In this thesis, we suggest the hybrid bandwidth allocation algorithm to support multiple bandwidth allocation algorithms for upstream channel access in Ethernet PON. We can see that the network master provides subscribers' required differentiated services with different bandwidth allocation schemes in Ethernet PON by applying the proposed hybrid bandwidth allocation algorithm. The proposed scheduling algorithm allows us the simultaneous approach of multiple access control schemes, i.e. SBA (Static Bandwidth Allocation) for the time- sensitive, constant bit rate transmission services and DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) for the best-effort services. We separate the process of grant transmission start time decision from the process of grant generation in order to reduce the complexity of the various scheduling modules. This scheduling technique does not require timing related information of other bandwidth allocation modules, and thus respective modules are free from heavy amount of information, complex processing and convergence delay due to the multiplexing between modules. Especially for best-effort services, we design priority-based ONU model to differentiate the real-time video and voice service from other best-effort services.
We design the model of the proposed hybrid bandwidth allocation algorithm using the OPNET simulator, and we can obtain the various simulation results according to the respective performance parameters. When we compare the simulation results in respect of throughput and channel utilization, the hybrid bandwidth allocation algorithm shows the similar results to the existing bandwidth allocation schemes at the non-busy network condition, but at the busy network condition, the proposed algorithm shows the lower throughput and utilization than the existing algorithms by about 10%. When we compare the queuing delay results, the proposed hybrid bandwidth allocation algorithm represents about 1 ms in respect of SBA and 0.1ms in respect of DBA until the offered load is 0.8. Moreover when we apply priority operation to the ONU process, we can see that the high-priority queuing delay is a half of the low-priority queuing delay and non-priority hybrid scheme's queuing delay is larger than high-priority queuing delay by 1.5 times at the offered load 0.8. As a result, we can see that we can approach multiple access policy simultaneously in Ethernet PON and the proposed hybrid bandwidth allocation algorithm has merits of SBA and DBA algorithm and moreover it keeps the existing schemes' performance characteristics and service characteristics.
본 논문에서는 Ethernet PON의 상향 전송 시 제한된 대역을 효율적으로 이용하고 동시에 서로 다른 특성을 가지는 다양한 트래픽의 성능을 보장해 주기 위한 대역할당 알고리즘을 제안하였다. 상향 데이터 전송 제어를 위한 OLT 기능은 제안된 이중 스케줄링 기법을 이용하여 설계하고, ONU자체의 priority operation을 통하여 best-effort 서비스에 대해서도 차별화 된 서비스를 제공하도록 하였다.
OLT 스케줄러는 전송 지연에 민감한 서비스를 위하여 고정 대역폭 할당 기법 (SBA : Static Bandwidth Allocation)과 전송 지연에 덜 민감한 서비스를 위한 동적 대역 할당 기법 (DBA : Dynamic Bandwidth Allocation)을 혼합하는 방식으로 대역 할당을 수행한다. 전송 지연에 민감한 E1, T1 또는 POTS와 같은 서비스는 OLT 스케줄러의 고정 대역폭 할당 기법에 의하여 생성된 GATE 메시지로 상향 전송 허가를 받고, best-effort 서비스와 같이 지연에 민감하지 않은 트래픽에 대해서는 동적 대역 할당 기법을 이용하여 대역의 효율적 이용을 꾀하였다. 고정 대역폭 할당 기법의 경우 기본적으로 매 Cycle Time마다 ONU 들이 서비스 받을 수 있도록 설계하여, 전송 지연에 민감한 서비스들의 지연 성능을 보장할 수 있도록 하였고, 동적 대역 할당 기법의 경우 ONU 들이 상향 전송할 데이터가 있을 때 REPORT 메시지를 통하여 OLT 에 자신의 전송 큐 상태를 보고하면, OLT 는 자체 대역 할당 알고리즘을 통해 GATE 메시지를 생성하여 ONU 들에게 전달한다. 기본적으로 ONU 는 전송할 데이터를 가지고 있지 않아도, 자신의 큐 상태를 보고할 수 있을 만큼의 최소 대역은 항상 보장 받는다.
본 논문 OLT 스케줄러의 고정 대역폭 할당 기법과 동적 대역 할당 기법의 혼합 모델처럼, 여러 가지 대역 할당 기법을 혼합하여 사용하는 경우에는 서로 다른 대역 할당 모듈들은 자신의 시간 정보는 물론, 다른 대역 할당 모듈의 시간 정보 또한 알고 있어야 하므로, 전체적인 스케줄러의 입장에서 보았을 때, 시간 정보량과 처리 시간이 대역 할당 모듈의 수에 비례하여 증가함을 알 수 있다. 또한, 모듈간 멀티플렉싱 때문에 발생하는 지연도 무시할 수 없다. 혼합 대역 할당 모델의 위와 같은 단점을 극복하기 위하여 본 논문에서는 이중 스케줄링 기법을 도입하였다. 이중 스케줄링 기법이란 GATE 발생과정과 전송 시작 시간 결정 과정을 분리하는 방식으로써, 이를 통해 기존의 혼합 대역 할당 모델의 단점들을 보완할 수 있다. 각 GATE 발생기는 독립적으로 운영되며, 각 발생기에서 만들어진 GATE 메시지들은 각 기능별 큐에 적재되어 있다가 자기 자신의 우선순위에 따라 Grant 스케줄러를 통해 하향 전송 순서가 결정된다. 전송 지연에 민감한 서비스를 수행하는 고정 대역 할당 큐가 최우선 순위로 전송되며 고정 대역 할당을 위한 큐가 비어있는 경우에만 다른 제어 메시지의 전송이 이루어진다. 또한 전송 시작 시간은 Grant 스케줄러 내부의 Time counter 값과 현재까지 스케줄링된 시간 정보 그리고 각 ONU 들의 RTT (round trip time)을 고려하여 결정된다.
한편, ONU 측에서는 priority 정책을 적용하여 best-effort 서비스에 대한 차별화를 시도하였다. Best-effort 서비스들 중에서도 지연에 민감한 실시간 비디오, 또는 음성 서비스를 제공하기 위하여 ONU 가 가지고 있는 dynamic 큐를 확장하여 two-level priority 큐를 형성하였다. 특히 high-priority 큐에는 실시간 비디오 또는 음성 트래픽을 저장하고, low-priority 큐에는 HTTP, FTP, E-mail과 같은 지연에 민감하지 않은 트래픽을 저장하도록 하였다. ONU 에 동적 대역 할당을 위한 GATE 메시지가 도착하면 ONU 는 자신의 priority 정책에 따라 먼저 high-priority 큐에 접속하고, 전송할 데이터가 있으면 계속 high-priority 큐를 접속함으로써 high-priority 큐 내의 데이터에 전송의 우선순위를 부여한다.
제안된 hybrid 대역 할당 알고리즘은 OPNET 을 이용하여 모델링하여 시뮬레이션을 수행하였고, 성능 분석을 위한 비교 파라미터로서 망 처리율 (Throughput), 채널 이용률 (Channel Utilization), 그리고, ONU 의 평균 큐잉 지연을 선택하였다. 제안된 알고리즘은 망 처리율과 채널 이용률 면에서 네트워크 부하가 0.8 미만에서는 기존의 대역 할당 알고리즘과 비슷한 성능을 나타내었으나, 0.8 이상의 네트워크 부하에서는 망 처리율이 0.8이하로 떨어지고, 채널 이용률 또한 80%를 넘지 못하는 성능을 나타내었다. 그리고, 평균 큐잉 지연 성능 면에서는 기존 대역 할당 알고리즘의 성능 특성을 유지하여 SBA part의 지연이 약 1ms, DBA part의 지연이 약 0.1ms인 큐잉 지연을 나타내었다. ONU 에 priority operation을 적용한 경우는 priority를 적용하지 않은 경우와 비교해 보았을 때, 네트워크 부하가 0.8 미만에서는 망 처리율과 채널 이용률 모두 비슷한 성능을 보이다가 네트워크 부하가 0.8 이상이 되면 망 처리율은 0.7까지 떨어지고, 채널 이용률은 80% 이상을 넘지 못하는 결과를 나타내었다. 또한, 지연 변이 통계를 이용하여, 제안된 알고리즘의 DBA part의 CDV 분포가 SBA part의 CDV 분포보다 3배의 폭으로 더 넓게 분포되어 있는 것을 확인함으로써, 기존의 서비스 특성을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 제안된 OLT 이중 스케줄링 기법과 ONU 의 priority 정책을 통하여 Ethernet PON 내에서 다양한 트래픽에 대하여 차별화된 서비스를 제공할 수 있고, 기존의 대역 할당 알고리즘을 동시에 이용할 수 있을 뿐만 아니라 그들이 가지고 있는 성능 특성과 서비스 특성을 유지함을 확인할 수 있었다.
