（微电子学与固体电子学专业论文）基于docsis协议的hfc网络传输特性研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 随着新技术的不断发展，人，们希望能够利用有线电视网络提供新的业务，l | r c 技术在 有线电视网络中n “泛使用使得有线电视网络的带宽增加，也使得有线电视网络除电 ! 旷一 播外还能够提供其他的月务，这些服务的服务质量要求各不相同，如：数据服务要求低的 丢失率，对延时的要求较低；而语音服务可容忍一定的丢失，但对延时、延时抖动有严格 的要求，因此需要开发新的协议。为了在有线电视网络上提供l p 业务的透明传输，许多 组织都丌发了各自的协议，这包括：i e i 正8 0 2 1 4 、d ( 】c l s i s 、d a v i c 和d v b ，其中d o c s l s 协议已被1 r u 接纳为柄；准。d o c s i s 协议是第一个被m j 接纳的利用有线 乜视网络传输i p 业务的标准，它在北奖得到了广泛的应用，因此有必要分析典口：能。前人土要采门j 计算机 仿真的方法研究d o c s i sh f c 网络的性能，我们建立了一个理沦分析模型，n u 端采用优先 级先来先服务( f c i 丐) 调度策略，对采用d o c s i s1 1 的 f f c 网络的性能进行了研究，j 二 要分析了d c l e s i sj 1 f f c 网络的平均延时和吞吐量。分析表i ! j j 采用主动确认服务( u g s ) 上行传输实时固定l 啭率( c b r ) 业务，如实时c b r 业务具有抢占优先级，则可满足实时 c b r 业务严格的延时要求，当然这是以降低非实时数据业务的延时性能为代价的。即使刈 于f “格要求的实时c b r 业务的延时性能，采用抢占优先级的服务策略所能提供的性能也火 犬n 于业务所要求的性能，这就为进一步提高非实n 寸数据业务的延时性能提供了机会，有 可能采用适当的凋度策略在满足实时c b r 业务的延时性能的基础j 二，提高二怍实时数据业务 的延时性能。 、山于d ( ) c s j sl i f 网络r f l 信息的下行和上行模式完全不同，上行信道带宽窄h 存在漏 斗噪声使得：行信道成为传输的瓶颈，如何保证每一个用户在争j j 上行信道时的带宽需求 并进行柏应的叻嘟目以保证公平性，还是一个尚未得到解决的关键技术。为了保证服务质量 ( q o s ) 传输，任何实际的q o s 传输控制方案必须考虑对f j j 。t 传输实施连接接纳控制。任 何实用的连接接纳控制算法应该是实时的，基于实测的算法，根据网络当时的性能、j | ：j c 念 和接纳判据判断是否接纳新的连接请求。 d ( ) c s i s l i f c 网络的宽带性能使得传输高质量的实时音视频数据成为可能，实时可变比 特率( v b r ) 视频业务是宽带h f c 网络的主要应只3 之一，实时v b r 视频业务具有严格的延 时和延时抖动要求，然而当前的d o c s i sh f c 网络只能提供高速i n t e r n e t 按入，只支持有 限的服务质量保证，现有的协议和方法不适合上行传输实时v b r 视频业务。栩对于下行信 道，d 0 c s i s h f c 网络i ：行信道的带宽很窄，且上行信道存在漏斗l 噪声，这使得上行传输实 华中科技大学博士学位论文 时v b r 视频业务成为一项极富挑战性的工作j 我们提出了两种上行传输实时v b r 视频的方 法：分层视频的传输方法和利用e u g s ( e n h a n c e du g s ) 上行传输视频的方法。前者基于分 层的视频编码，后者通过定义一种新的服务来提供实时v b r 视频业务。二者都基于d o c s i s 的p ig g y b a c k 功能和u g s 服务。仿真显示我们提出的方法能够为上行传输实时v b r 视频业 务提供服务质量保护，同时此方法具有较高的效率。 d o c s i s 协议的广泛应用为使有线电视网络向全服务综合信息网方向发展提供了坚实 的基础。我们提出了一个基于d o c s i s 协议的全服务网络的系统方案，试图通过有线电视 网络同时为用户提供电视广播服务，i n t e r n e l 接入服务和v 0 d 服务- 般用户希望v 0 d 系 统能够提供与v c r 的快进、快退类似的交互功能，采用我们提出的全服务网络系统方案， 用户能与前端始终保持连接，在这种情况下，就能够为用户提供交互功能。我们提出了 种组播的新方法，在不大量提高用户端缓冲区的前提下，为用户提供交互功能。 ，在h f c 综合业务信息网络中，多媒体数字机顶盒是网络的重要终端设备，它是用户与 网络建立连接，获取网络提供的业务信息的重要纽带。机项盒的功能与性能将直接影1 1 1 日f j 户对i f c 综合业务信息网络认识和利用，并影响i r c 综合业务信息网络的丌拓与发展。我 们研制了用于视频点播的机顶盒，并在一些地区获得了大量应用。 1 f c 网络作为接入网有极大的发展空间，虽然目的在国内1 l f c 网络作为宽带接入网还 处于试点阶段，但是用户在这方面的需求与关注已经显示出市场的发展前景。可以预见随 着政策问题的解决，以及各种跨行业标准和规范的制定和完善， l f c 网络的发展将会对连 接于家力户的信息高速公路建设产生实际而巨大的推动作用。 ， 关键词：c t 、，( h f c ) ，d o c s i s ，电缆调制解调器，。上行信道j 延时，吞吐量，连接接 纳控制，机顶盒一 1 l 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t o v e rm el a s tf 爸wy e a r sm u c ha t c e n d o nh a sb e 蜘p 埘t o 山ed e v e l o p m e n to f m e 做h n o l o 西e s f o rc o m m t ya n 咖n at e l 州s i o n ( c a r v ) n e t w o r k s n e wt e c h n 0 1 0 百e s 也a tc a nb eu s e dt o s u p p o r td a 诅c o m m l u l i c a “o ns e i c eo v e rc a 丁v n e r k sa f ed “e l o p e d 1 1 1 en e w h y b 削“b e r c o a ) 【瑚( 断c ) t e c h n o l o 斟i ss p r e a d 崦o u tm p i d l ) ，i nc 舢n e r k s t 1 1 eu s a g e o fn b c r p r o v i d e sl a 喾b a n d 州d m a n d 也u se n a b l e ss o m en e ws e r v i c e st ob ed e l i v e r 耐a l o n g 、v i t l lt e l e v i s i o n b r o a d c a s t t h ec a r vn e t w o d ( sa r ec x p 酬e dt 0s u p p o r td i v e r s e a 伍c 埘t hv 撕0 1 1 ss e 沁 融1 u m e n t s f 0 re x 锄p l e ，d a t a i sl o s s s e 嘣d v eb u t d e l a y - i n s e n s i 廿v e ，w l i l e v o 妣i s d e l a y 。s e n s i t i v eb u tl o s s _ 抽s e n s i t i v e s o ，n e ws t a l l d a 日st h a ts u p p o nn e ws e r v i c e so v e rc a ，i v n e ，o r k sn e e dt ob ed e v e l o p e d m a n yo 唱a m z “o n sh a v e d e v e l o p e d m e i rs p e c i n c a t i o n st oa l l o w 仃a i 即a r e mb i 面r e c n o n a l 咖s f e r o f1 1 】t e m e tp m l o c o l ( 聊嘣co v e rc a l vn e t w o r k s 0 鲫i z 撕o n s i | l v o l v e dm d e v e l o p m e n to fm e 咖d a r da r em em e e 8 0 2 1 4g r o u p ，龇d a t a 0 v e rc a b l es e i c ei n l e r f 砸es p e c i f i c a d o ng u pp o c s i s ) ，1 ed i g i l a ia u d i ov i s u a lc o u n c i l ( d a v i c ) a n d t 1 1 ed i 西“d e ob r o a d 晰心g ( d v b ) 留呻，e t c 1 h ed o c s i s s p e c m c a t i o ni s 越v e n b y m e n o r n l n e r i c a i l c a b l e m o d e m m d u s 时a 1 1 d i sm e f l 随i o b e n 砌i s e d d o c s i s i s l l l e 6 塔ts p e c i f i c a t i o nt or e a c hi n l e m 鲥o n a ls t a r l d a l dl e v e la si t u tr e c o r n m e n d a 廿o nj 1 1 2 d o c s i s i s e x p e c i c ( 1 t ob et 1 1 e m o s t 、v i d e l y a 砌l a b l e p m t o c o lp m v i d m gi n t c r o p e r a b l e d e v i c e sf o r 1 1 i 曲一s p e e dr e s i d 锄a la c c e s s 1 kd o c s i ss p e c i f i c a “o nh a sa l p e a d yb e e nu s e d 、v i d e l ya j l ds o i ti s a p p r o p r i a 【e c od e t e n t l i n et 1 1 e p e r f l o h n a i l c e o fs u c h s y s t e m s t h ep e d o 哪a 1 1 c ec a p a b i l j i y o f d o c s i sc o m p l i a n ta r c l 证赋t u r e si s d e p e n d e n lu p o nt | 1 eh e a d e n d ( h e ) s c h e d u i i n ga l g o r i t m s w ha r en o ts p e c i 丘e dmm es p e c i l i 洲。璐n e 幽r e ，i t i si t l l p o n a n t t oe s 胁i i s has e to f r e 向印c e 耐b n n a l l c e c h a r a d 酣s l i c sf b rm em o s t s i m p l eo f s c h e d u l i n ga l g o n t h m sa g a i n s tw k c h m o r e 唧l e xa l g o 珊1 n l s c a nb c c o m p a ”e d a p d o r i d z e df c f s 廿f c f s ) s c h e d u i 曲ga l g o r i 1 n 1i s a d o p l 。di 1 1t i l i sp a p e lp r e v i o u sw o r l 路o nm ep e d - o i l i l a l l c ea 1 1 a l y s i so fc a r v n e t w o r kh a v eb e e n c a r r i e do u tu s m g c o m p u _ c e rs i m u 蜥o n t 0o u rk n o w l e d g e t l e l - eh a v e b e e nn ow o r k so n a n a l y s i n g d o c s i s h f cn 加r k s m e 0 刚c a l l 弘w e w m 胂e n ta m o d e l f o f 恤耐b m 瑚c e a 1 1 a l y s i so f d o c s i s n e t w o r k 1 1 1 em o d e l y i e j d s as e to fe q u a d o n s b y w h i c ht w o i m p o n a 】1 t c h 啪c t e r i s d c so fd o c s i sh f cn e t w o r k s ，a v e r a g e d d a ya 1 1 dt 1 1 r d u 四1 p 此c a l l b ed e 一涮 a c c o i d i l l gt oa n a i y s j s ，w eg e tt i l a tt i l ep 瞅m p 廿v eh o ls c h e m ei sa d e q u a f cf 0s a t i s 分t h e ( 扣s i i i 华中科技大学博士学位论文 r e q u i i m e n to f r e a l t h ec b r t r a 硒c 州t hs 缸n g e n td d a yr e q “r e n 褂怄a t 也ee x p e n s eo f d d a y o f n o n r e a l - t i m ed a t a a 硒c h o w e v e le v e nf o rm o d e r a f eu l i l i z a t i o no f r e a l 一血n ecb ：rn “矗ci nt 1 1 i s s d l e m e ，m ep e r f b r n l a n c eo f r e a l q m e c b rt r a 街cm a yb em u c hb 甜e rm a ni 乜d e l a yr e q 曲e m e 吣 a n dt h ep a c k e t so fn o n 硎血1 et r a 伍cm a yl h l d e 唱om u c hl o n g e rd e l a yt h e f b r e ，t | l e r ei s a p o s s i b i l i t y f o r i m p m v i n g m e p e d b f l l l a l l c e o f n o n 一划_ t 蚰e d a i a t r a 庙cw ! h i l e 蛳l l m 酬n g m e ( s o f s e r v i c er e q u i r e m e n if o ri _ e a i t i m ec b rn a 所c t h ed o c s i si se s t a b l i s h e da sm ep d m a r yh f cn e t w o r kd a l ac o m m u l l ；c a t i o ns t a l l d a r d t h e i n 衄诚ds e r v i c ea i i o w s 仃a n s d a r e n tb i - d i 嗽o n a i 仃a f l s f c ro f i n t e m e tp m 仇o l ( i p ) 刚h c b e i 、v e e n 1 1 1 ec a b l em o d e mt e m l i l l a t i o ns y s c e m ( c m 陌s ) mc a b l es y s t e mh e a d e n da n dc a b l em o d e m ( c 旧 mc u s c o m e r1 0 c 撕o n s 谢t 1 1s i 画丘c 矾u yh i 曲d a t a 眦r e a l - 断1 ev a r i a b l eb i tm t e ( v b r ) 砌c i s e x p e c 【e d t ob eo n eo f 廿1 cm 旬o ra p p l i c a 廿0 1 1 st 1 1 a tn e 。dt ob es u p p o r t e db yb r o a d b 锄d 壬i 、c n e t w o r k s h a w e v e r ，觇s 血gk 出s p 耐k t e m e t s e i c e so v e r i f c 耐w o r ka r em a i 由b e s te 娲n 鲫d0 1 1 l ys u p p o r 【l m l e dq o sg u 黝l e e b e c a l l s eo fm r u l e ln o j s eo fu p s 咖c h a 衄e l ，p a c k e t l o s s e sa r eu n a v o i d a 枞e ，锄dm e r e f b f ew em u s cc o n s i d e r 如e 皇f 酏t s 1 h e r ea r em a n ys t u d i e so n d o c s i s p e d b i t i l a n c ea n a l y s j s h o w e v t o o l l rb e s tj ( 1 1 0 w l e d g e 1 e f el 】a v e 蛔1 角ws t u d i e si n i o 附1 s l i t 妇gr e a l 一缸1 ev b r 扛a 伍cu p s 咖o v e r d o c s i s 球cn e t w o 血b 。c a u s et l eb a n d 、v i d 吐1 o fu p s h 鞠mc h a n n e ji ss c a i ea n d 觚1 e jn o & o ft 1 1 eu p s 咖c h a n n e ii su n a v o i d a b i e ，i ti sa c h a l l e n g i n gw o r kt o 缸a r l s r n j tl a l t 胁ev b r 蕊cu p s 锄o v e rd o c s l sl f cn e l w o r k w e p l - 0 p o s et w o m e m o d st o 扛a n s m i tr e a l 石m ev b r 缸a f i i cu p s 扛p 锄：1 ) d e f m ee n h a n c e du n s o l i c i t e d g 啪t s e i c e ( e u g s ) b a s e d o n p i g 科b a c k f i c t i o na n du n s o l i c i t e dg r 明t s e r v 妇( u g s ) d e 血e d md o c s i sv e r s i o n1 1 e u g ss u i 瑚恤”e a l - 妇圮v b r 衄蚯ca n d 豳p l e m e n tq o sg u 跗锄慨 o v e rh f c n 咖r k ；2 ) t 1 1 eo t l l e rm e c l l o d i sb a s c do nt l el a ) 删v i d e 0 t e c m q u e s a n a i y s i ss h o 、v s t 1 a t 也ep r o p o s e dm 甜m da c l i e v e sb e 鼢u t i l i 捌i o no f r c s o u r c e sa n d i 1 1 1 p n o v e st l eq o s b a s e do nd o c s i sp r o c o c o lw ep r e s e n tas c h e m ew 1 1 i c hc a nb ee x p e c t e dt 0p r o v i d et v b n o a d c a s t i l l gs e i c e ，d a 协s e i c ea n d “d e oo nd e l n 锄d o d ) s e i v i c eo v e rh f cn e t w o r k s s i h l u l t a l l e o u s l y mo r d e rt oe 伍c i e n t l ye x p l o i tr e s o u r c eo fv o d 掣s 圯ms e v e r a lt e c h “q u e sw e r e p m p o s e d f o ri n c i 瑚s h 培m en 岫b e ro f c o r n u t e n tu s e r s 0 n es o l 嘶0 ni sm u l n c a s tt e c i “q u e m o s t p f e s e n tm u l d c a s tm e i l l o d su d l i 臻r e i v e rb u 丘ht oh n p l e m e n t 面t e r a c n v ef o n 1 1 1 e 删e d 打o f t l l e s e m e t 1 0 d s j sv e r yh u g e 1 1 1 e m e l h o d p m l ) o s e d i n t h j s p a p e r 廿y l os o l v e t l l i s i n “s p a p e lw ee x p i o f o d 1 eb e n e 6 t sa r 一位i d e o 日毫a s s o c i a t e dw i t lt 1 1 eu s eo f m u l “c a s td e i i v e r vi nv o d 华中科技大学博士学位论文 s v s 把m 埘t li n t e m c v en m c 廿o n 1 1 1 ep m p o s e d m e m o dc a l li r n p r o v e 1 em t e m c t i v cp e m l l n a l l c e o ft h es y s t e m “1 1 1 0 u t i n c r e a s i n gr e c e i v e rb u 髓r h e a v i l yf i n a l iy ，w ei n n d d u c e 恤s e t - 1 0 pb o x d e v e l o p e db y u s a 仃e r n e n d o u s 叩p o n 埘i t y e ) i s l s 、v i t l lb m a d b 锄do v e rh f cn e 咖r k s h f cn e n ( o p e r a t o r s a r ee ) ，e m gah u g eb u s i r l e s s o p p o n u f l i t ) ，i f lp r o v j d i t l g r e s i d e n t i a lc u s t o m e r s 诵t 1 1 m g 1 一单e e di n t e m e t a c c e s s 1 1 1 em a r k e tf o rc a b i em o d e m i se x p 。c o e dt o m c r e a s ed r a r n a t i c a l l yo v e r t 1 1 en e x ty e a r s k e y w o r d s ：h f c ( c a r v ) ，d o c s i s ，c a b l em 0 d e m ，u p s 眙a mc h a n n e l ，i ) e l a y ，1 1 _ l m u g l l p u t c o l l n e c t i o na d m i s s i o nc o n 打o l ，s e t t o pb o x 弋_ 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1引言 随着社会的发展，电信市场的丌放以及宽带新业务的不断涌现，已逐步形成了电信网、 有线电视网和计算机网三大网络并存的局面，而如何经济、高效地构建满足用户需要的接 入网络( a c c e s sn e l w o r k ) 成为竞争的焦点。发展的大趋势是电话、计算机、电视三种技 术、产业乃至网络的融合，即所谓“三网合一”。它表现为业务层互十h 渗透交叉，应用层 使用统一的通信协议，网络层互联互通，技术上趋向一致。由于t c p i p 是唯一可为三大 网共同接受的通信协议，它必将成为接入网的主导上层通信语言 1 2 ，1 0 7 1 0 9 ，1 2 0 1 2 4 。 山于在未来的网络中，数据业务将逐渐成为网络的主要业务量，因此接入网设备将以以太 网快速以太网和i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 接入为主 1 2 0 一1 2 4 。各类信息产! i k 公司纷纷 提出了各种接入网络形式，以期在只趋激烈的竞争中占据一廊之地。例如：有线电视公司 希望利用混合光纤同轴电缆( h y b r i df i b e rc o a x ) 网络技术，而电信运营商则倾向于光 接入网技术或x d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 来开展宽带接入。接入网不仅应能支持窄 带、宽带以及交互式宽带业务，而且还应支持目前尚未定义的一些新业务，因而要求技术 上的先进性和可扩展性；另一方面，应能降低建设费用。 x d s l 技术是基于原有的电话双绞线而提供的一种宽带接入手段，其兆型的接入速率 为：i d s l 利用二对双绞线能提供2 m b jt s 的对称速率；a d s l 利用一对双绞线，可提供的 速率下行为6 8 5 【i b n s ，上行为6 4 0 k b it s ：v i ) s l 是x d s l 技术中最为先进的数字调制技 术，其上下行速率可达2 6 m b i t s 。虽然这种方式组网较为灵活，但是相对于光接入技术， x d s l 所能提供的接入带宽毕竟有限，仅能实现话音、数据以及几路视频业务的接入。 i f c 和基于无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 的m c ( f i b e rt ot h ec u r b ) 是发展前景更 为广阔的两种接入方式。两者都是利用光纤先将信号送入光节点，然后通过光电( 0 e ) 变换后由铜介质将信号送给用户，但是两者也存在较大区别：首先，从信号接入方式看， h f c 采用模拟频带传输，下行信号多采用f d m ( 频分复用) s c m ( 副载波复用) 方式，而 f t t c 采用数字基带传输，信号间多采用t d m ( 时分复用) 方式；其次，在网络拓扑方面， f c 多采用树形分支结构，而盯t c 在光节点和各用户终端间多采用星形或总线形连接；再 次，l f f c 业务传送具有不对称性，上行信道带宽5 5 0 i z ，下行带宽5 0 8 6 0 m l l z ，l ? i t c 山于采用数字基带传输方式，因而就传输线路而言并不存在上下行带宽的限制。r c 是在 华中科技大学博士学位论文 现有的c a t v ( c 0 珊n u n i t ya n t t e n n at e l e v i s i o n ) 网的基础上建设，将在成本上具有很大 优势。而f 1 v r c 采用p o n 技术，提商了通信传输质量，解决了上行传输中的带宽问题，但 门1 c 的最大问题足不支持模拟分配式视像业务( t v 业务) 的传送。山此可见在各利啦 术中f c 网络是最有潜力的接入网技术之一。 我国广电部门从8 0 年代起大力发展小区c a l v 网 1 0 7 1 0 9 ，1 2 0 一1 2 4 ，目前f 线传输 正逐渐采用光纤，在发达地区积极试验l l f c 系统和电缆调制解调器( c m c a b l em o d e m ) ， 并币以c a t v 网为基础进行地区联网和全国联网，试图将专用c a t v 网改造成具有宽带数据 和话音接入的宽带接入网。利用电缆凋制解调器在 i f c 网上实现高速数据传输，此技术在 i n t e r n e t 接入网、视频点播( v o d ：v i d e o0 nd e m n d ) 、会议电视、远程教学等领域中都 具有广阔的市场。电缆调制解调器是以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数宁化 输技术、光纤同轴电缆技术和射频技术，实现了在5 8 6 0 1 z 上同时传输模拟电视信号和 数字信号，而利用商效率的6 4 q 枷( 正交调幅调相) 技术，下行信道速率可高达3 0 i t s 。 随着接入网技术的日益成熟和标准的不断完善，人们预期最终能实现三网台一，h f 网在其中扮演着非常重要的角色，利用h f c 网传输语音、视频和数据等通信业务，使h f c 网成为真正的全业务接入网是当今通信网络技术发展的方向之一。 1 2 h f c 网络结构及其特性 1 2 1h f c 网络结构 h f c 网络的结构如图1 1 所示。在当前的l f c 网络中，日舻嵩到光节点之| l 口j 采川光纤传 输，在光节点和用户之间再用同轴电缆入户。一个光节点可以连接个以上的服务区。一 图1 1i l f c 网络结构 华中科技大学博士学位论文 般情况下可以连接4 至8 个服务区。一个服务区的用户一般为5 0 0 个用户，则一个光节点 可以覆盖2 0 0 0 到4 0 0 0 个用户。光节点具有双向传输功能，和i j u 端的光发收设街构成双 向链路。光节点和用户之间的配线网采用树型分支同轴电缆结构。 c 网络的逻辑拓扑如图1 2 所示，其下行方向为从前端到所有的电缆调制解调器， 下行带宽为6 z 或8 i z 。前端是下行方向唯一的发送器。因此不需要下行的媒体访问控 制机制，每个电缆调制解调器分配一个专用的地址，用于寻址。上行方向为从用户端到前 端，每个。卜行信道d 多个用户共享。j 二行信道的共享特性使之需要媒体访问控制以顺序发 送。与以太网不同，h i 网中的电缆调制解调器不能侦听到l 行信道的发送，只有f m 嵩能 知道上行信道的状态，因此上行发送可能引起碰撞。这意味载波侦听m a c ( m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) 技术( c s m a ) 不适合在f c 网r f l ：1 ：作。 1 2 2 i f c 网络的特性 l t 图1 2h f c 网络的逻辑拓扑结构 在传统的有线电视网络中，服务提供者通过电缆网络发送模拟电视节f i 给用户，山于 信号经过电缆网络时产生衰减，c a t v 网络中必须安装放大器。在传统的c a l v 网络中信号 的传输是单向的，不存在上行信道，放大器只具有单向放大的能力。为了提供上行信道， 放大器需具有双向放大的能力，使用户能够上行传输信号，还需利用多路访问技术，以使 一个分支中的所有用户共享上行带宽。h f c 网络具有下列特征： 下行为点到多点的传输，上行为多点到点的传输：下行方向为点到多点的树型分支结 构；而上行方向为多点到点的结构，类似总线结构的共享接入。由于j 二行方向存在碰 撞，因此上行信道需要有效的方案来避免和解决碰撞。 华中科技大学博士学位论文 电缆调制解调器不能侦听到碰撞：与以太网不同， i f c 网络中的电缆调制解凋器只能 侦听到下行方向的信号传输，不能侦听到上行方向的信号传输。因此，上行传输的最 终结果需要前端通知电缆调制解凋器。 传输延时大：h f c 网络的最大往返延时r 1 d ( j o u n d t r a n s m t s s i o nd e l a y ) 比以太刚火 的多，因此在发送数据嘲的r t d 期l 训，应利用这段时叫发送其他数据，而在以太网络 中，在r t d 期间不发送其他数据l 帧。而且，为了抵消传输延时的效果，以使用户端设 备与前端同步，在m a c 协议中需利用测距( r a n g i n g ) 的方法以测量传输延时。 上、下行信道不对称：下行信道的速率比上行信道速率大很多。 用户分布不均匀：大多数用户分布在网络的最后几公氍处，其到d 口端的传输延时彼此 很接近，需采用适当的接入技术以防止产生连续的碰撞。 基于h f c 网络的这些特性，在设计h f c 网络的通信协议h 寸，需充分考虑其特性，以最 大限度地利用h f c 网络的带宽。 1 3 通过h f c 网络提供数据业务服务的相关协议 早在6 0 年代，人们就认识到可通过有线电视网络传送数据，第一个成功的应用是通 过有线电视网络传送遥测数据。我们知道遥测数据所要求的带宽很窄，而随着时间的推移 和技术的发展人们对带宽的需求急剧增加，同时还要兼容现有的模拟电视广播。当前i f c 网络的带宽上限已山过去的7 0 0 多兆拓宽到8 6 0 兆，甚至到1 0 0 0 兆 2 3 。一般采用如下 的频带划分 1 ，3 ，4 ：上行信道的频率范围为5 5 0 l z ，用于上行传输数据业务；为模拟 电视广播分配的频率范围为5 0 一5 5 0 姗i z ；下行信道的频率范围为5 5 0 8 6 0 或1 0 0 咖l z ，也 有采用其他几种频带划分方式的，如低分割、中分割和高分割，其中高分割的上行信道的 频率上限最高可达一百多兆 2 。通常下行采用6 4 q a m 或2 5 6 q a m 调制技术，一个6 z 的 信道的速率可达3 0 m b p s ( 北美) 或一个8 z 的信道速率可达4 0 m b d s ( 欧洲) 。由于上行 信道存在漏斗噪声 3 5 ，3 6 ，需要抗干扰 生能好的调制技术，通常采用1 6 q a m 或q p s k 调制 技术，当然其频谱利用率比下行调制技术的频谱利用率低。 1 9 9 7 年以前开发的电缆调制解调器是利用专有技术开发的，各个公司的技术各不相 同，不能进行互操作。虽然各个公司没有公稚其媒体访闷控制协议的细节，但其大多为基 于随机访问的方法。电缆调制解调器和用户的数据终端设备( e r r e ) 之间一般为l o b a s e 以 太连接。电缆调制解调器相当于局域网的桥接器或中继器。在调制方法方面，大多数制造 华中科技大学博士学位论文 商下行采用6 4 q a m 调制，上行采用q p s k 或1 6 q a l 调制。t e r a y o n 公司首先在上、下行信道 都采用了s _ c d m a ( 同步码分多址) 技术，s c d m a 技术具有优良的抗干扰性能和安全性能； 有一部分制造商上行采用电话线回传，其优点是不需改造现存的有线电视网络；还有人提 出上行采用正交频分多路访问技术( o f d m ) 12 5 ，其优点是能够提供较好的抗窄带干扰， 脉冲噪声能力，而且前端只需要一个解调器，可大大地节约成本。 电缆调制解调器和相应的有线电视网络前端设备的制造商包括：3 c o m 、c a b l e t r 。n ， c o m 2 l 、m o t o r o l a 、t e r a y o n 、g i 、i n t e 】、c i s c o 、n e c 、和s o n y 等公司。 1 3 1 相关的标准化组织 为了使不同的设备制造商提供的产品间能够互操作，各个标准化组织纷纷提出各自的 协议，这些标准化组织有： i p c d n ( i po v e rc a b l ed a t an e t w o r kc h a r t e r ) ：i p 工程任务组( i 田f ) 在1 9 9 7 年专门 建立了一个工作组，其目的是为通过c a t v 网络传输i p 业务开发框架和需求文档。定义i p 和c a t v 间的服务接口、组播、广播、地址映射和地址解析等。i p c d n 也涉及到了网络管理。 能够支持动态主机配置协议( d h c p ) ，资源预留协议( r s v p ) 等。 a t m 论坛的r b w g ( r e s j d e n t i a lb r o a d b a n dw o r k i n gg r o u p ) ：其目的是通过现存的用户网 络传输a t m 信元，为h f c 网络定义a t m 的互操作规范。当前工作的重点为：虚通道标识( v p i ) 和虚通路标识( v c i ) 的复用、业务管理、用户网络接口( i n i ) 信令终端、服务模型定义 以及和i e e e 8 0 2 1 4 的接口。 d a v i c ( d i g i t a la u d i ov i s u a lc o u n c 订) ：d a v i c 是一家非赢利组织，1 9 9 4 年在瑞士成立。 最初d a v i c 的主要兴趣在视频点播( v i d e oo nd e f l a n d ) 和机顶盒( s e tt o pb o x ) 方面， 现在已扩展到交互应用、因特网应用和电缆调制解调器。在d a v i c 规范版本1 3 中，定义 了m p e g 一2 和a t m 信元的传输机制，其第八部分定义了通过h f c 网络双向和单向通信的物 理层结构和信道编码。 d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) ：d v b 包括来自3 0 多个国家的2 2 0 个成员，其主要目 的是通过卫星、陆地和电缆传输数字电视。最初d v b 的建议不适合双向通信，然而为实现 交互电视，需要支持数据的反向传输。因此，在1 9 9 7 年7 月，d v b 声称它将采用d v i c1 2 规范以支持双向通信 2 】。 s c t e ( s o c i e t yo fc a b l et e l e c o m u n i c a t i o n se n g i n e e r s ) ：s c t e 是一个非赢利组织，成 一 5 华中科技大学博士学位论文 立于1 9 6 9 年。1 9 9 5 年8 月s c t e 成为美国国家标准化组织a n s i ( a i r l e r i c a nn a t i o n a l s t a n d a r d si n s t i t u t e ) 正式认可的标准开发组织。1 9 9 7 年8 月s c t e 向国际电信联盟1 1 1 j ( i n t e r n a t i o nt e l e c o 唧u n i c a t i o nu n i o n ) 提交了通过屯缆传输数据的 4 c n s ( m u l t j e d i a c a b l e t w o r ks y s t e m ) 规范。 l e e e8 0 2 1 4 委员会：1 眦8 0 2 1 4 委员会的工作是标准化 a c 层和多个物理层协议以允 许同步、异步服务所需的带宽能够可控的、公平地分配。考虑到有线电视网络的广播特性， 定义m a c 协议是一项很有挑战性的任务。此m a c 协议的需求如下：m a c 管理协议，无连接 服务和面向连接的服务，高的带宽利用率和高的频谱效率，错误检测和恢复，多个业务优 先级，支持固定比特率( c o n s t a n tb i tr a t e ) 、可变比特率( v a r i a b l eb i tr a t e ) 、可用 比特率( a v a i l a b l eb i tr a t e ) 和未确定比特率( u n s p e c i f i e db i tr a t e ) 通信量，a t m 兼容且保护服务质量( q l l a l i t yo fs e r v i c e ) 。基于上述关键要求，几个供应商( t t 、 i b m 、东芝、n e c 等) 于1 9 9 5 年1 1 月提出了一个建议，1 9 9 7 年7 月i e e e8 0 2 1 4 发和了 一个内部草案。其主要特点有：下行传输利用6 4 q 心调制，上行传输利用q p s k 或1 6 q 心 调制，以a t m 信元为基本的传输单位，上行符号率为2 5 6 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8 或4 0 9 6 k b a u d s ， 下行采用与d v i c d v b 相同的前向纠错方法( f o r w a r de r r o rc 0 r r e c