物理學(xué)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文提綱
論文題目：調諧時(shí)間對共享型WDM PON 性能的影響
1 引言
光接入網(wǎng)主要可以分為有源和無(wú)源兩類(lèi)。無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(PON)在光分路/耦合(ODN)處無(wú)需應用電源設備，ODN 全部由光分路器(Splitter)等無(wú)源器件組成，具有網(wǎng)絡(luò )建設成本低、系統維護方便等優(yōu)點(diǎn)，相比有源光網(wǎng)絡(luò )更加受到業(yè)界關(guān)注。目前已逐步實(shí)現商業(yè)化的PON 技術(shù)主要是以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(EPON)技術(shù)和吉比特無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(GPON)技術(shù)。兩者在上行方向均采用時(shí)分復用技術(shù)共享一個(gè)波長(cháng)上的帶寬，因而限制了用戶(hù)的可用帶寬。為了解決用戶(hù)高增長(cháng)的帶寬需求和目前受限的可用帶寬之間的矛盾，波分復用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(WDMPON)技術(shù)將會(huì )成為未來(lái)接入網(wǎng)的首選，因此對WDM PON 的研究成為熱門(mén)的領(lǐng)域。因為接入網(wǎng)直接面對用戶(hù)，所以對成本有較大限制，而在ONU 配置的可調諧光發(fā)射器在成本中占較大比重，且其成本與調諧時(shí)間的長(cháng)短密切相關(guān)，因此，為了使網(wǎng)絡(luò )在配置較大調諧時(shí)間光發(fā)射器的情況下仍具有較好性能，本文重點(diǎn)研究了WDM PON 中可調諧器件的調諧時(shí)間對網(wǎng)絡(luò )性能的影響，并通過(guò)調整光信道的分配方法，采取配對措施即在為數據分組分配信道之前，盡量采取與前一時(shí)隙相同的信道進(jìn)行分組的傳輸，從而使網(wǎng)絡(luò )參數獲得較大改善。
2 WDM PON 的訪(fǎng)問(wèn)控制
WDM PON 系統結構所示，其上行包含多個(gè)光信道。其中常見(jiàn)的結構有兩種，一種是獨立型：為每個(gè)ONU 都分配一對波長(cháng);另一種是共享型：多個(gè)ONU 共享有限的幾個(gè)上行波長(cháng)。獨立型的結構較為簡(jiǎn)單，但在ONU 相對空閑的情況下,其系統帶寬利用率低下;同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò )中波長(cháng)數和陣列波導光柵端口數是固定的，所以可接入ONU 的數量受到一定限制。因此，共享型的結構是WDM PON 系統的首選，該文的研究也是基于這種結構。
為了使各ONU 能夠共享各上行光信道，在各ONU 需配置可調諧光發(fā)射器(TT：TunableTransmitter)。由于上行光信道由各ONU 共享，因此需要在各ONU 之間進(jìn)行上行帶寬分配，一種較常見(jiàn)的操作方法是：先由各ONU 向OLT 上報待傳送數據量情況，然后由OLT 在各ONU 之間進(jìn)行上行帶寬分配，并通過(guò)下行信道將分配信息傳送到各ONU，最后由各ONU 在指定時(shí)刻通過(guò)指定光信道發(fā)送數據分組。由于各ONU 可能通過(guò)不同的光信道上傳數據，所以ONU 的光發(fā)射器需要在不同的光波長(cháng)之間進(jìn)行調諧轉換，而在調諧期間無(wú)法進(jìn)行數據發(fā)送，因此，調諧時(shí)間的長(cháng)短對網(wǎng)絡(luò )性能有較大影響。
在 OLT 進(jìn)行帶寬分配時(shí)需完成兩項任務(wù)：隊列調度、信道分配。隊列調度就是選擇要服務(wù)的對象(確定哪個(gè)ONU 的哪個(gè)數據隊列)，信道分配就是給選定的服務(wù)對象確定上傳信道及時(shí)間。常見(jiàn)的隊列調度方法有RR(Round Robin)、WRR(Weighted Round Robin)、EDF(Earliest Deadline First)等等，對于信道分配方法，主要有隨機分配、FF(First Fit)、LU(LeastUsed)、MU(Most Used)、LL(Least Load)等等。
3 調諧時(shí)間
對網(wǎng)絡(luò )性能的影響在共享型 WDM PON 中，為使各ONU 用戶(hù)能夠共享所有光信道，因而需要在ONU 處配置可調諧光發(fā)射機。而當可調諧發(fā)射機在相鄰的一段時(shí)間需要傳輸在不同的信道時(shí)，各發(fā)射機需要一段時(shí)間用于調諧。雖然可調諧光發(fā)射器使得各ONU 可通過(guò)多個(gè)光信道發(fā)送數據，具有提高光信道使用效率等優(yōu)點(diǎn)，但是由于存在調諧，使得一部分時(shí)間無(wú)法進(jìn)行數據傳輸，對網(wǎng)絡(luò )吞吐率、時(shí)延等參數都有影響，而且隨著(zhù)調諧時(shí)間的增加，這種影響會(huì )逐漸增強。另一方面，可調諧光發(fā)射器的成本與調諧時(shí)間有密切關(guān)系，調諧時(shí)間越短成本越高。由此可以看出，調諧時(shí)間越短，對網(wǎng)絡(luò )參數的影響越小，但成本較高，反之亦然。因此，如何減少調諧次數(使系統的帶寬更多地用來(lái)傳輸數據)就成為關(guān)鍵。為保證各個(gè)ONU 之間具有較好的公平性，人們在進(jìn)行帶寬分配時(shí)一般采取輪詢(xún)的方式遍歷各請求，再結合隊列的優(yōu)先級與隊列請求大小，選出服務(wù)隊列分組后依次安排在相應的波長(cháng)上進(jìn)行傳輸。而本文在分配帶寬時(shí)通過(guò)與前一時(shí)隙的信息進(jìn)行對比，盡量使相鄰時(shí)隙中屬于同一ONU 的數據分組在相同的信道上進(jìn)行傳輸，從而達到減少調諧次數的目的。為此，本文通過(guò)仿真模型，在采用基于優(yōu)先級隊列調度的情況下，對下面兩種信道分配方法進(jìn)行了對比研究。
A. 當選中一個(gè)服務(wù)隊列后，依次放入相應的信道上進(jìn)行傳輸;B. 當選中一個(gè)服務(wù)隊列后，通過(guò)與前一時(shí)隙的多個(gè)波長(cháng)上傳輸的ONU 編號的比較，使該隊列的分組數據盡量安排在與前一個(gè)時(shí)隙中同屬于該ONU 的數據分組相同的信道中進(jìn)行傳輸。
3.1 仿真模型
為了對上述兩種信道分配方法進(jìn)行對比，基于OPNET 仿真平臺建立了仿真模型。在仿真模型中包含1 個(gè)OLT 和7 個(gè)ONU，配置4 個(gè)上行數據信道，各ONU 配置1 個(gè)可調諧光發(fā)射器，ONU 可通過(guò)任意一個(gè)光信道上傳數據，光信道的傳輸速率為2.5Gb/s。
光信道按幀劃分，幀長(cháng)為125 微秒，每幀又進(jìn)一步劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(cháng)度為100 字節(一個(gè)數據分組)這樣，如果采用方式A 進(jìn)行信道分配，當屬于同一個(gè)ONU 的數據分組在相鄰的時(shí)隙上進(jìn)行傳輸時(shí)，就很可能需要調諧，從而使系統的利用率下降。如果采用方式B 進(jìn)行信道分配，當屬于同一個(gè)ONU 的數據分組在相鄰的時(shí)隙上進(jìn)行傳輸時(shí)，就不需要調諧，從而減少了調諧次數，使系統具有更高的吞吐率。
各ONU 按照業(yè)務(wù)屬性將其分為高、中、低三個(gè)優(yōu)先級，各優(yōu)先級數據在ONU 中分別排隊，各隊列狀態(tài)信息分別上報給OLT，在進(jìn)行仿真時(shí)，三個(gè)優(yōu)先級業(yè)務(wù)均勻分配。當OLT在進(jìn)行隊列調度時(shí)，首先選擇高優(yōu)先級隊列，在全部高優(yōu)先級隊列服務(wù)完后，再選擇中優(yōu)先級隊列，以此類(lèi)推，在相同優(yōu)先級情況下，先服務(wù)較長(cháng)的隊列。
3.2 性能分析
基于上述仿真模型，分別對ONU 各隊列的排隊等待時(shí)延及網(wǎng)絡(luò )的吞吐率進(jìn)行了仿真，在仿真過(guò)程中，調諧時(shí)間T 分別選擇320ns、640ns、960ns，分別對應1、2、3 個(gè)數據分組的傳輸時(shí)間。需要說(shuō)明的是，對于已建成的網(wǎng)絡(luò )，信道的傳輸時(shí)延是確定值，為了突出兩種分配方式的差異，這里僅對ONU 各數據隊列的排隊等待時(shí)延進(jìn)行了對比。仿真結果如圖2-圖5 所示，其中分別是高、中、低三個(gè)優(yōu)先級數據隊列的排隊等待時(shí)延曲線(xiàn),是兩種信道分配方式下不同調諧時(shí)間的網(wǎng)絡(luò )吞吐率曲線(xiàn)。
可以看出，如果采用方式A 進(jìn)行信道分配，高、中、低三個(gè)優(yōu)先級數據隊列的時(shí)延在隨著(zhù)業(yè)務(wù)量的增加而不斷加大的同時(shí)，還會(huì )隨著(zhù)調諧時(shí)間T 的變大而逐漸加大，以至于當負載加大到一定程度時(shí)，低、中優(yōu)先級數據隊列的時(shí)延已無(wú)法穩定(因數值較大，未在圖中顯示)。另一方面，當采用方式B 時(shí)，高、中、低三個(gè)優(yōu)先級數據隊列的時(shí)延要小于采用方式A 時(shí)的情況，而且受調諧時(shí)間T 的影響較方式A 的要小。這主要是因為在方式A 中，ONU 在每發(fā)送一個(gè)數據分組前，往往需要調諧，而在方式B 中，ONU可能在同一信道的多個(gè)連續時(shí)隙上發(fā)送屬于同一個(gè)隊列的數據分組，這使得方式B 在一幀中的調諧次數能夠減少，從而使總調諧時(shí)間縮短，時(shí)延減小。
為了進(jìn)一步對比這兩種分配方式對網(wǎng)絡(luò )性能的影響，以調諧時(shí)間T 為參量，通過(guò)仿真模型獲得的吞吐率曲線(xiàn) 所示。 可以看出，由于方式B 受調諧的影響較小，其吞吐率較方式A 有較大的提高，而對于方式A，由于調諧次數較多，在一幀中有較多的時(shí)間用于調諧，減少了數據分組的傳輸時(shí)間，導致吞吐率會(huì )隨著(zhù)調諧時(shí)間T 的變化而變化的比較明顯，而且當業(yè)務(wù)量達到一定程度后，網(wǎng)絡(luò )就會(huì )過(guò)載，吞吐率就不再增加。
4 結束語(yǔ)
目前主要的接入網(wǎng)方案有ADSL、HFC、PON 等，在這三種方案中，PON 由于其帶寬、維護成本等方面的優(yōu)勢，正受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，并已有較大規模的應用�？紤]到終端用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )帶寬的需求將與日俱增，WDM PON 將有可能成為未來(lái)的接入網(wǎng)解決方案。
由于接入網(wǎng)直接面對終端用戶(hù)，成本成為一個(gè)關(guān)鍵因素。WDM PON 要實(shí)用化需選用低成本器件，因此在ONU 只能選擇調諧時(shí)間較長(cháng)的光發(fā)射器。本研究通過(guò)適當調整上行光信道的分配方式，盡量采用將同一隊列的待傳數據安排在同一光信道中連續傳輸的方法，使ONU 的調諧次數減少，從而提高了光信道的利用率。在滿(mǎn)足低成本的條件下，不僅使網(wǎng)絡(luò )吞吐率、時(shí)延等指標均有較大改善，而且較大程度減弱了調諧時(shí)間的變化對網(wǎng)絡(luò )性能的影響。
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