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摘要 现有同轴电缆电视传输系统具有极宽的频带资源，而且，我国居民小区楼内 已广泛敷设有线电视同轴电缆，并进行电视业务传输。h i n o c 技术证是利用同轴 电缆的带外信道资源，在最后一百米的有线电视分配网络上构建宽带接入网，实 现多媒体业务的高效传输。 为了使h i n o c 接入网络能够为不同类型的业务提供多样化的q o s 保障，需 要对不同类型的业务进行有效地资源管理。针对上述要求，本文首先阐述了 h i n o c 接入网络的系统结构和m a c 层机制，而后研究了h i n o c 网络的q o s 体 系结构及常见的调度算法。在此基础上，本文提出了一种基于优先级的资源预留 调度算法( r r s a p q ) ，并与一种基于严格优先级的轮询算法进行了对比研究。 随后，本文在n s 2 仿真平台上实现了基于h i n o c 网络的上述两种调度算法，并 对算法性能进行了较为全面的仿真分析。仿真结果表明：综合考虑网络负载的变 化情况，r r s a p q 算法是一种适于h i n o c 网络的资源调度算法，可以在该网络 内提供基于优先级的q o s 保证。 关键词：h i n o c 服务质量调度算法 a b s t r a e t t h ee x i s t i n gc o a x i a lc a b l et vt r a n s m i s s i o ns y s t e mh a st r e m e n d o u sb a n d w i d t h r e s o u r c e s c o a x i a lc a b l ew h i c hi su s e df o rt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o nh a sb e e nw i d e l yl a i d i nr e s i d e n t i a lb u i l d i n g si nc h i n a u t i l i z i n gt h eu n u s e do u t o fb a n dc a b l er e s o u r c e s ， 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 ) t e c h n o l o g yc o n s t r u c t st h eb r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r ki nt h el a s t10 0m e t e r so fc o a xd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n da c h i e v e s e f f i c i e n tt r a n s m i s s i o no f m u l t i m e d i as e r v i c e s t op r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c eg u a r a n t e ef o rd i v e r s ea p p l i c a t i o n so fh i n o ca c c e s s n e t w o r k ，a ne f f e c t i v er e s o u r c e sm a n a g e m e n ta l g o r i t h mn e e d st ob es t u d i e d t om e e t t h ea b o v er e q u i r e m e n t ，t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i s mo fm e d i aa c c e s s c o n t r o li nh i n o cn e t w o r ki sf i r s t l yp r e s e n t e d b a s e do nt h eq o sa r c h i t e c t u r eo f h i n o cn e t w o r ka n de x i s t i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，as c h e d u l i n ga l g o r i t h mn a m e d r e s o u r c er e s e r v a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do np r i o r i t yq u e u i n g ( r r s a p q ) i s p r e s e n t e d ，a n di t sp e r f o r m a n c e i ss t u d i e da n dc o m p a r e dw i t ha n o t h e rs c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，r o u n dr o b i ns c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do np r i o r i t yq u e u i n g ( r r p q ) s u b s e q u e n t l y ，t h e s et w oa l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e da n ds i m u l a t e di nd e t a i lo nn s - 2 p l a t f o r m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr r s a - p qc a np r o v i d eq o sg u a r a n t e e b a s e do np r i o r i t yi nh i n o cn e t w o r k w h i c hm a d ei ts u i t a b l ef o rh i n o c k e y w o r d s ：h i n o cq u a l i t yo f s e r v i c e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m 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，论文中不包含其它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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己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：囱耻 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 尘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；学校可以公柿论文的全 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年解密后适用本授权书。 本人签名：j 垒雏 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 “三网融合”自提出至今己成为技术发展的必然趋势。“三网融合”目前主要 是指高层业务应用的融合【l 】，表现为技术上趋向一致，网络层上可以互联互通， 业务层上互相渗透和交叉，趋向全业务；应用层上使用统一的i p 通信协议，提供 包括图像、语音和数掘等的综合多媒体通信业务。其目的是要充分发挥广电网、 通信网、互联网各自的优势，充分运用高新技术优化国家信息资源配置，提高资 源的利用效率以进一步提供我国的信息化水平。我国国民经济和社会发展“十一 五”规划纲要【2 】也指出要“积极推进三网融合。建设和完善宽带通信网，加快 发展宽带用户接入网，稳步推进新一代移动通信网络建设。 近年来，l p t v 被认为是实现“三网融合”的最佳切入点之一【引。一是因为i p t v 本身作为“三网融合 的产物，为“三网融合”在业务层面找到了突破口：二是 因为i p t v 为“三网融合”提供了最佳的商业模式。按照目前的m p e g 2 编码方式， 以传输一路s d t v ( s t a n d a r dd e f i n i t i o nt v ，标准清晰度电视) 和h d t v ( h i g h d e f i n i t i o nt v ，高清晰度电视) 节目分别需要6 m b p s 和2 5 m b p s 带宽来计算，则 若一户家庭同时收看一套s d t v 和一套h d t v 节目，再加上音频和上网带宽，并 进行高速上网，则需要至少4 0 m b p s 的业务带宽【4 j 。 随着数字技术、光通信技术、软件技术等信息技术的快速发展和成熟，骨干 网光纤化已基本完成，可以满足当前高速宽带通信的要求；但作为连接核心网与 用户桥梁的用户接入网与之相较则仍是以铜缆双绞线为主的原始模拟系统【5 】。二 者在技术上存在较大反差，我国大部分地区的接入速率仅仅几m b p s ，这一速率 难以与“三网融合”的要求相匹配。“最后一公罩”的接入网己成为制约业务融合 发展的瓶颈，所以对现有接入网进行改进或寻找一种适合我国国情的接入网，提 高接入网带宽，成为迫切需要，也是推进“三网融合”的重要基础。 我国目前现有的接入网主要分为有线接入和无线接入两大类，包括以太网接 入、同轴电缆接入、电话线接入、光纤接入、电力线接入及无线接入等类型。以 太网接入以五类线( c a t - 5 ) 作为介质，可在百米范围内实现用户共享1 0 0 m b p s 的速率，但需要已有以太网接入网络，对于非新建小区，开通业务时需要重新布 线。同轴电缆接入作为“已存在的唯一接入千家万户的宽带网络 ，在传输容量、 屏蔽特性和噪声方面性能都很好，在国外也有广泛应用。但是，由于我国居民住 户密度大，用户密集，使同轴电缆无法得到良好地广泛应用，而且双向改造的工 程量巨大，也增加了应用成本。电话线接入因其覆盖面广、线路成本低、安装便 捷和无需重新布线等特点在我国有广泛应用，但因双绞线的物理特性制约了其通 2h i n o c 网络服务质量( q o s ) 保证机制研究 信容量的提高，无法满足“三网融合”提出的要求。光纤接入传输容量很大，是 宽带接入的终极目标，“光进铜退”趋势也显示了其光明的发展前景，但作为其典 型应用的光纤到户( f t t h ，f i b e rt ot h eh o m e ) 一次性投入成本过高，短期内无 法实现大规模广泛应用。近些年来光纤到路边( f t t c ，f i b e rt ot h ec u r b ) 、光纤 到楼( f t t b ，f i b e rt ot h eb u i l d i n g ) 在我国迅速发展，但其广泛应用需要利用其 它可行的入户接入技术。电力线接入是利用最为广泛的电力网络，丌通便捷、成 本低廉，但其噪声大、安全性低，在我国所有接入方式中速率最低。无线接入布 网灵活、支持移动得到了广泛应用，但与有线接入方式相比传输速率有限、可靠 性差、保密性差、易受干扰，不适合作为主要的宽带接入传输方式。 通过以上比较可以看出，面对“三网融合的发展要求，现有的接入方式在 技术、成本、容量、可行性、用户接受程度等方面均无法满足我国的市场需求。 由于近些年来光纤骨干网术端逐渐向用户端延伸，已出现了f t t c 和f t t b ，所 以若是在此基础上充分利用己广泛分布的同轴电缆，则可实现适合我国国情的、 能够满足“三网融合”需求的宽带接入解决方案。 我国有线电视网用户数量庞大，户内有线电视网络频带宽、容量大、抗干扰 能力强，而且网络内无放大器等有源设备，无需进行改造即可进行双向通信。在 我国，有线电视系统的广播电视频道频带上限为8 6 0 m h z ，其上频带未被使用。 经过理论推算和实际测量发现，若将8 6 0 m h z 以上的频带利用起来，则可以得到 超过2 g b p s 的可用物理带宽。本文称这一频段为带外信道，如图1 1 所示。 幽1 1 同轴电缆频谱分割示意幽 如果在光纤骨干网未端距离用户端很近的基础上，利用此带外信道提供宽带 接入解决方案，则无需重新稚线和进行其它改造便可提供多业务、高宽带的接入 应用。本文描述的这种接入技术称为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 r c o a x ) 。该技术仅增加了局端设备h i n o c 桥( h b ，h i n o cb r i d g e ) 和终端设备 h i n o c 调制解调器( h m ，h i n o cm o d e m ) 等相关设备，即可实现包括网络电话 ( v o l p , v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 、交互式网络电视( i p t v , i n t e m e tp r o t o c o l t e l e v i s i o n ) 、s d t v h d t v 和高速上网等多业务、高带宽网络应用。 1 2 本文主要工作和内容安排 本文选题来自国家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”。该课题旨在利用现有有线电视网的楼道和户内分配网络，在8 6 0 m h z 第一章绪论 以上的广播电视带外信道上，搭建能够支持高达4 0 m b p s 业务速率的宽带接入网 络( h i n o c 接入网络) 。如果要求h i n o c 接入网络能够为包括实时v o l p 、i p t v 等在内的多种业务提供q o s 保障，就需要研究设计出高效可行且实现简单的调度 算法。本文就是针对h i n o c 网络的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证机制 进行研究的。 本文在研究h i n o c 网络q o s 类型和q o s 体系结构的基础上，结合现有的常 见调度算法，设计了适于h i n o c 网络且提供q o s 保障的种调度算法：基于优 先级的资源预留调度算法( r r s a p q r e s o u r c er e s e r v a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m b a s e do np r i o r i t yq u e u i n g ) ，并研究了基于严格优先级的轮询算法( 本文简称为 r r p q 算法) 。r r s a p q 算法能够在保证h i n o c 网络各种类型业务q o s 的同时， 兼顾公平性，改善了r r p q 算法公平性较差的问题。随后，本文在n s 2 ( n e t w o r k s i m u l a t o r - 2 ) 仿真平台中对r r s a p q 算法和r r p q 算法进行了仿真，重点分析、 比较了两种算法在吞吐量、丢包率、时延特性、复杂度以及公平性方面的性能。 仿真结果表明，r r s a p q 是能够为多种类型业务提供q o s 保障的调度算法，实 现机制简单，在区分不同类型业务优先级的基础上兼顾了不同等级业务流之问的 公平性，使网络调度的综合性能得到提升，适于h i n o c 网络使用。 本文内容和结构安排如下： 第二章概述了h i n o c 接入网络的系统结构和协议栈，介绍了h i n o c 接入网 络的组网方式、拓扑结构、双工方式等内容，阐述了m a c 层协议机制。 第三章在介绍了q o s 一般概念的基础上，给出了h i n o c 接入网络的q o s 类 型以及q o s 体系结构。而后对现有的各种调度算法进行了比较，设计了一种用于 h i n o c 接入网络并提供q o s 保证的调度算法r r s a p q 算法，并给出了详细 的设计思想和算法流程。为了便于比较，本文还研究了基于严格优先级的轮询调 度算法( r r p q ) ，将其与r r s a p q 算法进行比较。 第四章根据前文所述的q o s 体系结构和两种调度算法，在n s 2 上搭建了仿 真平台，实现了仿真模块，并根据仿真结果重点比较了r r s a p q 和r r p q 算法 在吞吐量、丢包率、时延特性、复杂度、公平性等方面的性能，通过分析得出结 论。 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。 第二章h i n o c 接入网络 5 第二章h i n o c 接入网络 h i n o c 接入网络是在光纤骨干网术端距离用户端很近( 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。 本章首先对h i n o c 接入网络的系统结构做一概述，然后根据协议栈分别介绍其 物理层的基础和m a c 层的工作原理。 2 1h i n o c 接入网络的系统结构概述 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自订提 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。 图2 1h i n o c 网络的一种典艰应州环境 图中，来自骨干网的g b e ( g i g ab i te 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( t 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。 两个椭圆圆圈所括即为分别存在于两个1 6 m h z 信道上的独立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 、若干个h m 及其问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 6 h i n o c 网络服务质量( q o s ) 保证机制研究 端，如计算机或机顶盒( 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，不受影响。 h i n o c 接入网络的协议栈模型如图2 2 所示。 汇聚子层 ( c s ) m a c 公共部分子层 v ( c p s ) 物理层 p h y ， ( p h y ) 图2 2h i n o c 网络协议栈模型 协议栈分别定义了媒体接入控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和物理层。 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 np 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) 。 2 2h i n o c 接入网络的p h y 层 由于带外信道与原有广播电视信道的电磁特性差异很大，所以若要达到较好 的网络指标，完成高速传输，系统方案的设计要求较高。在对带外信道特性进行 实验室测量和实地测量并分析后得出结谢4 】： h i n o c 接入网络工作在8 6 0 m h z - - 1 5 0 0 m h z 的带外信道上。 每个h i n o c 信道带宽为1 6 m h z 。 可在同一根同轴电缆上以f d m 方式构建多个h i n o c 信道。 一个h i n o c 信道内采用o f d m 技术，子载波个数为2 5 6 个，其中有效子 载波2 1 0 个，对应的o f d m 符号周期为1 6 p s ，循环前缀( c p , c y c l i cp r e f i x ) 长度为1 肚s 。 采用自适应调制方式，即根据信道条件的优劣，各子载波选用相应的高阶 低阶调制方式，选择范围包括：2 5 6 q a m 、1 2 8 q a m 、6 4 q a m 、3 2 q a m 、 16 q a m 、8 q a m 到q p s k 、b p s k 。 采用b c h ( 5 0 8 ，4 7 2 ) 码进行前向纠错。 h i n o c 协议规定物理层帧均由前导序列与物理层载荷组成，如图2 3 所示。 图2 3 物理层帧结构示意幽 其中，前导序列传输时长为4 p s ，载荷由多个o f d m 符号构成，一个o f d m 第二章h i n o c 接入网络 符号包括2 5 6 个i f f t 输出样点和1 6 个循环前缀( c p ) 样点，传输时长分别为 1 6 1 a s 和1p s ，故一个o f d m 符号传输时长为1 7 a s 。若载苟含有n 个o f d m 符号， 则一帧传输时长共计为( 4 + n x l 7 ) l a s 。 物理层的拓扑结构如图2 4 所示。 嗍 嘲嗍嗍 图2 4h i n o c 网络物理拓扑幽 在单个h i n o c 物理信道上，一个h b 和若干个h m 设备共同组成了基于同 轴电缆的总线型拓扑结构，各h m 共享带宽。 2 3h i n o c 接入网络m a c 层 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l 日j 并进行信道资源的分配。 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 5 所示。 图2 5h 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 h i n o c 网络服务质鼍( q o s ) 保证机制研究 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带 宽分配，并使带宽得到充分的利用。如图2 6 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同俱增，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。 3 ) 多址方式 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 信道上的。这里的“全 协调”是指各结点( 包括h b ) 的所有信息传送都是由主结点h b 统一调度的。 h b 负责分配全网资源，例如，某结点是否有权发送信息、在何时发送何种类型 的信息等。所以一旦结点被接入到网络中，各结点间的通信是无碰撞的。h b 还 负责产生全网统一的系统时问，因为h i n o c 接入网络是全协调的，所以网络内 的所有结点都必须与系统时间保持同步，通过由h b 定期发送系统时间即可实现 全网的时间同步。 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 网络搜索简单地说就是一个h i n o c 网络结点在新上电或初始化后，建立或 加入网络的过程。具体来讲，若该结点是主结点h b ，则h b 在上电或初始化后 会找寻空闲信道建立h i n o c 网络，并等待新的从结点( 称之为n h m ，n e wh m ) 加入该网络；若该结点是n h m ，则在上电或初始化后搜索己建立的h i n o c 网络 第二二章h i n o c 接入网络9 并试图加入其中。 在此过程中，一个很重要的控制帧是b e a c o n 帧。b e a c o n 帧是一种信标帧， 它是由h b 产生并在h i n o c 信道上周期性发送的，主要用于引导n h m 接入到网 络。当网络发生故障，i - i m 丢失m a p 帧时，也可依靠b e a c o n 帧重新找回m a p 帧，以增强网络的健壮性。b e a c o n 帧的帧结构如图2 7 所示。 n e t w o r ka c fa c fa c f i m a om a pm a p i dp o i n t e r l e n g t h t y p e p o i n t e r l e n g t hp r o f i l e 图2 7b e a c o ni 姨的帧结构 b e a c o n 帧包括帧头、载荷和c r c 三部分。其中，载荷又包括网络号、接纳 控制帧( a c f ，a c c e s sc o n t r o lf r a m e ) 相关参数和m a p 帧相关参数三部分。接 纳控制帧的相关参数包括起始时刻a c fp o i n t e r 、长度a c fl e n g t h 和帧类型a c f t y p e ，这些参数主要用于结点接纳过程；m a p 帧的相关参数包括起始时刻m a p p o i n t e r 、长度m a pl e n g t h 和调制方式m a pp r o f i l e ，这些参数指明了b e a c o n 帧后 第一个m a p 帧，用于h m 丢失m a p 帧后的恢复( 本文将在“数据传输”操作部 分对m a p 帧予以详细介绍) 。只有通过b e a c o n 帧来引导，h b 和n h m 才能顺利 完成网络搜索过程，其流程如图2 8 所示。 图2 8 网络搜索流稃图 索 h b 加电之后，便在系统配置的频率或上次加电工作的频率上侦听信道，检 查是否有其它结点发送的b e a c o n 帧。若无，则表明信道空闲，可以建立网络；若 有，则表明信道已被占用，h b 需切换到其它频率上继续侦听，直到找到空闲信 道为止。无论是否有n h m 搜索网络，h b 都会定期发送b e a c o n 帧，便于其它结 1 0 h i n o c 网络服务质量( q o s ) 保证机制研究 点搜索网络。 n h m 加电之后，便在系统配置的频率或上次加电工作的频率上侦听信道， 检查是否有来自h b 的币确的b e a c o n 帧( 对于系统配置频率的搜索，n h m 需要 验证此b e a c o n 帧是否包含自己的网络i d ) 。若有，则表明存在一个已建立的 h i n o c 网络；若无，则需切换到其它频率上继续侦听，直到找到自己要加入的那 个网络的b e a c o n 帧。 2 ) 结点接纳 当网络搜索完成后，系统即进入结点接纳操作。结点接纳是一个n h m 在完 成网络搜索过程后试图加入当前网络的过程。这一过程也是在b e a c o n 帧的引导下 完成的。 b e a t o n 臼定期发送b e 。n i 匪篓业_ 臼定期发送b 船c 。n l 一接纳喧应 盥型l 一臼定期发送b e a c 。n a c k。! 图2 9b e a c o n 引导新结点接纳示意图 主结点h b 周期性地广播b e a c o n 信息，当n h m 接收到此信息后，可按照 b e a c o n 中接纳控制参数的指示在规定时刻与h b 进行信息交互。如图2 9 所示， 当n h m 接收到h b 发送的b e a c o n 帧后，便在规定时刻发送接纳请求，等待来自 h b 的接纳响应。如若n h m 已接收到接纳响应，则按照h b 下一次发来的b e a c o n 中的指示( 由接纳控制参数指明) ，在规定时刻发送a c k 信息，依此类推，直到 完成结点接纳过程。 h b 统一调度接纳过程中所有信息的交互，其概要过程如图2 1 0 所示，为便 于说明结点间的交互信息及工作状态，图中省略了b e a c o n 帧。 图中，左侧的n h m 表示欲加入网络的新的从结点，中间的h b 为网络主结 点，右侧的h m s 是已存在于网络的各从结点。 第二章h i n o c 接入网络 oo s l 态 氆纳i 生一 食换接纳i 求，啊晦 接纳嘧生 一一a c k 一一 - ； 完成稚删= 二盏毒 一一业绌：；删烂一 ； 越盐一一 仆蒹翕h 啪眦止一 链路n 通参数上垃妊2 一 一f 啦王稿出一 一； 丛 釜一 n 意盏。的链 一 路信通笏教并j 播虹k 一 一 睑蛙2 一e 殴妊2b 凶d ，l + 型必正丛u 蛔地l 一i c k 一 0 丘睑堕璺堡豳幽一 - 鲑一 s 5 叁+ 丛叁已0 一 稳态，完成接纳i = 上栉 图2 1 0 新结点接纳过程流程图 接纳过程可粗略分为五个状态： s 1 念：n h m 和h b 交互接纳请求和接纳响应。 s 2 念：n h m 完成收发功率控制与调整。 s 3 念：利用物理层探测帧( p r o b e l 和p r o b e 2 ) ，估计n h m 到h b 方向链路 的信道参数，包括时偏、频偏和调制方式等参数。 s 4 念：估计h b 到n h m 方向链路的信道参数，并将新计算出的参数广播给 n h m ，同时将新的公共调制图样( c m p , c o m m o nm o d u l a t i o np r o f i l e ) 向网络中的 所有已接纳结点h m 进行通告。 s 5 态：稳态，完成接纳过程。此时，n h m 已被接纳入网络成为h m 。 3 ) 数据传输 数据传输是h i n o c 网络的主结点h 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，及时、快速、准确地进行数据传 输，h i n o c 引入了预约许可机制。当h m 需要发送信息时首先必须向h b 发送 预约请求，h 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 是通过h m 向h b 发送预约请求帧来完成的，预约请求帧的帧结构如图2 1 l 所示。 1 2h i n o c 网络服务质量( q o s ) 保证机制研究 图2 1 1 预约请求帧结构 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 t i d ) 、优先级( p r i o r i t y ) 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 aa 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 1 2 所示。 图2 1 2m a p 帧利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，业务量小时m a p 周期适当减小。 第二章h i n o c 接入网络 幽2 1 3 上行链路数据传输流稃图 当数据沿上行链路( h b 至h m 方向) 传输时( 如图2 1 3 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 + i ) 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 f 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的数 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 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 4 h i n o c 网络服务质量( q o s ) 保证机制研究 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 ，丌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 1 4 所示。 oo - 些姿控制 s 6 忐 功垒控制 + i 功率调整 1 必垒垃创! b 盛 h p j j l l z l “j l _ 旦丛止一 ；a c k _ s ：! 篓。i 一旦凼上一 维护r 行链路：二二二二二二五三三五函主王二 二旦竺= _ 已盐斗坐2 一 a c k 丛生l 一 s 8 态 _ 丛一 维护卜行链路 上型瞳三一 睑妊2b p 耐 - i s 9 叁 维护j 、播链蹄 - 依次jj 它h m 进行点劁点链蹿维护一 ! 。：撞鲢! 堕m b g 趔 - l k 图2 1 4 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i 日j 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 念：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 帧告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。 第二二章h i n o c 接入网络 1 5 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 n 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 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 层丌销，提高h i n o cm a c 层传输 效率。打包后的h i n o c 数据帧结构如图2 1 5 所示。 图2 1 5 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( 3 2 节将予以详细介绍) 。这三类 优先级分别是：p r i 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 t r 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。 第三章h i n o c 接入网络的q o s 机制研究 第三章h i n o c 接入网络的q o s 机制研究 如前所述，h i n o c 接入网络为了适应多样化业务的需求，需要提供基于优先 级的q o s 保障，但是如何根据划分的服务类型进行q o s 管理却是保证h i n o c 网 络性能与q o s 的关键。本章首先对q o s 的概念做一简单介绍，然后引出h i