（通信与信息系统专业论文）基于ixp435平台的hinoc+mac层.pdf

摘要 随着近年来国家对“三网融合”的大力推进，迫切需要一种有效、可行、能满足 用户对多业务需求的宽带接入网技术。由我国科技工作者自主提出的h i n o c ( h l g h p e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ，高性能同轴电缆接入网) 技术因为具有接入速率 高、支持不同业务的q o s 、与原有有线电视网络兼容性好等优势，得到了快速发 展。 本文阐述了h i n o c 系统m a c 协议的主要机制和基于i x p 4 3 5 的样机平台系 统体系结构，介绍了样机平台h 1 p h y 层提供的接口，接着研究了在l i n u x 环境下， 基于样机平台的h i n o cm a c ( h i m a c ) 层软件，重点设计了h i m a c 驱动程序 的总体结构，并对影响整个软件工作的系统接口、初始化流程和中断处理模块进 行了详细设计和开发。接着，基于该总体结构，对接纳控制、汇聚子层等几个主 要功能模块完成了详细设计和实现。最后完成了m a c 层软件总体结构和主要模块 的调试与测试，测试结果表明所设计的软件工作基本正确，达到设计要求。 关键词：h i n o cm a c驱动程序总体结构 a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c eo fs t a t e s “t r i p l ep l a y i nt h ep a s ty e a r s ，aw i d e b a n da c c e s s t e c h n o l o g yw h i c hi se f f i c i e n t ，f e a s i b l ea n dc a nm e e tu s e r sm u l t i p l es e r v i c er e q u i r e m e n t i su r g e n t l yn e e d e d 。d u et oi t sh i 曲a c c e s sr a t e , s u p p o r to fd i f f e r e n ts e r v i c e sq o sa n d g o o dc o m p a t i b i l i t yw i t ht h eo r i g i n a l c a b l et vn e t w o r k s ，t h eh i n o ct e c h n o l o g y p r o p o s e db yo u rn a t i o n a lt e c h n i c i a n si n d e p e n d e n t l y , i su n d e r g o i n gar a p i dd e v e l o p m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h em a i nm e c h a n i s mo fm a c p r o t o c o la n dt h es y s t e m s t r u c t u r eo fi x p 4 3 5 - b a s e dp r o t o t y p ep l a t f o r m ，a n di n t r o d u c e st h eh i p h yl a y e r s i n t e r f a c e s a l s o ，u n d e rt h el i n u xe n v i r o n m e n t ，w es t u d yt h eh i n o cm a c ( h i m a c ) l a y e r ss o f t w a r e ，w i t ht h ee m p h a s i so nd e s i g no fd r i v e r s o v e r a l ls t r u c t u r e , a n dc o n d u c t d e t a i l e dd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa l lt h em o d u l e si m p a c t i n gt h es o f t w a r e so p e r a t i o n ， i n c l u d i n gs y s t e mi n t e r f a c e , i n i t i a lp r o c e d u r e ，a n di n t e r r u p tp r o c e s s i n g a n dt h e n ，b a s e d o nt h i so v e r a l ls t r u c t u r e ，w ew o r ko u tt h ed e t a i l e dd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs e v e r a lm a i n f u n c t i o n a lm o d u l e si n v o l v i n ga d m i s s i o nc o n t r o l ，c o n v e r g e n c es u b - l a y e r , e t c f i n a l l y , w e c o m p l e t et h em a cl a y e r so v e r a l ls t r u c t u r ea n dm a i nm o d u l e s t e s t i n ga n dd e b u g g i n g w i t haw e l ls i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c hs h o w sb o t hab a s i c a l l yc o r r e c ts o f t w a r e so p e r a t i o n 、 a n da na c h i e v e dd e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：h i n o c m a c ，d r i v e ro v e r a l ls t r u c t u r e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 我国有线电视经过2 0 多年的发展，其用户总数已超过1 7 亿户。按照我国数 字电视发展规划，国家广播电视总局从2 0 0 3 年开始大力推动以整体转换为特征的 城市有线电视数字化工作【l 】。到2 0 1 0 年年底，全国数字有线电视用户已达到8 0 0 0 多万户，大中城市基本实现了有线电视数字化。电视广播的数字化提高了有线电 视网络的频率资源利用率，有线电视实现数字化以后释放出一定的频率资源，这 些资源使有线电视网络运营商为用户提供多层次、多样化、个性化服务成为可能【2 】。 有线电视网络运营商提供的多层次、多样化、个性化服务需要以宽带双向有线 电视网络为基础。目前，我国有线电视网络的双向化程度还很低，不能适应新业 务的发展要求。因此，需要制定适合我国居住坏境和经济条件的有线电视双向化 改造和建设方案，更好更快的完成有线电视网络双向化建设的任务。2 0 1 0 年1 月 1 3 日，国务院温家宝总理主持召开国务院常务会议，决定加快推进电信网、广播 电视网和互联网的三网融合。三网融合的正式启动进一步提高了有线电视网络双 向化建设的紧迫性，双向化改造将是最近几年有线电视网络建设的重点任务之一， 今后有线电视网络的发展趋势将是数字化与双向化同步推进。 “三网融合”即原先独立设计、运营的电信网、有线电视网、互联网的相互渗透、 相互兼容，并逐步整合成为统一的信息通信网络。就我国目前现状，现阶段的“三 网融合”并不意味着三网的物理融合，而是指高层业务融合，表现为技术上趋于一 致( 采用以i p 分组交换为核心的体制) 、网络层互联互通、业务相互渗透和交叉等。 现在的主流观点认为，融合后的网络至少要能为用户提供高清、标清、宽带 上网以及可能出现的v o i p 等业务，可以提供各种业务的一站式服务。其中尤其是 i p t v 一直被认为是各网络走向融合的最佳切入口。根据这样的需求我们可以简单 计算一下：一路标清电视和高清电视分别需要6 m b p s 和2 5 m b p s 的带宽，一个家 庭如果同时收看一路高清、两路标清，再加上高速上网等业务，则至少需要4 0 m b p s 的接入带宽才能满足中长期用户的需求。另一方面，网络中数据和流媒体等各种 类型业务的同时存在，要求网络改善性能，并为各种类型业务提供不同的服务质 量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。传统的w w w 、文件传送和电子邮件等数据业务大 多采用t c p 协议传输数据，当网络发生拥塞时，t c p 有相应的拥塞控制机制；而 流媒体业务大多利用u d p 协议传输数据，u d p 没有拥塞控制机制，因此两种协议 流大量共存时，会产生带宽分配的不公平问题并且会导致网络拥塞。另外，流媒 2 基t - i x p 4 3 5 平台的h i n o cm a c 层软件设计与实现 体应用对网络提出了不同于传统数据应用的服务质量控制要求。当同时存在传统 数据业务和实时流媒体业务时，要求网络能够为它们提供适合各自需要的服务质 量保证。 我国现有的有线电视网络是以光纤为主干的光缆同轴电缆混合网络( h f c ) ， 有线电视网络双向化改造技术主要包括接入网光传输改造技术和用户接入网改造 技术两部分。随着光传输技术的进步，光节点离用户越来越近，“光纤到楼( f t t b ) ” 从技术上和经济上都是可行的，有线电视用户接入网的关键就变成“楼内接入网 的改造和建设，即有线电视网络的最后1 0 0 米。由于同轴电缆本身具有很高的物 理带宽，可以充分利用当前的有线电视网络的原有投资，并且无需大量改造室内 网络。综合考虑，f t t b + e o c 技术由于同轴电缆本身巨大的可用物理带宽，无处 不在的网络覆盖( 高达1 5 亿的有线电视网用户数) ，以及e o c 技术的可管理可配 置等优势，对数量庞大的用户来说，都会是首选的接入方案。 1 2 常见e o c 技术 随着国家“三网融合”力度的不断加大，f t t b + e o c 技术越来越受到重视。由 国家广播电总局牵头于2 0 0 9 年4 月发布了面向下一代广播电视网( n g b ) 电缆 接入技术( e o c ) 需求白皮书，明确了我国采用的e o c ( e t h e r n e to v e rc o a x ) 技 术在物理层和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层应该满足的条件，主要指出了以下 几点：为了兼容现在使用的有线电视系统，e o c 技术的标称信道带宽必须为8 的 整数倍；在上下行带宽总量约束条件下，应具备动态分配上下行的能力，以提高 带宽利用率；建议以t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ，时分双工) 的双工方式为基 础，采用预约许可和中心结点协调的t d m t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ， 时分多址) 机制实现多址接入和信道分配【4 1 。 本文中所描述的h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 技术是e o c 技术的一种。h i n o c 技术的网络拓扑采用中心节点h b ( h i n o cb r i d g e ) 控制 终端节点h m ( h i n o cm o d e m ) 的星型结构，便于h b 对带宽的动态分配和对 h m 的配置和管理。物理层使用同轴电缆7 5 0 m h z l 0 0 6 m h z 之问的空闲频带，可 以提供高达1 g b p s 的潜在物理层速率。h i n o c 建议草案采用f d m 的方式将该段 信道划分为若干个1 6 m h z 的信道，各信道均采用2 5 6 子载波的o f d m 技术，各 子载波调制模式可根据信道状况进行实时调整；每个1 6 m h z 信道可以构建一个 h i n o c 网络，各h i n o c 网络可以支持最多达3 2 个h m ，提供总量高达1 0 0 m b p s 的物理层传输速率，并可以根据用户需求，灵活的进行网络的配置。h i n o c 技术 m a c 层采用t d d 的方式实现全双工通信，下行方向上，h b 采用t d m 的方式与 各h m 通信，上行方向，h m 采用t d m a 的方式进行接入，采用预约授权加预先 第一章绪论 3 配置的机制实现各h m 上下行带宽的动态分配。 通过对h i n o c 技术的简要介绍我们可以看出，该技术是遵照上述白皮书对 e o c 技术的需求而设计的。下面我们给出h i n o c 技术与目前常见e o c 技术的主 要指标的比较，如表1 1 所示，并对其它e o c 技术进行了简要介绍和分析。 表1 1h i n o c 技术与常用e o c 技术的比较 h i n o cw i f io v e rc o a x h o m c p l u g h o r n e p n a 3 m o c a o 频谱7 5 0 m h z 2 4 g r h z2 3 0 m h z4 2 0 m h z0 9 。1 5 1 0 0 6 m h zg h z 调制方式o m mo f d mo f d m f d q a m o f d m 信道带宽 ( m h z ) 1 62 22 61 65 0 动态范围 ( d b ) 7 55 09 04 87 5 支持多信道支持不支持不支持不支持支持 m a c 层 c s m a +c s m a + 协议 t d m ac s m at d m a s t d m at d m a 数据带宽 高低 中 中高 传输距离较长短长较长较长 抗干扰性较好较好一般一般较好 可管理性可管理可管理可管理可管理可管理 现有有线网络较好，无需重一般，可能需要较好，无需较好，无需较好，无需 适应新布线更换分支器重新布线重新布线重新布线 价格适中适中适中适中较高 应h j 范围接入接入接入家庭网络家庭网络 通过以上各种常见的e o c 技术对比可以看到，h i n o c 技术在接入网应用上有 自己独特的优势，如该技术频谱效率高、支持多信道工作、符合广电频谱规划需 要、网络适应性较强等。但它也有自己的不足，那就是提出的时间比较短，市场 化程度不够，目前在市场上还没有成熟的产品。相信随着三网融合的加速推进和 h 矾o c 产业化步伐的加快，该技术会越来越成熟。本文工作的主要目的就是在 h i n o c 样机上实现h i n o c 技术的m a c 层协议，加速h 1 n o c 设备的产品化。 1 3 本文主要工作和内容安排 本文选题来源于国家高新技术发展计划( 8 6 3 计划) 课题：三网融合新型接入 4基y - i x p 4 3 5 平台的h i n o cm a c 层软f ，l ：设计与实现 技术一利用同轴电缆带外信道高速接入技术的研究。h i n o c 技术包含了m a c 层 技术和p h y 技术两方面，本文主要工作是研究基于i x p 4 3 5 的嵌入式平台的h i n o c m a c 软件的设计和实现，主要完成了以下三部分的工作：第一，研究了h i n o c 系统m a c 层机制。包含结点接纳机制、结点维护机制、信道预约机制、信道规划 机制和汇聚子层功能等方面。第二，在深入研究h i n o c 系统m a c 层协议的基础 上，分析了当前样机平台h i p h y 层提供的接口，研究了在l i n u x 环境下、基于当 前样机平台的h i m a c 层软件，重点设计了h i m a c 驱动程序的总体结构，将整个 驱动程序划分为数个模块，并对影响整个软件工作的系统接口、初始化流程和中 断处理模块进行了详细的设计和开发。第三，基于前文所述的软件总体结构，对 结点接纳机制、汇聚子层功能等几个主要模块完成了详细的设计、开发和实现， 并对m a c 层软件的总体结构和主要模块进行了调试和测试，测试结果表明所设计 的软件工作基本正确，达到了设计要求。 具体的工作内容和文章结构如下： 第二章介绍了h i n o c 技术，具体内容包括h i n o c 系统的应用场景、网络拓 扑、协议栈、帧结构以及h i n o cm a c 层的主要机制的基本原理和功能。 第三章首先介绍了当前基于i x p 4 3 5 嵌入式平台的开发样机体系结构，接着对 样机平台的h i p h y 板给出的接口进行了详细的分析，研究了样机平台h i m a c 层 与h i p h y 层之间的基本交互机制，最后对分析了l i n u x 环境下h i m a c 层软件， 完成了对h i m a c 驱动程序总体结构的设计，将整个驱动程序划分为数个模块，并 对影响整个驱动程序工作的初始化模块、中断处理模块、定时器模块和调试模块 进行了详细的设计、实现和测试，测试结果表明所设计驱动程序整体结构以及相 应的模块工作基本正确，达到了设计要求。 第四章研究了h i n o c 系统的结点接纳机制和汇聚机制，按照h i n o c 系统的 要求和h i m a c 驱动程序的总体结构，完成了当前样机平台下h i n o c 系统的结点 接纳模块和汇聚子层模块的设计和实现，给出了详细的测试结果，测试结果表明 所设计的两个模块能够基本完成h i n o c 系统的要求。 第五章总结论文工作，提出了进一步需要完成的工作。 第二章h i n o c 技术概述 5 第二章h i n o c 技术概述 h 1 n o c 宽带接入系统是一种新型的宽带接入技术，该技术要解决的问题是： 在当前f 1 陌b 已经存在的和正在广泛应用的背景下，如何利用有线电视网已有的 同轴电缆分配网络，构建最后1 0 0 米范围的宽带多业务接入网。 本章主要对h i n o c 系统组网方案、物理层方案和m a c 层协议等方面进行了 阐述。 2 1h i n o c 系统应用场景与网络拓扑 目前，很多地区已经实现了光纤到楼，h i n o c 技术是基于光纤到楼的现状提 出的宽带接入解决方案，通过添加h b 和h m 设备实现对以太网的支持。典型的 h i n o c 系统组网方式如图2 1 所示。 图2 1h i n o c 系统组网方式 图中虚线圈代表有线电视网络的楼内分配，在分配网络内，同轴电缆的带外信 道以频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 的方式分割成多个1 6 m h z 的频带，称为一个h i n o c 信道，每个h i n o c 信道上建立一个h i n o c 网络，该 1 6 m h z 频带由同一个h i n o c 网络内的h b 结点和多个h m 结点共享。每个h b 6基y - i x p 4 3 5 平台的h i n o cm a c 层软件没计与实现 最多可以支持高达3 2 个h m ，通过使用o f d m 和高阶q m v l 调制技术，可以为终 端用户提供超过4 0 m b p s 的m a c 层传输速率。 l l m 图2 2 物理拓扑 h i n o c 网络由位于楼道的h b 和位于户内的h m 构成，在单个h i n o c 信道内， h b 设备和多个h m 设备组成总线型的物理拓扑结构，如图2 2 所示。但是从逻辑 来说，它却是如图2 3 所示的星型网络，在一个h i n o c 网络中，h b 处于中心控 制地位，各h m 可与h b 通信并受其控制，各h m 之间不能直接通信。 图2 3 逻辑拓扑 2 2h i n o c 系统协议栈与帧结构 h i n o c 系统包含物理层规程和m a c 层规程，m a c 层又由位于上部的汇聚 子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s ) 和位于下部的公共部分子层( c o m m o np a r t s u b l a y e r ，c p s ) 组成，h 1 n o c 协议栈如图2 4 所示。 第二章h i n o c 技术概述 7 高层 么、 j 【， jl 汇聚子层 ( c s ) m a 公共部分子层 c ( c p s )1r jl p 物理层 h ( p h y )1 ry 图2 4 协议栈 物理层定义了信号传输模式，包括物理层帧结构、信道编码以及调制技术。 h i n o c 系统物理层采用o f d m 技术进行调制，在1 6 m h z 信道内使用2 5 6 个子载 波，其中有效子载波为2 1 0 个，各子载波可以根据信道状况自适应的采用q p s k 、 8 q a m 直至1 0 2 4 q a m 的调制方式。可选择采用b c h ( 5 0 8 ，4 7 2 ) 码或b c h ( 5 0 4 ， 4 3 2 ) 码进行前向纠错，物理层帧均由前导序列和物理层载荷组成【i l 】。 m a c 层分为c s 子层和c p s 子层两部分，其中c p s 子层作为m a c 层的核心 部分，实现接纳维护、预约授权、信道分配等重要功能。 c s 子层作为c p s 子层与高层业务的适配层，主要负责对高层业务数据进行打 包拆包、地址学习、帧转发以及优先级映射等功能。 为实现m a c 层各项功能，h i n o c 系统定义了三类h i n o cm a c 帧( h i m a c 帧) ，分别是控制帧，数据帧和信令帧。控制帧和数据帧的帧结构一致，如图2 5 所示，都包括首部、载荷和尾部三部分，帧首部占8 个字节，包含了源节点号、 目的节点号、帧长度、帧类型、子帧个数等域；载荷部分根据类型有所不同；尾 部均为4 字节的c r c 校验结果，用于收端对帧进行检错。他们都被封装到物理层 的d d d u 帧中传输【l 。 比特0 首部载荷尾部 酋部结构l = - i 。，7 l a 蔓1 d e s t i n a t i o nn o d ei d s o u r c e _ n o d e i df r a m e l e n g t h f r a m et y p e s u b f r a m e _ n u m r e s e r v e d 图2 5 帧结构 控制帧用于实现信道预约和信道分配功能，相应的访问控制信息保存在其载荷 域中。控制帧包含m a p 帧和预约帧，m a p 是h b 用来发布信道分配方案，由h b 结点向h i n o c 网络广播；预约帧是h m 结点用来预约信道，由h m 结点向h b 结 点单播。数据帧用于承载上层以太网业务，其载荷域包含个或多个h i m a c 8 基丁i x p 4 3 5 平台的h i n o cm a c 层软件设计与实现 信令帧结构如下图所示，包含首部和载荷两部分。信令帧则主要用于实现结点 接纳、结点退出和链路维护过程中h b 和h m 之间的信令交互，功能不同的信令 帧具有不同的载荷。 信令帧分为下行信令帧和上行信令帧，其帧结构分别如图2 6 和图2 7 所示。 1 6 字节 图2 6 1 - 行信令帧格式 图2 7 上行信令帧格式 2 3k i l n o cm a c 协议基本机制 2 3 1 接纳维护机制 h i m a c 系统规定了各个h m 必须先接纳到h i n o c 网络后，才能访问信道。 结点接纳是在h m 结点和h b 结点间通过p d p u 帧交互m a c 层信令帧，实现新结 点进入网络的过程。新结点经过结点接纳过程进入h i n o c 网络，需要进行网络搜 索，接纳请求与接纳相应交互，上行信道训练，下行信道训练等一系列的过程， 确定上行和下行信道信号收发时使用的子载波调制方式、功率控制和信道估计等 相关参数，并最终加入网络。h i n o c 网络搜索有指定频率搜索和切换频率搜索两 种方案。具体的结点接纳机制会在第四章详细介绍。 链路维护功能是由于受到外在条件的影响，比如噪声、温度等因素，h b 和已 经接纳的结点直接的信道特性会随着时间而变化，所以需要重新进行上行信道训 练和下行信道训练，更新h b 结点和各个h m 结点问双向链路的信道参数，保障 网络高速运转。一般情况下，h b 结点按周期轮训各个h m 结点进行链路维护，但 当信道条件变化，特别是信道条件恶化时，会触发链路的维护操作。 2 3 2 预约许可机制 h i m a c 协议中整个信道( 物理层p d 、p u 帧除外) 被划分为在时问轴上连续 且互不重叠的m a p 周期。每个m a p 周期内有一个m a p 帧。每个m a p 周期的起 第二章h i n o c 技术概述 9 止时刻以及该周期内的信道分配方案，由上一m a p 周期的m a p 帧进行规划。如 图3 1 所示，第n 个m a p 周期内的信道如何分配由第( n 一1 ) 个m a p 周期内的 m a p 帧分配。 h i m a c 协议中整个信道( 物理层p d 、p u 帧除外) 被划分为在时间轴上连续 且互不重叠的一个个m a p 周期( m a pc y c l e ) 。每个m a p 周期内，h b 结点广播 一个m a p 帧，用于规划下一个m a p 周期的信道使用情况，即规定下一个m a p 周期的起止和周期内多个h i m a c 帧的发送时隙及其相关信息，各个h m 结点通 过解析m a p 帧获得下一个m a p 周期的信道分配情况。信道上的m a p 周期如图 2 8 所示。 图2 8 信道上的m a p 周期 一个m a p 周期内可以发送多个预约帧和上下行数据帧，但只能包含一个 m a p 帧。m a p 周期内典型的信道使用情况如图2 9 所示，先是上行数据区，接着 是预约区，它们构成上行区，再接着是下行数据区，最后是m a p 帧，它们构成下 行区。上下行区的划分为了避免h i n o c 设备的收发信机在收发状态间的频繁转 换。 u a p , 周期二， 一+ 一+ + 。一 巨三正珀正暖弦+ 图2 9 m a p 周期的规划 m a p 帧帧结构如图2 1 0 所示，其载荷部分包括m a p 子首部、一个或多个许 可单元( g e ) 。 三岂竺皇竺謇1 ：二一雯龙豸乏要三i 三熹雯 盟j 裟j i 锄i瑟翦翟訇三堑登一盗 图2 1 0m a p 帧结构 m a p 子首部用来指明下一m a p 周期的起止时刻。个g e 对应h b 规划的 一个m a c 帧。g e 用来指明下一m a p 周期内对应m a c 帧的信息，包括目的源 结点标识( d e s t i n a t i o nn o d ei d s o u r c en o d ei d ) 、帧类型 ( f r a m e j y p e ) 、许可单元i d ( g e i d ) 、所占用的o f d m 符号个数 l o 基丁i x p 4 3 5 平台的h 1 n o cm a c 层软件设计与实现 ( o f d mn u m ) 、起始时刻( s t a r to f f s e t ) 和信道占用时长( d u 砒盯i o n ) 。 h i n o c 系统的信道上除了m a p 周期内的各帧之外，还存在p d p u 帧。p d 帧 是一种下行的广播物理帧，p u 是一种上行的单播物理帧，它们被用来承载m a c 信令帧。h i n o c 网络中，p d p u 帧以固定的周期( 长度为参考值为6 5 5 3 6 u s ) 出 现在信道上，所以m a p 周期只能占用剩余的信道时间，并且m a p 周期不能跨越 p d 、p u 帧。m a p 周期与p d 帧、p u 帧关系如图2 1 1 所示。 二二三：= 乏：= 1 一一一一 i + 一一h 卜葡蕊_ 。一4 卜一，”。i 一 i i 一一面蒜一一叫 np p o 卜鳓1r 理1 一，一一，一，j、j ：、 - 一- - - 一- - - 一一、，一一_ ，- 、一一， 、 、 r ， ：嗣 附朋 m p 曩褂m 恫期 隅肭 m r 用辫m a p 周搠 多 图2 1 1m a p 周明与p d p u 帧的关系 各h m 使用预约帧向h b 请求带宽。预约帧的格式如图2 1 2 所示。其载荷部 分包括一个预约子首部( r e s e r v a t i o ns u b h e a d e r ) ，并紧跟零个或多个预约单元 ( r e ) 。预约子首部包括本预约帧中预约单元的个数( r en u m ) 、链路维护请求 ( l m、继续预约标识(及其优先级( 。_req r e s e r v a t i o nflag)prin e x t ) 每个预约单元( r e ) 中包含预约一个帧的相关信息，包括该帧类型 ( f r a m et y p e ) 、预约单元标识( r ei d ) 、优先级( p r i ) 、所占用的o f d m 符 号个数( o f d mn u m ) 和信道占用时长( d u r a t i o n ) 。 一j 砷 e 一二二警( 二j 一二工：二一， 融，i 嘤龇哆一。r e s 乒孑孑= z = 三习 r e l 墨i 菡h 墨i 竺! j 二二一【一竺二_ j匿竺i j 正：望篓：昏刊 f - r e s e r v a t l o n _ f l a g 图2 1 2 预约帧格式 各h m 必须按照m a p 帧的规定，在h b 分配给自己的预约时隙发送预约帧。 获得预约帧发送时隙的h m 每次可以为自己预约多个数据帧的传输时隙。h m 结 点在生成预约帧时，应当按照优先级高低顺序安排各r e 内容，将高优先级帧的r e 放在低优先级r e 的前面。当h b 给某个h m 分配了预约帧发送时隙，该h m 不 论是否有数据要发送，都必须返回一个预约帧。如果没有数据要发送，该预约帧 不包含任何r e 。如果h m 在连续多个预约帧发送时隙都没有发送预约帧，则h b 应将其从网络中删除，不再为其分配信道资源。 第二二章h i n o c 技术概述 对于来自某个h m 结点的带宽请求，h b 必须在该h m 结点发送下一个预约帧 之前要么在m a p 帧中准许其带宽请求，要么将该带宽请求丢弃。如果一个h m 在 发送下一个预约帧之前还没有收到来自h b 对前一个预约帧中某个r e 的许可，则 认为前一次发送的r e 被h b 拒绝，h m 在新预约帧中可以重新发送对该帧的预约。 对于相同优先级类型的所有业务，h b 必须保证对来自同一h m 结点的带宽请求的 准许顺序与该结点预约帧中预约单元的顺序相同。这保证了同一业务中数据帧的 顺序不会被h i n o c 系统m a c 层打乱，也避免了为数据帧重新排序的时间开销。 2 3 3 汇聚子层 h i n o c 汇聚子层的主要功能是实现m a c 层核心功能与高层功能的适配。 目前，h i n o c 汇聚子层主要完成了将接收高层数据单元( p d u ) ，并将其封装 成h i m a c 帧，然后交给公共部分子层处理以及对应的反方向操作，除此之外，为 支持区分服务，给不同业务提供不同的服务质量，h i n o c 系统为数据提供了三个 优先级类型，汇聚子层需要对到来的高层业务进行优先级映射，将不同的高层业 务映射到相应的h i m a c 优先级类型。同时，为了使h b 结点正确及时地转发发 往不同用户终端的以太网数据，汇聚子层需要完成以太网地址学习与转发表构建， 将用户终端和不同的h m 结点联系起来。为了提高m a c 层的吞吐量和链路利用率， 汇聚子层提供了数据帧打包拆包机制，发往相同结点相同优先级的业务数据可以 封装到一个h i m a c 帧内进行传输。 本文的后文中将对h i n o c 汇聚子层进行详细的研究和设计。 第三章h i n o cm a c 层软件总体结构没计 1 3 第三章h i n o cm a c 层软件总体结构设计 本章介绍了h i n o c 样机的系统体系结构和交叉编译环境，分析了样机平台 h i p h y 提供的接口以及h i m a c 与h i p h y 之间的交互机制，在此基础上，按模块 化的思想设计了h i m a c 驱动程序的整体结构，对影响整个驱动程序的几个模块进 行了详细的设计和开发，并给出了测试结果。 3 1h i n o c 样机系统体系结构 图3 1 所示为样机结构框图，从左到右依次为：实现h i n o c 技术m a c 层功 能的h i m a c 板、将软件处理的抽象数据与基带模拟信号相互转换的h i p h y 板、 将基带信号和中频信号相互搬移的中频板，其中h i p h y 板和中频板配合实现了 h i n o c 技术p h y 层功能，样机这三部分功能相对独立【1 2 】。 n e t w o r k p r o c e s s o r ( 1 x p 4 3 5 ) p c i 秆黑 6 4 m h z s y s c l k 图3 1h i n o c 样机框架图 图3 2 为h i p h y 板的主要芯片，主要包括两个方面的接口： ( 1 ) 与射频芯片的数据接口，包括模拟数据接口和数字数据接口； ( 2 ) 与i x p 4 3 5 的接口，包括： ( 2 1 ) p c i 接口； ( 2 - 2 ) 断信号接口 降 板 一 1 4基于i x p 4 3 5 平台的h i n o cm a c 层软件设计与实现 i n t 广一1 广一一j 卜11 竺竺i 匹型 墨 罱 g 匠) 一 图3 2h i p h y 芯片框架图 h i m a c 板是一块采用i n t e lx s c a l ei x p 4 3 5c p u 的嵌入式开发板，m a c 层驱 动程序就运行在这里，控制整个h i n o c 板的工作；它通过一条中断信号线和一条 总线与h i p h y 板相连。当h i p h y 板上有事件发生时，拉低中断信号线电平产生 中断信号通知c p u ，c p u 读取h i p h y 板的中断状态寄存器判断事件的类型，进 行相应的处理。总线用于h i m a c 板和h i p h y 板之间传送配置参数以及收发数据， c p u 对整个h i p h y 板的寻址能力为1 m 字节。d a a d 部分与r f 模块配合，对样 机发送的数据进行数模转换和调制。 图3 2 中的h i p h y 控制器( h i p h yc o n t r o l l e r ) 是h i p h y 板的核心部分，控 制h i p h y 层的功能；h i p h yt i m e r 提供一个精确的时钟源可供h i m a c 板使用； s r a m 中存放了系统相关的数据、控制信息等；寄存器区( r e g i s t e r ) 是控制与显 示h i p h y 板运行状态的寄存器组；t xf i f o 和r xf i f o 为数据发送和接收队列， 通过d a 和a d 变换把数据发送到射频模块上。软件部分主要关注如何通过h i p h y 板提供的接口，操作这些寄存器和p a m 来互相配合完成整个h i n o c 样机的功能， 因此这些存储空间将是后面软件中关注的重点。 3 2 交叉编译及调试环境介绍 由于嵌入式系统性能有限，在嵌入式系统中运行的程序通常在p c 机上进行开 发和编译，为此需要在p c 端建立目标板的交叉编译环境，所谓交叉编译环境是指 为了在p c 机上编译出能运行在嵌入式操作系统中的二进制代码，p c 端需要拥有 的适用于目标板中操作系统的编译、链接工具，以及目标板操作系统的源码树。 编译、链接工具可以根据目标板使用的操作系统自行编译生成，但比较繁琐；通 常开发板会提供编译好的编译、链接工具，我们仅需要修改一些环境变量，就可 第三章h i n o cm a c 层软件总体结构设计 1 5 以方便的使用编译好的工具。 图3 3 为我们进行h i n o c 协议m a c 层软件开发时使用的开发测试环境的示 意图，开发过程在p c 机上完成，开发板主要负责编译好的二进制码的调试和执行。 为了提高开发效率，p c 机使用l i n u x 操作系统，并在系统内建立了用于嵌入式板 中a r m 1 i n u x 系统的交叉编译环境。 据 ( 嵌入式开发板)( 嵌入式开发板) 图3 3 开发测试环境 p c 机与h i m a c 板通过串口与网口相连。串口可供p c 机中的l i n u x 使用 m i n i c o m 进行交互( 包括显示输出信息、输入命令等) 。对在p c 机中编译生成的 二进制文件，h i m a c 板通过网口使用t f t p 下载并加载执行，输出结果显示到p c 机上的m i n i c o m 中。 进行性能测试时业务数据由网口a 进入设备，依次经过h i m a c 板、h i p h y 板、中频板处理后发送到同轴链路上；接收数据时顺序刚好相反。 3 4h i m a c 与h i p h y 的接口 样机平台的h i p h y 板实现了h i n o c 技术中p h y 层规范中的大部分功能，内 部功能较为复杂。h i p h y 板接口中的存储区域大小为从地址0 x 9 2 0 00 0 0 0 到 0 x 9 2 0 f f f f f 之间的1 m 字节，设计的参数和数据存放格式如图3 4 所示。从m a c 层软件的角度考虑，需要关心的是h i p h y 与h i m a c 之间的三组数据控制接口， 分别为数据区、控制信息区和寄存器区。 一1 6 一 基y - i x p 4 3 5 平台的h i n o cm a c 层软什设计与实现 _ _ - - _ 一 o x f f f f f r cf l f 0 r xf i f 0 t xf i f 0 r e s e r v e d s n rr a m 图3 4h i p h y 板存储区域 数据区包括r c f i f o 、r x f i f o 和t x f i f o ，存放h i p h y 板需要发送和接 收到的所有h i n o c 帧，需要发送和接收到的数据帧存放在t xf i f o 和 r x f i f o 中，接收到的控制帧存放在r c f i f o 中。对h b 来说，接收到的控 制帧即为h m 发送的预约帧，而对h m 而言，接收到的控制帧为h b 广播的 m a p 帧。 控制信息区存储h i p h y 板提供给h i m a c 层软件的、以及h i m a c 层软件配 置h i p h y 板所用的物理参数和控制信息等，包括h i p h y 板进行收发的控制和 状态信息，如每个m a p 周期内的发送接收指令、信道幅度相位参数、收发时 各子载波的调制模式、信道的信噪比等。按照内容可以分为信噪比参数区、调 制格式区、信道估计信息区、p h y 帧载荷区和m r e q 区： 信噪比参数区( s n r r a m ) ：用于存储收到的各子载波的信噪比估计值， 该值是由h i p h y 板根据p d p u 帧，在h i n o c 接纳和维护过程中估计得到。 对于h b 来说各h m 的接纳维护过程都是连续的行为，所以整个估计过程 是对同一h m 进行的，当接纳或者维护完成，需要将获得的信噪比参数读 取到h i m a c 层保存，并且将h i p h y 层的该值清零；而对h m 设备则可 以一直接收p d 帧，根据配置进行下行信道的估计，而上行信道估计需要 根据h b 的指定来开始。该区域的值将会被m a c 程序调用，根据一定的 算法来生成相应的调制格式信息。 调制格式区( r t m p r a m ) ：存储o f d m 符号各子载波的调制模式，对 h b 设备而言，发送时除了向最多3 2 个h m 设备发送单播数据外，还要发 第三章h i n o cm a c 层软件总体结构设计 1 7 送广播帧、m a p 帧等，而接收时最多从3 2 个h m 设备接收单播数据，因 此用于接收的参数区少于用于发送的参数区。h m 设备只能将数据发往 h b ，所以仅有一个发送参数区，接收时因为会收到h b 的单播、广播、 m a p 帧等不同帧，所以需要多个接收参数区。 信道估计信息区( i 沂c h er a m ) ：r t c h er a m 用于存储收发链路用 的信道估计信息，其中r c h er a m 用于接收链路的预均衡处理， t c h er a m 用于发送链路的预均衡处理。h b 发送数据时不进行预均衡， 接收数据时要对最多来自3 2 个h m 设备的信号进行均衡，因此收发分别 需要3 2 1 个信道参数区；h m 收发数据均只能针对h b ，因此均只需要一 个信道参数区。 一p h y 帧载荷区( r t p h yr a m ) ：r t p h yr a m 分别用于存储接收和发 送的p d p u 帧的p a y l o a d 数据。每个p d p u 帧的载荷大小为7 2 0b i t s 。同时 其中还存储了p d p u 的c r c 校验结果。 一m r e q