杨勋发，赵 凯

（兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引 言

随着移动网络的深入覆盖和各种高清视频业务的普及，移动网络流量呈现爆发式增长，现代和未来移动网络对带宽、时延和速率等有着极高的要求。移动前传网络作为C-RAN（无线接入网）的重要组成部分，传输压力巨大，而选择使用何种网络架构来承载移动前传网络成为关键[1]。目前，主流的移动前传网络承载方案有光纤直驱、无源彩光、有源WDM/OTN、TDM-PON以及WDM-PON。WDMPON以其多方面的优势，被认为是下一代宽带接入网的发展趋势和FTTx（光纤到x）的最终选择，也可满足CPRI信号的承载要求，已被运营商列为未来5G前传的部署计划。

1 基于WDM-PON的移动前传网络

WDM-PON点对多点的树形网络结构正好与C-RAN移动前传网络结构相对应。WDM-PON技术优势能够满足前传网络CPRI信号高带宽、低时延抖动、安全性高等需求。利用现有的PON资源，还可节约大量的光纤资源[2]。

WDM-PON承载移动前传网络的架构，如图1所示。其中，OLT端与BBU池连接，ONU端与RRU连接。WDM-PON可以利用多种技术实现ONU的无色化，在ONU配置无色化光模块，使其可以根据OLT的调度自行动态调整合适的波长。具体来说，在传输过程中，OLT会根据具体网络情况动态给每一ONU分配波长。当ONU接到OLT的波长分配信息后，分配给它哪一波长，ONU端可调激光器调整到相应的波长进行传输。WDM-PON可以满足前传网络流量的飞速增长和对带宽的迫切需求，但移动网络小区平均业务量的差异和带宽需求的灵活多变要求WDM-PON合理分配波长带宽。

图1 WDM-PON承载移动前传网络架构

2 不同WDM-PON波长分配方式分析

2.1 固定波长分配方式

如图2所示，WDM-PON系统的理想结构是为每一个ONU分配一个固定波长用于与OLT的传输，实现点对点连接。这是最理想的WDM-PON波长分配方案，能保证OLT与ONU之间有效可靠通信[3]。在实际移动前传网络中，ONU与RRU连接。RRU数量十分庞大，而光源器件价格昂贵，设备生产商备货有限。固定波长分配方式下的WDM-PON部署成本过高，无法在移动前传网络中大规模部署。此外，固定波长分配方式波长固定，为每个ONU分配的波长无法服务其他ONU，难以适应灵活多变的移动前传网络传输场景。

图2 固定波长分配的WDM-PON系统

2.2 共享波长分配方式

波长共享的WDM-PON系统不对每个ONU的波长进行固定，而是进行动态分配，使得整个网络的ONU能够共享波长，使网络具有可重构性。

图3为一种共享波长方式下的WDM-PON系统，其中OLT配置多波长光源，产生N个波长，为N个ONU下行传输分别分配一个固定波长。ONU端配置可调谐激光器，可调谐4个不同波长。N个ONU上行传输共享4个波长。此时，系统需要规定波长带宽分配算法来为用户上行传输分配相应的带宽资源，而合理的波长带宽分配算法往往能提高用户QoS。

图3 共享波长分配的WDM-PON系统

WDM-PON系统波长带宽分配算法分为两类：静态顺序分配算法和动态分配算法。前者无需复杂的实现过程，是以“先到先传输”“先请求先分配”的原理进行波长带宽分配的。具体来说，该算法在OLT设置一个缓存区来缓存下行数据，同时在每一个ONU单元设置一个缓存区来缓存上行数据。若有数据到达OLT时，OLT查看当前系统是否有可用波长带宽，有则按需分配波长带宽、传送数据，无则让该数据进入等待状态。ONU根据接收到的下行数据长度找出自己队列中长度适合的上行数据进行发送[4]。动态分配算法则比较复杂，根据实际用户端负载的差异或传输数据的类型，动态将有限的共享波长带宽分配给用户。这种算法往往能保证用户的QoS。

3 基于CAT的动态波长带宽分配算法

3.1 算法描述

实际移动网络中，小区存在“超忙小区”“超闲小区”“忙小区”和“闲小区”之分。各小区平均业务量有较大差异[5]。表1为各类小区在一个月最忙时的资源利用率，其中“超忙小区”和“忙小区”无线资源利用率基本都已经溢出。这些小区用户在上网时将面临比较严重的网络时延，尤其是在通信高峰期，而这是不公平的。“闲小区”和“超闲小区”资源利用率很低，造成了资源的严重浪费[5]。因此，将WDM-PON作为移动前传网络的承载方案时，其固定波长分配方式和共享方式下的静态波长带宽分配算法，显然无法满足各类小区的公平传输和带宽资源的有效利用。

表1 各小区一个月内最忙时的无线利用率

根据文献[6]中基于服务水平协议（SLA）的动态波长带宽分配算法的思路，将各类小区划分成不同优先级，把“超忙小区”和“忙小区”列为高优先级小区，对应的ONU列为高优先级，高优先级小区传输的数据为高优先级数据；“闲小区”和“超闲小区”列为低优先级，与之对应的ONU与传输数据都为低优先级。

这种算法下，WDM-PON需设定一个轮询周期。在一个轮询周期内，OLT等待并接受当前周期内所有ONU的带宽请求帧，根据优先级顺序，将不同小区所传数据分为两个不同的优先级队列，并计算两个队列的长度，进而分配波长带宽。

3.2 波长带宽分配方法

假设有N个ONU传输高优先级小区数据,M个ONU传输低优先级小区数据。在一个轮询周期进行波长带宽分配时，首先为高优先级队列分配传输带宽。当高优先级队列所请求带宽总和小于或等于当前系统可用带宽总和时，则按需为高优先级分配带宽；若当前高优先级请求带宽总和大于系统可用带宽总和时，根据式（1），为每个高优先级ONU分配对应带宽。此时，系统无剩余可用带宽，低优先级数据将被丢弃，在下个周期传输。当系统为高优先级分配完带宽后，若有剩余带宽，则继续为低优先级分配带宽。此时，也有两种情况：当低优先级小区请求总带宽小于或等于剩余可用带宽时，按需分配带宽；否则，按式（2）分配带宽。

式（1）为高优先级小区带宽分配公式，其中GHi是当前周期第i个高优先级ONU的系统授予带宽，RHi为高优先级ONU的请求带宽，Ba是当前系统可用带宽。

式（2）为低优先级ONU的带宽分配公式，GLj是当前周期第j个低优先级ONU的系统授予带宽，RLj为低优先级ONU的请求带宽，Br是当前系统剩余的可用带宽。

算法带宽分配流程如图4所示。

带宽分配过程在光线路终端（OLT）处执行，并使用IEEE 802.3ah多点控制协议（MPCP）等介质访问控制协议，在OLT和ONU之间交换必要的控制信息[7]。在MPCP中，OLT使用GATE消息向ONU传递关于分配的传输窗口的大小和其传输的时间表的信息，且ONU使用REPORT消息向OLT传输关于其队列占用率的信息。授权调度是指在支持的波长信道上分配时隙，以允许ONU高效地发送和接收上行和下行数据以及控制信息。分配完带宽进行波长和时隙的分配。动态波长时隙分配也是由OLT和ONU之间通过MPCP协议来实现的。简单来说，首先计算各ONU分配带宽传输所需时隙数，根据优先级顺序，将最早可用的波长时隙分配给各ONU传送数据[8]。

图4 带宽分配流程

4 仿真分析

ITU-T规范的CPRI信号多路聚合后的速率最高能达到10.137Gbit/s。为了更好地模拟实际移动前传网络传输场景，在图3的波长共享系统结构基础上，搭建10Gbit/s的WDM-PON系统仿真模型，16个ONU共享4个波长进行上行传输，对静态顺序分配（SSA）算法和基于小区平均业务量（CAT）动态分配算法进行仿真。由于移动前传网络对时延的严苛要求，以时延作为移动用户QoS的特征参数，分别对两算法各自的上下行传输时延和不同算法下的上下行时延性能进行对比分析。

4.1 两种算法下系统上下行平均时延对比

SSA算法以下行传输为主，如图5（a）所示。系统的下行平均传输时延明显低于上行系统平均传输时延，且随着网络负载增加，上下行平均传输时延差越来越大。当负载达到0.5时，上行平均传输时延呈现明显增加趋势，而下行平均传输时延整体呈现较缓慢的增长趋势。二者的时延差在负载为0.9时达到最大值，约为3.1 ms。它的下行传输性能要明显优于上行传输。

基于CAT的动态分配算法对ONU端小区进行等级区分，根据各ONU的请求带宽，通过优先级顺序动态分配波长带宽。它以上行传输为主。如图5（b）所示，在低负载下，系统上下行平均传输时延变化趋势基本保持一致，都在缓慢增加。当负载达到0.6时，二者都有快速增加的过程，下行平均传输时延更明显，它们的时延差同样在负载为0.9时达到最大值，约为1ms。该算法上下行传输性能基本一致。

图5 两种算法下系统上下行平均传输时延对比

在移动前传网络中，时延性能至关重要。基于CAT的动态分配算法能保证移动用户上下行传输的公平性，而SSA算法显然无法保证。此外，无论是上下行传输，基于CAT的动态分配算法下的系统平均时延性能要整体优于SSA算法下的系统。

4.2 不同优先级小区在两种算法下的时延对比

图6（a）为高优先级小区在两种算法下的时延性能对比图。两种算法下，高优先级小区时延都是随负载增加而缓慢增加，而基于CAT的动态分配算法时延性能要明显优于SSA算法，整体时延差为2.3 ms。图6（b）为低优先级小区在两种算法下的时延性能对比图。二者的时延差相比于高优先级小区较小，最大时延差在1.5ms左右。其中，基于CAT动态分配算法下的时延曲线在负载为0.4时有个突然增加的过程，这是由于此时系统高优先级请求带宽大于等于系统可用带宽，而低优先级数据将在下一周期传输。

图6 不同优先级小区在两种算法下的时延对比

5 结 语

随着LTE的深入部署和5G标准的提出，移动前传网络面临传输压力巨大。WDM-PON系统安全性好，高速率、高带宽，低时延/抖动，可重构性强，不论是传输性能，还是网络的升级扩容，都能满足移动前传网络的需求。而动态波长带宽分配算法一直是WDM-POM系统的研究热点之一，对提高系统带宽利用率和改善网络传输性能具有重大意义[9]。本文提出的基于CAT的动态分配算法优先保证了“超忙小区”和“忙小区”数据的传输，避免了资源利用率溢出带来的额外时延，同时避免了“闲小区”和“超闲小区”资源的浪费，改善了网络的整体时延性能，保证了上下行传输的公平性，有效提高了小区用户的QoS。随着WDM-PON系统成本下降和关键技术进一步提升及网络流量的不断增加，WDM-PON将成为移动前传网络的最佳承载方案。

[1] PizzinatA,ChanclouP,SaliouF,etal.Things You Should Know About Fronthaul[J].Journal of Light-wave Technol ogy,2015,33(05):1077-1083.

[2] 解文明.CPRI承载方案及性能指标分析[J].邮电设计技术,2015(11):7-10.XIE Wen-ming.Analysis of CPRI Bearing Scheme and Performance Index[J].Posts and Telecommunications Design Technology,2015(11):7-10.

[3] 石磊,甘朝钦.基于动态波长分配的WDM-PON技术研究[J].光通信技术,2008(11):8-11.SHI Lei,GAN Chao-qin.Research on WDM-PON Technology Based on Dynamic Wavelength Assignment[J].Optical Communication Technology,2008(11):8-11.

[4] 商凯凯,高海建,沙哓爽.WDM-PON下的动态调度算法研究[J].信息通信,2011(06):11-12.SHANG Kai-kai,GAO Hai-jian,SHA Xiao-shuang.Research on Dynamic Scheduling Algorithms under WDMPON[J].Information and Communication,2011(06):11-12.

[5] 李国强,刘珂.TD-LTE超闲小区带宽减容及网络影响研究[J].移动通信,2016,40(05):60-64.LI Guo-qiang,LIU Ke.Research on Bandwidth Reduction and Network Influence of TD-LTE Free Cell[J].Mobile Communication,2016,40(05):60-64.

[6] Song H,ParkY,BanerjeeA,etal.Shared-Wavelength WDMPON Access Network-Bursty Traffic Accommodation and User-Defined SLA Support[J].Optical Internet and Next Generation Network,2006:383-385.

[7] 左江.EPON系统上行接入信道动态带宽分配算法研究[D].天津:天津大学,2008.ZUO Jiang.Research on Dynamic Bandwidth Allocation Algorithm for Uplink Access Channel in EPON System[D].Tianjin:Tianjin University,2008.

[8] 张春蕾,陈海灵,闫彩化.WDM-PON的动态波长分配算法[J].光通信技术,2013(01):5-8.ZHANG Chun-lei,CHEN Hai-ling,YAN Cai-hua.Dynamic Wavelength Allocation Algorithm for WDM-PON[J].Optical Communication Technology,2013(01):5-8.

[9] ZhuangW,ZhuangH,ZhengH.Study on WDM-PON Schemes[C].International Conference on Business Computing and Global Informatization,IEEE Computer Society,2011:420-423.