（通信与信息系统专业论文）集中器传输汇聚子层及mac子层的软件设计.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着社会的进步和技术的飞速发展，通信网络的宽带化成为必然，目前主干 网已实现或基本实现了线路光纤化、交换宽带化，接入网是网络宽带化的“瓶颈”。 新型h f c ( h y b r i df i b r ec o a x i a lc a b l e ，光纤同轴混合网) 网络具有频带宽、适合 提供综合业务和网络建设费用低等优点，它比较适合我国国情，很可能在国内普 及。 集中器是新型h f c 网络的关键设备，它的引入有效解决了目前h f c 网络存在 的一些问题，也减轻了头端设备的管理负担。由于集中器采用的协议与d o c s i s ( d a t a - o v e r - c 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 ) 有本质上的差别，所使用的软件 需要重新开发，论文作者主要负责对集中器所采用的协议栈进行研究，并进行传 输汇聚子层和m a c 子层( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，媒体接入控制) 的软件设计。 论文首先分析了新型h f c 网络的传输机制、集中器的功能，研究了新型h f c 网络的特点和传输协议，对新网络的协议进行了重要的修改，在协议中引入了上 行传输汇聚子层，使之能同时承载数据和视频信息；并参照d o c s i s 协议对m a c 协议进行修改和简化，依据网络的特点定义了新的m a c 帧格式，重新确定了新的 m a c 管理消息。这种新的协议大量减少了网络开销，提高了网络传输效率，而且 降低了协议的复杂性，使设备成本大幅度下降。 在分析了新协议的传输汇聚子层及集中器的功能需求与硬件环境的基础上， 论文对集中器t c 子层( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c es u b l a y e r ，传输汇聚子层) 的协 议软件进行了设计，重点研究了视频和数据的解复用方法和m a c 帧恢复算法。然 后依据集中器m a c 子层协议对m a c 软件进行了设计。论文将集中器的m a c 层 软件分成下行数据处理、上行数据处理及管理三大功能模块，下行数据处理主要 完成新型h f c 网络下行m a c 帧到以太网帧的转换，上行数据处理主要完成以太 网帧帧到新型h f c 网络上行m a c 的转换，管理模块负责管理信息的处理。软件 设计出来后在试验平台上测试了软件功能，试验证明了这些新协议软件是正确的、 实用的。 最后，根据新型h f c 宽带接入网解决方案的需要，要求集中器的交换模块 具有虚网和组播等管理功能，论文对交换模块的虚网和组播软件进行了设计，并 且在实际的网络环境中对这部分的软件进行了功能测试，测试是成功的。 关键词：h f c 网络，集中器，传输汇聚子层、媒体接入控制，组播 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n dt e c h n o l o g y , t h eb a n d w i d t ho f c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sb e c o m i n gb r o a d e ra n db r o a d e r n o w a d a y sf i b e rc o n n e c t i o n a n db r o a d b a n ds w i t c h i n gh a v e b e e ni m p l e m e n t e di nb a c k b o n en e t w o r kw h i l et h e “o o t t l e n e c k a p p e a r e di na c c e s sn e t w o r k n e wh f c ( h y b r i df i b r ec o a x i a lc a b l e ) n e t w o r ki s s u i t a b l ef o rt h en a t i o n a lc o n d i t i o n so fc h i n a ，a n dw i l lb ep o p u l a ri nd o m e s t i c , f o ri th a s t h ea d v a n t a g e so f h i 9 1 lb a n d w i d t h ，i n t e g r a t e ds e r v i c ea n dl o wc o s t t h ec o n c e n t r a t o ri st h ek e ye q u i p m e n to fn e wh f c ，i te f f e c t i v e l ys o l v e ss o m e e x i s t i n gp r o b l e m so np r e s e n th f cn e t w o r k , a n dl i g h t e n st h eb u r d e no ft h eh e a d e q u i p m e n t a s m a n a g e r b e c a u s eo ft h ee s s e n t i a ld i f f e r e n c eb e t w e e n d o c s i s 巾a t a - o v e r - c 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 ) a n dt h ep r o t o c o ls t a c kt h e c o n c e n t r a t o ru s e d t h es o f t w a r eo fc o n c e n t r a t o rn e e d st or e d e s i g n t h ea u t h o rf o c u s a t t e n t i o no nt h ep r o t o c o ls t a c ko fc o n c e n t r a t o r , a n dt h es o f e w a r ed e s i g no ft cs u b l a y r e ( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) a n dm a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) s u b l a y e r a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fn e wh f cn e t w o r ka n d f u n c t i o n so fc o n c e n t r a t o ra r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s m i s s i o n p r o t o c o lo fa r es t u d i e d t h ec r u c i a lm o d i f i c a t i o n f o rt h en e wn e t w o r kp r o t o c o la r e i n t r o d u c e d ，i nw h i c ht h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mt r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c es u b l a y e r a r ei m p o s e df o rc a r r y i n gt h ev i d e oa n dd a t ai n f o r m a t i o ns i m u l t a n e o u s l y t h ea u t h o r a m e n d st h em a c s u b l a y e rp r o t o c o la c c o r d i n gt od o c s i sp r o t o c o l ，a n dd e f i n e st h e m a cf r a m e sf o r m a ta n dm a n a g e m e n tm e s s a g e s t h u ss p e n d i n go fn e t w o r ki sr e d u c e d a n de f f i c i e n c yo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o ni nt h ec o n d i t i o no fe n s u r i n gc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc t s ( c o n c e n t r a t o rt e r m i n a ls y s t e m ) a n dc o n c e n t r a t o r f u r t h e r m o r e ，t h e c o m p l e x i t yo f p r o t o c o l si sr e d u c e d ，s ot h ec o s to f n e t w o r ke q u i p m e n ti sr e d u c e dg r e a t l y a n a l y z i n gt h et cs u b l a y e ro ft h en e wp r o t o c o l ，f u n c t i o nd e m a n da n dh a r d w a r e s y s t e mo fc o n c e n t r a t o r , t h ea u t h o rd e s i g n st h et cs u b l a y e rs o w f w a r e ，e m p h a s e so nt h e d e m u l t i p l e x i n go fv e d i oa n dd a t ai n f o r m a t i o n , a n ds t u d yt h em a cf r a m er e s l l i t l e a r i t h m e t i c a n dt h e nt h em a cs u b l a y e rs o f t w a r ei sd e s i g n e di nt h ep a p e r t h es o f t w a r e i ss e p a r a t e di n t ot h r e em o d u l e s ：d o w n s t r e a mp r o c e s s i n gm o d u l e ，u p s t r e a mp r o c e s s i n g m o d u l ea n dm a n a g e m e n tm o d u l e t h ed o w n s t r e a m p r o c e s s i n g t r e a t sw i t l lt h e d o w n s t r e a mh f cm a cf r a m e ，a n dc o n v e r ti tt oe t h e r n e tf r a m e t h eu p s t r e a m p r o c e s s i n gm o s t l yc o n v e r t st h ee t h e m e tf r a m et on e wh f cm a cf r a m e m a n a g e m e n t 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 i t i e s s f l e sa r eh a n d l i n gi nt h em a n a g e m e n tm o d u l e t h es o f t w a r ef u n c t i o ni st 髂t e do nt h e e x p e r i m e n te n v i r o n m e n t , a n dt h en e wp r o t o c o ls o f t w a r ei sp r o v e dt ob ec o r r e c ta n d a v a i l a b l e t h es w i t c hf u n c t i o no fc o n c e n t r a t o ri sn e e d e di nt h en e wh f cn e c w o r k t h e s o f t w a r eo f v l a na n dm u l t i e a s tf u n c t i o ni sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h e nt h es o f t w a r ei s t e s t e do ne x i s t i n ge x p e r i m e n t a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e i tg a l lb ep r o v e dt h a tt h es o f t - w a r e i ss u c c e s s f i l l k e y w o r d s ：h f cn c t w o r k ，c o n c e n t r a t o r , t cs u b l a y e r , m a c ，m u l t i c a s t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名许汉弈 签字日期：乒一了年钥勘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：许汉黄 签字嗍岬年归勘日 导师签名：寸青活队 签字日期：乒杆年午月少日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出 随着i n t e r n e t 的飞速发展，用户数目成倍增长多媒体信息在网络中飞速普及， 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，各种宽带网络技 术如雨后春笋般的不断涌现。宽带化和p 化成为新一代电信网的基本特征，“三网 合一”已经成为未来网络发展的趋势并且也是最热门的话题之一，所谓“三网合一” 就是把现有的传统电信网( p s t n ) 、计算机网络以及广播电视网络相互融合逐渐 形成一个统一的网络系统，由一个全数字化的网络设施来支持包括数据、语音和 图像在内的所有业务的通信。但是，“三网合一”并不是简单的将三网相加，其本质 是建成国家信息商速公路，实现网络从传输、接入到交换各个层面的宽带化。完 成“三网合一”将要面对包括宽带传输、宽带交换和宽带接入等技术问题，其中接入 网问题又称为“最后一公里问题”，它是三网合一的主要难点。现阶段比较流行的宽 带接入技术主要有以下几种：a d s l ( a s y m m e t r i e a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，非对称 数字用户线) 接入技术，光纤接入技术，以太网接入技术、宽带固定无线接入方式 ( l m d s ) 电力线上网接入方式( p l c ) 和光纤同轴混合网( h v b r i df i b e rc o a x ， h f c ) 网络接入技术。 ( g a d s l 接入技术 a d s l 技术是x d s l 技术( 主要包括a d s l 、v d s l 和s h d s l 等3 种技术) 中的一种，是发展比较成熟的技术，它是用现有电话铜双绞线来传输音频信号、 高速数据及高清晰度数字电视信号等信息，它将一对电话线的频带划分为3 个频 段，即语音段、上行控制信道和下行控制信道。上下行采用d m t ( d i s c r e t e m u l t i - t o n e ，离散多音频) 调制技术，上行速率为6 4 0 k b p s ，下行速率最大为8 m b p s 。 对于新兴的在a d s l 技术上增加一些新特性的a d s l 2 2 + 在性能和功能方面都有 了较大的改进，其突出特点和主要改进有：扩大了覆盖范围和提高了数据速率， 特别是a d s l 2 + 将频谱范围从1 1 0 4 m h z 扩展到2 2 0 8 m h z ，使得下行速率大大提 高，最大可达2 5 m b i t s 。 a d s l 技术的优点是利用现有的电话线不需要重新布线，降低了成本进而减 少了用户上网的费用；其缺点是a d s l 的速率受线路长度( a d s l 传输距离一般 为3 5 k m ) 和线路质量的影响较大。电话线经常是在5 0 对1 0 0 对的大对数u t p 中传输。由于电缆中不同线路信号之间的相互串扰以及线路质量都有其较大影响， a d s l 使用非屏蔽双绞线，对天电干扰( 如雷击等) 等抗扰能力较差，带宽可扩展潜 力不大。这种质量较差的基础成为制约a d s l 发展的主要障碍。同时由于其上下 重庆大学硕士学位论文1 绪论 行的不对称性使得它只能用作家庭或者小流量用户的接入，而且随着将来视频( 尤 其是交互式视频) 业务的普及，其有限的、不对称的带宽资源将逐渐不敷所需。 因此a d s l 技术只是一种过渡性的技术。 光纤接入技术 f t t h 是全光网，在该项技术中使用较多的是无源光纤网络( p o n ) 接入技 术，它的传输部分采用空分复用技术( s d m ) ，即采用一对光纤分别传输下行和上行 信号实现全双工通信。f t t h 从业务节点到用户的线路全部采用光纤，由于全光纤 传输具有高带宽、大容量效率和低协议开销的特点，将满足现阶段各种业务对带 宽的要求，因此从技术上来说，它理所当然是较佳的宽带接入方案。但是，由于 目前光设备价格昂贵，随着光纤向用户推进，成本会迅速增加，国内绝大多数用 户的经济能力都无法承受这种方案的高额费用，因此限制了其应用，人们只能寻 找一个相对性能较低但价格便宜的折中方案。 以太网接入技术 以太网技术采用基带传输，通过双绞线和传输设备实现1 0 m 1 0 0 m 1 0 0 0 m 的 网络传输。基于以太网技术的宽带接入网可以应用在公网环境，为用户提供标准 的以太网接口，用户不需要另配任何其它接口卡，这是种廉价的宽带接入技术。 以太网接入技术利用了以太网具有的简单、低成本、可扩展性强、与m 网络 和业务融合性好等特点。但由于以太网本质上是一种局域网技术，用于公用电信 网的接入领域时，在认证计费和用户管理、用户和网络安全、服务质量控制、网 络管理等方面需要发展和完善；此外，由于以太网接入需要进行综合布线、初期 投资成本高，在安装率低时经济效益差。所以，以太网接入主要适用于商业大厦 和用户分布集中、有较大业务需求的高档住宅小区。 宽带固定无线接入方式 现在主要的宽带固定无线接入技术有三类：多路多点分配业务( m m d s ) 、 直播卫星系统( d b s ) 以及本地多点分配业务( l m d s ) 。 本地多点分配业务l m d s 工作于2 0 4 0 g h z 频带上，传输容量可与光纤比拟，同 时兼有无线通信经济和易于实现、便于维护等优点。l m d s 基于m p e g 技术，从 微波视频分布系统( m v d s ，m i c r o w a v ev i d e od i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 发展而来。作为 一种新兴的宽带接入技术，它的宽带属性使其可以提供大量的电信服务和应用。 其优点在于：l m d s 工作频带宽、接入速率高、可靠性好；由类似蜂窝配置 的多个枢纽发送机组成，每个蜂窝区又分为多个扇区，可以根据用户需要在该扇 区提供特定业务；安装方便适于提供交互式电视和高速数据( i n t e r n e t 接入、局域 网互连等) ；复用率高、系统容量大、可扩展性好、启动资金较小、节省线路投资、 减少线路建设期、运营者仅在增加用户( 即有业务投入) 时才需要再增加资金投 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 入，可动态分配系统资源，降低了风险。 但是l m d s 的缺点决定了它不能全面推广，其缺点主要有：传输距离很短， 仅仅5 6 k m 左右，因而不得不采用多个小蜂窝结构来覆盖一个城市；多蜂窝系统 复杂；设备成本高；雨衰减太大，降雨时很难工作。l m d s 需要在用户上网设备 周边一定距离内有基站接收设备，而大规模铺设基站是不现实的。 电力线上网接入方式 电力线上网准确的名称是电力线通信技术，简称p l c ，是指利用电力线传输 数据和语音信号的一种通信方式。电力线高速数据通信实际上是利用目前已有的 宽带骨干和城域网，使用特殊的转换设备将i n t e r n e t 运营商提供的宽带网络信息接 入小区局端电力线，用户电脑只要通过电力调制解调器连接室内日用交流电源插 座即可上网。它能为用户提供高速的传输速率，信息传输速度可达1 0 m b p s ，能够 将整个家庭的电路与网络连为一体，在室内设备之间构造可自由交换信息的局域 网，使人们能够通过网络来控制家里的电器设备，同时也将促进信息家电的发展 与应用。 电力线上网接入方式的优点有：成本低、无处不在的电力线网络、利用电力 线上网能够提供高速的传输速率、该技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网 络联为一体使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。 利用电力线上网还有诸如网络资源丰富、施工方便、一线两用、价格低廉等 优点，目前在中国已经有若干小区在进行电力线上网实验或准商业运行。但是电 力上网的缺点也很明显，其缺点有：电力线上网存在不稳定和不安全的问题、带 宽拓宽问题、电信公司和技术公司对此技术热情不高。 h f c 网络接入技术 h f c 网络是利用现有的c a t v ( 有线电视) 网络的宽带特性，将本来单向广 播的网络改造成双向通信网络，最终为用户提供宽带接入业务。与传统的c a t v 网络的全铜轴电缆网相比，h f c 网络由光纤和同轴电缆混合组成。h f c 网络把光 纤和同轴电缆两种介质紧密的结合在一起，利用光纤取代了c a t v 网络中的远距 离传输同轴电缆，提高了信号的传输质量，并利用双向放大器取代单向放大器， 实现双向传输，使他们优势互补，形成了这种经济、有发展前途的多媒体宽带信 息高速网络。h f c 支持现有的、新兴的全部传输技术，其中包括a t m 、帧中继、 s o n e t 和s m d s ( 交换式多兆位数据服务) 。一旦h f c 部署到位，它可以很方便 地被运营商扩展以满足日益增长的服务需求以及支持新型服务。总之，在目前和 可预见的未来，h f c 都是一种理想的、全方位的、信号分派类型的服务媒质。 由于h f c 这种接入方式充分利用了现有c a t v 网络资源，改造起来相对简单， 用户所需费用较少，同时提供给用户较大的接入带宽，同另外几种接入网技术相 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 比，具有更高的性价比，更适合我国现有的国情。但是，h f c 接入网仍存在着诸 如“上行漏斗效应”，上行信道容量不足和网络通信协议复杂等问题。正是为了解决 这些问题，一种新型的h f c 网络诞生了。在新型h f c 网络中引入集中器。本文要 研究与设计的集中器在这种新型网中处于举足轻重的位置，在后面的章节中将具 体对集中器的结构和相关软件进行分析设计。 1 2 国内外研究现状 随着h f c 接入网技术的发展，业界研究的热点之一是对于现有h f c 网络及其 传输技术的改迸。概括来讲国内外目前流行的改进方案主要从两个不同的方面来 改善h f c 网络的传输性能。 一种方案就是并不改变当前的h f c 网络的拓扑结构，即仍然是基于一个 c m t s 对应多个c m ，多个c m 共享同一上行信道。改进的重点放在对当前协议的 进一步完善，如提出更先进更有效的调制解调方法以及c m t s 对多个c m 的调度 方法。对已得到普及的d o c s i s 协议进行改进便属于这种方案。与以前的 d o c s i s l 0 1 1 标准相比，d o c s i s 2 0 采用了同步码分多址( s - c d m a ) 和改进的 时分多址( a - t d m a ) 技术，包括高级物理层调制技术，在一定程度上可以缓解 噪声汇聚问题，增强上行信道的抗噪声性能，同时在一定程度上提高了数据传输 速率，并且与d o c s i s i 0 1 1 相兼容。但由于这些技术实现起来比较复杂，因此相 应设备的设计难度较高，整个系统的成本仍高居不下；同时，噪声汇聚等问题也 只是得到相对缓解，并未完全消除。因此，新版本d o c s i s 协议的提出及应用并 没有从根本上解决当前h f c 接入网所存在的所有问题，对于该接入技术的普及并 未起到显著的推动作用。 第二种改进方案就是对c m 的接入方式进行改进，也就是改变当前h f c 网络 的拓扑结构。在现有的标准c m 接入方式中，上下行经过的是同一物理信道，而 当初对c a t v 网络进行改造时完全按照下行信道的特性设计与施工的，容易产生 上行噪声汇聚问题。为了缓解上行信道的噪声汇聚问题，各市级广电局在对本地 c a t v 网进行改造时，就提出了多种c m 接入方式。比较典型的有以下几种：1 ) 在单向放大器前c m 接入，利用下行单向放大器对上行信号进行隔离；2 ) 上行传 输专用电缆接入，实现上下行物理信道的完全分离。这几种方式在实际网络改造 中已试用，都可以在一定程度上缓解上行汇聚噪声问题。但这种方案并不能解决 当前c m t s 功能太复杂，成本太高这个严重制约h f c 接入网技术推广的问题。 c m t s 仍然要负责对多个c m 进行调度以及上行信道带宽分配。同时上行信道共 享造成单个用户上行带宽不够大，不足以支持日益普遍的宽带业务，如电视会议， 视频点播等。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 h f c 网中集中器概念的提出使得对现有h f c 网络改造产生了一种新的方案， 除了我们这个研究组之外，目前国内外还没有基于这种概念的研究。集中器概念 的提出是符合我国实际住户分布情况的。在国外各用户是比较分散的，而我国就 相对比较集中，一般都采用小区的形式。同时由于集中器本身结构并不复杂，其 所采用的技术都已经非常成熟，整个h f c 网的运营成本也将有大幅度降低，有利 于h f c 宽带接入网技术的进一步推广。 1 3 本文研究的目的和研究内容 本课题所研究的集中器是一个全新的概念。作为c t s ( c o n c e n t r a t o rt e r m i n a l s y s t e m ，集中器头端系统) 与用户端的中间设备，集中器对于待转发的数据处理 有一套处理流程，在它的h f c 侧端由t c 层软件完成m p e g 2 一t s 流到新协议m a c 帧的恢复，接着由m a c 层处理完成新协议m a c 帧到以太网帧的桥接，最后由交 换模块转发到用户端。本文所要做的工作就是对新型h f c 网络协议中传输汇聚子 层和m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l 介质访问控制) 层有关数据传输流的处理部分进 行研究，并进行相关的软件设计。具体来讲本课题研究的内容主要包括以下几方 面： 首先是对新型h f c 网络与集中器采用的新协议进行研究。 然后进行集中器软件的设计，我所设计的软件主要为协议的传输汇聚子层到 m a c 层部分的软件，同时还包括集中器其它功能模块所需要的软件。由于整个协 议的研究以及集中器软件设计由我和其他同学合作完成，所以我所要具体设计的 软件主要包括以下一些模块： 集中器传输汇聚子层中混合传输数据的识别和分类。 m a c 层下行m a c 帧的解封装处理。 m a c 层管理报文的软件处理。 交换模块的软件设计。 1 4 论文的内容安排 第一章，绪论，主要阐述课题的意义、国内外现状和课题的主要研究内容。 第二章，新型h f c 网与集中器。 第三章，集中器传输汇聚子层软件设计。 第四章，集中器的m a c 帧软件设计。 第五章，交换模块及软件设计。 第六章，总结。 重庆大学硕士学位论文 2 新型h f c 网及其集中器 2 新型h f c 网及其集中器 2 1 新型h f c 网的结构 在九十年代中、后期，基于为普通用户和企业提供宽带接入以享受高速互联 及访问i n t e r n e t 的技术日趋成熟。利用广电有线电视线路接入到千家万户以实现电 视、电话、计算机三网合一的c a b l em o d e m 方式无论在技术上还是在应用范围上 在全球已成为了一种切实可行的宽带接入方式。 现有的h f c 网络接入的网络结构如图2 1 所示。如绪论所述，它存在很多问 题，并且至今没有得到根本的解决。从目前来看，正是这些问题制约了h f c 网络 接入的大范围推广应用。 本文讨论的集中器是该新型网络中的一个关键设备。这种新型接入网融合了现 代以太网交换技术和现有h f c 网络接入技术，采用了新的传输机制和传输协议， 有效的解决了原有h f c 网络接入技术中存在的多种问题：如漏斗效应、汇集均衡 等。 图2 1 原来h f c 网络结构 f i g 2 1o l dh f cn e t w o r k a r c h i t e c t u r e 总之，新型h f c 接入网采用新的传输机制和传输协议有效的克服了原有基于 d o c s i s 协议的接入所存在的诸多问题，简化了设备和协议，在提高了网络性能的 前提下还使得建网成本更低，可提供一个真正的全业务网。 6 重庆大学硕士学位论文 2 新型h f c 网及其集中器 2 2 集中器的需求分析 在传统的h f c 双向传输网络中，一个c m t s 一般情况下可以接1 0 0 0 - - 1 5 0 0 个c m ，c m t s 负责对这众多的c m 进行调度管理，则c m t s 的实现必然很复杂， 其价格不菲，一般的c m t s 价格在1 5 万左右。仅c m t s 一项对h f c 网络运营商 来说已是很大的开支。在市场经济条件下，追求设备更高的性价比是每个运营商 所关注的事情。成本太高也很大程度上限制了此种接入技术的普及。集中器的实 现应该足够简单，所需成本低，同时简化其他设备如c m t s 等的实现，进而降低 整个网络的运营成本。 针对以上的分析，我们对集中器的需求主要从以下几个方面进行考虑： 业务需求：考虑到位于用户端的综合业务终端设备对各种业务的需求，集中 器必须能够同时承载传统的窄带业务，如w w w 、f t p 、电子商务等，和基于音频、 视频流的各种新型的宽带增值业务，如视频点播、交互数字电视、i p 电话、可视 电话、互动游戏、远程教育、远程医疗、会议电视等业务。 功能需求：要满足以上的业务需求，集中器必须能够较好的支持o o s ( 服务质 量) ，提供较高的安全保证，需要对组播技术以及v l a n ( 虚拟局域网) 技术的支 持。 性能需求：根据以上的业务需求，集中器的上下行传输速率必须能够保证对 以上业务的传输。另外，集中器还必须保证极高的安全性以及对用户设备的较好 的管理功能。 接口需求：为了便于对集中器进行远程管理，提供一个以太网口作为管理端 口，实现集中器到网络的快速接入；另外，还需要一个以太网口作为开发初期映 象文件的高速f t p 下载端口，投入使用后作为备用管理端口，保证设备的高可靠 性和稳定性；有时候也需要对集中器进行本地管理与维护，提供一个低速的串口， 同时，该接口在开发初期可以作为整个系统的调试端口。 显然，集中器必须能够解决前面分析的问题，并且满足以上的需求。它位于 c m t s 与用户设备之问，与c m t s 是点到点连接，同时，为每个用户提供一个与 其相连的端口，因此它必然是一个多端口设备，且提供到c m t s 的射频接口。另 外，从上面的分析可以看出，它还必须具有交换功能。为了尽量降低集中器的成 本及其兼容性，对它的设计我们应尽量采用已经非常成熟且普及的技术。集中器 与多个用户间是一种基于星型结构的连接关系，集中器要能实现同一幢楼里的一 个用户对另一个用户的访问，而不必涉及到远端的c m t s 。 综合来讲，集中器的加入实现了用户对服务质量的要求，以及对多媒体应用 和交互式应用的要求，以最低的价钱享受到最满意的服务。用户在家中就可以很 轻松的享受到以下服务：i n t e m e t 接入；多媒体信息服务；目录业务；家庭购物； 7 重庆大学硕士学位论文 2 新型h f c 网及其集中器 娱乐式新闻；电子购物，电子图书馆等；电子邮件；电视会议；可视电话；交互 式游戏；v o d ( 视频点播) 等。 2 3 集中器的结构 2 3 1 软硬件体系 集中器下行处理的硬件结构 集中器下行数据处理主要包含三个模块：数据交互、视频处理及交换处理， 它们采用软件来实现。基于这些功能的实现，集中器的下行处理硬件需要三个主 要模块：主控芯片、高频接口、交换芯片。其结构如下图所示。集中器的主控芯 片基于a r m 9 2 0 t 内核，是1 6 3 2 精简指令集微处理器，最大主频为2 0 3 m h z ，内 部包括以下部件，两个独立的1 6 k 指令高速缓存和1 6 k 的数据高速缓存，虚拟内 存管理器m m u 单元，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 个具备脉冲宽度调制功能的 定时器，i o 端口，实时时钟，8 通道1 0 位的a d c ，i i c 总线接口，u s bh o s t ， u s bd e v i c e ，2 通道的s p i 等。它提供6 4 mn a n df l a s h ，6 4 m b y t e ( 3 2 m b y t e x 2 ) 的s d r a m ，2 个串口，主从u s b 口，j t a g i c e 调试接口，i i c 总线接口，s p i 接口，u a r t 接口，i i s 数字音频输入输出接口，e i n t 外部中断接口，一个i o m 以太网c i ( c s 8 9 0 0 ) 和一个1 0 1 0 0 m 自适应的以太网d ( d m 9 0 0 0 ) 。 图2 2 集中器下行处理硬件结构图 f i g 2 2h g d w m es t r u c t u r eo f c o n c e n t r a t o r d o w n s t r e a mp r o c e s s i n g 集中器h f c 侧的高频接口采用意法半导体公司的解调芯片来实现m p e g 2 一t s 重庆大学硕士学位论文2 新型h f c 网及其集中器 流的接收和q a m 解调。它可以提供一个完整的q a m 解调单片解决方案，可以用 于压缩的音、视频数字信号传输及电缆上的数据服务。该芯片可以处理符合d v b c 和i t uj 8 3 a i t uj 8 3 c 的比特流，并且适用于1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 和2 5 6 q a m 的解调。 芯片集成了一个a d 变换器，采用直接中频取样( d i r e c ti fs a m p l e ) 的结构，其性能 可以处理高达2 5 6 q a m 的调制信号。输入的中频信号频率可以允许高至4 4 m h z ， 因此可以省掉片外的下变频环节。q a m 中频信号经a d 变换器进入片内以后，所 有的进一步处理都在数字域进行。正是由于如此高的集成度，它非常适合用在机 顶盒、电缆调制解调器等消费品中。除了实现标准的q a m 解调功能外，片内还包 括f e c 功能。此外还可以输出一些信号质量和锁定状态的简单的实时的信息。为 了构成完整的应用系统，芯片设计了一些必要的接口，包括对调谐器产生控制作 用的r f a g c 和i f a g c 接口，以及无噪声的i i c 转发接口。高频接口输出经过纠 错的t s ( 传输流) ，可以直接和系统的后端处理器连接。 交换芯片采用b r o a d c o m 公司的b c m 5 3 3 8 ，它有8 个1 0 m 1 0 0 m b i t s 端口， 每个端口都支持1 0 m b i t s s 和1 0 0 m b i t s s 数据速率，操作模式由p h y 自动协商， 具有全双工能力。还有一个独立的m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 端口，通过 外接p h y 设备，也可作为普通端口用。因此一块b c m 5 3 3 8 m 芯片可以提供9 个 端口，4 块这样的芯片通过速度高达3 2 g b p s 的扩展端口相连可以构成3 6 个端口 交换。交换模块是可管理的，整个模块的初始化和配置都由管理及控制模块中的 2 4 1 0 来完成。当b c m 5 3 3 8 m 的网络管理功能被激活后，每个芯片的所有端口的网 络统计将被采集并存储以便网管代理( 一般由c p u 充当) 使用。b c m 5 3 3 8 m 里提 供了两种管理方式，一种是基于m i i 端口的，另一种则基于s m p 端口。前者可保 证大流量管理信息的传送，主要用于管理要求较高的情况，而后者对交换芯片的 管理主要基于对交换芯片内部相关寄存器的读写，读写带宽窄。我们选用的是基 于s m p 端口的管理方式，主要因为整个集中器设备中，c p u 对b c m 5 3 3 8 m 的管 理集中体现在对存放配置信息的相关寄存器的访问，整个通信量并不大，同时通 过s m p 端口进行管理，可以空闲出m i i 端口，扩展成普通端口用，提高了整个设 备的利用率。对于交换模块与管理及控制模块的连接，我们采用的是基于插座的 连接方式，这样的设计更加灵活且节省电路板空间。 集中器的软件体系 集中器作为一种嵌入式设备，以应用为中心，软硬件可裁减，对功能、可靠 性、成本、体积、功耗等综合性有严格的要求。集中器主要由嵌入式处理器，相 关支撑硬件，嵌入式操作系统及应用软件等组成，它是可独立工作的“器件”，因此 集中器的嵌入式软件体系里面最重要的两个是嵌入式操作系统和应用软件。 一般地，我们选择嵌入式操作系统需要考虑以下几个方面。 9 重庆大学硕士学位论文 2 新型h f c 网及其集中器 1 ) 可移植性 当进行嵌入式软件开发时，可移植性是要重点考虑的问题。软件的通用性和 软件的性能通常是矛盾的，即通用以损失某些特定情况下的优化性能为代价，很 难设想开发一个嵌入式浏览器而仅能在某一特定环境下应用。嵌入式l i n u x 操作系 统支持众多的平台，比如a r m ，m i p s 等，可移植性好。 2 ) 可利用资源 产品开发不同于学术课题研究，它是以快速、低成本、高质量的推出适合用 户需求的产品为目的的。集中精力研发出产品的特色，其他功能尽量由操作系统 附加或采用第三方产品，因此操作系统的可利用资源对于选型是一个重要参考条 件。l i n u x 和w i n c e 都有大量的资源可以利用，这是他们被看好的重要原因。其 他有些实时操作系统由于比较封闭，开发时可以利用的资源比较少，因此多数功 能需要自己独立开发。从而影响开发进度。近来的市场需求显示，越来越多的嵌 入式系统，均要求提供全功能的w e b 浏览器。而这要求有一个高性能、高可靠的 g u i 的支持。 3 ) 系统定制能力 信息产品不同于传统p c 的w i n t e l 结构的单纯性，用户的需求是千差万别的， 硬件平台也都不一样，所以对系统的定制能力提出了要求。l i n u x 由于其源代码开 放的天生魅力，在定制能力方面具有不可比拟的优势。随着w i n c e 3 0 原码的开放， 以及微软在嵌入式领域力度的加强，其定制能力会有所提升。 4 ) 成本 成本是所有产品不得不考虑的问题。l i n u x 免费，w i n c e 等商业系统需要支付 许可证使用费，这是对选择操作系统的最大诱惑之一。 综上考虑，我们选择的操作系统是嵌入式l i n u x 。 嵌入式l i n u x 最大的特点是源代码公开并且遵循g p l 协议，现已成为研究热 点，据i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来两年的嵌入式操作系统份额的5 0 。由于 其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很容易。遵 从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件可用。其中大部分都 遵从g p l ，是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。有 大量的免费的优秀的开发工具，且都遵从g p l ，是开放源代码的。有庞大的开发 人员群体。无需专门的人才，只要懂u n i x l i n u x 和c 语言即可。随着l i n u x 在中 国的普及，这类人才越来越多。所以软件的开发和维护成本很低。优秀的网络功 能，这在i n t e m e t 时代尤其重要。稳定这是l i n u x 本身具备的一个很大优点。 内核精悍，运行所需