ITU không định nghĩa thuật toán để tính toán giá trị của ánh xạ băng thông. Vì vậy, hệ thống GPON và ISP có thể dùng giải thuật DBA của riêng họ để truyền tải lưu lượng luồng lên. Chung quy, các giải thuật DBA dựa vào hai phương pháp chính : phương pháp báo cáo trạng thái (SR- Status Reporting) và phương pháp không báo cáo trạng thái (NSR- Non Status Reporting).
2.4.1 Phƣơng pháp không báo cáo trạng thái
Trong phương pháp không báo cáo trạng thái, OLT phân bổ băng thông dựa vào xác định băng thông yêu cầu một cách gián tiếp chứ không dùng bản tin báo cáo trạng thái hàng đợi của ONU. Nếu dữ liệu người dùng không đủ, ONU chèn khung ATM/GEM nhàn rỗi lấp đầy vào tất cả khe thời gian. Vì vậy, bằng cách đếm số khung nhàn rỗi được truyền, OLT sẽ biết được thông tin về băng thông thực tế sử dụng. Với
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 32 thông tin này, OLT có thể tính ánh xạ băng thông đầy đủ. Ứng với ít khung nhàn rỗi, băng thông yêu cầu nhiều hơn. Phù thuộc vào giải thuật DBA thực tế, phân bổ sẽ tính toán chính xác ít hay nhiều đáp ứng nhu cầu thực tế. Phân bổ giải thuật DBA đã được giới thiệu, nó được tính toán trong ONU. Căn cứ vào tính toán đó, yêu cầu được gửi qua dữ liệu luồng lên. Nếu không có yêu cầu được xác định, không có dữ liệu được gửi và ONU khác có thể truyền dữ liệu vào thời gian đó.
Thuật toán gồm các bước :
Bước 1 : Giám sát số tế bào được nhận ở OLT trong khoảng thời gian.
Bước 2 : Dùng kết quả giám sát trong thời gian thực ở bước 1 để tính toán tốc độ sử dụng.
Bước 3 : Xem xét trạng thái tắc nghẽn để so sánh tốc độ sử dụng với giới hạn lý thuyết.
2.4.2 Phƣơng pháp báo cáo trạng thái
Trong phương pháp SR, OLT yêu cầu thông tin về trạng thái của mỗi ONU. Thông tin được gửi lên OLT cùng với tải trọng, được dùng để xác định yêu cầu băng thông thực tế của ONU, biểu thị bao nhiêu lưu lượng đang chờ được lưu trong bộ đệm.Để quyết định phân bổ bao nhiêu cho ONU, OLT cần biết trạng thái lưu lượng của T-CONT tương ứng với ONU. Một OLT nhận thông tin này, có thể phân bổ tùy theo ONU. Trong trường hợp đơn giản nhất băng thông này bao gồm mức lấp đầy của bộ đệm truyền tải. Dựa vào thông tin từ tất cả ONU, giải thuật DBA tính toán ánh xạ băng thông cho khung GTC luồng xuống kế tiếp. Băng thông được phân bổ phù thuộc vào tổng dung lượng lưu lượng. Phương pháp này được áp dụng cho dịch vụ đa phương tiện.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 33
Quá trình được chia làm 4 bước như sau:
Bước 1 : Gửi tất cả SR từ ONU cho OLT tại thời điểm được quy định bởi OLT. Bước 2 : Tính toán băng thông được phân bổ dựa trên giải thuật DBA.
Bước 3 : Gửi ánh xạ băng thông (US BWMAP) cho luồng lên từ OLT đến ONU.
Bước 4 : ONU chờ tới thời điểm được thỏa thuận trước đó gửi dữ liệu từ ONU tới OLT (thông qua US BW MAP).
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới SR-DBA. Đầu tiên kể tới thời gian trễ SR (SR- delay time) là thời gian trạng thái hàng đợi được gửi đi cho tới khi OLT nhận được. Thời gian quay vòng PON (PON Round Trip Time) ảnh hưởng tới trễ SR và thời gian phản hồi. Thời gian OLT xử lý ( OLT Process Time) để tạo W ưu tiên tiếp theo từ yêu cầu của tất cả ONU, OLT xử lý yêu cầu cho từng báo cáo. Báo cáo trạng thái băng thông (Status reports bandwidth) với mỗi báo cáo trạng có cố định lượng băng thông được phân bổ. Kích cỡ bản báo cáo càng thấp thì băng thông được sử dụng càng cao. Ngược lại thì RTT và quá trình xử lí của OLT đủ lớn.
Có 3 cách để ONU có thể trao đổi trạng thái trong lúc truyền dữ liệu tới OLT. 1. Bít chỉ thị trạng thái trong PLOu. Chỉ thị trạng thái báo cho OLT nhanh chóng và đơn giản về dạng lưu lượng luồng lên đợi, mà không có nhiều chi tiết. Nó có thể được cài đặt trong mọi truyền tải luồng lên của mỗi ONU. Nếu bít được cài đặt cho 1 loại T-CONT X, sau đó OLT có thể nắm được lượng dữ liệu ở ít nhất một trong các bộ đệm của mỗi loại T-CONT.
Hình 2.14 Báo cáo trong PLOu
2. Báo cáo DBA nằm trong DBRu. Báo cáo DBA có 3 phương thức tương ứng với độ dài trường là 1,2 hoặc 4 byte (tương ứng với chiều dài DBRu là 2,3 và 5 byte). Truyền tải DBRu và định dạng nó được ấn định bởi OLT dùng bít số 8 và số 7 của cờ trong US BW map. Để báo cáo DBA trong DBRu cho phép liên tục cập nhật lưu lượng rõ ràng của T-CONT. Báo cáo DBA gồm số lượng tế bào ATM và khối GEM (với chiều dài là 48 byte) đợi trong bộ đệm luồng lên.
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 34
Hình 2.15 Báo cáo trong DBRu
3. Tải luồng lên DBA. Một ONU cần gửi đầy đủ báo cáo của trạng thái lưu lượng bất kỳ hoặc tất cả T-CONT trong tải luồng lên.
2.4.3 So sánh hai thuật toán
Cả hai giải thuật DBA là NSR và SR, OLT theo dõi trạng thái hoạt động của mỗi T-CONT và ngay lập tức cập nhật kích cỡ và số lượng phân bổ trong khoảng grant của vòng lặp DBA. Thông tin thu được trở thành đầu vào của bộ lập lịch, do đó phân bổ truyền tải đúng đắn.
Trong phương pháp NSR, ONU đóng vai trò bị động. Nên phương pháp này còn được gọi là “điều chỉnh cell nhàn rỗi”. Có nhiều băng thông được gán cho ONU hơn nếu tận dụng băng thông không vượt ngưỡng quy định. Ưu điểm ở đây là đơn giản hóa ONU và tránh việc sử dụng băng thông luồng lên cho việc báo cáo trạng thái như phương pháp kia.
Phương pháp SR thì ONU báo cáo trạng thái bộ đệm tới OLT. Chỉ thị nhu cầu băng thông trong loại T-CONT được truyền trong vùng overhead lớp vật lý cụ thể hơn là vùng báo cáo băng thông động DBRu. OLT sử dụng thông tin báo cáo trạng thái để quyết định phân bổ băng thông phù hợp cho mỗi vị trí ID. OLT mất nhiều thời gian để xử lý dữ liệu, đồng thời dữ liệu dùng cho báo cáo trạng thái bộ đệm không phải nhỏ.
2.5 Tổng kết chƣơng
Chương 2 đã nêu về giải pháp cấp phát băng thông động trong GPON. Để tránh xung đột khi OLT phân bổ băng thông trên T-CONT trong TDMA. DBA tự động điều chỉnh băng thông phân bổ cho từng ONU riêng biệt. DBA sử dụng trạng thái hoạt động của T-CONT như đầu vào của bộ lập lịch, trực tiếp thông qua báo cáo trạng thái bộ đệm, hoặc gián tiếp thông qua truyền tải khung GEM nhàn rỗi trong phân bổ luồng lên, hay còn được biết đến là NSR. Băng thông bảo vệ được phân bổ không kể đến toàn bộ tải lưu lượng. Phân bổ băng thông không đảm bảo (NAS) và nỗ lực tối đa (BEB) phụ thuộc vào lượng băng thông còn lại khả dụng sau khi phân bổ băng thông grant. Băng thông NAS được ưu tiên cao hơn BEB.
Đáp ứng nhu cầu lưu lượng ngày càng cao với các mức dịch vụ luôn luôn thay đổi hiện nay, thuật toán SR-DBA được nghiên cứu rất nhiều và thu được thành quả nhất định. Trong chương III là một số thuật toán được xây dựng dựa trên SR-DBA.
Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 35
CHƢƠNG 3 :
MỘT SỐ THUẬT TOÁN CẤP PHÁT BĂNG THÔNG ĐỘNG CẢI TIẾN TRONG GPON
3.1. Giới thiệu chƣơng
Chương 3 giới thiệu một số thuật toán cấp phát băng thông động cải tiến trong mạng GPON như : phân bổ băng thông động nhỏ nhất, phân bổ đa bước sóng động, Thuật toán Bi-Partitional. Các thuật toán thỏa mãn mục đích nào đó cho hiệu năng của hệ thống có thể là : thông lượng, độ trễ…
3.2 Thuật toán phân bổ băng thông động nhỏ nhất3.2.1 Cơ sở của thuật toán 3.2.1 Cơ sở của thuật toán
Trong phần lớn thuật toán TDM-DBA, lưu lượng được phân loại ưu tiên cao, ưu tiên vừa và ưu tiên thấp để truy cập vào mạng tùy theo tính nhạy cảm về thời gian. Khi OLT nhận báo cáo ưu cầu băng thông từ ONU, đầu tiên phân bổ băng thông luồng lên để đáp ứng nhu cầu lưu lượng ưu tiên cao, sau đó phân bổ băng thông còn dư cho lưu lượng có độ ưu tiên vừa và thấp. Phương pháp ưu tiên này được dùng chủ yếu trong FTTB và FTTC, có nhiều khách hàng với mức dịch vụ khác nhau cùng chia sẻ tài nguyên của một ONU và mỗi bản tin báo cáo chỉ bao gồm tổng băng thông yêu cầu trong ONU. OLT cần xem xét tới tính công bằng cho những ONU có cùng mức dịch vụ. Tuy nhiên, để cung cấp dịch vụ trong mạng truy nhập dịch vụ đầy đủ (FSAN…), SLA sẽ xem xét sắp xếp lại băng thông. SLA được xem xét trong giao thức phân bổ băng thông động nhỏ nhất (DMBA-Dynamic Minimum Bandwidth Allocation) dựa trên kiến trúc FTTH với cố gắng cung cấp linh hoạt nhiều băng thông hơn cho thuê bao dịch vụ mức cao hơn để chứng minh tính toàn vẹn mạng và QoS tùy theo dung lượng lớn nhất của mạng, trạng thái hàng đợi bộ đệm của thuê bao và mức dịch vụ. Thêm vào đó, số ONU hoạt động trong mạng ở thời điểm bất kỳ luôn thay đổi, số lượng băng thông phân bổ cho ONU hoạt động đó sẽ tăng theo và luôn đảm bảo dư thừa để sử dụng. Do đó, khả năng tự động điều chỉnh băng thông phân bổ nhỏ nhất trong mỗi vòng lặp trở thành đặc điểm riêng biệt của thuật toán DMBA.
Mạng thực tế, do sự phát triển và thay đổi của dịch vụ, giải thích chênh lệch ngày càng tăng trong sử dụng mạng, hướng ISP cung cấp đa dịch vụ cung cấp lựa chọn khách hàng. Do đó, tiền phải trả hàng tháng tương ứng mức dịch vụ của thuê bao. Ứng với đặc điểm này, DMBA triển khai sẽ kết hợp cung cấp đa dịch vụ với độ ưu tiên khác nhau khi truy cập vào mạng. Trong thuật toán được nghị giới thiệu nó được biểu diễn bởi thông số ‘weight’. Điều chỉnh băng thông đảm bảo nhỏ nhất trong sự kết hợp với thông số ‘weight’, tổng băng thông mạng được chia làm nhiều đoạn nhỏ, và sau đó các ONU có thể được phân bổ một số đoạn tùy theo thông số ‘weight’. Với điều kiện
Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 36
mô phỏng mạng thực tế, giá trị ‘weight’ được chọn theo dịch vụ NTT VDSL tương
ứng với 50, 70,100 Mbps dự phòng cho mức dịch vụ tương ứng 2,3,4.
3.2.2 Thuật toán
Giả sử OLT được thiết kế để cung cấp cho các ONU n mức, với phân bổ khe thời gian truyền cho mỗi người dùng là được phân bổ băng thông cho mỗi ONU tùy theo SLA. Để cung cấp nhiều SLA khác nhau, ngoài Bmint còn có hai thông số được
phần bổ xung.
Bmint Bbasic Bext tra
(3.1)
min
t
B : Băng thông bảo đảm nhỏ nhất
as
b ic
B : Băng thông cơ bản
ex
t tra
B : Băng thông bảo đảm phụ
t : Ký hiệu mức dịch vụ
Công thức trên, Bb icas , định nghĩa băng thông khả dụng cố định cho mọi ONU
độc lập với mức dịch vụ. Còn ex t tra B được xác định: ex as 1 W ( ) W t t tra total b ic n t t t B B k B N (3.2)
k : Số ONU trong giải thuật SR-DBA
total
B : tổng băng thông mạng
Nt : Số thuê bao ONU ứng với dịch vụ t.
Wt : là ưu tiên truy cập mạng cũng là số khe thời gian chiếm giữ trong vòng bầu chọn.
Xác suất chỉ ra rằng mỗi vòng lặp chỉ phần nhỏ ONU dùng toàn bộ băng thông đảm bảo nhỏ nhất, phần tiếp theo của thuật toán so với DBA sẽ phân bổ cân xứng giữa băng thông chưa được dùng cho ONU theo yêu cầu như đã tính toán trước đó. Bởi vậy: _ _ _ i ex requried i ex assigned unused i ex requried B B B B (3.3)
Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 37
ex_as
i
signed
B : Băng thôngphân bổ thêm
ex_
i
requried
B : Băng thông yêu cầu
Băng thông chưa được dùng cho ONUi từ giai đoạn 1 có thể được tính toán bằng cách trừ chiều dài hàng đợi tương ứng Qi cho băng thông yêu cầu, từ tổng băng thông bảo đảm nhỏ nhất.
Tóm lại, băng thông được phân bổ lớn nhất Bmax_allocated cho ONUi sẽ bằng
tổng Bmint ở giai đoạn một và ở ex_asi signed
B giai đoạn hai. Mặt khác, khi ONUi yêu cầu
băng thông nhỏ hơn tổng, Bmax_allocated , nó được coi là tương ứng với Qi:
min ex_as ax_ min t i i signed m allocated i B B B Q (3.4) ax_ m allocated
B : Băng thông được phân bổ lớn nhất
Qi : Chiều dài hàng đợi
3.2.3 Một số đánh giá
Để ước lượng hiệu năng của hệ thống, mạng GPON được mô phỏng bằng OPNET 14.5, gồm có một OLT và 16 ONU, giá trị „weight‟ thay đổi đặc trưng cho mức dịch vụ khác nhau ở tốc độ luồng lên 1Gbps, chiều dài đường truyền 25 km. Độ dài vòng lặp tối đa là 2 ms, 96 bít bảo vệ để thiết lập truyền dữ liệu giữa OLT và ONU. Thông số Hurst là 0,8 cung cấp thêm độ chính xác gần hơn với thực tế.
Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 38
Dung lượng kênh lớn nhất và băng thông cơ sở được cài đặt là 100Mbps và 33 Mbps để mô phỏng yêu cầu băng thông. Tỷ lệ thuê bao trong mỗi mức dịch vụ từ cao xuống thấp được vài đặt là 1 :5 :10 trong kịch bản mô phỏng lần đầu tiên.
Hình 3.2 Thông lượng của mạng
Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON
SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 39
Hình trên mô tả trong mô phỏng hiệu quả trễ gói trung bình giữa hai thuật toán. Khi tải mạng ở mức cao xấp sỉ 1Gbps, thuật toán DMBA giảm tới 10 lần trễ gói tin, điều đó chứng tỏ rằng mục đích của thuật toán có hiệu quả trong sử dụng mạng có dung lượng bị hạn chế. Điều quan trọng này vì thực tế các ONU với yêu cầu băng thông cao được phân bổ phần lớn băng thông mạng khả dụng khi dung lượng mạng lớn nhất có thể đạt được. Do đó, điều này được mong chờ để cải thiện chất lượng trong dịch vụ T-CONT 3 và T-CONT 4.
Vì vậy cho nên, hình … minh họa hồi đáp trễ gói tin được mô phỏng ứng với mức dịch vụ được phân bổ. Khi tải của ONU cao hơn một nữa dung lượng lớn nhất, tổng yêu cầu của người dùng sẽ vượt quá khả năng của mạng. Vì vậy cho nên, với giá trị tải mạng tăng lên, OLT sẽ phân bổ cân xứng băng thông giữa các ONU có mức dịch vụ cao. Kết quả là trễ gói tin ít hơn, băng thông được đưa ra ví dụ như 54, 61 và 74 Mbps tương ứng cho các mức dịch vụ 1,2 và 3. Thêm nữa, mức 0.87 ms trễ gói tin của ONU tải thấp ở mức 33Mbps cho phép mất mát và trễ truyền tải thấp nhất của ứng dụng nhạy cảm thời gian, tích lũy thời gian truyền để giảm bớt tắc nghẽn trong mạng đường trục cho phép trễ gói tin theo lý thuyết tối đa 5ms trong chuẩn GPON cho dịch vụ T-CONT 2.
Hình 3.4 Trễ gói tin trung bình ứng với các mức dịch vụ
Như đề nghị trong mạng FSAN, trễ gói tin lớn nhất có thể chấp nhận được trong mạng truy nhập ứng với T-CONT 2, T-CONT 3, và T-CONT 4 lần lượt tương ứng là 5 ms, 100 ms, và 500 ms. Để cung cấp đủ QoS cho thuê bao, băng thông có thể cung cấp lớn nhất với dịch vụ nhạy cảm thời gian 54Mbps có khả năng cung cấp hai kênh HDTV (40Mbps), trò chơi trực tuyến học tập theo yêu cầu (10Mbps) và 4Mbps