一種新的OFDM-PON子載波分配機制

胡發澤，李汝星，伍仕寶

（上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室，上海 200072）

光通信系統與網絡技術

一種新的OFDM-PON子載波分配機制

胡發澤，李汝星，伍仕寶

（上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室，上海 200072）

OFDM-PON（正交頻分復用無源光網絡）技術受到越來越多的關注，而子載波分配是其關鍵技術之一。文章介紹了兩種已有的OFDM-PON子載波分配機制，并在此基礎上提出一種新的OFDM-PON上行傳輸的子載波分配機制，該機制主要分為求余法和湊數法兩部分，可以有效地減少用于保護間隔的帶寬浪費。仿真結果表明，與已有的子載波分配機制相比，新的子載波分配機制可以獲得更高的吞吐量。

正交頻分復用無源光網絡；子載波分配；吞吐量

0 引 言

近年來，隨著高清數字電視、視頻會議、物聯網和分布式云計算等高帶寬業務的發展，用戶對接入帶寬的需求迅猛增長，發展具有大容量、高速率和多業務的下一代光接入網已勢在必行。OFDM-PON（正交頻分復用無源光網絡）由于其高頻譜利用率、強抗色散能力和靈活的帶寬調度粒度，已經成為下一代光接入網具有競爭力的方案之一［1-2］。

動態帶寬調度在PON中起到了重要的作用［3-5］，目前關于OFDM-PON的帶寬調度方案［6-8］很少提及子載波的分配問題［9-10］。大部分方案都將重點放在各ONU（光網絡單元）以及不同業務的帶寬分配上，但是并沒有詳細說明如何通過分配子載波和時隙來滿足不同ONU上行傳輸帶寬的需求。

本文討論了基于輪詢機制的動態帶寬分配方案的結果來合理地分配子載波給不同的ONU，提出了一種新的子載波分配機制。仿真結果和分析表明，新的子載波分配機制可以獲得更高的網絡吞吐量。

1 子載波分配機制的設計

假設一個OFDM-PON系統由一個OLT（光線路終端）和N個ONU組成，擁有L個子載波。上行傳輸總速率為R bit/s，所有子載波的調制格式均相同，每個子載波的傳輸速率均為Rabit/s。基于輪詢機制的動態帶寬分配算法的輪詢周期為Tcycle，不同ONU之間的保護間隔為Tg。下面介紹文獻［10］中的兩種子載波分配方案并提出一種新的子載波分配方案。

（1）方案1

圖1 方案1示意圖

每個ONU分配特定的子載波用于控制信息的傳輸，其余用于數據傳輸的子載波采用類似于時分復用無源光網絡的TDMA（時分多址接入）方式來分配給不用的ONU，如圖1所示。由圖可知，該方案會浪費大量帶寬用于不同ONU之間的保護間隔。這種方案支持統計復用增益，其一個輪詢周期內的有效帶寬為

（2）方案2

方案2如圖2所示。其控制信道與方案1相同，在同一個輪詢周期內，每個子載波只分配給一個ONU使用。該方案節約了用于不同ONU之間保護間隔的帶寬，但無法保證分配給每個ONU的子載波都能得到充分利用，可能會造成更大的帶寬浪費，并且該方案不能實現ONU之間的統計復用。其一個輪詢周期內最大有效帶寬為B2=Tcycle·R。

圖2 方案2示意圖

（3）新的子載波分配方案

圖3 本文提出的方案示意圖

為了減少用于保護間隔的帶寬浪費，同時獲得統計多路復用增益，本文提出一種新的子載波分配方案，如圖3所示。由方案1可知，如果一個子載波在同一個輪詢周期內被越多的ONU使用，用于保護間隔的帶寬浪費將越多。由方案2可知，必須盡量保證分配給每個ONU的子載波得到充分的利用。因此，新方案的核心思想是在一個輪詢周期內每一個子載波盡量被最少數目的ONU所使用，并且盡可能保證每個子載波都得到充分的利用。該方案中，一個輪詢周期內的有效帶寬為B3=Tcycle· R-M·Tg·Ra，式中，M為一個輪詢周期內保護間隔的個數。因此問題轉化為如何使得M取值最小，并且盡量保證每個子載波都得到充分的利用。

假設經過基于輪詢機制的動態帶寬調度算法后，分配給每個ONU的上行傳輸帶寬已確定。引入矩陣，式中，Bi為分配給ONUi（i=1，2，3…N）的上行傳輸帶寬。下面討論如何通過子載波的分配來實現每個ONU的上行傳輸帶寬的分配。為了記錄每條子載波的分配情況，引入矩陣E：

式中，exl（0≤exl≤1）為一個輪詢周期內第l個子載波被第x個ONU使用的情況。例如e32=0.5表示在一個輪詢周期內，第3個子載波的一半帶寬被第2個ONU使用。

新方案包括兩個步驟：

步驟一：求余法，即將一部分子載波以OFDMA（正交頻分多址接入）的方式分配給不同的ONU，通過求余運算符（%）來實現。首先進行求余運算：然后計算的值，所有過程為式中，Ni表示分配給ONUi（i=1，2，3…N）的子載波數目。分配結果將記錄在矩陣E中。

為了記錄每個ONU所剩的上行分配帶寬，引入矩陣

式中，Bexcess-i表示ONUi除去步驟一分配的帶寬后所剩的上行傳輸帶寬，其計算公式為

步驟二：湊數法，即剩余的子載波采用TDMA的方式分配給不同的ONU。首先，將Bexcess-i按升序進行排列，用集合Q1記錄的ONU，用集合Q2記錄的 ONU。給集合Q1中的每個ONU分配一個子載波，用集合Q3記錄那些分配給集合Q1里ONU的子載波。采用湊數法：假設Bsub-j表示集合Q3中的第j個子載波所剩的帶寬，從集合Q3中的第1個子載波開始，尋找集合Q2中Bexcess-i最接近Bsub-j的ONU。這里分兩種情形：第1種，Bexcess-i比Bsub-j略大；第2種，Bexcess-i比Bsub-j略小且滿足對于第1種情形，可以將第j個子載波的剩余帶寬分配給ONUi，并調用其他未使用的子載波來滿足ONUi的剩余上行帶寬，即的差值。對于第2種情形，可以直接將第j個子載波的剩余帶寬分配給ONUi，子載波多余帶寬（Bsub-j-Bexcess-i）將忽略不計。為了更清楚地描述我們的方案，舉例說明如下：假設有6個ONU，先將子載波按照OFDM A的方式分配給不同ONU，用集合Q1記錄ONU1、ONU2和ONU3且滿足Bexcess-1＞Bexcess-2＞Bexcess-3＞（Ra·Tcycle）/2，用集合Q2記錄ONU4、ONU5和ONU6且滿足Bexcess-6＜Bexcess-5＜Bexcess-4≤（Ra·Tcycle）/2。將3個子載波sub-1、sub-2 和sub-3分別分配給ONU1、ONU2和ONU3，計算Bsub-1=Ra·Tcycle-Bexcess-1，Bsub-2=Ra·Tcycle-Bexcess-2，Bsub-3=Ra·Tcycle-Bexcess-3。根據前兩種情形進行比較，依據比較結果分別將子載波sub-1、sub-2和sub-3的剩余帶寬分配給ONU6、ONU5和ONU4，如圖3所示。最后，將子載波的分配結果記錄在矩陣E中。

2 仿真及結果分析

設OFDM-PON系統由一個OLT和128個ONU組成，所有ONU距離OLT均為20 km。系統上行傳輸總速率為10 Gbit/s。子載波的數目為2 048，所有子載波的調制格式均相同。每個ONU分配一個專屬的子載波用于傳輸控制信息。輪詢周期為2 ms，不同ONU之間的保護間隔為1μs。將所有網絡業務分成高優先級（EF業務）、中優先級（AF業務）和低優先級（BE業務）3個等級。具有突發特性的BE和AF業務采用帕累托分布（參數Hurst=8）來產生，包的大小均勻分布于64～1 518 bit之間。高優先級業務EF（包括語音等）通過泊松分布產生業務流，其大小固定為70 bit。3種子載波分配機制的吞吐量性能如圖4所示。由圖可知，當網絡負載＜0.7時，3種機制的吞吐量基本相同；當網絡負載＞0.7時，由于方案2沒有采用統計多路復用增益，造成帶寬浪費，所以吞吐量最小。方案1的吞吐量比本文所提方案小，這是因為本文方案減少了用于保護間隔的帶寬浪費。

圖4 吞吐量性能仿真曲線

3 結束語

本文提出了一種新的OFDM-PON上行傳輸子載波分配機制，該分配機制可以將子載波合理地分配給不同的ONU，并且有效地減少了不同ONU之間用于保護間隔的帶寬浪費。仿真結果表明，本文所提子載波分配機制可以獲得更高的吞吐量。

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A Novel Subcarrier Allocation Scheme in OFDM-PON

HU Fa-ze，LI Ru-xing，WU Shi-bao
（Key Lab of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

Subcarrier allocation is one of the key technologies in the Orthogonal Frequency Division Multiplexing Passive Optical Network（OFDM-PON），which has been received more and more attentions recently.This paper first introduces two existing subcarrier allocation schemes.Then a novel subcarrier allocation scheme is proposed for upstream transmission in OFDMPON.The scheme is divided into two parts：modulus operation and patchwork scheme.The scheme can effectively reduce the waste of bandwidth of guard time.Simulation results show that the proposed scheme obtains higher throughput compared to existing schemes.

OFDM-PON；subcarrier allocation；throughput

TN915.6

A

1005-8788（2016）03-0001-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.001

2016-01-20

國家自然科學基金資助項目（61275073，61420106011）；上海市科委資助項目（13JC1402600，15530500600）

胡發澤（1991-），男，安徽安慶人。碩士研究生，主要從事OFDM-PON技術的研究。