调谐时间对共享型WDM PON 性能的影响

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1 引言光接入网主要可以分为有源和无源两类。无源光网络（pon）在光分路/耦合(odn)处无需应用电源设备，odn 全部由光分路器（splitter）等无源器件组成，具有网络建设成本低、系统维护方便等优点，相比有源光网络更加受到业界关注。目前已逐步实现商业化的pon 技术主要是以太网无源光网络（epon）技术和吉比特无源光网络（gpon）技术。两者在上行方向均采用时分复用技术共享一个波长上的带宽，因而限制了用户的可用带宽。为了解决用户高增长的带宽需求和目前受限的可用带宽之间的矛盾，波分复用无源光网络（wdmpon）技术将会成为未来接入网的首选，因此对wdm pon 的研究成为热门的领域。因为接入网直接面对用户，所以对成本有较大限制，而在onu 配置的可调谐光发射器在成本中占较大比重，且其成本与调谐时间的长短密切相关，因此，为了使网络在配置较大调谐时间光发射器的情况下仍具有较好性能，本文重点研究了wdm pon 中可调谐器件的调谐时间对网络性能的影响，并通过调整光信道的分配方法，采取配对措施即在为数据分组分配信道之前，尽量采取与前一时隙相同的信道进行分组的传输，从而使网络参数获得较大改善。

　　2 wdm pon 的访问控制wdm pon 系统结构所示，其上行包含多个光信道。其中常见的结构有两种，一种是独立型：为每个onu 都分配一对波长；另一种是共享型：多个onu 共享有限的几个上行波长。独立型的结构较为简单，但在onu 相对空闲的情况下,其系统带宽利用率低下；同时，由于网络中波长数和阵列波导光栅端口数是固定的，所以可接入onu 的数量受到一定限制。因此，共享型的结构是wdm pon 系统的首选，该文的研究也是基于这种结构。

　　为了使各onu 能够共享各上行光信道，在各onu 需配置可调谐光发射器（tt：tunabletransmitter）。由于上行光信道由各onu 共享，因此需要在各onu 之间进行上行带宽分配，一种较常见的操作方法是：先由各onu 向olt 上报待传送数据量情况，然后由olt 在各onu 之间进行上行带宽分配，并通过下行信道将分配信息传送到各onu，最后由各onu 在指定时刻通过指定光信道发送数据分组。由于各onu 可能通过不同的光信道上传数据，所以onu 的光发射器需要在不同的光波长之间进行调谐转换，而在调谐期间无法进行数据发送，因此，调谐时间的长短对网络性能有较大影响。

　　在 olt 进行带宽分配时需完成两项任务：队列调度、信道分配。队列调度就是选择要服务的对象（确定哪个onu 的哪个数据队列），信道分配就是给选定的服务对象确定上传信道及时间。常见的队列调度方法有rr（round robin）、wrr（weighted round robin）、edf（earliest deadline first）等等，对于信道分配方法，主要有随机分配、ff（first fit）、lu（leastused）、mu（most used）、ll（least load）等等。

　　3 调谐时间对网络性能的影响在共享型 wdm pon 中，为使各onu 用户能够共享所有光信道，因而需要在onu 处配置可调谐光发射机。而当可调谐发射机在相邻的一段时间需要传输在不同的信道时，各发射机需要一段时间用于调谐。虽然可调谐光发射器使得各onu 可通过多个光信道发送数据，具有提高光信道使用效率等优点，但是由于存在调谐，使得一部分时间无法进行数据传输，对网络吞吐率、时延等参数都有影响，而且随着调谐时间的增加，这种影响会逐渐增强。另一方面，可调谐光发射器的成本与调谐时间有密切关系，调谐时间越短成本越高。由此可以看出，调谐时间越短，对网络参数的影响越小，但成本较高，反之亦然。因此，如何减少调谐次数（使系统的带宽更多地用来传输数据）就成为关键。为保证各个onu 之间具有较好的公平性，人们在进行带宽分配时一般采取轮询的方式遍历各请求，再结合队列的优先级与队列请求大小，选出服务队列分组后依次安排在相应的波长上进行传输。而本文在分配带宽时通过与前一时隙的信息进行对比，尽量使相邻时隙中属于同一onu 的数据分组在相同的信道上进行传输，从而达到减少调谐次数的目的。为此，本文通过仿真模型，在采用基于优先级队列调度的情况下，对下面两种信道分配方法进行了对比研究。

　　a. 当选中一个服务队列后，依次放入相应的信道上进行传输；b. 当选中一个服务队列后，通过与前一时隙的多个波长上传输的onu 编号的比较，使该队列的分组数据尽量安排在与前一个时隙中同属于该onu 的数据分组相同的信道中进行传输。

　　3.1 仿真模型为了对上述两种信道分配方法进行对比，基于opnet 仿真平台建立了仿真模型。在仿真模型中包含1 个olt 和7 个onu，配置4 个上行数据信道，各onu 配置1 个可调谐光发射器，onu 可通过任意一个光信道上传数据，光信道的传输速率为2.5gb/s。

　　光信道按“帧”划分，帧长为125 微秒，每帧又进一步划分为多个时隙，每个时隙长度为100 字节（一个数据分组）这样，如果采用方式a 进行信道分配，当属于同一个onu 的数据分组在相邻的时隙上进行传输时，就很可能需要调谐，从而使系统的利用率下降。如果采用方式b 进行信道分配，当属于同一个onu 的数据分组在相邻的时隙上进行传输时，就不需要调谐，从而减少了调谐次数，使系统具有更高的吞吐率。

　　各onu 按照业务属性将其分为高、中、低三个优先级，各优先级数据在onu 中分别排队，各队列状态信息分别上报给olt，在进行仿真时，三个优先级业务均匀分配。当olt在进行队列调度时，首先选择高优先级队列，在全部高优先级队列服务完后，再选择中优先级队列，以此类推，在相同优先级情况下，先服务较长的队列。

　　3.2 性能分析基于上述仿真模型，分别对onu 各队列的排队等待时延及网络的吞吐率进行了仿真，在仿真过程中，调谐时间t 分别选择320ns、640ns、960ns，分别对应1、2、3 个数据分组的传输时间。需要说明的是，对于已建成的网络，信道的传输时延是确定值，为了突出两种分配方式的差异，这里仅对onu 各数据队列的排队等待时延进行了对比。仿真结果如图2-图5 所示，其中分别是高、中、低三个优先级数据队列的排队等待时延曲线,是两种信道分配方式下不同调谐时间的网络吞吐率曲线。

　　可以看出，如果采用方式a 进行信道分配，高、中、低三个优先级数据队列的时延在随着业务量的增加而不断加大的同时，还会随着调谐时间t 的变大而逐渐加大，以至于当负载加大到一定程度时，低、中优先级数据队列的时延已无法稳定（因数值较大，未在图中显示）。另一方面，当采用方式b 时，高、中、低三个优先级数据队列的时延要小于采用方式a 时的情况，而且受调谐时间t 的影响较方式a 的要小。这主要是因为在方式a 中，onu 在每发送一个数据分组前，往往需要调谐，而在方式b 中，onu可能在同一信道的多个连续时隙上发送属于同一个队列的数据分组，这使得方式b 在一帧中的调谐次数能够减少，从而使总调谐时间缩短，时延减小。

　　为了进一步对比这两种分配方式对网络性能的影响，以调谐时间t 为参量，通过仿真模型获得的吞吐率曲线 所示。 可以看出，由于方式b 受调谐的影响较小，其吞吐率较方式a 有较大的提高，而对于方式a，由于调谐次数较多，在一帧中有较多的时间用于调谐，减少了数据分组的传输时间，导致吞吐率会随着调谐时间t 的变化而变化的比较明显，而且当业务量达到一定程度后，网络就会过载，吞吐率就不再增加。

　　4 结束语目前主要的接入网方案有adsl、hfc、pon 等，在这三种方案中，pon 由于其带宽、维护成本等方面的优势，正受到业界的广泛关注，并已有较大规模的应用。考虑到终端用户对网络带宽的需求将与日俱增，wdm pon 将有可能成为未来的接入网解决方案。

　　由于接入网直接面对终端用户，成本成为一个关键因素。wdm pon 要实用化需选用低成本器件，因此在onu 只能选择调谐时间较长的光发射器。本研究通过适当调整上行光信道的分配方式，尽量采用将同一队列的待传数据安排在同一光信道中连续传输的方法，使onu 的调谐次数减少，从而提高了光信道的利用率。在满足低成本的条件下，不仅使网络吞吐率、时延等指标均有较大改善，而且较大程度减弱了调谐时间的变化对网络性能的影响。

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