（通信与信息系统专业论文）hinoc接入设备驱动软件的设计与实现.pdf

摘要 嵌入式系统以其简洁、高效等特点在最近几年表现出了强劲的发展势头。驱 动程序开发是嵌入式操作系统开发中的重要部分，驱动程序的性能、可靠性制约 着应用系统的性能和可靠性。应用程序必须通过驱动程序才能与硬件进行数据通 信。设备驱动隐藏了硬件的差异，为上层提供了一个统一的接口，简化了开发难 度。 m o c a 协议利用同轴电缆实现高速率的接入和网络传输，用户无需在家中重 新布线，便可享受高速网络业务。 结合本室承担的科研项目“h i n o c ( 基于同轴电缆的高性能网络) 接入 技术研究 ，本文设计并开发利用同轴电缆作为媒质的宽带网络接入设备的驱动软 件。首先介绍了m o c a 协议；接着介绍了h i n o c 接入设备的设计方案和实现方法， 提出了从l i n u x 系统向v x w o r k s 系统进行驱动软件移植的方案；最后，在嵌入式 实时操作系统v x w o r k s 的多任务环境下，完成了h i n o c 接入部分驱动软件的设计 与实现。 关键词：同轴电缆h i n o cm o c a 设备驱动v x w o r k s a b s t r a c t w i d e l ya c k n o w l e d g e df o ri t sd e d i c a t e d f u n c t i o n a l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y , e m b e d d e ds y s t e mh a sd e v e l o p e dd r a m a t i c a l l yf o rt h ep a s tf e wy e a r s a n dd r i v e rd e s i g n i sac r u c i a lp a r to fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p m e n t ，f o ri t sf e a t u r e sa n d p e r f o r m a n c eh a v ed i r e c ti m p a c to nt h o s eo ft h ew h o l es y s t e m a p p l i c a t i o np r o g r a m s c o m m u n i c a t ew i t hh a r d w a r et h r o u g hd r i v e r s h a r d w a r ed i f f e r e n c e sa r eh i d d e nb e h i n d d e v i c ed r i v e r s ，w h i c hp r o v i d eu n i f o r m e di n t e r f a c e sf o ru p p e rl a y e ra n dd e c r e a s e st h e d e v e l o p m e n tc o m p l e x i t y m o c a p r o t o c o lh a sr e a l i z e dh i g hs p e e dn e t w o r ka c c e s sa n dt r a n s m i s s i o nt h r o u g h c o a x i a lc a b l e ，w h i c he n a b l e su s e r st oe n j o yt h eh i g hs p e e dn e t w o r ks e r v i c ew i t h o u t r e l a y i n gw i r e s w i t hr e f e r e n c et ot h er e s e a r c hp r o j e c t ”r e s e a r c ho nh 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 ) a c c e s st e c h n o l o g y ”，w h i c ho u r l a b o r a t o r yi sw o r k i n go n ，t h i s p a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h ed r i v e ro fb r o a d b a n da c c e s sd e v i c eu s i n go fc o a x i a lc a b l e a sa c c e s sm e d i u m i tb e g i n sw i t hd i s c u s s i o no fm o c ap r o t o c o l ，f o l l o w e db yt h e i n t r o d u c t i o no fd e s i g np r o p o s a la n dr e a l i z a t i o nm e t h o do ft h eh i n o ca c c e s sd e v i c e t h e ni t p r e s e n t st h ed r i v e rt r a n s p l a n t a t i o np r o j e c tf r o ml i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt o v x w o r k s f i n a l l y , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh i n o ca c c e s sd r i v e rs o f t w a r ea r e p r e s e n t e di nt h ee n v i r o n m e n to fe m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mv x w o r k s - m u l t i t a s k k e y w o r d ： c o a xh i n o cm o c ad e v i c ed r i v e rv x w o r k s 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。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：日期：椰， 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。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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 日期：堑竖! 二 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 嵌入式系统概述 1 3 】 1 4 嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。由于嵌入式系 统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前 已经广泛地应用于军事国防、消费电子、 域。随着计算机技术与通信技术的发展， 要的实际意义。 网络通信工业控制、日常生活等各个领 嵌入式系统的研究与开发有着越来越重 嵌入式系统同通用型计算机系统相比有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有功耗低、体 积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动性大大增强，与网络的结合也 越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠 的基础上量体裁衣、去除冗余，力争利用较少的资源实现更高的性能，这样才能 在实际应用中更具有竞争力。 ( 3 ) 嵌入式系统和实际应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 4 ) 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用实时多任务的嵌入式操作系 统，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不 能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。总的 看来，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、实时应用性强等特点，可以嵌 入到现有任何信息家电和工业控制、通信系统中。相比于通用型计算机系统，嵌 入式系统具有应用范围广、功能特定、开发推广容易等优势。 1 2 宽带接入技术现状 随着因特网的迅速发展，人们对网络的消费需求不再满足于简单的电子邮件等 文本方式，而是转向多媒体方式，如视频点播、网络会议、电子商务等，这就对 网络带宽提出了更高的要求。目前对于骨干网来讲，各种宽带组网技术已经或正 2 h i n o c 接入设备驱动软件的设计与实现 在迅速发展中日臻成熟和完善，但是作为用户与骨干网之间桥梁的接入网，由于 受到入户媒质的带宽限制，发展较慢，已经成为阻碍因特网进一步发展的“瓶颈”。 接入网建设投资约占信息网络基础设施总投资的一半以上，近年来发展了多 种接入技术，主要包括以下五种：基于铜双绞线的x d s l ( 主要是a d s l ) 接入、 以太网接入、光纤接入、电力线载波接入技术和基于光纤同轴混合( h f c ) 的c a b l e m o d e m 接入。 1 、) 【d s l 接入 1 5 】 1 6 1 1 1 7 】 数字用户线d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 是以铜质电话线为传输介质的传输 技术组合，它包括h d s l 、s d s l 、v d s l 、a d s l 和r a d s l 等，一般称之为x d s l 。 它们主要的区别就是体现在信号传输速度和距离的不同以及上行速率和下行速率 对称性的不同这两个方面。 h d s l ( 高比特率d s l ) 利用两对双绞线实现数据传输，支持n x 6 4 k b p s 各种速 率，最高可达e l 速率，无需借助放大器即可实现3 6 公里以内的正常数据传输。s d s l ( 单线d s l ) 是h d s l 的单线版本，可提供双向高速可变比特率连接，速率范围从 1 6 0 k b p s 蛰 2 0 8 4 m b p s 。s d s l 禾u 用单对双绞线，可支持最高达e 1 速率的多种连接速 率，在0 4 m m 双绞线上的最大传输距离可达3 公里以上。v d s l ( 超高速d s l ) 可以 在相对短的距离上实现极高的数据传输速率，最高可以实现5 8 m b p s 的传输速率。 根据市场或用户的实际需求，v d s l 可以设置成是对称的，也可以设置成不对称的。 a d s l 技术是运行在原有普通电话线上传输高速数字信号的技术，通过采用新的技 术在普通电话线上利用原来没有使用的传输特性，在不影响原有语音信号的基础 上，扩展了电话线路的功能。它利用现有的一对电话铜线，为用户提供上、下行 非对称带宽的传输速率。上行( 从用户到网络) 为低速的传输，可达6 4 0 k b p s ：下 行( 从网络到用户) 为高速传输，可达8 m b p s 。r a d s l ( 速率自适应d s l ) 可利 用一对双绞线实现数据传输，能够支持同步与异步传输，并具有速率自适应性能。 r a d s l 的下行传输速率在6 4 0 k b p s 至0 1 2 m b p s 之间，上行传输速率则在1 2 8 k b p s 至0 1 m b p s 之间，并能够支持同时数据与语音传输。 2 、以太网接入p 以太网是目前应用最广的局域网，以太网接入就是要把以太网的可利用技术 用于电信网的接入部分，解决宽带接入问题。目前的以太网大部分采用五类线组 建，要满足以太网的传输速率，五类线的服务范围一般不超过1 0 0 米。因此，要求 采用以太网接入的局端设备和用户端设备之间的距离不能太远。 以太网接入具有使用简单、成本低廉、扩展性强、接口速率高等优点，但是， 以太网这种局域网技术与接入网的特性差异导致以太网接入在运营维护方面也存 在不少问题，如用户管理、安全管理、业务管理、带宽以及计费等问题。尽管如 此，在高度密集型的住宅小区和办公大楼，以太网接入完全可以满足传输距离要 第一章绪论 求，既比较经济，又能兼顾未来的发展，是比较理想的接入方式。 3 、光纤接入【1 1 由于光纤具有容量大、保密性好、不怕干扰和雷击、重量轻等诸多优点，因 此得到了迅速发展。主干网线路迅速光纤化，光纤在接入网中的广泛应用也是必 然趋势。光纤接入技术实际就是在接入网中全部或部分采用光纤传输介质构成光 纤用户环路，或称光纤接入网( o a n ) ，实现用户高性能宽带接入的一种方案。根 据光网络单元o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) 所设置的位置，光纤接入网分为光纤到 户( f t t h ) 、光纤到路边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到办公室( f t t o ) 、 光纤到楼层( f t t f ) 等几种类型。其中f t t h 将是未来宽带接入网发展的最终形式。 光纤接入的一个致命弱点在于必须重新布线。目前光纤的价格还过于昂贵， 大规模地光纤布线耗费相当惊人。 4 、电力线载波接入技术 1 8 1 9 】【2 0 电力线通信p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，是指利用电力线传输数据和话 音信号的一种通信方式，是用电线传输载有信息的高频电流，再由接受信息的调 制解调器把高频从电流中分离出来传送到计算机或电话中，来实现信息传递的一 种通信方式。电力线接入是把户外通信设备插入到变压器用户侧的输出电力线上， 该通信设备可以通过光纤与主干网相连，向用户提供数据、语音和多媒体等业务。 由于p l c 直接利用已有的电力配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布 线，不破坏房屋的装修结构和外表，不影响室内的布局美观，适合已经装修过的 家庭使用。而且只要有电源插头的地方都可以应用p l c 接入方式，电力线是覆盖范 围最广的网络，它轻松地渗透了每个家庭，为互联网的发展创造了极大的空间。 用户只需要插上电源插头，通过连接在电脑上的“电力猫”，就可以享受到1 4 m b p s 的高速网络接入，来浏览网页、拨打电话和观看在线电影。 p l c 使用成本低廉，但是技术尚不稳定，不同质量的插座以及电线的不同材料 和线径，对“电力猫 的上网速率会有一定影响。而且电力线传输的噪声大，安 全性低。p l c 联网通信频率会影响到短波收音机、短波通信、有线电视的回传通道 等。另外，p l c 是一种带宽共享的技术，用户上网时的速度，取决于当时有多少用 户上网。如果很多用户同时上网，单个用户的速度相应减慢。 5 、基于光纤同轴混合h f c 的c a b l em o d 锄接入 2 1 】 2 2 】 2 3 】 c a b l em o d e m 是在c a t v 系统中的h f c 网络上提供双向i p 数据业务的用户端设 备，它利用h f c 网络，与前端设备c m t s ( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ) 配合， 在用户设备( 如计算机) 和数据业务节点之间透明传送d 数据包。 在使用c a b l em o d e m 传输数据时，利用的是现有的有线电缆中的某一个频道。 整个电缆划分可为三个频带，分别用于c a b l em o d e m 数字信号上传、数字信号下传 及电视节目模拟信号下传。目前的c a b l em o d e m 标准主要有d o c s i s l 0 、1 1 、2 0 、 4 h i n o c 接入设备驱动软件的设计与实现 3 o 和m o c a ( m u l t i m e d i ao v e rc o a xa l l i a n c e ) 标准。 在d o c s i s l o 和1 1 中，上行信道带宽为3 2 m h z ，可以提供每个信道1 0 m b p s 的速率；在d o c s i s 2 0 中，上行信道带宽可达6 。4 m h z ，可以提供每个信道3 0 m b p s 的速率。由于同轴电缆是共享媒质，d o c s i s 技术采用加密的技术来保障每个用户 的数据的安全性，而且d o c s i s l 1 和2 0 版本的技术规范还提供了更多的工具，以 保证合法的用户安全、可靠、获得高速的数据通信业务。d o c s i s 3 0 的标准也已出 台，该标准规定了频道绑定技术，通过4 个频道绑定下行带宽可达1 6 0 m b s ，而上 行带宽可达1 2 0 m b s 。 摩托罗拉、松下、e n t r o p i c 、东芝、西门子等多家企业组成的m o c a 联盟推出 的m o c a 标准利用同轴电缆实现高速率的接入和网络传输，可以提供最高2 7 0 m b p s 的速率。m o c a 所用的频率范围为8 0 0 1 5 0 0 m h z ，每个信道所占的带宽为5 0 m h z ， 中心频率间隔为2 5 m h z ，每个5 0 m h z 频道内最高可传输速率可达2 7 0 m b p s 。我国的 有线电视网经过双向改造后，所用的带宽为8 6 0 m h z ，其中5 6 5 m h z 用于上行业务， 1 1 0 5 5 0 m h z 用于下行6 0 1 0 0 套模拟电视节目，5 5 0 8 6 0 m h z 用于下行5 0 0 套压缩的 数字电视节目。经过适当的频率设置，m o c a 与现有的有线电视业务并不冲突，可 以共存。 本文介绍的h i n o c 接入设备采用了m o c a 标准，无需重新布线或改变家中现有 c a t v 的布局，不影响原来的电视信号，可以与c a t v 业务并存，配合f t t b ，解 决最后3 0 0 米的接入问题，高q o s 保证，安全性高，安装方便。 1 3 论文主要工作及内容安排 本文结合横向研究项目“h i n o c 接入技术研究”，主要讨论了基于m o c a 标 准的h i n o c 接入设备的驱动软件的设计和实现。 论文主要研究内容安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了嵌入式系统的特点和几种比较常用的接入技术。 第二章介绍了m o c a 协议，详细介绍了其物理层、媒质接入控制( m a c ) 层 及汇聚层的功能及特点。 第三章介绍了h i n o cs w i t c h i n g 和h i n o cb r i d g e 实现方案，提出了从l i n u x 系统向v x w o r k s 系统进行驱动软件移植的方案，并在嵌入式实时操作系统 v x w o r k s 的多任务环境下，完成了h i n o c 接入部分驱动软件的设计与实现。主要 包括软件设计思路、总体架构、对p c i 接口及主机描述符的初始化、接入部分的 数据收发过程、与m p c 8 2 7 0 的以太网接口之间的数据转发以及共享缓冲区的管理 等。 第四章为软件的调测部分。介绍了h i n o c 接入设备驱动软件部分的测试，总 第一章绪论5 结了调试时需要注意的问题。 第二章m o c a 协议7 第二章m o c a 协议【2 4 2 1 概述 m o c a 系统在同轴电缆上传输高速的网络及多媒体数据。m o c a 协议的制定 考虑到了同轴电缆的拓扑结构和信道特性。为了保证网络的稳定性和无重传的低 误比特率特性，在物理层采用了自适应多音技术( a d a p t i v ec o n s t e l l a t i o nm u l t i t o n e ， a c m t ) ，通过o f d m 调制实现信道预均衡。m a c 层采用无碰撞和全协调方式， 保证信道上所有数据的传输时间是确定的，并且保持节点间传输的高可靠性，使 时延相对地独立于网络负载，在重负载情况下能保持低时延。 m o c a 网络应用于家中现有的同轴设备上。住宅楼内的同轴网络一般是树状 结构，电缆主干线接到住宅楼，通过分支器送到各住户，住户内再通过分配器送 到各个房间。m o c a 设备之间的通信要通过将信号在一个或多个分配器上传输来 进行。当信号在一个分配器的两个输出端传输时，称为“分配器跳跃”。 由于分配器跳跃和反射的作用，任意两个m o c a 节点间链路的信道特性可能 相差甚远。另外，通信的方向不同，信道特性也不同，所以反向链路的信道特性 可能与正向信道的不同。如图2 1 所示，图中线条的粗细代表了链路的容量。 图2 1m o c a 节点协议栈 m o c a 网络在物理上是共享媒质，逻辑上是一个点对点的全互联网络，每条 链路都有各自的信道特性和容量，即使两条链路有着相同的信道容量，它们的信 道特性也可能大不相同。m o c a 设备在链路上使用最优化的物理层参数，称为物 理层样板( p h yp r o f i l e ) 。由于每条链路都是唯一的，所以所有的节点都必须知道 每次传输的源地址和目的地址，而且，由于是共享媒质，所以在一个。m o c a 信道 上一次只能有一条链路进行传输。 h i n o c 接入设备驱动软件的设计与实现 除了点对点通信外，m o c a 协议也支持多播和广播。此时，发送节点必须计算出 所有其他接收节点都能接收的一套公共p h y 参数，称为b b l 参数( b r o a d c a s t b i t l o a d i n gp r o f i l e ，广播比特装载参数) 。 一个m o c a 网络支持2 - - - - 8 个m o c a 节点之间的通信。每个m o c a 节点必须 支持与其他所有m o c a 节点的点对点通信和广播通信。 m o c a 协议包括物理层、m a c 层以及一个或多个的汇聚层( c l ) ，汇聚层为 核心网络服务，包括i e e e 8 0 2 3 ( 以太网) 、视频流( 如m p e g 一2 传输) 和d s s 数 字卫星传输等。m o c a 节点的协议栈如图2 2 所示。 2 2 1 物理层概述 上层( 核心网络) j fj e e 汇聚层( c l ) 厂一、，_ 、厂、 。 m jj 传输j j l 传输j l 篙】其他 、一 媒质接入控制层( m a c ) 物理层( p h y ) 图2 2 m o c a 节点协议栈 2 2 物理层协议 户内电缆通常存在多径时延，m o c a 的物理层在所有链路上采用了信道预均 衡( p r e - e q u a l i z a t i o n ) 和多音调制技术，使系统在使用简单前向纠错( f e c ) 的情 况下无重传误包率( p e r ) 小于1 0 。5 ( 包长 1 5 0 0 字节) 。信道是相对静态的( 主 要随温度变化而改变) ，所以用于链路管理和周期性更新信道参数的开销很小。 物理层采用了自适应星座多音( a d a p t i v ec o n s t e l l a t i o nm u l t i t o n e ，a c m t ) 调 制技术。a c m t 是正交频分复用o f d m 的一种，利用所有子载波上的不同的比特 装载获得的信道情况预均衡所有的信号。a c m t 共使用2 5 6 个子载波，对每个子 载波，符号率可选择1 8 比特( 调制方式为b p s k 2 5 6 q a m ) ，各个子载波还可以 关闭，这样各信道通路上每码元的比特数可以不同。调制样板( m o d u l a t i o n p r o f i l e ) 用于描述a c m t 子载波的比特装载；调制样板化( m o d u l a t i o np r o f i l i n g ) 用于描述 创建调制参数的过程。在周期性调制样板化过程中，所有节点间发送并分析探测 第二章m o c a 协议 9 帧( p r o b e ) ，并将分析结果发送给对应的发送节点。各个节点根据收到的分析结果 对每条链路选择合适的调制样板，在保持低误包率的前提下优化不同链路的吞吐 量。 对于接纳控制帧，采用一种非常稳定的调制样板一一分集模式( d i v e r s i t y m o d e ) 。分集模式通过频域分集的低密度调制，在调制样板化完成之前为节点提供 一种可靠的通信方式。调制样板化完成后，通过调整物理层前导码参数进一步优 化网络吞吐量。 媒质上的物理层传输使用时分双工( t d d ) ，而且完全由m o c a 的m a c 层采 用时分多址( t d m a ) 方式来协调。物理层信道带宽为5 0 m h z ，频带范围为 8 0 0 一】5 0 0 m h z 。 2 2 2 物理层帧类型 m o c a 节点之间所有的通信都是通过物理层分组的交换完成的。m a c 层根据 信道状况和物理层分组的长度来安排物理层分组的发送时间。m a c 层根据帧的类 型、结构以及净荷( p a y l o a d ) 的持续时间确定了该帧的持续时间。 物理层分组分为两类：数据分组和探测分组。前者传输m a c 层的数据帧( 如 应用层数据或m o c a 网络控制数据) ；后者用于确定信道特性、优化物理层的性能。 对于探测分组，分组的净荷数据可以根据m a c 层指定的配置在物理层产生。物理 层分组由前导和净荷字段组成。前导为接收方提供了一个参考信号，用来收集分 组、校正算法并对物理层净荷解码。 1 、物理层数据分组 物理层的数据分组由m a c 层的数据帧和控制帧作为物理层净荷。m a c 帧加 上f e c 填充、加密、编码成r s ( r e e d s o l o m o n ) 码字；编码后的数据经过a c m t 填充、加扰后，用3 个a c m t 符号的子载波进行调制。经过子载波调制后，a c m t 符号采用二进制加扰，然后经过a c m t 调制器，增加循环前缀( c p ) ，成为物理 层数据净荷。最后，在物理层数据净荷前添加前导码，经过滤波后上变频到射频， 传输到媒质上。其中，r s 码字的数量和每个物理层数据分组中的a c m t 符号数 量可以根据m a c 层帧的大小和调制样板变化。 2 、物理层探测分组 为了优化性能，对物理层进行参数校准和维护，协议使用了三种物理层频域 和时域探测分组。 1 ) i 型：调制参数探测帧( m o d u l a t i o np r o f i l ep r o b e s ) i 型探测帧用于估计信道响应，优化节点之间的通信。通过测量信道的频率 响应，节点用最优的调制方案选择子载波的比特装载。接收节点处理收到的i 型 1 0 h i n o c 接入设备驱动软件的设计与实现 探测帧产生q a m 星座的调制参数，然后将计算结果传回到发送该帧的节点，当该 节点要与接收节点通信时，就使用该调制参数。 2 ) i i 型：频域音探测帧( f r e q u e n c yd o m a i nt o n ep r o b e ) i i 型探测帧由两种音组成，用来微调性能。 3 ) i i i 型：回波参数探测帧( e c h op r o f i l ep r o b e ) i i i 型探测帧可用来确定发送和接收节点子坚信道的脉冲响应，结果可以用来 优化循环前缀( c p ) 的长度。 探测帧净荷在物理层产生，处理过程比数据帧少了加密和f e c 编码阶段；对 于时域和频域探测帧，处理过程也不相同，这里不再详细介绍。 3 、前导码 物理层前导码位于每个帧的开始，接收节点可以从前导码获取物理层的信息 如增益、频率、信道和定时信息等，以便能正确的解码数据帧。协议规定了不同 类型的前导码用于不同的帧类型，以提高网络吞吐率。 1 ) p 1 型：用于链路接入控制帧，如b e a c o n ( 信标) 、m a p ( m e d i aa c c e s sp l a n ) 等。 2 ) p 2 型：用于网络管理帧，如探测帧、多用模式帧、网络控制帧等。 3 ) p 3 型：用于广播和组播数据帧。 4 ) p 4 型：用于高吞吐量组播数据帧。 2 3 1m a c 层概述 2 3m a c 层协议 m o c a 的m a c 层协议是建立在全协调的t d m a 信道上的。网络中的任何一 个节点可以被选出来作为n c ( n e t w o r kc o o r d i n a t o r ，网络协调点) ，n c 负责整个 网络时间的产生和资源的分配。 m a c 协议包括控制帧和数据帧的传输。控制帧用于链路控制操作，如网络接 纳、链路维护操作、通过媒质接入计划( m a p ) 传输机会分配、传输功率控制以 及带宽请求。数据包传输网络上层信息。为了方便传输，n c 在固定的时间间隔传 送信标( b e a c o n ) 。信标包含网络运作的基本信息。除了数据帧和控制帧外，协 议还支持探测帧的传输。图2 3 表示了m a c 层的帧类型。 第二章m o c a 协议 图2 3m a c 层的帧类型 m a c 层的帧由帧头和净荷组成( 除了信标帧) ，帧头为固定的长度，由发送 时钟时间戳、帧类型子类型、m o c a 版本号、帧的源节点和目的节点的i d 号、帧 长以及头部校验和组成，如图2 4 所示。 1 6o t r a n s m i t c l o c k f r a m e _ s u b t y p e i f r a m e t y p e v e r s l o n r e s e r v e d s o u r c en o d ei d r e s e r v e d d e s t t n a t l o nn o d ei d f r a m f el e n g t h ， r e s e r v e d h e a d e rc h e c k s u m 图2 4m a c 帧头 各字段的含义如表2 1 所示： 表2 1m a c 帧头各字段的含义 域长度作用 t r a n s m i t c l o c k 3 2 b i t s 在媒质上传输的第一个比特的系统时间 p a c k e ts u b t y p e4 b i t s 如果p a c k e 删p e 为m a p ，则 0 x 0 ：表示异步m a p 如果p a c k e 唧p e 为预约请求，则 0 x 0 ：表示异步数据预约请求 如果p a c k e tt y p e 为链路控制，则 1 2 h i n o c 接入设备驱动软件的设计与实现 0 x 0 ：1 3 型探测帧报告 0 x l ：接纳请求 0 x 2 ：接纳响应 0 x 3 ：密钥分配 0 x 4 ：动态密钥分配 0 x 5 ：1 3 型探测帧报告响应 0 x 6 ：链路确认 0 x 7 ：2 型探测帧报告 o x 8 ：周期链路帧 0 x 9 ：功率控制 0 x a ：功率控制响应 o x b ：功率控制确认 o x c ：功率控制更新 0 x d ：拓扑更新 0 x e ：单播m a c 地址通知 0 x f ：保留 p a c k e a 娶p e 4 b i t s 指示传输的m a c 帧的类型 0 x 0 ：m a p 帧 0 x l ：预约请求 0 x 2 ：链路控制 0 x 3 ：以太网单播多播 0 x 4 ：保留 0 x 5 ：m p e g 帧 0 x 6 ：d s s 数据 0 x 7 q ) x f ：保留 v e r s i o n8 b i t s 说明节点执行的m o c a 版本 r e s e r v e d8 b i t s s o u r c e n o d e i d 8 b i t s 源节点的i d 号 r e s e r v e d8 b i t s d e s t i n a t i o n n o d e i d 8 b i t s 目的节点的i d 号 p a c k e e n g t h 1 6 b i t sm a c 帧净荷部分的长度，以字节计 r e s e r v e d3 2 b i t s h e a d e r _ c h e c k _ s e q u e n c e 1 6 b i t s头部循环冗余校验c r c 2 3 2 系统时间 因为m a c 层的传输是完全协调的，网络中的每一个节点必须有一个与系统时 间同步的参考时钟。系统时间参考来自n c ，n c 的系统时间装载在m a c 头中的 t r a n s m i tc l o c k 字段，其他节点通过读取来自n c 的系统时间来同步本地时 间。 第二章m o c a 协议 2 3 3b e a c o n 操作 在m o c a 网络中，n c 负责信标的传输。节点用信标来检测存在的网络并得到 网络的接纳。n c 必须以分集模式调制方式并且用设置的最大功率传输信标。信标 的传输不能加密。 n c 必须在固定的时间间隔传输信标，两个连续信标之间的时间间隔叫做b s i ( b e a c o ns y n c hi n t e r v a l ) ，标称值为1 0 m s 。信标包括系统时间，新节点通过系统 时间来将自己的参考时钟与n c 同步。 信标帧与其他m a c 帧结构不同，有固定的长度和数据结构，如表2 2 所示： 表2 2 b e a c o n 帧结构 字段长度说明 t r a n s m i t c l o c k 3 2 b i t s 信标帧开始在媒质上传输时的系统时钟 b e a c o n v e r s i o n 8b i t s0 x 0 0 m o c k ，e r s i o n 8 b i t s o x l o ( 对应于m o c a l 0 ) c h a n n e l n u m b e r 8b i t s 发送信标使用的信道号码( 信道中心频率 = 2 5 m h z x 信道号，3 2 为最低值，对应中心频率 为8 0 0 m h z ) t a b o o m a s k s t a r t 8b i t st a b o oc h a n n e lm a s k 字段指示的最低信道号码 t a b o o c h a n n e l m a s k 2 4 b i t s禁用信道掩码，1 为禁用信道 c h a n g e f i e l d 6 b i t s指示将要进行n c 移交 s e q u e n c e _ n u m b e r 2 b i t sn c 移交递减计数 b a c k u p n c i d 6b i t s备用n c 的节点i d ，如果没有备用n c 可用， n c 就将这个域填为它自己的d n e x t b e a c o n p o i n t e r 6b i t s到下一个信标传输的毫秒数，这个值必须为1 0 ( m s ) n e x t n c p 6 b i t s新n c 的节点i d ，此字段只有在移交时有意义 a c f l e n g t h 1 6 b i t s下一个接纳控制帧持续时间( 以s l o tt i m e 为 单位) a c 畏p e 8b i t s指出被安排的接纳帧的类型 a c j o i n t e r 1 8 b i t s从这个b s i 开始的下一个a c f 的传输时间 a s y n c h r o n o u s m a p l e n g t h 1 6 b i t s异步m a p 帧的持续时间 a s y n c h r o n o u s m a p p r o f i l e 8b i t s第一个异步m a p 所用的物理层样板 a s y n c h r o n o u sm a pp o t e r1 8 b i t s从这个b s i 开始的下一个异步m a p 的传输时 司，此字段为0 表示在这个信标周期中没有异步 脚的传输。 r e s e r 厂e d4 2 b i t s n cd6 b i t sn c 的节点i d 1 4h i n o c 接入设备驱动软件的设计与实现 r e s e r v e d1 0 b i t s b e a c o nc r c 3 2 b i t s所有比特的c r c 校验 1 、信标中的指针字段 信标中包含下一个要传输的m a c 控制帧的时间指针字段，通知接收节点该 m a c 帧将要传输的时间，还包括下一个信标传输( n e x tb e a c o np o i n t e r ) 和下一个异步m a p 传输( a s y n c h r o n o u sm a pp o i n t e r ) 的指针字段，当 一些控制帧丢失时有助于节点进行恢复，a c fp o i n t e r 表示下一个传输控制帧 ( a c f ) 的时间，新节点在接纳过程时需要这些信息。 2 、接纳控制帧( a c f ) 信息 在调制样板化之前的网络接纳过程中，n c 和新节点使用a c f 来进行通信。 因为新节点的信道特性是未知的，所以在与新节点相互通信时，a c f 传输使用分 集模式调制方式。在整个网络接纳过程中都使用a c f ，n c 通过在信标中指定下一 个a c f 中发送的信息来管理新节点的网络接纳过程。当没有新节点接入网络时， n c 在每个信标周期发送接纳请求( a d m i s s i o nr e q u e s t ) 类型的a c f ，使节点有充 足的机会接入网络。 3 、n c 移交 m o c a 提供了一种n c 功能有序移交的机制。为了增强系统的稳健性，n c 可 以将n c 功能移交到其他节点。n c 通过在s e q u e n c en u m b e r 字段生成一个 逆序计数的序列启动n c 的移交，在最佳g c d ( g r e a t e s tc o m m o nd e n s i t y ，表示一 个节点为传输到多个接收节点而计算出来的调制模式) 调制样板上触发n c 移交。 s e q u e n c en u m b e r 在四个连续的信标时间中递减，新的n c 必须在第四个信 标后接手。这样给新n c 和其他节点提供充足的时间过渡到新n c ，减少对网络的 影响。该过程如图2 5 所示。 b s i 。 b s i 。 b s i 。 b s i 。 b s i 。 b s i 。 ccccc皇 0o0oo。 o 譬 ou 譬譬 。 日硝 出 日 oo 信标号 n - 1 n ci b n c c h a n g e f i e l d 0 s e q u e n c e _ n u m b e r 0 n 日n c 1 3 n + 1 日n c 1 2 n + 2 日n c 1 l n + 3 日n c l o n “ 新n c 0 o 图2 5 n c 移交过程示意图 开始移交时，n c 必须将c h a n g e f i e l d 设置为1 ，s e q u e n c e _ n u m b e r 置为3 。在其后连续的信标周期中，n c 必须保持c h a n g e f i e l d 为1 ， s e q u e n c e _ n u m b e r 的值递减。在信标的s e q u e n c e _ n u m b e r 为0 以后，原 来的n c 不准再发送任何m a p ，下一个信标由新n c 来产生。在新n c 发送的信 第二章m o c a 协议 标中，c h a n g ef i e l d 和s e q u e n c en u m b e r 必须置为o 。 网络中的其它节点监视信标中的c h a n g ef i e l d 和s e q u e n c en u m b e r ， 即使有几个信标丢失，也可以确保它们跟随n c 的移交过程。 4 、禁用信道信息 网络形成之后，n c 在每个信标传输中包含禁用信道信息。网络中的设备如果 工作在禁用信道上，不利于设备的正常工作。n c 在信标中向已经加入网络的所有 设备通知禁用信道。当网络不再存在时，n c 需重新设置禁用信道信息。 t a b o oc h a n n e lm a s k 字段包含了网络中所有节点指出的所有禁用信道。新 节点在它的准入请求中指出了它的禁用信道信息。 t a b o om a s ks t a r t 用来标识t a b o oc h a n n e lm a s k 覆盖的最低频 率。每个连续比特对应于2 5 m h z 整数倍的信道偏移。如果信道是禁用的，那么将 t a b o oc h a n n e lm a s k 域中的相应比特设为1 。 2 3 4 网络搜寻 节点初始化或加电以后，将加入网络。网络搜寻的主要目标是寻找信标所在 的信道，加入一个已存的网络；如果没有可用的信标信道，则该节点在信道上传 输信标，其他节点可以加入，形成网络。 m o c