EPON动态带宽分配算法的研究.docx
- 文档编号:10945152
- 上传时间:2023-02-23
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:86.88KB
EPON动态带宽分配算法的研究.docx
《EPON动态带宽分配算法的研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《EPON动态带宽分配算法的研究.docx(37页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
EPON动态带宽分配算法的研究
东海科学技术学院
毕业论文(设计)
题目:
EPON动态带宽分配算法的研究
系:
学生姓名:
专业:
班级:
C
指导教师:
起止日期:
3
日
毕EPON动态带宽分配算法的研究
任湛
东海科学技术学院机电系浙江舟山316004
摘要
随着互联网的盛行,接入网速度影响着全世界的信息传递速度。
因此,在光网络技术得到了巨大发展的前提下,如何有效地分配带宽是提高接入网技术的关键问题之一。
首先,在本文的绪论部分简述了接入网技术的发展状况,提出了接入网在高速信息网络上的“最后一公里”瓶颈问题。
此外,还介绍了接入网及光接入网的一些知识,如结构、功能、特点等等,叙述了目前带宽分配技术的发展现状。
其次,本文还具体介绍了无源光网络(PON)的结构及功能,以及PON技术的优越性。
引出了结合了以太网技术和PON技术优点的基于以太网的无源光网络(EPON)技术。
接着,EPON技术作为下一代宽带接入技术的最佳解候选者,本文将对EPON技术展开初步研究。
除了详细阐述EPON系统的的基本结构、帧结构、功能、基本工作原理及优越性外,还谈及了EPON的一些关键技术。
其中,对多点MAC控制和多点控制(MPCP)协议两方面内容进行具体介绍。
然后,本文把EPON带宽分配的研究单独作为一个章节,进行重点阐述。
介绍了EPON的两种带宽分配方式,分别是静态带宽分配和动态带宽分配。
由于EPON在上下行传输方式的不同,因此针对不同用户的不同业务提供不同的服务质量,而进行动态带宽分配算法的研究和探讨是有必要的。
提出了EPON系统现有的一些DBA算法,比较各类动态带宽分配算法的优缺点。
在此基础上,对采用动态时隙分配的EPON算法进行设计,阐述了轮询机制和最大传输窗口两方面的内容。
最后,介绍了OPTNET8.0光学仿真仿软件,并OPNETMolder中选择所需的模型,在编辑窗口建立了星型和树形两种拓扑结构模型、进程模型、网络模型等。
通过模型建立,加深对EPON动态带宽分配方案的理解。
还对EPON动态带宽分配算法的研究设计进行总结,并提出对未来EPON技术发展的看法。
【关键词】以太无源光网络,动态带宽分配,仿真,建模
ABSTRACT
WiththefastdevelopmentofInternet,thespeedofnetworktransmissionhasalargeeffectontheworld.Therefore,undertheopticalnetworktechnologydevelopment,effectivelyimprovebandwidthallocationisoneofthekeyproblems.Firstly,intheintroductionpartofthispaper,itoutlinesthedevelopmentoftheaccessnetworktechnology,andproposestheproblemthattheaccessnetworkexiststhe"lastmile"bottleneckinthehigh-speedinformationnetwork.Inaddition,italsointroducesthestructure,functions,featuresoftheaccessnetworkandtheopticalaccessnetworks(OAN),andhasadescriptionofthecurrentstatusofbandwidthallocationtechnology.Secondly,thepaperpresentsthestructureandthefunctionofthepassiveopticalnetwork(PON)aswellastheadvantagesofthePONtechnology.ThenleadstotheEthernetpassiveopticalnetwork(EPON)technologythatcombinestheadvantagesofEthernettechnologyandPONtechnology.
Thirdly,EPONtechnologyasthenext-generationbroadbandaccesstechnology,itwillbethebestsolutionforthecandidates.ThepaperwillhavealaunchedstudyontheEPONtechnology.EPONsystemwillbedescribedfollowdetails:
thebasicstructure,framestructure,function,basicworkingprincipleandtechnicalnature,andtheadvantagesofEPONtechnology.ThepaperalsohasthelongertalkaboutsomekeytechnologiesofEPONtechnology,andtherearetwoaspectsindetail:
oneismulti-pointMACcontrol,theotherismulti-pointcontrol(MPCP)protocol.
Then,thepaperputstheEPONbandwidthallocationtechniqueasasinglechapter,thatfocusesonthetheme,andintroducestwomethodsofbandwidthallocation,oneisstaticbandwidthallocation,theotherisdynamicbandwidthallocation.ForEPON,itisnecessaryfordifferentusersanddifferentbusinessoffersdifferentqualityofservice.Studyinganddiscussingthedynamicbandwidthallocationalgorithmsarealsoimportant.MadesomeEPONsystemexistingDBAalgorithm,comparisonofvariousdynamicbandwidthallocationalgorithmofadvantagesanddisadvantages.Onthisbasis,toadoptadynamictimeslotallocationEPONalgorithmdesign,illustratesthepollingmechanismandmaximumtransferwindow.
Finally,theintroductionoftheOPTNET8.0opticalsimulationsoftwaresimulationandOPNETMolderselectthedesiredmodel,setupintheeditwindow,twostarandtreetopologymodel,processmodel,networkmodel.Throughmodeling,EPONdeepentheunderstandingofdynamicbandwidthallocationprogram.AlsoEPONDynamicBandwidthAllocationAlgorithmdesignsummarized,andfutureviewsofEPONtechnology.
Keywords:
EPON,DBA(dynamicbandwidthallocation),Simulation,Modeling
目录
第1章绪论1
1.1引言1
1.2研究背景1
1.3本文的主要工作1
第2章接入网3
2.1接入网概述3
2.2宽带接入技术概述4
2.3光接入网5
2.3.1无源光网络(PON)技术5
2.3.2基于TDMA的PON技术8
2.3.3APON(BPON)、GPON与EPON的比较9
第3章EPON技术的研究10
3.1EPON的基本结构及功能10
3.2EPON的基本工作原理11
3.3EPON的关键技术13
3.3.1EPON的多点MAC控制概述13
3.3.2多点控制协议(MPCP协议)14
3.3.3EPON系统的测距18
第4章EPON动态带宽分配算法的研究19
4.1带宽分配方式19
4.2动态带宽分配算法(DBA)19
4.3EPON的DBA算法设计19
4.3.1轮询机制20
4.3.2动态最大传输窗口算法的设计22
4.4本章小结22
第5章基于OPNET的模型建立及仿真23
5.1OPNET仿真软件23
5.2逻辑拓扑仿真23
5.3模型建立(配置拓扑结构)24
5.3.1节点建模(NodeModeling)24
5.3.2进程建模(ProcessModeling)26
5.3.3链路建模(LinkModeling)27
5.3.4网络建模(NetworkModeling)27
小结29
【参考文献】30
第1章绪论
1.1引言
在过去,由于各种条件的限制,接入网技术的发展速度相对缓慢。
对于越来越多的用户需求数据量,接入网技术面临着巨大的考验。
近10年,随着波分复用(WDM)、光信号放大等光通信技术的迅猛发展,使得电信网的核心网部分已经基本实现了光纤化、数字化和宽带化。
可是,企业网、骨干网和家庭网的发展和互联网流量的巨大增加使得接入网的带宽接入技术瓶颈问题更为突出。
骨干网和局域网之间存在着的信息高速公路“最后一公里”的瓶颈问题,要求大幅度地提高电信骨干网的容量和可靠性成为了接入网技术的一项重要任务。
为了解决接入网的这个瓶颈问题,无源光网络(PON)作为一种适用于接入网的解决方案,能为用户提供千兆甚至万兆的带宽,这也使得PON接入光网络实现带宽的有效分配成为了现实。
因此,第一英里以太网联盟EFMA(EthernetintheFirstMileAlliance)提出了以太无源光网络(EthernetPassiveopticalNetwork,EPON)的概念。
EPON结合了以太网技术和无源光网络的有点,具有高带宽、低成本、易兼容的优点,EPON技术也被很多人认为是下一代宽带接入技术的最佳解决方案。
1.2研究背景
由于业务量和用户量的快速增长,如何有效地分配上行带宽是EPON技术的关键问题之一。
带宽的分配主要有静态带宽分配(SBA)和动态带宽分配(DBA)。
由于上行带宽是有限的,而DBA拥有自己的周期更新机制(即统计复用能力),且带宽利用率比SBA要高。
为了实现所有用户的服务质量(QoS),采用动态带宽分配更能满足要求。
因此,研究动态带宽分配算法非常重要。
目前,已经提出了很多种EPON动态分配算法。
这些算法有着各自的特点和不足,对这些算法进行深入研究是一项非常重要的工作。
基于自适应周期间插轮询(IPACT)算法,该算法大大降低了由传输时延引起的带宽浪费,从而有效地提高了上行信道的带宽利用率。
基于MPCP协议和突发业务流量预测的DBA算法,该算法能支持多优先级业务并有着优于已有算法的QoS性能。
带有流量预测的限制共享(LSTP)算法,该算法通过预测授权等待时间内的业务到达情况并预留一部分发送带宽大大减小了数据传输时延并且能有效防止带宽的恶意请求。
基于运营商与每个用户之间的服务等级约定的带宽保证轮询DBA算法,该算法带宽共享要。
基于多优先级队列轮询机制与数据分组重新分类的MAC协议的DBA算法,该算法通过根据用户的定制速率分享剩余带宽来实现带宽在用户之间的公平分配。
基于预测的DBA算法,该算法有效地减小了EPON中ONU队列长度和系统中的平均分组传输时延。
基于采用加权优先级的两层带宽分配机制的DBA算法,该算法可以实现对多优先级业务的支持。
1.3本文的主要工作
本文首先介绍了EPON的基本结构、功能、工作原理以及EPON的MAC层核心协议MPCP等关键技术,并针对目前的EPON的动态带宽分配问题进行初步研究。
接着提出了相关的DBA算法,并对这些算法进行了简要描述。
通过优缺点的比较,本文考虑了在IPACT方法的基础上,进行了EPON动态带宽分配算法的设计。
分别从轮训机制、分组时延等方面进行了详细介绍,动态带宽分配的具体要求。
一个完备的带宽分配算法,必须是多个技术点的结合。
那样才可以达到带宽利用率高,时延低,轮询消耗低,QoS高的目的。
第2章接入网
2.1接入网概述
在传统的电信网中,接入网是电信网的重要组成部分,负责将电信业务透明传送给用户。
即用户业务通过接入网的复用、传输,能灵活地接入到不同的电信业务节点上。
从具体的电话业务来说,接入网就是本地交换机于用户之间的连接部分,通常包括用户线传输系统、复用设备、交叉连接设备回或用户、网络设备终端设备[1]。
UNI
按功能划分,接入网可以由五个基本功能部分组成:
用户端口功能(UserPortFunction,UPF)、业务端口功能(ServicePortFunction,SPF)、核心功能(CoreFunction,CF)、传送功能(TransportFunction,TF)和系统管理功能(SystemManagementFunction,SMF)。
结构功能示意图如图1.1所示。
Q3
接入网系统管理功能
图1.1接入网结构功能示意图
UPF能将UNI要求适配到CF和SMF。
SPF能将SNI规定的要求适配到公共载体,以便于在CF中处理。
CF将单个用户端口承载体要求或业务端口承载体要求适配到公共载体。
TF在接入网内的不同位置之间为公共载体的传送提供通道,并且对所用的相关传输媒质进行媒质适配。
SMF协调UPF、SPF、CF和TF之间的指配、操作和管理。
同时,也协调用户终端经(UNI)和业务节点经(SNI)的操作功能。
由于接入网在电信网中位置和功能的不同,它与骨干网、城域网想比较,有着自己的独特地方。
具体表现在以下几个方面:
1)业务量密度低
在统计结果中,骨干网的中继电路占用率在50%以上,而一般住宅用户接入链路的占用率在1%以下。
很明显,与骨干网相比较,接入网的业务量密度低很多。
2)业务分部为集中型
骨干网、城域网的业务量分布一般为均匀型,各节点之间业务量差不多。
而接入网的业务量一般都市由靠近用户端的节点“集中”到位于端局的节点,是典型的集中分部。
3)成本必须低廉
由于接入网是由少数用户占用,占用率低,成本必须要由用户来承担。
与骨干网、城域网相较之下,接入网的成本不得不低廉。
4)成本差异大
由于接入网覆盖各种类型的用户,不同类型客户的要求不同、建设条件不同,出现了成本差异大的问题。
5)成本与业务量无关
核心网的总成本对业务量很重要,基于对业务量的预测,对网络进行最佳配置。
而接入网的业务量密度很低,尽管在业务量变化可能较大的情况下,对成本也没有明显的影响。
6)用户需求多样化
接入网直接连接用户,对于不同的用户会有不同的业务容量、业务性能、可靠性/生存性等方面的要求。
对于接入网而言,用户需求的多样化决定了接入网技术的多样化。
7)运行环境差,维护量大
接入网设备一般要求安装在室外,运行环境会比较差。
因此,室外的运行环境,对接入网的设备提出了更高要求。
一旦出现故障问题,它的维护工作量也将十分庞大。
8)覆盖半径小
一般的接入网的覆盖半径比较小,一般在我国10km能覆盖95%以上的用户。
2.2宽带接入技术概述
目前最广泛采用的宽带接入方案是“数字用户线(xDSL)”和“同轴电缆调制解调(CM)”方案。
但是它们不能提供足够的带宽来支持视频点播(VoD)、双向视频会议等业务。
由于宽带接入技术的瓶颈问题,它们已经无法满足用户的某些需求。
1、数字用户线(xDSL)技术
xDSL(DigitalSubscriberLine)利用传统电话的双绞线作为传输媒质,在用户端需要调制解调器,局端需要接入复用器(DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer,DSLAM)。
xDSL技术基于普通电话线的宽带接入技术,它在1对(或2、3对)电话线上同时传输高速数据和语音信号,数据信号并不通过电话交换机设备,与拨号上网相比减轻了电话交换机的负载。
xDSL技术能够在普通音频质量的双绞线上传输高速数据信号的关键是xDSL技术采用了高效的编码调制、数字自适应均衡等技术。
x代表了4种数字用户线技术,分别是ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine,非对称数字用户线)、HDSL(Highbit-rateDigitalSubscriberLine,高速数字用户线)、SHDSL(Single-pairHigh-SpeedDigitalSubscriberLine,单线对高速数字用户线)和VDSL(VeryhighspeedDigitalSubscriberLine,甚高速数字用户线)。
2、“FTTB+LAN”以太网宽带接入技术
“FTTB+LAN”是指从运营商局端设备到位于距用户群比较近的机房或楼道上的用户端设备之间采用以太网在光纤上全双工传输方式,接着在用户端设备到用户的接入技术。
该技术的带宽接入网的局端设备一般位于城域网局端接入节点机房,用户端设备一般位于小区机房或大楼内;或者局端设备位于商业大楼内,而用户端设备位于楼层内。
局端设备提供与IP骨干网的接口,用户端设备提供与用户终端计算机相接的10/100BASE-T接口。
局端设备与用户端设备之间采用点对点的连接方式。
局端设备具有汇聚用户端这杯网管信息的功能。
3、CATV网络技术
CATV(供天线电视/有线电视/电缆电视)网络原本旨在传送模拟的广播电视信号到用户的电视机上。
为了实现这一个目标,CATV网络采用树形拓扑而且它的频谱都分配用作下行模拟信道。
典型的,CATV网络采用混合光纤同轴电缆(HybridFiberCoax,HFC)结构。
但是,CATV网络承载数据业务的局限性使得其不能够满足众多用户的需求。
其主要局限在于它仅为传送广播模拟业务设计。
换句话说,即它给上行信道容量的分配带宽过于紧张,使得用户在高峰期上网时网速过慢。
4、“HFC+CableModem”宽带接入技术
“HFC+CableModem”宽带接入技术除了提供原理是的CATV业务外还提供Internet接入业务的技术。
“HFC+CableModem”系统中局端或者头端至用户群比较近的光节点采用光纤作为传输媒质,光节点至用户之间采用同轴电缆作为传输媒质。
其本质特征是对原来单项HFC进行了双向改造使之能够除提供单向的图像业务还提供双向数据业务。
5、光纤宽带技术
随着持续增长的数据流量,上述的带宽接入技术已经无法满足用户对数据流量的需要。
众多的电信、网络运营商认识到找出新的带宽技术解决方案是必要的,而且新的解决方案必需有低成本、简便灵活,容量大等技术特点。
因此,光纤宽带接入技术应运而生。
本文将对结合以太网技术和PON技术优点的基于以太网的无源光网络技术(EPON技术)展开重点研究,并对EPON的动态带宽分配算法进行初步的研究。
2.3光接入网
光接入网(OAN)的概念出现于1996年通过的ITU-TG.982。
光接入网是共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的接入链路群,由一个光线路终端(OLT)、至少一个光分配网(ODN)、至少一个光网络单元(ONU)及适配设施(AF)组成[1]。
采用光纤传输技术的接入网,泛指本地交换机模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。
OAN不是传统的光纤传输系统,而是一种针对接入网环境所设计的光纤传输系统。
一般情况下,OAN是一个点对多点的光纤传输系统[20]。
OAN具有带宽大、传输距离远、可靠性高等特点。
首先由于光纤不受电磁波和电磁辐射的影响,无中继的情况下可传播上百公里,有效简化了光接入网的网络结构;另外,OAN故障率低,网络可靠性高,维护成本低,带宽容量大,理论上可达30亿兆赫兹,支持开发新业务,它可提供语音、低速数据、高速数据、CATV、VOD等业务,是一个全业务网;此外OAN能改进业务质量和可用性,并能迅速提供业务,总带宽可在用户之间重新分配而不影响业务。
从系统配置上OAN可划分为无源光网络(PON)和有源光网络(AON),本文将对PON技术进行研究。
PON技术在物理上彻底避免了电磁和雷电的影响,无有源器件使得PON的可靠性比AON提高很多。
无论在设备或维运网管方面,PON的成本都相对便宜,提供的频宽也足以应付未来的各种宽频业务需求。
2.3.1无源光网络(PON)技术
PON技术是光接入网的主流技术之一。
OLT到各ONU之间是不存在有源设备的光接入网就是无源光网络。
1、PON的结构及功能
PON是拓扑结构的,由OLT、ODN、ONU、AF构成的。
适合接入网的拓扑结构有树形拓扑、
环形拓扑和总线型拓扑。
结构如图3.1所示。
(b)环形结构(采用2*2分接耦合器)
(a)树形结构(采用1*N分路器/耦合器)
图2.1PON的拓扑结构
根据图2.1所示的PON结构图,可以分析PON的如下几点功能:
1)OLT为光接入网提供了网络侧与业务节点之间的接口,通过ODN与用户侧的ONU通信。
2)ODN为OLT与ONU之间提供传输手段,能完成光信号的功率分配。
ODN
3)ONU是为接入网提供直接或远端的用户侧接口,是用来终结来自ODN的光信号、处理光信号并为用户提供业务接口,实现OAN用户侧的接口功能。
如图2.2所示的为PON的各功能块框图:
(b)ONU功能块框图
图2.2PON的功能块框图
2、PON的优越性
PON因其独特的优越性而受世界电信界的关注。
PON作为解决“第一公里”问题的最佳方案,有着以下几点优势:
1)点对多点的拓扑结构适合汇聚多用户
与DSL等技术相比较,PON的覆盖范围要更大些,这使得用户与端局的距离更长,能够汇聚众多用户的各类业务。
PON的无源点对多点拓扑节约了光缆和光缆施工的大量费用,是一种那个经济而又有效地汇聚众多用户的方法。
2)便于运行维护
PON能使局端设备耗电更少、占空间更少,这使得户外和局端的设备最小化。
PON中间采用无源设备/器件,能够取代有源复用/解复用设备的无源光分/合路器,免去了
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- EPON 动态 带宽 分配 算法 研究