（通信与信息系统专业论文）面向有线电视网的wlan协议研究.pdf

摘要 有线电视网的特点是覆盖面积大，而且部署的地域也比较完善。而w l a n 可 以提供很高的传输速率，同时w l a n 还具有组网方式灵活、使用丌放频段以及网 络设备价格低廉等优点，但w l a n 的缺点是覆盖面积比较小。由此看出，这两种 技术具有很强的互补性。因此，w l a n 和有线电视网的集成网络可以实现这两种 技术的优势互补，将两者的优点相结合是近年来研究的一个热点，为用户提供价 格低廉的、快速的、无所不在的业务。为使广大用户利用先进的技术获取大量的 有用信息，在扩大信息资源、提高网速的同时用户又能够承担相应费用，就需要 推出一种廉价、高效的宽带用户接入网解决方案。 文中详细阐述了有线电视网传输的特点，分析比较了有线电视网和w l a n 技 术的不同，在原有的8 0 2 1 1 协议基础上设计了适合于有线电视网的w l a n 接入机 制。文中以w l a n 网络中的核心功能层m a c 层为研究对象，从不同方面对w l a n 接入有线电视网进行了改进，提高传输效率，减小时延，提高下行吞吐量，提高 上行的传输容量，减小用户碰撞等。从理论分析和计算机仿真的角度对面向h f c 系统的w l a n 中的m a c 协议进行了深入的研究。通过改进，可以看到这些设计方 案是有效的。 针对有线电视网架构改进的8 0 2 1 1 m a c 协议应用是在小范围的无线覆盖区域 利用w l a n 作为h f c 接入网的一种补充， 服务、数字电视广播和一般的电信服务， 为用户提供i n t e r n e t 接入服务、视频点播 具有良好的应用前景和经济效益。 关键词：有线电视网w l a n 媒体接入控制 a b s t r a c t c a t vc a r lp r o v i d ed a t as e r v i c eo v e ral a r g ec o v e r a g ea r e a , a n dt h ec o v e r a g eo f c a t vd e p l o y m e n ti sv e r yg o o d w l a nc a np r o v i d eh i g h s p e e dd a t as e r v i c e a n d “ h a so t h e ra d v a n t a g e ss u c ha sf l e x i b l en e t w o r kf r a m e w o r k ，l i c e n s e f r e er a d i os p e c t r u m a n dl o w - c o s tn e t w o r ke q u i p m e n t s b u ti t sc o v e r a g ei ss m a l l s ot h ei n t e g r a t e dw l a n a n dc a t vc a l lc o m b m et h ea d v a n t a g e so ft h et w ot e c h n o l o g i e s ，a n di tc a np r o v i d et h e c u s t o m e rw i t hc h e a p ，u b i q u i t o u sw i r e l e s ss e r v i c e sw i t hh i g hd a t ar a t e s i no r d e rt o a c q u i r el a r g em o u n to fi n f o r m a t i o nv i at oa d v a n c e dt e c h n o l o g y ，b e s i d e si t se n l a r g i n g i n f o r m a t i o nr e s o u r c e sa n ds p e e d i n ga c c e s ss p e e d ，t h e r ea r eak i n d o fc o s t l ya n d e f f i c i e n t l yb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k s at r e m e n d o u so p p o r t u n i t ye x i s t sw i t hb r o a d b a n d o v e rh f cn e t w o r k a tf i r s t , t h ep a p e rd e s c r i b e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fh f ct r a n s i t i o n t h e nm a i n l y f o c u s e so nt h ed i f f e r e n c eo fw l a na n dc a t v i td e s i g nt h ea c c e s ss c h e m eo fw l a n f o rc a t vb a s e do ni e e e 8 0 2 1 1 t h er e s e a r c hs u b j e c to ft h ep a p e ri st h ek e yf u n c t i o n l a y e ro ft h ew l a nn e t w o r k m a cl a y e r i ti m p r o v e st h ea c c e s so fw l a n t oc a t v f r o md i f f e r e n tw a y s ，f o re x a m p l e ，i m p r o v et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，s u b t r a c tp o s t p o n e ， i m p r o v et h ec a p a c i t yo fd o w n l i n k ，i m p r o v et r a n s m i s s i o nc a p a c i t i e so fu p l i n k ，d i m i n i s h t h e c o l l i s i o na n ds oo n f r o mt h ep o i n to ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ec o m p e e r s i m u l a t i o n ，t h em a cp r o t o c o lo f t h es u b j e c tt oh f cs y s t e ma r et h o r o u g h l ys t u d i e d t h ei m p r o v e d8 0 2 11m a c p r o t o c o lo fs u b j e c tt oc a t vn e t w o r ki su s e df u rs m a l l a r e aw i r e l e s sc o v e r a g e ，i ti se x t r e m e l yv a l u a b l ea n de c o n o m i c a lt h a tt h eo p e r a t o r s p r o v i d ei n t e m e ta c c e s s ，t vb r o a d c a s t i n gs e r v i c e ，d a t ae x c h a n g es e r v i c e ，v i d e oo n d e m a n dr v o d ) s e r v i c ea n do t h e rn o r m a lt e l e c o m m u n i c a t i o nt r a f f i cb yw l a na s s u p p l y i n gf o rh f c n e t w o r k ss i m u l t a n e o u s l y k e y w o r d s ：c a t v w l a nm a c 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所里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，本人承担一切的法律责任。 本人签名熬：刍日期兰! 生! ! ：兰z 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 留送交沦文的复印件，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撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 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：幺当日期2 1 翌：! ：! 仝 导师签名：鞋日期坌纠 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源和意义 有线电视网络的发展，其业务范围已经突破了传统有线电视的范畴，有线电 视的发展已经从闭路电视系统阶段过渡到今天全新的光纤同轴电缆混合( h y b r i d f i b e xc o a x ，h f c ) 网络系统，通过h f c 网络系统为有线电视用户提供更好传输质量 和更高可靠性的传输手段，随着各大电信运营商包括有线电视运营商对网络基础 设施的大规模投入，核心网络普遍实现了光纤化，其带宽基本可满足当前通信的需 要。其业务的发展已经从传统的模拟电视过渡到高速i n t e r n e t 接入、电话、视频点 播v o d ，数字电视和电缆电话等多项综合信息业务。由于有线电视网络缺少灵活 性，所以往往导致预设大量利用率较低的信息点，而一旦网络的发展超出了设计 规划，又要花费较多费用进行网络改造。近年来随着宽带接入网建设的大规模网 络的展开，宽带接入技术也呈现出新的发展态势。不过，随着互联网的发展和快 速普及，第1 千米成为宽带业务发展的“瓶颈”，故接入网的宽带化和i p 化成为 当今有线电视网络发展的一个新方向。一般有线网传输的仅仅是几十套模拟电视 节日，这些只占用有线网大约1 3 的带宽资源，约2 3 的带宽被闲置，在这个网络上 发展其他业务和增值业务应成为中国有线电视网络发展的必然选择。 作为宽带接入技术的一个分支，无线局域网在热点地区( 机场，宾馆，企业) 提 供宽带高速无线接入方面有其独特优势，在下一代通信系统中将占据重要地位。由 于在网络的组建过程中，对周边环境影响最大的就是网络布线了。而无线局域网 的组建则几乎不要考虑它对环境带来的影响，一般只需要在该区域安放一个或多 个无线接入a p ( a c c e s sp o i n t ) 设备即可建立网络覆盖。 有线电视网络和基于8 0 2 1 1 标准的无线局域网络是提供用户通信的两项重要 的技术，而且，这两种技术具有很好的互补性。8 0 2 1 1 标准可以实现经济的无线局 域网，它根据到基站的距离不等，可以支持1 m b p s 到5 4 m b p s 的之间数据速率。然 而，8 0 2 1l 接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 只能够覆盖几百平方米的区域，这样它只能适 用于企业网和公共热点地区的局域网( 如旅馆和飞机场等) 。与之相反，使用成熟 的有线电视网络，不要求大量的资金投入，但是它可以提供很大的覆盖范围，可 以达到无所不在的连接性。 因此，可以将8 0 2 1 1 w l a n 和有线电视网络进行集成，实现它们的互通，可以 同时为运营商和用户带来利益。通过提供集成的8 0 2 1 1 和有线电视宽带业务，电 信运营商和无线i n t e r n e t 业务提供商可以只投资自己的网络，就可以为广大的用 2 匾向有线电视网的w l a n 协议研究 户提供高速的、无所不在的无线数据。用户可以以更低的花费得到性能更好的联 合业务。通过有线电视网络与无线通信网络的融合，更充分的利用有线电视网的 大容量的特点和无线网络的灵活性，以期达到为用户提供更加快捷满意的服务。 基于以上认识，以满足市场需求为出发点，以实现较好的社会和经济效益为 目标，以有线网络现有资源为基础，开展面向有向电视网w l a n 接入的研究，有 着深远的经济效益和社会意义。因此详细研究w l a n 技术的工作机理，利用有线 电视网的技术，改进现有的w l a n 技术以适合有线电视网的自身特点，有着积极 的现实意义。 1 2w l a n 接入有线电视网络的发展现状 有线电视最早起源于美国俄勒冈州阿斯特利亚镇，为解决电视阴影区居民收 看电视的困难，在山顶上架设了增益较高的大型天线，通过电缆把天线接收下来 的信号传送到居民区分配给用户，这就是最早的公共天线电视。 目前有线电视网在全世界已超过9 亿多的用户，有线电视网络最初只用来传输 模拟电视，随着光纤技术和数字技术的飞速发展，有线电视网络逐步由同轴电缆 网络演化为h f c 网络，希望能在h f c 网络中传输数字业务，现阶段的升级改造大多 数采用h f c ( 光纤同轴电缆混合网) 模式，或者宽带i p 技术等，实现大容量信息业务 的承载传输和运营，现有有线电视网络改造后的各种模式，从技术角度分析 有：a m ( 调幅) 光纤网、f m ( 调频) 光纤网、不压缩数字光纤网、压缩数字光纤网等 等。在城域有线电视综合信息业务网网络拓扑结构上，大多数为树型、星型、环 型或网型网络拓扑结构。 有线电视和w l a n 数据网的融合，两网联合，取长补短，互相融合，互相渗 透，组成一个交互式多媒体综合网络。它将是一个以超大容量光纤传输网络为骨 干，以高性能计算机为枢纽，能传输，交换语音、图象( 静止和活动的) 、数据， 而且是交互式的，拥有多媒体终端，其主干道信道速率可以达o b s 级的宽带高速综 合智能能信网络，向用户提供数据、图象、话音的多媒体业务。这是信息化社会 发展的必然趋势。 我国的有线电视网络从上世纪7 0 年代开始建设，目前已有1 3 万公里的国家干 线光缆网络。从上世纪9 0 年代开始，有线电视发展极其迅速，c a l 用户每年以5 0 0 万到7 0 0 万户的速度递增。我国拥有近3 亿户家庭，而c a t v 用户不足l 3 ，所以仍 有很大的发展空间。利用现有c a t v 网发展用户的宽带综合业务潜力很大，市场需 求也大。显然，利用现有技术将c a t v 网从目前的广播式网络改造为双向的交互式 网络，将会对互联网的接入有了更充足的便利，让电视与电信业务集成一体，将 使c a t v 网成为一种新的计算机接入网。有线电视网在“最后一公里”的宽带优势 第一章绪论 使其在与计算机网和电信网的竞争中已先领风骚。我国是有线电视大国，有线电 视网络在近些年中建成了覆盖全国各地的有线电视网，由于我国具有广阔的宽带 同轴电缆网，给发展宽带h f c 用户接入网提供了有利条件。 由于c a t v 网普及程度高和频带宽，现在世界各国都把它作为发展信息高速公 路的捷径，各公司纷纷开发h f c 综合业务传输网。日本电气公司为顺应广播与通 信融合的新潮流，相继开发了c u v 适应多媒体业务的前端设备，5 5 0 m h z 光缆 同轴电缆混合传输系统，有线电视电话系统，个人计算机通信、电视会议，个人 手持电话系统( p h s ) 及视频点播业务；以色歹u g a d l i n e 有限公司利用h f c 网络，在 c a t v 网上引进独特的通信系统。这类通信系统能在c a t v 网上提供市内和长途电 话、应急和保安服务，在线公用事业管理、数据通信和交互式通信，以及访问不 同数据等；新加坡、德国等也做了许多大量的研究和开发。在国内，上海邮电与 广电首创联系，利用上海市邮电光纤通信高质、高速地建设上海市有线电视光纤 传输网，杭州等地也进行了积极的开发和研究。c a t v 网和计算机信息网发展趋势 是互相兼容，成为多功能综合信息网。因此开展这一领域的研究，使我国迅速达 到发达国家水平，无疑具有重要的社会价值和巨大的经济利益。 1 3 问题提出及w l a n 解决措施 传统的有线电视网只提供广播电视等单项业务，在对用户端只是被动的接收 者，这样既限制了用户的需要，又限制了广电事业的发展。由于有线电视网络具 有频带宽、用户多、传输速率高、灵活性和扩展性强等特点，为实现宽带多媒体信 息双向传输提供了可能。因此，通过在前端的数据通信系统c m 中采用i p 协议，可以 很容易扩展开通基于i p 的业务，是一种解决无线终端上网较为现实可行的方案。 通过有线电视网在对用户进行交互通信的过程中，以下问题需要进行考虑： 1 ) 传输效率。进行数据传输对数据打包应有一个合理的帧长度，使其在网络 双向通信的过程当中提高信道利用率。 2 ) 巨大的网络延时。最大的往返时间可j 2 4 0 0 u s - - 8 0 0 u s 。 3 ) 不对称的上下行信道。下行信道带宽远大于上行信道带宽。 4 ) 下信道是点对多点的树状分支结构，而上行信道是多点对点的总线接入结 构。 5 ) 用户站点( c m ) 自己不能检测冲突。c m 只能监听下行信道，由于上、下行 信道在频段上相互隔离，因此不能够检测到共享信道的冲突。 利用w l a n 技术接入有线电视网时，不能简单地对其完全移植。这里需要注 意w e a n 是一个上下行公平的信道接入机制，因此在面向上述问题时，对于w l a n 的协议改进势在必行，拟用以下几个方面对其加以改进： 4 面向有线电视网的w l a n 协议研究 1 ) 提高传输效率：优化帧长，选择式群a c k 方式。 2 ) 减小时延：p c f 轮询应答帧的时延调整，结合h c f 的m a p 方式组播改进。 3 ) 提高下行吞吐量：接入点和用户站点的窗口策略，r t s da _ f a 方式。 4 ) 提高用户的上行传输容量：伪轮询机制。 5 ) 减小碰撞：慢启动退避解决方式。 1 4 本文主要工作和贡献点 本文分析了有线电视网和w l a n 的基本构架，对它们的互联互通作了详细地 介绍，随后对两种网络的m a c 层分别予以分析，重点在w l a n 这方面，为了更好 地将w l a n 技术应用于有线电视网的终端，着重探讨了无线局域网( 8 0 2 1 1 ) 协议 的m a c 层工作原理和性能，另一方面，目前广泛使用的还是基于d c f 和p c f 的 8 0 2 1 1 协议，如1 l b a g 等。利用有线电视网普及大容量的条件下，更改w l a n 的 m a c 协议，又能最大限度地满足各类应用的要求，是研究的一个主要内容。设计 了适合于利用有线电视网络的带宽资源来传输w l a n 数据的方案。为了使8 0 2 1 1 各版本支持各类应用，人们不可能全部替换成8 0 2 1 i e 产品，这对用户是不现实和 得不偿失的，因此，由于8 0 2 1 l e 对实时应用有很好的q o s 支持，基于8 0 2 1 l e 的v o i p 应该是未来应用的主要方式，因此改进8 0 2 1 i e 的m a c 内容使它适合于有线电视网 的实时应用也是一个研究内容，针对有线电视网传输数据所面l 临的问题在第四章 设计了不同的解决方法。 本论文的内容安排如下： i本文的第一章是绪论，简单介绍了有线电视网络和w l a n 宽带接入技术发展 背景，主要叙述了本文的研究意义和主要贡献，给出了本文的框架结构。 第2 章主要介绍了有线电视网和w l a n 的网络结构，体系结构，频谱划分等问 题，提出了两种网络简单互联的解决方案。 第3 章主要分析了有线电视网和w l a n 的m a c 层技术，在有线电视网这方面主 要介绍了m a p 概念，为下章的w l a n 中组播设计打下基础，同时探讨了在有线电 视网开展各项数据类型业务的必备条件，例如时延保证，服务质量的保证等，并 对w l a n 的m a c 机制进行分析。 第4 章面向传输效率，时延特性，下行吞吐量的提高等诸多问题设计w l a n 的接入解决方案，使用o p n e t 仿真软件对面向有线电视网络的w l a n 技术进行 建模仿真，主要进行m a c 层功能模块的设计并得出仿真结果，本章结合第三章组 成本文的重点内容； 第五章总结全文的研究成果，得出结论。 最后是致谢和参考文献。 第二章w l a n 和有线电视网络的集成 第二章w l a n 和有线电视网络的集成 本章分别对两种网络的系统结构、体系结构以及频谱等方面进行详细的研究， 通过对这些方面的探讨来达到两种网络的互联互通，分别描述了两种网络的异同 之处，对它们之间的各个层面的技术予以讨论，同时也对目前较为流行的有线电 视网的c a b l em o d e m 接入技术进行介绍。 2 1w l a n 接入有线电视网承载层一h f c 2 1 1 系统结构 混合光纤同轴网( h f c ) 的概念最初由贝尔实验室提出。它的基本特征是在 目前有线电视网的基础上，以模拟传输方式综合接入应用模拟和数字传输技术、 光纤和同轴电缆技术、网络技术等多种业务信息。h f c 网具有速度快、收费低廉、 永久连接、覆盖范围广等优势，且能同时支持目前的模拟和数字服务，可以平滑 过渡到今后的光纤到户和全数字化服务。它是光纤逐步推向用户的一种新的发展 策略。由于目前的h f c 双向化改造都己普遍完成，因此它为我们提供了另外一种 宽带上网的方式。 h f c 有线电视上网的优点是不需要改造现有的网络，并且速度比较快，但是 它的缺点是网络结构是树型的。信道带宽是用户共享的，一旦用户数增多，其网 络的性能将会下降。数据传送基于广播机制，每个用户都可以收到其它用户的数 据。 2 1 2 体系结构 m c n s 合作组织提出的d o c s i s 标准制定了h f c 网的数据传输业务接口规范， 在我国的h f c 宽带接入系统中得到广泛采用。基于d o c s i s 标准的h f c 网络其体系 结构可分为四层：物理层、数据链路层( d l l ) 、网络层及其以上层，c m t s 和电缆 调制解调器在网络协议方面与其他网络设备最大的差别在于物理层和m a c 子层， 而逻辑链路控制( l l c ) 子层、网络层和应用层等几乎是完全相同的。 2 1 3 频谱安排 h f c 宽带接入网中的频带划分为非对称式，上行频带较窄，下行频带较宽， 按频分复用( f d m ) 方式来安排业务类型，即将不同类型的业务安置在不同的频带 6面向有线电视网的w l a n 协议研究 内。h f c 网络的带宽主要受光节点到用户家中的传输介质同轴电缆的限制。 h f c 网络是频分复用网络，不同的业务分配不同的频带，各种业务频带间有 隔离保护带宽。例如，目前网络中使用的各种调制解调器都有自己的保护带宽， 以便不影响相邻频带的其它业务。目前，h f c 网络主要采用低频率分割的双向复 用方式，而且由于大多数h f c 网络都是以现有有线电视网络为基础，所以其频段 的划分应与现有电视制式相兼科2 1 。7 5 0 m h z 和1 g h z 带宽h f c 系统的典型频率分配 为回传频带宽3 7 m h z ，把3 7 m h z 划分成不同的频段，用于不同的双向业务，其频 谱资源安排如图2 1 所示。 54 2 惦5 图2 1 频谱划分 ( a h z ) 图6 p 5 - 4 2 m h z 用于上行通道的业务，主要用于传输用户控制信息、交互式数据 业务和电话业务等。4 5 5 5 0 m h z 用于下行模拟及数字信号传输，5 5 0 7 5 0 m h z 用于 压缩数字电视和数据业务，7 5 0 m h z 以上的频段保留为其它业务和系统升级所用。 在下行信道中，4 5 5 5 0 m h z 的频段可以传输6 3 套s m h z 的p a l 制模拟电视信号，如 果5 5 0 7 5 0 m h z 的频段用于数字压缩视频传送，采用m p e o - 2 压缩和6 4 q a m 调制。 2 2 1 拓扑结构 2 2 接入层面一w l a n 无线局域网系统的结构和有线电视网络系统结构有很大不同。无线网络的移 动性导致了无线网络是动态的拓扑结构，而不是有线电视网络的固定的树型拓扑 结构。 当前，w l a n 网络可以分为两类。第一类是有基础设施的网络( 如图2 2 ) ， 即依赖于固定有线网关的网络。 这种网络中有线与无线部分的桥接也称为“基站”。网络中的移动单元直接与 其通讯半径之内的最近基站连接与通讯。当该移动单元离开了某一基站的通讯范 围而进入另一基站的通讯范围时，原基站与新基站之间进行转接，从而移动单元 可以不受妨碍地继续通讯。由于每个站点只需在基站覆盖范围内就可与其它站点 第一二章l a n 和有线电视网络的集成 通信，当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不剧烈，故a p 布局受环境限制不大。有基础设施的网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，a p 的故障 容易导致整个网络瘫痪，并且a p 的引入增加了网络成本。 图2 2 有a p 接入的网络结构 第二类无线移动网络是无基础设施的网络，通常称为a d h o e 网络( 如图2 3 ) 。 图2 3a d h o c 网络结构 a dh o e 网络是若干无线移动节点的集合，这些节点动态地任意移动，它们之 间的链接可以随时间连续变化，网络不依赖于建设好的基础组织，不存在集中式 的网络管理。这个无基础组织的网络中不存在固定的路由器，每个节点都具备路 由功能，负责发现并维护通往其它节点的路径。采用这种拓扑结构的网络一般使 用公用广播信道，每个站点都可竞争公用信道。这种结构的优点是网络抗毁性好、 建网容易、且费用较低。但当网中用户数( 站点数) 过多时，信道竞争成为限制 网络性能的要害。这种拓扑结构适用于用户数相对较少的工作群规模。 利用有线电视网络的树枝型结构，在接入环境当中一般采用有基础设施的网 络结构，通过a p 连入有线电视网骨干网与用户站点的通信，由此充分利用了网络 的资源。 8 面向有线电视网的w l a n 协议研究 2 2 2 体系结构 i e e e8 0 2 1 1 标准只规定了节点的物理层( p h y ) 和数据链路层的介质访问控 制( m a c ) 层结构，数据链路层是由逻辑链路控制l l c 和介质访问控制m a c 两 个子层组成。和所有i e e e8 0 2 家族的协议相同，其l l c 子层采用i e e e8 0 2 2 标 准。通用的l l c 层向上层协议屏蔽了下层协议的差别，可以在l l c 层实现异种网 络的互联。当然，更为普遍应用的是在网络层进行异种网络互联。如图2 4 所示： d a t al i n k m a cs a p 警- 删 l a m a cs u b l a y e r , t - - y e r p h ys a p m e p l m e _ s a p ； # 一 p h y s i c a l r 粼”“l p l g ps u b l a y e r 4 - a 黹硼2 - 洲科t e r 卜科 y p ds a p r p m os u b l a y e r d - - i 图2 4w l a n 体系结构 m a c 子层通过m a c 层服务接入点( m a cs a p ：i v 似cs e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 向l l c 层实体提供传送m a c 服务数据单元( m s d u ：m a cs e r v i c ed a t au n i t ) 的服务、数据安全性服务以及m s d u 排序等服务。其核心是基本的m s d u 传输功 能。i e e e8 0 2 i i 标准m a c 层规范规定了两种m s d u 传输方式，一种是分布式的 d c f 方式，另一种是集中控制式的p c f 方式。无竞争的p c f 方式需要a p 的支持， 而竞争的d c f 方式则不需要。因此b s s 中节点的信道接入控制可以使用分布式的 d c f ，也可以采用集中控制式的p c f ，而i b s s 中的节点则只能使用d c f 。 物理层的主要功能是通过物理层服务接入点( p h ys a p ：p h ys e r v i c ea c c e s s p o i n t ) 向m a c 层提供传送协议数据单元( m p d u ：m a cp r o t o c o ld a t au n i t ) 的 服务。m p d u 同时也是物理层的服务数据单元( p s d u ：p h ys e r v i c ed a t a u n i t ) 。 物理层还可迸一步分为p l c p 和p m d 两个子层，不同的物理层会有较大差别。 m a c 层和物理层都有自己的层管理实体( l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ) ，其中 m a c 层管理实体是m l m e ( m a cl m e ) ，而物理层则有物理层管理实体p l m e 第二章l a n 和有线电视网络的集成 9 ( p h yl m e ) 。在两个层管理实体之上，是站点管理实体( s m e ：s t a t i o nm a n a g e m e n t e n t i t y ) ，它不属于标准的一部分，与具体实现有关，用来确保各站点正常的功能 实现。s m e 通过m l m e _ s a p 和p l m e _ s a p 两个服务接入点控制和操作层管理实 体。 2 2 3 频谱安排 w l a n 的频段划分一般带都设置在i s m ( i n d u s t r y ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段 1 3 l ，例如美国的f c c1 5 2 4 7 和欧洲的e t s3 0 0 3 2 8 都将这一频段定义在2 4 g i - i z 的工 业医疗频段。对于8 0 2 1l a 技术，它采用t 5 g h z 的频段，其速率高达5 4 m b p s ，分频 采用o f d m ( 正交频分复用) 技本，但无障碍的接入距离降至1 j 3 0 - - 5 0 米。 2 3w l a n 的数据信息接入h f c 网络的探讨 通过前面的分析，我们可以看出，同轴电缆的带宽可达1 g h z ，除了传输模拟 电视视频信号外，还有丰富的频谱资源可以利用，可用于数字视频传输和双向数 据通信。在i - i f c 网络上用电缆调制解调器进行双向数据通信时，6 m h z 的下行信道 传输速率可达3 0 4 0 m b p s ，3 2 m h z 的上行信道传输速率可达2 1 0 m b p s ，比电话线调 制解调器高出几百倍。h f c 网络在业务上可以兼容传统的电话和模拟视频业务， 同时支持因特网访问、数字视频、v o d 以及其他未来的交互式业务，在结构上， h f c 网络具有很强的灵活性，可以平滑地向f 刑过渡或延伸。而且使用电信网络 进行数据通信时( 如因特网访问) ，用户需要承担昂贵的费用，而有线电视网络由 于频带宽，并且数据传输速率高，用户只需交纳很少的费用就可以享受交互式数 据通信的乐趣。 用于电视信号传输的h f c 网络和用于数字信号( 电话、计算机、数字图象等) 传输的w l a n 网络由于用途不同，各有特点。分析其异同之处，是研究计算机信 息接入h f c 网络的基础。 两者的相同之处有：( 1 ) 都是通信系统；两者的不同之处为：( 1 ) 传输信号不 同，h f c 网络传输的是模拟信号；而w l a n 中各站点传输的是数字信号。( 2 ) 网络 设备完全不同，h f c 网络使用的是卫星电视地面接收站、模拟电视频道调制器、 宽带放大器及分支分配器等有线电视系统的设备；而w l a n 主要由服务器、路由 器、交换机、a p 和接口单元等信息处理设备组成。( 3 ) 网络结构不同，h f c 网络中 的电缆系统基本都采用树枝形网络结构，而w a l n 主要采用自组网或通过a p 接入。 ( 4 ) 传输介质不同，h f c 网络的电缆均采用宽带同轴电缆；而w l a n 采用无线电波， 通过改造也可以采用同轴电缆接入有线电视网。( 5 ) 通信方式不同，h f c 网络主要 1 0 面向有线电视网的w l a n 协议研究 是广播式的单向通信，通过改造后可以为双向通信，而w l a n 则是交互式的双向 通信。 通过对两者的不同点加以比较，可以看出，通过w l a n 来扩展有线电视网的 服务范围时，我们应该主要对两种网络的拓扑结构，体系结构及频谱来综合考虑。 虽然有线电视网的拓扑结构是树型结构，w l a n 可以通过点对多点的构架来在有 线电视网的终端接入，这是由c a b l em o d e m 这种技术来实现，在两者网络的协议体 系这方面，由于w l a n 的分层模型最上层是m a c 层，因此我们可以对两者的数据 链路层加以改造，使它们能够互相兼容上层信息。 在频率这方面只需改进其传统的c m 设备，通过加入一些变频及混频器件，使 其能够兼容w l a n 中的射频信号，这是可以达到的。原有的有线电视网只提高对 用户的下行传输，经过一些措施的改进，现在的一些有线电视系统经过双向改造 提供了用户上行的传输要求， 总的来说，在前端下行信号中，将电视信号、语音、数据等信号混合，一起 在h f c 上传输。混合的信号经同轴电缆送往射频混合分支器到光发射机，经光纤 传输到光接收机，在将混合信号分离出来，可将语音、数据等信号采用双绞线作 为用户接入媒介，为电信、计算机用户提供服务。a p 通过双绞线接入有线电视的 前端，其它用户站点靠a p 进行接入骨干网，电视节目仍通过同轴电缆用户分配网 接入用户，因此对上述这些因素的改造，是可以通过w l a n 系统来接入有线电视 两的。 2 4w l a n 通过c m 接入有线电视网 基于h f c 网的c a b l e m o d e m 接入技术是目前有线电视网的主要宽带接入方式， 它由c a b l em o d e m + h f c + c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m 组成。c m ( 电缆调制 解调器) 和c m t s 电缆调制解调器终端系统借助于h f c 双向网络进行数据通信。 c m t s 是c m 的头端设备，是整个h f c 宽带数据网络系统的核心设备，它能对用户 终端设备c a b l em o d e m 进行认证、配置和管理，并为c m 提供连接口骨干网和i n t e m e t 的通道和接口。基于h f c 的c a b l em o d e m 宽带网络系统基本组成。如图2 5 所示。其 中d h c ps e r v e r 为h f c 宽带网中的c m 和p c 提供m 地址，t f t ps e r v e r 自动为 c m 提供配置文件，t o ds e r v e r 瑁于同步整个h f c 网络。在将w l a n 系统作为有 线电视网的终端接入时，只需通过w l a n 的接入点a p 接到头端设备c m ，在c m 这 里实施数据帧头的变换和传输至l j i n t e m e t 。 第二章孔a n 和有线电视网络的集成 图2 5 拓扑结构 数据信号通过光纤同轴混合网( h f c ) 传至用户家中，c a b l e m o d e m 完成信号 的解码、解调等功能，并通过以太网端口将数字信号传送到a p ，各个用户站点通 过a p 的中继或接入来访问网上资源。反过来，c a b l em o d e m 接收a p 传来的用户上 行信号，经过编码、调制后通过h f c 传给头端设备。 所谓m o d e m 其实说穿了就是将数字信号及模拟信号进行转换以适合传输的装 置。c a b l em o d e m 本身不单纯是我们传统意义上所说的调制解调器，它集m o d e m ， 调谐器，加解密设备，桥接器，网络接口卡，虚拟专网代理和以太网集线器的功 能于一身。不管是传统的m o d e m ，还是c a b l em o d e m 原理都差不多。c a b l em o d e m 提供一个标准的1 0 b a s e t 或1 0 1 0 0 b a s e t 以太网接口同用户的p c 设备或以太网集线 器相联。c a b l em o d e m 的技术实现一般是从4 2 m h z 7 5 0 m h z 电视频道中分离出一 条6 m h z 的信道用于下行传送数据。只不过c a b l em o d e m 使用的是一种称为q a m 的 传输方式。而这种q a m 传输方式则是针对模拟式r f 的网络所发明的最有效的数字 数据传输方式。一般来讲，我们利用有线电视网传送数据时，系统会将数字数据 放在模拟的载体上，是以模拟电视频道的带宽大小来传送，其带宽大约为8 m h z 。 而q a m 贝, i 使用了混合振幅( 波高) 及相位的载体，让最小的空间中能放入更多的数 据。当振幅及相位在混合使用之后，就可以表现出不同的0 与1 值，这就是电脑能 识别的数字信号。 c m t s 从外界网络接收的数据帧封装在m p g e t s 帧中，通过下行数字调制和 r f 输出到用户端，同时接收上行出来的数据转换成以太网帧。用户端c a b l em o d e m 的基本功能就是将上行数字信号调制成r f 信号，将下行的r f 信号解调为数字信 号，从m p e g t s 帧中解出数据，形成以太网的数据，通过1 0 一b a s e t 的端口输出。 在c a b l em o d e m 系统中，采用了双向非对称技术，在下行方向有6 m h z 的模拟带宽 1 2 面向有线电视网的w l a n 协议研究 供系统中的用户共享。但这种共享技术不会降低传输速率。c a b l em o d e m 不同于线 路交换的电话网定向呼叫连接，用户在连接时并不占用一固定带宽，而是与其他 活动用户共享，仅在发送、接收数据的瞬间使用网络资源。在毫秒级甚至兆秒级 的时间内，抓住一切利用带宽的机会下载数据包。如果在网络使用的高峰期中有 拥塞，可以通过灵活的分配附加带宽来解决。只需简单分配一个6 m h z 频段，就能 倍增下行速度。另一种方法是在用户段从新划分物理网络，按照访问频度给用户 合理分配带宽，速度可与专线媲美。 在h f c 网是频分复用的，但在某一频率上的信道则是被很多用户所共享，通 过m a c 控制用户信道分配与竞争的问题，同时还支持不同等级的业务。可以通过 网络管理系统对h f c 网络中c a b l em o d e m 进行配置、状态、流量监控和诊断。但是 该网络有一个致命的缺陷，其用户的安全性不能得到保证，只能通过其它措施来 解决。 2 5 本章小结 本章对有线电视网和w l a n 的系统结构、体系结构、频谱安排等进行了论述， 分析综合了两者的特征，对两种网络的集成方面进行了探讨，最后介绍了一种c a b l e m o d e m 技术，通过该项技术的应用可以将w l a n 系统接入到有线电视网中。 第二章m a c 协议研究 第三章m a c 协议研究 本文的研究工作是为了第四章的面向有线电视网的w l a n 协议改进打下基 础，首先介绍了应用于在有线电视网中数据传输的d o c s i s 协议中的m a c 方面，接 下来对w l a n 的m a c 协议规定作详细的介绍和深入的分析。其中，d c f 是协议规 定的基本信道接入方式，p c f i j 是可选方式。结合目前协议标准的应用情况，分析 了w l a n 中采用的物理虚拟载波侦听、退避机制以及r t s c t s 交互等技术，同时 对于提供服务质量保证的8 0 2 1l e m a c 的研究也是本章的一个重点。 3 1m a c 概念 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 媒体接入控制就是定义以一定的顺序和有效 的方式分配节点访问控制媒体的规范。在o s i 参考模型中，介质访问控制子层 ( m a c ) 是数据链路层的特殊子层。m a c 协议说明了如何利用共享广播信道进行 m a c 层服务数据单元的传送，其主要功能包括：介质访问控制、建立网络连接以 及保障数据安全等。介质访问控制协议的核心内容之一就是合理高效的多址接入 技术或多路访问技术( m u l t i p l ea c c e s s ) ，即多个站点共享某一个固定频段进行通 信的技术。总体上，多址接入技术可以分为以下两类： 1 ) 随机竞争类：如a l o h a 、c s m a 协议等； 2 ) 无竞争类：又可以分为固定分配类与按需分配类。固定分配类：如f d m a 、 t d m a 、c d m a 等；按需分配类：如令牌传递多址系统等。 在有线电视网附加数据传输时不尽采用了固定分配的接入方式，同时也采用 了随机竞争的接入方式，这样既可满足各种用户的服务质量要求，对于一些实时 性要求高的业务采用无竞争的方式，对于实时性要求不高的用户可以为其分配一 些共享带宽去竞争接入。 由于随机竞争类多址接入技术容易实现、系统开销小、鲁棒性好，w l a n 采 用的多址接入技术也属于随机竞争类接入技术。局域网( 有线和无线) 中通常采用广 播信道。当网络中的站点之间利用广播信道进行通信时，可能会出现多个站点竞 争信道的使用权，