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摘要 h i n o c 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，仅增加相关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 接入网带宽瓶颈，加速“三网融合一的进程有重要意义。 h i n o c 网络m a c 协议用来解决同轴电缆共享信道上多点接入控制问题。本 文研究了h i n o c 网络m a c 协议的总体实现方案及仿真环境，详细分析了结点接 纳控制和接入控制机制，并设计实现了其核心功能模块，设计开发了h i n o c 网络 的应用层测试系统，包括数据业务测试系统和基于d i r e e t s h o w 的视频流业务测试 系统。研究和测试结果表明，h i n o cm a c 协议有效实现了基于同轴电缆的宽带接 入控制，可提供4 0 m b p s 以上的用户接入带宽。 关键词：h i n o cm a c 接纳控制 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 sh 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 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 su 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 ef u l l yt op r o v i d eh i g h s p e e d a n dh 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 ha sv o i c e ，i p t v , s d t v h d t va n d i n t e m as e r v i c e , o n l yb ya d d i n gt h ed e v i c e so fh m ( h i n o cm o d e m ) a n dh b ( h i n o c b 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 el 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 t h em a cl a y e rp r o t o c o lo fh i n o cn e t w o r ki su s e dt or e s o l v et h ep r o b l e mo f m u l t i p o i n t a c c e s sc o n t r o lo ns h a r e dc h a n n e l t h ep a p e rh a ss t u d i e dt h eo v e r a l l i m p l e m e n tp r o g r a ma n ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tt ot h er e a l i z a t i o no fm a cl a y e r p r o t o c o lo fh i n o cn e t w o r k ，a n a l y z e dt h ea d m i s s i o nc o n t r o la n dc o n t r o lm e c h a n i s mo f a c c e s s i o ni nd e t a i l ，a n dm a d et h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o r ef u n c t i o n m o d u l e so u t b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o nl a y e rt e s ts y s t e mo fh i n o cn e t w o r ki sp r e s e n t e d i nt h ep a p e r t h et e s ts y s t e mi n c l u d e st h et e s ts y s t e m so fd a t ab u s i n e s sa n dv i d e o s t r e a m i n gm e d i ab u s i n e s sb a s e do nd i r e c t s h o w t h er e s u l t so fr e s e a r c ha n dt e s ts h o w t h a tt h em a cl a y e rp r o t o c o lo fh i n o cn e t w o r kh a sp e r f e c tp e r f o r m a n c ea n dc a i l p r o v i d em o r et h a n4 0 m b p sa c c e s sb a n d w i d t h k e y w o r d s ：h i n o c m a ca d m i s s i o nc o n t r o l 缩略语表6 3 a c f a u c l s i d c m p c p s c s f t t b g b e h b h d t v h i n o c h m n h m i p t v m a c m a p q o s s d t v s t b t d d t d m t d m a u d p v o d 缩略语表 ( a d m i s s i o nc o n t r o lf r a m e ) 接纳控制帧 ( a l l o c a t i o nu n i t ) 信道分配单元 ( s y s t e m d e v i c e e n u m )系统枚举组件 ( c o m m o nm o d u l a t i o np r o f i l e ) 公共调制图样 ( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) 公共部分子层 ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 汇聚子层 ( f i b e rt ot h eb u i l d i n g ) 光纤到楼 ( g i g ab i te t h e m e t ) 干兆以太网 ( h i n o cbridge)hinoc桥 ( h i g h d e f i n i t i o nt v ) 数字高清电视 ( 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 )基于同轴电缆的高性能网络 ( h i n o cm o d e m ) h i n o c 调制解调器 ( n e wh i n o cm o d e m )新h i n o c 调制解调器 ( i n t e m e tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ) 网络电视 ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l l 介质访问控制子层协议 ( m e d i aa c c e s sp l a n ) ， 媒质接入规划 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 服务质量 ( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt v ) 标清数字电视 ( s e tt o pb o x ) 机项盒 ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x )时分双工 ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) 时分多路复用 ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 时分多路访问 ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 用户数据报协议 ( v i d e oo nd e m a n d ) 视频点播 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：短金日期弹：至：垡 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一年解密后适用本授权书。 本人签名：熊金 导师签名： 日期谭圣：华 日期学蔓二生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 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【。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 1 。近来出现的i p t v ( i n t e r n 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 oo n d 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 n t 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 i n i t 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 的业务带宽口】。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 可行地接入网解决方案【4 j 。 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 范一一i e e e8 0 2 1 4 和d o c s i s 油】。i e e e8 0 2 1 4 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【j 丌。 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 8 - 9 】。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【1 0 】。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【j 2 1 。因此，研究具有我国自主知识产权的基于有线电视网同轴 2 h i n o c 网络m a c 协议研究 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 1 广r 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( 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 ) ，实现高速和高质量多业务接入，可提供给用 户语音、i p 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 仿真坏境、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。同时，为测试所开发的m a c 层 协议的功能与性能，论文还开发了应用业务测试系统，作为h i n o cm a c 协议测 试验证和演示工具。 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。本文在深入分析已有的m a c 协议的基 础上，研究了h i n o c 网络m a c 协议的总体实现方案与技术，包括实现的仿真环 境及协议实现的总体框架结构设计。论文着重研究了h i n o c 网络m a c 协议的结 点接纳控制和接入控制机制，设计实现了b e a c o n 模块、接纳处理模块和m a p 调 度处理模块等核心功能模块。同时，论文还开发了一套用于测试h i n o cm a c 协 议功能与性能的应用测试系统，包括数据业务测试系统和基于d i r e c t s h o w 技术的 视频流业务测试系统，并在基于以太网的仿真环境下进行了应用测试验证。测试 结果表明，h i n o cm a c 协议有效实现了基于同轴电缆的宽带接入控制，可提供 4 0 m b p s 以上的用户接入带宽。 本文的内容安排如下： 第二章介绍了h i n o c 技术的应用场景和h i n o c 网络m a c 协议采用的技术方 第一章绪论 案，给出了m a c 协议实现的总体设计方案，具体包括协议实现机制设计、协议总 体框架结构设计以及协议实现的仿真环境。 第三章研究了h i n o cm a c 协议的b e a c o n 模块和结点接纳控制，深入分析了 接纳过程的信息交互情况，给出了接纳处理模块和b e a c o n 模块的设计和实现流程。 第四章研究了h i n o cm a c 协议的m a p 调度处理和接入控制机制，给出了 m a p 调度处理模块的设计和实现过程，并介绍了h i n o c 网络的数据传输过程。 第五章设计开发了h i n o c 网络的应用层测试系统，具体包括数据业务测试系 统和基于d i r e c t s h o w 技术的视频流业务测试系统。给出了应用层测试系统开发的 设计思路、实现过程以及测试结果。 第六章总结论文工作。 第一章h i n o cm a c 协议的总体挫计 第二章h i n o cm a c 协议的总体实现方案 本章首先简要介绍h i n o c 技术的应用场景和m a c 层采用的主要机制，然后 介绍h i n o c 网络m a c 协议的总体设计方案，包括实现目标、协议实现机制设计、 协议实现架构以及雯现流程。 2 1h i n o c 技术概述 h i n o c 是一种新型宽带接入技术，该技术在当| j f 兀b 已经存在并广泛应用 的背景下利用有线电视网已有的同轴电缆分配网络构建最后1 0 0 米范围的宽 带多业务接入网。h i n o c 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( h i n o cb r i d g e ，h b ) 和h i n o c 调解器( h i n o cm o d e m ，h m ) 等相关设备，实现高速和高质量多业务接入，给用户提供包括h d t v 、s d t v 和高 速上网等宽带应用吼 h i n o c 技术的主要技术指标是：单信道模拟带宽为1 6 m h z ，单用户m a c 层 接入速率可达到4 0 m b p s 以上；m a c 层网络拓扑支持点到多点的组网方式。单信 道支持最大结点数不低于3 2 个：网络覆盖范围不小于1 0 0 米，可实现包括 h d t v s d t v 等流媒体在内的多业务宽带接 。 2 1 1 应用场景 h i n o c 技术较为常见的组嗣方案是f t t b + 楼内分配网络，该方案是当d # 犀为 可行的接入方式，其结构如图2 1 所示。 口_ 。_ 4 口誓。三；k t 啦一一。轴 i ，麟o f ；l 拦，0 一” ；b ；鲁二：童 1 嗯拿吩零磐4 衢1 。，。j 创21f i t b - ：- 楼内分配网络的纽网方案 6 h i n o c 网络m a c 协议研究 h i o n c 技术利用的是c a b l e 信道的8 6 0 m h z - - 1 5 g h z 的频带，本文称之为带 外信道。在该分配网络内，采用频分复用方式将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，利用f t t b 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 结点 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 结点，由该h m 结点将信号解调后送到终端设备， 如计算机或者机项盒( s t b ，s e tt o pb o x ) 等。h 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。 2 1 2h i n o cm a c 层技术方案 ( 1 ) 网络拓扑 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，其拓扑 结构如图2 2 所示。为了解决多个用户同时接入广播信道产生的冲突问题，需要利 用m a c 协议实现多址接入。从网络功能看，h i n o c 技术主要用于宽带接入而不 是家庭内部组网，通信主要在h b 和h m 之间进行。因此，m a c 层在逻辑上采用 以h b 为中心的点到多点星型组网结构，如图2 2 所示。 h mh m h mh m h m 总线型物理拓扑结构 图2 2 h 烈o c 网络拓扑结构 在此结构中，h b 处于中心控制地位，各子结点( h m ) 可与中心结点( h b ) 通信并受其控制，子结点之间不能直接通信。一个h b 最多可支持3 2 个h m 。 ( 2 ) 双工方式 h i n o c 网络采用t d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ，时分双工) 方式实现全双工 通信。t d d 的优点是实现简单，可在中心结点统一协调下非常灵活的实现上、下 行带宽分配。t d d 需要网内各结点的同步，由于h i n o c 接入网是一个距离范围很 小的网络结构，t d d 所需的同步机制也很容易实现。 ( 3 ) 多址接入方式 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 9 m占叫 第二章h i n o cm a c 协议的总体设计 7 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甜1 3 。1 4 】。 2 2m a c 协议的总体实现方案 从h i n o c 技术产生的背景和应用场景看，m a c 层要提供超过4 0 m b p s 的m a c 层接入速率，提供高清、标清电视等宽带实时多媒体业务所需的优先级和q o s 保 证机制，满足业务的吞吐量、时延和时延抖动的要求。由于各h i n o c 信道以f d m 方式分隔，各信道工作相互独立，信道内完成的功能和机制相同，因此以下只对 单信道网络的机制进行研究。 2 2 1 协议栈和m a c 帧类型 h i n o c 规定的h b 和h m 系统的协议栈模型如图2 3 所示。系统从下到上分 为物理层( p h y 层) 、媒质接入控制层( m a c 层) 和高层。其中m a c 层又可分 为公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ， c p s 子层) 和汇聚子层( c o n v e r g e n c e s u b l a y e r ，c s 子层) 。h i n o c 协议定义了p h y 层和m a c 层机制。 c s 子层的主要功能是实现m a c 层核心 功能与高层功能的适配，包括高层协议数据 单元的打包拆包、地址学习和帧转发功能。 c p s 子层提供m a c 层的核心功能，包括结 点接纳控制、接入控制与信道( 带宽) 分配、 链路维护、q o s 保证等。 h i n o c 系统的m a c 帧具有统一的格 i l高层 i a 汇糯( c s ) i m a ( 层 公共部分子层( 凹s ) i v 物理层( 雕y ) 图2 3h i n o c 协议栈 式，包括首部，载荷，以及校验和部分，如图2 4 所示。m a c 帧首部包含接收该 m a c 帧所需的必要信息，如目的结点号( d i d ) 、源结点号( 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。 校验和是对载荷部分进行校验，以保证接收数据的正确性。由于首部已经包含校 验信息( h c r c ) ，校验和不对首部进行校验。 h i n o c 网络m a c 协议研究 图2 4m a c 帧结构 按功能划分，h i n o cm a c ( 简称h m a c ) 帧可分为控制帧和数据帧两类。数 据帧用于承载高层业务信息( 如以太网业务) 。控制帧用于实现协议的结点接纳、 信道预约、信道分配、链路维护等功能。控制帧包括m a p ( m e d i aa c c e s sp l a n ) 帧、预约请求帧( r e s e r v a t i o nr e q u e s tf l a m e ，r 帧) 、链路控制帧( l i n kc o n t r o lf r a m e ， l c f ) 和b e a c o n ( 信标) 帧等类型，其中链路控制帧又包括若干种具体的帧类型。 表2 1 给出了主要控制帧的传送方向、方式和主要功能。 表2 1 主要的h m a c 控制l 赜 帧类型 传送方向，方式主要功能 b e a c o n 帧h b h m 。广播方式 m a p 帧h b h m ，广播方式 预约请求帧h m - - * h b ，单播方式 链路控制帧( 多种) 双向，单播或广播 控制和调度朱接纳结点的信息传送及 h i n o c 网络的定时、m a p 帧失效恢复 调度和发布( 已接纳结点) 各帧的发送时隙 h m 向h b 请求安排发送时隙 传送结点接纳、链路维护、信道训练过程中 交互的控制信息 2 2 2m a c 协议主要机制 从图2 3 以及h m a c 的功能可以看出，h m a c 协议设计包括以下模块： ( 1 ) 汇聚子层设计 为有效利用h i n o c 网络实现对上层业务数据的转发，需要将上层协议数据单 元( p d u ，如以太网帧) 封装成h i n o cm a c 层业务数据单元( s d u ) 内并有效 传输。为此在m a c 层设计了汇聚子层，其功能具体包括：数据封装解封装、地 址学习、帧转发等。 ( 2 ) 结点接纳机制 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 5 】。 结点接纳机制有两个主要任务，一是h b 接受n h m 的请求并验证其身份；二是对 n h m 和h b 之间的上下行链路分别进行训练，使新结点加入到网络后能以更加安 第二章h i n o cm a c 协议的总体设计 9 全高效的调制模式进行数据传输。另外，结点接纳过程应完善各种意外处理机制 并避免和正常的数据传输产生冲突。 ( 3 ) 接入控制机制 结点加入到网络后，为实现所有结点在共享信道上全协调无冲突的数据传输 以保证各种业务的服务质量( q o s ) ，需设计接入控制机制。由于m a c 层网络拓 扑是点到多点的组网方式，所有已加入网络的h m 结点都必须在h b 的调配下进 行信息交互。h b 结点通过周期性广播m a p ( m e d i a a c c e s sp l a n ，媒体接入规划) 帧控制信道分配，各h m 结点在m a p 帧调度下通过预约许可机制请求传输带宽， 即h m 若要发送数据，需向h b 预约，由h b 为其分配时隙。h b 结点要统筹整个 信道的时隙分配，精确计算所有h m a c 帧的传输时长，并能够按照业务的优先级 动态分配传输带宽；h m 结点要能够缓存数据，接收并解析m a p 帧，在h b 调度 其发送预约请求时根据需要发送预约请求帧申请传输带宽，获得传输带宽后将数 据发送到线路上去。接入控制机制的设计还需要考虑保证q o s 和意外处理机制等。 ( 4 ) 链路维护机制 由于受到突发干扰等影响，各h m 和h b 之间双向链路的性能可能会在使用 中发生变化，为适应这种情况，还应设计链路维护机制对p h y 层的o f d m 调制方 式等进行重新探测和更新，以提高系统工作的可靠性和适用性。链路维护机制的 设计需要考虑到周期性的链路维护和对突然恶化的信道的维护相结合，本文不涉 及链路维护机制的设计和实现。 2 2 3 总体架构设计 ( 1 ) h b 结点m a c 层总体实现结构 cs o md _ 蛙监岳怕_ 磕1 一* “_ - h w m l v a * n 馕硐征耀侵职 m 1 豁i 一椭 o 挖 c 度一度 f 指示结曩 帧 j叠曲j b e a c o n 处理模块j i 调度处理 控 侵约- f 收 嘶 m ， 分类模块 b n 发 c 幢 括 f 而 t 定时收发摸块 千p h y 服务 i p h y 图2 5h b 结点m a c 层协议框架结构图 l o h i n o c 网络m a c 协议研究 如图2 5 所示为h b 结点m a c 层协议总体框架结构图。其中m a p 调度处理 模块是本m a c 协议实现的核心功能模块，它负责带宽分配、接入控制、调度处理 等核心功能。b e a c o n 调度处理模块的主要功能是引导新结点接纳到网络，因为其 作用具有长期性和相对独立性，故单独作为一个核心模块设计实现。接纳处理模 块和链路维护模块的设计同样是基于功能相对独立而考虑的，接纳处理模块负责 处理与新结点交互的接纳控制帧，并完善各种意外处理机制；链路维护模块负责 当h i n o c 网络有某条传输链路故障时调整其上下行的物理层调制参数，并更新 h b 结点的广播公共调制参数。队列管理模块缓存上层业务帧，链路控制帧和预约 请求帧。定时收发模块为h i n o c 系统提供精度为u s 级的定时功能，并将核心模 块处理完成的各种m a c 帧在指定时间发送出去或者接收回来交给核心模块处理。 分类模块的功能是区分从定时收发模块接收上来的帧类型并将其送到相应模块进 行处理。 所有m a c 帧通过p h y 层传送。p h y 层除承担m a c 层信息的发送外，还发 送用于信道训练的探测帧( 称为p r o b e 帧) 和功率控制帧两种p h y 层帧，虽然这 些物理帧由p h y 层发送，但在全协调t d m t d m a 机制下也必须由m a c 层为其 调度发送时隙。 ( 2 ) h m 结点m a c 层的总体实现结构 一 cs 晰 接纳处理模块链路维护模块 】一l m o 拧 c 调度 相是域 晡翻一一制 f 结曩 帧 一 1 b c 。删处理i 一删管l 一 1 帧处理 l m a p 0 预 止 i 收 拄 麓 c 嘶妁耐 分类模块指f 帧 誉 f 定时收发模块 + p h y m 务 i p h y 2 6 h m 结点m a c 层框架结构图 h m 结点的m a c 层的整体架构设计思路和h b 结点基本类似，主要区别是 h m 结点在h i n o c 网络中属于从属结点，其所有h m a c 帧的收发均由h b 结点广 播的m a p 帧、b e a c o n 帧调度和指示，因此h m 结点的总体架构图中有预约和m a p 帧处理及b e a c o n 帧处理模块，其功能相对比较简单，实现起来也相对容易。 第二二章h i n o cm a c 协议的总体设计 2 2 4 协议实现环境 基于2 2 3 节的架构设计，我们在i x p 4 2 5 嵌入式平台下实现了h i n o cm a c 实验系统【婚17 1 。一个完整的h i n o c 测试实验系统如图2 7 所示，其中每个h b 或 h m 结点由m a c 板、p h y 板组成，并用同轴电缆连接h b 和各h m 。 h b r j 4 5 国 c a b l e 广播信道 图2 7h i n o c 真实运行场景测试实验系统 r j 4 5 h i n o c 测试实验系统m a c 协议对应的协议栈如图2 8 所示。终端设备上以太 网的m a c 协议称为e m a c l ，m a c 板上h i n o c 系统的m a c 层协议称为h m a c ， 则e m a c l 的作用( 包括寻址) 范围为端到端，即p c p c ，而h m a c 的作用( 寻 址) 范围为c a b l e - c a b l e ( 或c a b l e 分配网络) 。在c a b l e 链路上，信息的承载关系 为e m a c lo v e rh m a c 。从h m a c 角度来看，e m a c l 为其高层业纠1 8 】。 p c l p l c 2 高层高层 i p m a c 扳m a c 板 l p e m c l e m a c i e m a c ie m a c i h m a c 剖州 p h y p h y p h y p h y l e t l l e m c t c a b l e 广播信道li e t h e m e t l 图2 8h t t q o c 系统m a c 协议栈 由于h i n o c 技术的m a c 协议设计是和物理层设计是同步进行的，因此暂无 真实的c a b l e 环境和h i n o c 系统的p h y 板支持，因此我们采用以太网来模拟同 轴电缆网络和h i n o c 网络物理层。如图2 9 所示，开发板的i x p 0 口连接用户终端 设备，其传递给h i n o cm a c 的是上层业务数据帧( 即以太网m a c 帧，简称e m a c 帧) ，协议处理时首先将从该端口收到的e m a c 帧打上h m a c 帧头，封装为h m a c 帧，经h i n o cm a c 协议调度处理后递交给i x p l 端口调用以太网驱动程序的发送 1 2 h i n o c 网络m a c 协议研究 函数发送给目的结点。h m 的i x p l 口调用以太网驱动程序的接收函数接收到e m a c 帧后拆掉以太网帧头将其还原成h m a c 帧，递交给h i n o cm a c 进行处理，若是 上层业务数据帧则通过i x p 0 发送出去，若是h i n o cm a c 本身的控制帧，则只需 进行相关处理。总体上讲，虽然m a c 协议是嵌入到以太网驱动程序中实现的，但 是其功能相对于以太网驱动程序而言比较独立，只有在发送h m a c 帧或者接收线 路上的数据帧( e m a c 帧) 时才调用以太网驱动程序的发送函数和接收处理函数， 因此这种实现和测试采用的仿真环境对于前期开发和验证h i n o cm a c 协议是完 全可用的。 m 交换机 h m ( 多个) -。-l_-_- 以太网驱动 丙翮 i x p 0 。，一l j r j 4 5 图2 9h f l q o c 网络m a c 协议实现及测试的仿真环境 考虑到驱动程序层次结构和m a c 协议实现的简单性，h i n o cm a c 协议的核 心功能是嵌入到i x p 4 2 5 嵌入式平台的以太网驱动程序中实现的i 协2 们。图2 1 0 为协 议实现的仿真环境对应的协议栈。在e t h e r n e t 2 共享信道上，协议栈的关系为 e m a c io v e rh m a co v g l e m a c 2 ，其中e m a c l 表示客户机以太网端口的m a c 协议，e m a c 2 为m a c 板上以太网端口的m a c 协议，而h m a c 为被考察的h i n o c 系统的m a c 协议。从h m a c 角度看，e m a c l 为上层业务，e m a c 2 为物理层。 e m a c 以及对应的1 0 0 m 1 0 0 0 m 以太网的功能是仅仅为h m a c 协议研究提供了一 个模拟的共享物理信道【”】。 图2 1 0h l q q o c 系统仿真环境对应的协议栈 第二章b e a c o n 模块和结点接纳机制1 3 第三章b e a c o n 和结点接纳控制 第二章综述了h i n o c 网络的基本原理及其m a c 协议的总体实现框架结构， 本章研究h i n o cm a c 的结点接纳控制、b e a c o n 模块的调度处理功能，设计并实 现了b e a c o n 模块和接纳处理模块并给出具体实现流程。 3 1 结点接纳机制 结点接纳是新加电的h m 设备( n h m ) 在搜索到已建立的h i n o c 网络之后， 在h b 引导下加入到当前h i n o c 网络的过程。n h m 结点只有在完成结点接纳过 程后才能“合法 访问共享信道，即在h b 统一调配下，和其它结点无冲突的接入 信道。区别起见，本文中用n h m 代表正在接纳过程中的结点，h m 代表已完成接 纳过程的结点。下面讨论结点接纳过程的流程和相关的帧格式。 3 1 1 结点接纳流程 新加电的结点( n h m ) ，需要 和h b 进行通信，在得到h b 的“准 许”后才能加入到h i n o c 网络中， 成为合法的子节点( h m ) 。本文用 接纳流程描述n h m 变为h m 的过 程。一个完整的接纳流程需要完成 以下任务： l 、确认n h m 身份； 2 、调整双向收发功率； 3 、探测双向链路信道参数； 图3 1 为新结点接纳过程的流 程图。为了区分不同的接纳阶段， h b 将接纳过程中的网络状态区分 为5 种，分别为： s i 态：h b 和n h m 交互接 纳请求和接纳响应。 s 2 态：n h m 完成收发功 率控制与调整。 回田曰 接蚺靖橐 卜一功搴嶝幡一 功率担幡+ _ 一功率拴一戍一 - - p - _ ci p 瞻 _ i 豫膏_ i 卜一 _ p 咄p j 【；之i = 涵 _ ，jll r，、 态 态 i 毫 南 岛 1 4 h i n o c 网络m a c 协议研究 s 3 态：探测n h m 到h b 方向链路的信道参数，包括合适的调制方式和时 偏、频偏参数。 s 4 态：探测h b 到n h m 方向链路的信道参数；并计算得到新的c m p ( c o m m o nm o d u l a t i o np r o f i l e ) 广播参数，向所有网络中已接纳结点分发。 s 5 态：稳定状态。一旦进入该状态，表明n h m 完成接纳过程，成为h m 。 此后所有帧的收发时刻转到m a p 帧的控制之下，新结点接纳过程结束。 3 1 2b e a c o n 和接纳控制帧 b e a c o n 帧是具有特定格式的m a c 帧，h b 利用b e a c o n 帧宣告自己的存在， 而n h m 通过在特定频段上侦听b e a c o n 帧，判断在该频段上是否存在h i n o c 网 络。另外，h b 利用b e a c o n 指定n h m 发送和接收各种接纳控制帧的时刻，以避 免和其他工作结点冲突。接纳控制帧( a d m i s s i o nc o n t r o lf r a m e ，a c d 是指结点接 纳过程中n h m 和h b 交互的除b e a c o n 帧以外的所有帧，h b 通过设置b e a c o n 帧 的相关域来指示下一个交互的a c f 帧类型。 3 1 2 1b e a c o n 帧和b e a c o n 周期 结点接纳过程是在h b 周期性发送的b e a c o n 帧引导下进行的。h b 结点加电 启动以后，就会按照固定时间间隔的b e a c o n 周期( t b6 4 m s ) 广播b e a c o n 帧。b e a c o n 帧和