【正文】 Ethernet passive optical network (EPON)：building a next generation optical access network” [M]．IEEE Commun．Magazine， PP．66～73，F(xiàn)eb．2002．[17] G. Kramer, B．Mukherjee，G．Pesavento，Intedeaved Polling with Adaptive Cycle Time (IPACT)：A Dynamic Bandwidth Disrtibution Scheme in all Optical Access Network，IEEE Communications Magazine，2002，40：74—80[18] FuTai An, Hopil Bae, YuLi Hsueh, A New Media Access Control Protocol Guaranteeing Fairness Among Users in EthernetBased Parrive Optical Networks, Mar. 2003.[19] Steven Wright，Hany Fahmy,Andrew J．Vemon．Deployment Challenges for Access Metro Optical Networks and Services Journal of Lightwave technology, 2004，22(11)：20062017[20] Mazzini G，Setti G Rovatti R．Chaotic ples spreading sequences of asynchronous DS—CDMA—Part I：system modeling and results[J]．IEEE Tram Circuit Syst I，1997，44 (10)：937～947．
。.[16] G Kramer and G Pesavento．39。張曉敏，李維民．EPON動(dòng)態(tài)帶寬分配算法及仿真．《電訊技術(shù)》．2009年10月28日．[5] 程玉春，淺談廣電網(wǎng)雙向改造的幾種接入方案．《有線電視技術(shù)》．2011年1月20日．[6] 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)EPON網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)等級(jí)區(qū)分機(jī)制的理論研究和仿真驗(yàn)證，說(shuō)明了服務(wù)區(qū)分機(jī)制對(duì)EPON網(wǎng)絡(luò)性能的影響，體現(xiàn)了服務(wù)區(qū)分機(jī)制對(duì)EPON網(wǎng)絡(luò)的重要性。最后再利用Visual C++軟件對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行分析驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)研究的基本內(nèi)容是EPON網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)等級(jí)區(qū)分機(jī)制?；谥芷谳喸兊腎PACT算法沒(méi)有考慮到不同業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)，在業(yè)務(wù)的QoS保證方面還有待提高。尋找最適合的帶寬分配算法，最大程度的提高EPON系統(tǒng)的帶寬利用率是EPON領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。EPON技術(shù)是以太網(wǎng)技術(shù)與無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的融合，具有價(jià)格低廉，可靠性好，高帶寬，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低等等優(yōu)點(diǎn)。從仿真結(jié)果中得出了EPON系統(tǒng)中服務(wù)區(qū)分機(jī)制對(duì)業(yè)務(wù)QoS保障的重要性。接著在本章中介紹了業(yè)務(wù)分區(qū)機(jī)制，包括業(yè)務(wù)分區(qū)機(jī)制的基本思想和ONU隊(duì)列管理的基本內(nèi)容。而CBR算法在它們的基礎(chǔ)上有了改進(jìn)。其中，IPACT算法采取了間插輪詢的方式，但是，并沒(méi)有對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分級(jí)。第四節(jié) 本章小結(jié)本章首先介紹了幾種經(jīng)典的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法。同時(shí)，由仿真的結(jié)果，也可看出，服務(wù)區(qū)分機(jī)制對(duì)EPON的網(wǎng)絡(luò)性能具有重要的影響。其次，算法優(yōu)先滿足了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的帶寬要求，也兼顧了中低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的要求，具有一定的公平性。 改進(jìn)算法與CBR算法上行帶寬利用率比較總的來(lái)說(shuō)，支持QoS的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。我們可以看出從有負(fù)載開始，改進(jìn)型的算法的帶寬利用率就比CBR算法的帶寬利用率高出了許多。 改進(jìn)算法與IPACT算法上行帶寬利用率比較，我們可以看出，這種改進(jìn)型的算法比IPACT算法的帶寬利用率更高。這種剩余帶寬再分配有效的減少了帶寬的浪費(fèi)，增加了系統(tǒng)的帶寬利用率。同時(shí)，仿真結(jié)果還表明，這種支持QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配算法隨著負(fù)載變大比CBR算法的帶寬利用率也有一定的改進(jìn)。具體的參數(shù)設(shè)置如下表所示： 參數(shù)設(shè)置表參數(shù)數(shù)值OLT（光線路終端）1ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）16最大周期2msOLT到ONU的距離1020km數(shù)據(jù)源模型泊松模型數(shù)據(jù)包大小641518結(jié)果分析由仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)的支持QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配算法在負(fù)載加大時(shí)，帶寬利的用率比IPACT算法更高。數(shù)據(jù)源模型為泊松模型，數(shù)據(jù)包的大小為64到1518。假定OLT的個(gè)數(shù)為一個(gè)，ONU的個(gè)數(shù)為16個(gè)，OLT與ONU之間的距離為10到20km。在的情況下，可以直接將剩余帶寬分配給低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)LP。②中優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)MP：對(duì)MP業(yè)務(wù)的帶寬分配服從一個(gè)最大門限分配的原則。再有高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)需要發(fā)送的時(shí)候，分配帶寬時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足HP業(yè)務(wù)分配到的帶寬即為其需求的帶寬。有前面的敘述中，可以得知，總的業(yè)務(wù)可以分為三個(gè)級(jí)別，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)HP (High Priority)，中優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)MP (Medium priority)，低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)LP (Low Priority)，下面將分別敘述這三種業(yè)務(wù)的帶寬分配情況。如果，或者，那么就增大輪詢的周期，使得，然后再根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)來(lái)對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬分配。的大小可以由前一次傳輸時(shí)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的大小來(lái)計(jì)算。在這里，假設(shè)在光線路終端一共有M個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元，即發(fā)送請(qǐng)求的ONU一共有M個(gè)，同時(shí)系統(tǒng)的上行數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)為V bit/s，保護(hù)時(shí)間設(shè)為，一次周期輪詢的時(shí)間設(shè)為，系統(tǒng)的預(yù)留帶寬設(shè)為B，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬設(shè)為，總的請(qǐng)求帶寬設(shè)為。二、算法過(guò)程在本算法中利用了IPACT算法以及CBR算法各自的的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在ONU內(nèi)部和ONU之間進(jìn)行二次調(diào)度。這樣分配完成之后，如果帶寬還有剩余，則按照低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)BF的需求將剩余的帶寬分配給它。如果中優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求大于其最大門限帶寬，則將最大門限帶寬分配給中優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)AF。首先，應(yīng)當(dāng)充分的保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)EF的帶寬需求量。本算法首先要進(jìn)行的是周期輪詢，確定各個(gè)業(yè)務(wù)等級(jí)的對(duì)帶寬的需求，把各業(yè)務(wù)等級(jí)的帶寬需求存入輪詢表中。③低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，LP(Low Priority)業(yè)務(wù)，也可以稱為盡力而為業(yè)務(wù)類（BE，Besteffort Forwarding)。②中優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，MP(Medium priority)業(yè)務(wù)，也可以稱為確保轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類（AF，Assured Forwarding)。 在這種算法中，業(yè)務(wù)類型大概有三種，業(yè)務(wù)等級(jí)則致可以劃分為三級(jí)：①高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，HP(High Priority)業(yè)務(wù)，也可以稱為加速轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)類（EF，Expedited Forwarding)。 為了提高EPON系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，算法引入上述的業(yè)務(wù)分級(jí)的機(jī)制，在光線路終端側(cè)在各個(gè)ONU之間采用基于輪詢的IPACT算法進(jìn)行調(diào)度。這樣就解決了在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)小的時(shí)候，可能出現(xiàn)的上行信道利用率低下的問(wèn)題，同時(shí)也避免了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重的時(shí)候可能帶來(lái)的問(wèn)題。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，這種算法可以使系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況的需要來(lái)動(dòng)態(tài)的改變輪詢周期的長(zhǎng)短。 所謂的動(dòng)態(tài)確定輪詢周期也就是輪詢周期不固定。針對(duì)這種情況，可以在IPACT算法中引入業(yè)務(wù)等級(jí)區(qū)分的策略，進(jìn)而提出一種改進(jìn)型的算法。 ONU優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度第三節(jié) 一種支持QoS的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法一、算法思想傳統(tǒng)的IPACT算法在業(yè)務(wù)等級(jí)區(qū)分，網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)載時(shí)的帶寬利用率方面都有很大的不足。當(dāng)有TDM的業(yè)務(wù)輸入時(shí)，可以直接將這一類的業(yè)務(wù)放入高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列中去。在ONU中，各個(gè)隊(duì)列的排隊(duì)的規(guī)則是:假如高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)入時(shí)發(fā)現(xiàn)緩存己經(jīng)滿了，則高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)可以取代低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的分組，假如低優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)到來(lái)時(shí)緩存滿了，則將其丟棄。其中，AF業(yè)務(wù)即MP業(yè)務(wù)的最大延時(shí)5ms，而BE 業(yè)務(wù)即LP業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)沒(méi)有要求。通常劃分業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)的參數(shù)有延時(shí)、傳送速率和抖動(dòng)等。ONU隊(duì)列管理可以保障不同級(jí)別業(yè)務(wù)的QoS，對(duì)EPON系統(tǒng)支持不同業(yè)務(wù)的QoS起到了關(guān)鍵性的作用。低優(yōu)先級(jí)帶寬可以動(dòng)態(tài)的分配給一些有需求的ONU，用來(lái)傳遞一些突發(fā)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這些控制消息包括運(yùn)行、管理、維護(hù)、請(qǐng)求等等消息。高優(yōu)先級(jí)帶寬可以固定的分配給一些TDM業(yè)務(wù)。系統(tǒng)預(yù)留帶寬主要用于ONU的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)過(guò)程。根據(jù)上行業(yè)務(wù)的種類不同則可以將EPON的上行帶寬大致的劃分為以下三個(gè)部分。也可以稱之為MP(Medium priority)業(yè)務(wù)。也可以稱之為低優(yōu)先級(jí)(LP，Low Priority)業(yè)務(wù)。DiffServ通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)流的分類調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的保證。第二節(jié) 業(yè)務(wù)區(qū)分機(jī)制一、業(yè)務(wù)分級(jí)機(jī)制為了使EPON能夠支持各類通信業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量的要求，保障各種業(yè)務(wù)的QoS，需要在EPON之中引入IEEE ，使EPON可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)以DiffServ的原則來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)分級(jí)?？偟膩?lái)說(shuō)，在CBR算法中區(qū)分服務(wù)等級(jí)的辦法在一定程度上對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量的提高有幫助，符合實(shí)際應(yīng)用的要求。在光網(wǎng)絡(luò)單元等待光線路終端的授權(quán)的這段等待時(shí)間內(nèi)，ONU仍然會(huì)接收到來(lái)自用戶的數(shù)據(jù)，但是在這期間受到的數(shù)據(jù)ONU無(wú)法馬上向OLT匯報(bào)。最后，光網(wǎng)絡(luò)單元將不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)分別的放入到不同的隊(duì)列之中。在每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)部調(diào)度的過(guò)程之中，每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元首先要進(jìn)行用戶業(yè)務(wù)流的收集。OLT在授權(quán)的過(guò)程中，將優(yōu)先考慮優(yōu)先級(jí)較高的隊(duì)列，對(duì)較高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列進(jìn)行優(yōu)先授權(quán)。所以加速轉(zhuǎn)發(fā)用來(lái)支持需要帶寬保證和對(duì)時(shí)延十分敏感的業(yè)務(wù)。在ONU側(cè)將所有的業(yè)務(wù)分為3個(gè)等級(jí)，加速轉(zhuǎn)發(fā)（EF，Expedited Forwarding）、確保轉(zhuǎn)發(fā)（AF，Assured Forwarding）和盡力轉(zhuǎn)發(fā)（BF，Besteffort Forwarding）。OLT在授權(quán)過(guò)程中嚴(yán)格按照優(yōu)先考慮高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列再考慮低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列來(lái)進(jìn)行授權(quán)。在這兩種調(diào)度方式之中，各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元之間調(diào)度是在光線路終端來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與此同時(shí)，還采用了IPACT算法來(lái)進(jìn)行輪詢。光線路終端隊(duì)列1隊(duì)列2隊(duì)列1隊(duì)列2隊(duì)列1隊(duì)列2 ONU的內(nèi)部和外部調(diào)度三、CBR算法固定比特率（CBR，Constant Bit Rate)算法是一種支持的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA）的算法，可以區(qū)分服務(wù)等級(jí)，為業(yè)務(wù)提供有效的服務(wù)質(zhì)量保證。但是，BGP算法忽略了每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)部不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的差異。在帶寬保證輪詢的BGP算法中，不同的用戶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)不同。上行鏈路中，分配得到的帶寬單元的數(shù)目（即分配到的時(shí)隙數(shù)目）多的光網(wǎng)絡(luò)單元在自然就可以占用到更多的帶寬。由光線路終端統(tǒng)一來(lái)進(jìn)行控制輪詢和授權(quán)過(guò)程。在BGP算法中，所有的光網(wǎng)絡(luò)單元一共被分成了兩個(gè)種類，第一類光網(wǎng)絡(luò)單元是具有帶寬保證的，第二類光網(wǎng)絡(luò)單元?jiǎng)t是沒(méi)有帶寬保證的。 IPACT算法原理圖二、BGP算法帶寬保證輪詢（BGP，Bandwidth Guarantee Polling)算法引入了SLA（服務(wù)等級(jí)協(xié)議）。在分配帶寬時(shí)，不考慮業(yè)務(wù)的類型和不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。其次，在網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載小的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的授權(quán)信息，降低下行帶寬的利用率。但是，這種算法是一種最保守的分配方案，也有很多的缺點(diǎn)。首先，采用間插的方式，不需要先接受完上一個(gè)ONU發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)之后再對(duì)下一個(gè)ONU進(jìn)行授權(quán)，不會(huì)造成帶寬的浪費(fèi)，提高了帶寬利用率。⑤同理，對(duì)于第三個(gè)ONU，上述過(guò)程不斷的重復(fù)即可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)帶寬分配的過(guò)程。通過(guò)精確的計(jì)算，可以保證OLT在剛剛接受完第一個(gè)ONU發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)之后，間隔一個(gè)保護(hù)時(shí)間，馬上就可以接受第二個(gè)ONU發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。③在第一個(gè)ONU的發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，OLT開始向第二個(gè)ONU發(fā)送授權(quán)信息。如果緩存區(qū)沒(méi)有數(shù)據(jù)，則向OLT報(bào)告0字節(jié)。根據(jù)目的ONU的LLID不同，可以區(qū)分不同的ONU。OLT將根據(jù)當(dāng)前的輪詢表來(lái)發(fā)送授權(quán)信號(hào)（GRANT）。 下面將以3個(gè)ONU的EPON系統(tǒng)作為例子來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。該算法是最早由Kramer G等人在2002年的IEEE Commun雜志上提出的。下面對(duì)這些動(dòng)態(tài)帶寬分配算法進(jìn)行具體的介紹。動(dòng)態(tài)帶寬分配算法可以根據(jù)ONU的實(shí)際需求，動(dòng)態(tài)的劃分上行信道，做到帶寬的按需分配，有效的管理網(wǎng)絡(luò)資源，保證EPON系統(tǒng)能為不同類型的用戶的不同業(yè)務(wù)類別提供滿足需求的連接。如果加大時(shí)隙長(zhǎng)度，在一定程度上，可以提高ONU的帶寬利用率，但是卻又會(huì)加大數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延。但是，這樣的分配方式，使得負(fù)載較小的ONU的帶寬利用率大大降低，造成大量的帶寬的閑置與浪費(fèi)。這種算法比較簡(jiǎn)單，不考慮ONU的實(shí)際需求就直接對(duì)上行信道進(jìn)行了分配。靜態(tài)帶寬分配(SBA， Static Bandwidth Allocation)方案提出的比較早，是一種時(shí)隙長(zhǎng)度固定的帶寬分配方式。第三章 動(dòng)態(tài)帶寬分配算法及仿真在EPON網(wǎng)絡(luò)中，所有的ONU在系統(tǒng)上行方向上，共享同一個(gè)信道。本章關(guān)于以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的介紹在全文起到了一個(gè)承上啟下的作用。包括EPON的下行數(shù)據(jù)傳輸原理、上行數(shù)據(jù)傳輸原理、EPON的傳輸幀結(jié)構(gòu)以及多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）的內(nèi)容。首先，以太無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由光線路終端、光分配網(wǎng)絡(luò)以及光網(wǎng)絡(luò)單元三大部分組成。 現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法主要有：IPACT（Interleaved polling with adaptive cycle time）算法、帶寬保證輪詢（BGP，Bandwidth Guarantee Polling)算法、固定比特率(CBR，Constant Bit Rate)算法等等。接著，在接收到各個(gè)ONU的請(qǐng)求信息之后，OLT根據(jù)接收到的所有ONU的各個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的緩存的狀況，通過(guò)執(zhí)行動(dòng)態(tài)帶寬分配算法（DBA）來(lái)決定在下一個(gè)周期每個(gè)ONU分配到的帶寬的大小。 首先，在ONU傳輸數(shù)據(jù)之前，OLT會(huì)對(duì)ONU進(jìn)