（通信与信息系统专业论文）hinoc宽带接入系统mac层协议研究与实现.pdf

摘要 当前，有线电视网络已经广泛地进入百姓家庭，然而国内外针对有线电视网 带外信道的宽带接入技术的研究尚属空白，h i n o c 技术正是基于用户楼内的有线 电视分配网络组建宽带接入网，实现高速和高质量的多业务宽带接入，以提供给 用户包括口t v 、s d t v h d t v 和上网等在内的多种宽带应用，加速“三网融合 的进程，消除整个宽带接入网带宽提升的瓶颈。h i n o c 系统的m a c 层协议用来 解决同轴电缆共享信道上多点接入控制的问题。本文研究了h i n o c 宽带接入系统 的组网方式，提出了适合该组网方式的m a c 协议，并且在嵌入式系统i x p 4 2 5 平 台下，实现了h i n o cm a c 协议，组建了基于以太网的调测实验环境以模拟h i n o c 系统的实际运行环境，在该环境下对m a c 协议的功能和性能进行了测试和分析。 研究和测试结果表明，h i n o c 系统的m a c 层协议很好地解决了宽带接入网多点 接入控制的问题，能够实现数据的高速、无冲突的传输。 关键词：i - i i n o cm a c 宽带接入网嵌入式系统i x p 4 2 5 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ec a b l et vn e t w o r kh a sc o m ei n t ow i d eu s ei nc h i n e s ef a m i l y b u t s c i e n t i f i cr e s e a r c h e so nb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g yb a s e do nt h ec a b l et vn e t w o r k s o u t o f - b a n dc h a n n e li sr e a l l yr a r ea th o m ea n da b r o a d 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 ( h i n o c ) t e c h n o l o g y i su s e dt o p r o v i d e u s e r ss e r v i c e s i n c l u d i n gi p t v , s d m d t va n di n t e r n e ta c c e s ss e r v i c e sb ys e t t i n gu pb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ko n t h ec a b l et vn e t w o r k a n di tw i l la c c e l e r a t et h ep r o c e s so fm e r g e n c eo ft h et h r e e n e t w o r k sa n de l i m i n a t eb 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 dn e t w o r k t h em a c l a y e r p r o t o c o lo fh i n o c b r o a d b a n da c c e s ss y s t e mi su s e dt or e s o l v et h ep r o b l e mo fm e d i u m a c c e s sc o n t r o lo ns h a r e dc h a n n e la n dp r o v i d e st h es y s t e mh i g h e rs p e e da n dh i g h e r q u a l i t y t h i sp a p e rd e a l sw i t hh i n o cs y s t e m sn e t w o r k i n gm o d ea n dh i n o cm a c l a y e rp r o t o c 0 1 i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t sm a cl a y e rp r o t o c o l o fh i n o c b r o a d b a n da c c e s ss y s t e mo l lt h ep l a t f o r mo fe m b e d d e ds y s t e m - i x p 4 2 5a n dt e s t si t s f u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c eo nt h et e s t i n ge n v i r o n m e n tb u i l tu p o n1 0 0 m b p se t h e r n e tt o s i m u l a t et h er e a lo p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fh i n o cs y s t e m a sar e s u l t ，t h et e s th a s s h o w nt h a tt h em a c l a y e rp r o t o c o lo fh i n o cb r o a d b a n da c c e s ss y s t e mh a sp e r f e c t p e r f o r m a n c ea n da t t a i n sa ni n t e n d e dg o a l k e y w o r d s ：h i n o c m a cb r o a d - b a n da c c e s sn e t w o r k e m b e d d e d - s y s t e m i x p 4 2 5 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。与我一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： 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_ 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景、目的和意义 自从2 0 世纪9 0 年代末提出“三网融合 的概念以来，至今已近1 0 年时间， 目前，“三网融合 已经成为国际发展的主流趋势，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响。 “三网融合 是一种广义的概念，现阶段，它并不意味着电信网、互联网和有 线电视网的物理合一，而主要是指高层业务的融合，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。近来出现的 i p l v 等应用为“三网融合”在业务层面上找到了突破口，被认为是各大网络走向 “三网融合 的最佳切入点。 随着我国光纤通信技术的日趋成熟，骨干网光纤化已基本完成，光纤具有很 高的传输速率和可靠性，“最后一公里 的接入网成为整个宽带网带宽上升的瓶颈 我国目前铺设的接入网中，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 ) 。以一路数字化标清电视( s d t v ) 和高清电视( h d t v ) 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1 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 。 当前的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，但是由于在重新布线、带宽、成本以及用户接 受程度等方面的原因，这些接入技术都难以提供可行地接入网解决方案。由于光 结点到用户的距离越来越近，在已经实现光纤到楼( 哪) 的情况下，如何提供 最后1 0 0 米的宽带接入方案将直接影响着“三网融合 的推进。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。 目前，中国拥有大量的有线电视网用户，户内有线电视分配网络具有得天独厚 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，无需进行改造即可进行双向通信。其中，8 6 0 m h z 以下频带为广 播电视频道，而8 6 0 m h z 以上频带没有被使用，本文称之为带外信道。据测算， 在该带外信道内有超过3 g b p s 的可用物理带宽，如果利用该带外信道提供宽带接 入解决方案，则无需重新布线或改造就可提供多业务宽带接入。本文所描述的 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 ) 技术就是利用有线电视同轴电缆的 h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议研究与实现 带外信道组建多业务宽带接入网。该技术完全利用现有有线电视网同轴电缆的网 络布线，仅增加了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 ) 等相关设备，即可实现高速和高质量的多业务接入，提供给用户 包括口t v 、s d 圳d t v 和上网等在内的多种宽带应用。 当前，这种宽带接入技术研究在国内外尚无报道。由于有线电视网8 6 0 m h z 以上的带外信道长期无人使用，几乎一直是研究的盲区。国际上，由e n t r o p i c 、松 下、日立和m o t o r o l a 等公司组成的多媒体同轴电缆联盟( m o c a 1 1 ，m u l t i m e d i ao v e r c o a xa l l i a n c e ) ，利用8 5 0 。1 5 0 0 m h z 的频段，提出了用于家庭网络的实现方案，并 推出了相关芯片和产品。在这一实现方案中，每个家庭的各个m o c a 节点设备利 用有线电视电路组成家庭网络，采用全互连网状拓扑结构，每个家庭网络占用 5 0 m h z 带宽，使用正交频分复用( 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 ) 的多载波调制技术，据称该网络物理速率可达2 7 0 m b p s 。这一信息 使我们看到了利用带外信道构建宽带接入网的可能性和良好前景。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的有较大差异。研 究我国有线电视网带外信道特性，并根据这一频段信道的特性设计宽带接入网， 将填补我国在该频段的研究空白。 1 2 本文主要工作和内容安排 本文研究了h i n o c 宽带接入系统的m a c 层协议，主要包括以下内容： 接入网组网方式研究，包括接入网的系统结构和配置方式，以及网络拓扑 结构等方面。 m a c 层相关机制研究，包括信道规划、双工方式、多址方式，以及数据 传输机制、网络接纳和链路维护机制等方面。 在细致地研究了h i n o c 系统m a c 层协议的基础上，本文在i x p 4 2 5 嵌入 式平台下编程实现了该协议，搭建了基于以太网的调测实验环境，用于模 拟h i n o c 宽带接入网络的实际运行环境，便于对m a c 层协议的功能和性 能进行测试和分析，并以此为基础对h i n o c 系统以及m a c 层协议和软件 设计进行了改进。研究和测试结果表明，h i n o c 系统的m a c 层协议很好 地解决了宽带接入网多点接入控制的问题，能够实现数据的高速、无冲突 的传输。 本文的内容安排如下： 第二章研究了h i n o c 宽带接入系统的m a c 层协议，具体内容包括h i 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。 第一章绪论 第三章介绍了如何在i x p 4 2 5 嵌入式平台下实现h i n o c 系统的m a c 层协议， 对l i n u x 系统下网络设备驱动程序的设计方法进行了简介，重点分析了h i n o c 系 统m a c 层协议的软件架构、定时器模块和队列管理模块的实现。 第四章介绍了搭建基于以太网的调测实验环境的步骤，并在该环境下对 h i n o c 系统m a c 层协议的功能和性能进行了测试，对测试结果进行了分析。 第五章总结论文工作，提出了h i n o c 系统m a c 层协议改进和进一步研究的 方向。 第二章h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议 第二章h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议 h i n o c 宽带接入系统工作在有线电视分配网络的带外信道上，即8 6 0 m h z 以 上频段。研究表明，同一段同轴电缆上带外和带内的电磁特性有很大区别，高频 导致通信环境恶劣，衰减大，因此要达到较好的网络指标，尤其是要达到4 0 m b p s 的高速传输，对系统方案的设计要求较高。 基于同轴网络带外信道模型，提出了利用有线电视网带外信道组建宽带接入 网的h i n o c 技术，包括组网方案、m a c 层协议等内容。该接入技术为解决最后 1 0 0 米宽带接入问题提供了一种有效、便捷的解决方案。 2 1m a c 协议概述 本节从应用场景、网络拓扑结构、双工方式和协议栈等方面对h i n o c 宽带接 入系统的m a c 协议进行概述。 2 1 1 应用场景 h i n o c 系统m a c 协议所要解决的问题是，在当前f f t b 已经存在和普遍应 用的条件下，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。h i n o c 技术结合f t t b 和f t r h 技术，利用同轴电缆带 外信道构建楼内或户内接入网，以此提供新的宽带接入手段。h i n o c 技术较为常 见的组网方案有以下两种。 1 ) f i 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 节点共享。利用册线路，g b e ( g i g a b i te t h e m e t ，千兆 以太网) 信号通过h b 节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 节点，由该h m 节点将 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。i - i 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 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。 h n o c 宽带接八系统m a c 层协议研究与实现 图2 1 册+ 楼内分配网络的组呵方案 2 ) 兀t h + 户内分配网络的组网方案 该组网方案如图22 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 ( o i g ab i te t h e m e tp a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ，基于千兆以太网的无源光网络) 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 节点后，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 节点将该信号 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。 图2 2f i t h + 户内分配网络的组网方案 需要注意的是，无论上述哪种组网方案，在一个1 6 i v l l t z 的h i n o c 信道内， 都可能存在h b 或多个h m 设备共享该信道，因此需要设计m a c 协议解决该信道 内的接入控制问题。 由于多个h i n o c 信道通过频分复用( f d m ，f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 干卞王 、睦寸一，一 一 第二章h i n o c 宽带接 系统m a c 层协议 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 1 2 拓扑结构 在单个h i n o c 信道内，h b 和多个h m 设备组成总线型的物理拓扑结构，如 图2 3 所示。 呲f o 嘲口_ 嘲_ 咖鼬 h mh m t i mh mh mh m 圈2 3 h 0 眦阡缮总线型物理拓扑结构 对于上述总线型物理拓扑结构，为了更好地支持业务的服务质量( o o s ) 和优 先级等特性，必须肘该网络施加更多的控制，在h i n o c 网络中引入中心节点h b ， 组成由中心节点控制的星型逻辑拓扑结构，如图2 4 所示。 图2 4 h i n o c 阿络星形逻辑拓扑结构 在这种星型逻辑拓扑结构下，h b 作为中心节点，控制网络资源的分配，即接 收各h m 节点对带宽的申请，并为之分配传输时隙，协调各节点的致据传输以避 免碰撞。这保证了该信道工作于全协同的t d m , r r d m a 模式，即下行方向采用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) ，上行方向采用t d m a ( 1 h ed i v i s i o a m u l t i p l e a c c e s s 。时分多址) ，采用t d d ( t u n e d i v i s i o n d u p t e x i n g ，时分双工) 方 式实现上下行方向的双工通信。在该模式下，只允许l i b 和h m 节点直接通信， 各h i d 节点之间的通信是通过f i b 节点的转发来完成的。h b 可以发送单播帧和广 8 h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议研究与实现 播帧，h m 只能发送单播帧。h b 向各个h m 节点发送的单播帧或广播帧称为下行 帧，而各h m 节点向h b 发送的单播帧称为上行帧。 2 1 3 双工方式 根据h i n o c 网络的物理和逻辑拓扑结构，h i n o c 网络在各住户之间采用f d m 模式，而在住户内部采用全协同的t d m t d m a 机制，所有通信过程都是在h b 节 点的控制下完成的。在该模式下，除了节点接纳过程的最初阶段外，网络上所有 信息的收发均是无碰撞的。h b 节点通过周期性地广播m a p ( m e d i aa c c e s sp l a n ， 媒质接入规划) 帧对网络上所有信息的发送时机进行严格规定。每个m a p 帧规定 了什么时段由哪个节点发送什么信息。各h m 节点收到m a p 帧后，只能在h b 分 配给自己的发送时段内向h b 发送规定的信息。通过h b 的统一调度，避免了各 h m 节点接入上行信道时的碰撞，因此这种t d m a 方式是无碰撞的。 同样，采用t d d 方式保证了上、下行信息在同一信道的不同时间段内发送， 可以和t d m a 机制很好的协调工作。t d d 的优点是实现简单，并且在中心节点的 统一调度下可以非常灵活地实现上下行带宽的分配。这一点非常重要，因为随着 p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 、多媒体会议等对称业务的增多，网络上行业务流量有增加的 趋势，这时只需通过h b 统一调度，就可以实现上下行业务流量的重新配置。由于 接入网是一个距离范围很小的拓扑结构，t d d 所需的同步机制也很容易实现。 2 1 4h i n o c 协议栈 h i n o c 系统的协议栈如图2 5 所示，包括以太网汇聚子层( e c s ，e t h e r n e t c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) ，m a c 层和物理层。以太网汇聚子层在逻辑上属于m a c 层 的一个子层，位于h i n o cm a c 层核心功能模块之上。由于其功能相对独立，在 图中将其单独画出。本文不涉及物理层的内容，而m a c 层采用的各种机制将在本 章后续各小节中介绍，下面介绍以太网汇聚子层的功能。 以太网汇聚子层的主要功能是将高层协议的数据业务映射到h i n o c 系统的 m a c 层，便于m a c 层协议的处理。高层协议主要是e t h e m e t8 0 2 3 ，用于承载话 音、视频和数据业务。由于下行帧存在广播和单播之分，为了使h b 节点及时地转 发单播数据帧，以太网汇聚子层需要完成以太网地址学习和地址查找功能。为了 提高m a c 层的吞吐量和链路利用率，以太网汇聚子层提供了数据封装与解封装机 制。此外，为了支持上层业务对优先级的区分，以太网汇聚子层提供了三种优先 级，以满足不同速率的上层业务。以太网汇聚子层对上层数据的封装针对相同优 先级的数据帧。 第二二章h i n o c 宽带接 系统m a c 层协议 高层( 骨t 同) i fj l 以太网汇聚层( e c s ) m a c 物理层 图2 5 h i n o c 协议栈 22 信道分配和m a c 机制 h i n o c 网络采用全协同的t d i w r d m a 机制实现对共享信道的访问，信道分 配由h b 节点根据网络中所有节点当前的业务需求情况确定。这是通过皿节点周 期性地发送m a p 帧、b e a c o n 帧，以及各h m 甘点发送预约请求帧来实现的。 2 2 1m a p 划分信道 h i n o c 信道被划分为长度不等的m a p 周期在每个m a p 周期内，h b 节点 广播一个m a p 帧用于规划下一个m a p 周期内的信道使用情况，各h m 节点通 过分析m a p 帧即可获得信道分配情况。一个m a p 帧所控制的一段时间称为一个 m a p 周期，如图26 所示。一个m a p 周期的开始与结束时间由上一个m a p 周期 中的m a p 帧确定。l i b 节点在生成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m a p 周期之间和相邻帧之间要保留适当的保护间隔，防止相 邻帧由于各节点时钟偏移或者线路延迟等因素导致的碰撞。一个m a p 周期的持续 时间是可变的，由l i b 节点根据网络中节点总数及各节点预约的业务量确定。但是， 一个m a p 周期最长不允许超过t m a p “c l e 。规定m a p 周期长度可变，是为了避免 较长的上层数据帧在m a c 层的分段和重组操作，减轻m a c 层的负担。之所以规 定m a p 周期的上限，足因为长度为t m a 晰c l 的m a p 周期可以容纳下虽长的上 层数据帧，而m a c 层的时延保持在合理的范围内。 带f 萨韵青 图2 6 m a p 周期划分信道 1 0 h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议研究与实现 m a p c y c l e 上行区 多个h m 节点的预约请求帧 上行数据区 1 一个m a p 帧 下行区 ，、一 下行数据区 预约请求吲毕誓”紫吲m 仙叩亭吲警 图2 7m a p 周期内信道使用情况 一个m a p 周期内的信道使用情况如图2 7 所示。m a p 周期内信道的分配要考 虑提高链路利用率，使控制帧和帧间隔等开销所占的比例达到最小。为了避免 h i n o c 设备的发射机在收发状态间的频繁转换，m a p 周期按照数据帧的流向分为 上行区和下行区。预约请求帧是一种特殊的上行帧，在m a p 周期的开始时段传输， m a p 帧作为一种重要的广播帧，放在下行区的开始。每个m a p 周期中，上、下 行区间的比例由h b 节点控制，根据当前网络中各节点的业务需求和数据帧的优先 级等状况，h b 节点可以调节这个比例，使上、下行业务的带宽灵活可变，任一节 点接入网络的带宽也是灵活分配和随时可变的，这样适应了终端业务的需要。 从图2 7 可以看到，一个m a p 周期中，物理线路上传输的数据帧依次为：某 些h m 节点的预约请求帧，上行帧，m a p 帧和下行帧等。一个m a p 周期最多允 许n v v s 个h m 节点发送预约请求帧，具体是哪几个h m 发送预约请求帧是由h b 节点按相应的算法确定的。每个m a p 周期都允许h b 发送下行帧，但是不需要给 h b 节点分配预约请求机会。有关预约请求机制的内容，参见2 2 3 节。 h i n o c 系统的m a c 帧具有统一的格式，包括首部，载荷，以及校验和部分， 如图2 8 所示。m a c 帧首部包含接收该m a c 帧所需的必要信息，如目的节点号 ( d i d ) 、源节点号( s i d ) 、帧类型( t y p e 和s u b t y p e ) 和帧长( l e n ) 等，其格 式在各种m a c 帧中保持一致。载荷部分根据帧类型的不同而不同，包含指定长度 的控制或者数据信息，是有效传输部分。校验和对载荷部分进行校验，以保证接 收数据的正确性。但是，校验和不对首部进行校验，因为首部已经包含校验信息 ( h c r c ) 了。 图2 8 m a c 帧通用格式 m a p 帧也具有上述m a c 帧的格式，如图2 9 所示，其载荷部分是由m a p 头 和多个长度为n a u 字节的信道分配单元( a u ，a l l o c a t i o nu n i t ) 组成。m a p 头中 f r o m 和t 0 域分别指明下一个m a p 周期的开始和结束时刻，e l e m e n t n u m 域为 m a p 帧中a u 的数目，s t a t e 域为一些系统控制状态的组合值，l m o _ n o d e 为当前 第二章h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议 1 1 进行链路维护操作的h m 节点。而信道分配单元指明了下一个m a p 周期内某时间 段某节点需要发送或者接收帧的必要信息，例如数据帧的类型( t y p e 和s u b t y p e ) 、 源和目的节点号( s r c 和d e s t ) 、长度( d u r a t i o n ) ，以及相对于该m a p 周期开始时 间的帧发送时刻偏移( o f f s e t ) 等，h m 节点就是通过分析这些信道分配单元来达 到准确发送和接收数据帧的目的的。一个m a p 帧中信道分配单元的数目由当前网 络中各节点的业务量确定。但是，为了便于h b 节点为m a p 帧分配信道带宽， m a p 帧的总长度不得超过l m a p 字节。 h e a d e r p a y l o a d c r c 回卫星圉圈互匝田匡豆面重至匾 图2 9m a p 帧格式 2 2 2b e a c o n 帧与网络接纳规程 除了m a p 帧用来划分信道以外，另一类控制帧- - b e a c o n 帧对于h i n o c 网络 的正常工作也起到重要作用。b e a c o n 帧是由h b 节点按固定周期广播的控制帧， 其主要作用包括： 1 ) 引导新节点接入h i n o c 网络。新节点的接纳过程详见下文。 2 ) 已接入网络的h m 节点在发生故障时，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。由于b e a c o n 帧包含接收下一个m a p 帧所需的必要参数， 并且b e a c o n 帧采用了比m a p 帧更健壮的调制方式，若某h m 节点由于某种原因 丢失了m a p 帧，则该节点可通过接收和分析b e a c o n 帧以获得接收下一个m a p 帧 的必要参数，从而可以及时地恢复h m 节点的工作，而不至于使h m 节点通过接 纳过程重新加入网络。 图2 1 0b e a c o n 帧格式 b e a c o n 帧格式如图2 1 0 所示。载荷包含网络号、接纳控制帧( a c f ，a c c e s s c o n t r o lf r a m e ) 参数和m a p 帧参数三部分。其中，接纳控制帧参数指明了接纳控 制帧的开始时刻( a c fp o i n t e r ) ，长度( a c fl e n ) 和类型( a c ft y p e ) ，在节点 接纳过程中使用。m a p 帧参数指定了接收b e a c o n 帧后第一个m a p 帧的相关参数， 包括帧开始时刻( m a pp o i n t e r ) 、长度( m a pl e n ) 和调制方式( m a pp r o f i l e ) ， h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议研究与实现 用于h m 节点丢失m a p 帧后的恢复。b e a c o n 帧的发送时机如图2 1 1 所示。 图2 1 1b e a c o n 帧的发送时机 在h i n o c 网络中，b e a c o n 帧的周期固定为t b 。在h b 节点内，m a p 对信道 的分配不得与b e a c o n 帧的发送时间相冲突，应当首先保证b e a c o n 帧严格按照t b 的周期发送，m a p 周期可以因此而调整长度。 b e a c o n 帧的作用之一就是引导新节点接入h i n o c 网络。节点接纳是指当前 h i n o c 网络内的h b 节点和欲加入该网络的新节点n h m ( 等待加入h i n o c 网络 的h m 节点) 建立网络连接关系的过程。根据2 1 2 节对h i n o c 网络的物理和逻 辑拓扑结构的讨论，节点接纳过程是在中心节点h b 的协调下完成的。在新节点接 纳过程中，n h m 节点和h b 有信令交互，但是n h m 节点不需要和其他h m 节点 进行信令交互，而且新节点的接纳过程并不影响h b 与其他已经接入到网络中的 h m 节点的信令和数据交互。 在节点接纳过程中，b e a c o n 帧起着至关重要的作用。新节点通过b e a c o n 帧中 指定的接纳控制帧参数与h b 节点交互控制帧，以完成新节点的接纳过程。b e a c o n 帧引导新节点接入网络的具体交互过程如图2 1 2 所示。h b 节点周期性地广播 b e a c o n 帧，n h m 节点在指定的a c f 时间内发送接纳请求帧，然后h b 节点在下 一个b e a c o n 周期中回应接纳响应帧，依次类推，直至完成接纳过程。新节点接纳 过程的流程图如图2 1 3 所示，该过程包括5 个状态，其中每个状态的作用如下： 图2 1 2b e a c o n 帧引导新节点接纳 1 ) 1 态，h b 和n h m 节点交互接纳请求帧和接纳响应帧。当n h m 节点接收 到正确的b e a c o n 帧后，在b e a c o n 帧指定的a c f 时间段内发送接纳请求帧，以申 第二章h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议 1 3 请加入该网络。h b 节点接收到正确的接纳请求帧后，在下一个b e a c o n 周期中的 a c f 时间段内发送接纳响应帧，对n h m 节点予以响应，表明同意该新节点的接 纳请求，并启动新节点接纳过程。此后接纳过程中所有的信令交互及节点的状态 转换均由h b 节点控制。 2 ) 2 态，n h m 节点功率控制信息的交互。本状态调节新节点和h b 节点的功 率参数，使此后两节点间交互的各种帧使用最适合的功率参数。 3 ) 3 态，n h m 探测n h m 到h b 节点的信道参数，包括调制参数、时间偏移 和频率偏移等。这些信道参数是新节点加入网络后正常工作的基础，除非启动网 络维护操作( l m o ) ，否则这些参数是固定不变的。 日口日 埔 罡三一 | 。态 型业生0i i ： ： i 0 型塑噬+ 2 吝 | i； 垫童丝墅塑 - ； 2 吝| 盐皇丝型堕廛熊 | i l 望圣蕉型丝鉴 i ； 3 态 量善| i ； ； 1 0 型芝互一 态? ； i 1 旦些缝型l 一 ； 【0 鳖已一 i 1 4 h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议研究与实现 4 ) 4 态，h b 节点探测h b 到n h m 节点的信道参数，计算h b 到网络中所有 节点( 包括n h m 节点) 的广播信道参数，并且向网络中所有节点广播此信息。 5 ) 5 态，一旦进入该状态，网络中所有节点开始使用新的单播参数和广播参 数来收、发各种信令和数据帧。并且此后所有帧的收发时刻转到m a p 帧的控制之 下，新节点接纳过程结束。 经过这5 个状态的信息交互，n h m 节点完成接纳过程而加入一个h i n o c 网 络，转变为h m 节点，网络状态转变为稳态。h i n o cm a c 协议规定同一时刻只 能有一个节点进行接纳，即一个n h m 节点正在进行接纳操作时，其他欲加入本 h i n o c 网络的节点只能等待，在该n h m 节点完成接纳后再请求加入网络。 2 2 3 数据传输过程 数据传输过程是指接入h i n o c 网络的h b 或者h m 节点将终端设备的用户数 据及时、快速、准确地传输到目的节点，并由目的节点提交给该节点终端设备的 过程。数据传输过程涉及到预约请求机制。 图2 1 4 数据帧由h m 到h b 的传输过程 下面分别介绍数据帧由h m 节点传输到h b 节点和由h b 节点传输到h m 节 第二章h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议 1 5 点的具体流程。 数据帧由h m 节点传输到h b 节点的过程如图2 1 4 所示。当新节点接入网络 成为h m l 节点后，如果该节点相连的终端设备有业务待发送，则h m l 节点接收 并缓存终端设备的用户数据，根据m a c 协议的封装规则，将优先级和目的节点都 相同的数据封装成一个长度不超过l m a x 的h i n o cm a c 层数据帧- - d a t a l 。当h b 节点允许本节点发送预约请求帧时，即图中m a p l 规划的m a pc y c l e1 上行区的开 始时刻给h m l 预约请求机会，h m l 节点在规定的时刻发送预约请求帧为数据帧 d a t a l 预约传输时隙。如果h b 节点拥有足够的资源并且准许了该预约请求，则在 随后的m a p 帧( 脚2 ) 的某个a u 中将h m l 节点发送数据帧的时间和所用的参 数予以通告，h m l 节点解析m a p 2 帧，获取数据帧d a t a l 的发送时刻，就可以在 指定的时刻开始发送该数据帧。同时，h b 节点做好在该时刻接收该数据帧的准备， 将接收模式调整到m a p 帧指定的模式，以便正确接收到该数据帧，当h b 节点正 确接收该数据帧后，经m a c 层处理后递交给终端设备，这样就完成了一次数据帧 由h m 节点到h b 节点的传输过程。如果h b 节点因为没有足够的资源或者其他原 因没有准许h m l 节点的本次预约请求，则h b 不会在m a p 帧中给h m l 节点任何 反馈，即h m l 节点不能发送该数据帧。如果在h b 给h m l 节点分配下一次预约 请求机会之前，h m l 节点还没有收到h b 节点对该预约请求帧的准许，则h m l 认为本次预约请求被h b 节点拒绝，应当在以后的预约请求机会中再次对数据帧 d a t a l 进行预约。因此，h m l 节点从发送预约请求帧到发送数据帧并不一定是在 两个连续的m a p 周期中，有可能中间间隔几个m a p 周期，这由h b 节点视网络 中节点数目和业务的优先级等因素而定。 数据帧由h b 节点传输到h m 节点的过程如图2 1 5 所示。整个过程与h m 节 点到h b 节点的数据帧传输过程类似，不同之处在于h b 节点接收到用户数据并组 装成h i n o cm a c 帧后，不需要发送预约请求帧，h b 作为控制资源分配的中心节 点，在适当m a p 周期的下行区中就可以直接为该数据帧确定发送时机。由于m a p 周期的下行区只分配给h b 到h m 节点的数据帧，因此h b 节点的数据帧的发送机 会较多。同理，当h b 节点的上层业务较多时，获得用户数据到发送数据帧有可能 要经过几个m a p 周期。 除了终端设备的用户数据组成的数据帧外，h i n o c 系统的m a c 层还有一些 控制信令组成的控制帧，这些控制帧的源与目的节点均为h i n o c 设备的m a c 层， 对于终端设备不可见，所以控制帧的传输流程与上述数据帧的传输流程相同，不 同之处在于控制帧不是来自终端设备，也不需要提交给终端设备。 由上述数据帧的传输流程可知，不管数据帧是由h m 节点发送到h b 节点， 还是由h b 节点发送到h m 节点，一个数据帧在m a c 层的时延至少为m a p 周期 长度的2 倍。如果h b 节点不能立即分配数据帧的发送时隙，则m a c 层时延会更 1 6 h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议研究与实现 大。由图2 7 可知，当m a p 周期增大时，数据帧所占的比例就会越大，故链路利 用率会增大，但是时延也会增大；相反，当m a p 周期减小时，时延会减小，链路 利用率也会减小，因此需要权衡链路利用率和时延两个因素。由于h i n o c 网络为 用户提供的是口t v 、高清电视等上层业务，实时性较强，这种机制限制了m a p 周期的长度，为了能够兼顾链路利用率和时延，在4 2 节的实现及测试中可以看到 对此问题的分析。 h bh m l 据r -分 a c 1 m a p1 一j ；，m a pc y c l e0 。 时延m a p c y c l e l ， 厂 土行区 下行区 、 ；li m a p2 i d a t a l ll m a p2。 y t r ? 一m a pc y c l e1 、d a t a1-一 掉态卜臣 ，r y 图2 1 5 数据帧由h b 到h m 的传输过程 由本节对数据帧传输过程的讨论可知，预约请求帧在h m 节点申请带宽和h b 节点分配信道时中起到了重要作用，下面讨论f f i n o c 系统中的预约请求机制。 由图2 7 和图2 1 4 可知，在每个m a p 周期的开始时间段内，某些h m 节点根 据m a p 帧的规划，发送自己的预约请求信息给h b 节点，为本节点待发送的控制 帧和数据帧预约传输带宽。在每个m a p 周期中，由h b 决定哪几个h m 节点发送 预约请求帧，为了使一个m a p 周期内控制帧和数据帧的比例在一个合理的范围内， 本协议规定：每个m a p 周期最多允许n r e s 个h m 节点发送预约请求，并且在一 个m a p 周期内为每个h m 节点调度预约请求的次数不得超过一次。每个m a p 周 期都允许h b 发送下行帧，但是不需要给h b 节点分配预约请求机会。 h i n o c 网络中的各h m 节点使用预约请求帧来请求带宽。预约请求帧是一种 m a c 帧，具有图2 8 所示的通用m a c 格式，其载荷部分包含一个预约请求头、 零个或多个预约请求单元，如图2 1 6 所示。预约请求头指明本预约请求帧中预约 请求单元的个数，每个预约请求单元指明本节点内某个待发送的m a c 帧的相关信 息，如类型( t y p e 和s u b t y p e ) 、优先级( p r i ) 和持续时间( d u r a t i o n ) 等，为h b 第二章h i n o c 宽带接入系统m a c 层协议 1 7 节点的信道规划提供依据。一个预约请求帧允许包含多个预约请求单元，但是为 了便于h b 节点为预约请求帧分配信道带宽，h i n o c 规定预约请求帧的载荷部分 总长不得超过2 0 0 字节。 h e a d e r p a y l o a d c i