（通信与信息系统专业论文）hinoc网络汇聚子层关键模块的设计与实现.pdf

摘要 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 ) 是利用有线电视同轴电缆的带 外信道组建高速和高质量的多业务宽带接入网的一种新型接入技术。该技术完全 利用现有有线电视网同轴电缆的网络布线，利用8 6 0 m h z 以上的同轴电缆信道频 段，仅增加相应局端和终端调制解调设备，实现包括语音、i p t v 、s d t v h d t v 和上网等宽带应用业务。该技术对消除接入网带宽提升瓶颈，加速“三网融合 的进程有重要意义。 结合本实验室承担的科研项目“利用有线电视网带外信道的多业务宽带 接入网( h i n o c ) 技术研究”，本文主要介绍h i n o c 网络的网络架构，提出了该 系统局端设备耶和终端调制解调设备h m 的设计需求，分析了相应设备的工作 原理并确定系统设计方案。根据系统设计方案给出各组成模块的详细设计说明。 使用v e r i l o gh d l 硬件描述语言完成了该s o c 芯片的关键部分队列管理模块 和s l a v e 接口模块的电路设计。最后，利用m o d e l s i m 6 0 s e 对该设计进行了后仿真， 实际的仿真结果显示本文所设计的s l a v e 接口模块和队列管理模块符合h i n o c m a c 协议标准，运行正常，性能良好。 关键词：h i n o c 汇聚子层s o c 设计队列管理 a b s t r a c t 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 ( h i n o c ) i san e w a c c e s st e c h n o l o g yo f b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ku s i n gt h eo u t - o f - b a n dc h a n n e lo fc o m m u n i t ya n t e n n at v ( c a t v ) c o a x i a lc a b l et op r o v i d eu s e p 3h i g h - s p e e da n dh i g h - q u a l i t y m u l t i - s e r v i c e h i n o ct e c h n o l o g yw o r k so nt h ec o a x i a lc a b l ec h a n n e lb a n da b o v e8 6 0 m h z ，a n d m a k e su s eo fe x i s t i n gn e t w o r ko ft h ec a t vc o a x i a lc a b l ef u l l yt op r o v i d eh i g h - s p e e d a n dh i 曲一q u a l i t ya c c e s sf o rm u l t i s e r v i c e s ，s u c ha sv o i c e ，i p t v , s d t v h d t va n d i n t e r n e ts e r v i c e ，o n l yb ya d d i n gt h ed e v i c e so fh m ( h i n o cm o d e m ) a n dh b ( h i n o c b r i d g e ) w i t h o u tc h a n g i n gt h ec u r r e n tw i r el i n e h i n o ct e c h n o l o g yw i l le l i m i n a t et h e b a n d w i d t hb o t t l e n e c k so fb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ka n da c c e l e r a t et h ep r o c e s so f n e t w o r kc o n v e r g e n c e w i t l lt h ep r o j e c tu n d e r t a k e ni no u rl a b o r a t o r y 一“r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fh i 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 ( h i n o c ) ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sh i n o cn e t w o r ko f n e t w o r k sa r c h i t e c t u r e ，p r o p o s e dt h a tt h es y s t e mi n f r a s t r u c t u r ea n dt e r m i n a l sh bh m m o d e md e v i c ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n a l y s i so ft h ec o r r e s p o n d i n gd e v i c e sw o r k i n g p r i n c i p l ea n dt od e t e r m i n et h es y s t e md e s i g n a c c o r d i n g t ot h es y s t e md e s i g n ，g i v i n ga d e t a i l e d d e s i g ns p e c i f i c a t i o n u s i n gv e r i l o g h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e c o m p l e t e dt h es o cc h i pk e yp a r t s q u e u em a n a g e m e n tm o d u l ea n dt h es l a v ei n t e r f a c e m o d u l ec i r c u i td e s i g n t h es i m u l a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no ft h i st w om o d u l e s d e s c r i b e db yv e r i l o gh d li sa l s of i n i s h e d t h ea c t u a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e q u e u em a n a g e m e n tm o d u l ea n dt h es l a v ei n t e r f a c em o d u l ec i r c u i td e s i g n e dt om e e t h i n o cm a c p r o t o c o ls t a n d a r d ，r u nn o m a l l y ，w i t hg o o dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h i n o cc o n v e r g e n c es u b l a y e r s o cd e s i g nq u e u em a n a g e m e n t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 随着i n t e m e t 的飞速发展，用户数目成倍增多，多媒体信息在网络中飞速普及， 对于网络带宽的需求越来越大。为了满足用户不断增长的需求，网络的宽带化， 业务的综合化成为必然的趋势。 计算机技术和微电子技术的迅猛发展，导致了数字化信息技术的革命，电视 网、电信网采用数字技术后，和互联网一样均为高速数据的处理。即“三网”( 电 视网、电信网和互联网) 之间的界限越来越模糊。而多媒体网络技术的迅猛发展， 正以惊人的速度变革着人们的生活、社交、工作和学习方式，并提供更多的服务， 更大的可选择度，交互性强、可靠性高、成本较低的信息化手段。全球出现了信 息化高潮迭起，网络经济扶摇直上的现象。因此，依靠宽带、大容量的网络逐步 优化与整合其他网络业务是势在必行的。 目前，广播电视网、电信网和计算机网的“三网融合 已成为不可阻挡的趋 势，我国“十一五 规划纲要中明确指出了积极推进“三网融合 的发展目标【l 】。 三网融合在现阶段并不是指三大网络的物理合一，而是指高层业务应用的融合。 其表现为技术上趋于一致，网络层上实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层上互 相渗透和交叉等。近年来出现的i p t v ( i n t e m e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) 、v o d ( v i d e o o nd e m a n d ) 等应用为“三网融合”在业务层面上找到了突破口，被认为是“三网 融合 的最佳切入点。按目前的编码方式，传输一路数字标清电视 ( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt v ，s d t v ) 信号需要约6 m b p s 带宽，传输一路数字高清电 视( h i g h d e f i n i t i o nt v ，h d t v ) 信号，需要至少2 5 m b p s 带宽。若一个家庭用户 同时收看l 套h d t v 和1 套s d t v 节目，并进行高速上网，则至少需要4 0 m b p s 的业务带宽1 3 。这必将对网络提出更高要求。 随着我国光纤通信技术日趋成熟，骨干网光纤化己基本完成，接入网速率限 制成为影响业务融合的瓶颈。当前主要接入方式有以太网接入、光纤到户、电话 线接入、电力线接入、同轴电缆接入和无线接入等类型。但是由于带宽低、成本 高、需要重新布线以及用户接受程度等方面原因，这些接入技术都难以提供完善 可行的接入网解决方案【4 j 。 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。当前，基于同轴电缆的接 入技术应用最广泛的是c a b l em o d e m 技术，该技术存在着两种相互竞争的规 2h i n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 范一- - i e e e8 0 2 1 4 和d o c s i s l 5 - 6 j 。i e e e8 0 2 1 4 未得到广泛应用，d o c s i s ( d a t a o 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 s ) 是事实上的c a b l em o d e m 接入标准u j 。 采用d o c s i s 规范的c a b l em o d e m 接入技术，其逻辑拓扑结构为星型，采用点到 多点方式收发数据，下行信道工作于8 8 - - 8 6 0 m h z 之间的频带，上行信道工作范 围为5 4 2 m h z 【眄】。c a b l em o d e m 接入技术在美国和欧洲得到了广泛应用，但在 我国其应用存在以下问题：1 ) 该技术必须对现有同轴线网络进行双向改造，工程 量大【l 们。2 ) 上行通道工作频率( 5 - 4 2 m h z ) 内，有较多工业和民用电器噪声干 扰。3 ) 当前我国的h f c 网的光纤结点覆盖用户较多，c a b l em o d e m 技术上下行信 道内数据速率由多个用户共享，每个用户实际获得的带宽有限，难以满足用户对 宽带业务的需求【1 1 0 2 1 。因此，研究具有我国自主知识产权的基于有线电视网同轴 电缆的宽带接入解决方案，提高接入网速率，已成为三网融合进程中的迫切需要。 在我国有线电视网中，8 6 0 m h z 以下频段用于传输广播电视节目，而8 6 0 m h z 以上信道没有使用，本文称其为带外信道。据测算，在该带外信道内有超过2 g b p s 的可用物理带宽，若利用该带外信道提供宽带接入解决方案，无需重新布线或改 造即可提供多业务宽带接入。由于各种原因，我国有线电视网络条件较为复杂， 带外信道的性能可能与国外有较大差异。我国已将研究低成本同轴电缆高速接入 技术列入中国高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 新一代高可信网络重大项目，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 ) 技术就是利用有线电视同轴电缆的带外信 道组建多业务宽带接入网的一种新的接入技术。构建h i n o c 网络的目的是在当前 f t t b 普遍应用的前提下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和分配网络，连接 光纤结点到住户，组建最后1 0 0 米范围内的宽带接入网。该技术完全利用现有有 线电视网同轴电缆的网络布线，仅增加h i n o c 桥( h b ，h i n o cb r i d g e ) 和h i n o c 调制解调器( h m ，h i n o cm o d e m ) ，实现高速和高质量多业务接入，可提供给用 户语音、i p t v 、s d t v h d t v 和上网等宽带应用4 0 m b p s 以上的业务带宽。 目前的h i n o c 技术已初步制订了物理层( p h y ) 和媒质接入控制( m a c ) 子层的技术规范草案，本文研究h i n o cm a c 协议的实现方案与技术，包括实现 的仿真环境、协议实现的总体框架结构设计及核心功能模块的设计实现流程，为 后期改进协议性能并进行芯片化设计提供可靠保证。 1 2 本文的主要工作和论文结构 本文课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目利用有线电视 网带外信道的多业务宽带接入网技术研究。论文在深入分析和研究了h i n o c 网络 汇聚子层的功能需求的基础上，在s o c r e a t i v e ! a 3 2 0s o c 开发平台上实现了a h b 总线s l a v e 接口模块和队列管理模块的设计与f p g a 实现。主要工作包括：参考 第一章绪论 a m b as p e c i f i c a t i o n 总线协议，设计满足a h b 总线时序要求的s l a v e 接口模块， 实现a 3 2 0s o c 开发板上其它功能模块与h i n o c 网络汇聚子层f p g a 之间的数据 交互。输出端口队列的管理算法关系存储器容量和访问存储器的开销，在综合分 析了各种队列管理算法的优缺点后，本设计采用基于链表节点的管理方式，大大 简化链表的操作过程，易于高效地实现队列管理。 本文的内容安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了h i n o c 网络提出的背景以及h i n o c 网络的优点。 然后介绍了本论文主要研究工作以及研究成果。 第二章研究了h i n o c 宽带接入网络的m a c 层协议，具体内容包括h 1 n o c 接入网的应用场景、拓扑结构、协议栈，以及信道申请与分配机制、数据传输过 程、新节点接纳过程和链路维护机制等。 第三章首先对a 3 2 0s o c 平台的关键功能模块进行了介绍，并根据h i n o c m a c 协议的特点，对协议要实现的各部分功能进行了软硬件上的划分，最后详细 描述了h i m a c 控制帧和数据帧的接收发送处理流程。 第四章h i n o c 网络汇聚子层关键功能模块的设计，该部分主要描述汇聚子层 整体设计方案，并对其中的关键模块，队列管理模块和a h b 总线s l a v e 接口模块 做详细的设计说明。 第五章对论文的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 4h i n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 第二章h i n o c 网络概述 5 第二章h i n o c 网络概述 h i n o c 网络是在光纤骨干网末端距离用户端很近( 如已实现f t t b ) 的网络 结构基础上，利用广泛分布的已有有线电视分配网络，在原有广播电视带外信道， 即8 6 0 m h z 以上频段，无需重新布线和进行其它改造而构建的高速接入网。本章 首先简要介绍h i n o c 网络的基本结构，然后给出h i n o c 网络协议栈参考模型， 最后对h i n o c 网络m a c 层采用的关键机制给予说明。 2 1h i n o c 网络系统基本结构 h i n o c 接入网络的一种典型应用环境是在f t t b 已经存在和普遍应用的前提 下，利用已有的同轴电缆分配网络组建宽带接入网，如图2 1 所示： h l 啦入一lh i 嘲曦入一一 图2 1h i n o c 网络的一种典型应用环境 图中，来自骨干网的g b e ( g i g a b i t e t h e m e t ，千兆以太网) 信号经f t t b 方式 到达用户楼口，在h b 处被调制到某个h i n o c 信道( 8 6 0 m h z 以上频段) 上，并 与原有广播电视信号( - 1 作在8 6 0 m h z 以下频段) 混合进入h i n o c 接入网络。虚 线椭圆圆圈所括即为工作在两个独立1 6 m h z 信道上的h i n o c 接入网络，每个 h i n o c 接入网络由一个h b 以及若干个h m 及其间用于连接的同轴电缆分配网络 构成。各h i n o c 信道以频分复用( f d m ，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 ) 的方 式分隔，每个信道都具有相同的系统特性。经h b 处理后的混合信号沿同轴电缆分 配网络抵达h m 。h i n o c 信道上被调制的g b e 信号经解调后被送至用户终端，如 6 h i n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 计算机或机项盒( s t b ，s e tt o pb o x ) ，而原有广播电视信号由于仍工作在8 6 0 m h z 频率以下，不受任何影响。 由于多个h i n o c 信道通过频分复用的方式分隔，而每个信道支持的业务特性 和m a c 规程相同，因此下文中只针对单个信道构成的h i n o c 网络进行研究。 2 2h i n o c 网络协议栈参考模型 h i n o c 网络协议栈包括媒体接入控制( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和物 理层( p h y ) 。其中，m a c 层又划分为两个子层，分别是：公共部分子层( c o m m o n p a r ts u b l a y e r ，c p s 层) 和汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s 层) 。如图2 2 所 示： t 汇聚子层 ( c s ) m a c 上 公共部分子层 ( c p s ) 物理层 p h y ( p h y ) 图2 2h i n o c 网络协议栈参考模型 物理层采用了o f d m 方式实现调制解调，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以及抗码间干扰( i s i ) 上也具有 明显的优势。 公共部分子层是h i n o c 网络m a c 层的核心，主要完成网络搜索、结点接纳、 数据传输和链路维护等功能。 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。逻辑 上来讲是位于m a c 之上的，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。 2 3h i n o c 网络m a c 层关键机制 h i n o c 接入网络的m a c 层是建立在全协调的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) 信道上的。h i n o c 网络的h b 作为主结点，负责产生全网统 一的系统时间并进行信道资源的分配。 第二章h i n o c 网络概述 7 2 3 1m a c 层协议概述 1 ) 逻辑拓扑 m a c 层的逻辑拓扑结构如图2 3 所示： 图2 3h i n o c 网络逻辑拓扑图 由图可以看出，h i n o c 网络具有星型逻辑拓扑。h b 作为主结点，负责产生 全网统一的系统时间并进行信道资源的分配，可以与网内所有结点进行通信。各 个h m 作为从结点，其一切通信活动都由h b 控制，各h m 之间不能直接进行通 信。 2 ) 双工方式 h i n o c 接入网络的双工方式为t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，时分双工) 。t d d 的优点是实现简单，而且可以在中心结点的统一协调下非常灵活的实现上下行荒， 宽分配，并使带宽得到充分的利用。如图2 4 所示，信道可以在时间上划分为多个 帧( 一帧即对应下文所述的一个m a p 周期) ，由于采用t d d 模式，每帧包括上行 和下行两部分，上下行时隙可以自适应的变化。随着p 2 p ( p e e rt op e e r ，对等网络) 、 多媒体会议等对称业务的增多，网络上行业务流量与日俱增，这时主结点h b 就可 根据业务流量的变化情况，灵活地配置带宽资源，统一调度。由于h i n o c 接入网 络的电缆范围很小，t d d 所需的同步机制也很容易实现。 图2 4t d d 方式下上下行带宽的自适应分配 3 ) 多址方式 在t d d 方式下，中心结点与各子结点的通信下行方向采用t d m 机制，上行 方向采用t d m a 机制，且这种t d m t d m a 机制是动态和全协枥t j ( f u l l yc o o r d i n a t e d ) 8 h i n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 的，即各结点是否可以发送以及何时发送信息均由中心结点( h b ) 统一控制和动 态调度。中心结点控制的t d m t d m a 机制实现简单，可以灵活分配各结点和各 种业务的带宽、支持不同优先级并保证时延和时延抖动性能【1 3 4 1 。 2 3 2 公共部分子层 公共部分子层是h i n o c 网络m a c 层的核心，包括网络搜索、结点接纳、数 据传输和链路维护等操作，以下对上述各部分分别进行概述。 1 ) 网络搜索 无论是h b 还是h m ，在上电之后都需要找到其所属的h i n o c 信道。h b 应 在可用的h i n o c 信道上新建立一个h i n o c 网络，h m 应加入一个己存在的h i n o c 网络。这一目标通过网络搜索达成。h i n o cm a c 协议定义了两种网络搜索的方 式：指定频率搜索和切换频率搜索。 指定频率搜索 在指定频率搜索方式下，由系统配置指定h b 和h m 的工作频率。 h b 加电之后，在系统指定的频率上监听下行信令帧。若在规定时间内没有收 到下行信令帧，说明该信道可用，则h b 在该h i n o c 信道上发送下行信令帧，建 立属于其管辖的h i n o c 网络，并等待n h m 结点的加入。否则h b 无法正常工作。 n h m 加电以后，工作于系统配置好的频率上。如果在规定时间内接收到下行 信令帧，且下行信令帧所代表的网络和配置好的n h m 应该属于的网络相符，则该 n h m 可以通过后续的网络接纳过程加入该网络。否则，该n h m 也无法正常工作。 切换频率搜索 在切换频率搜索方式下，系统可以事先为h b 和n h m 配置一个工作频率，但 h b 和n h m 实际工作频率有可能与事先配置好的频率不同，因为该方式允许h b 和n h m 自动搜索可用信道。 h b 加电之后，在预先设置的频率上监听信道。若在规定时间内没有收到下行 信令帧，说明该信道可用，则h b 在该h i n o c 信道上发送下行信令帧，建立属于 其管辖的h i n o c 网络，并等待n h m 结点的加入。与指定频率搜索不同的是，若 在该规定时间内h b 收到了下行信令帧，则h b 并不是马上处于无法正常工作的状 态，而是按照一定的顺序切换到另一频率监听信道。直到不存在可用信道的情况 下，h b 才放弃建立新的h i n o c 网络。 同样，n h m 若在规定时间内没有收到下行信令帧或者网络不相符时，并不立 即停止加入网络的动作，而是切换到另外的频率上进行搜索。 2 ) 结点接纳 为有效地对h i n o c 网络内的通信实施控制并探测新加入结点的信道状况，需 第二章h i n o c 网络概述 9 设计新h m 结点接纳机制，所有要加入网络的结点都必须经过接纳流程后才能接 入网络。结点接纳流程的设计与物理层的实现机制及算法有密切关系，结点接纳 过程中的交互信息均采用可靠性最高的调制方式以保证接纳过程能顺利进行【l5 1 。 n h m 通过结点接纳过程获得在该h i n o c 网络中通信时的唯一标识，即h m i d 。此外，h b 和n h m 还通过此过程来确定进行后续数据传输时所需要的物理层 参数，如o f d m 参数、功率控制参数及时频偏、信道估计参数等等。 n h m 在加电、搜索到可用的h i n o c 信道之后，便在该可用信道上监听下行 信令帧。若监听到的下行信令帧表明h b 处于可接纳状态，则n h m 向h b 发送接 纳请求，开始接纳过程。若有多个n h m 同时发送接纳请求，则会发生冲突，发生 冲突的n h m 退避一段时间之后再次寻找机会开始结点接纳流程。h b 根据接纳请 求携带的信息以及当前的网络状况决定允许或拒绝该n h m 加入网络。如果允许该 n h m 结点加入网络，则为该n h m 分配一个该网络内唯一的标识，然后进行上下 行信道训练获取数据传输时所需要的物理层参数。n h m 结点的加入，有可能影响 信道的广播参数，在信道训练完成之后，还需要给网络中所有的h m 通告新的信 道广播参数。至此，结点接纳过程结束，n h m 成为h m ，并进入正常通信过程。 接纳简要流程如图2 5 所示： n h mh b 下行信令帧 接纳请求响应确认 信道训练 。 广播信道参数 正常通信 。 图2 5 网络接纳简要流程 结点接纳过程完成之后，h m 收发数据时机均由h b 通过m a p 帧进行调度， 从而实现无冲突的数据传输。 3 ) 数据传输 数据传输是h i n o c 网络的主结点f i b 或者从结点h m 将终端设备的用户数据 传输到目的结点，并由目的结点提交给该结点终端设备的过程。 为保证各结点能够无冲突地共享信道资源，并及时、快速、准确地进行数据 传输，h i n o c 引入了预约肼可机制。当h m 需要发送信息时首先必须向h b 发送 预约请求，f i b 根据各结点发来的预约请求统一调度信道资源的使用。预约请求是 1 0 h i n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 7 预约请求帧的帧头h e a d e r 中含有帧类型域，用于指明该帧的帧类型是预约请 求帧。载荷p a y l o a d 部分内含了h m 预约请求的相关信息，包括预约请求头和若干 个预约请求单元。预约请求头中的e l e m e n t n u m 域指明了该预约请求帧中所包含的 预约请求单元的数目。预约请求单元则表明了该h m 内某个待发送的m a c 帧的相 关信息，包括帧类型( t y p e ) 、子帧类型( s u b t y p e ) 、唯一的请求i d ( r e q u e s ti d ) 、 优先级( p f i o f i 锣) 和所需占用的时间( d u r a t i o n ) 等。 h b 在接收到来自h m 的预约请求后，通过广播一种特殊的控制帧m a p ( m e d i a a c c e s sp l a n ，媒质接入规划) 帧来发布下一段时间内的信道分配情况。h m 接收m a p 帧并读取其内容后，判断自己是否获得了接入许可。若得到许可，则 h m 按照m a p 帧分配的时隙收发相应信息。 根据每一个m a p 帧所规划的其后一时间段内信道的使用情况，可以将信道划 分成长度不等的若干m a p 周期( m a pc y c l e ) ，如图2 7 所示。 图2 7m a p 帧和m a p 周期 图中，第n 个m a p 帧规定了其后一段时间，即第n 段m a pc y c l e 时间内信 道的分配情况，而第n 个m a p 帧所处的第( n 1 ) 段m a pc y c l e 是由第( n 1 ) 个m a p 帧所规定的，依此类推，第n + 1 个m a p 帧又规定了下一段m a p 周期即 第( n + 1 ) 段m a pc y c l e 的信道分配情况。 h b 在生成m a p 帧时，必须保证m a p 周期互不重叠并且填满整个时间轴。 在相邻帧之间和相邻m a p 周期之间还要设置适当的保护间隔，防止相邻帧由于各 结点时钟偏移或者线路延迟等因素导致的碰撞。 一个m a p 周期的标称值为4 m s ，但为了保证具有较高的信道利用率，协议规 定h b 可根据网络中h m 的数目及各h m 的预约业务量动态调整m a p 周期的时长， 第二章h 1 n o c 网络概述 业务量小时m a p 周期适当减小。 图2 8 上行链路数据传输流程图 当数据沿上行链路( h b 至h m 方向) 传输时( 如图2 8 所示) ，h m 将终端设 备的业务接收并缓存下来，然后根据m a c 协议封装规则，将优先级和目的结点都 相同的数据封装成h i n o cm a c 数据帧。当h m 接收到h b 的许可，通知可以在 某一时刻( 即由第n 个m a p 帧规划的第n 段m a p 周期中的某一时刻) 发送预约 请求后，h m 在规定时刻发送预约请求，申请预约传输时隙。若h b 有足够的信道 资源，则会在随后的第n + 1 个m a p 帧中安排h m 在第( n + 1 ) 段m a p 周期内进 行数据传输。在h m 收到此m a p 帧后，便按照规划将数据发送给h b ，同时h b 做好准备开始接收数据。当h b 正确地接收到数据后，再经m a c 层处理交给上层 并最终转发至目的主机设备。 当数据沿下行链路( h m 至h b 方向) 传输时，其流程与上行链路方向数据传 输的流程相似。但不同的是，由于数据是由主结点h b 发送的，所以h m 无需再 发送预约请求，h b 只要在某个适当的m a p 周期中为数据安排发送时机就可以了。 4 ) 链路维护 由于受到噪声等的影响，h i n o c 网络中的主结点h b 和各个从结点h m 之间 双向链路的信道可能会随时间变化。为了适应这种变化的信道特性，h b 需要周 期或者非周期地进行链路维护操作( l m o ，l i n km a i n t e n a n c eo p e r a t i o n ) 。 链路维护操作是对信道物理层参数的重新探测和更新。h b 可以周期性地重 新获得自身与各个h m 的信道参数，同时各个h m 重新获得与h b 之间的信道参 数。h b 也可以在检测到信道条件突然恶化时，不定期地对发生变化的信道进行 维护。 在周期性链路维护过程中，h b 每隔一个维护周期t l m oc y c l e ( 取值为6 0 0 s ) 就按照一定的次序与网络中的各个h m 进行链路维护操作。 h b 在m a p 帧中通知全网所有结点h b 将在何时开始与哪个h m 的链路维护 1 2 h i n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 过程。而后，h b 在规定的l m o 时间内与该h m 交互信息，完成链路维护操作。 当该链路的维护操作结束后，网络在稳态停留短暂时间( 1 s ) ，然后h b 重新选择 下一个h m ，开始又一次的点到点链路进行维护，依此类推。h b 在完成与网络中 所有h m 的链路维护操作后，会重新计算新的公共调制图样( c m p ) ，并将c m p 广播给网络中的所有h m ，结束一个周期的链路维护操作，恢复到稳态。其操作流 程图如图2 9 所示。 o l ：盟奎控：翻j 靳态 功室撞翻 - i 功率调整 1 功奎撞翻咱廛 。，态卜篙 一 肇护上行锚 i 二二五五五五二二w , l q l _ 一 _ j 塑照l 一 s 8 杏i a ! 瑾l 一 维护下行链路0 j 堑蛔喧一 卜_ 胞熊些幽l k 篮逸皇墓宣捌堕鳆盛型盛筻曼堡夔一 。 s 9 态亡撞奠鳢迦b 生耻吐 一 雏护广播链路l 一避 i 图2 9 周期性链路维护流程图 图中，左侧的h m 表示正在与h b 进行链路维护过程的某个从结点，中间的 h b 为网络主结点，右侧的所有h m 表示当h b 已分别与网络中各个h m 完成点到 点的链路维护操作后网络中的所有从结点。链路维护过程可大略分为四个状态： s 6 态：h b 和h m 交互功率控制参数。 s 7 态：h m 和h b 交互探测信息，获得新的上行链路的信道参数。 s 8 态：h b 和h m 交互探测信息，获得新的下行链路的信道参数。 s 9 态：h b 向网络中的所有h m 广播新的公共调制图样c m p 。 s 9 态结束后，网络重新回到稳态。 上述链路维护过程的所有操作都是在m a p 帧的调度下完成的。 当网络中某条信道条件突然恶化时，h b 也会被触发进行链路维护操作，这 种链路维护操作是非周期的。h b 仍通过m a p 帧通知全网此时进入链路维护状态 的，不过只是维护出现问题的信道，而非所有信道。其过程可以看作是周期性链 路维护操作的一部分，此处不再赘述。 第二章h i n o c 网络概述 2 3 3 汇聚子层 h i n o c 网络中汇聚子层( c s 层) 逻辑上位于公共部分子层( c p s 层) 之上， 主要负责建立从上层协议数据单元( p d u ，p r o t o c o ld a t au i l i t ) 到m a c 层服务数 据单元( s d u ，s e r v i c ed a t au n i t ) 之间的有效转换或映射，包括地址学习、高层 p d u 的打包拆包( p a c k i n g u n p a c k i n g ) 、帧转发和上层业务优先级映射等功能。 地址学习是指根据上层数据帧的地址完成与h i n o c 结点m a c 地址相对应的 映射关联，通过记录或更新对应项，逐步建立起一个较为完整的地址转发表。 上层数据帧打包是指发送端将具有相同目的地址和相同优先级的一个或多个 上层数据帧并入一个h i n o cm a c 帧进行传输，在接收端执行相应的拆包工作， 还原出原有上层数据帧。这样可以减小m a c 层开销，提高h i n o cm a c 层传输 效率。打包后的h 烈o c 数据帧结构如图2 1 0 所示： 图2 1 0 打包后的h i n o cm a c 数据帧格式 上层数据帧转发是指h b 或h m 根据上层帧的目的地址，查询己构建的地址 转发表得到对应结点i d ，然后单播、组播或广播转发。 为了支持基于优先级的q o s ，h i n o c 网络将所承载的上层业务划分为不同的 优先级。汇聚子层将来自上层的业务根据其参数进行映射，并在h i n o cm a c 帧 中进行标识，用以区分不同的优先级。这样，h m 在进行预约请求或h b 在进行资 源调度时，就可保证不同业务的q o s 。需要说明的是，h i n o c 将承载m a c 信令 的控制信息映射为最高优先级，以保证控制信息的及时传送。 h i n o c 协议定义了三种不同类型的优先级，这三类优先级分别是：p r i 一2 类 型，具有高优先级，主要用于支持实时c b r ( c o n s t a n t sb i tr a t e ，恒定比特速率) 业务；p r i 1 类型，具有中优先级，主要用于支持实时v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ，可 变比特速率) 业务；p r i 0 类型，具有低优先级，主要用于支持b e ( b e s te f f o r t ， 尽力而为) 业务。每种类型的优先级分别都应该对应一组q o s 参数，这些参数决 定了相应的服务质量。 2 4 小结 本章首先介绍了h i n o c 系统的组网方式和协议栈，然后重点介绍了h i n o c m a c 层机制，包括m a c 层的多址方式、m a c 帧结构和帧类型、网络搜索、网络 接纳、具体的信道分配机制、链路维护以及对上层数据业务的支持等。从网络的 1 4 h i n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 初始化到网络建立后的正常通信均做了详细的阐述。对m a c 层机制的了解是设计 h 1 n o c 网络汇聚子层所必需的，这为本文接下来的工作打好了基础。 第三章基于a 3 2 0s o c 平台的h i n o c 网络m a c 协议设计 1 5 第三章基于a 3 2 0s o c 平台的h i n o c 网络m a c 协议设计 根据第二章对h i n o c 网络m a c 协议的研究，本章将基于a 3 2 0s o c 平台实 现h i n o c 网络m a c 协议，介绍m a c 协议的软硬件系统架构和各模块的功能。 3 1a 3 2 0s o c 板关键功能模块介绍 本文采用智原科技( f a r a d a yt e c h n o l o g y ) a 3 2 0 t 1 6 】开发平台实现h i n o c 网络 m a c 层协议的设计。之所以选择该s o c 平台，是因为该平台可通过a h b 总线与 多块f p g a ( 型号为x i l i n x 的x c 4 v l x l 6 0 ) 子板相连，写好的代码完成功能设计仿 真后下载到f p g a 子板上与a 3 2 0 其它模块联调，可以方便地完成功能验证，调试 等一系列动作。因为a 3 2 0 芯片上的i p 均为硅验证，在验证设计的同时也保证了 从设计到芯片的一致性。图3 1 表示a 3 2 0s o c 设计平台里面的i p 资源。 3 1 1c p u f i a 5 2 6 图3 1a 3 2 0s o c 板主要功能模块介绍 a r m c p u f a 5 2 6 为3 2 位嵌入式c p u ，是智原科技自行研制开发且合法的产 品。该c p u 采用哈佛结构，拥有六级流水线( p i p e l i n e ) ，与a r mv 4 的结构兼容。 f a 5 2 6 使用16 k 16 kb y t e si - c a c h e d c a c h e 和8 k 8 kb y t e si n s t r u c t i o n d a t a s c r a t c h p a d s ，采用j a t gi c e 接口使得编程调试极为方便，高性能低功耗让该款c p u 的使用领域变得十分广泛【1 7 】。 1 6 h 1 n o c 网络汇聚子层关键模块的设计与实现 3 1 2b u sc o n t r o u e r a h b 总线控制器的主要作用是提供一种多用户共享总线的机制。在这种机制 下，允许多个m a s t e r 和多个s l a v e 挂接在总线上，m a s t e r 是数据传输的主动发起 者，而s l a v e 只能作为传输的响应者。当多个m a s t e r 同时申请占用总线时，由仲 裁器根据优先级来决定哪个m a s t e r 占用总线。a h b 总线控制器包括以下三个部分： 仲裁器( a r b i t e r ) 译码器( d e c o d e r ) 多路复用器( m u l t i p l e x e r ) 其中，多路复用器包括地址和控制复用、写数据复用、读数据复用。 各模块详细的连线情况如图3 2 所示： 图3 2a h b 总线各模块详细连线图 接下来分别介绍这三个部分。 1 ) 仲裁器 仲裁器的主要功能是对a h bm a s t e r 的数据接入请求做出仲裁。如果几个 m a s t e r 同时发出请求，则仲裁器利用优先级表来决定当前哪个m a s t e r 有最高优先 级。仲裁器支持多级别和轮询功能。多级别支持两个级别的运算法则，级别1 和 级别o ，级别1 比级别0 的优先级高。当级别1 的m a s t e r 和级别0 的m a s t e r 同时 第三章基于a 3 2 0s o c 平台的h i n o c 网络m a c 协议设计 1 7 请求总线时，总线总是先批准级别l 的m a s t e r 。轮询法则使当前被授权使用总线 的m a s t e r 在下一次仲裁时成为同一优先级中级别最低的m a s t e r 。所有的m a s t e r 都 能设置为级别1 和级别o 。 比如：设备a ，b ，c 优先级为1 ，设备d ，e ，f 优先级为0 。若当前优先级为 a b c d e f ，那么a 传输过数据后，优先级就变为b c a d e f o 2 ) 译码器 a h b 总线控制器中的译码器用来实现集中地址译码功能。这一模块的主要功能 是，当某一m a s t e r 被授权占用总线时，多路复用器将此m a s t e r 要读写的地址信号 输出，译码器便对这一地址进行译码，产生相应的s l a v e 片选信号