)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(zhǎng)數(shù)小于ONU總數(shù)；式（23）表示同一個(gè)ONU不能同時(shí)在兩條或兩條以上的波長(zhǎng)上進(jìn)行傳輸；式（24）表示同一時(shí)刻每條波長(zhǎng)只能傳輸一個(gè)ONU的數(shù)據(jù)。所提高效的波長(zhǎng)分配策略步驟如下：

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

步驟2進(jìn)入常規(guī)周期（1q≥）后，OLT提前對(duì)各ONU的帶寬信息進(jìn)行授予，進(jìn)一步消除周期間閑置時(shí)間的影響。如圖2（b）所示，由于在初始化周期內(nèi)波長(zhǎng)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(duì)該波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)度。依次類推，波長(zhǎng)結(jié)束時(shí)間越小其優(yōu)先級(jí)越高。按照波長(zhǎng)優(yōu)先級(jí)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(zhǎng)信道上進(jìn)行傳輸。

步驟3當(dāng)出現(xiàn)波長(zhǎng)可用時(shí)，按照波長(zhǎng)優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行挑選ONU數(shù)據(jù)。如圖2（b）所示，首先考慮波長(zhǎng)3k=在完成第1個(gè)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(jí)波長(zhǎng)預(yù)留ONU待發(fā)送ONU數(shù)據(jù)，該最早可用波長(zhǎng)將傳輸屬于自己優(yōu)先等級(jí)的ONU數(shù)據(jù)。

依次類推，當(dāng)出現(xiàn)最早可用波長(zhǎng)時(shí)按照波長(zhǎng)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行ONU數(shù)據(jù)挑選，保證波長(zhǎng)優(yōu)先級(jí)最高的波長(zhǎng)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(shí)，波長(zhǎng)3k=最晚結(jié)束調(diào)度任務(wù)，波長(zhǎng)1k=最早結(jié)束調(diào)度任務(wù)。較初始周期，各波長(zhǎng)結(jié)束時(shí)間正好為相反的順序，雖在單周期內(nèi)波長(zhǎng)負(fù)載并未達(dá)到均衡，但一段時(shí)間內(nèi)各波長(zhǎng)達(dá)到負(fù)載均衡。此外，該策略能消除周期間閑置時(shí)間的影響，以進(jìn)一步提高帶寬利用率。

可見(jiàn)，基于波長(zhǎng)在周期內(nèi)結(jié)束時(shí)間的不同，動(dòng)態(tài)調(diào)整下一周期內(nèi)的優(yōu)先級(jí)順序，自適應(yīng)改變其承載ONU的數(shù)據(jù)量，使波長(zhǎng)在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到均衡。同時(shí)，基于波長(zhǎng)最早的結(jié)束時(shí)間進(jìn)行決策可將帶寬信息提前發(fā)送消除閑置時(shí)間，提高帶寬利用率。通過(guò)上述兩個(gè)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(píng)價(jià)指標(biāo)

帶寬利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均包時(shí)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(shí)，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(duì)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(cè)模型替換為線性預(yù)測(cè)形成的對(duì)比策略NDRASLP。EFT基于波長(zhǎng)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(cè)。MSMA采用指數(shù)衰減預(yù)測(cè)模型對(duì)部分ONU帶寬請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)測(cè)，但未針對(duì)所有ONU的閑置時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用圖4所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌琌LT通過(guò)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與4個(gè)TDM子網(wǎng)相連，波長(zhǎng)數(shù)K=（2，4，6，8），波長(zhǎng)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(gè)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(shí)隙為1 sμ，動(dòng)態(tài)帶寬分配運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為10 sμ。

4.3仿真結(jié)果分析

圖5，圖6和圖7表示波長(zhǎng)數(shù)K=2，4，6，8時(shí)，NDRAS-GP平均包時(shí)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(jiàn)，平均包時(shí)延隨負(fù)載率增加而增大。負(fù)載率增大使得波長(zhǎng)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(shí)延不斷增大。特別地，當(dāng)K=2負(fù)載率為0.8時(shí)，平均包時(shí)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(guò)多數(shù)據(jù)以至于排隊(duì)等待時(shí)延過(guò)長(zhǎng)。此外，波長(zhǎng)數(shù)越多相同負(fù)載率情況下平均包時(shí)延越低，且更晚達(dá)到時(shí)延急劇增加的負(fù)載率值，這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)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(jiàn)，帶寬利用率隨負(fù)載率增加均呈上升趨勢(shì)。負(fù)載率增加使得各波長(zhǎng)承載的數(shù)據(jù)量增多，可避免因空閑帶來(lái)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(shí)，帶寬利用率漸趨于平緩，說(shuō)明已達(dá)到帶寬容量的飽和值；同時(shí)，波長(zhǎng)數(shù)越多，相同負(fù)載率下的帶寬利用率越低。由圖7可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨負(fù)載率增加而增大。負(fù)載率較小時(shí)，不同波長(zhǎng)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量相差不大。隨著負(fù)載率增加，波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)數(shù)的平均包時(shí)延

圖6　不同波長(zhǎng)數(shù)的帶寬利用率

圖7　不同波長(zhǎng)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖8為波長(zhǎng)數(shù)2K=時(shí)，NDRAS-GP與EFT及MSMA平均包時(shí)延的比較。由圖可見(jiàn)，負(fù)載率較小時(shí)，所有策略的平均包時(shí)延均在2m s內(nèi)，且隨負(fù)載率增大呈上升趨勢(shì)。然而，當(dāng)負(fù)載率增加到0.8時(shí)，系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)，平均包時(shí)延均急劇增加，且NDRAS-GP平均包時(shí)延較MSMA及EFT更小。NDRAS-GP對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)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(shí)間對(duì)時(shí)延效果影響，但相對(duì)于不進(jìn)行預(yù)測(cè)消除閑置時(shí)間的EFT策略，MSMA策略的時(shí)延又更優(yōu)一些。圖9為波長(zhǎng)數(shù)2K=時(shí)，NDRAS-GP與EFT，MSMA及NDRAS-LP帶寬利用率的比較。可見(jiàn)，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(duì)閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)及ONU的請(qǐng)求信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，且在波長(zhǎng)結(jié)束時(shí)間最早的時(shí)刻開(kāi)始DBA計(jì)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(jiǎn)單的波長(zhǎng)最早可用原則進(jìn)行波長(zhǎng)分配未引入預(yù)測(cè)，而MSMA對(duì)部分ONU的請(qǐng)求信息進(jìn)行預(yù)測(cè)一定程度上消除了周期間閑置時(shí)間的影響，NDRAS-LP雖采用線性預(yù)測(cè)但較灰色預(yù)測(cè)其精度不高。因而，采用預(yù)測(cè)的NDRAS-GP，NDRAS-LP及MSMA比未預(yù)測(cè)的EFT帶寬利用率效果更好，對(duì)閑置時(shí)間進(jìn)行全預(yù)測(cè)的NDRAS-GP及NDRAS-LP比部分預(yù)測(cè)的MSMA帶寬利用率更高。而灰色預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)精度較線性預(yù)測(cè)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(zhǎng)數(shù)K=2時(shí)，接入距離對(duì)不同策略平均包時(shí)延和帶寬利用率的影響。顯而易見(jiàn)，隨著接入距離的增加，平均包時(shí)延隨之增大，而帶寬利用率隨之降低。TWDM-PON多級(jí)分光的長(zhǎng)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(shí)間增大，引起網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不同程度地增加；同時(shí)，波長(zhǎng)處于空閑的時(shí)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(duì)NDRAS-GP的影響較小。這是因?yàn)镹DRAS-GP有效地對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)補(bǔ)償，減小了接入距離對(duì)平均包時(shí)延的影響；同時(shí)，采用高效的波長(zhǎng)分配策略，可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的負(fù)載均衡，促使帶寬得以高效利用。

圖12表示波長(zhǎng)數(shù)2K=時(shí)，3種策略的帶寬浪費(fèi)量隨負(fù)載變化的情況。由圖可見(jiàn)，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(shì)。負(fù)載率較小時(shí)，預(yù)測(cè)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(guò)0.4時(shí)，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(shí)，由于灰色預(yù)測(cè)的精度較線性預(yù)測(cè)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(duì)周期內(nèi)所有ONU的閑置時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(bào)，2014，36（1）:41-47.doi: 10.3724/SP.J.1146.2013.00214.

圖8　不同策略的平均包時(shí)延

圖9　不同策略的帶寬利用率

圖10　接入距離對(duì)不同策略平均包時(shí)延的影響

圖11　接入距離對(duì)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(duì)TWDM-PON傳輸距離的增加引起網(wǎng)絡(luò)閑置時(shí)間增多的問(wèn)題，本文提出帶灰色預(yù)測(cè)的高效動(dòng)態(tài)資源分配策略。通過(guò)灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)閑置時(shí)間內(nèi)的帶寬進(jìn)行預(yù)測(cè)補(bǔ)償以減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及避免帶寬浪費(fèi)；同時(shí)，結(jié)合波長(zhǎng)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)間的差異性，提前進(jìn)行DBA計(jì)算，對(duì)部分ONU的請(qǐng)求信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)改變各波長(zhǎng)的優(yōu)先級(jí)順序并為其加載ONU數(shù)據(jù)，使各波長(zhǎng)在一段時(shí)間內(nèi)可達(dá)負(fù)載均衡。相比于未進(jìn)行帶寬預(yù)測(cè)補(bǔ)償資源分配策略，NDRAS-GP減小了周期間閑置時(shí)間的影響，降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)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(wú)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(wú)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(wú)源光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金（61401052），重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ1400418，KJ1500445），重慶郵電大學(xué)博士啟動(dòng)基金（A 2015-09）