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物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文提綱
論文題目：調(diào)諧時(shí)間對(duì)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源兩類。無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)在光分路/耦合(ODN)處無需應(yīng)用電源設(shè)備，ODN 全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，具有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低、系統(tǒng)維護(hù)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(xiàn)商業(yè)化的PON 技術(shù)主要是以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)技術(shù)和吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)技術(shù)。兩者在上行方向均采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)共享一個(gè)波長(zhǎng)上的帶寬，因而限制了用戶的可用帶寬。為了解決用戶高增長(zhǎng)的帶寬需求和目前受限的可用帶寬之間的矛盾，波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDMPON)技術(shù)將會(huì)成為未來接入網(wǎng)的首選，因此對(duì)WDM PON 的研究成為熱門的領(lǐng)域。因?yàn)榻尤刖W(wǎng)直接面對(duì)用戶，所以對(duì)成本有較大限制，而在ONU 配置的可調(diào)諧光發(fā)射器在成本中占較大比重，且其成本與調(diào)諧時(shí)間的長(zhǎng)短密切相關(guān)，因此，為了使網(wǎng)絡(luò)在配置較大調(diào)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(diào)諧器件的調(diào)諧時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，并通過調(diào)整光信道的分配方法，采取配對(duì)措施即在為數(shù)據(jù)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(shù)獲得較大改善。
2 WDM PON 的訪問控制
WDM PON 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所示，其上行包含多個(gè)光信道。其中常見的結(jié)構(gòu)有兩種，一種是獨(dú)立型：為每個(gè)ONU 都分配一對(duì)波長(zhǎng);另一種是共享型：多個(gè)ONU 共享有限的幾個(gè)上行波長(zhǎng)。獨(dú)立型的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但在ONU 相對(duì)空閑的情況下,其系統(tǒng)帶寬利用率低下;同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)數(shù)和陣列波導(dǎo)光柵端口數(shù)是固定的，所以可接入ONU 的數(shù)量受到一定限制。因此，共享型的結(jié)構(gòu)是WDM PON 系統(tǒng)的首選，該文的研究也是基于這種結(jié)構(gòu)。
為了使各ONU 能夠共享各上行光信道，在各ONU 需配置可調(diào)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，一種較常見的操作方法是：先由各ONU 向OLT 上報(bào)待傳送數(shù)據(jù)量情況，然后由OLT 在各ONU 之間進(jìn)行上行帶寬分配，并通過下行信道將分配信息傳送到各ONU，最后由各ONU 在指定時(shí)刻通過指定光信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。由于各ONU 可能通過不同的光信道上傳數(shù)據(jù)，所以O(shè)NU 的光發(fā)射器需要在不同的光波長(zhǎng)之間進(jìn)行調(diào)諧轉(zhuǎn)換，而在調(diào)諧期間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，因此，調(diào)諧時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)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(xiàng)任務(wù)：隊(duì)列調(diào)度、信道分配。隊(duì)列調(diào)度就是選擇要服務(wù)的對(duì)象(確定哪個(gè)ONU 的哪個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列)，信道分配就是給選定的服務(wù)對(duì)象確定上傳信道及時(shí)間。常見的隊(duì)列調(diào)度方法有RR(Round Robin)、WRR(Weighted Round Robin)、EDF(Earliest Deadline First)等等，對(duì)于信道分配方法，主要有隨機(jī)分配、FF(First Fit)、LU(LeastUsed)、MU(Most Used)、LL(Least Load)等等。
3 調(diào)諧時(shí)間
對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響在共享型 WDM PON 中，為使各ONU 用戶能夠共享所有光信道，因而需要在ONU 處配置可調(diào)諧光發(fā)射機(jī)。而當(dāng)可調(diào)諧發(fā)射機(jī)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(jī)需要一段時(shí)間用于調(diào)諧。雖然可調(diào)諧光發(fā)射器使得各ONU 可通過多個(gè)光信道發(fā)送數(shù)據(jù)，具有提高光信道使用效率等優(yōu)點(diǎn)，但是由于存在調(diào)諧，使得一部分時(shí)間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐率、時(shí)延等參數(shù)都有影響，而且隨著調(diào)諧時(shí)間的增加，這種影響會(huì)逐漸增強(qiáng)。另一方面，可調(diào)諧光發(fā)射器的成本與調(diào)諧時(shí)間有密切關(guān)系，調(diào)諧時(shí)間越短成本越高。由此可以看出，調(diào)諧時(shí)間越短，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的影響越小，但成本較高，反之亦然。因此，如何減少調(diào)諧次數(shù)(使系統(tǒng)的帶寬更多地用來傳輸數(shù)據(jù))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?cè)谶M(jìn)行帶寬分配時(shí)一般采取輪詢的方式遍歷各請(qǐng)求，再結(jié)合隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)與隊(duì)列請(qǐng)求大小，選出服務(wù)隊(duì)列分組后依次安排在相應(yīng)的波長(zhǎng)上進(jìn)行傳輸。而本文在分配帶寬時(shí)通過與前一時(shí)隙的信息進(jìn)行對(duì)比，盡量使相鄰時(shí)隙中屬于同一ONU 的數(shù)據(jù)分組在相同的信道上進(jìn)行傳輸，從而達(dá)到減少調(diào)諧次數(shù)的目的。為此，本文通過仿真模型，在采用基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列調(diào)度的情況下，對(duì)下面兩種信道分配方法進(jìn)行了對(duì)比研究。
A. 當(dāng)選中一個(gè)服務(wù)隊(duì)列后，依次放入相應(yīng)的信道上進(jìn)行傳輸;B. 當(dāng)選中一個(gè)服務(wù)隊(duì)列后，通過與前一時(shí)隙的多個(gè)波長(zhǎng)上傳輸?shù)腛NU 編號(hào)的比較，使該隊(duì)列的分組數(shù)據(jù)盡量安排在與前一個(gè)時(shí)隙中同屬于該ONU 的數(shù)據(jù)分組相同的信道中進(jìn)行傳輸。
3.1 仿真模型
為了對(duì)上述兩種信道分配方法進(jìn)行對(duì)比，基于OPNET 仿真平臺(tái)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(shù)據(jù)信道，各ONU 配置1 個(gè)可調(diào)諧光發(fā)射器，ONU 可通過任意一個(gè)光信道上傳數(shù)據(jù)，光信道的傳輸速率為2.5Gb/s。
光信道按幀劃分，幀長(zhǎng)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(zhǎng)度為100 字節(jié)(一個(gè)數(shù)據(jù)分組)這樣，如果采用方式A 進(jìn)行信道分配，當(dāng)屬于同一個(gè)ONU 的數(shù)據(jù)分組在相鄰的時(shí)隙上進(jìn)行傳輸時(shí)，就很可能需要調(diào)諧，從而使系統(tǒng)的利用率下降。如果采用方式B 進(jìn)行信道分配，當(dāng)屬于同一個(gè)ONU 的數(shù)據(jù)分組在相鄰的時(shí)隙上進(jìn)行傳輸時(shí)，就不需要調(diào)諧，從而減少了調(diào)諧次數(shù)，使系統(tǒng)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(jí)，各優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)在ONU 中分別排隊(duì)，各隊(duì)列狀態(tài)信息分別上報(bào)給OLT，在進(jìn)行仿真時(shí)，三個(gè)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)均勻分配。當(dāng)OLT在進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度時(shí)，首先選擇高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，在全部高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列服務(wù)完后，再選擇中優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，以此類推，在相同優(yōu)先級(jí)情況下，先服務(wù)較長(zhǎng)的隊(duì)列。
3.2 性能分析
基于上述仿真模型，分別對(duì)ONU 各隊(duì)列的排隊(duì)等待時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)的吞吐率進(jìn)行了仿真，在仿真過程中，調(diào)諧時(shí)間T 分別選擇320ns、640ns、960ns，分別對(duì)應(yīng)1、2、3 個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間。需要說明的是，對(duì)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(duì)ONU 各數(shù)據(jù)隊(duì)列的排隊(duì)等待時(shí)延進(jìn)行了對(duì)比。仿真結(jié)果如圖2-圖5 所示，其中分別是高、中、低三個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)隊(duì)列的排隊(duì)等待時(shí)延曲線,是兩種信道分配方式下不同調(diào)諧時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)吞吐率曲線。
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(jí)數(shù)據(jù)隊(duì)列的時(shí)延在隨著業(yè)務(wù)量的增加而不斷加大的同時(shí)，還會(huì)隨著調(diào)諧時(shí)間T 的變大而逐漸加大，以至于當(dāng)負(fù)載加大到一定程度時(shí)，低、中優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)隊(duì)列的時(shí)延已無法穩(wěn)定(因數(shù)值較大，未在圖中顯示)。另一方面，當(dāng)采用方式B 時(shí)，高、中、低三個(gè)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)隊(duì)列的時(shí)延要小于采用方式A 時(shí)的情況，而且受調(diào)諧時(shí)間T 的影響較方式A 的要小。這主要是因?yàn)樵诜绞紸 中，ONU 在每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組前，往往需要調(diào)諧，而在方式B 中，ONU可能在同一信道的多個(gè)連續(xù)時(shí)隙上發(fā)送屬于同一個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)分組，這使得方式B 在一幀中的調(diào)諧次數(shù)能夠減少，從而使總調(diào)諧時(shí)間縮短，時(shí)延減小。
為了進(jìn)一步對(duì)比這兩種分配方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以調(diào)諧時(shí)間T 為參量，通過仿真模型獲得的吞吐率曲線 所示。 可以看出，由于方式B 受調(diào)諧的影響較小，其吞吐率較方式A 有較大的提高，而對(duì)于方式A，由于調(diào)諧次數(shù)較多，在一幀中有較多的時(shí)間用于調(diào)諧，減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)間，導(dǎo)致吞吐率會(huì)隨著調(diào)諧時(shí)間T 的變化而變化的比較明顯，而且當(dāng)業(yè)務(wù)量達(dá)到一定程度后，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)過載，吞吐率就不再增加。
4 結(jié)束語
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(hù)成本等方面的優(yōu)勢(shì)，正受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，并已有較大規(guī)模的應(yīng)用�？紤]到終端用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求將與日俱增，WDM PON 將有可能成為未來的接入網(wǎng)解決方案。
由于接入網(wǎng)直接面對(duì)終端用戶，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(diào)諧時(shí)間較長(zhǎng)的光發(fā)射器。本研究通過適當(dāng)調(diào)整上行光信道的分配方式，盡量采用將同一隊(duì)列的待傳數(shù)據(jù)安排在同一光信道中連續(xù)傳輸?shù)姆椒�，使ONU 的調(diào)諧次數(shù)減少，從而提高了光信道的利用率。在滿足低成本的條件下，不僅使網(wǎng)絡(luò)吞吐率、時(shí)延等指標(biāo)均有較大改善，而且較大程度減弱了調(diào)諧時(shí)間的變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。
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