一种时分波分复用堆叠式光接入网络中最少调谐的动态波长分配方法
一种时分波分复用堆叠式光接入网络中最少调谐的动态波长分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种时分波分复用堆叠式光接入网络中的动态波长分配算法，属于光 接入网技术领域。
【背景技术】
[0002] 对于用户接入宽带的需求不断增加，传统的千兆级的光接入网技术如GEPON 和GPON等已经不能满足用户的需求，因此业界开始了后10抓it/sPON技术的研究和 标准化工作，其中面向40抓it/sPON的一个主流技术方案就是TWDM-PON(Time-and Wavelength-DivisionMultiplexedPassiveOpticalNetwork)。 2012 年 4 月TWDM-PON 被国际标准组织FSAN选定为NG-P0N2的唯一发展方向。NG-P0N2选择TWDM-PON作为主要 技术方案，主要的诉求就是充分利用传统P0N技术在期间层面的长期技术积累和已经成熟 的XG-P0N巧片协议层技术，它是一种在时分复用PON(TDM-PON)的基础上通过波长堆叠构 成的网络。其结构承袭自TDM-P0N，光线路终端的pticalLineTerminal，化T)通过光分 路器（Splitter)与所有光网络单元（OpticalNetwork化it, 0NU)相连。TWDM-PON不需 要改动运营商已铺设的光分配网络（OpticalDistributionnetwork,0DN)，在协议上最接 近已广泛部署的GPON或XG-P0N1，是GPON和XG-P0N1的演进。TWDM-PON结合了时分无源 光网络和波分无源光网络的优点，非常适合于从时分无源光网络到波分无源光网络的过渡 阶段部署。
[000引 TWDM-PON系统结构利用波分复用，将M个（4个、8个或者更多）10GTDM-P0N堆叠 而成。其逻辑结构中，0LT同时对多路波长通道进行复用解复用，0NU通过可调光收发器选 择具体一个波长通道（接收波长和发送波长）和0LT进行通信，也就是说同一时刻，0NU只 能接收、发射一个波长。在一个波长通道内，TWDM-PON可重用10G-P0N下行时分复用技术、 上行时分多址接入技术、时隙大小、广播及带宽分配等技术。其主要优点是与现有10G-P0N 的技术继承性好，复用效率与带宽利用率高。
[0004] 目前对于TWDM-PON中的DWBA值ynamicWavelengthandBandwi化hAllocation) 研究还属于起步阶段，大部分继承了TDM/WDM-PON。而且对TWDM-PON的动态波长和带 宽分配，主要还是集中在带宽分配，对波长的分配研究相对比较少。因此本专利主要设 及TWDM-PON中多波长的调度算法，其带宽分配算法可W从已有的P0N网络带宽分配算 法研究中有所借鉴。目前，国内外研究人员已经提出了很多动态带宽分配算法，比如 IPACT(Interleaved化llingwithAdaptiveCycleTime),JIT(JustInTime)等。而对 于波长分配，现在主要提出的是最早空闲优先分配原则，该些算法的重点是提高带宽的利 用率和降低包时延。但是在多波长分配上，现有的算法没有加上0NU波长调谐时间。现有 的可调谐激光器中波长之间切换的时间最慢的是从几秒到几微秒，最快的是纳秒。但是， 快调谐激光器非常昂贵，而且能源消耗大，目前一般不用于接入网。因此，最常给0NU配备 的激光器的调谐时间至少是几十微秒。该在DBA算法中必须要考虑在内。本专利考虑到了 ONU波长调谐时间，主要致力于减少ONU的调谐频率方面进行研究突破。
【发明内容】
[0005] 为了降低0NU中波长的调谐频率，本发明针对TWDM-P0N提出了 一种时分波分 复用堆叠式光接入网络中最少调谐的动态波长分配方法，其中包括最少波长调谐机制（A MinimumofWavelength"TuningScheme,MWT)的波长分配算法。虽然目前TWDM-P0N中，优 先选择最早空闲波长进行带宽的传输已经运用的很广泛，但是他仍然考虑的不够全面。本 发明的主要思想是采用MWT进行波长分配，主要是将在同一个波长进行数据传输的0NU分 成一组，在轮询的时候，考虑优先空闲的波长的同时优先选择在该波长上的0NU进行传输， 减少0NU的波长调谐频率，该样有利于降低系统的时延，同时减少调谐过程带来的能源消 耗，更符合绿色环保理念。
[0006] 假设TWDM-P0M系统中0NU的数目为N，波长的数目为M，网络的传输速率为咕，最 大轮询周期为Twi。，传输窗口之间的保护间隔为Tg。
[0007] 波长的动态分配；MWT
[000引在化T中，每个波长信道对应一个变量了(m= 1, 2，…，M)，表不波长信道m的 下一个可用传输时刻，0LT记录所有IX。，同时给每个信道分配一个数组W[闲，用来存储利 用该个信道进行传输的0NU下标。初始化时候，0LT为0NU分配波长信道时，选择当前 最小的波长信道，同时授权ONU在该波长信道上的传输窗口，然后更新该波长信道的并 且将0NU下标记录到W[闲中，至于传输窗口的大小，由带宽分配算法决定。接着下次轮询 的时候，我们对信道上的0NU请求进行由大到小的排序，对于当前巧心最小的波长信道，我 们选择记录到该波长中的0NU进行数据的传输，也就是说每个波长选择的0NU是优先选择 上个轮询周期在该波长进行传输的那个。当某个波长的0NU全部轮询完毕，而另外的波长 还有剩余的0NU，那么就将未传输的0NU波长调谐到已经完成的波长。经过该样，就可W大 大减少0NU的波长变换次数。W上波长分配过程称为"最少波长调谐机制"。
[0009] 在MWT中，一次轮询周期授权开始前，0LT将收集到的所有0NU的带宽请求，同时已 经对0NU进行波长的分组。然后采用最少波长调谐机制，对最早空闲出来的波长上的0NU进 行带宽分配，该种优先选择波长，再选择0NU的重排方式可W减少0NU之间的波长变换，减 少因为波长变换带来的时延，同时也可W提高带宽的利用率，可用图1所示示意图来证明。
[0010] 完成波长分配算法后，0NU所使用的波长及开始使用时间已经确定。至于带宽分 配，此处采用剩余带宽分配算法。当马时称该0NU为轻载0NU，反之为重载0NU。剩 余带宽是因轻载0NU的巧W^ 而造成，系统的剩余带宽是指所有轻载0NU的剩余带宽之 和。按比例将剩余带宽分配给所有重载0NU，可W保证各0NU之间的公平性。
[0011] W上动态波长分配算法和动态带宽分配算法都属于DWBA方法，在0LT的DWBA模 块中完成。通过采用丽SDWBA，TWDM-PON中的系统资源利用率得到提高，系统时延降低，还 保证了系统资源调度中的公平性。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明实施例中的算法示意图。
[0013] 图2是本发明实施例中的算法流程图。
【具体实施方式】
[0014] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图2对本发明实施方 式作进一步地详细描述。其中GATE和REPORT消息都是TWDM-PON消息交互协议中用到的 MAC控制帖，GATE消息从0LT发送到一个单独的0NU的，用于为该0NU分配传输的时隙，传 输波长、传输开始时刻和传输窗口长度S个数值来表示；REPORT消息是0NU用于把本地状 况（如缓存占用量，本发明中理解为0NU的请求带宽即可）传递给0LT的反馈机制，用于帮 助0LT智能地分配时隙。【具体实施方式】如下：
[00巧](1) 0NU向0LT发送REPORT消息，报告当前的带宽需求。REPORT消息由0NU的MAC控制客户端生成并在mac控制子层被标W时间戳。
[0016] (2)当REPORT消息到达0LT后，它将被传送到0LT的MAC控制客户端的DWBA模 块，此外，0LT还将利用REPORT消息中包含的时间戳计算它到该0NU的往返时间（RTT)。
[0017] (3) 0LT中的DWBA模块计算所有0NU的上行传输调度W避免碰撞。DWBA算法执行 完毕后，0LT将对0NU授权，即将该0NU的工作的波长信道、传输开始时间和传输长度封装 成GATE消息并广播。其中DWBA模块执行算法的过程如下：
[001引 a) 0LT记录所有0NU在上一个轮询周期时所用的波长，存储所有0NU的REPORT消 息，将同一个波长的0NU分为一组，并对组内的0NU按照其请求带宽从大到小的顺序排序；
[0019] b)0LT检查巧(m= 1，2-M)，比较得出其中数值最小的波长，并将该波长分配给 该波长的0NU组内当前排序后的第一个0NU，其传输开始时间为巧，波长分配结束。
[0020] C)接下来根据剩余带宽分配原理，为0NU分配传输带宽，具体实施算法不在本专 利保护范围之内。
[0021] d)0LT根据Gi更新了品。；
[002引e)如果某个波长上的0NU已经分配完毕，则则其他波长上的0NU可W调谐到该空 闲波长上进行数据传输，否则执行b)，直到所有0NU授权完毕；
[002引 （4)当0NU收到一个和其MAC地址相匹配的GATE消息时，将利用其中的授权值来 配置本地的可调发射机、传输开始时间和传输长度寄存器。
[0024] 妨当传输时间到来，0NU将开始在无竞争的环境下传输数据，发送的W太网帖数 目取决于被分配的传输窗口大小。
[0025] (6)0NU在被分配的传输时隙的开始发送REPORT消息来报告下一次带宽需求，在 传输数据的同时重复步骤（2)。
[0026] 本实施例通过MWTDWBA对TWDM-P0N进行动态波长带宽分配，降低了 0NU波长调 谐频率，降低了系统时延，提高了网络资源的利用率。
[0027] 本发明实施例可W通过软件实现，相应的软件可W存储在可读取的存储介质中， 例如计算机的硬盘、光盘或软盘中。
[002引 W上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种时分波分复用堆叠式光接入网络（Time-andWavelength-Division MultiplexedPassiveOpticalNetwork，TWDM-P0N)中的动态波长分配（Dynamic WavelengthandBandwidthAllocation)方法，其特征在于ONU(OpticalNetworkUnit) 发起带宽请求后，OLT(OpticalLineTerminal)的DWBA模块执行MWT(Minimumof WavelengthTuningScheme)算法，为每个ONU分配可使用的波长信道及带宽；在传输时刻 到来时，ONU按照授权值传输数据，完成用户与网络之间的信息交互。2. 根据权利要求1所述的MWT算法，其特征在于OLT将对ONU按其传输的波长进行分 组，轮询周期授权开始前，OLT将收集所有ONU的带宽请求，并将其请求在组内从大到小排 序。先选定最先空闲下来的波长，然后优先分配上个周期在该波长传输的0NU，指定其传输 数据窗口，完成波长的分配。3. 根据权利要求2,如果一个波长上的ONU全部授权完毕，则其他波长的ONU就可以进 行波长调谐，将波长变换到该空闲波长上，然后对未授权的ONU进行波长分配，这样完成了 整体的波长选择。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于TWDM-PON中最少调谐的动态波长分配方法，属于光接入网技术领域。光线路终端(OLT)对光网络单元(ONU)按其传输的波长进行分组，轮询周期授权开始前，OLT将收集所有ONU的带宽请求，并将其请求在组内从大到小排序。先选定最先空闲下来的波长，然后优先分配上个周期在该波长传输的ONU，指定其传输数据窗口。应用MWT波长分配算法，可以减少ONU的波长调谐频率，这样有利于降低系统的时延，同时减少调谐过程带来的能源消耗，更符合绿色环保理念。
【IPC分类】H04J14/02, H04J14/08, H04Q11/00
【公开号】CN104901762
【申请号】CN201510259966
【发明人】王宏祥, 苏素燕, 纪越峰
【申请人】北京邮电大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种时分波分复用堆叠式光接入网络中的动态波长分配算法，属于光 接入网技术领域。
【背景技术】
[0002] 对于用户接入宽带的需求不断增加，传统的千兆级的光接入网技术如GEPON 和GPON等已经不能满足用户的需求，因此业界开始了后10抓it/sPON技术的研究和 标准化工作，其中面向40抓it/sPON的一个主流技术方案就是TWDM-PON(Time-and Wavelength-DivisionMultiplexedPassiveOpticalNetwork)。 2012 年 4 月TWDM-PON 被国际标准组织FSAN选定为NG-P0N2的唯一发展方向。NG-P0N2选择TWDM-PON作为主要 技术方案，主要的诉求就是充分利用传统P0N技术在期间层面的长期技术积累和已经成熟 的XG-P0N巧片协议层技术，它是一种在时分复用PON(TDM-PON)的基础上通过波长堆叠构 成的网络。其结构承袭自TDM-P0N，光线路终端的pticalLineTerminal，化T)通过光分 路器（Splitter)与所有光网络单元（OpticalNetwork化it, 0NU)相连。TWDM-PON不需 要改动运营商已铺设的光分配网络（OpticalDistributionnetwork,0DN)，在协议上最接 近已广泛部署的GPON或XG-P0N1，是GPON和XG-P0N1的演进。TWDM-PON结合了时分无源 光网络和波分无源光网络的优点，非常适合于从时分无源光网络到波分无源光网络的过渡 阶段部署。
[000引 TWDM-PON系统结构利用波分复用，将M个（4个、8个或者更多）10GTDM-P0N堆叠 而成。其逻辑结构中，0LT同时对多路波长通道进行复用解复用，0NU通过可调光收发器选 择具体一个波长通道（接收波长和发送波长）和0LT进行通信，也就是说同一时刻，0NU只 能接收、发射一个波长。在一个波长通道内，TWDM-PON可重用10G-P0N下行时分复用技术、 上行时分多址接入技术、时隙大小、广播及带宽分配等技术。其主要优点是与现有10G-P0N 的技术继承性好，复用效率与带宽利用率高。
[0004] 目前对于TWDM-PON中的DWBA值ynamicWavelengthandBandwi化hAllocation) 研究还属于起步阶段，大部分继承了TDM/WDM-PON。而且对TWDM-PON的动态波长和带 宽分配，主要还是集中在带宽分配，对波长的分配研究相对比较少。因此本专利主要设 及TWDM-PON中多波长的调度算法，其带宽分配算法可W从已有的P0N网络带宽分配算 法研究中有所借鉴。目前，国内外研究人员已经提出了很多动态带宽分配算法，比如 IPACT(Interleaved化llingwithAdaptiveCycleTime),JIT(JustInTime)等。而对 于波长分配，现在主要提出的是最早空闲优先分配原则，该些算法的重点是提高带宽的利 用率和降低包时延。但是在多波长分配上，现有的算法没有加上0NU波长调谐时间。现有 的可调谐激光器中波长之间切换的时间最慢的是从几秒到几微秒，最快的是纳秒。但是， 快调谐激光器非常昂贵，而且能源消耗大，目前一般不用于接入网。因此，最常给0NU配备 的激光器的调谐时间至少是几十微秒。该在DBA算法中必须要考虑在内。本专利考虑到了 ONU波长调谐时间，主要致力于减少ONU的调谐频率方面进行研究突破。
【发明内容】
[0005] 为了降低0NU中波长的调谐频率，本发明针对TWDM-P0N提出了 一种时分波分 复用堆叠式光接入网络中最少调谐的动态波长分配方法，其中包括最少波长调谐机制（A MinimumofWavelength"TuningScheme,MWT)的波长分配算法。虽然目前TWDM-P0N中，优 先选择最早空闲波长进行带宽的传输已经运用的很广泛，但是他仍然考虑的不够全面。本 发明的主要思想是采用MWT进行波长分配，主要是将在同一个波长进行数据传输的0NU分 成一组，在轮询的时候，考虑优先空闲的波长的同时优先选择在该波长上的0NU进行传输， 减少0NU的波长调谐频率，该样有利于降低系统的时延，同时减少调谐过程带来的能源消 耗，更符合绿色环保理念。
[0006] 假设TWDM-P0M系统中0NU的数目为N，波长的数目为M，网络的传输速率为咕，最 大轮询周期为Twi。，传输窗口之间的保护间隔为Tg。
[0007] 波长的动态分配；MWT
[000引在化T中，每个波长信道对应一个变量了(m= 1, 2，…，M)，表不波长信道m的 下一个可用传输时刻，0LT记录所有IX。，同时给每个信道分配一个数组W[闲，用来存储利 用该个信道进行传输的0NU下标。初始化时候，0LT为0NU分配波长信道时，选择当前 最小的波长信道，同时授权ONU在该波长信道上的传输窗口，然后更新该波长信道的并 且将0NU下标记录到W[闲中，至于传输窗口的大小，由带宽分配算法决定。接着下次轮询 的时候，我们对信道上的0NU请求进行由大到小的排序，对于当前巧心最小的波长信道，我 们选择记录到该波长中的0NU进行数据的传输，也就是说每个波长选择的0NU是优先选择 上个轮询周期在该波长进行传输的那个。当某个波长的0NU全部轮询完毕，而另外的波长 还有剩余的0NU，那么就将未传输的0NU波长调谐到已经完成的波长。经过该样，就可W大 大减少0NU的波长变换次数。W上波长分配过程称为"最少波长调谐机制"。
[0009] 在MWT中，一次轮询周期授权开始前，0LT将收集到的所有0NU的带宽请求，同时已 经对0NU进行波长的分组。然后采用最少波长调谐机制，对最早空闲出来的波长上的0NU进 行带宽分配，该种优先选择波长，再选择0NU的重排方式可W减少0NU之间的波长变换，减 少因为波长变换带来的时延，同时也可W提高带宽的利用率，可用图1所示示意图来证明。
[0010] 完成波长分配算法后，0NU所使用的波长及开始使用时间已经确定。至于带宽分 配，此处采用剩余带宽分配算法。当马时称该0NU为轻载0NU，反之为重载0NU。剩 余带宽是因轻载0NU的巧W^ 而造成，系统的剩余带宽是指所有轻载0NU的剩余带宽之 和。按比例将剩余带宽分配给所有重载0NU，可W保证各0NU之间的公平性。
[0011] W上动态波长分配算法和动态带宽分配算法都属于DWBA方法，在0LT的DWBA模 块中完成。通过采用丽SDWBA，TWDM-PON中的系统资源利用率得到提高，系统时延降低，还 保证了系统资源调度中的公平性。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明实施例中的算法示意图。
[0013] 图2是本发明实施例中的算法流程图。
【具体实施方式】
[0014] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图2对本发明实施方 式作进一步地详细描述。其中GATE和REPORT消息都是TWDM-PON消息交互协议中用到的 MAC控制帖，GATE消息从0LT发送到一个单独的0NU的，用于为该0NU分配传输的时隙，传 输波长、传输开始时刻和传输窗口长度S个数值来表示；REPORT消息是0NU用于把本地状 况（如缓存占用量，本发明中理解为0NU的请求带宽即可）传递给0LT的反馈机制，用于帮 助0LT智能地分配时隙。【具体实施方式】如下：
[00巧](1) 0NU向0LT发送REPORT消息，报告当前的带宽需求。REPORT消息由0NU的MAC控制客户端生成并在mac控制子层被标W时间戳。
[0016] (2)当REPORT消息到达0LT后，它将被传送到0LT的MAC控制客户端的DWBA模 块，此外，0LT还将利用REPORT消息中包含的时间戳计算它到该0NU的往返时间（RTT)。
[0017] (3) 0LT中的DWBA模块计算所有0NU的上行传输调度W避免碰撞。DWBA算法执行 完毕后，0LT将对0NU授权，即将该0NU的工作的波长信道、传输开始时间和传输长度封装 成GATE消息并广播。其中DWBA模块执行算法的过程如下：
[001引 a) 0LT记录所有0NU在上一个轮询周期时所用的波长，存储所有0NU的REPORT消 息，将同一个波长的0NU分为一组，并对组内的0NU按照其请求带宽从大到小的顺序排序；
[0019] b)0LT检查巧(m= 1，2-M)，比较得出其中数值最小的波长，并将该波长分配给 该波长的0NU组内当前排序后的第一个0NU，其传输开始时间为巧，波长分配结束。
[0020] C)接下来根据剩余带宽分配原理，为0NU分配传输带宽，具体实施算法不在本专 利保护范围之内。
[0021] d)0LT根据Gi更新了品。；
[002引e)如果某个波长上的0NU已经分配完毕，则则其他波长上的0NU可W调谐到该空 闲波长上进行数据传输，否则执行b)，直到所有0NU授权完毕；
[002引 （4)当0NU收到一个和其MAC地址相匹配的GATE消息时，将利用其中的授权值来 配置本地的可调发射机、传输开始时间和传输长度寄存器。
[0024] 妨当传输时间到来，0NU将开始在无竞争的环境下传输数据，发送的W太网帖数 目取决于被分配的传输窗口大小。
[0025] (6)0NU在被分配的传输时隙的开始发送REPORT消息来报告下一次带宽需求，在 传输数据的同时重复步骤（2)。
[0026] 本实施例通过MWTDWBA对TWDM-P0N进行动态波长带宽分配，降低了 0NU波长调 谐频率，降低了系统时延，提高了网络资源的利用率。
[0027] 本发明实施例可W通过软件实现，相应的软件可W存储在可读取的存储介质中， 例如计算机的硬盘、光盘或软盘中。
[002引 W上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种时分波分复用堆叠式光接入网络（Time-andWavelength-Division MultiplexedPassiveOpticalNetwork，TWDM-P0N)中的动态波长分配（Dynamic WavelengthandBandwidthAllocation)方法，其特征在于ONU(OpticalNetworkUnit) 发起带宽请求后，OLT(OpticalLineTerminal)的DWBA模块执行MWT(Minimumof WavelengthTuningScheme)算法，为每个ONU分配可使用的波长信道及带宽；在传输时刻 到来时，ONU按照授权值传输数据，完成用户与网络之间的信息交互。2. 根据权利要求1所述的MWT算法，其特征在于OLT将对ONU按其传输的波长进行分 组，轮询周期授权开始前，OLT将收集所有ONU的带宽请求，并将其请求在组内从大到小排 序。先选定最先空闲下来的波长，然后优先分配上个周期在该波长传输的0NU，指定其传输 数据窗口，完成波长的分配。3. 根据权利要求2,如果一个波长上的ONU全部授权完毕，则其他波长的ONU就可以进 行波长调谐，将波长变换到该空闲波长上，然后对未授权的ONU进行波长分配，这样完成了 整体的波长选择。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于TWDM-PON中最少调谐的动态波长分配方法，属于光接入网技术领域。光线路终端(OLT)对光网络单元(ONU)按其传输的波长进行分组，轮询周期授权开始前，OLT将收集所有ONU的带宽请求，并将其请求在组内从大到小排序。先选定最先空闲下来的波长，然后优先分配上个周期在该波长传输的ONU，指定其传输数据窗口。应用MWT波长分配算法，可以减少ONU的波长调谐频率，这样有利于降低系统的时延，同时减少调谐过程带来的能源消耗，更符合绿色环保理念。
【IPC分类】H04J14/02, H04J14/08, H04Q11/00
【公开号】CN104901762
【申请号】CN201510259966
【发明人】王宏祥, 苏素燕, 纪越峰
【申请人】北京邮电大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
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