（通信与信息系统专业论文）高性能同轴电缆接入网mac协议设计与调度机制研究.pdf

摘要 未来网络将要承载大部分流媒体业务，所以必须要有极大的网络带宽。同轴 电缆的传输带宽比双绞线和无线信道大的多，而且我国居民小区楼内已广泛使用 同轴电缆来进行电视业务的传输。h i n o c 技术正是利用同轴电缆的带外信道，来 为用户提供高速率的宽带接入。 本文重点从两个方面研究了h i n o c 技术。一方面，研究了基于h i n o c 的q o s 保障的分组调度算法设计与实现。首先对h i n o c 标准的内容做了简单的介绍，接 着对现有的分组调度算法做了综述。在此基础上提出了一种基于差额带宽分配的 优先级调度算法( p q s a - d b a ) ，并利用搭建的h i n o c 实验平台对该算法性能进 行了测试。测试结果表明：p q s a d b a 算法可以为h i n o c 网络提供基于优先级的 带宽保证，并具有良好的公平性。另方面，研究了h i n o c 协议的一致性测试， 重点描述了如何生成h i n o c 协议的测试集，并利用s d l 和t t c n 进行了协议一 致性的仿真。仿真结果初步验证了利用t t c n 实现协议一致性测试方法的可行性。 关键词：h i n o cq o s 分组调度算法一致性测试 a b s t r a c t 。 f u t u r en e t w o r kw i l lb em o s t l yc a r r y i n gs t r e a m i n gs e r v i c e s s ot h e r ew i l ib et h e t r e m e n d o u sr e q u i r e m e n tf o rn e t w o r kb a n d w i d t h c o a x i a lc a b l et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h i sh i 班e rt h a nt w i s t e d - p a i ro rw i r e l e s sv e r ym u c h , m o r e o v e ri ti su s e df o rt e l e v i s i o n t r a n s m i s s i o nh a sb e e nw i d e l yl a i di nr e s i d e n t i a lb u i l d i n g si nc h i n a u t i l i z i n gt h eo u t - o f b a n dc a b l er e s o u r c e s ，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 ( h i n o c ) t e c h n o l o g y p r o v i d e ss u b s c r i b e r s 、) l ，i ml l i g l l s p e e db r o a d b a n da c c e s s t h i sp a p e rf o c u s e so nt w oa s p e c t st ot h es t u d yo nh i n o ct e c h n o l o g y o no n e h a n d , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sb a s e do n h i n o c sq o sg u a r a n t e ea r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s h i n o cs t a n d a r di sd e s c r i b e d f i r s t l y t h e nw eg i v ea ni n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i ck n o w l e d g ea n dr e s e a r c ho ne x i s t i n g p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m s b a s e do nt h e s e ，as c h e d u l i n ga l g o r i t h mw h i c hi sn a m e d p r i o r i t yq u e u i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nd e f i c i tb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ( p q s a d b a ) i sp r e s e n t e da n di st e s t e do ne x p e r i m e n t st o o lw eh a v ei m p l e m e n t e df o r h i n o c t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tp q s a - d b ac a np r o v i d eg o o df a i r n e s sa n d b a n d w i d t hg u a r a n t e eb a s e do np r i o r i t yi nh i n o cn e t w o r k o nt h eo t h e rh a n d ， c o n f o r m a n c et e s t i n go nh i n o c p r o t o c o li sr e s e a r c h e d h o wt og e n e r a t et h et e s ts e to f h i n o cp r o t o c o li sd e s c r i b e di nd e t a i la n dc o n f o r m a n c et e s t i n gi ss i m u l a t e dt h r o u g h s d la n dt t c n 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o do f u s i n gt t c n t oa c h i e v e p r o t o c o lc o n f o r m a n c et e s t i n gi sf e a s i b l e k e y w o r d ：h i n o cq o s p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mc o n f o r m a n c et e s t i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 “三网融合 是国家发展信息化的战略部署，是通信技术发展的必然趋势。 2 0 0 6 年的国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中明确指出：加强宽带 通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进三网融合，健全 信息安全保障体系。加快建设新一代有线数字电视网络不仅是有线网络自身升级 换代、实现可持续性发展的内在需求，更是推进国家信息化、促进三网融合的必 然要求。“三网融合 并不意味着电信网、电视网和互联网的物理合一，而主要 是指高层业务的融合【i 】，表现为在技术上趋于一致，均采用以i p 通信协议为核心 的体制，网络层互联互通，形成无缝覆盖，各种业务互相渗透和交叉。 近年来出现的口t v 和v o d ( v i d e oo nd e m a n d ，视频点播) 等流媒体业务为 “三网融合在业务层面上找到了突破口，被认为是“三网融合”最佳切入点之 一1 2 j 。流媒体业务的出现促进了三网融合，同时也对网络提出了更高要求。随着流 媒体业务的迅速发展，对带宽的需求将越来越大。按目前的编码方式( m p e g 2 编 码) ，传输一路s d t v ( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt v ，数字标清电视) 信号需要约6 m b p s 带宽，传输一路h d t v ( h i g h d e f i n i t i o nt v ，数字高清电视) 信号需要至少2 5 m b p s 的带宽。如果一个家庭同时收看1 套h d t v 和1 套s d t v 节目，并进行高速上网， 则需要至少4 0 m b p s 的业务带宽【3 】。用户对带宽需求的加大对现有的网络提出了很 大的挑战。 随着国家加大对通信行业的投入，我国的骨干网光纤化已基本完成，接入网 速率限制成为影响高速宽带网络通信的瓶颈。当前的宽带接入方式有以太网接入、 光纤到户、电力线接入、电话线接入、无线接入等方式。但由于成本高、带宽低、 需要重新布线等原因，无法被用户接受。所以为了解决以上问题，需要寻找一种 符合中国国情的宽带接入方案，同时也是推进三网融合的重要基础。 我国有线电视网拥有用户近1 6 亿户，有线电视的同轴电缆网络遍布每个家 庭，同时同轴电缆还具有容量大、频带宽、抗干扰能力强等优点，所以通过同轴 电缆进行宽带接入成为数字电视网改造的首选。目前，基于同轴电缆的接入应用 最广泛的是c a b l em o d e m 技术，该技术采用的d o c s i s l 4 1 ( d a t ao v e rc a b l es e r v i c e i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s ) 技术规范被得到广泛应用。采用d o c s i s 规范的c a b l e m 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。该系统 采用频分双工f d d ( f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x i n g ) 模式，其上下行信道工作于不 同的频率范围。下行信道工作于5 5 0 - - 8 6 0 m h z 之间的频带，每个信道带宽为 6 m h z 。上行信道工作于5 , - 一4 2 m h z l 5 6 1 之间的一段频带。但在我国，要广泛使用 2 高性能同轴电缆接入网m a c 协议设计与调度机制研究 c a b l em o d e m 技术实现宽带接入，存在着以下主要问题：1 ) 必须对现有的同轴线 网络进行双向改造，将原有的单向放大器改为双向，改造工程量很大。2 ) 上行通 道工作频率在5 - 4 2 m h z ，在这一频段工作时，受到噪声的影响比较大。3 ) 当前 我国的i - i f c 网，虽然光纤结点越来越靠近用户，但用户数仍然较多，上下行信道 内的数据速率由多个用户共享，因此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。因此，c a b l em o d e m 接入技术在我国并不是一种可行的多 业务宽带接入方案。所以研究符合中国国情并且具有自主知识产权的基于有线电 视同轴电缆的宽带接入解决方案，已成为三网融合的迫切需要。 在我国有线电视网中，7 5 0 m h z 以下用于传输广播电视信号，而7 5 0 m h z 以上 频带却没有得到使用，本文称其为带外信道。据理论推测，在该带外信道内有超 过2 g b p s 的可用物理带宽。如果在f t t b ( f i b e r t ot h eb u i l d i n g ，光纤到楼) 情况 下，利用此带外信道提供高速业务的双向传输，则无需重新布线和其它改造便可 提供多业务、高速率的接入应用。本文所描述的基于同轴电缆宽带接入的技术称 为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 ) 。该技术只需在楼道增加局端 设备h i n o c 桥( h b ，h i n o cb r i d g e ) 和在户内添加终端设备h i n o c 调制解调器 ( h m ，h i n o cm o d e m ) ，便可支持d b a ( d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，动态 带宽分配) 、网络管理、v l a n 和组播过滤功能，同时支持v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 、 h d t v s d t v 、v o d 、高速上网等传统与新型业务。 目前，h i n o c 技术已初步制定了物理层( p h y ) 和媒质接入控制( m a c ) 层 规范草案。本文在研究h i n o c 技术规范草案的m a c 层基础上，一方面设计了适 合h i n o c 网络且能够提供q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 保障的一种分组 调度算法；另一方面对协议一致性测试做了研究，这为后期进行h i n o c 产品测试 提供了可靠的依据。 1 2 本文的主要工作和论文结构 本文选题来自国家8 6 3 课题“利用有线电视网带外信道的多业务宽带接入网 技术研究 以及“有线电视同轴电缆宽带接入测试系统”。本文主要工作包括： ( 1 ) 在深入研究h i n o c 技术规范草案的基础上，发现如果要求h i n o c 接入网络 能够为v o l p 、i p t v 、视频电话等在内的多种业务提供q o s 保障，那么就需要设计 出实现简单且高效的分组调度算法。所以本文针对h i n o c 网络的特点来对分组调 度算法进行了深入的研究，设计实现了一种调度算法p q s a d b a ( p r i o r i t yq u e u i n g s c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nd e f i c i tb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，基于差额带宽分配的 优先级分配调度算法) ，并对其性能进行了实验验证，实验结果表明该调度算法 具有良好的公平性并能对业务提供带宽保障。( 2 ) 对h i n o cm a c 协议一致性测 第一章绪论3 试技术进行了研究。为了对h i n o c 设备进行测试，需要研发h i n o c 测试设备对 h i n o c 设备进行测试，判定其是否符合h i n o c 协议的标准。本文给出了生成 h i n o c 协议测试集的具体方法，并利用t r c n 和s d l 工具对测试集进行了联合仿 真，仿真结果初步验证了利用t r c n 实现协议一致性测试方法的可行性。 本文的内容安排如下： 第二章首先对h i n o c 系统结构进行了概述，然后重点介绍了h i n o c 系统 m a c 层的预约请求以及信令交互等机制。 第三章首先对常见的调度算法进行了概述，然后对本文所设计的调度算法进 行了详细阐述，最后对所设计的调度算法进行了测试并分析其结果。 第四章对h i n o c 的协议一致性测试进行了概述，重点介绍了如何生成h i n o c 协议一致性测试的测试集，并进行了h i n o c 协议一致性的仿真测试。 第五章总结论文工作。 第二章h i n o c 接入网络5 第二章h i n o c 接入网络 本章首先对h i n o c 系统结构进行概述，然后根据h i n o c 系统协议栈介绍其 物理层的特点，最后对m a c 层的机制进行详细阐述。 2 1h i n o c 协议的系统结构概述 h i n o c 技术，是在f 1 广r b 的网络结构基础上，利用小区楼道和户内已经敷设、 分布广泛的有线电视同轴电缆，在最后1 0 0 米范围内，为实现高速信息接入而提 出的一种新型有线电视网宽带接入解决方案。 该技术的主要功能、性能指标为： 单信道带宽1 6 m h z ； 一单信道内支持的最大用户数为3 2 个； 网络最大覆盖范围不小于1 0 0 米； 一 m a c 层最大传送速率可达4 0 m b p s 以上； - 采用2 5 6 个子载波的o f d m 传输体制，和d q p s k 、q p s k - 10 2 4 q a m 的 自适用调制技术； 双工多址方式采用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) 动态t d m a ( t i 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) ，实现无冲突的信道接入和灵 活的带宽分配； 支持基于优先级的q o s 保障以及相关的管理功能； 支持v o m 、h d t v s d t v 、v o d 、高速上网等传统与新型业务。 2 1 1h i n o c 系统网络拓扑 从物理拓扑上看，h i n o c 组网技术采用的是基于同轴电缆的总线型结构，如 图2 1 所示。 图2 1h i n o c 网络物理拓扑结构 从功能看，h i n o c 技术主要用于宽带接入，业务流量主要在h b 和h m 之间 展开。从q o s 管理的角度，网络内需要存在一个中心结点来控制信息的有序发送 和带宽的有效分配。因此，h i n o c 的逻辑拓扑采用以h b 为中心的点到多点星型 6高性能同轴电缆接入网m a c 协议设计与调度机制研究 组网结构，如图2 2 所示。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。 2 1 2 协议分层结构 图2 2h n o c 网络的逻辑拓扑结构 h i n o c 系统规定了o s i 模型的物理层( p h y ) 和媒质接入控制( m a c ) 层协 议。系统协议栈模型如图2 3 所示。 高层 彳 弋夕 汇聚子层( c s ) 工 薹 公共部分子层( c p s ) - 物理层 ， 譬 厶 图2 3h i n o c 协议栈 p h y 层规定了传输信号的帧结构、信道编码以及调制技术。 m a c 层实现h i n o c 网络中的媒质接入控制和业务适配功能，分为c p s ( c o m m o np a r ts u b l a y e r ，公共部分子层) 和c s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，汇聚子层) 两个子层。 c s 实现m a c 层的核心功能与高层功能的适配，包括对高层p d u ( p r o t o c o l d a t au n i t ，协议数据单元) 的打包拆包、地址学习、帧转发和优先级映射等功能。 高层p d u 主要是指以太网m a c 帧。 c p s 实现m a c 层的核心功能，包括接入控制与信道分配。传输数据时，c p s 将来自c s 的信息封装为h i n o c 网络的m a c 层p d u ，然后通过p h y 层发送出去。 2 2 h i n o c 接入网络的p h y 层 h i n o c 技术利用有线电视的带外信道，而这一段的频段的信道特性长期以来 很少有人对其进行研究。在对带外信道特性进行测量和分析后得出如下结谢3 】： h i n o c 技术应用于7 5 0 m h z 以上的带外信道上； 第二章h i n o c 接入网络7 每个h i n o c 信道的带宽为1 6 m h z ； 在同一根同轴电缆上以f d m 方式并存多个h i n o c 信道； h i n o c 技术采用o f d m 调制，单信道内包含2 5 6 个子载波，子载波间隔 为6 2 5 k h z 。为了抑制相邻信道的干扰，单信道频带两侧的子载波作为空 闲子载波，不传输信息。零频处的子载波同样作为空闲子载波，不传输信 息。用于传输信息的有效子载波的数目为2 1 0 个，有效带宽为1 3 1 2 5 m h z 。 子载波分布如图2 4 所示； 子载波编号：1 2 8 1 5 01 5 1 - 2 5 50 卜1 0 51 0 6 - - 1 2 7 口 有效子载波 囫 空闲子载波 图2 4h i n o c 子载波定义 由于带外信道在不同频率上的特性是不一致的，在信道某些频率处多径严 重且存在频率选择性衰落，因此设计时采用了自适应调制方式，即根据信 噪比和误码率，在信道条件好的子载波频率选用高阶调制( 如2 5 6 q a m ) ， 在信道条件较差的予载波采用低阶调制( 如d q p s k ) 。各子载波可选的调 制方式包括：1 0 2 4 q a m 、5 1 2 q a m 、2 5 6 q a m 、1 2 8 q a m 、6 4 q a m 、3 2 q a m 、 1 6 q a m 、8 q a m 、q p s k 和d q p s k 调制； 根据信道情况决定是否采用b c h 码( b o s e c h a u d h u r i h o c q u e n g h e i l lc o d e ) 。 如采用b c h 码则在( 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 c 物理层帧分为四种帧：下行探测帧( p d 帧) 、上行探测帧( p u 帧) 、 下行数据帧( d d 帧) 和上行数据帧( d u 帧) 。物理层帧结构均由前导序列和负载 段两部分组成，如图2 5 所示。 i 前导序列a c b ，负载段a ( b ) 图2 5h i n o c 物理层帧结构 下行探测帧是由前导序列a 和负载段a 构成的；上行探测帧是由前导序列b 和负载段a 构成的；上下行数据帧都是由负载段前导序列b 和负载段b 构成的。 其中，前导序列a ( b ) 传输时长为4 1 t s ，负载段a ( b ) 由多个o f d m 符号构成，一个 o f d m 符号包括2 5 6 个t f f r 输出样点和1 6 个循环前缀样点，传输时长分别为1 6 9 s 和l l x s ，所以一个o f d m 符号的传输需要1 7 1 a s 。负载段a 为两个o f d m ，而负载 段b 最长为2 5 6 个o f d m 。 8 高性能同轴电缆接入网m a c 协议设计与调度机制研究 2 3h i n o c 接入网络m a c 层 h i n o c 接入网的m a c 层分为进行媒质接入控制的c p s 和进行业务适配的c s 两个子层，采用中心结点控制的逻辑星型拓扑结构。 2 3 1h i n o c 接入网的m a c 层概述 h i n o c 接入网m a c 协议采用基于预约许可的t d m a 和利用t d d 方式动态 分配信道资源，实现无冲突的信道接入和灵活的带宽分配。 1 ) 双工方式 h i n o cm a c 采用t d d 方式实现双工通信。t d d 的优点是实现简单，而且可 以在中心结点h b 的统一协调下非常灵活的实现上下行带宽分配，从而适应当前网 络中上下行业务的变化，使得信道带宽得到充分的利用。目前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与同俱增，这就需要网络能够根据需要灵活配 置上下行带宽以适应双向业务流的动态变化，而中心结点h b 通过根据业务流量变 化来进行统一协调调度正好可以解决这一问题。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。 2 ) 多址接入方式 在h i n o c 系统中，中心结点h b 和各个h m 之间通信的下行方向( h b 到h m 方向) 采用t d m 机制，上行方向( h m 到h b 方向) 采用基于预约许可的t d m a 机制，这种t d m t d m a 机制是动态和全协调的。这里的“全协调是指各个结 点( 包括h b ) 在何时发送信息以及在何时接收信息都是由中心结点h b 的统一调 度和控制的。 中心结点h b 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、支持不同的优先级并保证时延和时延抖动性能。为了解决冲突采用 了基于预约许可的t d m a 机制，是指h m 如要发送信息需要事先向h b 发送预约 请求帧( r e s e r v a t i o nr e q u e s tf r a m e ，简称r 帧) ；h b 根据各h m 结点发来的预约 请求来统一调度、分配信道资源，并通过广播m a p ( m e d i aa c c e s sp l a n ，媒质接 入规划) 帧发布信道分配方案；h m 根据接收的m a p 帧判断是否获得了收发信息 的许可，如果获得了许可就按照m a p 帧规划的时隙进行收发相应信息的操作。所 以一旦_ 个新结点被接纳进h i n o c 网络，那么各个结点的通信将会是无冲突的。 t d m a 机制需要各结点间较为严格的时钟同步，所以h b 还必须负责产生全 网的统一系统时钟，使得h i n o c 网络中的所有结点都能与系统时钟同步。 第二章h i n o c 接入网络9 2 3 2 公共部分子层( c p s ) c p s 是h i n o c 接入网络m a c 层的核心子层，主要包括网络搜索、结点接纳、 链路维护、数据传输等操作。而在网络搜索、结点接纳以及链路维护操作中均通 过信令来进行信息交互，那么各个厂商生产的产品其信令交互是否符合协议的规 范，这些需通过一致性测试来对其进行检测，这是本文所要重点研究的问题。本 文所要研究的另一重要问题就是在数据传输中涉及到的信道资源如何进行分配。 这两个重点研究的问题均在c p s ，所以下面先对c p s 中的主要操作进行概述。 1 ) h i n o c 网络搜索 一个h i n o c 网络结点在上电或者初始化后，建立或者加入h i n o c 网络的过 程就叫做网络搜索。具体来讲，如果该h i n o c 网络结点为h b ，则h b 在上电或 者初始化后搜索空闲的信道( 空闲信道的概念就是在该信道里没有下行信令帧出 现) 建立h i n o c 网络，并等待n h m ( n e wh m ) 加入该网络；如果该结点是n h m ， 则在上电或者初始化后搜索已建立的h i n o c 网络并试图加入其中。： 在网络搜索过程中，下行信令帧是唯一一个起主导作用的帧。下行信令帧是 通过物理层的p d 帧承载的，如图2 6 所示。在前面介绍中得知p d 帧具有与其它帧 不同的前导序列，所以说通过p d 来承载的下行信令帧是一种信标帧，它是由h b 在h i n o c 网络中周期性( 在h i n o c 技术规范中规定下行信令帧的发送周期为 6 4 m s ) 发送的，主要用来引导n h m 接入到h i n o c 网络中。下行信令帧的另一重 要作用是：当网络发生故障或者信道状况突然恶化，h m 丢失m a p 帧时，也可依。 靠下行信令帧来重新找回m a p 帧，因为下行信令帧首部中包含有该信令帧之后的 第一个m a p 帧的信息。 图2 6 信令帧的封装方式 如图2 7 所示，下行信令帧包括首部和载荷这两部分。其中首部主要包括信令 帧类型( f r a m et y p e ) 、网络号( h i n o ci d ) 、网络状态( h i n o cs t a t e ) 、 以及m a p 帧相关参数等几部分。网络状态主要用来表明该h i n o c 网络是否允许 接纳n h m 以及该网络目前所处于的状态( 包括四个状态：稳态、接纳态、维护态、 退出拒绝态) 。m a p 帧相关参数包括起始时刻( m a pf r a m eo f f s e t ) 、占用的 o f d m 数目( m a p o f d m n u m ) 、长度( m a p l e n g t h ) 和该m a p 帧所采用 l o高性能同轴电缆接入网m a c 协议设计与调度机制研究 的调制参数( m a p m a x m o d u m o d e ) ，这些参数指明了下行信令帧其后的第 一个m a p 帧的相关信息。 下行信令帧首部载荷 ，7、k i 。刚d l s o u j 。l f r 刚a g m t e h _ | f 车嚣 附叫【 尝劂l 筹 峭po fm a p _ m a x _ mm a pf r a m i d mn u mo d um o d eeo f f s e t 图2 7 下行信令帧结构 n h m 和h b 要成功的完成网络搜索过程，必须通过下行信令帧的引导，h b 网络搜索的流程图如图2 8 所示： 图2 8h b 进行网络搜索的流程图 h b 加电或者初始化以后，工作在指定频率或者动态选择频率监听信道，同时 设置定时器t l l ，t l i 表示h b n h m 在某个h i n o c 网络频率监听信道的最长时 间。若t l l 超时，说明在该信道上没有检测到有其它结点发送下行信令帧，表明 该信道空闲，这时h b 就可以在该信道上构建一个新的h i n o c 网络；若在t l l 时 间内收到下行信令帧，说明在该信道上已经存在h i n o c 网络，表明该信道已被占 用，如果h b 是指定频率搜索则会向上层实体报告，如果h b 可以动态选择频率的 话则切换到其它频率继续监听，直到找到空闲的信道为止。在h b 构建好了一个新 的h i n o c 网络后，将周期性的发送下行信令帧，便于其它h m 结点搜索网络。 第二章h i n o c 接入网络 是 取消t l l 工 完成网络搜索 开始结点接纳 0 翌竺望竺堡耋) 。，ji。一 l 覆指定频率或动态选 一 向上层实体报告1i 切换频率 开始网扒萋孺丽 搜索 l搜索 图2 9n h m 进行网络搜索的流程图 n h m 网络搜索的流程图如图2 9 所示：n h m 加电或初始化以后，工作在指定 频率或动态选择频率上监听信道，同时设置定时器t l l 。若t l l 超时，说明在该 信道上没有检测到下行信令帧，表明是一个空闲的信道，如果该n h m 是指定频率 搜索则向上层实体报告并重新开始网络搜索，如果n h m 是动态频率搜索则切换频 率重新开始网络搜索；若在t l l 时间内收到下行信令帧并检查该信令帧是否正确 ( n h m 需验证此下行信令帧中包含的h i n o ci d 是否与自己应加入的网络i d 一 致) 。如果正确表明存在一个已经建立的h i n o c 网络，n h m 准备加入该网络；否 则切换频率或者向上层实体报告重新开始网络搜索。 2 ) 结点接纳 结点接纳对于n h m 而言就是完成网络搜索后，试图加入当前网络的过程，对 于h b 而言就是通过下行信令帧来引导一个n h m 加入自己所创建的h i n o c 网络 的过程。 在h i n o c 网络结点接纳过程信令交互图中，即图2 1 0 所示，左侧的n h m 是 试图加入网络的结点，右侧为中心结点h b 。h b 在图中所发送的e m p t y 帧、 a d mr e s 帧、a c k 帧、u l i n kr e p o r t 帧、c m pr e p o r t 帧、l i n ku p d a t e 帧均为下行信令帧，下行信令帧中的f r a m et y p e 域指明了该帧的具体类型同 时下行信令帧中的h i n o cs t a t e 域指明了该网络目前处于的状态。类似的，图 中n h m 所发送的帧均为上行信令帧，上行信令帧中的f r a m et y p e 域指明了该 帧的具体类型，上行信令帧的发送时机为连续两个下行信令帧正中间时刻。 中心结点h b 周期性的发送下行信令帧，在下行信令帧中的f r a m et y p e 域 指明了所发送的下行信令帧的具体帧类型，n h m 根据所接收到的不同帧类型的下 行信令帧做出相应的操作。具体来讲，如图2 1 0 所示，在1 态，n h m 根据接收到 的稳态e m p t y 帧( 其h i n o cs t a t e 域表明网络处于稳态) ，发送a d mr e q 帧， 1 2 高性能同轴电缆接入网m a c 协议设计与调度机制研究 h b 收到a d mr e q 帧后将判断是否允许该结点进行接纳，若允许则发送 a d m r e s 帧，n h m 收到a d m r e s 帧后发送a d m a c k ，以此类推，直到完成 结点接纳过程。 o 吝 n h m 肿 l 杏 2 _ 鑫 3 态 4 态 1 0 态 注：该状态的 c m pr e p o r t 是发 送给n h m 和h m 的。更新的是广播 参数 5 态 e 7 i y e 7 r y 一 a d m r e q a d mr e s a d ma c k e m p r i y d l i n k _ r e p o r t 分片1 a c k 7 1 ； d l i n kr e p o r t 分片n a c k 一一飞丽一一一一一1 e m p l y u l i n k r e p o r t 分片i 1 a c k r u l i n kr e p o r t 分片n j a c k 赫画洒币一一一。 c m p j t e p o 盯分片2 link_update 一 正常通信 图2 1 0h i n o c 网络结点接纳过程的信令交互图 接纳过程可分为7 个状态： 0 态：n h m 接收下行信令帧进行下行信道训练。 1 态：n h m 和h b 交互接纳请求和接纳响应。 2 态：n h m 向h b 发送下行信道训练报告，包括时偏、频偏和调制方式等参 数。 3 态：h b 接收n h m 发送的上行信令帧进行上行信道训练。 4 态：h b 向n h m 发送上行信道训练报告，包括时偏、频偏和调制方式等参 数。 1 0 态：h b 向n h m 和h m 发布新的广播信道参数信息和链路启用新的调制参 数的时刻。 5 态：稳态，完成接纳过程。此刻，n h m 已被成功接纳入h i n o c 网络成为 h m 。 3 ) 链路维护 第二章h i n o c 接入网络 1 3 由于受到噪声等影响，h i n o c 网络中各个h m 结点和中心结点h b 之间的双 向链路的信道可能会随时间变化。h i n o c 协议m a c 层设计了l m ( l i n k m a i n t e n a n c e ，链路维护) 机制来重新获取物理信道参数，从而适应信道随时间的 变化。m a c 层的链路维护操作在以下两种情况下进行：一种是周期性维护，即每 隔固定时间重新进行信道训练，获取新的h b 和各个h m 之间双向的信道参数。 另一种是非周期性维护，当物理层根据信道误码率等参数检测到信道条件变化( 如 恶化) 时，触发链路维护操作。 周期性链路维护的维护周期为t m 0 ( t m 0 在h i n o c 技术规范中定义为6 0 0 s ) 时长。每隔t m 0 ，h b 将选择一个h m 开始l m 过程。h b 通过将下行信令帧的 h i n o c s t a t e 域设为链路维护态来告知网络中所有h m 结点开始l m 过程，并 通过d e si d 域告知当前与哪个h m 之间的链路将要被维护。当h b 与一个h m 之间的链路维护过程完成后，将在稳态停留t m i ( t m i 在h i n o c 技术规范中定 义为l s ) 时长，然后选择下一个h m 进行链路维护。当与所有h m 之间的链路维 护工作完成后，h b 将在稳态停留t m 3 ( t m 3 在h i n o c 技术规范中定义为l s ) 时长，然后将新的广播参数和链路更新时刻通告给网络中所有的h m 。 l m 操作信令交互过程如图2 1 l 所示。包括6 个状态： 6 态：h m 收到下行信令帧进行下行信道训练 7 态：h m 向h b 发送下行信道训练报告，包括时偏、频偏和调制方式等参数。 8 态th b 接收h m 发送的上行信令帧进行上行信道训练。 9 态：h b 向h m 发送上行信道训练报告，包括时偏、频偏和调制方式等参数， h b 同时向该h m 发布新的单播参数的更新时刻。 1 0 态：h b 向所有h m 发布新的广播信道参数信息和链路启用新的调制参数 的时刻。 5 态：l m 过程完成，各个h m 使用新的单播和广播参数与h b 进行通信。 非周期性维护只针对某个特定的链路进行，其信令交互过程可以看作是周期 性链路维护操作的一部分，这里不再赘述。当h m 的物理层发现链路状况发生变 化时，通过原语告知m a c 层，然后h m 的m a c 将会向h b 请求进行链路维护。 1 4高性能同轴电缆接入网m a c 协议设计与调度机制研究 7 态 8 吝 9 态 5 态 i o 态 5 态 图2 1 1h i n o c 网络链路维护过程的信令交互图 4 ) 数据传输 为保证各个结点无冲突的共享h i n o c 信道资源，进行数据传输，h i n o c 采 用了基于预约许可的t d m a 机制。当h m 要发送信息时必须先向h b 发送预约请 求，然后h b 根据各个结点的预约请求以及h b 自身的业务情况来对信道资源进行 统一调度。通过h m 向h b 发送r 帧来完成预约请求，r 帧的帧结构如图2 1 2 所 示。 r 帧的首部中含有帧类型域，用于指明该帧的类型为预约请求帧。载荷部分包 含了h m 预约请求的相关信息，主要包括预约请求单元数目( r e n u m ) 和预约 请求单元。r e n u m 指明了在该r 帧内包含的预约请求单元的个数。预约请求单 元则表明了该h m 准备要发送的m a c 帧的相关信息，包括帧类( f r a m e j y p e ) 、 第二章h i n o c 接入网络1 5 预约请求i d ( r ei d ) 、优先级( p r i ) 、所占用的o f d m 符号数目( o f d m n u m ) 和所需占用的时长( d u 砒盯i o n ) 。 由于信道资源有限，h b 在接收到多个h m 发来的r 帧后，将要决定对哪些 h m 中的哪些预约请求单元进行许可，这时h b 将会采用调度算法来解决这一问题。 h i n o c 网络分组调度算法的具体实现将在后面的章节进行详细阐述。在h b 完成 对预约请求单元的许可后，将通过m a p 帧把它的许可信息广播出去。m a p 帧的 帧结构如图2 1 3 所示。 图2 1 3m a p 帧的帧结构 m a p 帧的首部中含有帧类型域，该域指明了该帧的类型为m a p 帧。载荷部 分包含了对h m 预约请求的许可信息以及h b 自身所要发送信息的许可，主要包 括许可单元数目( g en u m ) 和许可单元( g e ) 。g en u m 指明了该m a p 中许 可单元的个数。许可单元则指明了h b 对各个要发送的m a c 帧的许可信息，包括 目的源结点标识( d e s t i n a t i o nn o d ei d s o u r c en o d ei d ) 、帧类型 ( f r a m et y p e ) 、许可单元i d ( g ei d ) 、所占用的o f d m 符号个数 ( o f d mn u m ) 、起始时刻( s t a r to f f s e t ) 和信道占用时长( d i 瓜a t l 0 n ) 。 当h m 收到m a p 帧并提取其许可单元后，将会根据许可单元的源结点标识来 确定是否是对其自身的许可，若是，则h m 根据许可单元中的g ei d 来找寻被许 可发送的m a c 帧，然后按照m a p 帧规划的时隙发送该m a c 帧。同时h m 也会 根据许可单元的目的结点标识来确定是否有数据从h b 发往该h m ，若有，则该 h m 按照m a p 帧规划的时隙来接收m a c 帧。 m a p 帧载荷中的s t a r tt i m e 域和e n dt i m e 域指明了下一个m a p 周期 的开始时刻和终止时刻。每个m a p 周期的起止时刻以及该周期内的信道分配方案， 均由上一m a p 周期的m a p 帧进行规划。如图2 1 4 所示，第n 个m a p 周期内的 信道如何分配由第( n 一1 ) 个m a p 周期内的m a p 帧分配。h i m a c 协议中整个 信道( 除物理层p d 、p u 帧外) 被划分为在时间轴上连续且互不重叠的m a p 周期。 每个m a p 周期内必有一个m a p 帧。 图2 1 4h i n o c 信道上的m a p 周期 1 6 高性能同轴电缆接入网m a c 协议设计与调度机制研究 2 3 3 汇聚子层( c s ) h i n o c 协议栈的c s 位于c p s 之上，主要负责接收高层的p d u ，并将高层 p d u 映射为h 1 n o c 网络m a c 层s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ，服务数据单元) ，主要 操作包括：地址学习与转发表构建、数据帧转发、数据帧打包拆包，以及优先级 映射。 地址学习与转发表构建是指建立高层p d u 地址与h i n o c 网络结点地址的映 射关系，通过不断的记录和更新映射关系，就可以建立一个完成的地址转发表。 数据帧转发就是通过地址转发表就可以确定将高层p d u 转发到哪一个 h i n o c 网络结点。 为了提高m a c 层数据传输效率，c s 支持数据帧打包功能，即h m h b 将发 往同一个h i n o c 目的结点且具有同一优先级的多个上层p d u 打包成一个h i