twdm-pon中用户流量预测的波长分配方案

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1、TWDM-PON中用户流量预测的波长分配方案王英杰刘敝應桓厘鈕王雛北京邮电大学信息与通信工程学院国网辽宁省电力有限公司为了解决目前时波分光网络（TWDM-P0N）波长分配算法存在的负载不均衡、资源效率低、调谐开销大等问题，对利用用户流量请求行为的大尺度时间范围内呈现的周期性规律指导波长分配进行了研宄，提出基于切换周期进行固定-动态波长分配（SC-FD）。通过对用户未来带宽请求的有效预测，对分配到多个可用波长的0UN进行耦合分组，最后分配波长资源。所提方案结合了固定波长分配（FWA）方案和最早空闲波长优先（E1WP）分配方案的优势，仿真结果表明，所提方案有效降低了波长调谐开销，并使得不同

2、波长上分配的用户负载更加均衡，提高了资源利用效率和资源分配的公平性。关键词：波长分配;W定-动态波长分配;切换周期;负载均衡;调谐开销;相比于其它PON接入技术［2,3,4］,TWDM-PONX^l由于其在带宽共享、可扩展性等方面的优势，被认为是下一代PON技术的首选。其中主流的资源分配机制可分为两类:统一授权m和先到先分XII，分别对应固定分组分配(FWA)和最早空闲波长优先(E1WP)［9］方案。FWA实现简单但难以负载均衡，EIWP负载均衡较好但调谐时延严重XM。目前的改进方案包括王宏祥mi提出的基于线性模型流量预测、江晓明M等人提出的祌经咧络的流量预测和马丽［13］等人提出基于

3、流量时空分布差异来进行资源分配。然而，上述基于预测机制的波长分配机制存在以下问题：1)虽然通过预测提高了资源分配效率，但在每次轮询都调整波长分配方案会带来较大的调谐开销;2)目前的预测机制大都只关注用户的流量请求在系统级时间段(毫秒级)内的相关性，缺乏对大尺度时间范围内用户行为所呈现规律的挖掘。针对上述问题，论文提出利用历史数据预测用户在大尺度时间范围内的流量需求，并棊于预测结果对用户进行动态耦合分组，再相应分配波长资源。所提方案能够结合固定分组方案和最早空闲波长优先方案的优势，一方面能在不同波长间实现较好的负载均衡，另一方面也能有效减少波长切换次数，从而降低调谐开销。1系统模型1.1

4、网络模型图1网络拓扑结构示意图TWDM-PON系统的网络拓扑采用EPON网络中的树形结构，由光线路终端(opticallinetermination,OLT)和多个光网络单元(opticalnetworkunit,ONU)通过光分路器连接构成，如图1所示。其中OLT位于中心局端，将光接入网与骨干网相连;ONU位于用户端，每个ONU连接一个或多个用户。下行方向(OLTOONU)采用广播方式传输数据，ONU通过内置窄带滤波片得到属于自己的信号。上行方向(0NU00LT)由OLT预先分配，多个ONU间共享波长和带宽资源。1.2用户行为规律建模实际场景中，用户对流量的请求行为在大尺度时间范围内

5、呈现一定的周期性行为规律。以天为周期考虑，商业区的流量高峰一般出现在早上到晚上的工作时间,而住宅区的流量高峰通常出现在下班后的晚间时间段，因此可以认为不同区域的0NU带宽请求量服从不同的周期性统计分布。图2ONU流量模型对24小时内不同区域ONU的带宽请求量进行丫研究，建模如下:其中，BjnRT分别表示商业区和住宅区的用户流量均值模型，如图2所示，具体数据来自酉度流量研究院发布的的网民上网时间分布报告ill!和文献［13］中构建的用户差异性模型，反映大尺度吋间范围的用户行为规律;泊松变量（入）反映用户请求的随机性，其均值XocB_，其屮Btu，.表示当前时刻的带宽请求，从而使模型能够反

6、映网络流量的短相关特性;高斯变量G~N（0，o）用于表征用户请求的突发性，其方差oocB_，其中13_为用户周期的平均流量。此外，进一步在式（1）和（2）结果的基础上，引入服从零均值高斯分布的时间偏移量，用以表征用户个人惯等因素、ONU在不同空间位置分布带来的用户规律的吋间差异性。2SC-FD方案设计2.1SC-FD波长分配机制论文基于用户大尺度行为规律对用户流量进行预测，并结合固定波长分组和最早空闲波长优先的思想，提出固定-动态波长分配方案（SC-FD）、SC-FD方案基于用户请求流量的历史数据，以流量均衡为约束将多个用户耦合分组，并在每个切换周期为每个分组分配一个固定的波长。具体工

7、作机制如下：统计ONU请求带宽量的历史数据，并对下一行为周期进行预测；将一个用户行为周期划分为多个波长切换周期，并基于预测结果，以降低切换开销、波长间负载均衡为目标，在每个切换周期对ONU分组；下一行为周期，OLT在每个切换周期开始时棊于前述分组结果动态分配波长资源，在一个切换周期内，对ONU的波长分配固定不变。图3基于用户流量预测的资源分配流程图图3给出了进行一次完整的资源分配的流程图，其中［t，i］表示当前观察第t个行为周期中的第i个切换周