Thuật toán phân bổ băng thông động nhỏ nhất

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 cho dịch vụ khác sử dụng thuật toán DMBA. Nếu không đủ, mức dịch vụ 2 và mức dịch vụ 3 có thể được dùng để mở rộng băng thông truyền tải tương ứng xuống

Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON

SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 40

61Mbps hoặc 74 Mbps. Các Kết quả mô phỏng chứng tỏ tính linh hoạt của thuật toán DMBA kể cả SLA trong quá trình xử lý sắp xếp băng thông.

3.3 Thuật toán phân bổ đa bƣớc sóng động 3.3.1 Cơ sở của thuật toán

Khả năng mở rộng của topo chuẩn mạng GPON với tỷ lệ bộ chia lớn hơn dẫn tới tăng thời gian chờ bầu chọn ở luồng lên, điều này không chấp nhận được với các dịch vụ thời gian thực. Ứng dụng của ghép kênh theo bước sóng WDM để phân bổ cho mỗi ONU một kết nối logic P2P (P2P Point-To-Point) riêng. Phương pháp này hiện được triển khai dựa trên bộ chia PON với mục đích cải thiện băng tần của GPON, đã được định nghĩa trong ITU-T. Điều này đạt được khi xem xét lại ánh xạ định dạng băng thông luồng lên và luồng xuống đi kèm thuật toán mới dựa vào DBA. Để thích ứng các thuật toán cho hệ thống WDM thô, mở rộng trường trong định dạng khung GPON. Cả trong bản tin báo cáo và phân bổ băng thông (được dùng để thiết lập truyền tải giữa OLT và ONU) được cấu hình lại để hỗ trợ phân bổ đa bước sóng động (DMWA- Dynamic Mutil-Wavelength Allocation).

Hình 3.5 Định dạng khung luồng lên

(a) Một bước sóng (b) Đa bước sóng

ONU có thể phân biệt giữa các gói tin gate, yêu cầu registration hoặc dữ liệu được dùng cho mô phỏng. Trong số 12 bít trong trường Flag của định dạng khung luồng lên của GPON, trường „Op_Wavln‟ có 4 bít của 6 bít dự phòng dùng cho xử lý bước sóng hoạt động tại ONU, còn 2 bít để xác định loại gói. Có 16 khả năng xảy ra cho „Op_Wavln‟. Nếu là 0000 – bước sóng cơ bản 1311 nm dùng trong GPON đơn bước sóng. Ví dụ trong hình 3.6.

Các bước sóng được dùng cho mỗi ONU để truyền dữ liệu có thể được định nghĩa trong suốt quá trình đăng ký của ONU bởi mỗi báo cáo ONU hỗ trợ nhiều bước sóng đến OLT. Sử dụng tối đa khe thời gian truyền trong mỗi bước sóng hoạt động do vậy, giảm trễ gói tin, thuật toán lập lịch được phát triển ưu tiên người dùng truyền dựa trên trạng thái lưu lượng.

Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON

SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 41

Hình 3.6 DMW hoạt động với bước sóng CWDM

00 DBA

01 Khoảng cách ONU

10 Bước sóng được ONU hỗ trợ

11 Không dùng

Bảng 3.1 2 bít trường ‘Type’

3.3.2 Thuật toán

Mục đích của giao thức DMB là tăng tốc độ bít luồng lên bởi phân bổ động băng thông đồng thời trong cả miền bước sóng và thời gian. Bước đầu đã đạt được bởi phát triển thuật toán DMBA và sửa đổi định dạng khung luồng lên để hỗ trợ đa bước sóng. Thuật toán DMBA thuận tiện cho 3 SLA để phân bổ cho mỗi ONU với phân bổ băng thông đảm bảo nhỏ nhất thỏa mãn yêu cầu dịch vụ cơ bản và phân bổ thêm nhu cầu băng thông vượt mức theo SLA. Trong thuật toán này, mức dịch vụ thứ tư được giới thiệu tuân theo quy định với dự phòng dịch vụ cao cùng cung cấp mạng linh hoạt và trải nghiệm tốt. Thêm vào đó, thêm bước sóng phụ luồng lên được giới thiệu trong ITU-T G.984.5. Trong suốt quá trình đăng ký của ONU, OLT sắp xếp yêu cầu cho mỗi ONU để xác nhận bước sóng được hỗ trợ. Điều này thực sự quan trọng để phân biệt

Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON

SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 42

giữa phần mạng và trạng thái dự phòng băng thông giữa các ONU. OLT phân bổ băng thông luồng lên trong mọi vòng bầu chọn với 3 giai đoạn.

Giai đoạn 1, sau khi nhận yêu cầu băng thông từ mỗi ONU, OLT tính toán giới hạn an toàn là thời gian vòng lặp lớn nhất phân bổ độc lập với bước sóng. Cho phép tập hợp chính xác hơn, giảm đáng kể khe thời gian nhàn rỗi. Giới hạn an toàn được xác định dựa vào đa số trong tổng yêu cầu băng thông nhỏ nhất và hợp đồng SLA của ONU. OLT phân bổ băng thông cho ONU dựa vào khả năng mạng thay đổi theo thời gian và bước sóng

(BWtotal available) được xác định:

_ _network

Wtotal available( w ) Wtotal ( w ) af m arg

B multi avelength B multi avelength s e in

(3.5) Băng thông phân bổ lớn nhất cho ONUi (ONUAllocated_BW ) tùy thuộc vào thuật toán DMB : _ _ _ _ W _ ax. _ _ W if BW W W if BW W

ONU requested total requested total available

Allocated B

ONU M allowed total requested total available

B B

ONU

B B

(3.6) Sau giai đoạn 1, giai đoạn 2 được giới thiệu để quản lý quá trình phân bổ băng thông mạng giúp tăng hiệu quả bởi quảng bá ngẫu nhiên lưu lượng ONU giữa các bước sóng khác nhau trong trường hợp vượt quá thời gian vòng lặp lớn nhất, như hình 2. Để nâng cao khả năng phân bổ băng thông cho ONU của OLT, tại cuối mỗi vòng lặp, với thông lượng mạng tăng và quảng bá băng thông sau khi phân bổ còn dư đã được sắp xếp từ cao tới thấp. Giai đoạn 3 và cũng là giai đoạn cuối cùng, OLT bắt đầu phân bổ khe thời gian cho ONU với bước sóng khác nhau, bắt đầu là up0 tới up2.

Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON

SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 43

Quá trình này để OLT đảm bảo rằng khe thời gian cuối cùng trong up2 có thể nằm trong giới hạn an toàn. Chỉ có ba bước sóng và 16 ONU trong thuật toán giúp thời gian cung cấp vòng bầu chọn ngắn. Giảm thời gian chờ của gói tin luồng lên trong quá trình xử lý vòng lặp do vậy tăng hiệu năng mạng.

3.3.3 Một số đánh giá

Để nghiên cứu hiệu năng của giao thức DMW, mô phỏng mạng FTTH-GPON dùng phiên bản OPNET 14.5 với lưu lượng cùng loại, đơn giản, các thông số đặc trưng Hurst 0.8, tốc độ luồng lên 1.24416 Gbit/s, 2.488Gbit/s, và 32 ONU khoảng cách đường link là 20 km,. Sau cùng thiết lập các mức dịch vụ khác nhau với 4 ONU mức SLA0, 4 ONU mức SLA1, 8 ONU mức SLA2 và 16 ONU mức SLA3, giả sử lưu lượng mạng sử dụng tăng dần. ONU kết nối với bộ chia thông qua cáp quang, với 96 bít bảo vệ giữa lưu lượng ONU, thời gian vòng lặp lớn nhất là 2ms và giới hạn an toàn lớn nhất là 3%. Băng thông cơ bản cho mỗi mức dịch vụ, Bbasic, là 30Mbps và 100Mbps là tốc độ hướng tới trong mô phỏng cho mỗi ONU.

Đồ án tốt nghiệp Đại học cải tiến trong GPON

SVTH: Tô Thị Trang Lớp D08VT1 44

So sánh hiệu năng mạng DMW với giao thức DMB-GPON, trong hình 3.9, nó có thể được kết luận rằng năng suất của mạng tăng bởi dùng hệ số bước sóng ngang nhau. Mặc dù được mong đợi, đạt được tốc độ luồng lên tối thiểu 100Mbps cho mỗi ONU, ngược lai với băng thông cơ bản 30Mbps cho mỗi ONU trong DMB-GPON. Thêm vào đó, dùng 3% giới hạn an toàn không hạn chế thông lượng của mỗi kênh bước sóng, ngoài ra, so sánh năng suất của đơn bước sóng trong DMB, để tăng thêm hiệu quả sử dụng của khe thời gian khả dụng.

Hình 3.9 Thông lượng theo tổng tải mạng trong đơn bước sóng và đa bước sóng

Trong phép đo lường ước lượng hiệu năng khác, khi mà trễ trung bình gói của tất cả SLA sử dụng đơn bước sóng lên tới 0.1 s (tổng tải mạng đạt được ứng với một bước sóng ở 1.24 Gbps), giao thức DMW giảm đáng kể trễ gói xuống còn 0.03s ứng với ba bước sóng trong Hình… Hình cung cấp truyền tải không bế tắc của ứng dụng có ảnh hưởng lẫn nhau thỏa mãn khuyến nghị yêu cầu trễ cho các ứng dụng được định