（光学工程专业论文）catv宽带接入网络上行信道接入技术研究.pdf

电子科技大学硕士论文 中文摘要 i 信息社会的来l 临，正在改变我们生活中的许多方面，对信息的需求和依赖是 这个社会的一个标志。因特网的迅猛发展和新业务的不断出现导致对带宽的需求 越来越大，现有的以p o t s 技术为主的接入网络越来越不能适应这种形势，迫切 需要一种新的性价比更高的技术来满足人们对信息的需求，c a t v 宽带接入网络 技术为解决这种矛盾提供了一个很好的方案。c a t v 宽带接入网络技术对c a t v 网络带宽的充分利用可以导致传输数据的价格大幅度的降低，这使它已经成为接 入网络中最具吸引力的技术之一，而且可以预言在不远的将来，它的应用范围还 会更加广泛。 c a t v 宽带接入网络中，上行信道的接入技术是一项关键技术，长期以来一 直备受重视，是c a t v 宽带接入网络技术中的研究热点。上行信道接入技术的优 劣直接关系到网络的性能，并且还关系到简化网络的控制等，但是由于目前技术 的限制，实现性能较优的技术还很困难，而且大部分技术仍然处于实验室研究阶 段，即使商用化，价格也较昂贵。鉴于技术和价格的限制，上行信道的接入技术 的研究非常关键。本文研究主要集中在3 个方面： ( 1 ) 上行信道冲突解决算法的研究，具体内容包括：后退窗口缩小的二进制指数 后退算法的研究；每次m a p 中单个站点发送多个请求算法的研究：支持优 先级的接入算法和冲突解决算法的研究。 ( 2 ) 上行信道带宽分配算法的研究，具体内容包括：非定时m a p 的竞争时隙分 配算法和定时m a p 的竞争时隙的分配算法研究，其中定时m a p 的竞争时隙 分配算法有动态和静态两种。 ( 3 ) 上行信道调度算法的研究，具体内容包括：先到先服务( f c f s ) 算法的研究； 支持优先级的f c f s 算法的研究；后到先服务( l c f s ) 算法研究和较小分组 优先算法的研究。吖 本文第一章中主萎介绍了c a t v 网络接入技术产生的背景、现状和发展。对 c a t v 网络中的各种关键技术，包括物理层的关键技术，比如调制和编码技术， 频谱的分配方案的；m a c 层的关键技术，比如上行信道的接入技术等，都做了 i i 中文摘要 详细的介绍，还讨论了c a t v 网络的发展以及上行信道的接入技术在其他网络中 的应用前景。 第二章主要研究了上行信道冲突解决算法，设计了三种冲突解决算法，通过 仿真来比较这三种算法与原有算法的性能差异，实验结果表明，这三种算法在合 适的网络环境中的性能均比原有的算法好，而且这三种算法的复杂度也不高。 第三章研究了上行信道带宽的分配算法，对非定时m a p 和定时m a p 的竞 争时隙分配算法进行了理论分析，通过分析和实验中的仿真，对二者在网络中的 性能做了详尽的研究，研究发现定时m a p 时，动态分配算法表现了比静态分配 算法更好的性能。 第四章研究了上行信道的调度算法。包括f c f s ；支持优先级的f c f s ：l c f s 和较小分组优先等算法，对以上算法都进行了仿真实验，研究了各种算法对网络 性能的影响。 第五章研究了c a t v 网络上q o s 业务的开展。设计了一个混合实时轮询业 务和最大努力业务的网络模型，进行了仿真实验，研究了c a t v 网络上开展q o s 业务的情况。 第六章介绍了本文中的算法的仿真实现和基本的仿真环境。 最后是全文总结。 关键词：c a t v ，上行信道，冲爽解决，带宽分配，滴度。 旅入牟珏 电子科技大学硕士论文 自! | 目! ! ! ! ! 自目! | j ! ! ! ! ! e 鲁ii | ! j | ! | | | | | | | | j 目j e | j ! ! ! ! 昌 a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o ns o c i e t yi sn o w c h a n g i n gm a n ya s p e c t so f o u rl i f e i nt h i ss o c i e t y , t h ed e m a n d a n dd e p e n d e n c eo ft h ei n f o r m a t i o ni st h em a i ns y m b 0 1 w i t ht h ec o m i n go f “i n t e r n e te r a ，a l o to fn e wi n f o r m a t i o ns e r v i c ew i l lb ei 1 1u s e t h en e e df o rt h eb a n d w i d t hw i l lb e c o m em o r ea n d m o r e ，t h i sc a u s et h em i s m a t c hb e t w e e nt h en e e da n dt h et r a d i t i o n a lp o t sa c c e s sn e t w o r ki nw h i c h 5 6 k b p sm o d e m a n di s d n t e c h n o l o g i e sa r ed o m i n a n t i ti su r g e n tf o rt h es e r v i c ep r o v i d e rt of i n d a n o t h e rt e c h n o l o g yt h a th a sm o r ep e r f o r m a n c e - t o p r i c et oo v e r c o m et h i sm i s m a t c h t h ec a t v b r o a d b a n da c c e s st e c l m o l o g yi sn o wc o m i n go nt h e s t a g e ”t os a t i s f yt h eu r g e n tn e e d b e c a u s e t h i s t e c h n o l o g yc a n f u l l y u t i l i z e t h ee n m t a o u s b a n d w i d t ho f t h e c a t v n e t w o r k t o t r a n s f e r t h e d a t a ， t h ep r i c ef o rt r a n s f e rd a t ac a nb eg r e a t l yd e c r e a s e d ；t h i se n a b l e si tt ob eo n eo f t h em o s ta t t r a c t a b l e t e c h n o l o g y i nb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k i ti s p r e d i c t e d t h a ti nt h en e a rf u t u r e ，t h ec a t v t e c h n o l o g yw i l lb eg r e a t l yu s e dw i d e l y i nc a t vb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k ，t h et e c h n o l o g yo fu p s t r e a mc h a n n e la c c e s si sak e y t e c h n o l o g y , a n di t i s a l w a y st h ef o c u so ft h er e s e a r c h t h ep e r f o r m a n c eo fu p s t r e a mc h a n n e l a c c e s st e c h n o l o g ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k ，a n ds oo n ，i ti sd i f f i c u l tt oi m p l e m e n tt h e i d e a la c c e s st e c h n o l o g yd u et ot h el i m i to f t h et e c h n o l o g y a n dm o r et h et e c h n o l o g yi sn o wi nt h e l a b o r a t o r y w h e ni ti so nc o m m e r c i a lu s e ，t h ep r i c ew i l lb ev e r ye x p e n s i v e h o wt oo v e r c o m et h e s h o r t c o m i n go ft h et e c h n o l o g y ? t h et e c h n o l o g yo fu p s t r e a mc h a n n e la c c e s sa r eu n d e rr e s e a r c h t h i sp a p e ri sc o n c e n t r a t e do nt h e f o l l o w i n g t h r e e a s p e c t s ： ( 1 ) t h er e s e a r c h e sa b o u tt h ec o l l i s i o nr e s o l u t i o na l g o r i t h m t h ec o n t e n t si n c l u d e ：t h e r e s e a r c h e sa b o u tt h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so f c o l l i s i o nr e s o m u t i o na l g o r i t h mo fs p e c i f i c a t i o n ；t h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc a t vn e t w o r kw i t hb a c k w a r db i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f , w h i c hi s a n o v e l a l g o r i t h mp r e s e n t e db ya u t h o r ；t h er e s e a r c ha b o u tt h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o no f m u l t i p l er e q u e s tt o a c h i e v el e s sc o l l i s i o n ；t h er e s e r c ha b o u tc o l l i s o nr e s o l u t i o na l g o r i t h mw i t h p r i o r i t y ( 2 ) t h er e s e a r c h e sa b o u tt h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m t h ec o n t e n t si n c l u d e ：t h e d i f i 色r e n c eb e t w e e na l l o c a t i o no fc o n t e n t i o ns l o t sw i t hc o n s t a n tm a pi n t e r v a la n dn o n c o n s t a n t m a pi n t e r v a l a n dw h e nm a pi n t e r v a li s c o n s t a n t ，t h e r ei n c l u d ed y n a m i ca l l o c a t i o na n ds t a t i c a l l o c a t i o n ( 3 ) t h e r e s e a r c ha b o u tt h es c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h ec o n t e n t si n c l u d e ：t h ef c f s a l g o r i t h m ； t h ef c f sw i t hp r i o r i t ya l g o r i t h m ；t h el c f sa l g o r i t h ma n dt h es h o r t e s t p a c k e ti s f i r s ts e r v e d v a b s t r a c t a l g o r i t h m t h e b a c k g r o u n d ，s t a t u s a n d d e v e l o p m e n to fc a t vb r o a d b a n d a c c e s s t e c h n o l o g y a r e d e s c r i b e di nc h a p t e r1 t h ed e t a i l so fm a n yk e yt e c h n o l o g i e si nc a t v n e t w o r k ，i n c l u d i n gt h e t e c h n o l o g yo fp h y s i c sl a y e r , s u c ha sm o d u l a t i o na n dc o d i n gt e c h n o l o g y , a l l o c a t i o no ff r e q u e n c y , a n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fm e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e r , s u c ha su p s t r e a mc h a n n e la c c e s s t e c h n o l o g y , a r ea l s od e s c r i b e di nt h i s c h a p t e r a tt h ee n do ft h ec h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n to ff u t u r ec a t v n e t w o r ka n dt h ee m p l o y m e n to ft h eu p s t r e a ma c c e s st e c h n o l o g yi nt h eo t h e rn e t w o r ka r ea l s o d e s c r j b e d t h ec o l l i s i o nr e s o l u t i o na l g o r i t h mi nu p s t r e a mc h a n n e li ss t u d i e di nc h a p t e r2 t h r e ee r a s ( c o l l i s i o nr e s o l u t i o na l g o r i t h m s ) f o ru p s t r e a mc h a n n e la c c e s sa r ep r o p o s e d ，b ys i m u l a t i o ni n d i f f e r e n tc o n d i t i o no fn e t w o r k s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h r e ea l g o r i t h m sa r ec o m p a r e dw i t ht h a ti n s p e c i f i c a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et h r e ea l g o r i t h m si sa l lb e t t e rt h a n s p e c i f i c a t i o n a n dt h e i rc o m p l e x i t i e se r en o th i g h i n c h a p t e r3 ，t h ep e r f o r m a n c eo fc a t vn e t w o r kt h a t i n c l u d e sa l l o c a t i o n a l g o r i t h m o f c o n t e n t i o ns l o t sw i t hc o n s t a n tm a pi n t e r v a la n dn o n c o n s t a n ti n t e r v a l a l l o c a t i o na l g o r i t h mw i t h c o n s t a n tm a pi n t e r v a li s d e e p l ys t u d i e d t h r o u g ht h ea n a l y t i c a l m o d e la n ds i m u l m i o n ，t h e p e r f o r m a n c e so ft h ea b o v et w oa l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tp e r f o r m a n c eo f d y n m n i ca l l o c a t i o na l g o r i t h mi s b e r e rt h a nt h a to fs t a t i ca l g o r i t h m a n do t h e rk i n d so f d y n a m i c a l g o r i t h ma r ea l s op r o p o s e da n ds t u d i e d i n c h a p t e r4 ，t h ep e r f o r m a n c eo fc a t vn e t w o r kw i t hd i f f e r e n ts c b e d u l i n ga l g o r i t h m s i s s t u d i e d t h ef c f sa l g o r i t h m ，l c f sa l g o r i t h ma n df c f sa l g o r i t h mw i t hp r i o r i t ya r es t u d i e d a s h o r t e s tp a c k e tf i r s ta l g o r i t h mi s p r o p o s e d b ys i m u l a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c e so fa b o v es e v e r a l a l g o r i t h m sa r ea l s oc o m p a r e d i nc h a p t e r5 ，q o ss e r v i c eo nc a t vn e t w o r ki s s t u d i e d ，i n c l u d i n gu g s ，n p s ，u g s a d ，n r t p s c i re t cam o d e lo f h y b r i dr t p sa n db e i sd e s i g n e d ，a n ds i m u l a t i o ni sp r o f o r m e d b ys i m u l a t i o n ， t h ep e r f o r m a n c eo fm o d e li ss t u d i e d i nc h a p t e r6 ，t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti si n 仃o d u c e d a n dt h ec o n c l u s i o ni sm a d ei nt h ee n d o f t h et h e s i s k e y w o r d s ：c a t v , c o l l i s i o nr e s o l u t i o n ，b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，s e c h d u l i n g v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：堕! i 冬日期：2 0 0 3 年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 ， 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 彩：德翱答二似缸 导师签名：之篁! 日期：2 0 0 3 年月日 电子科技大学硕士论文 a d s l a t m b e b c a t v 简略宇表 a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b el o o p 非对称用户数字环路 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e异步传输模式 b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f二进制指数后退 c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n共用天线电视 c d m ac o d ed i v i s i o n m u k i p l e a c c e s s 码分多址 c m c m t s c r a c s f c a b l em o d e m 电缆调制解调器 c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m 电缆调制解调器终端系统 c o l l i s i o nr e s o l u t i o n a l g o r i t h m冲突解决算法 c o m m o ns i m u l a t i o nf r a m e w o r k 通用仿真框架 d a v i c d i g i t a l a u d i ov i d e oc o u n c i l 数字音频视频委员会 d e sd a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d 数据加密标准 d o c s i sd a t ao v e rc a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n 电缆数据业务 接口规范 d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g c a b l e数字视频广播 f a - t d m af r e q u e n c y a g i l e t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频率灵活的时 分多址 f e c h f c f o r w a r d e r r o rc o r r e c t i o n前向纠错 h y b r i d f i b e rc o a x i a l 光纤同轴混合网 v i i 简缩字表 i e e e i p i s d n m a c m c n s m p e g 0 n u p o t s q a m q o s q p s k r f r s a i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s 电气电子工程学会 i n t e m e tp r o t o c o l 因特网协议 i n t e g r a t e ds y s t e md i g i t a ln e t w o r k综合业务数字网 m e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m u l t i m e d i ac a l b en e t w o r k ss y s t e m 多媒体电缆网络系统 m o t i o np i c t r u ee x p e r t sg r o u p 运动图像专家组 o p t i c a ln e t w o r k u n i t光网络单元 p l a i no l d t e l e p h o n es y s t e m普通电话系统 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 q u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量 q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g正交相移键控 r a d i o f r e q u e n c y射频 r i v e s t - s h a m i r a d l e m a n r s a 加密算法 s - c d m a s y n c h r o n o u s - c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 同步码分多址 s n m p t c p s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n t p r o t o c o l 简单网络管理协议 t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l传输控制协议 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 v o dd e o0 nd e m a n d v n i 视频点播 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1c a t v 宽带接入网络技术的现状和发展 1 1 1c a t v 宽带接入网络技术的产生及概念 当今社会已经进入到信息社会，信息社会正在改变我们的思维、生活等各个 方面。在信息社会中，人们对信息的依赖与需求直成增长趋势，尤其是因特网 ( i n t e r n e t ) 的迅猛发展，以及万维网( w w w ：w o r l d w i d e w e b ) ，视频点播( v o d ： v i d e oo n d e m a n d ) ，网络游戏等各种新业务的出现，使人们对带宽的需求一直成 增长趋势【l 】。在半导体行业证明是可行的摩尔定律，即微处理器的速度可以每1 8 个月就翻一番，已经不能适应因特网中业务量( 主要为数据，还包括话音和视频) 的增长。据统计，这些业务量以每6 个月就翻一番的速度在增长，这就对传统的 接入网络提出了巨大的挑战。传统的接入网络使用的是p o t s ( p l a i no l dt e l e p h o n e s y s t e m ) 技术【2 j ，但是p o t s 技术以特定的速率( 9 6 k b p s ，i s d n 提高到1 2 8 k b p s l 传输数据，传输带宽的增加必须依靠新的调制技术来实现。现在虽然已经出现了 a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 技术【3 1 ，但是它的理论上的上行带 宽也仅仅只有2 m b p s ，下行带宽只有8 m b p s ，而且明显的是受电话线有限的带宽 限制。即使是v d s l ( 超高速的d s l ) 的速率也只有5 0 m b p s 左右【4 】，这些都使传 统的p o t s 技术越来越不能适应高速数据网络发展的要求。c a t v ( c o m m u n i t y a t e n n at e l e v i s i o n ) 宽带接入网络技术正是顺应此潮流而生的产物。 c a t v 宽带接入网络技术由于能充分利用c a t v 网络的巨大带宽，已经成为 接入网中最具吸引力的技术之一1 5 】。c a t v 宽带接入网络的带宽可以轻易达到几 十m b p s ，而且新的调制技术的发展还在继续，比如高级物理层技术【6 】：s - c d m a 和f a - t d m a ，更是极大的提高了c a t v 宽带接入网络的带宽。 自从9 4 年h f c 产生以来，c a t v 网络中大部分的同轴电缆被光纤替代，仅 仅只有少部分从o n u ( 光网络单元) 到用户的是同轴电缆。因此大量的原来用 于同轴电缆的电放大器变得没有必要了，光纤较大的带宽以及较好的抗干扰性加 速了c a t v 宽带接入网络的发展。只要对原有的c a t v 网络进行简单的双向改 造，把原来单向的放大器换成双向的放大器，就可以实现双向业务的开展。 第一章绪论 美国和欧洲最先开始对c a t v 网络双向数据业务进行研究，为代表的是美国 的i e e e 8 0 2 1 4 工作组【7 1 和电缆实验室( c a b l e l a b s ) 【8 】，他们各自制订业界采用 的规范i e e e 8 0 2 1 4 和d o c s i s 。在此之前，不同的厂商制订各自的标准，因此 他们的产品相互之间没有互操作性。在欧洲，d a v i c 和d v b 是主要的标准【9 ， 不同于i e e e 8 0 2 1 4 和d o c s i s 的是，他们主要关心的不是因特网上的数据业务， 而是交互式的电视节目和游戏娱乐等。 我国最近也加大了对c a t v 宽带接入网络的研究工作，从广电部的研究所， 到大学再到许多公司，大家纷纷加入了c a t v 宽带接入网络的研究。同时也不断 有新的技术和产品出现，现在全国有几十公司拥有自己品牌的c a t v 接入产品。 c a t v 宽带接入网络的技术主要集中在p h y 层，比如调制和编码方式，频谱 的分配，抗噪声等：以及m a c 层协议，比如上行信道的接入技术等。不同的组 织制订各自的标准，有的采用a t m 信元，有的采用i p 分组等。不同组织的标准 本文将在下节介绍。 1 1 2c a t v 宽带接入网络的标准 自从c a t v 宽带接入网络产生以来，许多厂商都参与了其中关键技术的研 究，也开发了各自的标准，但是由于他们的标准是独立制订的，相互之间没有可 操作性，也就使得c a t v 宽带接入网络的推广遇到了很大困难，因为研究和开发 的成本很高，而且用户不能随便挑选产品。为了加快c a t v 宽带接入网络的发展， 同时也为了降低研究和开发的成本，厂商们开始寻求成立标准制订的组织，开发 业界公认的标准，i e e e 8 0 2 1 4 工作组和m c n s 应运而生。 最初厂商投资给i e e e 8 0 2 1 4 工作组，希望它能制订一个用于c a t v 宽带接 入网络的规范，叫i e e e 8 0 2 1 4 t 1 0 。这个规范主要的特点如下： 1 采用a t m 信元传输 2 采用n 元树的冲突解决算法等 但是由于标准过于复杂，而且过于仔细，所以标准制订的过程很慢。鉴于此， 许多厂商纷纷决定投资成立另外的标准组织，为了尽快的制订出标准。9 6 年底， m c n s 正式成立。m c n s 是由多家厂商发起成立的一个组织，目的是制订一个 简单但是很快就可以采用的规范。m c n s 下又成立了电缆实验室( c a b l e l a b s ) ， 电子科技大学硕士论文 j ! ! ! ! ! e ! ! 自兰! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! 目! 目! j e ! | | _ 1 | 自| 詈! | 鼍| g 皇g ! ! e 目皇e | 目! ! ! | ! ! ! e | | g i 专门进行规范的研究和开发。规范的第一版叫d o c s i s l o 】，于9 8 年3 月正式 颁布。仅仅不到一年半的时间，规范就已经颁布，也显示了当初成立m c n s 的 目的。d o c s i s l 0 的主要特点如下： 1 采用i p 分组传输 2 采用二进制指数后退冲突解决算法等 另外在欧洲，厂商最初并不关心因特网的数据业务，厂商关心的是数字电视 的标准和交互式的电视娱乐，比如游戏等。d a v i c 1 2 1 ( 数字音频视频委员会) 采纳了d v b 1 3 1 ( 数字电视广播) ，形成了欧洲较为普遍的规范d a v i c d v b 标准。 它与i e e e 8 0 2 1 4 和d o c s i s 的主要区别就是，i e e e 8 0 2 1 4 和d o c s i s 主要关心 的是因特网的数据业务，就是解决计算机如何通过c a t v 网络接入因特网，开展 数据业务的问题；而d a v i c d v b 主要关心的是数字电视和交互式的电视娱乐， 就是解决c a t v 网络中数字电视的传输和电视如何通过c a t v 网络与别的终端 进行交互式操作的问题。 关于i e e e 8 0 2 1 4 ，d o c s i s 和d a v i c d v b 的详细比较见表1 1 f j 4 】f 1 5j ( i 引。 表1 - 1d o c s i s ，i e e e s 0 2 1 4 和d a v i c ，d v b 的特点 d o c s se e e s 0 21 4d a v i c d v b 上行调制方式 q p s k 1 6 q a mq p s k 1 6 q a m q p s k 下行调制方式 6 4 q a m 2 5 6 q a m6 4 q a m 2 5 6 q a mq p s k 上行信道接入方式f d m a 厂r d m m c d m af d m a 佃m af d 【a 厂r d m a q o s u g s l a p s u g s a d ，c i rc r b ，v b a b r 安全r s d e sr s d e s 冲突解决 二进制指数后退 n 元树算法二进制指数后退 分组格式 i p 分组a t m 信元a t m 信元 上行速率 3 0 m b p sl o m b p s 1 0 m b p s 下行速率4 0 m b p s3 0 m b p s1 0 m b p s 1 1 3c a t v 宽带接入网络上行信道接入技术的现状及发展 c a t v 宽带接入网络的规范主要是关于p h y 层和m a c 层，m a c 层以上的 第一章绪论 各层均采用现有网络体系结构的协议，比如i e e e 8 0 2 1 4 采用的是a t m 的传输协 议，而d o c s i s 采用的是t c p i p 协议簇。所以高层的协议和规范并不是c a t v 网络规范关心的问题，它需要解决的是如何在c a t v 网络特有的网络拓扑上的通 信问题。 c a t v 网络原来是为传输单向的模拟信号的电视节目而设计的【17 1 ，原来的单 向的模拟信号的传输频率是从5 0 m h z 到4 5 0 m h z ( 个别地区稍微不同) 。由于采 用h f c 后，传输的频率已经提高到7 5 0 m h z 或更高( 1 g h z ) ，这样就为双向业 务的开展提供了便利的条件。比如d o c s i s l 1 规范中这样规定：5 m h z 到4 2 m h z 用于上行信道的传输，5 0 m h z 到4 5 0 m h z 用于模拟信号的电视节目传输， 4 5 0 m h z 到1 0 0 0 m h z 用于下行数字信号的传输，包括数据业务和数字电视节目 等，如图1 1 所示。 图1 - 1c a t v 网络频率分配方案 p h y 层的主要内容是关于编码和调制。比如d o c s i s l 0 规范规定上行传输 采用q p s k 或1 6 q a m 的调制方式，f e c 编码采用r s 编码等。上行信道被划分 成几个带宽为6 m h z 的子信道，就是f d m a ( 频分多址) ，每个子信道内采用 t d m a ( 时分多址) 的接入方式。而下行信道采用广播的通信方式。 m a c 层的主要内容是关于上行信道的接入( 媒体访问控制) 。由于上行通信 是用户端到头端的通信，因为c a t v 网络是树枝形的拓扑结构，用户端很多，而 头端只有一个，所以上行通信是多点对单点的通信。如果在同一时刻，两个或两 个以上的用户端在同一个子信道内进行上行通信，必定造成传输冲突，导致传输 的信息不可用，所以上行通信需要m a c 协议控制用户端的接入以及发生冲突后 电子科技大学硕士论文 j 舅尊舅舅置皇皇皇薯詈! e 囊_ i i i i i iq l 鼍盲鼍| 詈詈暑鼻鼍置量舅鼍墨 的重传。 由于c a t v 网络拓扑的复杂性，开发一个适合它的m a c 协议是一件非常困 难的事情【l ”。长期以来，对c a t v 网络的m a c 协议的研究都是各个大公司和大 学的研究热点，同时也是许多博士论文的研究方向。c a t v 网络的m a c 协议不 仅局限于自身，而且可以用于无线通信中。比如现在的i e e e 8 0 2 1 6 ( 无线城域 网) 中也采用d o c s i s 作为它的m a c 层规范的候选方案f j 9 1 ，所以研究c a t v 网 络拓扑上的m a c 协议对其他一些网络也有积极的作用。一旦d o c s i s 适合 i e e e s 0 2 ，1 6 ，那么也就意味着i e e e 8 0 2 t 6 的制订过程将大大缩短，因为d o c s i s 已经比较成熟，i e e e 8 0 2 1 6 所要做的工作仅仅是修改使之适合自己的特点。 i e e e 8 0 2 1 4 和d o c s i s 规范的主要工作是m a c 规范的制订，关键是上行信 道的接入问题。为此，在i e e e 8 0 2 1 4 制订的过程中，许多厂商为了在以后的竞 争中占据有利的位置向i e e e 8 0 2 1 4 提出了自己的建议，。这些厂商包括：c a b l e t r o n s y s t e mi n c ，n e cc o r p o r a t i o n ，z e n i t he l e c t r o n i c s ，g e n e r a li n s t n t r n e n tc o r p o r a t i o n ， s c i e n t i f i c a t l a n t a 等。但是最后i e e e 8 0 2 1 4 没有单独采用他们任何一家公司的建 议，而是综合了所有的建议。i e e e s 0 2 1 4 工作组所要做的工作就是制订出规范， 对规范的模型进行性能评估。 d o c s i s 规范的制订也是由各个大公司资助下，由c a b l e l a b s 完成的。另外 d o c s i s 模型的评估工作是由c a b l e l a b s 和m i l 3 公司完成【2 0 1 ，他们联合开发了 基于o p n e t 的c s f ( 通用仿真框架) ，主要用于d o c s i s 协议的性能评估。在 d o c s i s l 0 完成之后，1 9 9 9 年5 月，d o c s i s l 1 完成，主要增加了d o c s i s i ，0 缺少的q o s ，如u g s ( 主动授权业务) ，r t p s ( 实时轮询业务) 等。 i e e e 8 0 2 1 4 工作组和c a b l e l a b s 需要研究的还有p h y 层。宽带时代的特征 就是应用对带宽的需求大大提高，并且c a t v 网络的优势在于带宽，因此研究的 重点在如何提高c a t v 网络的通信容量。如果采用2 5 6 q a m 的调制方式，c a t v 网络的下行速率为4 0 m b p s 。如果采用1 6 q a m 的调制方式，上行速率最大只有 1 0 m b p s 。a d v a n c e dp h y ( 高级物理层) 是i e e e 8 0 2 1 4 最先开始研究的i2 1 1 ，最要 的任务就是提高上行信道的速率，2 0 0 2 年底完成的d o c s i s 2 0 规范的主要增加 的内容就是“高级物理层”。主要内容是：采用b r o a d c o m 公司的f a t d m a 和 t e r a y o n 公司的s