（通信与信息系统专业论文）基于ixp425平台的hinoc网络驱动程序设计.pdf

摘要 三网融合的加速迫切需要一种有效、可行、能满足用户对多业务需求的宽带接 入网技术。h i n o c ( h i g hp e r f o r m a n c e n e t w o r ko v e rc o a x ) 利用家庭普及率最高的 有线电视网已有的同轴电缆分配网络，组建了一种新型的最后1 0 0 米范围内的宽 带接入网。 h i n o c 系统协议栈包括物理层和m a c 层。本文利用以太网模拟h i n o c 物理 层，基于i x p 4 2 5 嵌入式平台设计了h i n o cm a c 层协议仿真坏境，并对m a c 协 议的性能进行了测试和分析，该测试环境可以对h i n o cm a c 协议进行有效研究， 测试结果表明h i n o cm a c 协议可以提供较高的业务吞吐量和较平稳的时延。同 时，在设计h i n o c 系统验证平台过程中，需要采用p c i 总线的d m a 机制访问双 口r a m ( d p r a m ) ，以实现h i n o cm a c 层和物理层之间的高速数据交互。为此， 本文设计和实现了基于p c i 控制芯片p l x 9 0 5 4 的d m a 驱动程序，并通过测试验 证了驱动程序设计的正确性。 关键词：h i n o c 嵌入式系统仿真p c i 驱动d m a a b s t r a c t t h ea c c e l e r a t i o no ft r i p l e n e t w o r kc o n v e r g e n c e u r g e n t l yn e e d sab r o a d b a n da c c e s s t e c h n o l o g y , w h i c hi se f f e c t i v ea n df e a s i b l ea n dc a ns a t i s f yt h ed e m a n d so fm u l t i s e r v i c e c o m m u n i c a t i o n 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 ) u s e st h ee x i s t i n g c o a x i a lc a b l ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k si nc a b l et e l e v i s i o nn e t w o r k sw h i c ha r eu s e dw i d e l v i nf a m i l i e s ，t oc o n s t r u c tan e wl a s t10 0 m e t e rb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k h i n o cp r o t o c o ls t a c ki n c l u d e sp h y s i c a ll a y e ra n dm a c l a y e r t h ep a p e ru s e st h e e t h e m e tt os i m u l a t et h ep h y s i c a ll a y e ro fh i n o ca n dd e s i g n st h eh i n o cm a c l a y e r s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tb a s e do ni x p 4 2 5p l a t f o r m t h ep e r f o r m a n c eo fh i n o cm a c p r o t o c o la r et e s t e da n da n a l y z e da n dt h et e s te n v i r o n m e n tc a np r o v i d ee f f e c t i v es t u d v f o rh i n o cm a c p r o t o c 0 1 t h er e s u l t ss h o w st h a th i n o cm a c p r o t o c o lc a np r o v i d e h i g ht h r o u g h p u ta sw e l la ss t e a d yt r a n s m i s s i o nd e l a y a tt h es a m et i m e ，h i n o c r e q u e s t s a i la c c e s sr a t eo f4 0 m b p s ，t h i sr e q u i r e sa h i g h s p e e dd a t ae x c h a n g eb e t w e e nh i n o c m a ca n dp h y s i c a l l a y e r i nt h ed e s i g np r o c e s so fh i n o ct e s t i n gp l a t f o r m t h e h i g h s p e e dd a t ae x c h a n g eb e t w e e nh i n o cm a ca n dp h y s i c a ll a y e ri sa c h i e v e db v u s i n gt h ed m am e c h a n i s mo fp c ib u s t h e r e f o r e ，d m ad r i v e rb a s e do nt h ep c i c o n t r o l l e rc h i pp l x 9 0 5 4i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e da n dt e s t sa r e p e r f o r m e dt ov e r i f y i t sc o r r e c t n e s s k e y w o r d s ：h i n o c ，e m b e d d e ds y s t e m s ，s i m u l a t i o n ，p c id r i v e r , d m a 西安电子科技大学 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：金叁 日期 2 口o p 5 f 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 金叁f t 期2 o o 同期# 上生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着信息技术的快速发展和社会信息化需求的增加，“三网融合”已经成为国 际信息化发展的主流趋势，世界各国普遍加快了“三网融合”的进程，我国在“十 一五”规划纲要中也明确提出“加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等 信息基础设施建设，推进三网融合的发展目标，这一规划必将对我国网络融合 与发展产生深远影n l ；j f 。 三网融合是一种广义的、社会化的说法，并不意味着电信网、计算机网和有 线电视网三大网络的物理融合，而主要是指高层业务应用的融合【2 1 。其表现为技术 上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层上互相渗透和 交叉，应用层上趋向使用统一的i p ( i n t e m e tp r o t o c o l ，互联网协议) 协议。三大网 络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。 三网融合不是简单的三网相加，其本质是建成国家信息高速公路，实现网络 从传输、接入到交换各个层面的宽带化。作为这场通信信息变革中最关键部份之 一的接入网，目标就是建立一种丌放的全业务宽带接入网：将各种应用性技术融 于一网，使用户能高速自由地接入任意业务、透明地接入任意网络，从而加速三 网融合的进程【3 】。当前骨干网的带宽已可以满足业务需求，作为通信网中与用户相 连的“最后一公罩”网络，接入网速率成为影响业务融合的瓶颈。以一路数字化 s d t v ( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt v ，标清电视) 和h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt v ，高清 电视) 节目分别需要6 m b p s 和2 5 m b p s 带宽来计算，一户普通家庭同时收看2 套 标清电视和l 套高清电视节目，再加上音频和部分上网带宽，则每户所需接入速 率至少为4 0 m b p s l 4 1 。而我国目前铺设的接入网当中，最高速率仅为1 0 - 2 0 m b p s ( 大部分地区仅为几m b p s ) ，因此，进行接入网改进，提高接入网带宽，是新一 代宽带网络建设的关键所在，也是推进“三网融合成功实施的重要基础。 1 2 宽带接入网技术 宽带接入技术是指把用户高速接入宽带i p 网络所涉及的接入技术。 目前的宽带接入技术，按照传输介质分类，当前主要的接入方式有同轴电缆 接入、五类线接入、电话线接入、光纤接入及无线接入等类型。 摹于i x p 4 2 5 甲白的h i n o c 网络驱动程序设计 1 1 1 基于同轴电缆的c a b l em o d e m 接入技术 现存着两种c a b l em o d e m 技术规范一i e e e8 0 2 1 4 5 1 和工业界推出的 d o c s i s t 6 1 。i e e e8 0 2 1 4 是i e e e 制定的基于h f c ( h y b r i df i b e rc o a x ，混合光纤 同轴电缆) 的物理层( p h y ) 和媒质接入子层( m a c ) 的协议。由于是一个基于 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步转移模式) 的技术规范，并且没有得到 工业界的强大支持，并未得到广泛应用。d o c s i s ( d a t ao v e rc a b l es e r v i c ei n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n s ) 由工业界联合发起，以i p 为核心制定，得到工业界的广泛支持， 因此当前的c a b l em o d e m 产品都是依据它而开发的，d o c s i s 成为了事实上的 c a b l em o d e m 接入标准。二种标准的差异很小，其主要思想和设计机制都是相同 的，二者的物理层和m a c 层机制十分相似，仅在冲突分解算法方面、高层业务映 射方式等方面存在不同，在上行信道的多址接入方式上也有微小差别。 当前的c a b l em o d e m 技术是基于h f c 网络设计的，而h f c 网络在实现宽带接 入，存在以下主要问题：1 ) 为支持双向通信，必须对现有的同轴线网络进行双向 改造。2 ) 上行通道工作频率在5 - 4 2 m h z ，在这一段频段工作时，有较大的工业和 民用电器噪声的干扰。3 ) 当前我国的h f c 网，虽然光纤结点越来越靠近用户( 电 缆半径在5 0 0 米以内，有的已达到了3 0 0 米以内) ，且每个光结点覆盖用户在减少 ( 在5 0 0 户以内，有的达到了3 0 0 户以下) ，但用户数仍然较多，上下行信道内的 数据速率由多个用户共享，因此每个用户实际获得的带宽有限，难以满足用户对 多种业务应用的需求。因此，在我国c a b l em o d e m 接入技术不是一种可行的多业 务宽带接入方案。 1 1 2 五类线( c a t - 5 ) 接入 目前常用的五类线技术( i e e e8 0 2 3 ) 【7 】可以提供用户独享的1 0 0 m b p s 速率范 围为1 0 0 米。由于五类线技术的覆盖距离有限，目前它主要和f 1 v r b ( f i b e r t ot h e b u i l d i n g ，光纤到楼) 整合在一起给用户提供宽带接入，利用光纤加五类线方式实 现宽带接入方案。f t t b 实现千兆光纤到小区( 大楼) 中心交换机，中心交换机和 楼道交换机以百兆光纤或五类网络线相连，楼道内采用综合布线，五类线入户， 用户上网速率可达1 0 0 m b p s ，网络可扩展性强，投资规模小。对于已经入主的住 户而言，五类线接入方式的最大缺点是需要重新布线，容易受到家庭用户的排斥， 因此这种方式通常只适于新修的小区。 第一章绪论 1 1 3 基于电话线的x d s l 接入技术 电话线接入在宽带接入技术领域居于主流地位，其本身正不断向高宽带、长距 离和对称性方向发展，最高下行速率从a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ， 非对称数字用户线) 的8 m b p s 提升到a d s l 2 的1 2 m b p s 、a d s l 2 + 的2 4 m b p s 以 及v d s l ( v e r yh i 曲s p e e dd s l ，甚高速数字用户线) 的5 2 m b p s 【s 】【9 1 。 电话线接入的优点是：覆盖面广、线路成本低，安装便捷；由于采用星形的拓 扑结构，用户之间在物理上互相隔离，有很高的安全性；每个用户都独享一条传 输线路，可以保证带宽。 a d s l 在我国是主要的接入技术。受到线路条件等方面的制约，我国a d s l 接 入的速率一般为5 1 2 k 2 m b p s 以下，在支持i p t v ( i n t e r n e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ，网 络电视) 等新型多媒体业务方面存在带宽局限。2 0 0 6 年开始，中国电信丌始为其 在国内2 6 个省份的现有a d s l 网络升级为a d s l 2 a d s l 2 + ，从而提升现有宽带 网络，使传输速率达到2 m b p s 以上。在苏州2 0 0 5 年1 2 月进行的测试中，采用 a d s l 2 + 的用户实际下载速率可以稳定在8 8 m b p s 。a d s l 技术的网络升级为i p t v 业务的开展和应用奠定了基础。 但是在“三网融合”驱动下，用户需求多样化带来了对带宽需要量的大大增加。 a d s l 无法满足每户家庭需要带宽至少在4 0 m b i t s 以上的需求，即使采用a d s l 2 + 或v d s l 技术也只能在短距条件下达到这样的下行带宽水平，还要付出线路改造 的成本。从物理性能上来说，双绞线可以利用的带宽较小，提升到更高速率的空 问有限，因此在支持新的多媒体和多业务方面潜力不足。另外，家中电话线的接 口往往离电视机较远，不便于支持以视频业务为主的业务应用。 1 1 4 基于p o n 技术的f t t h 接入 无源光网络( p o n ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 采用无源器件，是基于f t t h ( f i b e r t ot h eh o m e ，光纤到户) 实现宽带光接入网最有潜力的技术【旧】。p o n 包括a p o n ( a t mp o n ，基于异步传输模式无源光接入网) 、b p o n ( b r o a d b a n dp o n ，宽带 无源光网络，) 、e p o n ( e t h e r n e tp o n ，以太无源光网络) g e p o n ( g i g a b i te t h e r n e t p o n ，基于千兆以太网的无源光网络) 和g p o n ( g i g a b i t c a p a b l ep o n ，千兆无源 光网络) 等技术。目前被看好的是e p o n 和g p o n 。 p o n 技术的优点是：1 ) 由于接入网中去掉了有源设备，从而避免了电磁干扰 和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，降低了相应的运维成本；2 ) p o n 的业务透明性较好，带宽宽，可适用于任何制式和速率的信号，具备支持多重业 基于1 x p 4 2 5 ，f 台的h i n o c 网络驱动程序设计 务功能；3 ) 由于其局端设备和光纤由用户共享，因而线路成本较其他点到点通信 方式要低，土建成本也可以明显降低。随着光纤向用户同益推进，其综合优势越 来越明显；4 ) 考虑采用p o n 技术后比较容易继续提供传统的模拟视频节目。 p o n 的主要缺点是：1 ) 一次性投入成本较高，因为局端光线路终端很昂贵， 光纤和分路器等无源基础设施又必须一次到位，这样当用户数较少或用户分布超 过某一限定距离时，每用户的成本很高；2 ) 其树型分支拓扑结构使用户不具备保 护功能或保护功能成本较高，影响了大规模发展。 长远来看，f t t h 将是宽带发展的目标，但由于成本、业务需求、技术和竞争 等多方面的因素，f t t h 的演进将是一个漫长的过程。 1 1 5w i f i 和w i m a x w i f i 【j i l 2 】( w i r e l e s s f i d e l i t y , 无线高保真) 技术基于i e e e 8 0 2 1 1 规范。 i e e e 8 0 2 11 发布于1 9 9 7 年，是无线局域网领域第一个在国际上被认可的协议。1 9 9 9 年7 月，i e e e 提出8 0 2 1 l b 协议，用于对8 0 2 1 l 协议的物理层进行补充，之后又 推出了8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 、8 0 2 1 1 n 等一系列协议，从而进一步完善了无线局域网 的规范。目前，由于数据速率、覆盖范围和可靠性的差异，w i f i 技术在宽带应用 上将作为高速有线接入技术的补充。w i f i 技术具有可移动性、价格低廉的优点， w i f i 技术广泛应用于有线接入需无线延伸的领域，如临时会场等。而关键技术无 疑决定着w i f i 的补充力度。现在o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 、m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，多入多出) 、 智能天线和软件无线电等，都开始应用到无线局域网中以提升w i f i 性能，比如说 8 0 2 1 1 n 采用m i m o 与o f d m 相结合，使数据速率成倍提高。另外，天线及传输 技术的改进使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里。从当前w i f i 技术的应用看，其中热点公共接入在运营商的推动下发展较快，并在企业办公场 所也具有大量的应用。 w i m a x 1 4 】( w b r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互 操作性) 技术涉及到两个国际组织：i e e e8 0 2 标准委员会8 0 2 16 工作组和w i m a x 论坛。i e e e8 0 2 1 6 工作组是标准的制定者，主要针对无线城域网( w m a n ) 的物 理层和m a c 层制定规范和标准。w i m a x 论坛是i e e e8 0 2 1 6 技术的推广者，旨 在对基于i e e e8 0 2 1 6 标准和欧洲e t s i 的h i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进 行一致性和互操作性认证。当前，i e e e8 0 2 1 6 提及的主要是8 0 2 1 6 2 0 0 4 ( 即 8 0 2 1 6 d ) 和8 0 2 1 6 e 两个标准。2 0 0 5 年1 2 月最新颁布的i e e e8 0 2 1 6 e 协议作为 固定接入技术的扩展，在原有基础上在物理层对o f d m a 进行了扩展，增加了终 端用户的移动性功能，从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。 第章绪论 w i m a x 是种基于i e e e8 0 2 1 6 标准、非视距、点对多点的技术，专门为宽 带无线接入而丌发，数据吞吐率可高达7 0 m b p s ，传输距离可达5 0 公里。是针对 微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将8 0 2 1 l a 无线接入热点 连接到互联网，也可连结公司与家庭等环境至有线骨干线路。w i m a x 与需要授权 或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场。 w i m a x 的优势主要体现在这一技术集成了w i f i 无线接入技术的移动性与灵 活性以及传统宽带接入技术的高带宽特性，其技术优势可以概括如下：传输距离 远且接入速度快；系统容量大；提供广泛的多媒体通信服务；此外，在安全保证、 互操作性和应用范围等方面，w i m a x 也具有当大的优势。允许它们绕过铜缆或电 缆设施，采用更灵活、更便宜的无线连接，扩展其接入网络。 目前，w i m a x 标准还未完善，同时频段问题仍然困扰着w i m a x 的发展，全 球主流运营商仍然没有对其表示出足够的青睐。总体而言，无线接入目前只是作 为有线接入一种必要和有益的补充，从性能方面考虑，还不能作为家庭接入的首 要方式。 1 1 6 利用有线电视带外信道的接入技术 综上所述，面对业务融合的发展趋势，迫切要求提供一种有效、可行、能满足 用户对多业务需求的宽带接入网技术。而若考虑目前每个家庭用户4 0 m b p s 的需 求，从市场、技术、成本、用户接受程度等方面考虑，当前的各种接入技术都不 能满足要求，这就迫切需要研究丌发新的宽带接入网技术。我国现有1 3 亿有线电 视网用户，分布广泛的楼道和户内分配同轴电缆网络具有得天独厚的频带宽、容 量大、抗干扰能力强等优点。在这段有线电视网分配网络内没有放大器等有源设 备，无需进行改造就可以进行双向通信。因此作为家庭普及率最高的有线电视网， 则成为我们考虑实现这一目标的首选的传输媒质。 有线电视网8 6 0 m h z 以上的带外信道，由于长期无人使用，几乎一直是研究的 盲区。对这一频带的信道特性未见报道。国内在这一方面的研究据我们所知尚为 空白。国际上，由e n t r o p i c 、松下、同立、m o t o r o l a 等公司组成的电缆家庭网络组 织m o c a ( m u l t i m e d i ao v e rc o a x a l l i a n c e ) ，利用8 5 0 1 5 5 0 m h z 这一频带，提出了 用于家庭网络的实现方案，并推出了一些样品，进行了部分规模试验，并已币式 推入市场。在这一方案中，每个家庭的各个m o c a 结点设备利用有线电视电路组 成家庭网络，采用全互连网状拓扑结构。 该组织主要是侧重于家庭网络市场，即在一个家庭内部使用已存的同轴电缆构 建网络实现内部资源共享。在需求定位、网络拓扑、管理、网络规模等方面家庭 网络和接入网有很大区别。此外，由于各种原因，我国有线电视网络条件较为复 6基于i x p 4 2 5 ，f 台的h i n o cm 络驱动程序设计 杂，带外信道的性能可能和国外有较大差异，因此需要研究适于我国信道特性和 应用需求的带外信道接入网解决方案。 因此在当前f t t b 已经存在和普遍应用的前提下，如何利用有线电视网已有的 同轴电缆线路和分配网络，组建最后1 0 0 米范围内的宽带接入网，是我们研究的 目标。 论文工作来源于国家8 6 3 课题“利用有线电视网带外信道的多业务宽带接入网 技术研究”，课题研究目标在于自主提出一种利用有线电视网同轴电缆带外信道的 新的宽带接入技术，该技术被称为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 ) 。 该技术的主要技术指标是：单信道模拟带宽为1 6 m h z ，单用户m a c ( m e d i a a c c e s s c o n t r o l ，媒质接入控制) 层接入速率可达到4 0 m b p s 以上；m a c 层网络拓扑支持 点到多点的组网方式，单信道支持最大结点数不低于3 2 个；网络覆盖范围不小于 1 0 0 米，可实现包括h d t w s d t v 等流媒体在内的多业务宽带接入。 1 3 论文主要研究工作和内容安排 h i n o c 网络协议体系包括m a c 层和物理( p h y ) 层。本文围绕h i n o cm a c 协议的测试验证丌展研究工作。本文研究工作主要包括两部分。第一，由于在m a c 协议设计过程中，物理层设计工作同步展丌且目前尚未开发完成，为了尽早测试 验证m a c 层协议的性能，以便进行改进优化，本文利用以太网环境模拟h i n o c 物理层，基于i x p 4 2 5 嵌入式系统设计了h i n o cm a c 层协议仿真平台，并对m a c 协议的性能进行了测试和分析，该测试环境可以对h i n o cm a c 协议进行有效研 究，测试结果表明h i n o cm a c 协议可以提供较高的业务吞吐量和较平稳的时延。 第二，h i n o c 系统要求提供超过4 0 m b p s 的业务接入速率，这要求h i n o cm a c 层模块和p h y 层模块之间具有高速的数据交互能力；因此，在设计h i n o c 系统 验证平台过程中，采用p c i 总线的d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接存储器访问) 机制，实现对h i n o cm a c 层和物理层之间双口r a m ( d p r a m ) 的高速数据访 问。为此，本文设计和实现了基于p c i 控制芯片p l x 9 0 5 4 的d m a 驱动程序，并 通过测试验证了驱动程序设计的f 确性。 本文的内容安排如下： 第二章首先介绍了h i n o c 网络，包括h i n o c 接入网的应用场景、拓扑结构 和系统协议栈模型，然后具体介绍了m a c 层的相关机制，包括m a c 帧格式以及 网络搜索、网络接纳、信道分配机制和链路维护等。 第三章对嵌入式系统和l i n u x 系统下网络设备驱动程序的设计方法进行了介 绍，并基于i x p 4 2 5 嵌入式平台实现了以太网环境中的h i n o cm a c 协议仿真平台， 解决了利用s d r a m 模拟d r r a m 和物理层进行数据交互的问题，并对h i n o c 第一章绪论 m a c 协议进行了性能测试，分析了测试结果。 第四章对p c i 总线和p c i 控制芯片p l x 9 0 5 4 的相关知识做了基本介绍，设计 和实现了p c i 总线控制器p l x 9 0 5 4 芯片的l i n u x 驱动程序，实现了d m a 支持功 能，并编写了测试程序，验证了驱动程序设计的f 确性。 第五章对论文的工作进行了总结和展望。 第二章h i n o c 宽带接入系统 9 第二章h i n o c 宽带接入系统 基于有线电视带外信道的h i n o c 宽带接入系统，为解决最后1 0 0 米宽带接入 问题提供了一种有效、便捷和全新的解决方案。只需增加相关的局端和终端调制 解调设备，就能组建宽带家庭接入网，实现高速和高质量的多业务接入，提供给 用户包括i p t v 、s d t v h d t v 和上网等在内的多种宽带应用。 2 1 1 应用场景 2 1h i n o c 接入技术 很多地区已经现实了光纤到楼( f t t b ) 或光纤到户( 外) ( f 1 v r h ) ，光结点到 用户家庭已经只有1 0 0 m 的距离。而且在这段1 0 0 m 的距离内，存在着现成的有线 电视楼内分配网络；选择同轴电缆作为入户接入手段，无需重新钿线，成本低廉， 且易于为用户接受；电缆终端盒位置最靠近用户多媒体终端设备( 电视机) ，提供 多媒体宽带业务十分便利；另外，由于不占用现有的电视频段，因此可以在未进 行数字电视整体转换的情况下，就可以提供多业务宽带接入。故h i n o c 技术将主 要用于最后1 0 0 米的组网，利用同轴电缆带外信道构建楼内或户内一段的接入网。 f t t b 、f t t h 和h i n o c 技术相结合，将提供新的宽带接入手段。 h i n o c 技术的主要技术指标是：单信道模拟带宽为1 6 m h z ，单用户m a c 层 接入速率可达到4 0 m b p s 以上；m a c 层网络拓扑支持点到多点的组网方式，单信 道支持最大结点数不低于3 2 个；网络覆盖范围不小于1 0 0 米，可实现包括 h d t v s d t v 等流媒体在内的多业务宽带接入。 以下两种组网方案将是h i n o c 技术较常见的组网形式。 1 ) f t t b + 楼内分配网络的组网方案 该方案是当前最为可行的接入方式，其结构如图2 1 所示。图中左右两个虚线 圈分别代表两个独立的有线电视楼内分配网络。在该分配网络内，采用频分复用 的方式将c a b l e 的带外信道分割成多个带宽为1 6 m h z 的频带( 称为h i n o c 信道) ， 在每个h i n o c 信道上建立一个h i n o c 接入网，该1 6 m h z 频带由同一h i n o c 网 络内的h b 和多个h m 结点共享。利用兀t b 线路，g b e ( g i g a b i te t h e r n e t ，千兆 以太网) 信号通过h b 结点进入楼内分配网络，并被调制到c a b l e 的某个h i n o c 信道上，经分配网络到达处于同一h i n o c 网络的某个h m 结点，由该h m 结点将 信号解调后送到终端设备，如计算机或者机顶盒( s t b ，s e tt o pb o x ) 等。h i n o c 信道的划分方式非常灵活，最典型的配置是每个用户( 家庭) 分配一个h i n o c 信 1 0幕于i x p 4 2 5 l 台的h i n o c 网络驱动程序设计 道，这样每个用户的多台h m 设备共享该信道提供的至少4 0 m b p s 的用户接入带宽。 ! 客窿i 1 、 、 7 、 呈 f i r ， l ， 、一 g b e 厂一、厂、 7 。骨干网一 、，、 ，一一、 一、 接入i q 2 l 2 图2 1 兀1 b + 楼内分配网络的组网方案 2 ) f t t h + 户内分配网络的组网方案 该组网方案如图2 2 所示。由于光纤已经到达用户门口，h i n o c 接入技术主要 解决户内接入组网的问题。g b e 信号经过g e p o n 的光分路器和光网络单元( o n u ， o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 进入h b 结点后，被调制到某个h i n o c 信道上，调制后的 信号进入户内分配网络，然后由处于同一h i n o c 网络中的某个h m 结点将该信号 解调后送至终端设备。在该方案中，h i n o c 技术用于在家庭内部组建电缆接入网， 每个用户独享4 0 m b p s 的接入带宽，这一带宽由户内的h b 和多个h m 设备共享。 本方案要求光纤到住户门口，因此目前这种应用尚有一定局限。 ， 一一 图2 2 嗍+ 户内分配网络的组网方案 2 1 2 拓扑结构 在单个h i n o c 信道内，其物理拓扑结构为总线型，易于扩展，各结点共享带 第一章h i n t 3 ( 3 宽带接 系绩 宽。如图23 所示 幽2 3h i n o c 网络总线璀物理结构 h i n o c 网络逻辑拓扑为星型结构，即点对多点结构，如图2 4 所示。h b 作为 中心结点可以连接若干个子结点h m ，h m 相互之问不能互相通信，只能和h b 通 信。h b 发给h m 的帧称为下行帧，h m 发给h b 的帧称为_ l 二行帧。 幽2 4h 酣o c 网络吊l q 逻辑结掏 2 2h i n o c 系统协议找参考模型 h i n o c 系统协议栈包括物理层和m a c 层，其中m a c 屡叉包括位于上部的汇 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予层( c o m m o np a n s u b l a y e r ，c p s ) 如图2 5 所示。 m 1 2罐于i x p 4 2 5 f 台的h i n o c 网络驱动程序波计 l l 高层 l j 亡 ji 汇聚子层( c s ) m a c 公共部分子层( c p s ) j 物理层 p h 、】 图2 5h i n o c 系统协议栈 物理层采用了o f d m 方式实现调制，o f d m 方式具有较高的频谱利用率，使 得h i n o c 系统在同样的载波带宽下可以提供更高的传输速率。同时，o f d m 方式 在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上也具有明显的优势。 m a c 层主要功能包括：结点接纳、多址接入控制、链路维护、带宽请求与分 配等功能。 汇聚子层从层次上讲是m a c 层的一个功能子层，主要处理数据业务与公共部 分子层之间的适配，逻辑上来讲是位于m a c 层的上部，主要完成数据封装、转发 与解封装等功能，使得上层业务能够通过h i n o c 网络透明传输。 h i n o c 网络采用t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，时分双工) 方式实现双工通信。 采用t d d 的优点之一是实现简单，另一优点是在主结点的统一协调下可以非常灵 活的实现上、下行带宽的分配。 h i n o c 网络下行( h b h m ) 采用t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，时分 复用) ，上行( h m _ h b ) 采用t d m a ( t 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) ，即t d m t d m a 。t d m a 机制需要各结点问较为严格的时钟同步，但由于电 缆接入网范围非常小，因此可以通过主结点定期发送系统时间很容易的保证各结 点的同步。 为避免接入冲突，引入预约许可机制。协议采用的t d m a 是动态的和全协调 的，当h m 有数据要发送时，首先会发送预约请求给h b ，然后h b 根据收到的各 结点的预约，进行带宽分配并将分配结果通知给网络各结点。各结点根据h b 的指 配进行信息传送。这样，所有结点( 包括h b 本身) 何时发送信息，何时接收信息， 完全由h b 控制和动态调度，因此整个通信过程中是没有任何冲突的。 2 3h i n o c 系统m a c 层机制概述 2 3 1 h i n o cm a c 层帧格式与帧类型 h i n o cm a c 帧( 下简称h m a c 帧) 结构如图2 6 所示，包括m a c 帧头、载 第二章h i n o c 宽带接入系统 荷和c r c 三部分。帧头部分包括源结点i d 和目的结点i d 、帧类型、帧长度、协 议版本号以及帧头校验域等信息。m a c 帧分为数据帧和控制帧两大类，当为数据 帧时，载荷域包含一个或多个上层p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ，协议数据单元) ，当 为控制帧时，载荷域包含着实现m a c 控制机制的相关信息，如接纳信息、预约请 求信息、或信道分配信息等；尾部c r c 校验序列，用于实现对载荷域的校验。 l m h e a 能d e r i p a y l o a d i c r cl il r ”j ” i 、7i 图2 6h i n o cm a c 帧结构 m a c 帧类型如图2 7 所示。数据帧承载上层业务，主要是封装以太网帧。控 制帧包括m a p ( m e d i aa c c e s sp l a n ) 、b e a c o n 、预约请求帧和链路控制帧。 图2 7 m a c i 帧类型 b e a c o n 帧是一种重要的控制帧。b e a c o n 帧是由h b 结点按固定周期广播的控 制帧。采用鲁棒性最强的调制方式且不加密发送，以最大程度保证所有未加入网 络和加入网络的结点都能收到，b e a c o n 的主要作用是引导新结点加入网络，即欲 加入本网络的新结点在收到b e a c o n 后，在b e a c o n 调度的发送时隙完成网络接纳。 m a p 帧是另一种非常重要的控制帧。m a p 帧也是由h b 发送，其发送周期有 一个标称值，但并不绝对固定，这一点与b e a c o n 帧不同。只有当结点加入到网络 以后才能收到m a p 帧。m a p 帧携带带宽分配信息，是h b 对信道资源调度结果 的体现。h m 和h b 根掘m a p 帧确定自己应该何时采用何种方式接收或者发送数 据。 2 3 2 网络搜索 h b 在加电之后等待新结点加入网络的过程，以及新结点加电后搜索h b 的过 程叫做网络搜索。未加入网络的新结点称为n h m ( n e wh m ) 。h b 结点的网络搜 索是指h b 结点加电后寻找可用的工作频率，并在该频率发送b e a c o n 信号，使得 n h m 可以收到b e a c o n 并获得接纳时机从而加入网络：n h m 网络搜索是在合适的 工作频率上接收b e a c o n 帧，获得发送接纳请求的时机从而进入网络接纳过程。 1 4基于i x p 4 2 5 f 台的h i n o c 网络驱动程序设计 2 3 3 网络接纳过程 n h m 加电后，通过网络搜索确定h i n o c 网络的存在后，n h m 需要和h b 进 行一些信息的交互，探测上行和下行信道的状况，从而决定n h m 和h b 的某些关 键性参数，如调制星座图等。这个探测过程必须在h b 的引导下完成，否则n h m 会干扰网络中现有设备的正常工作。网络接纳过程就是指各n h m 结点为加入某一 h i n o c 网络而与该网络中h b 结点进行的特定的信息交互流程。 h b 利用b e a c o n 引导n h m 加入网络：在没有加入网络前，n h m 只能接收 b e a c o n 帧。h b 周期性的发送b e a c o n 帧，在b e a c o n 帧中为n h m 安排了接纳请求 帧的发送时机。所有n h m 在搜索到h i n o c 网络后，必须先发送接纳请求以申请 加入网络。一旦收到h b 发来的接纳响应帧，就会获得h b 分配给本结点的h i n o c 网络i d 号，n h m 接下来利用周期性b e a c o n 帧安排的发送时机进行信道探测和功 率调整，最终获得双向信道调制参数和功控参数。完成这一系列规程，则n h m 接 纳过程结束。 回 b e a c o n n 期 b e a c o n n 期 b e a e o n n 期 甲 粤季掣 图2 8 结点接纳简要过程 n h m 接纳过程成功结束后，成为h m 且可以接收到h b 周期性发送的m a p 帧。之后的通信过程中，h m 和h b 之间利用h i n o c 结点i d 寻址，在m a p 帧调 度下利用已经获得的调制参数和功控参数进行通信。 第二章h i n o c 宽带接入系统 2 3 4 信道分配机制 m a c 采用完全协调的t d m t d m a 机制实现对共享信道的访问，信道分配由 h b 决定。h b 通过周期性广播m a p 帧向各结点发布m a p 周期内的信道分配方案。 m a p 帧将整个信道的发送时间划分为m a p 周期( m a pc y c l e ) 。所谓m a p 周期， 就是指信道上由m a p 帧安排的一段时间。从时问轴的角度看，信道被一个个连续 的m a p 周期填满，在每个m a p 周期中，各结点的数据收发根据m a p 帧的规划 进行。 m a p 周期的安排主要是考虑提高线路利用率。为了避免发射机在收发状态之 问频繁转换带来的不必要的帧间保护| 日j 隔，我们把m a p 周期中的上行数据区间和 下行数据区间分丌。下行数据为h b 发送给h m 的信息，上行数据为h m 发送给 h b 的信息。上行和下行数据之问留有保护间隔( 同样，所有各帧间也留有帧间隔) 。 m a p 周期的安排以及其必须遵守的时间关系如图2 9 所示。 m a pc y c l e ( n 1 )l i a pc y