支持QoS的兩種新型帶寬分配算法
文獻[1]中提出的間插輪詢算法采用了可變的授權周期，因此不適合對延時和延時抖動敏感的實時業務。為了解決此類問題，文獻[2]中提到了一種固定時隙分配 (Fixed Slot Allocation, FSA)算法，然而固定時隙分配帶來的弊端是：輕負載時大部分光網絡單元(Optical Network Unit, ONU)的帶寬浪費明顯，上行信道利用率很低。而在重負載時ONU之間又不能形成帶寬共享，給高優先級業務的時延和各業務優先級的隊列帶來消極影響。鑒于此，本文在對間插輪循算法做出相應改進的基礎上，提出了兩種全新的支持多業務服務質量(Quality of Service, QoS)的EPON上行信道動態帶寬分配算法：單級授權混合發送算法(Single-level Grant Merged Transmission Allocation, SGMTA) 和多級授權分離發送算法(Multiple-level Grant Separated Transmission Allocation, MGSTA)。
1.1 幀結構
考慮到EPON對IEEE802.3所定義的以太幀結構的兼容性，所設計的兩種算法共涉及到三種類型的幀：數據幀(DATA)，授權幀(GRANT)和請求幀(REQUEST)。其中數據幀仍然沿用IEEE802.3中的幀結構，不做任何改變。而對于授權幀和請求幀，為了節約下行鏈路的帶寬，決定采用64 B的最小以太幀，具體格式分別如圖1和圖2所示，從圖中看出，Preamble為前導碼，SFD為定界符，DA為目的地址，SA為原地址，Type表示以太網類型域。從Subtype開始，請求幀各字段定義如下：Subtype 用于區分數據幀，授權幀和請求幀；Timestamp 用于光線路終端(Optical Line Termination, OLT)和各ONU之間往返時間值的測定；Req_EF和Req_BE分別用于各ONU向OLT請求高優先級業務EF和低優先級業務BE的授權；Reserved/Data字段保留作為以后多優先級業務的擴展或附帶傳送數據；FCS為校驗字段。授權幀的Sendtime_BE字段為授權ONU的低優先級業務BE發送時間，Grant_EF和Grant_BE 分別為OLT向授權ONU分配的高優先級業務EF和低優先級業務BE的傳送窗口。

圖2 授權幀格式
1.2 SGMTA帶寬動態分配算法
SGMTA算法是一種主要基于ONU端設計的多優先級動態帶寬分配方案。其步驟如下：
1) OLT依據授權表向各ONU發送帶寬授權。授權主要包括兩部分信息：所授權ONU的標識和授權窗口的大小。此處的授權窗口是指ONU請求的各優先級窗口大小之和。
2) ONU在用戶數據到來時按照ONU端的優先級處理策略先將數據按其優先級緩存在相應的隊列中，并為高優先級隊列中的數據進一步設置子優先級：sub_priority=(t_wait+t_service)/t_service, 其中t_wait為該數據包在隊列中已等待的時間，t_service為該數據包所要求的傳送時延。所有數據等到授權到來時再統一發送。
3) OLT的授權幀到達ONU后，ONU讀取授權窗口，并根據窗口大小立即發送數據。發送策略為：先發送高優先級的EF數據，發送時按照其子優先級的大小依次發送。當高優先級隊列為空或是已發數據等于上輪申請的窗口時，停止發送。接著ONU利用授權中的剩余帶寬繼續發送低優先級業務，直到授權窗口用完為止。發完數據后，ONU附帶發送請求幀，其內容包括當前各優先級的隊列情況以及相應的Timestamp值。
4) OLT在向ONU發送授權的同時接受ONU的數據和請求。數據交上層處理，請求則根據其內容更新授權表。為進一步增加位于上輪請求和本輪授權之間到達的高優先級業務的發送機會，可在當前高優先級業務的授權窗口上附加一個補充窗口(supply_window)，作為下輪高優先級業務的帶寬預分配。同時為保證公平性，OLT為各ONU設置相應的最大授權窗口Wmax。
5) 完成本輪輪詢和收到各ONU請求的基礎上，OLT根據更新后的授權表開始新一輪輪詢。通過分析，發現了SGMTA算法在繼承了光線路終端(Optical Line Termination, OLT)算法充分利用上行信道和避免同步與測距技術等優點的同時，對高優先級的EF業務采取了“一有授權，優先發送”，“預先分配附加窗口”和“細分子優先級”等策略，使得高優先級業務在SGMTA算法中享有較好的時延特性，同時對于低優先級BE業務，也會保證其申請的傳輸帶寬，避免其發送機會被EF業務強行占用，進而導致其緩沖隊列的不穩定增長。
1.3 MGSTA帶寬動態分配算法
MGSTA算法是一種主要基于OLT端設計的多優先級動態帶寬分配方案。在闡明這一算法之前，先來分析一下SGMTA算法中存在的兩點不足：1) 在SGMTA中各ONU的高優先級業務(EF)是間隔在不同ONU低優先級業務(BE)之間進行傳送的。這樣當各ONU的BE業務比較繁忙時，SGMTA的整個輪詢周期就會加大，各ONU的EF業務的發送間隔也會相應的增長。2) 由于請求幀是在低優先級業務發送完畢時附帶發送的，因此當OLT開始下一次輪詢時，距離上輪第一個被輪詢到的ONU所報告帶寬請求時刻已經相隔了較長的一段時間。而在這段時間內達到的EF業務數據在本輪授權中并沒有被申請，其發送機會僅依賴于OLT端根據預測分配的附加窗口，其準確程度有限。
為了解決以上問題，在SGMTA算法改進的基礎上提出了MGSTA動態帶寬分配方案，其主要改動部分如下：
1) 整個輪詢周期根據業務的優先級劃分為多個輪詢子周期。各輪詢子周期的安排順序遵照其對應的業務優先級高低，高優先級業務先輪詢，低優先級業務后輪詢。
2) 對OLT的授權機制進一步細分，由SGMTA算法中的整體授權改為針對不同優先級的分級授權。
3) 考慮到節約下行鏈路帶寬，OLT對ONU的多優先級業務授權仍封裝在一個授權幀中。各ONU接收到授權后，立即發送高優先級業務，同時獲取下一個低優先級業務的發送時間。
4) 在低優先級的發送窗口內增加“帶內開窗”機制，為高優先級業務在同一輪詢周期內提供多次發送機會。同時, 請求幀仍然附加在最后一個優先級業務發送完成之后進行。

2 仿真結果和性能分析
為了驗證SGMTA算法和MGSTA算法的可行性，進行了仿真實驗。實驗中所用到仿真參數設置如下(FSA, SGMTA和MGSTA算法的仿真參數相同)：ONU的個數：16；優先級的設置：高優先級：EF，低優先級：BE；OLT到ONU的距離：10～20 kｍ；上下行鏈路速率：1 Gbps；業務源：Paerto和Poisson；幀長：64～1518 B；保護時間：1 μs；ONU最大分配窗口：15 000 B。
為了更好地模擬實際EPON中的數據源，在仿真中采用了具有自相似性(self-similarity)和長相關性的突發數據源和具有泊松(Poisson)分布的數據源疊加而成。其中高優先級業務占整個網路負載的20％，低優先級業務占80％。整個仿真模型考慮了數據的排隊延時Tq，發送延時Ts和鏈路傳播延時Tp。
圖3為測定了高優先級業務EF在FSA，SGMTA和MGSTA三種算法下端到端時延d隨網絡負載l改變的情況。所不同的是：圖3a為在高優先級業務源負載恒定的情況下測出的，圖3b中的EF業務源則隨著網絡負載增加而增加，但與低優先級業務比例始終維持一定。通過比較，發現在兩種測試條件下，MGSTA和SGMTA分配算法均比FSA算法體現出更小的時延以及更平穩的時延變化。在滿負載或超負載時，FSA的EF時延約為MGSTA的2.5～3倍, SGMTA的1.2～1.5倍。 這是由于MGSTA和SGMTA算法在設計的思想中分別采用了“多級授權，分離發送”，“預分帶寬，帶內開窗”和“細分子優先級”等機制為高優先級業務盡可能多的提供了發送機會。
圖4為FSA，SGMTA和MGSTA算法下ONU處的隊列尺度b改變的情況，圖4a給出了兩種算法相對于FSA算法的高優先級業務的隊列尺度b，可以看到其變化趨勢與各自算法的時延特性基本一致。MGSTA算法中高優先級業務的及時傳遞，必將導致相同負載下其較小的隊列長度和較穩定的增長變化。圖4b則表明了ONU處所需的緩沖區大小，發現即使在MGSTA算法允許高優先級業務搶占低優先級業務發送帶寬的情況下，其總共所需的緩沖空間仍小于SGMTA算法。原因為：1) MGSTA算法中為各ONU預先分配了一個附加窗口，使高優先級業務不會耗盡低優先級業務的發送帶寬。2) 在允許高優先級搶占低優先級帶寬的同時，也允許低優先級在沒有高優先級業務時利用附加窗口發送，使得帶寬分配更為靈活。

(a) 高優先級業務EF的平均隊列尺度 (b) ONU的緩沖區大小
圖4 FSA, SGMTA和MGSTA算法下ONU處的隊列情況

支持QoS的EPON上行動態帶寬分配算法設計