EPON和WiMAX融合架构下带宽分配和调度机制的研究

1、2011年 3月 第 3期电 子 测 试ELECTRONIC TESTMar.2011 No.3EPON和WiMAX融合架构下带宽分配和调度机制的研究卞现泽(南京邮电大学 通信与信息工程学院 江苏 南京 210003摘要 :以太网无源光网络(EPON和IEEE 802.16(WiMAX的融合网络在固定移动混合接入网中被认为是 很有前景的接入方式。文中提出了3种WiMAX无线网络与EPON网络系统融合架构,融合系统同时具有光网 络的高带宽和无线网络的灵活性。为了在接入网中支持QoS,本文为融合结构提出了一种动态带宽分配算法 (DBA和调度机制。结合IEEE802.3ah和IEEE 802.16的

2、媒体接入控制(MAC方式,为EPON提出的基于 QoS的动态带宽分配(QDBA能提供高效的运行和最小的分组时延。此外,为基站提出的基于队列的调度 机制能支持呼叫准入控制去服务分类流量。仿真结果证明了提出的机制分别在丢包率、平均队列长度和平均 端对端分组时延方面能提高性能。关键词:WiMAX;EPON;动态带宽分配;调度;QoS中图分类号: TN929.18 文献标识码: AResearchontheadvanceddynamicbandwidth allocationandschedulingschemeunderthe convergencenetworkofEPONandWiMAXBian

3、 Xianze(School of Telecommunication and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Jingsu 210003Abstract : The integration of Ethernet Passive Optical Network (EPON with IEEE 802.16 (WiMAX is regarded asa promising access solution in realizing xed mobile con

4、vergence (FMC networks. In this article we proposed threebroadband access architectures to integrate EPON and WiMAX technologies.The integrated architectures can take advantage of the bandwidth benefit of fiber communications, and the mobility of wireless communications. We propose a dynamic bandwid

5、th allocation (DBA and scheduling scheme for the integrated architecture in the access network to support quality of service (QoS. Combining the medium access control (MAC of both IEEE 802.3ah and IEEE 802.16, the proposed QoS-based Dynamic Bandwidth Allocation (QDBA for EPON can offer efficient ope

6、ration and minimize the packet delay. Furthermore, the proposed queue-based scheduling scheme for base station can provide call admission control to serve classified traffic. The simulation results demonstrate that the proposed scheme enhances performance in terms of drop probability, average queue

7、length and average end-to-end packet delay, respectively. Keywords : WiMAX; EPON; DBA; scheduling; QoS 0 引言目前,以太网无源光网络 (EPON 2以其低成本、高带宽及基于以太网的架构等优势得到越来越广泛的应用,成为最有前景的光纤宽带接入网技术。与此同时,由IEEE 802.16所规范的 WiMAX 技术正逐步发展为一种主流的无线宽带接入技术,和 WLAN 相比,它能提供更大的带宽,更远的距离和更好的服务质量 (QoS支持,和蜂窝技术相比,它能提供更好的数据接入服务,是运用前景最为广阔的无线

8、接入网技术。虽然光纤宽带接入技术能提供较高的带宽,但将光纤真正接入到每家每户却始终存在成本较高的问题,而无线接入却有着网络铺设成本低的特点。因此,EPON 和WiMAX 这两种技术的融合将会弥补各自技术的不足,充分发挥光纤接入技术的高带宽与无线技术的灵活性,给用户带来更好的体验,同时可以大大降低网络整体的建设成本和维护费用,具有广阔的市场前景。1 EPON 与 WiMAX 融合系统架构EPON 光纤接入与 WiMAX 无线接入融合系统的优势主要体现在以下几个方面。第 一, 相 比 较 E1/T1和 DSL 5km左 右 的 服 务 范围,EPON 提供的服务范围可以超出 20km。因此,融合网

9、络可以减少购买由于网络物理扩张所需设备的额外开支。第二,EPON 和 WiMAX 具有良好的匹配能力去融合彼此。EPON 网络中广泛使用的 16分路器能为每个 ONU的上行提供 62Mbps。EPON 的这个特点也和 WiMAX BS的能力相匹配,WiMAX BS的最大容量为 75Mbps 使得没有多余的带宽并且由于能力的差异造成融合节点(例如 ONU-BS的拥塞。第三,两种技术融合后,可以通过更加有效的整合带宽分配和分包交换机制大大提高系统的 QoS 和数据吞吐量,并简化系统操作量。本文研究了 3种可能的融合结构 1:独立的 ONU-BS(IOB ,联合的 ONU-BS(COB ,混合的 O

10、NU-BS(HOB 。如图 1 所示。1.1 独立式架构如 图 1所 示, 独 立 式 架 构(IOB 是 EPON 与WiMAX 最 简 单 的 融 合 形 式, 两 系 统 分 别 独 立 运 行, WiMAX BS作 为 EPON 系 统 的 ONU 终 端 用 户 提 供 无 线连接。这种结构直接通过以太网标准接口使 ONU 和 BS 相连。但是,由于 EPON 和 WiMAX 之间单独运行, ONU 无法获取 WiMAX BS授权给用户站多少带宽的具 体信息,同时,WiMAX BS也无法得知光线路终端 OLT 分配给 ONU 的带宽数量。这使得此种架构无法体现两系 统融合的优势,尤其

11、是对系统带宽分配的整体优化。另外, 这种形式的融合在终端上仍然使用两个单独的设备 (ONU和 WiMAX BS其系统成本无法得到有效的控制。1.2 综合式架构WiMAX 是一种面向连接的传输技术,其带宽请求 和 QoS 都是面向连接的。基于面向连接的带宽请求机制, 每个终端无线用户根据各自的网络连接服务来分配相应 的独占带宽。EPON 技术的带宽请求机制是面向队列的, ONU 获得的独占带宽根据不同优先级的服务队列进行分 配。两者总体上具有相似的运行机制,特别是在带宽请 求与分配的处理上。WiMAX 由于采用面向连接的分配机 制, 其带宽分配更为合理有效, 并能提供更好的 QoS 保证。 由于

12、两者在带宽处理上的相似性,可以通过修改相应的 EPON MAC层协议使其支持 WiMAX 系统的面向连接的 网络服务。综 合 式 ONU-BS(COB 可 以 看 作 是 在 ONU 和 WiMAX BS之间引入联合控制器(JC 。直观地看,这种 图 1 EPON和 WiMAX 的融合网络架构 结构看起来像是 ONU、WiMAX BS和 JC 的一种混合架 构,但联合控制器(JC是逻辑上独立地工作在 EPON 和 WiMAX 融合网络的单一系统。对于融合结构的流量 管理,JC 负责共享 EPON ONU和 WiMAX BS之间的状 态信息。COB 提供了充分地透明融合没有网络运营商之 间的干扰

13、,这些网络运营商都有自己的网络设备和场地。 然而,由于设备物理上的隔离需要支付场地的租金和维 护费用。1.3 混合式架构混合式的架构(HOB是 EPON 与 WiMAX 系统的 进一步融合,如图 1下半部分所示,这种结构最显著的 特点是把所有的 ONU,BS 和 JC 等功能模块嵌入到一个 单独盒子里的印刷电路板(PCBs上。因为 HOB 结构的 功能与 COB 结构的相当,所以 HOB 由于含有 JC 元件也 能够提供融合流量管理。图 2所示为 ONU-BS 的功能模 块,硬件方面配置了 3个 CPU 分别完成相应功能 :CPU1负责 EPON 部分的数据通信 ; CPU3则完成 WiMAX

14、 部 分的数据处理 ; CPU2作为主 CPU 协调其他两个 CPU 的 工作。CPU1和 CPU3实时向 CPU2通报各自的系统状态, 带宽需求与分配等信息。CPU2根据其他两个 CPU 分别 提供的 EPON 部分和 WiMAX 部分的带宽信息,统筹安 排并指挥 CPU1上行向 OLT 申请带宽以及 CPU2下行对 终端无线用户分配带宽。在这种架构下,ONU-BS 可以 实时获取原 ONU 和 WiMAX BS的有关带宽需求, 分配和 分组调度的详细信息,以实现系统对上行方向 EPON 网 络的带宽请求和下行方向 WiMAX网络的带宽分配,分 组调度机制的优化处理。因此,与独立式架构相比,

15、混 合式架构可以大大提高系统传输性能和 QoS 服务保证。 另外,由于设备硬件的融合,混合式架构具有更低的设 备成本。图 2 混合式 ONU-BS(HOB的功能模块 2 融合架构下基于QoS的调度机制为避免 EPON 和 WiMAX 的所有数据流量在每一个 ONU 的缓存器里突发发生,适当的修改加权轮询可以提 供严格公正的特性和高效的时延保障。当无线数据流量 从 SS 传输到 BS 时,BS 的队列配置成高优先级队列确保 能优先传输数据。在文中,为了管理呼叫准入控制我们 提出一种基于队列的调度机制和上行传输机制,使用户 可以有效地满足对带宽要求的需求,提高系统的效率。802.16协议支持五种类

16、型的 QoS :UGS(主动授权 业务 , rtPS (实时轮询业务 , ertPS (扩展的实时轮询业务 , nrtPS(非实时轮询业务 ,BE(尽力而为业务 。如图 3所示,我们设计了两个调度步骤去配置优先级。首先, 我们设定 UGS 具有最高的优先级去传输。其次,我们设 定 rtPS 比 ertPS 有较高的优先级,然后根据这个优先级次 序在优先级队列 1(PQ1里分配数据分组。此外,nrtPS 比 BE 业务有较高的优先级,然后按照这个优先级次序在 优先级队列 2(PQ2里分配数据分组。接下去,我们参 考 ONU 缓存区的情况来决定 UGS,PQ1和 PQ2的优先 级比。如果 ONU

17、的缓存器被填满小于 40%,那么 UGS, PQ1和 PQ2的优先级比配置为 4:2:1。如果 ONU 的缓 存器被填满在 40%和 80%之间,那么 UGS,PQ1和 PQ2的优先级比配置为 2:1:0。最后,如果 ONU 的缓存器 被填满在 80%以上,那么 UGS,PQ1和 PQ2的优先级比 分别配置为 1:1:0。此外,分别地有,在 UGS 里的数 据分组传输到 ONU 的加速转发型(EF队列里,在 PQ1里的数据分组传输到 ONU 的确定转发型队列里,在 PQ2里的数据分组传输到 ONU 的尽力而为业务(BE队列里。 在这种模式下,提出的调度机制保障 UGS 在融合网络里 有较多的机

18、会传输。图 3 混合结构的两个调度步骤 在 先 前 的 研 究 中 基 于 预 测 的 公 平 分 配 过 多 带 宽(PFEBA 6的机制已经发展到减少空闲时间和提高预测的准确性。如图 4所示,PFEBA 可以通过延时一些不稳定的流来安排传输 REPORT 消息到 OLT 的队列。通过减少空闲时间把 PFEBA 机制并入提前动态带宽分配(E-DBA机制中可以提高所有 ONU 的公平性并且有较低的分组时延,这个空闲时间是指 DBA 的计算时间的总和与在 OLT 和每个 ONU 之间的往返时间。减少空闲时间能提高带宽利用率和系统性能。在 E-DBA 机制中包含两种操作。首先,OLT 在来自 V

19、b 的 REPORT 消息之后执行 DBA 机制, V b 是在不稳定程度列表里有较高差异的 ONU 集合,在传统 DBA 机制里在收到 1NONU 之后结束而不是 NONU 。与此同时,NONU 能同时传输数据。这种操作能够减少传统 DBA 机制的空闲时间并且为不稳定流量 ONU 收集更多的信息 以使能在下一周期有更精确的预测。其次,在下个周期里分配给每个 ONU 的带宽是基于所有的 ONU 以降序进行流量变化,并且通过分配一些具有较高差异的不稳定流量的 ONU 来更新Vb 。这种操作通过在传输数据之前减少等待时间,可以减轻不稳定流量的 ONU 之间为了保持预测更加准确的差异。图 4 提前

20、DBA 机制的运行过程然而,当流量负载重的时候加速转发型的分组时延和变异的 PFEBA 的分组时延还不足够好。这是由于PFEBA 根据每个 ONU 的不稳定程度列表来分配上行次序,如图 5(a所示,图中的 , i jP 表示在当前周期jONU的流量类型。每一个 ONU 负责具有不同优先级的队列,例如 0P , 1P 和 2P 分别代表语音, 视频和数据流。大体上,P 流对时延和时延差异十分敏感。为了减少高优先级流的最大分组时延和分组时延差异,文中提出的基于 QoS的动态带宽分配(QDBA机制把一个帧分成两部分,一部分对于 0P 流来说是个始终分配帧的第一个位置的稳定部分 ; 另一部分对于 1P

21、 和 2P 流来说是基于 FPEBA 的动态部分,如图 5(b所示。这样,它可以保障对时延和时 延差异敏感的 0P 流获得较低的分组时延和较低的分组时 延差异。这是由于 0P 流始终有稳定的部分去传输并且一 直在传输周期的前面。图 5 DBA的运行过程 (aPFEBA (bQDBA 3 性能分析在 EPON 和 WiMAX 融 合 结 构 提 出 的 基 于 QoS 的 调度机制的系统性能与 IPACT 机制在带有 /不带有在丢 包率、平均队列长度和平均端到端时延方面调度情况的 相比较。使用 OPNET 建模器建立有 1个 OLT 和 32个 ONU 系统模型。下行和上行信道速率均为 1Gbp

22、s。从 ONU 到 OLT 的距离假定为从 10km 到 20km 不等,并且 每个 ONU 有 10m 的有限发送缓冲区。在这里作为被考虑 的流量模型,大量的研究表明大部分的网络流量可以分 类为自相似性和远距离的依赖。这种模型用来产生高度 饱满的 BE 业务和具有 Hurst 参数为 0.7的确定转发型流 量类,并且分组长度均匀分布在在 64和 1518字节。在 另一方面,高优先级流量使用泊松分布模型且数据包长 度固定为 70字节。3.1 丢包率图 6(a中比较了在基于队列的调度机制和非调度机 制之间的 QDBA 算法和 IPACT 算法的丢包率随流量负载 的变化。仿真结果表明基于队列的调度

23、机制和非调度机 制都是在流量负载达到 30%之后开始丢包,特别对于非 调度机制来说。尽管使用基于队列的调度机制的 QDBA 和 IPACT 算法在丢包率方面有较好的性能。但是当网络 负载超过 30%时,我们看到由于缓存区溢出有相当多的 包丢失。 3.2 平均队列长度图 6(b中比较了在基于队列的调度机制和非调度机 制之间的 QDBA 算法和 IPACT 算法的平均队列长度随流 量负载的变化。仿真结果表明使用基于队列的调度机制 的 QDBA 算法比不使用调度机制的算法有较短的队列长 度。平均队列长度和平均分组时延是成比例的,较短的 分组时延意味着 ONU 传输数据分组较快,因此缓存区包 含有较少

24、的分组数据。2.3 平均端对端时延图 6(c中比较了在两种调度机制之间的 QDBA 算 法和 IPACT 算法从 ONU 到 OLT 的平均端对端时延 ; 图 7中比较了两种调度算法在 EF、AF、BE 之间从 ONU 到 OLT 的平均端对端时延。图 6(c表明了文中提出的 QDBA 算法比 IPACT 算法有较好的性能,特别是在流量 负载高于 60%时。可以看到基于队列的调度机制在不同 的服务之间有好的呼叫准入控制性能。因此,经过基于 队列的调度机制之后的端对端时延降低了。图 7显示了 EF、AF 和 BE 的平均端对端时延十分相似,这是因为端 对端时延的传输时间从分组数据进入到 ONU

25、开始直到分 组数据能够被传输。更重要的是延时时间的主要因素是 根据 DBA 机制而定。4 总结作为一种低成本、高带宽、移动性和可扩展性的宽 带接入网解决方案,EPON 和 WiMAX 的融合结构通过高 效的固定移动融合具有发送综合带宽业务的能力。文中 提出的 EPON 中基于 QoS 的 DBA 机制并入到 PFEBA 机 制中能提高系统性能。在本文中,我们提出的调度机制 总是在帧的固定位置分配高优先级流量使尽量减少时延 变化。仿真性能结果表明文中提出的算法能有效地改善 丢包率和平均队列长度。此外,该算法能够减少不同服 务之间的平均分组端对端时延,以确保订阅用户的 QoS 质量。图 6(a 丢

26、包率图 6(b 平均队列长度图 6(c 平均端对端时延 图 7 EF、AF、BE 流量的平均时延 2011.3 Design & Research 7 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile 参考文献 1 G. Shen, R.S. Tucker，C.J. Chae. Fixed Mobile Convergence (FMC Architectures for Broadband Access: Integration of EPON

27、and WiMAXJ. IEEE Communications Magazine,2007（8） 44-50. ： 2 3 IEEE Std 802.3ah, Ethernet in the First MileS. G. Kramer, B. Mukherjee ，G. Pesavento.IPACT: A Dynamic Protocol for an Ethernet PON (EPONJ.IEEE Communications Magazine, 2002,40(2:74-80. 4 K. Son, H. Ryu, S. Chong,T. Yoo.Dynamic Bandwidth A

28、llocation Schemes to Improve Utilization under Nonuniform Traffic in Ethernet Passive Optical NetworksJ. IEEE International Conference on Communications,2004,3(6: 1766-1770. 5 K. Vinay, N. Sreenivasulu, D. Jayaram,D. Das. Performance Evaluation of End-to-end Delay by Hybrid Scheduling Algorithm for QoS in IEEE 802.16 NetworkC.IEEE International Conference on Wirele