（通信与信息系统专业论文）基于pxa270平台与嵌入式linux的hinoc验证平台设计.pdf

摘要 m llll li ! i ii i1 1 1 1 1 1 1 111i y 2 0 6 8 6 7 5 h n o c ( h i 曲p e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ) 是利用有线电视同轴电缆的带 外信道组建高速和高质量的多业务宽带接入网的一种新型接入技术。该技术完全 利用现有有线电视网同轴电缆的网络布线，利用8 6 0 m h z 以上的同轴电缆信道频 段，仅增加相应局端和终端调制解调设备，实现包括语音、口t v 、s d t v h d t v 和上网等宽带应用业务。该技术对消除接入网带宽提升瓶颈，加速“三网融合 的进程有重要意义。 一 结合本实验室承担的科研项目“利用有线电视网带外信道的多业务宽带 接入网( h i n o c ) 技术研究 ，本文主要介绍h i n o c 网络的网络架构，分析了系 统局端设备h b 和终端调制解调设备h m 的工作原理，研究了l i n u x 下驱动程序框 架及开发流程，并在p x a 2 7 0 平台上确定了系统设计方案。根据系统设计方案对 系统软硬件功能进行划分，明确了软硬件之间的接口定义，并在l i n u x 交叉开发环 境下设计并编写完成了中断处理子程序和插入捕获子程序，通过与f p g a 内硬件 模块之间的配合使用，成功实现了h i m a c 帧的正常接收与发送功能。实际的测试 结果显示本文所设计的驱动程序与硬件配合正常，达到设计要求。 关键词：h i n o cp x a 2 7 0中断插入捕获 a b s t r a c t h i 曲p 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 ) i san e wa c c e s st e c h n o l o g yo f b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ku s i n gt h eo u t o f - b a n dc h a n n e lo fc o m m u n i t ya n t e n n at v ( c a t v ) c o a x i a lc a b l et op r o v i d eu s e r sw i t hh i g h - s p e e da n dh i g h - q u a l i t ym u l t i s e r v i c e s h i n o ct e c h n o l o g yw o r k so nt h ec o a x i a lc a b l ec h a n n e lb a n da b o v e8 6 0 m h z ，a n d m a k e sf u l lu s eo fe x i s t i n gn e t w o r ko ft h ec a t vc o a x i a lc a b l et op r o v i d eh i 曲- s p e e da n d h i g h - q u a l i t ya c c e s sf o rm u l t i s e r v i c e s ，s u c h 嬲v o i c e ，口t s d t v h d t va n di n t e r a c t s e r v i c e ，o n l yb ya d d i n gt h ed e v i c e so fr i m ( h i n o cm o d e m ) a n dh b ( h i n o cb r i d g e ) w i t h o u tc h a n g i n gt h ec u r r e n tw i r e dl i n e h i n o ct e c h n o l o g yw i l le l i m i n a t et h e b 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 da c c e s sn e t w o r ka n da c c e l e r a t et h ep r o c e s so f n e t w o r kc o n v e r g e n c e w i t ht h ep r o j e c tu n d e r t a k e ni no u rl a b o r a t o r y - “r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo fh i 曲 p e r f o r m a n c en e t w o r ko v e rc o a x ( h r n o c ) ”，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo f h i n o cn e t w o r k , a n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft e r m i n a lh ba n dm o d e md e v i c e h m ，s t u d i e st h ef r a m e w o r ka n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f l i n u xd r i v e r a n dd e t e r m i n e s t h es y s t e md e s i g nb a s e do nt h ep x a 2 7 0p l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h es y s t e md e s i g n , h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef u n c t i o n sa l ed i v i d e d ，t h ed e f i n i t i o no fi n t e r f a c ei sc o n f m n e d , a n dt h es u b - m o d u l e so fi n t e r r u p th a n d l i n ga n di n s e r t i o nlc a p t u r ea r er e a l i z e db a s e do n l i n u xc r o s s d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h r o u g ht h e c o o p e r a t i o n 、i mf p g a , t h e f u n c t i o n so fr e c e i v i n ga n ds e n d i n gh i m a cf r a m e sa r en o r m a l l ya c h i e v e d t h ea c t u a l t e s tr e s u l t ss h o wt h ed e s i g no ft h ed r i v e ri nt h et h e s i sw o r k 、析也t h ef p g ah a r d w a r e w e l l ，m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：h i n o c p x a 2 7 0 i n t e r r u p ti n s e r t i o n c a p t u r e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 随着i n t e m e t 的飞速发展，用户数目成倍增多，多媒体信息在网络中飞速普及， 一 对于网络带宽的需求越来越大。为了满足用户不断增长的需求，网络的宽带化， 业务的综合化成为必然的趋势。 计算机技术和微电子技术的迅猛发展，导致了数字化信息技术的革命，电视 网、电信网采用数字技术后，和互联网一样均为高速数据的处理。即“三网 ( 电 视网、电信网和互联网) 之间的界限越来越模糊。而多媒体网络技术的迅猛发展， 正以惊人的速度变革着人们的生活、社交、工作和学习方式，并提供更多的服务， 更大的可选择度，交互性强、可靠性高、成本较低的信息化手段。全球出现了信 息化高潮迭起，网络经济扶摇直上的现象。因此，依靠宽带、大容量的网络逐步 ，。 优化与整合其他网络业务是势在必行的。 目前，广播电视网、电信网和计算机网的“三网融合已成为不可阻挡的趋 势，我国“十一五 规划纲要中明确指出了积极推进“三网融合 的发展目标【l 】。 三网融合在现阶段并不是指三大网络的物理合一，而是指高层业务应用的融合。 其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【2 j 。近年来出现的口t v ( i n t e m e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) 、v o d ( v i d e o o nd e m a n d ) 等应用为“三网融合 在业务层面上找到了突破口，被认为是“三网 融合的最佳切入点。按目前的编码方式，传输一路数字标清电视 ( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt v ，s d t v ) 信号需要约6 m b p s 带宽，传输一路数字高清电 视( h i g h d e f m i f i o nt v ，h d t v ) 信号，需要至少2 5 m b p s 带宽。若一个家庭用户 同时收看1 套h d t v 和l 套s d t v 节目，并进行高速上网，则至少需要4 0 m b p s 的业务带宽。这必将对网络提出更高要求。 随着我国光纤通信技术日趋成熟，骨干网光纤化已基本完成，接入网速率限 制成为影响业务融合的瓶颈。当前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。但是由于带宽低、成本 高、需要重新布线以及用户接受程度等方面原因，这些接入技术都难以提供完善 可行的接入网解决方案1 3 。 我国现有1 3 亿有线电视网用户，分布广泛的楼道和户内分配同轴电缆网络具 有得天独厚的频带宽、容量大、抗干扰能力强等优点。当前，基于同轴电缆的接， 入技术应用最广泛的是c a b l em o d e m 技术，该技术存在着两种相互竞争的规 2 基于p x a 2 7 0 平台与嵌入式l i n u x 的h i n o c 验证平台设计 范一一i e e e8 0 2 1 4 和d o c s i s 4 - 5 j 。i e e e8 0 2 14 未得到广泛应用，d o c s i s ( d a t a o v e rc a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s ) 是事实上的c a b l em o d e m 接入标准1 6 j 。 采用d o c s i s 规范的c a b l em o d e m 接入技术，其逻辑拓扑结构为星型，采用点到 多点方式收发数据，下行信道工作于8 8 - - 8 6 0 m h z 之间的频带，上行信道工作范 围为5 4 2 m h z l 7 吲。c a b l em o d e m 接入技术在美国和欧洲得到了广泛应用，但在 我国其应用存在以下问题：1 ) 该技术必须对现有同轴线网络进行双向改造，工程 量大例。2 ) 上行通道工作频率( 5 - - - ，4 2 m h z ) 内，有较多工业和民用电器噪声干扰。 3 ) 当前我国的h f c 网的光纤结点覆盖用户较多，c a b l em o d e m 技术上下行信道内 数据速率由多个用户共享，每个用户实际获得的带宽有限，难以满足用户对宽带 业务的需求【l m l l 】。因此，研究具有我国自主知识产权的基于有线电视网同轴电缆 的宽带接入解决方案，提高接入网速率，已成为三网融合进程中的迫切需要。 在我国有线电视网中，8 6 0 m h z 以下频段用于传输广播电视节目，而8 6 0 m h z 以上信道没有使用，本文称其为带外信道。据测算，在该带外信道内有超过2 g b p s 的可用物理带宽，若利用该带外信道提供宽带接入解决方案，无需重新布线或改 造即可提供多业务宽带接入。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有较大差异。我国已将研究低成本同轴电缆高速接入 技术列入中国高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 新一代高可信网络重大项目，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带外信 道组建多业务宽带接入网的一种新的接入技术。构建h i n o c 网络的目的是在当前 f t t b 普遍应用的前提下，利用有线电视网已有的同轴电缆线路和分配网络，连接 光纤结点到住户，组建最后1 0 0 米范围内的宽带接入网。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h i n o c 桥( f i b ，h i n o cb r i d g e ) 和h i n o c 调制解调器( 删，h i n o cm o d e m ) ，实现高速和高质量多业务接入，可提供给用 户语音、m t v 、s d t v h d t v 和上网等宽带应用4 0 m b p s 以上的业务带宽。 目前的h i n o c 技术已初步制订了物理层( p h y ) 和媒质接入控制( m a c ) 子层的技术规范草案，本文研究h i n o cm a c 协议的实现方案与技术，包括实现 的仿真环境、协议实现的总体框架结构设计及核心功能模块的设计实现流程，为 后期改进协议性能并进行芯片化设计提供可靠保证。 1 2 本文的主要工作和论文结构 本文课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目利用有线电视 网带外信道的多业务宽带接入网技术研究。论文在深入分析和研究h i n o c 网络 m a c 协议的基础上，在p x a 2 7 0 平台上完成了驱动程序的开发工作。主要工作包 括：在深入理解h i n o c 网络m a c 协议的基础上，设计了满足其协议要求的数据 第一章绪论 收发流程；实现了p x a 2 7 0 开发板上硬件f p g a 上的功能模块与软件编写的驱动 程序之间的交互，交互方式主要采用中断和轮询两种；在此基础上，设计并实现 了一种高效实用的软硬件调试方式，即通过软件进行插入和捕获数据帧来分析系 统工作状态，给系统开发过程带来了极大的方便。 本文的内容安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了h i n o c 网络提出的背景以及h i n o c 网络的优点。 然后介绍了本论文主要研究工作以及研究成果。 第二章研究了h i n o c 宽带接入网络的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。 第三章首先对p x a 2 7 0 平台的关键功能模块进行了介绍，并根据h n o cm a c 协议的特点，对协议要实现的各部分功能进行了软硬件上的划分，并对划分之后 的软硬件环境进行了详细的介绍，最后具体描述了h i m a c 控制帧和数据帧的接收 发送处理流程。 第四章介绍了h i n o c 网络软硬件交互中软件部分的设计，该部分首先描述了 嵌入式l i n u x 的设备驱动开发基础，在此基础上主要实现了中断处理模块和数据帧 的插入和捕获模块。 最后总结，对论文的研究工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 4基于p x a 2 7 0 平宣与嵌入式l i n u x 的h i n o c 堕适王鱼返计 第二章h i n o c 接入网络 第二章h i n o c 接入网络 h i n o c 网络是在光纤骨干网末端距离用户端很近( 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 技术进行了整体概述，包括组网方式、拓扑结构以及 h i n o c 接入网络协议栈参考模型；然后对h i n o c 协议栈模型中的物理层和m a c 层分别进行了介绍，包括物理层技术指标和帧结构、m a c 层技术方案、m a c 层 帧结构以及m a c 层主要机制。 2 1 1 组网方式 2 1h i n o c 技术概述 h i n o c 接入网络的一种典型应用环境是在f 们m 已经存在和普遍应用的前提 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 网络的一种典型应用环境 图中，来自骨干网的g b e ( g i g a b i t e t h e m e t ，千兆以太网) 信号经f 1 m 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( 工作在8 6 0 m h z 以下频段) 混合进入h 】n o c 接入网络。虚 线椭圆圆圈所括即为工作在两个独立1 6 m h z 信道上的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 以及若干个h m 及其间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 6 基于p x a 2 7 0 平台与嵌入式l i n u x 的h i n o c 验证平台设计 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，不受任何影响。 由于多个h i n o c 信道通过频分复用的方式分隔，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 网络拓扑结构 从物理拓扑上看，h i n o c 组网技术采用基于同轴电缆的总线型结构，如图2 2 所示。 图2 2 物理网络拓扑图2 3 逻辑网络拓扑 从网络功能上看，目前h i n o c 技术只支持h b 和各个h m 之间的通信，并不 支持各个h m 结点之间的直接通信。因此，h i n o c 网络在逻辑上宜采用以h b 为 中心的点到多点的星型网络结构，如图2 3 所示。 2 1 3 协议栈分层结构 h i n o c 网络协议栈包括媒体接入控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和物 理层( p h y ) 。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 n p 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) 。如图2 4 所 示： 茫聚子层 ( c s ) m c 公共部分子层 ( c p s ) 千 物理屡 p h y ( p h y ) 图2 4h t n o c 网络协议栈参考模型 物理层采用了o f d m 方式实现调制解调，o f d m 方式具有较高的频谱利用率， 使得h i n o c 系统在同样的载波带宽下可以提供更高的传输速率。同时，o f d m 方 式在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰以及抗码间干扰( i s i ) 上也具有 明显的优势。 公共部分子层是h i n o c 网络m a c 层的核心，主要完成网络搜索、结点接纳、 第二章h i n o c 接入网络 7 数据传输和链路维护等功能。 汇聚子层，从层次上讲是m a c 层的一个功能子层，主要处理数据业务。逻辑 上来讲是位于m a c 之上的，主要完成数据封装、转发与解封装等功能，使得上层 业务能够通过h i n o c 网络透明传输。 2 2h i n o c 接入网络p h y 层 2 2 1h i n o c 接入网络p h y 层概述 h i n o c 接入网络工作在有线电视同轴电缆的7 5 0 1 2 0 0 m h z 带外信道上，可 在一根同轴电缆上以f d m 方式构建多个h i n o c 信道，单个h i n o c 信道带宽为 1 6 m h z 。同轴电缆带外信道的主要特征为：存在多径效应，差异性大，时变缓慢， 噪声小。 根据带外信道的特性，我们得出了以下结论： ( 1 ) 多径效应决定了h i n o c 系统适合采用o f d m 调制，h i n o c 单信道内 包含2 5 6 个子载波，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 i _ t s ，循 环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 长度为1p s ，o f d m 符号长度取值为17 p s 。 ( 2 ) 噪声小决定了高阶调制和高速调制的可行性，差异性大和时变缓慢决定 了传输系统可以采用较多的自适应机制。h i n o c 信道中的各子载波可根据信道条 件的优劣自适应的选择调制方式，可在d q p s k 、q p s k 、8 q a m 1 0 2 4 q a m 等多 种星座映射方式中进行选择。 ( 3 ) h i n o c 中信道编码采用前向纠错编码方式。根据不同的信道条件以及对 编码速率的不同要求，可以选择不进行前向纠错，或者在( 5 0 8 ，4 7 2 ) 和( 5 0 4 ， 4 3 2 ) 的b c h 截短码中选择一种进行前向纠错编码。 h i n o cp h y ( 简称h i p h y ) 层定义的信号传输模式包括帧结构、信道编码以 及调制技术。如图2 5 所示，h i n o c 发射机的功能块主要由扰码、前向纠错编码、 星座映射、o f d m 调制及插入循环前缀、组帧和基带到射频变换构成。 数据流 扰 码 前向 纠错 编码 ( 可 选) 星 座 映 射 o f d m 调制加 循环前 缀 组 帧 基带 到 射频 变换 图2 5h i n o c 发射机功能框图 来自上层的数据和信令信息经过扰码、前向纠错信道编码、星座映射、o f d m 调制及插入循环前缀后，组成相应的帧，再经过基带到射频信号的变换，最后通 过射频单元发射。 8 一薹量里坠望( ! 量鱼墨壁基l i n u x 笪旦幽堡墼堡! 鱼堡盐 反之，h i n o c 接收机的功能块主要包括自动增益控制( a g - c ) 、滤波器、帧 同步、采样、频偏纠正、o f d m 解调、均衡预均衡( 可选) 等，完成信号的解调 译码等工作。对于不同的物理层帧h i n o c 接收机不尽相同，但是其主要任务都是 对信号进行解调译码等工作。h i p h y 利用h i n o c 发射机和接收机实现了物理层 的信道编解码、调制解调、信道均衡等基带功能和射频发射接收功能。 2 2 2h i n o c 接入网络p h y 层帧结构 h i p h y 层定义了四种帧类型：下行探测( p r o b ed o w n ，p d ) 帧、上行探测( p r o b e u p ，p u ) 帧、下行数据( d a t ad o w n ，d d ) 帧和上行数据( d a t au p ，d u ) 帧。 ( 1 ) h i p h y 帧格式 h i p h y 帧的帧结构均由前导序列和负载段两部分组成，如图2 6 所示： l 前导序列a ( b ) i 负载段a ( b ) l 图2 6 玎p h y 帧结构 上述四种帧的构成如表2 1 所示： 表2 1h i p h y 帧构成 帧类型前导序列负载段 p d 帧前导序列a负载段a p u 帧前导序列b 负载段a d di 帧 前导序列b负载段b d u 帧前导序列b负载段b p d p u 帧主要用于承载m a c 层信令帧，d d d u 帧主要用于承载m a c 层控制 帧和数据帧。承载m a c 层信令帧的p d 帧和p u 帧的负载段a 的形成方式如图2 7 所示： 3 2 b i t 信令帧头i 7 2 0 b i t 信令数据3 2 b i t f c s 校验码i 图2 7 探测帧负载段的格式 探测帧由7 8 4 个比特组成，包括3 2 比特的信令帧头、7 2 0 比特的有效信令数 据和3 2 比特的f c s 校验码。其中，7 2 0 比特的信令数据是用来承载m a c 层信令 帧的，f c s 校验采用了3 2 位的c r c 校验码，用于检测信令信息传输的正确性。 3 2 位c r c 校验码的多项式为式2 1 所示： g ( x ) - x 3 2 + x 2 6 + x ”+ x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x 1 1 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 式( 2 1 ) 第二章h i n o c 接入网络 9 ( 2 ) p d f p u 帧的关系 p d 帧和p u 帧的关系如图2 8 所示。h i n o c 网络中以p d 帧作为全网的时间基 准，h b 以固定周期c y c l e ( 6 5 5 3 6 9 s ) 发送p d 帧，p u 帧的发送时刻在k i 以 处；p u 帧的发送也是以6 5 5 3 6 1 a s 为周期，不过p u 帧是否发送根据各个h m 的需 要决定。但是，不论p u 帧是否发送，p u 帧的发送时刻是不能被占用的。 图2 8p d 帧和p u 帧的关系 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 t 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 一的系统时间并进行信道资源的分配。 2 3 1h 玳o c 接入网络m a c 层概述 1 ) 双工方式 h 玳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 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日俱增，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，1 r i ) d 所需的同步机制也很容易实现。 2 ) 多址方式 图2 9t d d 方式下上下行带宽的自适应分配 1 0薹王! 坠；7 0 乎盒与遨茎生1 9 坚塑旦型塑堕垂! 鱼盟 在t d d 方式下，中心结点与各子结点的通信下行方向采用t d m 机制，上行 方向采用t d m a 机制，且这种t d m t d m a 机制是动态和全协调( f u l l yc o o r d i n a t e d ) 的，即各结点是否可以发送以及何时发送信息均由中心结点( h b ) 统一控制和动 态调度。中心结点控制的t d m t d m a 机制实现简单，可以灵活分配各结点和各 种业务的带宽、支持不同优先级并保证时延和时延抖动性能【1 2 。1 3 】。 2 3 2h i n o c 接入网络m a c 层帧结构 h i m a c 层定义了h i m a c 协议中使用的各种帧类型。h i m a c 帧包括控制帧、 数据帧和信令帧三类。控制帧用于实现信道预约和信道分配功能，数据帧用于承 载上层以太网业务，信令帧用于实现结点接纳、结点退出和链路维护过程中h b 和 h m 之间的信令交互。 ( 1 ) 信令帧 1 ) 信令帧格式 h i m a c 信令帧分为上行信令帧和下行信令帧，其帧结构包括首部和载荷两部 分，如图2 1 0 和图2 1 1 所示。 图2 1 0 上行信令帧格式 图2 1 l 下行信令帧格式 上行信令帧首部包括h i n o c 目的结点标识( d e s t 烈a t i o nn o d ei d ) 和源 结点标识( s o u r c en o d ei d ) 、帧长度( f r a ml e n g t h ，包括首部和载荷) 、 帧类型( f r a m e _ t y p e ) 、版本号( v e r s i o n ) 、分片标志( f f ) 、最后一个分片 标志( l f f ) 、分片序号( f s n ) 以及预均衡标志( p r e e qe n ) 。 下行信令帧首部除了包含上行信令帧首部的信息外还包括h i n o c 网络标识 第二章h i n o c 接入网络 ( h i n o ci d ) 、h m 的个数( h mn 【丁l ) 、h 】 n o c 网络状态( h 【n o cs 咖) 以及m a p ( m e d i a a c c e s sp l a n ，媒质接入规划) 帧的相关信息，包括m a p 帧的长 度( m a pl e n g t h ) 、传输m a p 帧所需要的o f d m 个数( m a po f d mm m ) 、 传输m a p 帧所需要的子载波最大调制模式( m a pm a xm o d um o d e ) 以及从 当前p d 帧开始的下一个m a p 帧的发送起始时刻( m a pf r a m eo f f s e t ) 。 h i n o ci d 指当前f i b 创建的h i n o c 网络的标识；h mn u m 表明当前h b 创建的h i n o c 网络中的总的h m 结点个数；h i n o cs t a t e 表明当前网络所处的 状态，该域占四个比特，其中b i t 3 是网络当前允许接纳的标志，表明当前网络是 否可以接纳，b i t 0 b i t 2 表示当前网络状态，分为接纳态、维护态、拒绝态和正常态， 在正常通信阶段各个子结点h m 根据h i n o cs t a t e 判断是否进行链路维护或者 是否退出网络，对于想加入网络的结点h m ，通过该域判断当前网络是否可以接纳， 该域主要用于结点接纳和链路维护中；下行信令帧中的m a p 信息，主要用于当个 别h m 丢失了m a p 帧信息时，可以通过p d 帧找到m a p 帧，从而恢复正常的通 t l 信o 2 ) 信令帧类型 信令帧类型主要通过信令帧首部中的f r a m et 吧域的取值来识别。不同 的帧类型对应于不同的取值，具体对应关系如表2 2 和表2 3 所示。 下行信令帧类型 表2 2 下行信令帧 上行信令帧类型 1 2 ：j ：p x a 2 7 0 平台与嵌入式l i n u x 盟豳n 匹墼堑垩鱼堡盐 e m p t y 帧 a d m _ r e q 帧 a d m a c k 帧 础_ a c k 帧 a c k 帧 d l l n kr e p o r t 帧 q u i t 帧 主要用于上行信道训练 n h m 请求接纳 对a d mr e s 帧的确认 对r e j 的确认 对u l i n kr e p o r t 的确认 通告下行链路信道参数 h m 退出网络 3 ) h i p h y 帧承载信令帧的封装方式 信令帧利用p h y 层的p d p u 帧承载，封装在p 抑u 帧的7 2 0 b i t 信令数据中。 在发送信令数据时，应该考虑信令帧的长度，并且根据情况做相应的填充和分片。 如果要发送的信令帧长度不超过7 2 0 比特，则应该通过比特0 填充至7 2 0 比 特以后，再进行发送。如图2 1 2 所示。 m a c 层 p h y 层 图2 1 2 信令帧的封装方式 如果要发送的信令帧的长度超过7 2 0 比特，则首先要将其进行分片。除了和 分片信息( 如分片序号，最后一个分片标志) 有关的域外，每个分片都具有相同 的首部信息，例如目的结点d ，源结点i d 等等。在发送分片之前，要确保正确填 写分片的信令帧首部中的相关域，同时也必须要保证每个分片的长度为7 2 0 比特， 不足7 2 0 比特的则进行比特o 填充，然后再封装到p d p u 帧的7 2 0 比特信令数据中。 其封装方式见图2 1 2 。 ( 2 ) h i m a c 控制帧和数据帧 1 ) 控制帧和数据帧格式 控制帧和数据帧的帧结构包括首部、载荷和尾部三部分，如图2 1 3 所示。帧 首部包括h i n o c 网络中接收和发送当前帧的h i n o c 目的结点标识 ( d e s t i n a t i o nn o d ei d ) 和源结点标识( s o u r c en o d ei d ) 、帧长度 ( f r a m el e n g t h ，包括首部和载荷) 、帧类型( f r a m en 伊e ) 以及子帧个数 1 2 3 4 5 6 7 呶 似 似 呶 舨 呶 呶 第二章h 1 n o c 接入网络 ( s u b f 址但m m ) 。载荷域包含相应的访问控制信息。尾部是c r c 校验，其 生成多项式同式2 1 。 图2 1 3 控制帧和数据帧的帧结构 2 ) 数据帧和控制帧类型 数据帧分为下行数据帧和上行数据帧。 控制帧包括预约帧( r 帧) 和m a p 帧。表2 4 给出了控制帧的类型、传送方 向、方式和功能。 表2 4h i m a c 控制帧 预约帧中有一个链路维护请求( l i n km a i n t a i n e n c er e q u e s t ，l m _ r e q ) 域， 当h m 发现其跟h b 的信道发生变化时，通过设置该域向h b 请求维护它们之间的 链路。 2 3 3 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 无论是h b 还是h m ，在上电之后都需要找到其所属的h 1 n o c 信道。h b 应 在可用的h i n o c 信道上新建立一个h i n o c 网络，h m 应加入一个已存在的h i n o c 网络。这一目标通过网络搜索达成。h i n o cm a c 协议定义了两种网络搜索的方 式：指定频率搜索和切换频率搜索。 指定频率搜索 在指定频率搜索方式下，由系统配置指定h b 和h m 的工作频率。 h b 加电之后，在系统指定的频率上监听下行信令帧。若在规定时间内没有收 到下行信令帧，说明该信道可用，则h _ b 在该h i n o c 信道上发送下行信令帧，建 1 4 一董王堕终2 7 0 平台与嵌入式l i n u x 的h i n o c 验砰鱼i 皇主七 立属于其管辖的h i n o c 网络，并等待n h m 结点的加入。否则h b 无法正常工作。 n h m 加电以后，工作于系统配置好的频率上。如果在规定时间内接收到下行 信令帧，且下行信令帧所代表的网络和配置好的n h m 应该属于的网络相符，则该 n h m 可以通过后续的网络接纳过程加入该网络。否则，该n h m 也无法正常工作。 切换频率搜索 在切换频率搜索方式下，系统可以事先为h b 和n h m 配置一个工作频率，但 h b 和n h m 实际工作频率有可能与事先配置好的频率不同，因为该方式允许h b 和n h m 自动搜索可用信道。 h b 加电之后，在预先设置的频率上监听信道。若在规定时间内没有收到下行 信令帧，说明该信道可用，则h b 在该h i n o c 信道上发送下行信令帧，建立属于 其管辖的h i n o c 网络，并等待n h m 结点的加入。与指定频率搜索不同的是，若 在该规定时间内h b 收到了下行信令帧，则h b 并不是马上处于无法正常工作的状 态，而是按照一定的顺序切换到另一频率监听信道。直到不存在可用信道的情况 下，h b 才放弃建立新的h i n o c 网络。 同样，n h m 若在规定时间内没有收到下行信令帧或者网络不相符时，并不立 即停止加入网络的动作，而是切换到另外的频率上进行搜索。 2 ) 结点接纳 为有效地对h i n o c 网络内的通信实施控制并探测新加入结点的信道状况，需 设计新h m 结点接纳机制，所有要加入网络的结点都必须经过接纳流程后才能接 入网络。结点接纳流程的设计与物理层的实现机制及算法有密切关系，结点接纳 过程中的交互信息均采用可靠性最高的调制方式以保证接纳过程能顺利进行【1 4 1 。 n h m 通过结点接纳过程获得在该h i n o c 网络中通信时的唯一标识，即h m i d 。此外，h b 和n h m 还通过此过程来确定进行后续数据传输时所需要的物理层 参数，如o f d m 参数、功率控制参数及时频偏、信道估计参数等等。 n h m 在加电、搜索到可用的h i n o c 信道之后，便在该可用信道上监听下行 信令帧。若监听到的下行信令帧表明h b 处于可接纳状态，则n h m 向h b 发送接 纳请求，开始接纳过程。若有多个n h m 同时发送接纳请求，则会发生冲突，发生 冲突的n h m 退避一段时间之后再次寻找机会开始结点接纳流程。h b 根据接纳请 求携带的信息以及当前的网络状况决定允许或拒绝该n h m 加入网络。如果允许该 n h m 结点加入网络，则为该n h m 分配一个该网络内唯一的标识，然后进行上下 行信道训练获取数据传输时所需要的物理层参数。n h m 结点的加入，有可能影响 信道的广播参数，在信道训练完成之后，还需要给网络中所有的h m 通告新的信 道广播参数。至此，结点接纳过程结束，n h m 成为h m ，并进入正常通信过程。 接纳简要流程如图2 1 所示： 第二章h i n o c 接入网络 n h mh b 下行信令帧 _ _ - _ 接纳请求响应确认 信道训练 广播信道参数 一 正常通信 图2 1 4 网络接纳简要流程 结点接纳过程完成之后，h m 收发数据时机均由h b 通过m a p 帧进行调度， 从而实现无冲突的数据传输。 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，并及时、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 所示： 图2 1 5 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i - i 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 ti d ) 、 优先级( p f i o f i 够) 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 a a 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 1 6堑婴队2 7 0 平台与嵌入式l i n u x 笪旦型鲤验亚平鱼望生 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 所示。 图2 1 6m a p 帧和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