OFDM無源光網絡中多業務分層帶寬分配算法

劉業君，劉玉瑩，漢鵬超，王繼東，郭磊

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OFDM無源光網絡中多業務分層帶寬分配算法

劉業君，劉玉瑩，漢鵬超，王繼東，郭磊

（東北大學計算機科學與工程學院智慧系統國際合作聯合實驗室，遼寧 沈陽 110819）

正交頻分復用無源光網絡(OFDM-PON，orthogonal frequency division multiplexing passive optical network)具有帶寬容量大、資源分配靈活等優勢，被公認為下一代光接入網的重要候選技術之一。目前，OFDM-PON系統結構的相關研究層出不窮，然而這些研究大多專注于物理結構和信號傳輸技術，缺少與新型系統結構相適應的帶寬分配算法。OFDM-PON中帶寬分配涉及時域、頻域、比特等多維資源的聯合優化，是保證多業務接入和服務質量的關鍵技術。針對OFDM-PON的增強型系統結構，提出多業務分層帶寬分配算法，以實現增強型OFDM-PON系統帶寬資源的高效利用。仿真結果表明，相比傳統OFDM-PON系統中無分層帶寬分配算法，增強型OFDM-PON的分層帶寬分配算法在帶寬資源利用率和數據分組時延等性能方面具有明顯優勢。

正交頻分復用無源光網絡；動態帶寬分配；分層帶寬分配；多業務傳輸

1 引言

近年來，移動互聯網、大數據、云計算、物聯網等技術的迅猛發展，促進了新興高帶寬應用的不斷涌現，用戶對帶寬的需求急劇增長。帶寬資源豐富且建設成本較低的無源光網絡（PON, passive optical network）已成為下一代接入網的重要解決方案。目前，廣泛應用的以太無源光網絡（EPON, ethernet PON）、吉比特無源光網絡（GPON, gigabit PON）及其相應的下一代無源光網絡技術10G-EPON、10G-GPON等雖然在系統容量和傳輸距離方面得到明顯提升，但EPON和GPON都是基于時分多址的接入網，存在帶寬資源浪費、帶寬分配缺乏靈活性等問題。隨著智慧城市、虛擬現實、無人駕駛、遠程醫療和工業互聯網等應用需求的不斷擴張，目前的EPON和GPON技術將在未來的多元化業務傳輸需求中面臨更嚴峻的挑戰。

正交頻分復用無源光網絡（OFDM-PON, orthogonal frequency division multiplexing PON）以其帶寬粒度靈活、頻譜效率高、色散和偏振模色散容忍度高等優點，受到學術界和工業界的廣泛關注。目前，OFDM-PON已被證實可提供超過100 Gbit/s的帶寬容量[1]，相當于10G-EPON和10G-PON的10倍以上。帶寬分配是OFDM-PON系統中實現多用戶接入與保證服務質量的關鍵技術，其時域、頻域、功率和調制格式等多維資源優化模式可滿足不同類型業務的服務質量需求，與此同時也增加了帶寬分配算法的設計難度。

近年來，許多新型OFDM-PON系統結構相繼涌現，其中，單極性OFDM（U-OFDM, unipolar OFDM）調制技術被公認為解決直流偏置光OFDM（DCO-OFDM, direct current biased optical OFDM）調制技術能耗問題的有效方法之一[2]。然而，由于幀結構的限制，相比于直流偏置光OFDM調制技術，傳統單極性OFDM調制技術犧牲了頻譜效率。增強型單極性OFDM調制技術（eU-OFDM, enhanced unipolar OFDM）[3-4]利用信息數據的循環重復規則巧妙地定義出不同的傳輸層，將傳統的單極性OFDM調制信息在時域內進行多路復用，從而解決了傳統的單極性OFDM調制方法[2]為提高能量效率而引起的頻譜效率損失問題。增強型OFDM-PON系統架構將增強型單極性OFDM調制技術應用在OFDM-PON系統中。相比于基于單極性OFDM調制的傳統OFDM-PON系統，增強型OFDM-PON系統在實現近似能效的同時，能提供更高的系統容量，具有大多數現有OFDM-PON系統架構無法比擬的優勢。

然而，針對大量涌現的新型OFDM-PON系統結構，并沒有與此相對應的帶寬分配算法。傳統的基于時頻資源的二維帶寬分配算法[5-6]雖然具有普遍適用性，但卻未能考慮新型系統結構獨有的資源維度，從而引起帶寬資源浪費、帶寬分配缺失靈活性等問題。例如，在增強型OFDM-PON系統中，采用增強型單極性OFDM調制技術可從調制分層的角度為帶寬資源增加新的復用維度，盡管如此，傳統的載波/時隙二維帶寬分配算法并未考慮新的復用維度以及不同調制層的傳輸特征對帶寬分配的影響，因此無法保證OFDM-PON新型系統結構的帶寬得到充分利用。針對新涌現的且研究空間廣闊的增強型OFDM-PON系統結構[2-4]，根據其資源特性對帶寬分配算法進行優化設計，具有重要的理論價值和現實意義。

本文針對增強型OFDM-PON系統獨特的帶寬資源分層結構，研究物理層感知的時隙、載波、比特、調制分層等多維動態帶寬分配算法，根據不同業務在傳輸質量、帶寬要求、服務質量等方面的需求特征，將不同業務適配到不同的調制分層，充分利用增強型OFDM-PON系統的帶寬資源維度，實現服務質量要求更高的多業務傳輸。

2 增強型OFDM-PON系統模型

2.1 增強型單極性OFDM調制技術

增強型OFDM-PON系統采用eU-OFDM調制技術實現信號的自適應傳輸。根據增強模型OFDM-PON系統特有的數據傳輸分層結構和多業務共同傳輸的特點，來決定數據傳輸層與調制格式。eU-OFDM調制技術致力于解決傳統的U-OFDM調制技術帶寬利用率低等固有問題[2-4]。增強型OFDM-PON調制技術原理如圖1所示。eU-OFDM調制技術通過允許多個U-OFDM信息流疊加成單時隙信號在信道中傳輸來提高頻譜效率。每個調制分層上對數據流進行規范的復制，并在不同調制分層之間進行數據疊加。

圖1 增強型OFDM-PON調制技術原理

其中，表示可用的調制分層數量。隨著分層數量的不斷增加，eU-OFDM系統的頻譜效率會逐漸接近DCO-OFDM系統[3]（頻譜效率約50%）。

在能量效率方面，eU-OFDM調制技術的信號功率相當于各分層信號功率之和。得益于U-OFDM調制自身的能效優勢，eU-OFDM調制技術的每個分層上的信號功率均不超過DCO-OFDM信號功率的一半，并且隨著分層數量的逐漸增加，單層信號功率逐漸降低。文獻[3]通過理論分析和蒙特卡羅仿真已證實，在頻譜效率一定的條件下，eU-OFDM調制技術相對于DCO-OFDM調制技術節省的功率如表1所示。由表1可知，eU-OFDM調制技術在3個分層的情況下可實現能量效率與頻譜效率之間的最佳折中。

表1 eU-OFDM調制技術相對于DCO-OFDM調制技術的能效分析

2.2 多業務傳輸

目前，廣泛部署的EPON系統與GPON系統中主要支持3類典型業務：快速轉發（EF, expedited forwarding）業務，該業務傳輸量最小，對時延非常敏感，優先級最高，如網絡電話（VoIP, voice-over-IP）；保證轉發（AF, assured forwarding）業務，該業務傳輸量較大，對時延不太敏感但需要最小的帶寬保證，優先級次之，如郵件類業務；盡力而為（BE, best effort）業務，該業務傳輸量非常大，時延敏感程度非常低，優先級最低，如超大郵件轉發業務。

本文將在增強型OFDM-PON系統結構下進行EF、AF、BE等多業務分層帶寬分配算法設計。在增強型OFDM-PON系統中隨著調制分層的逐漸增大，所采用的調制階數也將升高，如第一層采用8-QAM調制方式，至第五層將增加到32-QAM調制方式。采用低階調制方式有利于降低系統誤碼率，但傳輸速率較低，適合數據量不大但對傳輸可靠性要求較為嚴格的業務。反之，隨著調制階數的升高，可實現系統的傳輸速率增大，但誤碼率也會隨之提高。多業務多維帶寬分配如圖2所示。不同業務的數據分布在不同的調制分層中進行傳輸，按照優先級從高到低依次把EF、AF、BE這3種業務分別分配到第一層至第三層上進行傳輸。第一層的低階調制傳輸有利于降低EF數據傳輸的誤碼率，第三層的高階調制傳輸可增加BE業務的傳輸速率。不同業務的數據分布在不同的調制分層上，并且各層的調制格式可以根據業務需求自行設定，相比于單數據流多業務傳輸的系統，其帶寬資源可得到更充分的利用。

圖2 多業務多維帶寬分配

2.3 多點控制協議

增強型OFDM-PON系統結構如圖3所示，主要由3個部分組成：光線路終端（OLT, optical line terminal）、光分配網絡（ODN, optical distribution network）和光網絡單元（ONU, optical network unit）。無論是上行帶寬還是下行帶寬均可以分成多個調制分層和時頻單元。本文主要考慮上行傳輸的情況，采用輪詢周期帶寬分配機制，輪詢周期時長定義為OLT相鄰2次發送帶寬授權幀（gate幀）的時間間隔[7-8]。在每個輪詢周期內，各ONU向OLT發送report幀，報告當前隊列狀態。首先，OLT根據帶寬分配算法決策出各ONU的傳輸帶寬，ONU將來自用戶端的AF、BE、EF這3種業務的數據分組根據帶寬授權信息加載到不同調制分層的載波和時隙上。然后，通過ODN匯聚成一路數據傳輸給OLT。最后，OLT將從增強型OFDM符號中解調出數據信息并上傳到核心網。

圖4 增強型OFDM-PON中改進的MAC幀格式

圖3 增強型OFDM-PON系統上行傳輸模型

帶寬分配過程主要采用的控制幀包括gate幀（用于OLT向ONU分配帶寬）和report幀（用于ONU向OLT報告帶寬請求）。控制信息對可靠性要求較高，因此置于調制分層的第一層中傳輸。在輪詢周期開始時，ONU首先接收gate幀，然后ONU在各自分配的載波、時隙和調制分層中上傳數據和report給OLT。此外，為了支持添加調制分層的帶寬分配方法，gate幀和report幀需要進行相應修改，gate幀需要告知ONU 3種業務傳輸數據的調制分層以及在該層上傳的數據所占用的載波和時隙，而report幀需要上報3種業務各自的帶寬請求。增強型OFDM-PON的gate和report幀格式如圖4所示。其中，report幀分3種業務上報各自的隊列長度，gate幀除了授權載波和時隙外，還要告知ONU不同業務的授權調制分層。

3 增強型OFDM-PON中分層帶寬分配算法

3.1 問題描述

增強型OFDM-PON系統帶寬分配的目的是通過合理地分配調制分層、時隙、載波和比特等實現帶寬利用率的最大化。帶寬分配的優化目標為

并滿足以下約束條件。

4) 無爭用資源分配：設共有個ONU，同一個子載波在相同時隙內最多被一個ONU占用，即

3.2 LA-DBA算法步驟

針對增強型OFDM-PON結構下調制分層、載波、時隙、比特等多維帶寬分配問題提出增強型OFDM-PON分層帶寬分配算法（LA-DBA, layered algorithm of dynamic bandwidth allocation）。在增強型OFDM-PON系統分層結構中，各調制分層可采用不同的調制階數，第一層調制階數較低，以保證良好的傳輸性能，其余分層根據數據復制次數依次增加調制階數，以彌補復制損失的帶寬。同時，各層的調制階數可根據各ONU的帶寬需求動態調整。當帶寬需求較高時，采用高階調制方式保證傳輸速率；當帶寬需求較低時，采用低階調制方式保證傳輸可靠性。另外，在增強型OFDM-PON結構中，多業務傳輸機制體現在EF、AF、BE這3種業務分別分配到調制分層的第一層到第三層，其中，各層分配的帶寬大小取決于EF、AF、BE業務的各自總帶寬需求，并依此決定是否增加超過3層的結構，以及各層是否能分配其他業務帶寬。

通過上述分析，LA-DBA算法可按照分層業務間帶寬分配及各業務在ONU間帶寬分配2個階段執行。

第一階段：分層業務間帶寬分配。根據各ONU不同業務帶寬需求，計算所需的最佳調制分層數量。以3層為基礎，若3層無法滿足所有ONU總帶寬需求，則適當增加層數，考慮到層數過多會降低傳輸性能，故限定不超過5層。依據EF、AF、BE的業務需求決定各層調制階數，進而決定各層能授予3種業務的帶寬量，LA-DBA算法中決策分層結構、各層調制階數和不同業務在各層授予帶寬的流程如圖5所示，具體步驟如下。

圖5 增強型OFDM-PON中分層帶寬分配整體流程（流程①）

步驟2 將3種業務總帶寬需求與3層結構下的最大容量進行比較，若總帶寬需求小于3層結構下系統帶寬容量，跳至步驟3和步驟4（執行流程②，如圖6所示）；否則跳至步驟5。

圖6 第一階段步驟3和步驟4詳細流程（流程②）

步驟8 第五層調制階數設為0，各業務不在第五層授予帶寬，系統為4層結構。第四層則依據EF、AF、BE額外帶寬請求授予第四層各業務帶寬。

第二階段：各業務在ONU間的帶寬分配。為了增加帶寬利用率，提高網絡性能，保證帶寬分配的相對公平，令帶寬請求量大的ONU分配到更多帶寬的同時請求量較小的ONU也能分配到充分的帶寬，采用的分配策略為：根據各業務在各層授予的帶寬量計算各業務的ONU平均帶寬，據此進行高低業務負載ONU分類，并依次授予ONU在各層的各業務帶寬。

通過上述的帶寬層分配過程，可以確定EF、AF、BE這3種業務在各層中分配到的帶寬量和分層結構中分配到的帶寬總量，并確定每一層的調制階數，接下來，進行3種業務在ONU間的帶寬分配。

依據服務等級協議要求，根據各業務分配到的總帶寬量，為ONU分配每種業務的最小保證帶寬為

將各業務低負載ONU多余的帶寬供給高負載ONU，所有低負載ONU多余的帶寬總和為

將各業務低負載ONU多余帶寬按比例分給高負載ONU，則每個高負載ONU得到的多余帶寬為

OLT依據高負載ONU帶寬請求從大到小的順序，為每個高負載ONU分配授權帶寬，為

按照第二階段過程進行3種業務在ONU間的帶寬分配，可以計算出ONU在各層的各種業務授權的帶寬量。然后進行每個ONU在每一層占用的載波和時隙的分配，在每一層中按照ONU各業務帶寬授予量從大到小的順序進行時頻資源分配，首先確定ONU的初始載波和時隙，接下來不斷增加ONU的時頻單元數量，每多分配一個時頻單元就計算一次當前帶寬量，如果當前帶寬量不大于授權帶寬量，則繼續分配時頻單元，否則給下一個ONU分配時頻單元，直至分配完所有ONU的帶寬授權或時頻單元用盡為止。至此，完成了分層業務帶寬分配和ONU間帶寬分配。

4 算法仿真及性能分析

表2 仿真參數設置

對比算法采用傳統單極性OFDM-PON系統動態帶寬分配（UL-DBA, unable layered dynamic bandwidth allocation）算法[12]，該算法在U-OFDM調制技術下忽略調制分層對帶寬分配的影響，目標是在系統總帶寬一定條件下根據各ONU的業務需求為其分配最接近需求的授權帶寬。在不同網絡負載情況下執行LA-DBA及其對比算法UL-DBA，2種算法性能比較如圖7~圖10所示，圖中橫坐標負載定義為單位時間內系統需要傳輸的數據量（bit）與整個系統能夠傳輸的數據量（bit）之間的比值。

隨著上行負載的變化，OFDM-PON系統資源利用率的變化情況如圖7所示。因為增強型OFDM-PON系統通過資源復用能提供比傳統OFDM-PON系統更大的帶寬容量。為保證LA-DBA與UL-DBA之間對比的公平性，這里的資源利用率被定義為系統有效吞吐量與系統無分層傳輸狀態下初始容量（1 Gbit/s）的比值。隨著上行負載的增大，OFDM-PON系統資源利用率增加，但增量不斷減小，最后趨于平緩，這是因為隨著負載的增加，每個ONU的各業務帶寬請求逐漸增大，但整個光纖信道中支持上行傳輸的帶寬資源是有限的，因此隨著上行負載增加，OLT為ONU分配的帶寬增量逐漸降低，資源利用率趨于平緩。低負載時，由于UL-DBA算法帶寬分配較粗糙，單極性OFDM-PON系統分配了比請求量更多的帶寬給ONU，雖然資源利用率比LA-DBA算法高，但會造成帶寬資源浪費；高負載時，由于增強型OFDM-PON系統特有的分層傳輸結構，每個子載波通過分層傳輸得到有效復用，因此LA-DBA算法能實現比UL-DBA算法更高的資源利用率。

圖7 LA-DBA和UL-DBA算法系統資源利用率對比

隨著系統負載的變化，OLT端接收到的數據分組總數以及EF、AF、BE業務的數據分組總數在20個輪詢周期仿真時間內的變化情況分別如圖8和圖9所示。圖8中隨著負載的升高，OLT接收的數據分組總數連續增加。在負載較低時，LA-DBA算法中OLT接收的數據分組總數和UL-DBA算法近似相等。隨著上行負載逐漸增加，LA-DBA算法的接收數據分組總數逐漸高于UL-DBA算法，其原因是LA-DBA算法在帶寬分配上更細化而且增強型OFDM-PON系統帶寬容量更大，因此其在高負載時接收到的數據分組總數要大于UL-DBA算法。圖9中OLT端接收到的EF、AF業務的數據分組總數近似相等且逐步增加，這是因為在2種算法中，EF和AF業務都為高優先級業務，優先分配帶寬。EF數據分組總數少于AF，則是因為EF的數據分組到達率小于AF。在2種算法中，BE業務數據分組總數在負載增加到一定程度后出現下降，這是因為BE業務優先級最低，負載較高時留給BE的帶寬資源不足。

圖8 LA-DBA和UL-DBA算法在OLT端接收到的數據分組總數對比

圖9 LA-DBA和UL-DBA算法在OLT端接收各業務數據分組對比

從圖7~圖9可以看出，LA-DBA算法在負載容忍性上要優于UA-DBA算法。這是由于LA-DBA算法依據增強型OFDM-PON特定的調制結構而設計，相較于UL-DBA算法，增加了一個調制分層的帶寬維度，故LA-DBA算法的負載容忍性更高，帶寬分配顆粒度更細化。

隨著系統負載的增加，OLT端接收數據分組的平均時延的變化情況如圖10所示。從圖10可以看出，隨著負載升高，平均數據分組時延在逐步增加，這是因為各個ONU的數據分組請求增多，在一個輪詢周期內高優先級業務（EF、AF）占用帶寬增多，而低優先級業務（BE）分配帶寬減少，故低優先級業務不能在一個輪詢周期內全部發送出去，造成多個輪詢周期的隊列等待，從而時延增加。LA-DBA算法的數據分組平均時延在高負載情況下要低于UL-DBA算法，這是因為LA-DBA算法基于增強型OFDM-PON系統結構，其系統帶寬容量更大，而且其根據業務優先級不同，將業務合理分配到不同層結構中，使帶寬分配更細化，避免造成系統帶寬浪費。

圖10 LA-DBA算法和UL-DBA算法在OLT端接收到各業務的數據分組平均時延對比

5 結束語

基于增強型OFDM-PON網絡結構，本文提出多業務分層帶寬分配算法，為新型OFDM-PON網絡結構下的帶寬分配算法設計提供了理論指導。仿真結果表明，基于增強型OFDM-PON結構的分層多維帶寬分配算法相較于傳統算法能承受更大的網絡負載，并且在網絡高負載條件下能保持較低的數據分組時延。

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Layered bandwidth allocation algorithm for multi-service in orthogonal frequency division multiplexing passive optical network

LIU Yejun, LIU Yuying, HAN Pengchao, WANG Jidong, GUO Lei

International Cooperation Laborary of Intelligent System School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

Due to the superiority in large bandwidth capacity and flexible resource allocation, orthogonal frequency division multiplexing passive optical network (OFDM-PON) has been recognized as one of the promising candidates for the next generation PON. There are many research works on the system architecture design of OFDM-PON. However, most of these works focused on the techniques of physical structure and signal transmission and less addressed the bandwidth allocation algorithms supporting the new types of system architecture. The bandwidth allocation in OFDM-PON, which is one of the key techniques to enable the access of multi-service, refers to the joint optimization of multi-dimensional resources in time domain, frequency domain and bits. A layered bandwidth allocation algorithm was proposed for multi-service in the enhanced system architecture of OFDM-PON, aiming at the efficient bandwidth resource utilization. Simulation results prove that the proposed bandwidth allocation algorithm outperforms the conventional algorithms without layered transmission significantly in terms of resource utilization and packet delay.

OFDM-PON, dynamic bandwidth allocation, layered bandwidth allocation, multi-service transmission

TP302

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2018159

劉業君（1986?），男，遼寧丹東人，博士，東北大學副教授，主要研究方向為下一代光接入網、無線光融合通信與網絡。

劉玉瑩（1993?），女，黑龍江哈爾濱人，東北大學碩士生，主要研究方向為OFDM無源光網絡。

漢鵬超（1992?），女，黑龍江齊齊哈爾人，東北大學博士生，主要研究方向為下一代光接入網、網絡虛擬化等。

王繼東（1992?），男，遼寧沈陽人，東北大學碩士生，主要研究方向為OFDM無源光網絡。

郭磊（1980?），男，四川眉山人，博士，東北大學教授，主要研究方向為光通信與網絡、無線通信等。

2018?05?18；

2018?08?20

國家自然科學基金資助項目（No.61471109, No.61501104）

The National Natural Science Foundation of China (No.61471109, No.61501104)