專利名稱：以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，特別是指一種以遞 歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的管線排程預(yù)測器(PRNN)，及延伸遞歸最小平方法(ERLS)學(xué)習(xí)法則。
背景技術(shù)：
針對以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)上行訊號(hào)的排程(scheduling)已有許多研究，由于光 終端單元的上行頻寬屬于共用分享式，因此如何分配光終端單元的上行頻寬就成為重要議 題；而最早提出上行訊號(hào)排程方式是時(shí)間分割多重接取(TimeDivision Multiple Access, TDMA)(如參考文獻(xiàn)[l])，每個(gè)光終端單元配給固定的頻寬(timeslot)，雖然時(shí)間分割 多重接取方式在實(shí)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上較容易作，但卻無法應(yīng)付光終端單元的變動(dòng)資料封包需 求，也因此導(dǎo)致頻寬使用率較差；因此為了應(yīng)付數(shù)據(jù)服務(wù)的突發(fā)式訊務(wù)需求，Kramer(如 參考文獻(xiàn)[2])提出可調(diào)插入式輪詢時(shí)間(Interleaved Polling with Adaptive Cycle Time, IPACT)的輪詢機(jī)制，使光終端單元的動(dòng)態(tài)頻寬需求獲得一些改善，而此方法也提至 IEEE802. 3ah委員會(huì)，作為以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)控制通信規(guī)約(MultiPointControl Protocol，MPCP)的標(biāo)準(zhǔn)建議，然而可調(diào)插入式輪詢時(shí)間對于光終端單元的各種服務(wù)的服務(wù) 質(zhì)量的要求，像是延遲(delay)與封包丟棄機(jī)率(dropprobability)并未加以考慮；
而依據(jù)可調(diào)插入式輪詢時(shí)間法則，光終端單元的封包是采先進(jìn)先出(FirstCome First Serve，F(xiàn)CFS)原則，也因此所有封包會(huì)有一定的延遲時(shí)間，而對于語音與實(shí)時(shí)視訊服 務(wù)而言，是無法容忍延遲，或是較大的延遲變異(jitter);因此許多研究提出改善服務(wù)品 質(zhì)的排程機(jī)制如參考文獻(xiàn)[3]提出高優(yōu)先權(quán)動(dòng)態(tài)頻寬指配法則(DBA-High Priority)，針 對高優(yōu)先權(quán)的服務(wù)，降低其封包延遲時(shí)間與延遲變異，但同時(shí)犧牲了低優(yōu)先權(quán)封包的丟棄 率(使丟棄率提高)、延遲時(shí)間(使延遲加長)、減低完成傳送率(throughput)，產(chǎn)生不公平 現(xiàn)象；另外參考文獻(xiàn)[4]， [5]提出光終端單元雙層頻寬指配法則(intra-0NU， inter-0NU， two layer bandwidth allocation, TLBA)，主要方法是拉大每個(gè)光終端單元的各種等級(jí)訊 務(wù)的輪詢時(shí)間，試著解決參考文獻(xiàn)[3]中有關(guān)高低優(yōu)先權(quán)封包的不公平現(xiàn)象；但卻因此增 加高優(yōu)先權(quán)服務(wù)的延遲時(shí)間與降低其完成傳送率，此法則的主要問題是無法滿足突發(fā)式訊 務(wù)的特性； 而發(fā)輪詢式動(dòng)態(tài)頻寬指配(Burst-polling based delta DBA)法則(參考文獻(xiàn) [6])與多種服務(wù)動(dòng)態(tài)頻寬指配(DBA with multiple service, DBAM)法則(如參考文獻(xiàn) [7])提出預(yù)測未來可能到達(dá)的分類服務(wù)訊務(wù)方法，試圖改善平均封包延遲時(shí)間，但其使用 單次最大頻寬(maximum window)觀念，此方法有如光終端單元要五毛，而光主控終端給一 塊；光主控終端多給光終端單元頻寬的結(jié)果，反而造成頻寬浪費(fèi)，使傳送效能下降。 [OOO5]參考文獻(xiàn)
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的即在于提供一種以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，是提出 一個(gè)以遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(pipeline recurrent neural network, PRNN)組成的管線排程 預(yù)測器，及延伸遞歸最小平方法(extended recursive leastsquares， ERLS)學(xué)習(xí)法則，用 來預(yù)測終端用戶行為與各種封包數(shù)量，由于管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器具有快速收 斂與精準(zhǔn)預(yù)測的特點(diǎn)，非常適合用于預(yù)測以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)光終端單元以附加方 式(pig-tail)回報(bào)的用戶訊務(wù)(late-r印orted traffic)型態(tài)，而應(yīng)用此預(yù)測器，可提高 以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)頻寬使用效率。 本發(fā)明的另一目的即在于提供一種以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法， 是提出一具有預(yù)測式可調(diào)整服務(wù)質(zhì)量(QoS-promoted)的動(dòng)態(tài)頻寬指配法則(Dynamic Bandwidth Allocation)，簡稱PQ-DBA演算法則。本發(fā)明主要改良IEEE 802. 3ah標(biāo)準(zhǔn)制定 的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的上下行傳送法則(Interleaved Polling with Ad即tive Cycle Time, IPACT)，以及其它動(dòng)態(tài)頻寬指配法則在服務(wù)質(zhì)量與預(yù)測用戶行為的弱點(diǎn)，使頻寬使用 率達(dá)到最佳化，而PQ-DBA演算法則在平均封包延遲(average data delay time)與公平性 (Fairness)亦有提升。 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻 寬指配方法，是假設(shè)以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)(請參閱圖l所示，為本發(fā)明的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖)，其光主控終端的下行速率為RE (bps)，用戶至各個(gè)光終端單元的速率為Ru(bps);而光主控終端銜接一個(gè)l:M分光器(splitter)至M個(gè)光終端單元，分別編號(hào)為 0N仏至0NUM，光主控終端將下行封包廣播至M個(gè)光終端單元，各個(gè)光終端單元依據(jù)其邏輯鏈 路識(shí)別碼(LogicLink Identifier, LLID)接收屬于自己的封包，而丟棄其它不符光終端單 元邏輯鏈路識(shí)別碼的封包；當(dāng)進(jìn)行上行傳送時(shí)，由光主控終端以多點(diǎn)控制規(guī)約(Multipoint Control Protocol, MPCP)方式送出允許指令(Grant MPCPDU)給各個(gè)光終端單元，光終端 單元?jiǎng)t依據(jù)該允許封包信息所給定的頻寬與光信號(hào)起止時(shí)間，來傳送各光終端單元的上行 數(shù)據(jù)； 各光終端單元并在其上行數(shù)據(jù)封包的最后一欄附加上響應(yīng)指令(REPORTMPCPDU)，
一方面響應(yīng)通知光主控終端，一方面告知光主控終端該光終端單元所剩余尚未傳送的封包
數(shù)量，以便向光主控終端請求下一次允許指令(GrantMPCPDU)的給定頻寬。 光終端單元ON"接收來自于客戶端的三種服務(wù)封包(語音，視訊，數(shù)據(jù))，分別存
放于三個(gè)隊(duì)列(分別標(biāo)志為Q。,i， Qu， Q2,i， 1《i《M)，而儲(chǔ)存于隊(duì)列中的封包數(shù)值則記錄
于L。,i，ki，L2,i，1《i《M; 本發(fā)明另增加三組服務(wù)質(zhì)量觀測參數(shù) (1)視訊封包時(shí)間延遲門坎(Td*) (2)視訊封包丟棄機(jī)率門坎(Pd*)、 (3)數(shù)據(jù)封包等待時(shí)間門坎CC)，將紀(jì)錄于隊(duì)列Q。,i，Qu，Q2,i，1《i《M內(nèi)、在下 一個(gè)輪詢時(shí)間內(nèi)必須被傳送(否則會(huì)因超過服務(wù)質(zhì)量參數(shù)門坎值而被丟棄)的封包數(shù)目， 依序計(jì)算并記錄于Ldp,i，Ld,i，l^,i，1《i《M; 另外光主控終端則依據(jù)各光終端單元的響應(yīng)指令(REPORT MPCPDU)所送來六種封 包數(shù)值(L。,i， Ldp,i， Ld,i， Lw,i， L^， L2,》計(jì)算，加計(jì)管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的參考 數(shù)值，再以PQ-DBA演算法則分配每個(gè)光終端單元ON"所能傳送的封包數(shù)量；而光終端單元 的封包控制模塊(packet controller)將來自于用戶終端的封包分別放到對應(yīng)的隊(duì)列中， 同時(shí)會(huì)丟棄已超過隊(duì)列容量的封包；但在本發(fā)明的PQ-DBA演算法則中，儲(chǔ)存于隊(duì)列中的封 包若超過時(shí)間延遲門坎(Td*)時(shí)也會(huì)被丟棄(意即封包未在T/時(shí)間內(nèi)被傳送出去)。
光終端單元的隊(duì)列管理器(queue manager)則是管控光主控終端_光終端單元 間的封包送收，以及負(fù)責(zé)傳送各個(gè)光終端單元的響應(yīng)指令(REPORT MPCPDU)訊息與隊(duì)列狀 態(tài)，各個(gè)光終端單元的隊(duì)列狀態(tài)主要是顯示并告知光主控終端其各種服務(wù)封包量的儲(chǔ)存情 形(以Byte為單位)；另外因時(shí)間分割多重接取法則(TDMA)與可調(diào)插入式輪詢時(shí)間法則 (IPACT)會(huì)產(chǎn)生以下的盲點(diǎn)當(dāng)光終端單元在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)已送完所有資料，該光終端單元 用響應(yīng)指令(REPORT MPCPDU = 0)響應(yīng)至光主控終端，于是在下一個(gè)輪詢時(shí)間中該光終端 單元將無頻寬可用(光主控終端會(huì)給該光終端單元的給定頻寬Grant = 0);而經(jīng)過某些時(shí) 間，假設(shè)該光終端單元又有封包產(chǎn)生，需要傳送時(shí)，但是此刻的輪詢時(shí)間里該光終端單元并 無頻寬可用(因?yàn)橄惹暗捻憫?yīng)指令REPORT MPCPDU的隊(duì)列封包值為0)，只能重新向光主控 終端要求頻寬，因此該光終端單元的用戶數(shù)據(jù)封包必須等待至少2 3個(gè)輪詢時(shí)間才能被 傳送出去。 上述光主控終端與光終端單元間使用允許指令_響應(yīng)指令作溝通，會(huì)有2 3個(gè) 輪詢時(shí)間的落差，但這段時(shí)間光終端單元的終端用戶仍持續(xù)送資料。因此本發(fā)明應(yīng)用管線 排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器來預(yù)估每一次輪詢時(shí)間內(nèi)光終端單元的用戶所送出來的各種封包速率，并依此預(yù)估速率乘以輪詢時(shí)間來推估各式服務(wù)的新增封包數(shù)量(記錄于L。, i， ki， L2,i， Ldp,i， Ld,i， L^)，作為光主控終端分配光終端單元頻寬的參考，進(jìn)而提高以太被動(dòng) 式光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用效率。 最后光主控終端會(huì)依ON"的順序，依序預(yù)測個(gè)別O叫在每次輪詢時(shí)間內(nèi)所新增的 封包速率與數(shù)目，再依PQ-DBA演算法則分配ON"所需的頻寬。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明可準(zhǔn)確預(yù)估各種等級(jí)服務(wù)的訊務(wù)，在特定時(shí)間內(nèi)( 一次輪詢時(shí)間)所來
到的封包數(shù)，提供給光主控終端作為分配各個(gè)光終端單元的頻寬參考。 2.由于PRNN/ERLS預(yù)測器具有快速收斂與精準(zhǔn)預(yù)測的特點(diǎn)，非常適合用于預(yù)測
以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)光終端單元以附加方式(Pig-tail)回報(bào)的后期用戶訊務(wù)
(late-r印orted traffic)型態(tài)；應(yīng)用此管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器，可預(yù)測出更接
近正確且實(shí)際的終端用戶行為與各種封包數(shù)量，使光主控終端與光終端單元間的傳送效能
提高，同時(shí)降低光終端單元的封包流失率(packet loss rate)，進(jìn)而可提高以太被動(dòng)式光
纖網(wǎng)絡(luò)的頻寬使用效率。 3.本發(fā)明具有較佳的服務(wù)質(zhì)量，因PQ-DBA算法針對光終端單元的各種優(yōu)先等級(jí) 訊務(wù)封包可建立更佳的訊務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障，且PQ-DBA演算法則針對光終端單元的各種優(yōu) 先等級(jí)(priority)訊務(wù)封包，另設(shè)計(jì)服務(wù)質(zhì)量觀測參數(shù)門坎，來確實(shí)保障各種服務(wù)(語音、 視訊、數(shù)據(jù))質(zhì)量。 4.本發(fā)明可動(dòng)態(tài)升級(jí)用戶訊務(wù)等級(jí)，是依據(jù)視訊封包時(shí)間延遲門坎(T/)、視訊封 包丟棄機(jī)率門坎(P/)、數(shù)據(jù)封包等待時(shí)間門坎CC)等三個(gè)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)設(shè)計(jì)，將原本較低 優(yōu)先權(quán)等級(jí)、在下一個(gè)輪詢時(shí)間內(nèi)必須被傳送(否則會(huì)因超過服務(wù)質(zhì)量參數(shù)門坎值而被丟 棄)的封包，先行提升其優(yōu)先權(quán)至較高等級(jí)，使光終端單元該類封包在下一次傳遞過程中， 更優(yōu)先被傳送掉，進(jìn)而提升服務(wù)質(zhì)量。 5.本發(fā)明的PRNN/ERLS預(yù)測器可解決時(shí)間分割多重接取(TDMA)與可調(diào)插入式輪 詢時(shí)間(IPACT)方法的盲點(diǎn)，因光終端單元的用戶數(shù)據(jù)封包(最糟時(shí))必須等待至少2 3個(gè)輪詢時(shí)間才能被傳送出去。


圖1為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)架構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的光主控終端與光終端 單元上下行溝通示意圖； 圖3為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的管線排程遞歸式類神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器架構(gòu)； 圖4為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 塊功能架構(gòu)；以及 圖5為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的演算法則(PQ-DBA)流 程圖。 附圖標(biāo)記說明1、光主控終端，11、管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，2、分光器，3、數(shù)個(gè)
8光終端單元，31、隊(duì)列管理器，321、語音服務(wù)封包隊(duì)列，322、視訊服務(wù)封包隊(duì)列，323、數(shù)據(jù)服 務(wù)封包隊(duì)列，33 、封包控制器，4、數(shù)個(gè)客戶端。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例 請參閱圖l，為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的以太被動(dòng)式光 纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖，其中包含有 光主控終端l，是與分光器2相介接，通過分光器2將下行封包廣播至數(shù)個(gè)光終端 單元3，另外該光主控終端1中具有管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11，以給定頻寬分配允許指 令； 分光器2，是與光主控終端1及數(shù)個(gè)光終端單元3相介接，是一個(gè)單點(diǎn)對多點(diǎn)的分 光器(splitter); 數(shù)個(gè)光終端單元3，是與分光器2及數(shù)個(gè)客戶端4相介接，各個(gè)光終端單元依據(jù)其 邏輯鏈路識(shí)別碼(Logic Link Identifier, LLID)接收屬于自己的封包，而丟棄其它不符光 終端單元邏輯鏈路識(shí)別碼的封包；而光終端單元包含了隊(duì)列管理器31、語音服務(wù)封包隊(duì)列 321、視訊服務(wù)封包隊(duì)列322、數(shù)據(jù)服務(wù)封包隊(duì)列323及封包控制器33，另外該數(shù)個(gè)光終端單 元3會(huì)在上行數(shù)據(jù)封包的最后一欄附加上響應(yīng)指令(REPORT MPCPDU)， 一方面響應(yīng)通知光 主控終端l，一方面告知光主控終端1該數(shù)個(gè)光終端單元3所剩余尚未傳送的封包數(shù)量，以 便向光主控終端1請求下一次允許指令(Grant MPCPDU)的給定頻寬；
數(shù)個(gè)客戶端4，與數(shù)個(gè)光終端單元3相介接，因光主控終端1與數(shù)個(gè)光終端單元3 間使用允許指令_響應(yīng)指令作溝通，其中會(huì)有2 3個(gè)輪詢時(shí)間的落差，但這段時(shí)間光終端 單元的數(shù)個(gè)客戶端4仍持續(xù)送資料； 本發(fā)明的光主控終端1以遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(pipeline recurrent neuralnetwork， PRNN)組成的管線排程預(yù)測器及動(dòng)態(tài)頻寬指配法則(PQ-DBA)，且本發(fā)明的 管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器具有計(jì)算復(fù)雜度、快速收斂時(shí)間、適于預(yù)測非線性與非 穩(wěn)定(nonlinear and non-stationary)信號(hào)，如要預(yù)測0NUi第(N+l)個(gè)輪詢時(shí)間的新增
封包速率Xm,i(n + l)，則以該光終端單元先前p個(gè)封包速率、,i(n)， 、,i(n-l)，……，入m, i(n-p+l)為輸入?yún)⒖贾?，再?jīng)由運(yùn)算，即可得到InM(n + l)的預(yù)估值；因此本發(fā)明應(yīng)用管線 排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器來預(yù)估每一次輪詢時(shí)間內(nèi)光終端單元的用戶所送出來的各 種封包速率，并依此預(yù)估速率乘以輪詢時(shí)間來推估各式服務(wù)的新增封包數(shù)量(記錄于L。, i， ki， L2,i， Ldp,i， Ld,i， L^)，作為光主控終端1分配數(shù)個(gè)光終端單元3頻寬的參考，進(jìn)而提高 以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用效率。 請參閱圖2，為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的光主控終端與 光終端單元上下行溝通示意圖，由圖中可知，光主控終端與光終端單元上下行傳送溝通方 式是當(dāng)光主控終端目前在第(n-l)個(gè)輪詢時(shí)間(Ti(n-1))，起始于圖2的T1時(shí)間點(diǎn))，光 主控終端已接收到0NUi的所有隊(duì)列信息(Lm,i(n-l)，其中m二 {0， 1， 2} ， 1《i《M，及Ldp, i (n-l) 、 Ld, i (n-l) 、 Lw,i (n-l))，而光主控終端使用本發(fā)明的管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測 器預(yù)估ON"在1\ (n-l)時(shí)間內(nèi)所新增的封包數(shù)目，作為PQ-DBA演算法則分配給ON"的頻
9寬(Gm,i(n))依據(jù)；而光主控終端會(huì)依據(jù)先前已知的信息，計(jì)算實(shí)際ONUi于第(n-1)次輪詢 時(shí)間的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，隊(duì)列Qm,i的新到封包數(shù)為 1.高訊務(wù)時(shí)(High Loading):當(dāng)Lm,i(n-l) > 0時(shí)，表示預(yù)測值少于實(shí)際新到封包 數(shù)值A(chǔ)m,i(n-l)，或是最大給定頻寬仍不足以供應(yīng)ON"原有的Lm,i(n-2)要求的頻寬，則隊(duì)列 Qm, i于1 (n-1)時(shí)間內(nèi)的新到封包數(shù)為gm, ,(n -1) = Gm, i(n -1) - Lm, i(n - 2) + Lm, ,(n -1) ~ A, <n -1)=義m, ,(n -1) * 7!(n -1)
2.低訊務(wù)時(shí)(Low Loading):當(dāng)Lm, i (n_l) = 0時(shí)，表示預(yù)測值可能高于實(shí)際新到 封包數(shù)值A(chǔ)m, i (n-1)，此時(shí)無法得知真正的實(shí)際新到封包數(shù)值，因此選用與之前的已知實(shí)際 新到封包數(shù)值作平均；
n-1
^,'(n-2) + ZA叫,(n陽k)
gm,,(n-l) =-^--AM(n-l^義m.,(n-l廣7Xn-l)
n-2 因此可知，入m, i (n-1) = Am, i (n-1) (n_l)。 3.第n-1個(gè)輪詢時(shí)間內(nèi)新增封包數(shù)目預(yù)測為^n,i(n-1) = i m,《n-1)*7Xn-1)，由圖2
中可知，Gm,,(")=["《"-1) + Sm, i(n - 1)] [",(" _ 1) +爿m, ,(n -1)]。 為了使Lm, i(n)最小化(頻寬使用率最大化)，除了光主控終端所分配的頻寬Gm, i(n)需滿足原本Q^隊(duì)列內(nèi)Lm,i(n-l)的封包需求外，另需提供給1\ (n_l)時(shí)間內(nèi)所新增的 封包數(shù)目(Am,i(n-l));所以預(yù)測得愈準(zhǔn)，Lm,i(n)會(huì)愈趨近于O，但此時(shí)尚未知(n)的值， 所以只能由第(n-1)輪詢狀態(tài)以前所得到的信息，如A d (n-2) 、 A d (n-3) 、 A ^ (n-4)...， 來推估第(n-1)次輪詢時(shí)間Ti(n-l)內(nèi)的新增封包速率I^(n-l)。 請參閱圖3，為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的管線排程 遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器架構(gòu)，由圖中可知，該結(jié)構(gòu)屬于非線性預(yù)測模型(nonlinear autogressive-moving average, NA薩)，其中包含了 r個(gè)處理階層，而每一階層有一個(gè)遞歸 式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(recurrent neural network module, RNN)模i央及一個(gè)比較器；其中除了第 一個(gè)遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的第一個(gè)輸出端(yu(n))為真正管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 預(yù)測器的輸出端口外，個(gè)別遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端(y^(n) ，2《i《r)均連接至 下一個(gè)階層的遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，而遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的其它N-1個(gè)輸出端(yi, 2(n) yi,N(n))則全部回授至原遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)；另外第r個(gè)遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模塊的輸出端(y^(n))也回授至原遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊。 請參閱圖4，為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的遞歸式類神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模塊功能架構(gòu)，其中每一個(gè)類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊包含有N個(gè)神經(jīng)元(Vl vN) 、 p個(gè)外部輸 入埠、N個(gè)回授輸入埠與一個(gè)偏壓輸入埠組成；其中該外部輸入源為已知以前歷次的實(shí)際 新到封包速率入p(k)，n-p+l《k《n;回授輸入源包括N-l個(gè)自我回授(圖4的yu(n) yi,N(n))與前一階類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端口 (圖3的y^(n) (n))，而偏壓輸入值設(shè) 為常數(shù)1 ;因每個(gè)遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊為整體r個(gè)階層管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測 器的一個(gè)子預(yù)測器，因此每個(gè)子預(yù)測器會(huì)有一誤差值，定義為ei(n) = A (n-i+l)-y^(n)， 1《i《r ; 這個(gè)誤差值可作為每個(gè)類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)，加權(quán)影響度的更新之用；本發(fā)明使 用延伸遞歸最小平方法作為管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的學(xué)習(xí)法則(learning
10algorithm)，用來作為加權(quán)影響度Wij的更新之用；另外為了降低預(yù)測系統(tǒng)的復(fù)雜度，本 發(fā)明的所有遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊均配置一樣的加權(quán)影響度數(shù)組[W](syn即tic weight matrix)，因此，整體管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的誤差必須加總來作為加權(quán)影響 度的調(diào)整；而E(n)定義是所有管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的子預(yù)測器的誤差和
￡(") = Z o '-'*e,2(")， anG (O，l]，而Qn是遺忘因子(exponential forgettingfactor)， ' =i
介于0與1之間，由于延伸遞歸最小平方法采用現(xiàn)時(shí)與先前(r-1)個(gè)誤差值作為預(yù)測的判 斷基準(zhǔn)，因此能得到較好的預(yù)測值；有了預(yù)測器產(chǎn)生Ti(n)時(shí)間內(nèi)新增封包的速率預(yù)測值
乙(n)，即可使用此乙(n)值，計(jì)算預(yù)估Ti(n)輪詢時(shí)間內(nèi)新增的封包數(shù)量值;L,(n)，也就是 ^,,0) = L"(n)xTi(n);由于可調(diào)插入式輪詢時(shí)間法則對于光終端單元的用戶無法提供優(yōu) 先權(quán)機(jī)制，解決服務(wù)質(zhì)量需求，亦即語音與視訊封包的實(shí)時(shí)性要求較高，對網(wǎng)絡(luò)的延遲較敏 感；而數(shù)據(jù)封包的等待時(shí)間過長易會(huì)有饑餓(starvation)困擾； 因此本發(fā)明另提出預(yù)測式可調(diào)整升級(jí)服務(wù)質(zhì)量的PQ-DBA演算法則動(dòng)態(tài)頻寬指配 演算方法，除使頻寬使用率達(dá)到最佳化設(shè)計(jì)外，亦能滿足封包的服務(wù)質(zhì)量要求，其實(shí)施方式 為 第一個(gè)步驟是用戶訊務(wù)的優(yōu)先權(quán)等級(jí)區(qū)分與服務(wù)質(zhì)量參數(shù)設(shè)計(jì)，是在PQ-DBA演 算法則里，將用戶訊務(wù)分成六種優(yōu)先權(quán)設(shè)計(jì)
1)最高優(yōu)先權(quán)語音封包(Q。,i); 2)第二優(yōu)先權(quán)面臨機(jī)率丟棄問題的視訊封包(Ldp,i);
3)第三優(yōu)先權(quán)面臨延遲問題的視訊封包(Ld,i);
4)第四優(yōu)先權(quán)面臨延遲問題的數(shù)據(jù)封包(Lw，》；
5)第五優(yōu)先權(quán)一般視訊封包(Qw);
6)最低優(yōu)先權(quán)一般數(shù)據(jù)封包(Q2,》。 由于語音服務(wù)及視訊服務(wù)為實(shí)時(shí)性的服務(wù)，對時(shí)間延遲較敏感，因此本發(fā)明設(shè)計(jì) 了三個(gè)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，以提升其訊務(wù)等級(jí) 1)視訊封包時(shí)間延遲門坎(Td*):記錄于參數(shù)Ldp,i，表示哪些在下一次輪詢時(shí)間若 未被傳送掉則會(huì)被丟棄的視訊封包數(shù)量(因?yàn)樵谙乱淮屋喸儠r(shí)間的終點(diǎn)時(shí)刻，這些視訊封 包的時(shí)間延遲已超過門坎值Td*)。 2)視訊封包丟棄機(jī)率門坎(Pd*):在維持視訊服務(wù)質(zhì)量情形下，所能容忍的視訊封 包丟棄機(jī)率，記錄于參數(shù)Ld,i，代表為了維持視訊封包的丟棄機(jī)率Pd*要求，哪些在下一次輪 詢時(shí)間必須被傳送掉的視訊封包數(shù)量(否則在下一次輪詢時(shí)間的終點(diǎn)時(shí)刻，這些視訊封包 的時(shí)間延遲已超過門坎值T/，而啟動(dòng)P/比率的隨機(jī)封包丟棄)；但隨機(jī)丟棄封包的機(jī)率值 不能太高，否則會(huì)因丟棄太多封包而影響視訊服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，讓用戶無法接受。
3)數(shù)據(jù)封包等待時(shí)間門坎CC):記錄于參數(shù)ki，代表已超過等待時(shí)間門坎 CC)的數(shù)據(jù)封包數(shù)量(以避免數(shù)據(jù)封包超過等待時(shí)間上限，而進(jìn)入饑餓狀態(tài)(starvation mode)，進(jìn)而啟動(dòng)隨機(jī)丟棄(Random Early Drop, RED)等機(jī)制)。 而第二個(gè)步驟則是PQ-DBA演算法則的頻寬設(shè)計(jì)，是在光主控終端的PQ-DBA演算 法則會(huì)針對ON"所填報(bào)的各種優(yōu)先等級(jí)的用戶封包信息，由高優(yōu)先等級(jí)至低優(yōu)先等級(jí)依序 分配其傳輸頻寬，直到所有頻寬用完為止。
請參閱圖5，為本發(fā)明以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法的演算法則 (PQ-DBA)流程圖，其中光終端單元(ONUi，l《i《M)，分別將L。,i、Ldp，i、Ld,i、L^、LLi、L2,i及 1《i《M，送至光主控終端，而光主控終端則依據(jù)各光終端單元ONUi的響應(yīng)指令(REPORT MPCPDU)所送來六種封包數(shù)值(L。,i、Ldp,i、Ld,i、L^、Lw、L2,i)計(jì)算，加上管線排程遞歸式類 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的預(yù)測值，再以允許指令(Grant MPCPDU)將分配的頻寬值G。,i， 、G^及G2, i，傳給光終端單元(ON", 1《i《M)，并假設(shè)每個(gè)ON"的總頻寬為B，其步驟為
步驟一 依據(jù)光終端單元ON"的L。,i回報(bào)值來設(shè)計(jì)，加上預(yù)測值后，優(yōu)先分配給語 音服務(wù)頻寬(G， o,i); 步驟二 依據(jù)光終端單元ON"的Ld,i與Ldp,i回報(bào)值，加上預(yù)測值后，并扣除語音服 務(wù)頻寬后的剩余頻寬B-ZG'。,'，再分配給第二與第三優(yōu)先服務(wù)質(zhì)量的視訊服務(wù)頻寬(G' l 步驟三依據(jù)光終端單元ONUi的l^,i回報(bào)值加上預(yù)測值后，與所剩余的頻寬 B-Z[G'o，' + G'L']，分配給第四優(yōu)先服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)頻寬(G'2,i);
步驟四依據(jù)光終端單元ON"的隊(duì)列Qia所剩余的封包數(shù)量ki-Ld,i，加上預(yù)測值 后，及剩余頻寬B-Z[G'(M + Gu + G'v]，分配給第五優(yōu)先的一般視訊服務(wù)頻寬(G"Li);
,=1 步驟五依據(jù)光終端單元ON"的隊(duì)列Q2a所剩余的封包數(shù)量ki-L^，加上預(yù)測值 后，及剩余頻寬B-Z[G'o，' + Gu + G'2，' + cA']，分配給最低優(yōu)先的數(shù)據(jù)服務(wù)頻寬(G"2i); 步驟六殘留頻寬分配，若所有光終端單元ON"所要求的頻寬與預(yù)測頻寬均能提 供且仍有殘留頻寬，也就是8-1[&0,, + "1,' + (7'2.' + "'1,'' + 0 2，']〉0，因此L。,i，Lu比例再分
!=1
給各光終端單元ONUi的語音服務(wù)(G"。,i)與視訊服務(wù)(G"' u); 步驟七送出允許指令(Grant MPCPDU)(語音)，真正由光主控終端送至ON"的分 配頻寬值G。, i (語音)、i (視訊)、G2, i (數(shù)據(jù))，為先前六個(gè)步驟的個(gè)別和
G。,i = G o,i +G 2".
Gi i = G i,i +G i,i +G
G2i=G'2,i+G2，i. 上列詳細(xì)說明是針對本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā) 明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
一種以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于包括1)利用具管線排程遞歸式的類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器及延伸遞歸最小平方學(xué)習(xí)法則來預(yù)測終端用戶行為與各種封包數(shù)量；2)利用預(yù)測式可升級(jí)調(diào)整服務(wù)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)頻寬指配法則，使頻寬使用率達(dá)到最佳化。
2. 如權(quán)利要求1所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述 以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)包含有光主控終端，與分光器相介接，通過分光器將下行封包廣播至數(shù)個(gè)光終端單元，另外該 光主控終端中具有管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以給定頻寬分配允許指令；分光器，與光主控終端及數(shù)個(gè)光終端單元相介接，是一個(gè)單點(diǎn)對多點(diǎn)的分光器；數(shù)個(gè)光終端單元，與分光器及數(shù)個(gè)客戶端相介接，各個(gè)光終端單元依據(jù)其邏輯鏈路識(shí) 別碼接收屬于自己的封包，而丟棄其它不符光終端單元邏輯鏈路識(shí)別碼的封包；數(shù)個(gè)客戶端，與數(shù)個(gè)光終端單元相介接，因光主控終端與數(shù)個(gè)光終端單元間使用允許 指令_響應(yīng)指令作溝通，其中會(huì)有2 3個(gè)輪詢時(shí)間的落差，但這段時(shí)間光終端單元的數(shù)個(gè) 客戶端仍持續(xù)送資料。
3. 如權(quán)利要求1所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述 光終端單元包含了隊(duì)列管理器、語音服務(wù)封包隊(duì)列、視訊服務(wù)封包隊(duì)列、數(shù)據(jù)服務(wù)封包隊(duì)列 及封包控制器。
4. 如權(quán)利要求1所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述 管線排程遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器包含有r個(gè)處理階層，而每一階層有一個(gè)遞歸式類神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模塊及一個(gè)比較器。
5. 如權(quán)利要求4所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所 述處理階層的第一個(gè)遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的第一個(gè)輸出端(yu(n))為真正管線排程 遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的輸出端口外，個(gè)別遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端(y^(n)， 2《i《r)均連接至下一個(gè)階層的遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，而遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的其 它N-1個(gè)輸出端(yi,2(n) yi,N(n))則全部回授至原遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)；另外第r 個(gè)遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端(y^(n))也回授至原遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊。
6. 如權(quán)利要求4所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述 遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊包含有N個(gè)神經(jīng)元(Vl Vw)、p個(gè)外部輸入埠、N個(gè)回授輸入埠與一 個(gè)偏壓輸入埠組成。
7. 如權(quán)利要求4所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述 外部輸入源為已知以前歷次的實(shí)際新到封包速率A p(k) ， n-p+l《k《n，而回授輸入源包 括N-1個(gè)自我回授(yi,2(n) y^(n))與前一階類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出端口 (ym(n) y2, i (n))，另外其偏壓輸入值設(shè)為常數(shù)1 。
8. 如權(quán)利要求4所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊均配置一樣的加權(quán)影響度數(shù)組，以作為整體管線排程遞歸式類神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的誤差的加權(quán)影響度的調(diào)整。
9. 如權(quán)利要求1所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述 延伸遞歸最小平方學(xué)習(xí)法則采用現(xiàn)時(shí)與先前r-l個(gè)誤差值作為預(yù)測的判斷基準(zhǔn)，以作為加 權(quán)影響度Wij的更新之用。
10. 如權(quán)利要求1所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述 動(dòng)態(tài)頻寬指配法則包括1) 用戶訊務(wù)的優(yōu)先權(quán)等級(jí)區(qū)分與服務(wù)質(zhì)量參數(shù)設(shè)計(jì)；2) 演算法則的頻寬設(shè)計(jì)。
11. 如權(quán)利要求10所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所 述用戶訊務(wù)的優(yōu)先權(quán)等級(jí)的設(shè)計(jì)方法包含1) 最高優(yōu)先權(quán)語音封包Q。,i ;2) 第二優(yōu)先權(quán)面臨機(jī)率丟棄問題的視訊封包Ldp,i ;3) 第三優(yōu)先權(quán)面臨延遲問題的視訊封包Ld,i ;4) 第四優(yōu)先權(quán)面臨延遲問題的數(shù)據(jù)封包Lwa ;5) 第五優(yōu)先權(quán)一般視訊封包Qla ;6) 最低優(yōu)先權(quán)一般數(shù)據(jù)封包Q2,i。
12. 如權(quán)利要求IO所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所 述服務(wù)質(zhì)量參數(shù)設(shè)計(jì)包含了視訊封包時(shí)間延遲門坎、視訊封包丟棄機(jī)率門坎及數(shù)據(jù)封包等 待時(shí)間門坎。
13. 如權(quán)利要求IO所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所 述演算法則為光主控終端針對所填報(bào)的各種優(yōu)先等級(jí)的用戶封包信息，由高優(yōu)先等級(jí)至低 優(yōu)先等級(jí)依序分配其傳輸頻寬，直到所有頻寬用完為止。
14. 如權(quán)利要求10所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所 述演算法則的步驟為1) 步驟一 依據(jù)光終端單元儲(chǔ)存于隊(duì)列中的封包數(shù)值L。,i回報(bào)值來設(shè)計(jì)，優(yōu)先分配給 語音服務(wù)頻寬G' 。,i ;2) 步驟二 依據(jù)光終端單元的面臨機(jī)率丟棄問題的視訊封包Ldp,i與面臨延遲問題的視 訊封包Ld,i回報(bào)值，及扣除步驟一分配的語音服務(wù)頻寬后的剩余頻寬，分配給第二與第三優(yōu) 先服務(wù)質(zhì)量的視訊服務(wù)頻寬G' Li ;3) 步驟三依據(jù)光終端單元的面臨延遲問題的數(shù)據(jù)封包L^回報(bào)值與步驟二分配后所 剩余的頻寬，分配給第四優(yōu)先服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)頻寬G' 2a ;4) 步驟四依據(jù)光終端單元的隊(duì)列一般視訊封包QLi所剩余的封包數(shù)量ki-Ld,i，及步 驟三分配后剩余頻寬，分配給第五優(yōu)先的一般視訊服務(wù)頻寬;5) 步驟五依據(jù)光終端單元的隊(duì)列一般數(shù)據(jù)封包Q2,i所剩余的封包數(shù)量ki-L^，及步 驟四分配后剩余頻寬，分配給最低優(yōu)先的數(shù)據(jù)服務(wù)頻寬G"2a ;6) 步驟六殘留頻寬分配，若所有光終端單元所要求的頻寬與預(yù)測頻寬均能提供且仍有殘留頻寬，則依封包數(shù)值L。a及比例再分給各光終端單元的語音服務(wù)G"。,i與視訊服 務(wù)G"，7) 步驟七送出允許指令，由光主控終端送至光終端單元的分配頻寬值，為先前六個(gè)步驟的個(gè)別和。
15. 如權(quán)利要求14所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述分配頻寬值為G。, i、i及G2, i，為先前六個(gè)步驟的個(gè)別和。
16. 如權(quán)利要求15所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所述G。,「G' 0,i+G" 2,i。
17. 如權(quán)利要求15所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所 述&,「G' w+G" w+G" ' w。
18. 如權(quán)利要求15所述的以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，其特征在于所 述Gu = G' 2,i+G〃 2,i。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以太被動(dòng)式光纖網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)頻寬指配方法，包括預(yù)測器與可升級(jí)調(diào)整服務(wù)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)頻寬指配法則(PQ-DBA演算法則)；而預(yù)測器主要是應(yīng)用一個(gè)以遞歸式類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的管線排程預(yù)測器，及延伸遞歸最小平方法學(xué)習(xí)法則，用來預(yù)測終端用戶行為與各種服務(wù)的封包數(shù)量；本發(fā)明將原本光終端單元依據(jù)光主控終端所分配的頻寬、以及由高優(yōu)先等級(jí)至低優(yōu)先等級(jí)傳送的用戶封包，建立更佳的服務(wù)質(zhì)量訊務(wù)保障。
文檔編號(hào)H04L12/56GK101783762SQ20091000273
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月16日
發(fā)明者吳星毅, 張仲儒, 彭正文 申請人:中華電信股份有限公司