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Optik ­ Revista internacional de óptica de luz y electrones 183 (2019) 1032–1042
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Artículo de Investigación Original
Algoritmo de asignación de ancho de banda dinámico con mecanismo de pronóstico
de demanda para asignaciones de ancho de banda en una red óptica pasiva con
T
capacidad de 10 gigabits
Kamran A. Memona,
, Khalid H. Mohammadania , Asif A. Lagharib , raul yadavb
,
Noor
ul
Ain
Memona
,
Bhagwan Dasc, Wajahat Ullah Khan Tareend ,
Xiangjun Xina
a
Laboratorio Estatal Clave de Fotónica de la Información y Comunicaciones Ópticas, Escuela de Ingeniería Electrónica, Universidad de Correos y
Telecomunicaciones, 100876, China
b
Escuela de Informática y Tecnología, Instituto de Tecnología de Harbin, Harbin, China
C
d
Departamento de Ingeniería Electrónica, QUEST, Pakistán
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Islámica Internacional, Islamabad 44000, Pakistán
INFORMACIÓN DEL ARTÍCULO
Palabras clave:
ABSTRACTO
La red óptica pasiva 10G (XG­PON) proporciona una tecnología potencial emergente para transportar múltiples
servicios para la red de acceso de primera milla. Sin embargo, ofrece un retraso de propagación de 0,3 ms entre la
administrador de bases de datos
Retraso aguas arriba
unidad de red óptica (ONU) y el terminal de línea óptica (OLT), lo que resulta en un aumento inevitable del retraso en
GIGANTE
la cola para las concesiones de ancho de banda a las ONU. Presentamos un método de asignación de ancho de
Tasa de caída de paquetes
Conceder
Pronóstico
XG­PON
banda dinámico de enlace ascendente razonable y efectivo: pronóstico de demanda DBA (DF­DBA) que predice las
demandas futuras de la ONU mediante el modelado estadístico de los patrones de demanda y tiende a cumplir con las
demandas pronosticadas justo a tiempo, lo que resulta en un retraso reducido. Los resultados muestran que el uso de
la distribución normal simple en el motor DBA ofrece una asignación de ancho de banda más adecuada con valores
de índice de caída de paquetes (PDR) reducidos en un 14 % que la red de acceso GigaPON estándar (GIANT)
DBA siguiendo el procedimiento del ciclo solicitud­concesión. DBA propuesto cuando se probó para todos los T­CONT,
redujo el retraso en un 50 % y ofreció una mejora del rendimiento del 45 % con una mayor carga de tráfico. El margen
de ancho de banda no asignado (UBM) es casi ideal junto con mejores resultados de parámetros de QoS que validan
que DF­DBA prácticamente puede mejorar el rendimiento de OLT. Además, este DBA predictivo abre un nuevo
horizonte de investigación para que el investigador lo use para distancias más largas en la red PON (LR­PON) con
diferentes distribuciones estadísticas para obtener los mejores resultados posibles en el futuro.
1. Introducción
Un mayor uso de servicios de alta velocidad de datos, como el protocolo de televisión por Internet de alta definición (HD IPTV), video a pedido, teleconferencias, juegos
en línea y una serie de otras aplicaciones multimedia sofisticadas en la vida cotidiana, ha impuesto una demanda abrumadora en la red de acceso. para ancho de banda y
velocidad de datos durante los últimos años [1,2]. Las soluciones DSL actuales y las soluciones de banda ancha inalámbrica están limitadas por el motivo de que ofrecen
una velocidad de Mbps más baja y una cobertura más pequeña y, por lo tanto, no pueden satisfacer esta demanda cada vez mayor [3]. Por otro lado, la comunicación por
fibra óptica (OFC) parece ser una alternativa muy prometedora que ofrece altas velocidades de datos y cobertura [4]. Como un usuario no usaría los servicios de forma
continua, OFC usa una opción lógica para compartir una conexión basada en fibra entre varios usuarios del vecindario al mismo tiempo para que el recurso no se pueda
subutilizar.
Autor de correspondencia.
Direcciones de correo electrónico: [email protected], [email protected] (KA Memón).
https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.03.003 Recibido
el 1 de enero de 2019; Recibido en forma revisada el 27 de febrero de 2019; Aceptado el 1 de marzo de 2019
0030­4026/ © 2019 Elsevier GmbH. Reservados todos los derechos.
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KA Memon, et al.
Fig. 1. Una red XG­PON.
Las redes ópticas pasivas (PON) se propusieron originalmente como una solución para la fibra hasta el hogar (FTTH) [5]. Estas redes utilizan dispositivos pasivos
como divisores para desplegar una sola fibra desde la oficina central hacia múltiples usuarios domésticos. En esta propuesta, hay dos estándares distintos que son WDM­
PON y 10G­PON (XG­PON). WDM­PON utiliza multiplexación por división de longitud de onda, en contraste, XG PON utiliza acceso múltiple por división de tiempo (TDMA)
con una sola longitud de onda en la oficina central. XG­PON sirve hasta 256 usuarios con un ancho de banda total de bajada (DS) y subida (US) de 10 Gbps y 2,5 Gbps
respectivamente [6]. La arquitectura XG­PON que se muestra en la Fig. 1 generalmente se compone de una terminación de línea óptica (OLT) y una unidad de red óptica
(ONU) conectadas a través de fibra óptica en la ruta de la red de distribución óptica (ODN). OLT, ubicado en la oficina central, controla el flujo de tráfico en las direcciones
US (ONU a OLT) y DS (OLT a ONU), mientras que ONU proporciona servicios de red a los usuarios desde la red de acceso [7] .
XG: las redes PON utilizan un mecanismo de asignación dinámica de ancho de banda (DBA) para evitar colisiones entre transmisiones ascendentes simultáneas de
varias ONU. Han surgido métodos DBA con estrategias para compartir recursos limitados en redes de acceso óptico en un número creciente de usuarios. A lo largo de los
años, estas redes también han mejorado enormemente al aumentar su ancho de banda. Además, los parámetros de QoS se incorporan al procedimiento de compartición
de ancho de banda. El tráfico de XG­PON se clasifica en cinco tipos de entidades portadoras de tráfico, es decir, contenedores de transmisión (TCONT) en los que
TCONT­1 representa en ancho de banda fijo, TCONT­2 representa ancho de banda asegurado, TCONT­3 representa no asegurado, TCONT­4 basado en el mejor esfuerzo,
y TCONT­5 basado en el ancho de banda máximo, también conocido como ancho de banda mixto, para propósitos de QoS de cada ONU [8], dado en la Tabla 1.
Cada TCONT tiene una identificación única, es decir, Alloc_ID asignada por la OLT en la fase de inicialización de la ONU. Basado en su acuerdo de nivel de servicio
(SLA) y bytes de asignación (AB), el esquema DBA en OLT asigna ancho de banda a cada clase de tráfico de acuerdo con su demanda. XG: PON consulta todas las ONU
para sus informes de cola en una sola trama de EE. UU. a través del campo de flujo ascendente de informe de ancho de banda dinámico (DBRu) y simultáneamente asigna
ranuras de ancho de banda de EE. UU. a todas las ONU a través de una sola trama DS utilizando el campo BWmap. Un BWmap puede tener muchas estructuras de
asignación posibles que se muestran en la Fig. 2. Cada una puede contener campos como Alloc_ID, DBRu, Start_time (tiempo para sincronizar los datos de EE. UU. de las
ONU a diferentes distancias de OLT) y Grant_Size (ancho de banda total aprobado para el Alloc_ID específico). para el marco posterior de EE. UU.) [4,9,10].
Este trabajo de investigación explota los algoritmos DBA siguiendo el procedimiento del ciclo de solicitud y concesión para la asignación de ancho de banda a las ONU.
En dichos DBA, el retardo unidireccional en la propagación entre OLT y ONU es de aproximadamente 0,3 ms. Con un tamaño de cuadro pequeño de 125 μs, esto da un
total de seis cuadros de datos para US y DS. Como resultado, cada ONU, operada incluso bajo el mecanismo DBA más eficiente, suponiendo que no haya tiempo de
procesamiento, no puede recibir el programa de concesión del ancho de banda solicitado antes de seis intervalos de tiempo. Durante este retraso, la situación de la cola
cambia considerablemente a medida que siguen llegando más datos a la cola y, en la mayoría de los casos, los datos en cola se vuelven inútiles debido a su naturaleza en
tiempo real [11]. Esto da como resultado un mecanismo de asignación de ancho de banda ineficiente con un rendimiento pequeño, retrasos de extremo a extremo
extendidos y probabilidad máxima de caída de paquetes para los usuarios. Además, las oficinas centrales en la actualidad también se ubican en menos ubicaciones con
las ONU ubicadas en áreas grandes que presentan efectos más pronunciados en la eficiencia de los mecanismos de los DBA. Un desafío clave para los mecanismos de
asignación de ancho de banda es mantener un retraso de propagación, un retraso de concesión y un tiempo de procesamiento de OLT mínimos para mantener al usuario
final satisfecho con los servicios de red ofrecidos. Para enfrentar los desafíos anteriores, el DBA basado en predicción en [12] propuso un mecanismo de concesión de ancho de banda ins
Este enfoque de predicción redujo eficientemente el tiempo de espera al utilizar concesiones anteriores y la longitud de la cola, lo que no es útil para la ocupación del búfer
en el caso de la ONU encuestada [13]. empleó una estrategia de predicción lineal para lograr una alta tasa de entrega de paquetes, asignación máxima de ancho de banda
sin demora. Sin embargo, este método registra cantidades de tráfico durante el período de espera en ciclos de sondeo anteriores y requiere una gran cantidad de memoria
con un potente procesador [14]. por otro lado, introdujo un mecanismo de pronóstico similar con conocimiento del tráfico para la reserva anticipada de franjas horarias para
mitigar los retrasos causados por las colas en los búferes de la ONU, pero el tráfico en ráfagas enfrentó un retraso prolongado en los EE. UU., mientras que en un caso
similar, DBA [15] sufrió retrasos variables en los EE. UU . Los investigadores en [16,17] también
Tabla 1
XG­PON TCONT.
Clase
Banda ancha
1
Fijado
Tasa de bits constante (CBR)
2
Seguro
vídeo y voz
Voz sobre IP/videoconferencia
3
no asegurado
4
Mejor esfuerzo
5
no asegurado
Solicitud
Correo electrónico
Representar todas las clases de tráfico
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Fig. 2. Mapa de ancho de banda descendente para la transferencia de datos ascendente.
hizo hincapié en diseñar un mecanismo DBA con predicción para garantizar un rendimiento lineal para cargas variantes para desaparecer la insatisfacción del usuario final. El esquema
propuesto por Zhu [18] redujo la demora de espera y la ocupación del búfer que IPACT [19] al estimar la llegada de nuevos paquetes entre ciclos de sondeo sucesivos y otorgar ONU;
sin embargo, el tiempo de llegada de paquetes prolongados extendió el tamaño de la ventana de transmisión, lo que resultó en un rendimiento deficiente. Por otro lado [20] conocía las
llegadas de tráfico durante este tiempo, pero no hay información sobre el mecanismo de predicción. Para la red de acceso de largo alcance, este esquema ofreció menos retrasos de
propagación, una mejor relación de entrega de paquetes y una programación justa en el tráfico de ráfagas. En un mecanismo de predicción reciente, [21] usó la notación TCONT para
reducir los retrasos en la concesión para lograr una mejor asignación de ancho de banda, una latencia pequeña en EE. UU. y una asignación justa. Por primera vez, los autores [22]
demostraron que el modelado estadístico es una técnica viable que puede superar a los DBA tradicionales de ciclo de solicitud y concesión en términos de parámetros de rendimiento de
QoS.
Los autores utilizaron TCONT­5 para representar todas las clases de tráfico.
En este documento, presentamos el DBA de pronóstico de demanda (DF­DBA) basado en la distribución estadística normal siguiendo [22], un DBA en el que las demandas futuras
de ONU se predicen mediante modelos estadísticos de patrones de demanda y las demandas esperadas se cumplen justo a tiempo para que el se permite la concesión a la ONU una
vez que se establece la demanda de ancho de banda. Este DBA cubre T­CONT­1 a T­CONT­4, que son muy importantes para la comunicación de datos reales. Con la adición de búferes
circulares, brindamos el potencial real de esta nueva estrategia de DBA de DF, que puede ofrecer mejores retornos en términos de demora, tasa de caída de paquetes (PDR),
rendimiento y margen de ancho de banda no asignado (UBM), lo que resulta en una latencia mejorada especialmente en comparación con la red de acceso GigaPON (GIANT) DBA.
Hasta ahora, encontramos un uso común de los modelos de predicción en los campos del sistema de gestión de inventario, el esquema de suministro de agua, el sistema de
visitantes y el sistema de gestión hospitalaria [23–29]. Sin embargo, el trabajo de investigación reciente también se lleva a cabo en el campo del aprendizaje automático [30,31] y XG­
PON controlado de forma remota [10] para la predicción de futuras asignaciones de subvenciones en un contexto similar a este trabajo propuesto, pero tales enfoques ofrecen una mejora
marginal. en retraso de EE. UU., ligera diferencia en el rendimiento e ineficiente para todos los tipos de ancho de banda. La predicción de demanda propuesta presenta por primera vez
una forma ideal de obtener concesiones de ancho de banda para ONU con T CONT­1 a T­CONT 4. Los resultados de la simulación indican que el nuevo DBA propuesto supera a sus
contrapartes contemporáneas en los factores de QoS promedio, es decir, retraso, PDR, rendimiento y UBM. El resto del documento está organizado en secciones de la siguiente manera:
la Sección 2 describe el proceso de asignación dinámica de ancho de banda para los enfoques existentes, es decir, GIGANTE, la Sección 3 explica el nuevo proceso DF­DBA con
algoritmo, la Sección 4 presenta el entorno de diseño de simulación. Las discusiones de resultados y el resumen concluyente se colocan en la Sección 5 en 6 respectivamente.
2. DBA GIGANTE
El esquema GIANT DBA asigna eficientemente el ancho de banda disponible a todas las ONU de acuerdo con su demanda y en pleno cumplimiento de los SLA. Este DBA es un
algoritmo DBA implementado con éxito para el sistema XGPON según la Recomendación ITU­T G.983.4, es decir, TCONT.
En este DBA, SI reconoce con qué frecuencia se sirve TCONT y AB calcula cuántos bytes se asignan TCONT. Tal DBA ofrece dos ventajas: primero, debido al uso más eficiente y
efectivo del ancho de banda, el operador de red puede considerar agregar más usuarios al XG ­ PON. En segundo lugar, los suscriptores pueden beneficiarse enormemente de servicios
como los que requieren tarifas variables, con picos por encima de los niveles que pueden estar disponibles de forma bastante estática. Sin embargo, este DBA sufre de un mayor tiempo
de inactividad del canal, ya que tiene que esperar para recibir la asignación de ancho de banda de EE. UU., lo que requiere que las tramas de tráfico que llegan después de que la ONU
reenvíe su informe de cola, esperen hasta que los temporizadores SI se detengan [32] .
La Fig. 3 muestra el proceso DBA para GIANT donde una ONU inicia el envío de una trama de datos a OLT desde el instante T1 durante un tiempo conocido como tiempo de envío
de datos (TDS ) y luego experimenta un tiempo de inactividad (Tidle) para el cual no hay utilización del canal de EE. UU. Durante este período, las ONU continúan reenviando tramas
inactivas (Iframe) hasta el instante T2. En T3, ONU envía una trama de solicitud (Reqframe) y espera un tiempo determinado (Twaiting time)
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Fig. 3. Diagrama del proceso DBA GIGANTE.
para la subvención, se puede calcular en (1). A medida que OLT recibe Reqframe, procesa DBA y actualiza BWmap en el tiempo de procesamiento de OLT (TOLT).
Después de TOLT, OLT envía marcos de concesión (Gframe) a ONU. La concesión llega a la ONU en el tiempo de concesión (Tgrant). Cuando la ONU recibe la
concesión en el instante T4, envía la trama de datos a la OLT. Este proceso continúa hasta que ONU permanece activado. El tiempo completo del proceso se denomina
tiempo de ciclo en (2).
Tesperando = TOLT + Tconceder
(1)
Un ciclo = TDS + Tidle + Twaiting
(2)
3. DF­DBA: proceso y algoritmo
La realización de este DBA está impulsada por el hecho de que el patrón básico de uso de la red persiste en el tiempo y puede replicarse estadísticamente. Para
modelar el escenario de asignación de ancho de banda, la previsión de demanda de la ONU se calcula a partir del modelo estadístico de la tasa de llegada de datos
del búfer TCONTs, después de lo cual se ejecuta una asignación instantánea de ancho de banda justo a tiempo para las demandas de la ONU [22] . En el procedimiento
de modelado estadístico, una serie de tramas de concesión que contienen información sobre las demandas de ancho de banda de la ONU se almacenan primero en
un búfer circular. Mientras tanto, OLT procesa el DBA dentro del tiempo de inactividad (Tidle) y actualiza BWmap. Después de eso, OLT envía tramas de concesión de
ONU (Gframe). Como consecuencia, la concesión es recibida por ONU incluso antes de su solicitud OLT. Esto reduce la espera de la ONU de manera eficiente, como
se muestra en la Fig. 4.
3.1. Algoritmo
La Tabla 2 contiene todas las variables utilizadas en este algoritmo.
Para cada trama US, la ONU envía algunos de sus datos en cola junto con el informe DBRu, que contiene la cantidad de datos aún y Req [ ]i representa la solicitud
en su cola, como una solicitud OLT. Deje que Data i[ ] represente la cantidad de datos enviados en el marco i la , DBRu en
estructura i, y luego la tasa de llegada de datos instantáneos en la cola ONU TCONT se puede calcular a partir de (3):
=
(QTCONT) (Solicitar[ ]+ i Datos i [ ] Re [ q yo
1])/
T
(3)
Para la predicción de la demanda se utiliza el concepto de modelado estadístico. OLT conserva los últimos 100 valores de Req[i] y Data[i] mediante un búfer
circular. La tasa de llegada de datos instantáneos (QTCONT) para cada TCONT se puede calcular a partir de estos valores según sea necesario.
En el siguiente paso, los valores corrientes de la media μ y la desviación estándar σ de (QTCONT) se calculan a partir del búfer circular en cada ciclo y se usan para
predecir el tamaño de la demanda LTCONT usando una distribución normal
CONTLT =
(μ, σ) de (4) .
(4)
(μ, σ) × ΔT + 128,
Se supone que el tamaño de demanda previsto LTCONT es la cantidad de datos que llegan a la cola TCONT de ONU durante la duración de la última trama ΔT, y
se utiliza para calcular el ancho de banda asignado a TCONT en el siguiente mapa BW. Además, 128 palabras tienen
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Fig. 4. Diagrama del proceso DF­DBA.
Tabla 2
Variables utilizadas.
Símbolo
(QTCONT)
Descripción
Tasa de llegada de datos instantáneos en la cola TCONTs de la ONU
Requerido [ ]i
Petición DBRu enviada en el marco iésimo
Datos i[ ]
Cantidad de datos enviados en el marco i­ésimo
T
i
Tamaño de trama, normalmente 125
μs número de
m
trama Media de los últimos 100 valores de (QTCONT)
σ
SD de los últimos 100 valores de (QTCONT)
CONT LT
Tamaño de demanda previsto
agregado como excedente para adaptarse a los informes de DBRu o como espacio de protección, incluso si el modelo predijo una demanda cero. El pseudocódigo
del DBA propuesto se presenta en la Tabla 3.
Cuando se analiza en particular la naturaleza de ráfagas del tráfico de Internet de los usuarios finales, la utilidad de los DBA predictivos existentes a los que se
hace referencia anteriormente es bastante limitada debido a la posible predicción de concesión excesiva o insuficiente, lo que lleva a un mayor retraso, PDR y menor
rendimiento. Como razón, el modelado estadístico con diferentes técnicas de distribución para la asignación de ancho de banda sigue siendo en gran medida una
pregunta abierta para la investigación. Sin embargo, este DBA propuesto funciona comparativamente bien para los parámetros de QoS mencionados.
4. Configuración de la simulación
4.1. Plataforma
El simulador de red NS­3 es un famoso software de simulación de eventos discretos, muy utilizado en la investigación de varios tipos de redes (p. ej., alámbricas,
inalámbricas, CSMA, LTE, WiMAX, variantes de 802.11, WSN, P2P, IPV4, TCP y UDP). ) [33]. NS­3 permite codificar protocolos y simular los escenarios en un solo
lenguaje, es decir: C++, aunque sus versiones anteriores requieren el uso de TCL para definir los escenarios de simulación. Además de C++, los investigadores
familiarizados con python pueden usarlo para crear guiones de escenarios y obtener resultados. OPNET también es una opción para este análisis de DBA; sin
embargo, no es un simulador de código abierto, hay un acceso público limitado a los modelos y se puede observar un problema de baja velocidad de simulación en
la realización de XG­PON con alto Gb/s. Como razón, se elige NS­3. Además, estos modelos tienen una capa MAC altamente simplificada para cada uno de los
estándares PON, los desafíos identificados al usar estos módulos pueden no ser ciertos en implementaciones realistas de la red XGPON; como estos modelos
OPNET de PON se implementaron a velocidades de datos inferiores a 1 Gb/s, también restringirán la escalabilidad.
El módulo XG­PON fue una importante contribución de [34] y su parche para NS­3 versión 3.19 está disponible a través de ellos. Ahora el módulo XG­PON es
uno de los módulos de red en NS3 que es compatible con la simulación de la red óptica pasiva. Está hecho en un módulo estándar, configurable y expandible que
puede simular algoritmos DBA de XG­PON como round robin (RR) y GIANT
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Tabla 3
DF­ Pseudo­código DBA.
con simulación razonable. El módulo XG­PON se ha presentado de la siguiente manera:
• Como la intención fundamental de este módulo fue analizar los estratos de convergencia de transmisión XG­PON (XGTC) y luego los problemas de la capa superior,
la costura física está dentro de un camino fácil a través de un presupuesto límite excelente, debido a la red de asignación óptica.
• La implementación del módulo no cuenta con operaciones, administración o mantenimiento de capa física (PLOAM) y ONU
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Tabla 4
Parámetros de simulación.
Parámetro
Valor
OLT
1
Carga
dieciséis
Tiempo
01 hora
Río arriba
2,4882 Gbps 10
Río abajo
Gbps 200
Tasa de enlace
Mbps 1 MB
Tamaño del búfer
1472
Tamaño del paquete
bytes 1­4
tipo TCONT
TCONT­2 (100 Mbps)
ABmin2 = 7812,SImax2 = 5 ABmin3
TCONT­3 (50 Mbps)
= 7812,SImax3 = 10 ABsur4 = 15
TCONT­4 (100 Mbps)
624,SImax4 = 10 20 km
Área de Medio Ambiente
Los canales de interfaz de administración y control (OMCI) ahora no están implementados.
• Se modela el acueducto XG­PON, por lo que se ha configurado una carrera fácil punto a multipunto (P2MP) entre Down Stream (y MP2P multipunto a punto dentro de
Up Stream) junto con retrasos de propagación y cargos de rango para cuidar los estándares. Por el contrario, se espera que los paquetes lleguen, salvo pérdidas XG­
PON, a sus mismos destinatarios.
• El DBA en la OLT es responsable en imitación de asignar el ancho de banda de EE. UU. de acuerdo con TCONT, o el programador de EE. UU. en ONU es responsable
de asignar la posibilidad de transmisión con respecto a algunos TCONT de acuerdo con sus puertos XGEM de EE. UU.
• OLT y ONU mantienen una cola suficientemente significativa y separada, debido a cada ID de puerto XGEM. • Todas las ONU
son dobles para permanecer a la misma distancia fuera de la OLT.
Hemos implementado nuestro DBA en este módulo XG­PON que se puede obtener de los autores por correo electrónico.
4.2. Entorno de simulación
Utilizamos un escenario de simulación que consta de 16 ONU con una tasa de enlace de 200 Mbps y una tasa de EE. UU. de 2,4882 Gbps. TCONT­2 a TCONT­4 se
utilizan en cada ONU para representar diferentes entidades de tráfico. El DBA propuesto se analiza generando tráfico autosimilar con fuentes de Pareto ON­OFF, parámetro
de forma (α), las resultantes de valores de factor de Hurst (H) de 0.8 y 0.9, respectivamente [35] . Todas las simulaciones se realizan hasta que el total de bytes de tráfico
comunicados a cada algoritmo DBA supera los 109 en cada viaje, para una carga de tráfico que oscila entre 0,1 y 0,99. Todas las ONU tienen la misma carga de tráfico y
los tres TCONT reciben las tramas de tráfico generadas mediante una distribución uniforme. La Tabla 4 presenta todos los parámetros de simulación y asignación de ancho
de banda a TCONT­2 a TCONT­4
5. Resultados y discusiones
En los resultados, presentamos una comparación de rendimiento de dos DBA en términos de retraso, tasa de caída de paquetes (PDR), rendimiento y margen de
ancho de banda no asignado (UBM). Dado que TCONT­1 tiene una asignación de ancho de banda fijo, se omite para el análisis y los resultados con discusiones para
todos los parámetros de QoS considerados, se presentan a continuación.
5.1. Demora
El retraso es el factor de QoS más importante para el análisis de rendimiento de los DBA en XG­PON. El retraso o retraso ascendente aquí para diferentes TCONT,
medido en segundos, es el tiempo promedio que tarda una trama en llegar al destino. Se calcula dividiendo la diferencia entre el tiempo de trama recibido y el tiempo de
trama enviado por el número total de transmisiones de las ONU, expresado en la Ec. (5).
[]s
Retraso
=
Tiempo de marcos recibidosTiempo de marcos enviados
. de
. ONUs
.
.
Nº total
Transmisión
.
(5)
La Fig. 5 presenta el rendimiento comparativo del retraso de EE. UU. para los tres TCONT para dos DBA, es decir, DF­DBA y GIANT con patrones de tráfico similares
a sí mismos con respecto a la carga de tráfico ofrecida. La carga de tráfico ofrecida se calcula dividiendo la duración total de ENCENDIDO del tamaño de ráfaga medio con
las duraciones de ENCENDIDO y APAGADO. Varía entre 0 y 0,99.
Se puede observar claramente en la Fig. 5a que el retraso de GIANT es menor con cargas de tráfico pequeñas y crece a medida que aumenta la carga. La razón
obvia es que sufre de un mayor tiempo de inactividad del canal y la reducción del ancho de banda restante con el aumento de la carga.
Mientras que DF­DBA tiene un tiempo de inactividad de canal mínimo, por lo que el efecto de retraso de TCONT­2 se reduce de manera efectiva, como tal, este esquema
de DBA proporciona una concesión prevista con precisión. Después del punto de umbral de 0,6 tráfico de carga ofrecido, hay un rápido crecimiento en la demora, pero DF­
DBA lo maneja bien después del punto de umbral y termina con una demora de casi 0,4 ms en comparación con la demora de 0,9 ms de GIANT.
Para el caso de ancho de banda asegurado TCONT­3 que se muestra en la Fig. 5b, DF­DBA funciona mejor para asignar ancho de banda asegurado en cada marco
DS a todos los Alloc­ID disponibles, mientras que el retraso GIGANTE es muy alto, ya que este DBA no es capaz de modificar su rendimiento respectivamente. Ambos DBA
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Fig. 5. Retraso de EE. UU. para los tres TCONT de GIANT y DF­DBA.
realizar y comportarse codo con codo hasta el punto de umbral.
La Fig. 5c señala el retraso en el caso de TCONT­4 bajo patrones de tráfico autosimilares para los dos DBA. Dado que estos Alloc­ID tienen la naturaleza de ancho de banda
de mejor esfuerzo, la disminución en sus beneficios de rendimiento sigue siendo dos TCONT que tienen mayor prioridad. Dichos TCONT funcionan bien con poca carga con la
disponibilidad del ancho de banda sobrante. Además, se observa en la simulación que también existe una alta probabilidad de caída de paquetes con un valor de carga más alto en
los puntos donde el retraso para TCONT­4 es alto en ambos casos de DBA. Los valores máximos de retardo con la carga máxima ofrecida para tres T CONT (T CONT­2, T CONT3,
T CONT4) son (0,868252 ms, 1,58244 ms, 0,541566 ms) y (0,38448 ms, 0,9389 ms, 0,320578 ms) para GIANT y DF­ DBA respectivamente que avala que DF­DBA es una solución
atractiva frente al problema de retardo en las redes de acceso.
En pocas palabras, el uso de la distribución normal y los búferes circulares en DF­DBA ayuda a predecir con precisión la futura demanda de ancho de banda para las ONU.
Esto elimina las colas de solicitudes de concesión. En el peor de los casos, puede ser obviamente incorrecto, pero en su mayoría funciona perfectamente y reduce la demora de XG­
PON. En comparación, GIANT proporciona un mayor retraso y tarda más en comprobar la ocupación del búfer. Como consecuencia, su mecanismo operativo no puede satisfacer
a tiempo las solicitudes de concesión de ancho de banda de la ONU.
5.2. Tasa de caída de paquetes (PDR)
La tasa de caída de paquetes (PDR) significa el número total de tramas transmitidas desde las ONU que no llegaron a la OLT. Se obtiene restando la cantidad de tramas
recibidas de la cantidad de tramas enviadas, y el recordatorio se divide por la cantidad total de tramas generadas desde las ONU. PDR se da en la ecuación. (6).
RDP =
Marcos enviados
Marcos recibidos
Marcos enviados
× 100%
(6)
El resultado de la simulación en términos de PDR para 16 ONU bajo la carga de tráfico ofrecida se muestra en la Fig. 6.
PDR ocurre para TCONT­4 para ambos DBA. Sin embargo, GIANT hace que se caigan más paquetes, ya que es posible que tenga más ancho de banda sin asignar en
comparación con DF­DBA. Generalmente, TCONT­2 y TCONT­3 tienen un ancho de banda inactivo asignado como razón, TCONT­4 tiene muy poco espacio para trabajar, lo que
resulta en un alto PDR. Ambos DBA funcionan razonablemente bien hasta el valor de carga umbral y en un patrón similar.
Pero DF­DBA presenta un PDR razonablemente pequeño incluso con una mayor carga de tráfico ofrecida.
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Fig. 6. Proporción de caída de paquetes (PDR) para los tres TCONT de GIANT y DF­DBA.
5.3. Rendimiento
La cantidad total de datos entregados por unidad de tiempo se conoce como rendimiento de la red, medido en bits/sy kbit/s; Datos de ONU totales
para OLT se obtiene multiplicando el número total de tramas, el tamaño de la trama y el factor multiplicador de 8. El rendimiento se expresa en la ecuación. (7).
[
Gbps de rendimiento
] =
Número de fotogramas×Tamaño de fotograma
[ bytes ]
Tiempo[seg ]
× (1024)
× 8
pedacitos
byte
3
.
(7)
La figura 7 presenta el análisis de rendimiento de los dos DBA frente a la carga. En el análisis de rendimiento, se observa que hay una disminución gradual del
rendimiento con el aumento de la carga ofrecida de tráfico. La carga mínima a máxima para DF­DBA y GIANT es de 1,24 Gbps­1,18 Gbps y 0,69 Gbps­0,58 Gbps
respectivamente. Esto concluye el hecho de que el DBA propuesto gestiona una asignación de ancho de banda eficiente y mantiene un rendimiento constante y más
alto, casi el doble que el GIGANTE con cargas más altas.
Además, si se agregan ONU adicionales, el protocolo GIANT no proporciona nuevas ONU con ancho de banda adicional. Si bien el DBA propuesto es una mejor
opción, puede proporcionar un ancho de banda suficiente para cada ONU para mitigar la complejidad de la red y los problemas de rendimiento.
5.4. Margen de ancho de banda no asignado (UBM)
El UBM es la cantidad de ancho de banda que no se asigna. Se calcula dividiendo ese ancho de banda no asignado por la capacidad total del enlace de transmisión
ascendente. Para DF­DBA en la Fig. 8, UAB es cero, ya que realiza una asignación de ancho de banda eficiente con un PDR mínimo y no tiene ancho de banda
disponible sin asignar para distribuir según SLA en TCONT.
GIANT tiene una gran cantidad de ancho de banda inactivo en TCONT­2 y TCONT­3, lo que da como resultado un valor de PDR y UBM más alto, particularmente
después del punto de umbral. Por último, presentamos una comparación general de GIANT y DF­DBA en la Tabla 5.
6. Conclusión
Este documento introdujo un esquema DF­DBA para todas las clases de tráfico, es decir, T­CONT­1 a T­CONT­4, que modela los flujos de datos en curso.
Fig. 7. Análisis de rendimiento: DF­DBA y GIANT.
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Fig. 8. Análisis UBM: DF­DBA y GIANT.
Tabla 5
Comparación de GIANT y DF­DBA.
Parámetros
GIGANTE
DF­DBA
Marcha
Distribuye el ancho de banda en la primera iteración según la prioridad de TCONT.
Predice futuras demandas de ONU mediante modelos estadísticos
Tamaño de la concesión
Proporción de velocidad de datos y tamaño de cuadro de EE. UU.
Flexible, basado en solicitudes y concesiones de ancho de banda
Depende del tiempo de procesamiento OLT
anteriores.
tiempo de concesión
Depende del procesamiento de OLT y el tiempo de
TCONT usado
concesión. 1 a 4
1a4
Procesamiento con no. de ONU Tasa
Medio Alto
Rápido
de
=˜1.5%
Bajo
caída de paquetes de
=˜ 1%
retardo Máx.: Rendimiento 0,69 Gbps Margen de ancho de
1,18 Gbps
banda no asignado 10−6
˜0
patrones y, basándose en ellos, predice los futuros requisitos de ancho de banda de las ONU en XG­PON. Los resultados muestran que el uso de la
distribución normal simple en el motor DBA ofrece una asignación de ancho de banda más adecuada para cada ONU con valores mínimos de tasa de
caída de paquetes que el uso de procedimientos de ciclo de solicitud­concesión de DBA. Redujo la demora para todos los T­CONT y ofreció el mayor
rendimiento en comparación con GIANT con mayor carga de tráfico. El margen de ancho de banda no asignado es casi ideal con menos retraso de EE.
UU. y PDR y alto rendimiento, lo que valida que este DBA prácticamente puede mejorar el rendimiento de OLT. Es posible cierto riesgo de rendimiento
reducido con una pequeña sobreasignación, aunque conduce a un retraso bien administrado. Dado que las ventajas del modelado estadístico que utiliza
técnicas de distribución específicas para la asignación de ancho de banda siguen siendo en gran medida una pregunta abierta para la investigación. Por
lo tanto, será interesante experimentar dicho DBA con otras distribuciones estadísticas, como la distribución de veneno, etc., y usarlo para distancias
más largas en la red PON (LR­PON) para obtener los mejores resultados posibles en el futuro.
Agradecimientos
este trabajo cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) (61727817/ 61425022/61522501/61605013/
61875248/61307086/61475024/61672290/61475094/61675030); el Programa Nacional de Alta Tecnología 863 de China (2015AA015501, 2015AA015502),
el Fondo del Laboratorio Estatal Clave de IPOC (BUPT).
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