第9章动态带宽分配

《宽带光接入技术》原荣编著1第9章动态带宽分配

概述

MAC协议交接过程

T-CONT的建立和拆除业务流量控制和调度《宽带光接入技术》原荣编著29.1概述由于PON系统在上行方向多个ONU共享传输媒质，所以必须进行上行接入控制（MAC），以便为用户提供多种高质量业务的同时，提高上行信道的利用率。MAC协议可以分为固定分配、随机接入、中央控制按需分配、分布式控制按需分配和自适应分配等多种。对以上几种协议比较后发现，PON系统的上行接入只有采用固定分配和中央控制按需分配相结合的方式比较合适，这就是ITU-TG.983.4规范的静态带宽分配和动态带宽分配两种方式。

《宽带光接入技术》原荣编著3静态带宽分配和动态带宽对QoS要求较高的CBR业务固定接入，对其他业务由OLT控制预约接入。预约过程也不采用竞争方式，而采用轮询方式，ONU使用可分割时隙轮流预约。对ABR连接需要的带宽只要保证它们的最小信元速率（MCR）即可，因此可使用保证CBR和VBR之后的剩余带宽，而UBR连接将不被分配任何带宽。《宽带光接入技术》原荣编著4业务带宽分配规则对业务带宽分配规则已有一些建议，如对实时业务的带宽分配可采用传送带（Transferbelt）分配算法，对非实时业务的带宽分配可采用顶移（Movingceiling）分配算法等。对流量调度也有多种方案，如加权公平排队（WFQ）、轮询调度（roundrobin）和加权轮询调度（WRR）等。G.983.7建议使用WRR。《宽带光接入技术》原荣编著5动态带宽分配系统的性能性能指标，如带宽分配延迟和最大等待时间；应用能力，用于突发信号动态带宽分配和用于汇集不同业务ONU的动态带宽分配；标准和协议的公平性，不管是基于ONU带宽需求报告的动态带宽分配，还是基于OLT监控的动态带宽分配，或者是基于ONU带宽需求报告和OLT监控的动态带宽分配，都应该能够适用；后向兼容性和互连互通性，即按照G.983.1制造出的OLT和ONU也可以使用在具有动态带宽分配功能的系统中。《宽带光接入技术》原荣编著69.1.1静态带宽分配ITU-TG.983.1系统的带宽分配是通过授权控制实现的，它属于静态带宽分配。上行带宽被与PON相连接的所有ONU共享。OLT控制每个ONU的上行接入时隙，这是靠OLT在下行PLOAM信元中规定的ONU发送数据授权实现的，即OLT决定ONU上行接入的带宽。OLT发送PLOAM数据授权信元给所有的ONU，给ONU的数据授权包括上行数据授权和上行接入占用时隙的数量。《宽带光接入技术》原荣编著7动态带宽分配技术的必要性然而，G.983.1系统企图提供宽带广播业务（如IP业务）给用户，因为IP业务连接到许多突发业务源，所以这类业务是非恒定比特率业务，对信元传输延迟（CTD）和信元延迟变化（CDV）的要求并不严格。然而，映射这些非实时业务到固定的带宽信道中，不能使PON中的ONU动态分享PON的上行带宽。这种静态授权方式使上行带宽使用效率不高，所以希望使用动态带宽分配技术。《宽带光接入技术》原荣编著89.1.2动态带宽分配动态带宽分配（DBA）方式根据ONU突发业务量的需求，动态地调整它们的上行接入带宽，因此提高了PON上行带宽使用的效率。这可以从两方面说明这个问题，首先，由于更有效的带宽使用，网络操作者可以增加更多的用户到PON上；其次，用户可以要求得到超过固定带宽分配的最大带宽，享受更好的服务。《宽带光接入技术》原荣编著9图9.1.1静态带宽分配和动态带宽分配的比较《宽带光接入技术》原荣编著102.动态带宽分配方法通常有两种动态带宽分配方法。一种是空闲信元调整，另一种是缓冲器使用情况报告。在空闲信元调整方式中，OLT监视每个ONU使用的带宽，假如一个ONU使用的带宽超过了预先分配的值，如果还有富余的带宽可用，OLT就分配额外的带宽给该ONU。这种方式不需要ONU报告带宽需求信息，其缺点是OLT的反应总是落后于ONU对带宽的需求。在缓冲器使用情况报告方式中，ONU使用微时隙向OLT报告它们的缓冲器被使用的状态，OLT根据该报告重新分配ONU下次可以使用的带宽。《宽带光接入技术》原荣编著11图9.1.2传输容器（T-CONT）和宽带PON系统的层结构动态带宽分配性能应允许在一个ONU里使用几种传输容器(T-CONT)。T-CONT携带ATM虚通道连接(VPC)和虚信道连接(VCC)，单个T-CONT可以携带不同种类业务的ATM流量，并且把它们的缓冲器使用情况报告给与此相连接的OLT。《宽带光接入技术》原荣编著12图9.1.31个上行数据流分装在2个T-CONT缓冲器中这2个缓冲器在同一个ONU中。一些T-CONT缓冲器可以被一个内部调度程序使用，或被某个上层（如ATM层）使用。

图9.1.4对分类缓冲业务进行优先级别控制上边的T-CONT缓冲器没有被内部调度程序使用，而下边的T-CONT缓冲器却含有多个业务分类缓冲器，被内部调度程序使用，因为在一些应用中，需要使用优先级别控制。《宽带光接入技术》原荣编著13图9.1.5用于授权分配的带宽优先级别固定带宽是一种周期性分配完全预约的带宽，使用它可以实现小的信元传输延迟。确保带宽是假如T-CONT缓冲器想发送信元时，ONU总是可以使用的带宽。非确保带宽是分配给具有确保带宽的T-CONT的额外带宽，在额外带宽中它具有较高的优先级别。非确保带宽能够参与动态带宽分配。尽力而为带宽是指当没有高优先权业务使用该带宽时，T-CONT才可以使用的带宽，所以它是不能确保使用的带宽，只能参与动态带宽分配，只由DBA-OLT支持。《宽带光接入技术》原荣编著149.2MAC协议9.2.1动态带宽分配（DBA）协议9.2.2传输容器（T-CONT）9.2.3信元传输延迟及其变化9.2.4DBA和OLT/ONU的不同组合9.2.5等待/过渡时间《宽带光接入技术》原荣编著15媒质接入控制（MAC）OLTTC子层中的媒质接入控制（MAC）功能要实现在PON上的ONU之间公平的分配带宽。如果OLT支持上行方向带宽的动态分配，MAC协议就是DBA协议。该协议是在PON传输媒质层中的TC子层实现的。ATM信元应该以完全透明的方式通过PON传输，而对ATM传输能力（ATC）和QoS没有影响。当DBA-OLT支持具有带宽需求报告能力的ONU时，该需求信息被映射到ONU的微时隙的净荷域中。当ONU接收到微时隙授权（Divided_slot_grant）后，它就可以发送载有带宽需求信息的微时隙给OLT。MAC协议也包括基于常规的静态授权分配带宽功能，这种功能是根据上行接入流量协议完成的。《宽带光接入技术》原荣编著169.2.1动态带宽分配（DBA）协议

动态带宽分配协议有三种方式：即ONU不报告带宽需求（NSR，NonStatusReporting）方式，NSR从OLT中的流量监测开始；ONU报告带宽需求（SR，StatusReporting）方式，SR从ONU向OLT报告其带宽需求开始；这两种方式的综合（NSR+SR），而综合方式从OLT中的流量监测和OLT受理ONU向OLT的带宽需求报告开始。《宽带光接入技术》原荣编著17图9.2.1可分割时隙和微时隙的构成用微时隙偏置（Minislot_offset）区分每个可分割时隙所处的位置。当1个ONU含有2个或多个（最多可为49个）T-CONT时，用域偏置（Field_offset）区分在一个微时隙净荷中T-CONT所处的位置。《宽带光接入技术》原荣编著189.2.2传输容器（T-CONT）T-CONT是携带ATMVP或VC的管道。我们可以把具有不同ATC/QoS的VP和VC以可编程的方式复用到一个T-CONT中。本质上说，T-CONT的类型与应用无关。然而，为了获得最大的DBA能力，每种类型都有自己的典型应用。《宽带光接入技术》原荣编著19T-CONT分类1类T-CONT对时延敏感，所以采用预约方式只使用固定带宽，不采用动态带宽分配，适用于任意级别的ATC/QoS。2类T-CONT对时延不敏感，只由DBA-OLT支持，采用预约方式只能分配到确保带宽。3类T-CONT对时延不敏感，可以得到确保带宽和非确保带宽，采用预约方式分配确保带宽，而采用动态方式分配非确保带宽，两项之和不能超过预约的最大带宽。4类T-CONT对时延不敏感，采用动态方式分配尽力而为带宽。5类T-CONT支持所有类型的T-CONT，适用于表9.2.1给出的所有级别业务的ATC/QoS，采用预约方式分配固定带宽和确保带宽，采用动态方式分配非确保带宽和尽力而为带宽，采用预约方式分配最大带宽。《宽带光接入技术》原荣编著20动态分配带宽动态分配带宽只对额外带宽进行分配。按T-CONT的确保带宽比例，从剩余带宽中分配非确保带宽给要求额外带宽的每个T-CONT。假如确保带宽是零，要公平地分配非确保带宽和尽力而为带宽给每个T-CONT。例如一个T-CONT没有确保带宽，当它要求额外带宽时，它就可以平分剩余的带宽。另外，也要保证把确保带宽分配给任意的T-CONT。可分配的带宽具有如图9.1.5的优先级。在带宽分配中，首先分配固定带宽，包括时隙位置，以便减少延迟和延迟变化。然后，分配确保带宽。最后，把仍然没有被预约的带宽放到剩余带宽库中，作为非确保带宽和尽力而为带宽。《宽带光接入技术》原荣编著21图9.2.21类T-CONT多个连接复用后产生信元传输延迟（CTD）和信元延迟变化（CDV）3个连接在1类T-CONT中复用后产生CTD和CDV的情况。图中PCR是峰值信元速率，其倒数就是信元周期T。《宽带光接入技术》原荣编著22图9.2.33类T-CONT带宽分配特性示意图举例表示3类T-CONT带宽分配特性示意图，它的特性可以分为4部分，阶段1和阶段3是稳定阶段，而阶段2和阶段4是过渡阶段。阶段1只分配确保带宽，阶段3既分配确保带宽又分配非确保带宽。阶段2是从分配确保带宽过渡到既分配确保带宽又分配非确保带宽，阶段4是从既分配确保带宽又分配非确保带宽过渡到只分配确保带宽。《宽带光接入技术》原荣编著23图9.2.43类T-CONT阶段2从确保带宽过渡到既有确保带宽又有非确保带宽《宽带光接入技术》原荣编著24图9.2.53类T-CONT阶段4从既分配确保带宽又分配非确保带宽过渡到只分配确保带宽《宽带光接入技术》原荣编著25图9.2.64类T-CONT带宽分配特性示意图4类T-CONT适用于没有指定级别的非实时业务（见表9.2.1）。图9.2.6举例表示4类T-CONT带宽分配特性示意图，如图所示，它的特性可以分为4部分：阶段1、2、3和4。阶段1和阶段3是稳定阶段，其特性和2类、3类T-CONT的相同。阶段2和阶段4是过渡阶段，其复用特性和3类T-CONT的相同。《宽带光接入技术》原荣编著26图9.2.75类T-CONT带宽分配特性示意图5类T-CONT支持所有类型的T-CONT图9.2.7举例表示5类T-CONT带宽分配特性示意图，如图所示，它的特性可以分为4部分：阶段1、2、3和4。阶段1和阶段3是稳定阶段，其特性如图9.2.8所示。阶段2和阶段4是过渡阶段，其复用特性和3类T-CONT的相同。《宽带光接入技术》原荣编著27图9.2.85类T-CONT阶段1和3复用连接后特性《宽带光接入技术》原荣编著289.2.3信元传输延迟及其变化图9.2.9在只使用固定带宽的T-CONT上的CTD和CDV《宽带光接入技术》原荣编著29图9.2.10连续授权分配和突发授权分配比较动态带宽分配不应产生信元丢失，所以授权分配应把它考虑进去。有两种情况可能增加CDV，一种是突发授权分配，一种是固有带宽更新。对突发授权分配的要求是应限制CTD在几个毫秒范围内，如果DBA-T-CONT具有足够的业务量使用这些授权的话。大量的突发分配将导致用法参数控制（UPC）丢弃上行信元或要求对上行流量整形。此外，大量的突发分配暗示着在突发分配后长时间的等待。《宽带光接入技术》原荣编著309.2.5等待/过渡时间图9.2.11等待时间等待时间是当ONU中的T-CONT缓冲器接收到新信元后，由于某种原因还没有分配到授权而等待的时间，要求等待时间为几毫秒，目标为2ms。

图9.2.12过渡时间过渡时间是ONU从状态改变到它分配到适当的带宽为止的时间。要求过渡时间为10ms，目标为6ms。这种要求与达到稳定带宽分配时间有关。《宽带光接入技术》原荣编著319.3交接过程图9.3.1在一个ONU中的VP连接分类排队后映射到具有不同标识码的T-CONT中《宽带光接入技术》原荣编著32图9.3.2ONU和OLT间的交接次序《宽带光接入技术》原荣编著339.4T-CONT的建立和拆除9.4.1对T-CONT状态改变的要求9.4.2T-CONT的建立和拆除9.4.3ONU可分割时隙的合并和整理《宽带光接入技术》原荣编著349.4.1对T-CONT状态改变的要求根据用户业务的需求，在运行阶段将激活或解激活ONU中的T-CONT。此时应满足下面的要求：如有必要，OLT应一个一个地激活SR-ONU中的T-CONT（R）。每个SR-ONU的T-CONT的数量和配置可以互不相同。但不管激活的T-CONT是多是少，任何SR-ONU物理层均能支持。增加和拆除一个T-CONT连接不应影响ONU使用的其他T-CONT（R）的连接。同样，增加和拆除一个或一组T-CONT连接也不应影响同一个或其他PON-IF插件（包括连接和ATM流量）使用的T-CONT。《宽带光接入技术》原荣编著359.4.2T-CONT的建立和拆除图9.4.1拆除ONU中的T-CONT《宽带光接入技术》原荣编著369.4.3ONU可分割时隙的合并和整理图9.4.2表示ONU可分割时隙的合并和整理过程，这里开始有2个可分割时隙，分别含有几个ONU的微时隙，但是它们对微时隙的使用并不充分。通过对它们整理合并到第3个可分割时隙后，就提高了对可分割时隙的使用效率，此时可分割时隙1和2就退出使用。《宽带光接入技术》原荣编著379.5流量控制和调度9.5.1流量管理和拥塞控制9.5.2接入过程9.5.3上行接入模型和ONU模型9.5.4带宽分配规则9.5.5业务流量调度

《宽带光接入技术》原荣编著389.5.1流量管理和拥塞控制流量管理是采取措施防止网络拥塞。拥塞控制是在发生拥塞时，采取措施减少拥塞时间，防止拥塞扩大，直到消除拥塞。信头中的一般流量控制GFC提供ATM连接的业务流量和拥塞控制，以便减轻业务量瞬间的过载，提高网络的服务质量。拥塞发生可能是由于网络本身发生故障，或是业务出现不可预测的突发情况。拥塞控制的目的就是要采取各种方法来减少拥塞的程度和持续时间。流量控制就是要尽可能地避免出现拥塞。可见，这两类控制实际上是从不同角度对拥塞问题的处理。《宽带光接入技术》原荣编著39图9.5.1用漏桶工作原理说明PCR/SCR假如用信源产生的信元流填充空闲的漏桶，如果没有发生任何阻塞，那么PCR=R，这里R是从漏桶流出的信元速率。《宽带光接入技术》原荣编著40（1）流量管理 业务流量管理是防止网络出现拥塞而采取的控制措施，其目的是为了在保证网络服务质量的前提下，尽可能增加网络的吞吐量或利用率。（2）流量整形 为了防止用户产生的流量超过它的约定流量，用户应该进行流量整形，合理地安排它的信元发送时间，或者增大发送信元的时间间隔。不仅实时业务需要流量整形，而且非实时业务也需要流量整形。否则，超过约定的流量可能被网络使用UPC功能丢弃。因此，流量整形是ATM网络为保证QoS所采取的关键措施。 不仅用户端需要流量整形，而且网络端也需要流量整形。（3）流量调度 流量调度负责分配带宽给每个连接，它是一种基于信元的带宽管理方法。调度算法在每个ATM交换的输出端口实现，它决定分配给每个激活连接的信元传输时隙。调度对实时业务和非实时业务都很重要。 最简单的调度算法是先进先出（FIFO）。《宽带光接入技术》原荣编著419.5.2接入过程G.983.2建议实时业务信元通过接入网的上行接入时延不能超过1.5ms，因此，在不考虑预约失败或不能按需分配的情况下，ONU的预约周期不能超过(1500710.68）/152.67+1=6.17帧。《宽带光接入技术》原荣编著429.5.3上行接入模型和ONU模型图9.5.3PON系统在逻辑上相当于一个复接器图9.5.4固定映射ONU

图9.5.5可变映射ONU《宽带光接入技术》原荣编著439.5.4带宽分配规则由于ATM信元在接入过程中，要经历排队、等待和传输延迟，必然会引入一定的时延抖动，这个抖动通常可以用信元时延变化（CDV）来表示。实时业务的服务质量与时延抖动密切相关，抖动过大将要求接收端的缓冲区加大，同时还影响接收端时钟的恢复。所以在MAC的设计过程中应充分考虑尽量减小实时业务的信元时延抖动。《宽带光接入技术》原荣编著44图9.5.6传送带分配规则的带宽分配过程传送带（Transferbelt）分配规则可以在满足信元时延要求和不显著降低有效带宽的情况下，非常满意地降低信元时延抖动。外带是临时存储带，用来存储所有ONU上报的实时业务信元队列信息。内带是授权分配带，记录OLT中MAC控制器的授权分配情况。《宽带光接入技术》原荣编著45图9.5.7顶移分配规则说明对实时业务信元的授权分配完后，剩余的可用上行时隙将会按照顶移分配规则分配给非实时业务信元使用。图中灰色线以上的队列信元将获得发送授权，使顶以上的信元总数等于剩余的可用上行时隙数。顶移分配规则给予有更多信元要发送的ONU更多的发送机会，这种分配规则可以有效地抑制重载ONU的信元排队长度，从而降低信元丢失率。非实时业务信元分配到的授权可以随机也可以按某种法则填入内带的空闲位置。《宽带光接入技术》原荣编著469.5.5业务流量调度业务流量调度即信元调度，是队列管理的主要功能，它是基于时延和信元丢失优先级来安排信元的发送。信元调度是一个复杂的问题，与诸多因数有关。对流量调度已有多种方案，如先进先出（FIFO）调度、轮询（roundrobin）调度、加权轮询（WRR）调度、队列头（HOL）调度、虚时钟调度、最先到期的先调度（EDD）、基于自校准的挤出队列（SCP）调度和通用优先级队列管理（GPQM）等。《宽带光接入技术》原荣编著471.加权轮询（WRR）调度轮询规则是按循环的方式来依此调度多个FIFO队列，以实现一定的公平性。但依次轮询、机会均等并非真正的公平，因为各个连接在建立时所要求的带宽并不相同，而轮询规则只是使各个连接具有大致相等的带宽。

所谓WRR是在轮询过程中，访问每个连接的FIFO队列的次数并不相等，而是按照对应于各个连接所要求的不同带宽的权值来调度，权值高的调度次数多，权值低的调度次数少。基于以上的原因，G.983.7建议使用WRR。《宽带光接入技术》原荣编著482.用法参数控制（UPC）和漏桶算法除用WRR对流量进行调度外，还可以使用其他一些辅助方式对流量进行调度。它们是用法参数控制（UPC）、基于漏桶（Leakybucket