一种基于SLA的WDMEPON动态波长带宽分配算法

【摘要】 波分复用技术结合时分复用形成了混合WDM EPON，如何提高系统的带宽利用率和用户服务质量成为关键技术。结合已有算法的优缺点，提出一种新的动态波长带宽分配算法。该算法结合业务等级分类和用户服务等级协议的权重为光网络单元分配相应的带宽和波长，以达到提高服务质量、带宽分配公平性，提高上行带宽利用率和改善网络性能的目的。

【关键词】 动态波长带宽分配 服务等级协议 服务质量 WDM EPON 公平性

Abstract：Wavelength division multiplexing technique combined with time division multiplexing form mixed WDM EPON.How to improve the system bandwith utilization and quality of service has become the key bined with the existing algorithms，this paper proposes a new dynamic wavelength and bandwidth allocation algorithm which allocates the bandwith and wavelength to the ONU based on different traffic types and SLA weights.The purpose of doing it is to improve the quality of service， utilization rate of the uplink bandwidth and fairness of bandwidth allocation.，and finally improve the performance of the network.

Key words：DWBA；SLA； QOS；WDM EPON；fairness

一、引言

以太无源光网络（EPON）实现了高带宽和多业务接入，因此是一种很有竞争力的接入解决方法，目前 EPON标准中采用了时分复用的方式。然而，由于用户数量的不断增加和传输质量要求向更高的方向发展，EPON系统将不能满足此需求。波分复用无源光网络（WDM PON）被认为是下一带宽带接入网的发展方向和光纤到户的最终解决方案。但是由于它的成本很高，因此应用受到了限制。结合WDM 对 EPON 系统进行升级，不仅可以实现较低的成本，并能增加网络容量扩展的弹性，是实现从EPON向WDM-PON平滑升级的过渡方案。

服务等级协定（SLA）是运营商与用户之间签订的正式合同，用来规定服务质量、 优先级和责权。SLA从客户的角度出发，把承诺的服务品质进行量化。

上行信道中动态波长带宽分配（DWBA）与 SLA密切相连。因此，对WDM-EPON进行动态波长带宽分配算法研究在波长信道间的负载均衡、QOS、数据延时、波长带宽的公平性、资源利用率等方面有着重要的意义。

目前WDM EPON的动态波长带宽分配主要是根据ONU的请求进行带宽分配，虽然很多算法对ONU端的业务进行了分类，但并没有对相同业务中的用户进行分类，没有考虑到用户的SLA，于是在多用户SLA 的实际网络应用中产生了很大的局限性。因此，在文献[1]所提算法的基础上，提出了一种全新的基于SLA的WDM EPON 上行波长带宽分配算法――BS-DWBA。

二、WDM EPON的网络架构及MPCP协议

2.1 WDM EPON网络架构

WDM EPON的上行方向是ONU到OLT的数据传输方向，下行方向是从OLT 到 ONU 的数据传输方向，系统结构如图1所示。

在上行方向中，各个ONU之间共享资源的多个波长信道（λk1…λkn）。而每个波长信道又被划分成了很多不同的时隙，由OLT通过DWBA算法来分配相应的波长和时隙给各个ONU 以避免上行信道冲突，采用的是TDM和WDM相结合的方式。

下行方向仍然采用 EPON 结构中的点到多点（λμ1…λμn）的单波广播方式。

一种光接入网结构，主要分为两种情况：（1）结构 A1：ONU 被分成多个子集，每个子集分配一个固定的波长信道来用于上行传输，每一个ONU都有一对固定波长的收发器。这种结构不能实现不同波长间带宽的统计复用，系统总带宽利用率很低。（2）结构 A2：相对于结构A1，A2更灵活，它能够同时支持时间和波长的共享。在上行传输中，每一个ONU可以配备一个或多个固定发射器，根据ONU端的流量需求可以进行升级。这种结构中 ONU 的工作波长是可变的。OLT在接收带宽请求的同时，根据各个ONU所支持的波长分配传输窗口给相应的ONU。WDM-PON资源作为一个池，所有的ONU共享这些资源。BS-DWBA算法的研究主要基于A2结构。这种结构根据OLT端的DWBA算法使ONU的上行传输在不同时刻从一个波长协调到另一个波长上。

2.2 WDM MPCP协议

为了保证EPON 对 WDM的升级，必须扩展原来的多点控制协议（MPCP协议）。

扩展后的协议不仅支持波长分配，还要兼容EPON中的MPCP协议。拓展后的WDM MPCP协议应具有良好的兼容性，协议中的REGISTER_REQ 和 GATE 消息体中应包含波长信息。WDM EPON帧结构可参考文献[2]。

因为提出的BS-DWBA算法结合了SLA，因此在原有的WEM EPON帧结构中请求帧应增加请求用户等级的字段，可用SLA_TYPE来表示，而用户类型中应说明三种业务类型的带宽请求信息。授权帧中也应增加SLA_TYPE字段，表示当前授权帧所针对的用户类型。

三、BS-DWBA算法

目前有两种上行分配方式：在线分配和离线分配。本文的研究是基于离线分配方式。

将 ONU 端所连接的用户分为三种不同的类型：p用户，n 用户和l用户。当网络负载发生变化时，P用户的QOS参数基本保持恒定；当网络负载改变时，N用户的QOS参数控制在一定的范围内；在低负载时，L用户可能获得QOS保证，而高负载时网络性能会有较为明显的下降，但EF业务还是应得到保证。同时，对每种类型的用户，进行了业务划分：高优先级业务EF、中优先级业务AF和低优先级业务 BE。其中高优先级业务要求严格时延和抖动，如语音；中优先级业务提供带宽保证服务，但时延不严格，如视频服务；低优先级业务对时延和抖动的要求都不严格，如数据服务。因此，ONU获得授权带宽为其内EF、AF和BE业务获得授权带宽的总和，算法如图2所示。

3.1 总体算法思路

在上行方向，将ONU内不同用户类型以及相同用户类型中不同业务等级综合考虑来公平地共享上行带宽。因此在进行带宽波长动态分配时，首先将总的带宽请求分为EF业务的带宽请求，AF业务的带宽请求和BE业务的带宽请求，根据每类业务所占的权重来分配相应的授权带宽；然后根据不同业务中用户的SLA的请求带宽信息，来进行相应的带宽授权；最后各个ONU的授权带宽为不同业务中不用用户类型授权带宽的总和。带宽分配完成后，再为每个ONU分配传输波长，将待发送数据分配到最早可用的波长和时隙上。

3.2 算法描述

因此，采用BS-DWBA算法可以最终得出ONUi的授权带宽，为了保证上行带宽的利用率，分配完带宽后再进行时隙和波长的分配，分配原则是将待发送数据分配到最早可用的时隙和波长上，最早可用时隙和波长是指可用时隙上比其他波长要早。

3.3 性能分析

通过分析用户请求带宽和可用总带宽的三种关系，设计出了一种新的波长和带宽分配算法，算法性能分析如下：

（1）先对业务进行EF、AF、BE分类，再相应地对这三类业务进行SLA分类，在一定程度上保证了用户SLA的情况下，也确保了高优先级业务的QOS要求，降低了时延，提升了网络质量。（2）在重负载时，结合ONU的不同用户的不同业务等级的请求带宽和用户权重，既确保了重要用户的QOS参数，又能使限制用户获得相应的带宽保障，同时确保了限制用户高优先级业务的QOS要求，在一定程度上体现了用户和业务间的公平性。

四、结束语

在WDM-EPON 网络中，DWBA 算法能够对波长和带宽资源进行有效地分配。本文在对文献[3]中所提算法分析的基础上，结合实际情况中用户的SLA对其不足进行了相应地改进。

改进后的BS-DWBA算法根据 ONU 端的不同的业务等级以及相同业务等级中不同用户类型的情况对带宽和波长进行分配，不仅能够使各类优先级业务的队列时延得到相应的保证，还能实现不同用户的QOS和带宽分配的公平性，进一步提升了网络性能。

参 考 文 献

[1] 张春蕾，陈海灵，闫彩化. WDM-PON 的动态波长分配算法[J]. 光通信技术，2013（01）：5-8

[2] 邢盈盈. 混合WDM-TDM无源接入网络动态波长带宽分配算法研究[D]. 南京邮电大学，2013

[3] FAWAZ M，DAHEB B，AUDOUIN O. Service level agreement and provisioning in optical networks[J]. Communications Magazine，2004， 42（1）：6-43