一种上行带宽估计方法及装置.pdf

本发明公开了一种上行带宽估计方法及装置。本发明方案中，对ONU发送的上行数据流量进行统计；通过对相邻两个DBA周期的上行数据流量统计值的变化，设置突变信号并让该突变信号持续一些DBA周期，直到空闲帧连续出现几个DBA周期后才将该突变信号拉为低电平；OLT对ONU所需要的上行带宽进行估计：在跳变信号为高电平期间，分配的上行带宽值对应于某TCONT的最大带宽或零；当上行数据流量没有跳变时，则分配上行数据流量的估算值，该估算值包括上行数据流量统计值和估计的开销之和，这样，本发明提供的NSR-DBA算法在两个DBA周期以后，OLT端就可以响应ONU端上行数据流量的突变；并且在ONU上行数据流量稳定后，也可以保持分配流量的稳定并达到延时性能的最优。

1.  一种上行带宽估计方法，其特征在于，该方法包含：
计算相邻两个动态带宽分配DBA周期的上行数据流量平均值；
设置上行数据流量的突变信号，并根据上行数据流量平均值和空闲帧统计值的对比来判断突变信号的发生情况；
根据判断结果确定对光网络单元ONU中传输容器TCONT所需要的上行带宽进行估计。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算相邻两个DBA周期的上行数据流量平均值，包括：对ONU发送的上行的数据帧和空闲帧进行统计，Est(n)为第n个DBA周期的开始得到的对上行数据流量的统计值，pm(n-1)为第(n-1)个DBA周期上行数据流量的统计值，令Est(n)＝pm(n-1)，则上行数据流量平均值Est_avg＝(Est(n)+Est(n-1))/2。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据上行数据流量平均值判断突变信号的发生情况，包括：在上行数据流量由门限以下跳到门限以上、或由门限以上降到门限以下时，突变信号变为高电平；突变信号持续为高电平，一直到空闲帧统计值连续超过上行数据流量平均值的2^-SHT、并达到IDLE_CNT_TH次时，该突变信号信号变为低电平。

4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述门限为预设值，所述门限缺省值设置为12字节。

5.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述SHT的缺省值设置为3；和/或，所述IDLE_CNT_TH的缺省值设置为2。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据判断结果确定对ONU中TCONT所需要的上行带宽进行估计，包括：如果存在由门限以下跳到门限TH以上的突变信号发生，则光线路终端OLT为TCONT分配最大带宽；如果存在由门限TH以上降到门限TH以下的突变信号发生，则OLT不为TCONT分配任何带宽；如果没有突变信号发生，则OLT为TCONT分配的上行带宽为上行数据流量统计值与估计的开销之和。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述估计的开销overhead(n-1)＝Grant²⁰²(n-3)-(pm(n-1)+idle(n-1))，其中，Grant²⁰²(n-3)为第(n-3)个DBA周期实际为TCONT分配的带宽；pm(n-1)为第(n-1)个DBA周期，ONU向OLT发送的上行数据流量的统计值；idle(n-1)为第(n-1)个DBA周期，ONU发送的空闲帧统计值。

8.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，没有突变信号发生时，该方法进一步包括：为估计得到的上行带宽引入一阶低通滤波器，用于平滑和预测所述上行带宽。

9.  一种上行带宽估计装置，其特征在于，该装置包括：带宽估计模块包括计算模块、判断模块和估计模块，其中，
所述计算模块用于计算相邻两个DBA周期的上行数据流量平均值；
所述判断模块用于设置上行数据流量的突变信号，并根据上行数据流量平均值和空闲帧统计值的对比来判断突变信号的发生情况；
所述估计模块用于根据判断模块的判断结果确定对ONU中TCONT所需要的上行带宽进行估计。

10.  根据权利要求9所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：一阶低通滤波器，用于平滑和预测估计得到的上行带宽。

一种上行带宽估计方法及装置
技术领域
本发明涉及具有吉比特能力的无源光网络(GPON，Gigabit-capable PassiveOptical Networks)技术，特别是指一种在语音、视频应用中的上行带宽估计方法及装置。
背景技术
GPON是被国际电信联盟远程通信标准化组(ITU-T，ITUTelecommunication Standardization Sector)G.984所规定的无源光网络的一个通讯协议；其下行速率是2.488吉比特(Gbps)，上行速率是1.244Gbps。
GPON包括一个居中的光线路终端(OLT，Optical Line Terminal)和一些位于客户端的光网络单元(ONU，Optical Network Unit)，如图1所示。
GPON一般来说是一个一对多的拓扑结构，这种一对多的网络拓扑结构的一个关键特性就是多达64个ONU会共享同一条光纤信道，协议上更是规定一条光纤信道可以支持128个ONU。然而，多个ONU共享同一条光纤信道时，需要OLT仔细地为各ONU分配上行带宽，这就是动态带宽分配(DBA，DynamicBandwidth Allocation)的由来。在GPON的动态带宽分配中，OLT决定了各ONU发送数据的起始时刻和终结时刻，让各ONU实现了在时间域上共享同一个上行带宽。
现有的非状态报告(NSR，Non Status Report)-DBA方案基本上都是像G984.3协议推荐的那样由OLT通过监控上行的数据帧和空闲帧得到当前的上行带宽利用率，在空闲帧增加时减少分配的上行带宽，在空闲帧减少时增加分配的上行带宽，如美国专利US20060013138中所描述的。由于OLT是根据实际收到的空闲帧的增减来进行上行带宽的分配，因此，无法即时分配适宜的上行带宽，具有很大时延。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种上行带宽估计方法及装置，达到延时性能的最优。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种上行带宽估计方法，该方法包含：计算相邻两个动态带宽分配DBA周期的上行数据流量平均值；设置上行数据流量的突变信号，并根据上行数据流量平均值和空闲帧统计值的对比来判断突变信号的发生情况；根据判断结果确定对光网络单元ONU中传输容器TCONT所需要的上行带宽进行估计。
所述计算相邻两个DBA周期的上行数据流量平均值，包括：对ONU发送的上行的数据帧和空闲帧进行统计，Est(n)为第n个DBA周期的开始得到的对上行数据流量的统计值，pm(n-1)为第(n-1)个DBA周期上行数据流量的统计值，令Est(n)＝pm(n-1)，则上行数据流量平均值Est_avg＝(Est(n)+Est(n-1))/2。
所述根据上行数据流量平均值判断突变信号的发生情况，包括：在上行数据流量由门限以下跳到门限以上、或由门限以上降到门限以下时，突变信号变为高电平；突变信号持续为高电平，一直到空闲帧统计值连续超过上行数据流量平均值的2^-SHT、并达到IDLE_CNT_TH次时，该突变信号信号变为低电平。
所述门限为预设值，所述门限缺省值设置为12字节。
所述SHT的缺省值设置为3；和/或，所述IDLE_CNT_TH的缺省值设置为2。
所述根据判断结果确定对ONU中TCONT所需要的上行带宽进行估计，包括：如果存在由门限以下跳到门限TH以上的突变信号发生，则光线路终端OLT为TCONT分配最大带宽；如果存在由门限TH以上降到门限TH以下的突变信号发生，则OLT不为TCONT分配任何带宽；如果没有突变信号发生，则OLT为TCONT分配的上行带宽为上行数据流量统计值与估计的开销之和。
所述估计的开销overhead(n-1)＝Grant²⁰²(n-3)-(pm(n-1)+idle(n-1))，其中，Grant²⁰²(n-3)为第(n-3)个DBA周期实际为TCONT分配的带宽；pm(n-1)为第(n-1)个DBA周期，ONU向OLT发送的上行数据流量的统计值；idle(n-1)为第(n-1)个DBA周期，ONU发送的空闲帧统计值。
没有突变信号发生时，该方法进一步包括：为估计得到的上行带宽引入一阶低通滤波器，用于平滑和预测所述上行带宽。
一种上行带宽估计装置，该装置包括：带宽估计模块包括计算模块、判断模块和估计模块，其中，所述计算模块用于计算相邻两个DBA周期的上行数据流量平均值；所述判断模块用于设置上行数据流量的突变信号，并根据上行数据流量平均值和空闲帧统计值的对比来判断突变信号的发生情况；所述估计模块用于根据判断模块的判断结果确定对ONU中TCONT所需要的上行带宽进行估计。
该装置进一步包括：一阶低通滤波器，用于平滑和预测估计得到的上行带宽。
本发明中，对ONU发送的上行数据流量进行统计；通过对相邻两个DBA周期的上行数据流量统计值的变化，设置突变信号并让该突变信号持续一些DBA周期，直到空闲帧连续出现几个DBA周期后才将该突变信号拉为低电平；OLT对ONU所需要的上行带宽进行估计：在跳变信号为高电平期间，分配的上行带宽值对应于某TCONT的最大带宽或零；当上行数据流量没有跳变时，则分配上行数据流量的估算值，该估算值包括上行数据流量统计值和估计的开销之和，这样，本发明提供的NSR-DBA算法在两个DBA周期以后，GPON OLT端就可以响应ONU端上行数据流量的突变；并且在ONU上行数据流量稳定后，也可以保持分配流量的稳定并达到延时性能的最优。
本发明方案中抓住了在语音和视频应用场合中，从信号发生器上来的数据流肯定是方波这个特点，还提出了用一阶低通滤波器来预测下一个DBA周期ONU上行流量的方法。
利用FPGA进行测试的结果表明，本发明方案无论是针对CBR、还是VBR，都能够取得良好的效果，达到延时性能的最优，如图7A、7B、8A、8B所示。
附图说明
图1为现有GPON结构示意图；
图2为本发明中上行带宽估计流程图；
图3为本发明中OLT与ONU进行通信的时序关系示意图；
图4为本发明中OLT与ONU进行通信的结构示意图；
图5为本发明中带宽估计模块与动态带宽分配装置中其他模块位置关系示意图；
图6为本发明中带宽估计模块结构示意图；
图7A为本发明方案在100M CBR下的延时分布直方图；
图7B为本发明方案在100M CBR下ONU上行数据流量的示意图；
图8A为本发明方案在100M VBR下的延时分布直方图；
图8B为本发明方案在100M VBR下ONU上行数据流量的示意图。
具体实施方式
本发明中，对ONU发送的上行数据流量进行统计；通过对相邻两个DBA周期的上行数据流量统计值的变化，设置突变信号并让该突变信号持续一些DBA周期，直到空闲帧连续出现几个DBA周期后才将该突变信号拉为低电平；OLT对ONU所需要的上行带宽进行估计：在跳变信号为高电平期间，分配的上行带宽值对应于某TCONT的最大带宽或零；当上行数据流量没有跳变时，则分配上行数据流量的估算值，该估算值包括上行数据流量统计值和估计的开销之和。
图2为本发明中上行带宽估计流程图，如图2所示，上行带宽估计的处理过程包括以下步骤：
步骤201：计算相邻两个DBA周期的上行数据流量平均值Est_avg。
具体处理过程为：对ONU发送的上行的数据帧和空闲帧进行统计，令Est(n)为第n个DBA周期的开始得到的对上行数据流量的统计值，pm(n-1)为第(n-1)个DBA周期上行数据流量的统计值，令Est(n)＝pm(n-1)，则Est_avg＝(Est(n)+Est(n-1))/2。
步骤202：设置上行数据流量的突变信号Trans，并根据上行数据流量平均值Est_avg和空闲帧统计值的对比来判断突变信号Trans的发生情况。
具体处理过程为：设置一个描述上行流量值Est的突变信号Trans。在上行数据流量由门限TH以下跳到门限TH以上、或由门限TH以上降到门限TH以下时，突变信号Trans会变为高电平。门限TH为预设值，其缺省值可以设置为12字节(bytes)。突变信号Trans会持续为高电平，一直到空闲帧统计值idle连续超过上行数据流量平均值Est_avg的2^-SHT、并达到IDLE_CNT_TH次时，该突变信号Trans信号才变为低电平。SHT的缺省值设置为3，IDLE_CNT_TH的缺省值设置为2。其中，SHT表示est_avg与idle的相对比较；IDLE_CNT_TH表示空闲帧统计值idle上来得比较大的连续次数。
步骤203：根据步骤202中的判断结果确定对ONU中传输容器(TCONT，Transmission Container)所需要的上行带宽进行估计。
具体处理过程为：如果存在由门限TH以下跳到门限TH以上的突变信号Trans发生，则OLT会为TCONT分配最大带宽(bmax)；如果存在由门限TH以上降到门限TH以下的突变信号Trans发生，则OLT不会为TCONT分配任何带宽；如果没有突变信号Trans发生，则OLT为TCONT分配的上行带宽将收敛到上行数据流量统计值与估计的开销之和(Est(n)+overhead(n-1))，overhead(n-1)的具体计算方法如下。
图3为本发明中OLT与ONU进行通信的时序关系示意图，如图3所示，在第(n-1)个DBA周期，根据空闲帧和数据帧的上行数据流量的统计值得到各ONU被分配的上行带宽；该分配的上行带宽值会先保存在OLT的备用表中，然后在第n个DBA周期时，由OLT通过下行帧发送给各ONU；在第(n+1)个DBA周期，ONU按照相应的上行带宽发送对应的上行数据。显而易见，OLT分配的带宽要在两个DBA周期后才会由ONU发送对应的上行数据。
在OLT与ONU的通信过程中，有式(1)成立：
Grant²⁰²(n-3)＝pm(n-1)+idle(n-1)+overhead(n-1)                   (1)
在式(1)中，Grant²⁰²(n-3)为第(n-3)个DBA周期实际为TCONT分配的带宽；pm(n-1)为第(n-1)个DBA周期，ONU向OLT发送的上行数据流量的统计值；idle(n-1)为第(n-1)个DBA周期，ONU发送的空闲帧统计值；overhead(n-1)为第(n-1)个DBA周期，ONU发送的开销的大小。Grant²⁰²(n-3)、pm(n-1)和idle(n-1)均可以在OLT端得到，从而根据式(1)，在OLT端得到对ONU端估计的开销overhead(n-1)的计算值：overhead(n-1)＝Grant²⁰²(n-3)-(pm(n-1)+idle(n-1))。
另外，在Est没有突变发生、即没有突变信号发生时，为估计得到的上行带宽Grant引入一阶低通(IIR)滤波器，主要作用是平滑和预测上行带宽Grant，该一阶低通滤波器的平滑因子alpha的取值范围为0≤alpha≤1；alpha越大，则该一阶低通滤波器的平滑效果越好。
步骤204：对相关参数进行存储，包括上行数据流量统计值和前两个DBA周期所分配的上行带宽值的存储。
具体处理过程为：令Est(n-1)＝Est(n)、Grant(n-1)＝Grant(n)、Grant²⁰²(n-2)＝Grant²⁰²(n-1)。
在该步骤中，需要用到的Grant²⁰²是实际分配给各TCONT的上行带宽；而Grant则是根据各TCONT的上行数据流量，得到的为各TCONT分配的上行带宽的估计。
通过以上四个步骤，本发明提供的NSR-DBA算法在两个DBA周期以后，GPON OLT端就可以响应ONU端输入流量的突变；并且在ONU输入流量稳定后，也可以保持分配流量的稳定并达到延时性能的最优。
由于语音和视频应用场合中，从信号发生器发出的上行数据流符合方波特性，因此，方波发生器可以看作是ONU的输入信号源。在实验中，之所以用方波发生器来模拟输入ONU的上行数据流，如图4所示，是因为ONU从其客户端得到的语音或视频的数据流一定是方波，包括稳定的数据流(CBR，ConstantBit Rate)和突发的数据流(VBR，Variable Bit Rate)。OLT中的DBA在接收到ONU的上行的数据帧和空闲帧后，通过计算得到各ONU中的TCONT被分配的上行带宽；ONU会根据被分配的上行带宽及ONU内部的数据量来确定发送的上行数据的数据量。
以上描述的处理过程在带宽估计模块中实现，带宽估计模块在动态带宽分配装置中的位置如图5所示。带宽估计模块用于获得上行数据帧和空闲帧的统计，然后执行图2中所述的各步骤，估计出ONU的上行数据流量，即ONU所需要的上行带宽估计值，然后向带宽计算模块提供该上行带宽估计值。配置模块用于同时通过主控模块为带宽计算模块配置服务层协议(SLA，Service LevelAgreement)信息，该SLA信息包括当前ONU可以被分配的带宽最大值(bmax)及ONU的优先等级等信息。带宽计算模块用于根据带宽估计模块和配置模块提供的信息得到各ONU被分配的实际上行带宽，并向BWMAP表条目生成模块提供该被分配的实际上行带宽。BWMAP表条目生成模块用于生成BWMAP表并向BWMAP表存储模块提供，该BWMAP表包括在上行帧的带宽内逐一为各ONU安排的带宽，及各ONU可以发送上行数据的起始时间和结束时间等信息。BWMAP表存储模块用于对BWMAP表进行存储，并随后将BWMAP表作为下行帧的一部分发送给各ONU，以告知各ONU在OLT规定的时间内发送上行数据。主控模块用于协调控制各模块运算的先后顺序。
图6为本发明中带宽估计模块结构示意图，如图6所示，带宽估计模块包括计算模块、判断模块和估计模块，其中，计算模块用于计算相邻两个DBA周期的上行数据流量平均值Est_avg；判断模块用于设置上行数据流量的突变信号Trans，并根据上行数据流量平均值Est_avg和空闲帧统计值的对比来判断突变信号Trans的发生情况；估计模块用于根据判断模块的判断结果确定对ONU中TCONT所需要的上行带宽进行估计。
该装置进一步包括：一阶低通滤波器，用于平滑和预测估计得到的上行带宽。该一阶低通滤波器的平滑因子alpha的取值范围为0≤alpha≤1；alpha越大，则该一阶低通滤波器的平滑效果越好。
图7A和图7B为本发明方案在100M CBR下的延时分布直方图及ONU上行数据流量的示意图，可见，本发明方案的时延能够控制在4ms以内。图8A和图8B为本发明方案在100M VBR下的延时分布直方图及ONU上行数据流量的示意图，可见，本发明方案的时延能够控制在4ms以内。由此可见，本发明方案能够达到延时性能的最优。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。