JP4888515B2 - 動的帯域割当装置及び方法とｐｏｎシステムの局側装置 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザ側の終端ノードに対する上り帯域を動的に割り当てる動的帯域割当装置及び方法と、この動的帯域割当装置を用いたＰＯＮ（Passive Optical Network ）システムの局側装置に関する。

局側装置と、これに接続された光ファイバから光カプラを介して複数の光ファイバに分岐した構成を成す光ファイバ網と、分岐した光ファイバの終端にそれぞれ接続された宅側装置とを含むＰＯＮシステムが既に実施されている。
このＰＯＮの局側装置は、上り信号の干渉を防止するため、複数の宅側装置に対して時分割で上り方向の帯域を動的に割り当てている。通信路によって定まっている上り信号の通信帯域は、この時分割の仕方に応じて各宅側装置に対して動的に割り当てられることとなる。

具体的には、局側装置は、各宅側装置から予め上り方向に送出したいデータ量の帯域要求（リクエスト）を受け、それらに割り当てるべき各宅側装置に対する上り帯域を決定して、送信許可帯域の通知（グラント）を行う。
このグラントには、送信開始時刻と送信許可長（時間相当値）とが含まれているので、各宅側装置は、グラントに記された所定時間に所定量のデータを上り方向に送出することができる（例えば、特許文献１及び２参照）。

一方、複数の宅側装置からの帯域要求に対して、どのようにして上り送信の帯域を割り当てるかについては、例えば、１つの宅側装置からリクエストが届き次第、当該宅側装置に対して随時帯域を割り当てていく分散型ＤＢＡ（Dynamic Bandwidth Allocation）と、複数（典型的には全数）の宅側装置からの帯域要求を所定周期で集め、それらの各帯域要求を基に総合的に帯域を割り当てる集中型ＤＢＡとがある。

このうち、上記集中型ＤＢＡでは、１つの上り方向の帯域割当周期（グラント周期）に基づいて、遅延の最大値を定めた低遅延クラスと、その定めのない通常遅延クラスとにサービスクラスを分け、低遅延クラスの帯域割当周期を通常遅延クラスのそれよりも小さく設定することにより、低遅延と帯域の有効活用を両立させている（特許文献２参照）。

特許第３７６８４２１号公報 特許第３７３４７３２号公報

上記ＰＯＮシステムの局側装置は、宅側装置から受信した上りフレームを、サーバ・ネットワークインタフェース（ＳＮＩ：application Server-Network Interface）やネットワーク・ネットワークインタフェース（ＮＮＩ：Network-Network Interface）を通じて上位ネットワークに中継する中継装置として機能している。
しかし、従来のＰＯＮシステムの動的帯域割当では、ＰＯＮ側の受信レート（宅側装置からの上り送信レート）と各宅側装置から帯域要求されたデータ量に基づいて、各宅側装置に対する上り送信の割当量を決定している。

従って、例えば、次の（１）〜（３）のような場合には、上りフレームの中継時において、局側装置の上位側への送信キューにバッファ溢れが生じ、一部の上りフレームが破棄されて上位側に送信されない恐れがある。
（１） 局側装置での中継時に上りフレームにＶＬＡＮタグが付与されることにより、上りフレームのデータ量が増加する場合
（２） 局側装置での中継時に上りフレームをＭＡＣｉｎＭＡＣカプセル化することにより、上りフレームのデータ量が増加する場合
（３） ＰＯＮ側の受信レートよりもＳＮＩ側の送信レートの方が小さい場合

この場合、上りフレームがＶｏＩＰ（Voice over Internet Protocol）や映像等の高優先のフレームである場合には、通話や映像が途切れるなどの弊害が生じ、宅側装置が設定したＱｏＳ（Quality of Service）が阻害されることになる。
一方、上記不都合を解消する方策として、上位側の送信キューに大容量のバッファを採用して、上りフレームのデータ蓄積量を増大する手段が考えられるが、かかる手段では装置の大型化と高コスト化を招来するという欠点がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、バッファ溢れに伴う上りフレームの廃棄を回避して、上りフレームを上位側に確実に中継可能な帯域割当を実行できる動的帯域割当装置等を提供することを目的とする。

〔１〕 本発明の動的帯域割当装置は、複数の終端ノードと双方向通信する中継ノードに設けられ、前記各終端ノードからの帯域要求に基づいて当該各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てる動的帯域割当装置であって、前記終端ノードからの上りフレームの受信レートと、その上りフレームの中継先の送信レートと、中継時に当該上りフレームに生じるデータ量の変化度合いを一定値で表した係数とを、前記終端ノードごとに管理する管理部と、前記受信レート、前記送信レート及び前記係数に基づいて、当該データ量が増加しても前記上りフレームを中継可能となる割当帯域上限を算出する算出部と、算出された前記割当帯域上限の範囲内で前記各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てる割当実行部と、を備えていることを特徴とする。

本発明の動的帯域割当装置によれば、上記算出部が、終端ノードからの上りフレームの受信レートと、その上りフレームの中継先の送信レートと、中継時に上りフレームに生じるデータ量の変化度合いを一定値で表した係数とに基づいて、当該データ量が増加してもその上りフレームを中継可能となる割当帯域上限を算出する。
そして、上記割当実行部が、そのように算出された割当帯域上限の範囲内で各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てるので、中継ノードが上りフレームを上位側に中継する際に、バッファ溢れによって上りフレームが廃棄されることがない。

このため、本発明の動的帯域割当装置によれば、中継ノードの上位側のバッファ容量を増大させなくても、上りフレームを上位側に確実に中継することができ、上り方向の通信品質（ＱｏＳ）を確保する中継ノードを安価に製作することができる。

〔２〕 本発明の動的帯域割当装置において、前記中継ノードの上位側の中継先は単一の場合に限らず、複数であってもよい。
この場合、前記管理部は、複数の前記中継先ごとの前記送信レートをそれぞれ管理しており、前記算出部は、前記受信レート、複数の前記中継先ごとの前記送信レート及び前記係数に基づいて、当該データ量が増加しても前記上りフレームを中継可能となる前記割当帯域上限を複数の前記中継先ごとにそれぞれ算出する。

そして、この場合において、前記割当実行部が、算出された前記中継先ごとの前記割当帯域上限の範囲内で、当該中継先に対する前記各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てるようにすれば、複数の中継先のすべてについて、バッファ溢れによって上りフレームが廃棄されることがなくなる。
このため、複数の中継先のすべてについて、中継ノードの上位側のバッファ容量を増大させなくても、上りフレームを上位側に確実に中継できるようになる。

〔３〕 本発明の動的帯域割当装置において、前記管理部は、中継時に前記上りフレームに生じる前記データ量の増加及び減少の双方を想定して、前記データ量の変化度合いを一定値で表した係数を管理することが好ましい。
この場合、上りフレームのデータ量の増加だけを想定する場合に比べて、割当帯域上限を正確に算出することができる。従って、割当帯域上限が必要以上に絞られるのが防止され、各終端ノードに対する上り送信量を正確に割り当てることができる。

なお、中継時に上りフレームのデータ量が増加する場合とは、前記した通り、上りフレームにＶＬＡＮタグを付与する場合や、上りフレームをＭＡＣｉｎＭＡＣカプセル化する場合が挙げられる。
また、中継時に上りフレームのデータ量が減少する場合としては、例えば、前方誤り訂正（ＦＥＣ：Forward Error Correction）によって符号化された上りフレームに対して、ＦＥＣデコードを施す場合が挙げられる。

〔４〕 本発明の動的帯域割当方法は、上記動的帯域割当装置が実行する方法であり、当該動的帯域割当装置と同様の作用効果を奏する。
すなわち、本発明の動的帯域割当方法は、複数の終端ノードからの帯域要求に基づいて当該各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てる動的帯域割当方法であって、前記終端ノードからの前記上りフレームの受信レートと、その上りフレームの中継先の送信レートと、中継時にその上りフレームに生じるデータ量の変化度合いを一定値で表した係数とに基づいて、当該データ量が増加しても前記上りフレームを中継可能となる割当帯域上限を算出し、算出された前記割当帯域上限の範囲内で前記各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てることを特徴としている。

〔５〕 また、本発明の局側装置は、上記動的帯域割当装置を実装したＰＯＮの中継装置として機能する局側装置であり、当該動的帯域割当装置と同様の作用効果を奏する。
すなわち、本発明の局側装置は、複数の宅側装置との間で受動的光分岐ノードを介して双方向の光通信を行い、前記各宅側装置から受信した上りフレームを上位ネットワークに中継するＰＯＮシステムの局側装置であって、前記管理部と、前記算出部と、前記割当実行部とを備えていることを特徴とする。

以上の通り、本発明よれば、中継ノードが上りフレームを上位側に中継する際に、バッファ溢れによって上りフレームを廃棄することがないので、中継ノードの上位側のバッファ容量を増大させなくても、上りフレームを上位側に確実に中継することができる。
このため、上り方向の通信品質を確保可能な中継ノード（ＰＯＮの局側装置等）を安価に製作することができる。

本発明の実施形態に係るＰＯＮシステムの概略構成図である。 局側装置による上り信号の多重制御機能を示すシーケンス図である。 （ａ）はレポートフレームのフレーム構成図であり、（ｂ）はゲートフレームのフレーム構成図である。 集中型ＤＢＡを示すシーケンス図である。 局側装置の内部構成を示す機能ブロック図である。

〔ＰＯＮシステムの全体構成〕
図１は、本発明の実施形態に係るＰＯＮシステムの概略構成図である。
図１において、局側装置（ＯＬＴ：Optical Line Terminal）１は、上位ネットワークとＰＯＮシステムとの中継ノードであり、複数の宅側装置（ＯＮＵ：Optical Network Unit）２Ａ，２Ｂに対する集約局として通信事業者の中央局等に設置されている。
また、各宅側装置２Ａ，２Ｂは、ＰＯＮシステムの宅側の終端ノードであり、ＰＯＮシステムの加入者宅にそれぞれ設置されている。

局側装置１のＰＯＮ側の伝送路である１本の光ファイバ３（幹線）は、受動的光分岐ノードとしての光カプラ４を介して複数の光ファイバ（支線）５に分岐しており、分岐した各光ファイバ５の終端にそれぞれ宅側装置２Ａ，２Ｂが接続されている。
また、局側装置１の上位側インタフェースは、伝送レートが異なる複数の上位ネットワーク６Ａ，６Ｂと接続可能なマルチポートであり、各宅側装置２Ａ，２Ｂはそれぞれのユーザネットワーク７と接続されている。

なお、以下において、複数の宅側装置２Ａ，２Ｂを総合的に表現する場合は、「宅側装置２」といい、複数の上位ネットワーク６Ａ，６Ｂを総合的に表現する場合は、「上位ネットワーク６」という。
また、図１では３個の宅側装置２が図示されているが、１つの光カプラ４から、例えば３２分岐して３２個の宅側装置２を接続することが可能である。更に、図１では光カプラ４を１個だけ使用しているが、光カプラ４を縦列に複数段設けることにより、より多数の宅側装置２Ａ，２Ｂを局側装置１と接続することができる。

図１の例では、宅側装置２Ａの伝送レートが１０Ｇｂｐｓであり、宅側装置２Ｂの伝送レートが１Ｇｂｐｓになっており、既存の光伝送路においてＧＥ−ＰＯＮと１０Ｇ−ＥＰＯＮとを共存させたシステム構成になっている。
この場合、１Ｇ伝送信号と１０Ｇ伝送信号を多重伝送する必要があるが、この多重伝送の１つとして、下りでは、１０Ｇ伝送信号と１Ｇ伝送信号を別の波長で多重伝送し、上りでは、１Ｇ伝送信号と１０Ｇ伝送信号とが同一波長で時分割多重される。

すなわち、局側装置１と宅側装置２との間の上り方向通信には、１種類の波長λｕのレーザ光が使用され、下り方向通信には、１０Ｇ用の波長λｄ１と１Ｇ用の波長λｄ２の２種類のレーザ光が使用されている。
このように、本実施形態のＰＯＮシステムでは、局側装置１から宅側装置２への下り光信号ＤＯを波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）することで、伝送レートが相違する宅側装置２Ａ，２Ｂを、１つの局側装置１の配下に混在収容したマルチレートＰＯＮシステムになっている。

従って、当該ＰＯＮシステムのメディア（光ファイバ３，５）と局側装置１及び各宅側装置２の送受信器の間には、ＷＤＭフィルタが備えられており、受信すべき波長成分のみがＰＯＮ側受信器に送られ、かつ、ＰＯＮ側送信器が出力する光信号は、ＷＤＭフィルタを介して受信光と波長多重されて光ファイバ３，５に送られる。
また、本実施形態のＰＯＮシステムでは、局側装置１と上位ネットワーク６Ａとの間の伝送レートは１０Ｇｂｐｓであり、局側装置１と上位ネットワーク６Ｂとの間の伝送レートは１Ｇｂｐｓになっている。

〔局側装置の概略構成〕
図１に示すように、局側装置１は、ＰＯＮ送受信部１０と、ＳＮＩ送受信部１１と、これらの通信制御を行う制御部１２とを備えている。
このうち、ＰＯＮ送受信部１０は、Ｅ／Ｏ変換素子を内部に含み、この素子により、宅側装置２に対するデータ送信を時分割多重された下り光信号ＤＯとして光ファイバ３に送出する。この下り光信号ＤＯは、光カプラ３で分岐されて各宅側装置２で受信される。各宅側装置２は、自身宛の下り光信号ＤＯに含まれるデータのみを受信処理する。

また、ＰＯＮ送受信部１０は、Ｏ／Ｅ変換素子を内部に含み、この素子により、各宅側装置２から光ファイバ５に送出された上り光信号ＵＯを受信する。
局側装置１の制御部１２は、各宅側装置２からの上り光信号ＵＯが光カプラ４において合波されて１本の光ファイバ３に伝送される際に、それらが衝突しないように送信タイミングを時分割で多重制御する。
このため、図１に示すように、各宅側装置２が送出した上り光信号ＵＯは、それぞれガードタイムを挟んで時間軸上に配列されたものとなる。なお、この局側装置１による時分割多重制御については後述する。

なお、本実施形態の局側装置１では、上位ネットワーク６Ａ，６Ｂと通信する上位側インタフェースの例としてＳＮＩ送受信部１１を例示しているが、当該上位側インタフェースはＮＮＩ送受信部であってもよい。

〔ＰＯＮシステムの基本的機能〕
本実施形態のＰＯＮシステムでは、局側装置１の制御部１２が行う宅側装置２Ａ，２Ｂに対するメディアアクセス制御は、ＧＥ−ＰＯＮの標準規格（IEEE Std 802.3ah）と１０Ｇ−ＥＰＯＮの標準規格（IEEE Std 802.3ah）に則って行われる。
以下、この局側装置１の制御部１２が実施する、規格上の各種の基本的機能について説明する。

＜ＬＬＩＤによる識別機能＞
ＰＯＮシステムでは、ＭＡＣ（Media Access Control）層と物理層の仲介役を担うＲＳ（Reconciliation Sublayer）があり、局側装置１と宅側装置２の間のイーサネット（イーサネットは登録商標である。以下、同様）フレームを識別するため、このＲＳで規定するプリアンブル（Preamble）の一部に識別子を埋め込んでいる。
すなわち、ＰＯＮシステムでは、同じ下り信号が放送形式ですべての宅側装置２に到達するため、各宅側装置２は、自身が受信したフレームが自分宛かどうかを判断して取捨選択を行う必要がある。

そこで、ＰＯＮシステムでは、この判断をＬＬＩＤ（Logical Link ＩＤ）という識別子を用いて行っている。このＬＬＩＤは、イーサネットフレームのプリアンブルに収容されている。
なお、ＬＬＩＤの値は、宅側装置２の登録時（ディスカバリについては後述する。）に局側装置１が決定し、局側装置１の制御部１２は、自身の配下の宅側装置２でＬＬＩＤの重複が起こらないように管理している。

ここで、下り方向通信（ＯＬＴからＯＮＵ方向への通信）では、局側装置１の制御部１２は、送信フレームごとにどの宅側装置２に送信するかを判別し、その宅側装置２用のＬＬＩＤを送信フレームに埋め込んで宅側装置２に送出する。
宅側装置２は、受信フレームのＬＬＩＤを予め局側装置１から通知された自分のＬＬＩＤと照合し、一致している場合は自分宛と判断して受信フレームを取り込み、不一致の場合は自分宛でないと判断して、受信フレームを廃棄する。

他方、上り方向通信（ＯＮＵからＯＬＴ方向の通信）では、宅側装置２は、自分に割り当てられたＬＬＩＤを送信フレームに埋め込んで局側装置１に送出する。局側装置１では、受信フレームのＬＬＩＤの値によってどの宅側装置２から送信されたフレームであるかを判別する。
このように、ＬＬＩＤによる識別を行うと、物理的にはＰ２ＭＰ（Point to Multipoint）であるトポロジー形態であっても、論理的には、Ｐ２Ｐ（Point to Point）形態での通信が可能となるので、本機能はＰ２ＰＥ（Point to Point Emulation）と呼ばれることがある。

なお、Ｐ２ＰＥの例外として、下り方向通信に関してブロードキャストＬＬＩＤと呼ばれる特別なＬＬＩＤが定義されることがある。この場合、宅側装置２は、受信フレームがブロードキャストＬＬＩＤを持つ場合には、無条件にそのフレームを取り込む。

＜時刻同期機能＞
ＰＯＮシステムにおいて、各宅側装置２の上り信号を時分割多重するには、局側装置１と各宅側装置２の間で時刻同期が取れている必要がある。
そこで、標準規格で提唱されている同期方式では、局側装置１は、宅側装置２に対して送信許可のために発行する、ゲートフレームに埋め込まれたタイムスタンプを用いて、両者間の同期状態を維持する。

すなわち、局側装置１が、自局のマスタカウンタの現在値をタイムスタンプ情報として宅側装置２に送信し、宅側装置２は、受信したタイムスタンプ値に合わせて自局のマスタカウンタ値を更新するようになっている。
この方式により、宅側装置２は独立同期方式で動作することができる。このため、従属同期装置に必要な高精度のＰＬＬが不要となり、コスト低減に寄与することができる。

＜ＭＰＣＰ機能＞
ＰＯＮシステムでは、また、局側装置１と宅側装置２間の制御プロトコルであるＭＰＣＰ（Multi-point Control Protocol）を含む、マルチポイントＭＡＣコントロール副層が採用されている。このＭＰＣＰ機能には次の各機能１）〜３）が含まれる。

１） ＰＯＮに接続された複数の宅側装置２を局側装置１が認識し、各宅側装置２と局側装置１の間で通信するために必要なＲＴＴの測定や、ＬＬＩＤの付与を行うディスカバリ機能
２） 各宅側装置２にタイムスロットを割り当て、各宅側装置２からの上り信号を時間軸上に多重する上り信号の多重制御機能
３） 前記時刻同期機能

＜ディスカバリ機能＞
宅側装置２がＰＯＮに接続されると、局側装置１はその宅側装置２を自動的に発見し、宅側装置２にＬＬＩＤを付与して通信リンクを自動的に確立する。これが前記ディスカバリ機能である。
具体的には、局側装置１は、Ｐ２ＭＰディスカバリの期間中に、該当する宅側装置２との間のＲＴＴ（Round Trip Time：フレーム往復時間）の測定を行い、このさい、宅側装置２は局側装置１との時刻同期を行う。

なお、時刻は、局側装置１と各宅側装置２とでそれぞれ１６ｎｓ毎にインクリメントされるカウンタで表現され、ＰＯＮシステム内で同期がとられているが、上記ＲＴＴ測定と時刻同期は定期的に行われ、時刻にズレが生じた場合には随時補正される。

＜上り方向の多重制御機能＞
ＰＯＮシステムでは、各宅側装置２からの上り光信号ＵＯが光カプラ４によって１本の光ファイバ３に合流するため、その上り光信号ＵＯが合流後に衝突しないように制御する必要がある。
そこで、ＰＯＮシステムでは、局側装置１がその上り信号制御の司令塔の役割を務め、各宅側装置２に対して送信許可を通知することにより、各宅側装置２からの上り信号を時間的に分離して衝突を回避している。

図２は、局側装置１による上り信号の多重制御機能を示すシーケンス図である。
図２に示すように、宅側装置（ＯＮＵ）２は、自身のユーザネットワーク７から上りデータを受信すると、いったん自身のキューにデータを蓄積し、そのキューに溜まったデータ量をレポート（Report）フレームに記して局側装置１に送信する。
上記レポートフレームを受信した局側装置（ＯＬＴ）１の制御部１２は、そのレポートフレームに記されたデータ量と他の宅側装置２の使用帯域から、当該宅側装置２に割り当てるべき上りのデータ送信量（時間相当値）と送信開始時刻を算出し（動的帯域割当）、その算出値をゲート（Gate）フレームに記して当該宅側装置２に送信する。

そして、上記ゲートフレームを受信した宅側装置２は、そのゲートフレームの指示に従って、指定された送信開始時刻に上りデータを送信する。なお、この上りデータの送信の際に、次回の帯域割当のために、宅側装置２がキューに溜まっている上りデータの量を通知するためのレポートフレームを一緒に送信する場合もある。
上記手順を繰り返すことにより、局側装置１の制御部１２は、各宅側装置２における上りトラフィックの状況を知りつつ、各宅側装置２に適切に上り送信の帯域を割り当てることができる。

図３（ａ）は、宅側装置２が送信するレポートフレーム（以下、レポートということがある。）Ｒのフレーム構成例を示す図であり、図３（ｂ）は、局側装置１が送信するゲートフレーム（以下、グラントということがある。）Ｇのフレーム構成例を示す図である。
図３（ａ）に示すように、宅側装置２が送出するレポートＲには、１つのレポートＲで帯域要求するデータ量が１６ｎｓ単位の数値で表される（図３（ａ）の Queue ♯０〜♯７）。他方、図３（ｂ）に示すように、局側装置１が送信するグラントＧには、各宅側装置２に対する送信許可長（時間相当値）が１６ナノ秒単位の数値で表される（図３（ｂ）の Grant ♯１〜♯４）。

＜動的帯域割当機能＞
ＰＯＮシステムの局側装置１は、上記レポートフレームとゲートフレームを利用して、配下の各宅側装置２に対して使用帯域を割り当てるが、その割当帯域の演算アルゴリズムについては、前記標準規格の範囲外となっている。
なお、本実施形態の局側装置１の制御部１２（具体的には、図５に示すＤＢＡ処理部２１の割当実行部２５）が行う動的帯域割当については、後述する。

＜ＯＡＭ機能＞
ＰＯＮシステムはイーサネットの一種でもあるから、イーサネットの規格に従うＯＡＭ（Operations, Administration and Maintenance）機能を有する。ここで、ＯＡＭとは、通信ネットワークにおける装置や回線の保守監視制御のことである。
例えば、ＧＥ−ＰＯＮの標準規格（IEEE Std 802.3ah）では、ＯＡＭ副層が新たに規定されており、この副層では、ＯＡＭフレームのフレーム構造と、そのフレームを用いた制御機能が規定されている。

また、ＰＯＮシステムでは、ＯＡＭフレームは局側装置１と宅側装置２との間で使用され、当該ＯＡＭフレームを用いた主な機能としては、障害通知、ループバック試験及びリンク監視等がある。
もっとも、標準規格で規定された機能以外に、システム開発者が必要に応じて不足するＯＡＭ機能を拡張することもできる。

〔集中型ＤＢＡ〕
前記した通り、宅側装置２からの帯域要求に対して局側装置１が行う動的帯域割当方法には、分散型ＤＢＡと集中型ＤＢＡとがあるが、本実施形態では、局側装置１の制御部１２は集中型ＤＢＡを行う動的帯域割当装置として構成されている。
もっとも、局側装置１の制御部１２が分散型ＤＢＡを行う場合にも、本発明を適用することができる。

図４は、上記集中型ＤＢＡを示すシーケンス図である。
図４において、時間は左側から右側へ進行するものとしており、各宅側装置は符号Ｘ〜Ｚで表示されている。
また、局側装置１の帯域制御周期であるグラント周期を符号Ｔで表し、今回のグラント周期を符号Ｔｃ（添え字ｃは「current 」）で表し、次回のグラント周期をＴｎ（添え字ｎは「next」）で表すものとする。

図４に示すように、集中型ＤＢＡでは、今回のグラント周期Ｔｃにおいて、宅側装置Ｘ〜ＺからのレポートＲを最初にかためて受信し、各レポートＲを受信し終わった時点で次サイクルの割当計算を開始する。
そして、局側装置１の制御部１２は、今回のグラント周期Ｔｃでの計算結果を記したグラントＧを生成し、このグラントＧを各宅側装置Ｘ〜Ｚに送信して、次回分のレポートＲとデータ（上りのユーザデータ）Ｄ用の帯域割当を各宅側装置Ｘ〜Ｚに通知する。

すなわち、集中型ＤＢＡでは、今回のグラント周期Ｔｃに複数の宅側装置Ｘ〜Ｚから集めたレポートＲに基づき、次回のグラント周期Ｔｎ内に局側装置１が受信する各宅側装置Ｘ〜Ｚの上りデータＤの帯域割当を総合的に実施し、次回分のレポートＲと上りデータＤとの送信時間を、各宅側装置Ｘ〜Ｚにそれぞれグラントする。
このさい、局側装置１の制御部１２は、各宅側装置Ｘ〜ＺのＬＬＩＤごとの累積割当量を管理しており、割当帯域上限（max_bw）を超えて割り当てていると判断されるＬＬＩＤに対しては、割当量を小さくする。

〔局側装置の内部構成〕
図５は、上記動的帯域割当を行う局側装置１の内部構成を示す機能ブロック図である。なお、図５において、黒塗りの太い矢印は１０Ｇｂｐｓのフレーム進路を表し、白抜きの太い矢印は１Ｇｂｐｓのフレーム進路を表している。
図５に示すように、局側装置１の制御部１２は、ＰＯＮ側からＳＮＩ側への上り方向に沿って、ＦＥＣデコード部１４と、１０Ｇ用のフレーム中継部１５と、１Ｇ用のフレーム中継部１６と、ＶＬＡＮタグ付与部１７と、ＭＡＣｉｎＭＡＣカプセル化部１８とを備えている。

また、局側装置１の制御部１２は、ＳＮＩ側からＰＯＮ側への下り方向に沿って、１０Ｇ用のフレーム中継部１９と、１Ｇ用のフレーム中継部２０とを備えている。
更に、局側装置１の制御部１２は、前記した動的帯域割当（図４）の演算アルゴリズムを実行するＤＢＡ処理部２１と、この処理部２１における帯域割当に必要な参照情報が記録された、ＬＬＩＤ管理テーブル（管理部）２２と、ＳＮＩポート情報管理テーブル（管理部）２３とを備えている。

〔上りフレームの中継処理〕
ＰＯＮ送受信部１０が受信した１０Ｇｂｐｓの上りフレーム（以下、１０Ｇ上りフレームという。）Ｆ１は、ＦＥＣデコード部１４においてデコードされて１０Ｇ用のフレーム中継部１５に入力される。
１０Ｇ用のフレーム中継部１５は、１０Ｇ上りフレームＦ１がレポートＲである場合には、それをＤＢＡ処理部２１に送り、データフレームである場合には、それをＶＬＡＮタグ付与部１７に送る。

一方、ＰＯＮ送受信部１０が受信した１Ｇｂｐｓの上りフレーム（以下、１Ｇ上りフレームという。）Ｆ２は、１Ｇ用のフレーム中継部１６に入力される。
１Ｇ用のフレーム中継部１６は、１Ｇ上りフレームＦ２がレポートＲである場合には、それをＤＢＡ処理部２１に送り、データフレームである場合には、それをＶＬＡＮタグ付与部１７に送る。

ＶＬＡＮタグ付与部１７は、入力された１０Ｇ又は１Ｇ上りフレームＦ１，Ｆ２に、ＶＬＡＮ用のタグを付与する。
ＶＬＡＮタグは、ＭＡＣフレームに付加された固定長のタグでＶＬＡＮ（Virtual LAN）グループを識別するものであり、当該タグを付加することで、フレームに自身が所属するＶＬＡＮの識別情報を持たせる。ＶＬＡＮタグは、IEEE Std 802.1Qで標準化された通信プロトコルに準拠する。これにより、１つの通信ポートで複数の異なるＶＬＡＮでの通信が可能になるが、フレームにタグが付くのでフレーム長が長くなる。

一方、ＶＬＡＮタグ付与部１７を通過した１０Ｇ又は１Ｇ上りフレームＦ１，Ｆ２は次段のＭＡＣｉｎＭＡＣカプセル化部１８に入力される。
ＭＡＣｉｎＭＡＣは、ユーザのＭＡＣフレームをキャリア網内の転送用のＭＡＣフレームへカプセリングして転送する方式であり、当該カプセル化部１８は、この方式のカプセル化を１０Ｇ又は１Ｇ上りフレームＦ１，Ｆ２に施す。ＭＡＣｉｎＭＡＣは、IEEE Std 802.1ahで標準化されたプロトコルに準拠する。

このＭＡＣｉｎＭＡＣによれば、キャリア網内ではカプセリングした網内転送用のＭＡＣアドレスを使用するため、ユーザ機器のＭＡＣアドレスを学習、保持及び参照する必要がなく、キャリア網内のリソースの消費を抑制できるという利点があるが、ＭＡＣヘッダーが追加されるのでフレーム長が長くなる。

上記カプセル化部１８から出力された１０Ｇ又は１Ｇ上りフレームＦ１，Ｆ２は、ＳＮＩ送受信部１１に入力される。このＳＮＩ送受信部１１は、上りフレームＦ１，Ｆ２の宛先ＭＡＣアドレスに基づいて、それらのフレームＦ１，Ｆ２を上位ネットワーク６Ａ，６Ｂに送出する。
なお、基本的に、１０Ｇ上りフレームＦ１は１０Ｇｂｐｓの上位ネットワーク６Ａに送出され、１Ｇ上りフレームＦ２は１Ｇｂｐｓの上位ネットワーク６Ｂに送出されるが、上りフレームＦ１，Ｆ２の宛先によっては、これが逆転する場合がある。

〔下りフレームの中継処理〕
ＳＮＩ送受信部１１が受信した１０Ｇｂｐｓの下りフレーム（以下、１０Ｇ下りフレームという。）Ｆ３は、１０Ｇ用のフレーム中継部１９に入力される。
１０Ｇ用のフレーム中継部１９は、１０Ｇ下りフレームＦ３をＰＯＮ送受信部１０に転送する。また、ＤＢＡ処理部２１が宅側装置２ＡにグラントするためのゲートフレームＧ（従って、１０Ｇｂｐｓ）を出力した場合には、１０Ｇ用のフレーム中継部１９は、そのゲートフレームＧをＰＯＮ送受信部１０に送出させる。

ＳＮＩ送受信部１１が受信した１Ｇｂｐｓの下りフレーム（以下、１Ｇ下りフレームという。）Ｆ４は、１Ｇ用のフレーム中継部２０に入力される。
１Ｇ用のフレーム中継部２０は、１Ｇ下りフレームＦ４をＰＯＮ送受信部１０に転送する。また、ＤＢＡ処理部２１が宅側装置２ＢにグラントするためのゲートフレームＧ（従って、１Ｇｂｐｓ）を出力した場合には、１Ｇ用のフレーム中継部２０は、そのゲートフレームＧをＰＯＮ送受信部１０に送出させる。

〔上りフレームの中継時における問題点〕
前記した通り、本実施形態の局側装置１では、上りフレームＦ１，Ｆ２によっては、ＶＬＡＮタグの付与又はＭＡＣｉｎＭＡＣ方式のカプセル化が施され、これらの処理を施す上りフレームＦ１，Ｆ２ではフレーム長（データ量）が増加する。
このため、ＤＢＡ処理部２１での動的帯域割当を、ＰＯＮ側での受信レート（宅側装置２からの上り送信レート）と、各宅側装置２からの帯域要求とをそのまま採用して実行すると、ＳＮＩ側の送信キューにバッファ溢れが生じ、一部の上りフレームＦ１，Ｆ２が破棄される可能性がある。

また、本実施形態の局側装置１では、上りフレームＦ１，Ｆ２の中継先として、伝送レートの異なる２種類の上位ネットワーク６Ａ，６Ｂを有するので、１０Ｇ上りフレームＦ１の宛先が１Ｇｂｐｓの上位ネットワーク６Ｂになっている場合には、ＤＢＡ処理部２１が上位側の送信レート（１Ｇｂｐｓ）を超える帯域を割り当てても、その送信レート（１Ｇｂｐｓ）を超える帯域分のフレームが破棄されてしまう。
従って、上りフレームＦ１，Ｆ２がＶｏＩＰや映像等の高優先のフレームである場合には、通話や映像が途切れるなどの弊害が生じ、宅側装置２が設定したＱｏＳが阻害されることになる。

そこで、本実施形態のＤＢＡ処理部２１は、上記課題が生じる次の条件（１）〜（３）を満たす場合に、動的帯域割当における最大スループットを絞る機能を有する。
（１） 局側装置１での中継時に上りフレームＦ１，Ｆ２にＶＬＡＮタグが付与されることにより、上りフレームＦ１，Ｆ２のデータ量が増加する場合
（２） 局側装置１での中継時に上りフレームＦ１，Ｆ２をＭＡＣｉｎＭＡＣカプセル化することにより、上りフレームＦ１，Ｆ２のデータ量が増加する場合
（３） ＰＯＮ側の受信レートよりもＳＮＩ側の送信レートの方が小さい場合

具体的には、ＤＢＡ処理部２１は、前記管理テーブル２２，２３に保持された各値に基づいて、上りフレームＦ１，Ｆ２を確実に中継可能となるように値を絞った割当帯域上限（max_bw）を算出する算出部２４と、算出された割当帯域上限（max_bw）の範囲内で動的帯域割当を実行する割当実行部２５と、を備えている。
なお、最大スループットを絞る対象となるＬＬＩＤは、上記条件（１）〜（３）に一致するＬＬＩＤと同じ宛先ＳＮＩポートに設定された、すべてのＬＬＩＤである。

〔各管理テーブルの記録内容〕
前記管理テーブル２２，２３のうち、ＬＬＩＤ管理テーブル（以下、第１テーブルという。）２２には、次の各値を保持することができる。
（ａ） 各宅側装置２に付与したＬＬＩＤ
（ｂ） ＰＯＮポート番号（上り受信ポート）
（ｃ） ＳＮＩポート番号（上り送信ポート）

（ｄ） max_bw_usr（ユーザが設定した割当帯域上限）
（ｅ） max_bw_i（ＬＬＩＤ単体での割当帯域上限（＝１台接続時のmax_bw））
（ｆ） max_bw（実際の割当帯域上限（＝ min（max_bw_usr, max_bw_sni））
（ｇ） ＯＬＴでの上りのＶＬＡＮタグ付与の有無
（ｈ） ＯＬＴでの上りＭＡＣｉｎＭＡＣカプセル化の有無
（ｉ） ＯＬＴでの上りＦＥＣデコードの有無

また、前記ＳＮＩポート情報管理テーブル（以下、第２テーブルという。）２３には、次の各値を保持することができる。
（ｊ） ＳＮＩポートのポート番号
（ｋ） 当該ポートの伝送レート
（ｌ） 当該ポートが宛先に設定されているＬＬＩＤのリスト
（ｍ） max_bw_sni（上記リストに挙げられた全ＬＬＩＤの、割当帯域の上限）

〔割当帯域上限の算出処理〕
ＤＢＡ処理部２１の算出部２４は、前記ディスカバリ機能によって動的帯域割当の対象ＬＬＩＤが追加又は解除されるのを監視しており、その追加又は解除があるごとに、割当帯域上限（max_bw）の算出処理を実行する。以下、この算出処理について説明する。
算出部２４は、あるＬＬＩＤについて、ＰＯＮ側の受信ポートでの最大受信レート（伝送レート）を「１」としたとき、パケット欠損させることなく上位ネットワーク６Ａ，６Ｂに中継可能となる、当該受信ポートでの受信レートの上限αを、以下の各係数αａ〜αｃに基づいて算出する。

（ａ） 伝送レートの比例係数αａ
この係数αａは、受信ポート（ＰＯＮ）の伝送レートに対する中継先ポート（ＳＮＩ）の伝送レートの比である。従って、ＳＮＩの伝送レートとＰＯＮの伝送レートと等しい場合には、αａ＝１となる。
また、ＳＮＩの伝送レートが１ＧｂｐｓでかつＰＯＮの伝送レートが１０Ｇｂｐｓの場合にはαａ＝０．１となり、逆の場合にはαａ＝１０となる。

（ｂ） データ量の増加係数αｂ
この係数αｂは、局側装置１での中継処理によって上りフレームＦ１，Ｆ２に付加されるデータ量の増加度合いを表す係数である。
例えば、上りフレームＦ１，Ｆ２がＭＡＣｉｎＭＡＣされる場合には、最悪値で算出すると、最小フレーム（６４バイト）が８６バイトになるので、最大で１．３倍、すなわち、αｂ＝１．３となる。また、上りフレームＦ１，Ｆ２にＶＬＡＮタグが付与される場合には、同様に最悪値で算出すると、αｂ＝６８／６４となる。

（ｃ） データ量の減少係数αｃ
この係数αｃは、局側装置１での中継処理によって上りフレームＦ１のデータ量が減少する場合の、その減少度合いを表す係数である。
本実施形態では、１０Ｇ上りフレームＦ１についてはＦＥＣデコードされるので、当該減少係数αｃを考慮する意義がある。例えば、IEEE Std 802.3avの規約に従うＦＥＣを想定すると、αｃ＝０．８７となる。

そして、ＤＢＡ処理部２１の算出部２４は、各係数αａ〜αｃを用いて前記上限αを次の式によって算出する。
α＝ｍｉｎ｛１，αａ／（αｂ×αｃ）｝

ＤＢＡ処理部２１の割当実行部２５は、前記した通り、割当帯域上限（max_bw）を超えて割り当てていると判断されるＬＬＩＤに対しては、割当量を小さくする（割当量＝０の場合を含む。)動的帯域割当を実行する。
そこで、ＤＢＡ処理部２１の算出部２４は、ＬＬＩＤの累積割当量を監視し、トラフィックがある１つの送信ポート（ＳＮＩ）に中継される、すべてのＬＬＩＤの割当帯域上限（max_bw）を次の各式に基づいて算出する。

すなわち、算出部２４は、前記上限αを用いてＬＬＩＤごとに次の max_bw_i （i はＬＬＩＤの引数）を算出し、これに基づいて、次の max_bw_sni と max_bw とを算出する。
max_bw_i ＝ ＰＯＮ受信ポートでの伝送レート（１Ｇ or １０Ｇ）×α
max_bw_sni ＝ （宛先ＳＮＩポートが同じＬＬＩＤの、max_bw_i の最小値）
max_bw ＝ min（max_bw_usr , max_bw_sni）

ここで、上記各式において、max_bw_usr は、ユーザが設定したＬＬＩＤごとの割当帯域の上限であり、この値は前記第１テーブル２２に保持されている。
また、上記割当帯域上限（max_bw）は、割当実行部２５が実際に帯域割当を実行する際に使用するものであり、算出部２４はこの割当帯域上限（max_bw）を算出するごとにこれを更新し、前記第１テーブル２２に保持させる。
そして、ＤＢＡ処理部２１の割当実行部２５は、第１テーブル２２において更新された上記割当帯域上限（max_bw）の範囲内で、各宅側装置２Ａ，２Ｂに対する上り送信量を動的に割り当てる。

このように、本実施形態のＤＢＡ処理部２１によれば、算出部２４が、宅側装置２からの上りフレームＦ１，Ｆ２の受信レートと、その上りフレームＦ１，Ｆ２の中継先の送信レートに基づいて、中継時に上りフレームＦ１，Ｆ２のデータ量が増加してもその上りフレームＦ１，Ｆ２を中継可能となる割当帯域上限（max_bw）を算出し、割当実行部２５が、そのように算出された割当帯域上限（max_bw）の範囲内で各宅側装置の上り送信量を動的に割り当てるので、局側装置１において上りフレームＦ１，Ｆ２を上位側に中継する際に、バッファ溢れによって上りフレームＦ１，Ｆ２が廃棄されることがない。

このため、局側装置１における上位側のバッファ容量を増大させなくても、上りフレームＦ１，Ｆ２を上位側に確実に中継することができ、上り方向の通信品質（ＱｏＳ）を確保する局側装置１を安価に製作することができる。
また、帯域割当対象ＬＬＩＤの追加あるいは解除を契機に、割当帯域上限(max_bw)を更新する本発明の方式によれば、例えば、バッファ量を監視し、バッファ量がある閾値を超えた場合に更新するような従来の方式にくらべても、バッファ容量を小さくすることができるという利点がある。

また、本実施形態のＤＢＡ処理部２１によれば、中継時に上りフレームＦ１，Ｆ２に生じるデータ量の増加（前記増加係数αｂ）だけでなく、当該データ量の減少（前記減少係数αｃ）をも想定して、上りフレームＦ１に生じるデータ量の変化を管理しているので、上りフレームのデータ量の増加のみを想定する場合に比べて、割当帯域上限（max_bw）を正確に算出することができる。
従って、割当帯域上限（max_bw）が必要以上に絞られるのを防止でき、各宅側装置２に対する上り送信量を正確に割り当てることができる。

〔その他の変形例〕
上記実施形態は本発明の例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、上記実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲とその構成と均等な全ての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、局側装置１のＳＮＩ送受信部１１が２種類の伝送レート（１０Ｇｂｐｓと１Ｇｂｐｓ）に対応しているが、１種類の伝送レートのみで送受信するものであってもよい。また、ＰＯＮ送受信部１０についても、マルチレートではなく単一レートで宅側装置２と送受信するものであってもよい。

１ 局側装置
２Ａ 宅側装置（１０Ｇｂｐｓ）
２Ｂ 宅側装置（１Ｇｂｐｓ）
６Ａ 上位ネットワーク（１０Ｇｂｐｓ）
６Ｂ 上位ネットワーク（１Ｇｂｐｓ）
１０ ＰＯＮ送受信部
１１ ＳＮＩ送受信部
１２ 制御部（動的帯域割当装置）
２１ ＤＢＡ処理部
２２ ＬＬＩＤ管理テーブル（管理部）
２３ ＳＮＩポート情報管理テーブル（管理部）
２４ 算出部
２５ 割当実行部

Claims (8)

1. 複数の終端ノードと双方向通信する中継ノードに設けられ、前記各終端ノードからの帯域要求に基づいて当該各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てる動的帯域割当装置であって、
   前記終端ノードからの上りフレームの受信レートと、その上りフレームの中継先の送信レートと、中継時に当該上りフレームに生じるデータ量の変化度合いを一定値で表した係数とを、前記終端ノードごとに管理する管理部と、
   前記受信レート、前記送信レート及び前記係数に基づいて、当該データ量が増加しても前記上りフレームを中継可能となる割当帯域上限を算出する算出部と、
   算出された前記割当帯域上限の範囲内で前記各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てる割当実行部と、
   を備えていることを特徴とする動的帯域割当装置。
2. 前記管理部は、複数の前記中継先ごとの前記送信レートをそれぞれ管理しており、
   前記算出部は、前記受信レート、複数の前記中継先ごとの前記送信レート及び前記係数に基づいて、当該データ量が増加しても前記上りフレームを中継可能となる前記割当帯域上限を複数の前記中継先ごとにそれぞれ算出し、
   前記割当実行部は、算出された前記中継先ごとの前記割当帯域上限の範囲内で、当該中継先に対する前記各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てる請求項１に記載の動的帯域割当装置。
3. 前記管理部は、中継時に前記上りフレームに生じる前記データ量の増加及び減少の双方を想定して、前記データ量の変化度合いを一定値で表した係数を管理する請求項１又は２に記載の動的帯域割当装置。
4. 前記係数には、中継処理によって前記上りフレームのデータ量が増加する場合の、その増加度合いを一定値で表した増加係数が含まれる請求項１に記載の動的帯域割当装置。
5. 前記係数には、受信ポートの伝送レートに対する中継先ポートの伝送レートの比である比例係数が含まれる請求項１に記載の動的帯域割当装置。
6. 前記係数には、中継処理によって前記上りフレームのデータ量が減少する場合の、その減少度合いを一定値で表した減少係数が含まれる請求項４又は５に記載の動的帯域割当装置。
7. 複数の終端ノードからの帯域要求に基づいて当該各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てる動的帯域割当方法であって、
   前記終端ノードからの前記上りフレームの受信レートと、その上りフレームの中継先の送信レートと、中継時にその上りフレームに生じるデータ量の変化度合いを一定値で表した係数とに基づいて、当該データ量が増加しても前記上りフレームを中継可能となる割当帯域上限を算出し、
   算出された前記割当帯域上限の範囲内で前記各終端ノードの上り送信量を動的に割り当てることを特徴とする動的帯域割当方法。
8. 複数の宅側装置との間で受動的光分岐ノードを介して双方向の光通信を行い、前記各宅側装置から受信した上りフレームを上位ネットワークに中継するＰＯＮシステムの局側装置であって、
   前記宅側装置からの上りフレームの受信レートと、その上りフレームの中継先の送信レートと、中継時に当該上りフレームに生じるデータ量の変化度合いを一定値で表した係数とを、前記宅側装置ごとに管理する管理部と、
   前記受信レート、前記送信レート及び前記係数に基づいて、当該データ量が増加しても前記上りフレームを中継可能となる割当帯域上限を算出する算出部と、
   算出された前記割当帯域上限の範囲内で前記各宅側装置の上り送信量を動的に割り当てる割当実行部と、
   を備えていることを特徴とする局側装置。

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