一种基于GPON系统的动态带宽分配装置及方法与流程

本发明属于无源光网络系统技术领域，具体的涉及一种基于GPON系统的动态带宽分配装置及方法。

背景技术：

GPON标准的制订和提出，标志着向全光网又迈进了一步。通过GPON系统，既可以传输ATM(高速分组交换技术)信元，也可以传输基于分组的信元流。GPON致力于提供更高的数据传输效率和业务服务等级(QoS)，而这些都是有效支持多媒体业务所必须的。ITU国际电信联盟建议明确了物理媒质层和传输汇聚层的基本要求，与MAC协议最相关的部分是该建议明确了信息流的帧格式、开销字节的安排以及物理层维护着信元的分配。但是对于MAC协议中最关键的带宽分配方法没有做出规定，因此对MAC协议带宽分配算法的研究具有现实意义。

分组网络中，由于各种业务对业务质量的要求不尽相同，有的业务类型对时延很敏感(如话音)，有的则只对信元丢失率敏感(如FTP或e-mail)，若将不同类型业务不加区别地对待，会导致QoS的恶化，甚至会造成信元丢失。吉比特无源光网络(GPON)带宽分配的公平性降低网络的传输延时，并提高了带宽利用率。在GPON系统中，能够有效的实现底层MAC协议带宽分配的装置及方法，成为了一种新的技术需求。

针对以上缺点，本发明在GPON系统传输汇聚层的帧结构及动态带宽分配的实现方法上进行了改进，提出了一种基于GPON系统的动态带宽分配装置及方法。本发明装置简单，鲁棒性强，能够对GPON系统中底层MAC协议的带宽进行自适应动态分配，具有较强的工程应用价值。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于GPON系统的动态带宽分配装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于GPON系统的动态带宽分配装置，所述装置包括带宽请求单元、带宽管理单元和带宽执行单元。

优选的，所述的带宽请求单元根据三网合一需求，形成ONU带宽需求矩阵R。

进一步的，所述的带宽请求单元中三网合一包括电信网、广播电视网和互联网。

进一步的，所述的带宽需求矩阵R是以数据帧为基本时间统计单位，将ONU中各队列的长度转换为字节数或以53字节为单位的信元数，构成带宽需求矩阵R。

优选的，所述的ONU是光网络单元，包括A、B、C、D四类等级业务，所述的带宽需求矩阵R中的元素R_i，j(1≤i≤N，1≤j≤4)是ONU_i中第j个队列累计带宽需求，N代表光网络单元的统计值，N是正整数，且N的最大值为128。

进一步的，所述的A、B、C、D四类等级业务中，根据各队列业务对实时性要求的高低确定各队列轮询的优先级顺序，从高到低排列，依次为A等级业务、B等级业务、C等级业务和D等级业务。

优选的，所述的带宽管理单元根据R矩阵进行动态带宽分配。

进一步的，所述的带宽管理单元中动态带宽分配，将每个数据帧中队列的发送授权固定，为W_j(1≤j≤4)，其中满足以数据帧为基本时间统计单位，将系统中总的可分配带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数M。

进一步的，所述的信元数M是将可分配给ONU_i的带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数，满足将可为ONU_i的各个队列分配的带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数，满足并进一步分配带宽分配矩阵。

进一步的，所述的带宽分配矩阵是将ONU_i每个等级业务队列的许可带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数G_i，j，构成带宽分配矩阵，其中，满足G_i，j＝min(R_i，j，M_i，j)(1≤i≤N，1≤j≤4)。

优选的，所述的带宽执行单元执行最终数据、语音、视频等信息的传输。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于GPON系统的动态带宽分配方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：在带宽分配时间的第1帧时间内估算系统总的可分配带宽为M，MAC协议控制器轮询带宽需求矩阵R，1帧时间内总的带宽需求为

步骤S2：根据ONU_i的负载计算为其分配的带宽M_i＝(Q′/Q)M；

步骤S3：根据业务权值和步骤S2，可得分配给ONU_i各业务队列的带宽

步骤S4：根据步骤S2轮询的结果和步骤S3计算的结果，为ONU_i的业务队列分配带宽；

步骤S5：为所有包含带宽请求的ONU分配带宽；

步骤S6：更新带宽需求矩阵，计算剩余带宽并判断是否回到步骤S1；

步骤S7：对带宽需求矩阵R进行更新，等待下一帧的分配。

优选的，所述步骤S3中，所述的业务权值为权利要求5中数据帧队列的发送授权权值W_j(1≤j≤4)。

可选的，所述步骤S4中，ONU_i业务队列中分配的带宽分为以下四种情况：

如果R_i，1＞0，为ONU_i的A类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，1＝min(R_i，1，M_i，1)

M_i＝M_i-G_i，1

如果R_i，2＞0，为ONU_i的B类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，2＝min(R_i，2，M_i，2)

M_i＝M_i-G_i，2

如果R_i，3＞0，为ONU_i的C类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，3＝min(R_i，3，M_i，3)

M_i＝M_i-G_i，3

如果R_i，4＞0，为ONU_i的D类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，4＝min(R_i，4，M_i，4)

M_i＝M_i-G_i，4

优选的，所述步骤S6中，经过初始带宽授权分配后，在出现剩余带宽的前提下，此时没有发送许可的队列中会出现累积信元，为了提高带宽利用率，需要依照权利要求8中步骤S1到S5，对剩余的上行带宽进行再次处理。

本发明提出的基于GPON系统的动态带宽分配装置及方法，能够产生积极的有益效果，具有以下三个方面的优点：

(1)装置简单，鲁棒性强，能够对GPON系统中底层MAC协议的带宽进行自适应动态分配，具有较强的工程应用价值。

(2)带宽映射管理器实现逻辑功能由算法实现，完成带宽的动态分配，成本低廉，方法高效。

(3)对于分组信元流的管理、维护以及健壮性而言，本发明提出的方法是非常有效的。

附图说明

图1显示了现有技术中GPON系统的组成结构示意图；

图2显示了现有技术中GPON系统MAC上行帧传输帧结构示意图；

图3显示了现有技术中GPON系统MAC下行帧传输帧结构示意图；

图4显示了本发明优选实施例的分组数据在GPON系统中传输帧结构示意图；

图5显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的动态带宽分配装置示意图；

图6显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的MAC控制器结构；

图7显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的动态带宽分配方法示意图；

图8显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的动态带宽分配方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1显示了现有技术中GPON系统的组成结构示意图。

如图1所示，GPON系统最主要的三部分包括位于局端的OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)、终端ONU(Optical Network Unit，光网络单元)以及ODN(Optical Distribution Network，光配线网)。PON即无源光网络中的“无源”是指ODN全部由光分路器等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源，下面对OLT、ODN和ONU功能进行具体介绍。

OLT为接入网提供网络侧与核心网之间的接口，通过ODN与各ONU连接。图1中，OLT连通Internet互联网，PSTN公共交换电话网络，CATV社区公共电视天线系统，作为PON系统的核心功能设备，OLT具有集中带宽分配、控制各ONU、实时监控、运行维护管理PON系统的功能。ONU为接入网提供用户侧的接口，提供话音、数据、视频等多业务流与ODN的接入，同时受OLT集中控制。系统支持的分支比为1∶16/32/64，随着光收发模块的发展演进，支持的分支比将达到1∶128。在同一根光纤上，GPON可使用波分复用(WDM)技术实现信号的双向传输。根据实际需要，还可以在传统的树型拓扑的基础上采用相应的PON保护结构来提高网络的生存性。GPON技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点。

图2显示了现有技术中GPON系统MAC上行帧传输帧结构示意图，图3显示了现有技术中GPON系统MAC下行帧传输帧结构示意图。

如图2和图3所示，分组网络中，由于各种业务对业务质量的要求不尽相同，有的业务类型对时延很敏感(如话音)，有的则只对信元丢失率敏感(如FTP\e-mail)，若将不同类型业务不加区别地对待，会导致QoS的恶化，甚至会造成信元丢失。接入GPON系统的5类业务流按其对实时性要求的不同分成4类：A类业务、B类业务、C类业务和D类业务，对不同类型的业务采用不同的带宽分配机制。根据对不同优先级业务提供不同QoS的原则，采取将业务等级在网络边缘分类的方法，即在ONUs侧，将有相同QoS要求的业务组成一个队列，每个等级的业务队列缓存在一个队列缓存器中，因此在ONUs侧，每个ONU需要设置4个队列缓存器，缓存器的填充状况反映了业务的瞬时特性，这个信息通过上行帧的特定信息字节发送到media access control(MAC控制器)，这样MAC控制器就可以了解整个系统的负荷情况。

GPON系统传输帧的上下行帧长均为125微秒，图1中帧结构中PLOu、PLOAMu、PLSu和PCBu为上行帧开销，DBA(dynamic bandwidth allocation)动态带宽分配的长度为12bit，ONU利用DBA将其队列缓存器中的队列信息向OLT报告，以申请带宽资源，而ITU国际电信联盟建议中未对DBA的格式和内容进行定义。本发明中将DBA分成2个部分：2bit的Frag和10bit的BWRF，带宽请求区Frag表示ONUs侧队列缓存器中业务队列的等级，其中，00表示队列中缓存的是A类，优先级为1；01表示队列中缓存的是B类业务，优先级为2，10表示队列中缓存的是C类业务，优先级为3，11表示队列中缓存的是D类业务，优先级为4。BWRF长为10bit，表示队列缓存器中业务队列的长度，ONUs每帧可以向OLT报告0～1024个信元或以53byte为单位的业务流的等待情况。OLT根据ONUs报告的队列业务等级以及系统资源为ONUs分配带宽。PCBu的最后一个字节的前4bit作为健壮控制区，3个置位bit和预留区，1bit预留，用于增加GPON系统的健壮性和可升级性，最后4bit用于CRC校验，完成对请求信息的保护。图3中GPON系统下行帧传输帧结构，MAC控制器利用下行帧中的US BW map为ONUs分配带宽。通过GPON系统既可以传输ATM信元，也可以传输基于分组的信元流。

图4显示了本发明优选实施例的分组数据在GPON系统中传输帧结构示意图。

如图4所示，GPON传送帧的数据负荷部分由m个分组帧组成，每个分组帧有5byte的帧头，其后是长度可变的负荷数据，其长度由2byte的分组长度指示器标志，每个分组帧可以传送0*65536个信元或以53byte为单位的业务流。帧头中有2bit的Frag，00为分组数据是分组帧的全部，01为分组数据是分组帧的第1段，10为分组数据是分组帧的最后一段，11为分组数据是分组帧的中间部分。每个分组帧由分组结束标志结束，对分组信元流，每个分组帧有21byte的开销。

图5显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的动态带宽分配装置示意图。

如图5所示，基于GPON系统的动态带宽分配装置包括带宽请求单元、带宽管理单元和带宽执行单元。

带宽请求单元根据三网合一需求，形成ONU带宽需求矩阵R。其中，带宽请求单元中三网合一包括电信网、广播电视网和互联网。带宽需求矩阵R是以数据帧为基本时间统计单位，将ONU中各队列的长度转换为字节数或以53字节为单位的信元数，构成带宽需求矩阵R。其中，ONU是光网络单元，包括A、B、C、D四类等级业务，带宽需求矩阵R中的元素R_i，j(1≤i≤N，1≤j≤4)是ONU_i中第j个队列累计带宽需求，N代表光网络单元的统计值，N是正整数，且N的最大值为128。其中，A、B、C、D四类等级业务中，根据各队列业务对实时性要求的高低确定各队列轮询的优先级顺序，从高到低排列，依次为A等级业务、B等级业务、C等级业务和D等级业务。

带宽管理单元根据R矩阵进行动态带宽分配。带宽管理单元中动态带宽分配，将每个数据帧中队列的发送授权固定，为W_j(1≤j≤4)，其中满足以数据帧为基本时间统计单位，将系统中总的可分配带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数M。信元数M是将可分配给ONU_i的带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数，满足将可为ONU_i的各个队列分配的带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数，满足并进一步分配带宽分配矩阵。带宽分配矩阵是将ONU_i每个等级业务队列的许可带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数G_i，j，构成带宽分配矩阵，其中，满足G_i，j＝min(R_i，j，M_i，j)(1≤i≤N，1≤j≤4)。

带宽执行单元执行最终数据、语音、视频等信息的传输。

图6显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的MAC控制器结构。

如图6所示，本发明优选实施例中，GPON系统可以管理的ONUs为N个(N的最大值为128)，本发明设计的位于OLT的MAC控制器结构如图6所示，其中带宽分配参数中保存所有等级业务流的业务参数由带宽分配算法确定。带宽请求矩阵R接收OUNs所发送的DBA报告信息，是一个N×4的存储矩阵，每行对应一个ONU的队列缓存器队列状态，矩阵的4个列分别对应ONU的A、B、C和D类业务的队列情况，其长度分别为2字节。本发明的BW map(带宽映射管理器)的逻辑功能由算法实现，完成带宽的动态分配。BW map管理器将带宽分配结果送到BW map(FIFO寄存器)，BW map有H个存储单元，H由系统的硬件决定，每个存储单元为6byte，其作用是生成下一帧的BW map，MAC控制器利用下行帧的US BW map(上行带宽映射区)，用广播的方式将其发送到各ONUs。

图7显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的动态带宽分配方法示意图。

如图7所示，带宽需求矩阵R是以数据帧为基本时间统计单位，将ONU中各队列的长度转换为字节数或以53字节为单位的信元数，构成带宽需求矩阵R，是一个N行4列的矩阵，N为系统ONU的数量，ONU包括A、B、C、D四类等级业务，带宽需求矩阵R中的元素R_i，j(1≤i≤N，1≤j≤4)是ONU_i中第j个队列累计带宽需求，N代表光网络单元的统计值，N是正整数，且N的最大值为128。A、B、C、D四类等级业务根据各队列业务对实时性要求的高低确定各队列轮询的优先级顺序，从高到低排列，依次为A等级业务、B等级业务、C等级业务和D等级业务。每个等级业务中分配带宽的权重按照每个数据帧中队列的发送授权固定，为W_j(1≤j≤4)，并且满足以数据帧为基本时间统计单位，将系统中总的可分配带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数M。其中，信元数M是将可分配给ONU_i的带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数，满足将可为ONU_i的各个队列分配的带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数，满足并进一步分配带宽分配矩阵。其中，带宽分配矩阵是将ONU_i每个等级业务队列的许可带宽转换为字节数或以53字节为单位的信元数G_i，j，构成带宽分配矩阵，并且满足G_i，j＝min(R_i，j，M_i，j)(1≤i≤N，1≤j≤4)，在分配好带宽需求矩阵、带宽分配矩阵后，进行下行帧带宽分配。

图8显示了本发明优选实施例的基于GPON系统的动态带宽分配方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

步骤S1：在带宽分配时间的第1帧时间内估算系统总的可分配带宽为M，MAC协议控制器轮询带宽需求矩阵R，1帧时间内总的带宽需求为

步骤S2：根据ONU_i的负载计算为其分配的带宽M_i＝(Q′/Q)M；

步骤S3：根据业务权值和步骤S2，可得分配给ONU_i各业务队列的带宽其中业务权值为数据帧队列的发送授权权值W_j(1≤j≤4)；

步骤S4：根据步骤S2轮询的结果和步骤S3计算的结果，为ONU_i的业务队列分配带宽，ONU_i业务队列中分配的带宽具体分为以下四种情况：

如果R_i，1＞0，为ONU_i的A类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，1＝min(R_i，1，M_i，1)

M_i＝M_i-G_i，1

如果R_i，2＞0，为ONU_i的B类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，2＝min(R_i，2，M_i，2)

M_i＝M_i-G_i，2

如果R_i，3＞0，为ONU_i的C类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，3＝min(R_i，3，M_i，3)

M_i＝M_i-G_i，3

如果R_i，4＞0，为ONU_i的D类业务分配带宽，并计算带宽剩余：

G_i，4＝min(R_i，4，M_i，4)

M_i＝M_i-G_i，4

步骤S5：为所有包含带宽请求的ONU分配带宽；

步骤S6：更新带宽需求矩阵，计算剩余带宽并判断是否回到步骤S1；

步骤S7：对带宽需求矩阵R进行更新，等待下一帧的分配。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。