支持多业务的下一代PON系统带宽调度算法研究

作     者：季晨阳 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毕美华

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：网络共享 带宽调度 深度强化学习 Xhaul网络 多业务共存 

摘      要：随着信息技术的不断发展,下一代PON系统不仅需要提供大带宽,还需满足低延迟和高可靠性等差异化业务的服务需求。其中,基于PON系统承载5G业务是当前接入网主要发展趋势。5G业务种类繁多且服务需求差异性大,对基于PON承载多业务系统的带宽调度算法带来了挑战。此外,下一代PON技术需支持大容量高带宽业务的同时其系统升级带来的成本问题是其研究的一大挑战。多租户共享PON成为该问题的有效解决方案,随之而来的共享系统的带宽调度算法也是该系统中亟待解决的问题。为此,本文针对支持多业务的下一代PON系统带宽调度算法展开如下具体研究如下:(1)概述了下一代PON系统及其带宽调度算法、基于PON系统的多业务共存场景和多租户共享PON系统的研究背景意义;分析了支持多业务的下一代PON系统带宽调度算法的国内外研究现状,得到本文需要解决的问题。(2)对支持多业务共存的下一代PON网络构架进行了概述;其中,详细描述和分析了基于PON承载5G多业务的网络构架——Xhaul中接入数据的高层和低层功能分割选项;并重点分析了5G帧结构及为支持多业务而引入的mini-slot结构,这些为支持多业务的Xhaul系统中的调度算法研究提供了基础;概述了支持多租户共享的下一代PON系统构架,并分析了接入网中带宽资源共享需要满足的三个关键要求。(3)对PON系统中多业务共存带来的差异化服务需求问题,本文在基于PON系统承载5G多业务的Xhaul网络中,建立以最大化业务吞吐量为目标、延迟时间为约束的数学模型,并在此基础上提出了一种用于同时支持5G前传、中传网络共存以及EMBB和URLLC业务共存的联合优化算法。该算法的具体方案为:为延迟最为敏感的URLLC业务在每个mini-slot中预留带宽,保证URLLC业务的低延时;采用动态规划的方法为前传网络中的EMBB业务分配能满足延迟约束的带宽;在此基础上,将剩余的带宽按照先来先服务的方式分配给中传网络的EMBB业务。通过搭建仿真系统,对该算法进行了可行性验证。其仿真结果表明,本文设计的算法在满足各种业务的时延要求的同时能有效提高业务数据总吞吐量。(4)对运营商共享PON网络带来的资源分配问题,本文提出了一种基于深度强化学习(DRL)的多租户共享PON系统带宽调度算法。该算法将多租户PON系统映射到强化学习模型中。其中,DRL中的环境为各个待处理的带宽请求和当前剩余带宽,所做的决策为当前时刻选择处理的带宽请求。DRL代理通过与环境交互,不断更新策略参数直至模型收敛,从而完成优化。通过搭建仿真系统,对该算法进行了可行性验证,仿真结果表明所提的算法可以有效提高带宽资源利用率。