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摘要 三网融合的全业务运营要求接入网有足够的带宽，并能保证不同类型业务的 q o s 需求。h i n o c 技术基于我国楼内分布广泛的同轴电缆网络，能够为用户提供 最后1 0 0 米范围内的有效的宽带接入，结合f t t b 技术即可实现能够满足全业务 运营需求的宽带接入网。 本文主要研究了h i n o c 技术的分组调度机制。首先对h i n o c 协议以及原型 样机平台进行了介绍，对h i n o cm a c 协议的性能进行了较为详细的分析。然后 对现有分组调度算法进行了分析研究。在此基础上提出了一种适合于h 1 n o c 系 统的分组调度算法，详细阐述了该算法的设计思想；该算法具有如下特点：多节 点之间公平分配资源，支持低时延队列和突发性业务，动态分配带宽，较高的信 道利用率，可配置的节点流量和带宽管理，结构清晰、灵活、扩展性强。最后基 于h i n o c 系统原型样机平台对上述算法进行了实现和初步测试。 关键词：h i n o cq o s 分组调度算法 a b s t r a c t t h ef u l l - s e r v i c eo p e r a t i o no ft r i p l e - n e t w o r kc o n v e r g e n c er e q u i r e st h a tt h ea c c e s s n e t w o r kh a ss u f f i c i e n tb a n d w i d t ha n dc a ng u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n t t y p e so fs e r v i c e s b a s e do nt h ec o a x i a ln e t w o r k ，w h i c hi sw i d e l yd i s t r i b u t e di nt h e r e s i d e n t i a lb u i l d i n g si no u rc o u n t r y , 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 ) c a np r o v i d es u b s c r i b e r sw i t he f f e c t i v eb r o a d b a n da c c e s si nt h el a s t10 0 - m e t e rs c o p e t o g e t h e rw i t ht h et e c h n o l o g yo f f i b e rt ot h eb u i l d i n g ( f t t b ) ，h i n o cc a nc o n s t r u c t t h eb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r kt h a tc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so ff u l l s e r v i c eo p e r a t i o n o ft r i p l e - n e t w o r kc o n v e r g e n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep a c k e ts c h e d u l i n gm e c h a n i s mo fh i n o c f i r s t , t h e h i n o cp r o t o c o la n dt h ep r o t o t y p ep l a t f o r ma r ed e s c r i b e d ，a n dt h ep e r f o r m a c eo f h i n o cm a ci sa n a l y s e di nd e t a i l t h e nt h ee x i s t i n gp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r e d i s c u s s e d b a s e do nt h e s e ，ap a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mt h a ti ss u i t a b l ef o rh i n o ci s p r e s e n t e d , w h o s ed e s i g ni d e ai se l a b o r a t e di nd e t a i l t h i sa l g o r i t h mh a st h ef o l l o w i n g f e a t u r e s ：f a i ra l l o c a t i o no fr e s o u r c e sa m o n gs u b - n o d e s ，s u r p o r tl o w - l a t t e n c yq u e u ea n d b u r s t i n gs e r v i c e s ，d y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，h i g h e ru t i l i z a t i o no fc h a n n e lc a p a c i t y , c o n f i g u r a b l em a n a g e m e n to ft h ef l o wa n db a n d w i d t ho fs u b - n o d e s ，a r c h i t e c t u r ei sc l e a r , f l e x i b l ea n dh a v es t r o n ge x p a n s i b i l i t y i nt h ee n d ，t h ea l g o r i t h mi si m p l e m e n t e da n d p r e l i m i n a r i l yt e s t e db a s e do nt h eh i n o cp r o t o t y p ep l a t f o r m k e y w o r d s ：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 m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 当今的世界已步入信息化的时代，人们对信息的需求飞速增长，而传统的电 信网、电视网和互联网各自支持不同的业务，互不相通，这极大地限制了人们获 取信息的途径，也严重阻碍了信息化社会的发展。为此，我国在“十一五发展 规划中就对“三网融合 提出了明确的要求，并已将“三网融合 作为重要任务 纳入国家发展战蚪1 1 。 由于传统的三网都有各自的网络设施，再加上竞争的需要，“三网融合”不可 能做到物理网络的融合，而是高层应用的融合，表现为技术上趋于一致，网络层 上实现互联互通：业务层上互相渗透和交叉，都趋向于全业务【2 1 。 全业务的运营目标，对网络设施的带宽提出了更高的要求。在语音、数据和 视频中最消耗带宽的就是视频业务，以p 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 ) 等流 媒体业务为例，按m p e g 2 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 的编码方式，传输一 路数字标清电视信号需要6 m b p s 的带宽，而传输一路数字高清电视信号则需要 2 5 m b p s 的带宽。假设一户普通家庭同时收看2 套标清电视和1 套高清电视节目， 再加上音频和部分上网带宽，则每户所需接入速率至少为4 0 m b p s 3 1 。如何满足如 此大的带宽需求，是“三网融合 技术层面首先要解决的问题。 如今的宽带信息网主要由骨干网和接入网两部分组成，骨干网统一采用了光 纤技术，其传送能力可以满足各种业务的需求，而接入网方面则由于各种原因存 在参差不齐的多种技术，难以满足“三网融合业务在带宽和q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 等方面的接入需求。 在接入网方面，为满足高带宽需求，目前主流的技术趋势是删( f i b e rt o t h eh o m e ) 或f t t b ( f i b e r t ot h eb u i l d i n g ) + 楼内最后1 0 0 米，前者由于技术成 本等原因，短期内还无法大规模展开，而后者的技术和成本优势明显，在相当长 一段时期内将起主要作用。在楼内最后1 0 0 米的范围内，分布广泛的有线电视网 具有得天独厚的频带宽、容量大、抗干扰能力强、无需重新布线等优点，所以基 于同轴电缆进行宽带接入是最后1 0 0 米接入技术的首选。 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 ) 正是面向“三网融合”的宽 带接入需求，基于同轴电缆的、由我国自主提出的新型宽带接入技术。其单信道 带宽为16 m h z ，采用o f d m ( o r t h o g o n a lf 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 ) 调制 技术，基于预约许可机制进行信道接入控制和带宽分配，m a c ( m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 层带宽可达4 0 m b p s ，可以满足m t v 等流媒体业务的带宽需求。 2 h i n o c 系统的调度机制研究 在全业务运营中，网络上的业务多种多样，其对时延、抖动、丢包率等网络 性能指标的需求各不相同，所以h i n o c 技术需要根据业务特性对业务提供适合 其需要的服务。h i n o c 在设计的过程中，对不同类型的业务划分了不同的优先级， 可以基于优先级对业务提供q o s 保证。在h i n o c 技术的实现中，有一系列的q o s 技术可供采用，包括分组分类和标记、通信速率管理、队列管理、排队和调度等。 其中调度技术决定着分组的输出次序，因此也就决定着分组的时延、抖动以及带 宽资源的具体分配，对q o s 保证起到至关重要的作用。本文将围绕着h i n o c 技 术的调度算法进行一些研究，通过借鉴现有分组调度算法的思想，设计一种适合 h i n o c 系统特定需求的调度算法，并将在h i n o c 原型样机平台上对算法进行实 现和初步测试，以期对h i n o c 技术的研究做出一些贡献。 1 2 本文的工作和内容安排 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 。本文主要研究了h i n o c 技术的分组调度机制的设计与实现。首先对 h i n o c 协议以及原型样机平台进行了介绍，对h i n o cm a c 协议的性能进行了 较为详细的分析。然后对现有分组调度算法进行了分析研究。在此基础上提出了 一种适合于h i n o c 系统的分组调度算法，详细阐述了该算法的设计思想；该算 法具有如下特点：多节点之间公平分配资源，支持低时延队列和突发性业务，动 态分配带宽，较高的信道利用率，可配置的节点流量和带宽管理，结构清晰、灵 活、扩展性强。最后基于现有实验条件，在h i n o c 系统原型样机平台上对上述 算法进行了实现和初步测试。 本文的内容安排如下： 第二章对h i n o c 技术进行介绍，具体包括h i n o c 协议，其中重点介绍m a c 层的预约许可机制；h i n o c 原型样机平台；h i n o c 技术的m a c 层性能计算分 析。 第三章对现有分组调度算法进行简要综述，分析各种算法的优缺点以及适合 支持的业务类型。 第四章设计一种适合h 1 n o c 系统需求的调度算法，其中首先对h i n o c 分组 调度算法的设计要求进行介绍和分析，然后详细描述针对这些要求设计的调度算 法，包括其框架、流程以及实现机制等，最后对上述算法在h i n o c 原型样机平 台上进行实现和初步测试。 第五章论文工作总结。 第二章h i n o c 技术3 第二章h i n o c 技术 本章首先对h i n o c 协议进行了简要介绍，然后介绍了依据h i n o c 协议开发 的原型样机平台，最后对h i n o cm a c 协议的性能进行了计算分析。 2 1 1 概述 2 1h i n o c 协议 h i n o c 技术主要用于与f t t b 技术结合，利用楼内已有的、分布广泛的同轴 电缆，在最后1 0 0 米的范围内，为用户提供低成本的高速数据接入。其主要技术 指标如下： 单信道带宽为1 6 m h z ； 单信道即单个h i n o c 网络支持最多3 2 个用户； 网络覆盖范围不小于1 0 0 米； m a c 层最大传送速率不低于4 0 m b p s ： 采用o f d m 自适应调制，支持d q p s k ( d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f t k e y i n g ) 、q p s k 1 0 2 4 q a m ( q u a d r a c t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 的调制方式； 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 i p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 、h d t v s d t v ( h i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n s t a n d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 、v o d ( d c 0o nd e m a n d ) 、高速上网等 传统与新型业务。 从物理拓扑上看，h i n o c 网络是总线型结构：从逻辑拓扑上看，h i n o c 网 络是点到多点的星型结构。星型拓扑结构适应于接入控制的需要，中心节点h b ( h i n o cb r i d g e ) 处于中心控制的地位，各子节点h m ( h i n o cm o d e m ) 与 中心节点通信并受其控制，子节点之间不能直接通信。 h i n o c 协议包括物理层( p h y 层，简称h i p h y ) 和媒质接入控制层( m a c 层，简称h m a c ) 两部分，其协议栈模型如图2 1 所示。 4 h 1 n o c 系统的调度机制研究 高层 么 弋夕 工 汇聚子层( c s ) i 公共部分子层( c p s ) 物理层 爱 图2 1h i n o c 协议栈模型 p h y 层定义了传输信号的帧结构、信道编码以及调制技术。 m a c 层定义了媒质接入控制和业务适配等功能，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 ) 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 ) 两个子 目 力譬o c s 实现m a c 层核心功能与高层功能的适配，包括业务分类、地址学习、帧 转发、打包拆包等功能；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。 2 1 2p h y 层协议简介 h i n o c 发射机的功能模块构成如图2 2 所示： 数据流 扰 码 图2 2 发射机功能框图 来自上层的数据和信令信息经过加扰、前向纠错信道编码( 可选) 、星座映射、 o f d m 调制及插入循环前缀后，组成不同类型的帧，再经过基带到射频信号的变 换，最后通过射频单元发射。 其中前向纠错编码，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编码，或在参数分别为( 5 0 8 ，4 7 2 ) 和( 5 0 4 ，4 3 2 ) 的b c h ( b o s e c h a u d h u r i h o c q u e n g h e mc o d e ) 截短码中选择一种进行前向纠错编码。 所采用的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 。 为了抑制对于相邻信道的干扰，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 3 所示。 第二章h i n o c 技术 5 子载波编号： 1 2 8 - 1 5 01 5 1 - 2 5 501 - 1 0 51 0 6 - - 1 2 7 s ( i ) 。 s ( 1 0 5 ) s ( 1 0 6 ) 。 s ( 2 1 0 ) 口 有效子载波 囫 空闲子载波 图2 3h i n o c 子载波定义 其中o f d m 符号由循环前缀和o f d m 数据体构成，循环前缀长度为l u s ， o f d m 数据体长度为1 6 u s ，因此o f d m 符号长度为1 7 u s 。 p h y 层的帧分为四种，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 4 所示： 前导序列负载段 图2 4h i n o c 物理层帧结构 前导序列长度为4 u s 。其中p d p u 帧用于承载m a c 层的信令帧，负载段由两 个o f d m 符号组成；d d d u 帧用于承载m a c 层的数据帧和控制帧，负载段最多 可包含2 5 6 个o f d m 符号。 2 1 3m a c 层协议介绍 m a c 层采用基于预约许可的t d d t d m a ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 的双工多址方式，在中心节点的集中控制下，实现无冲 突的信道接入和灵活的带宽分配。 2 1 3 1 与p h y 层的关系 m a c 层帧分为三类，控制帧、数据帧和信令帧。其中控制帧包括预约帧( r 帧) 和m a p ( m e d i aa c c e s sp l a n ) 帧，用于实现信道预约和信道分配功能，数据 帧用于承载高层业务( 主要是以太网帧) ，信令帧用于实现m a c 层的节点接纳、 链路维护等功能。 控制帧和数据帧结构相同，包括首部、载荷和尾部三部分，由p h y 层的d d d u 6 h i n o c 系统的调度机制研究 帧承载。当物理层采用前向纠错时，封装方式如图2 5 所示，控制帧和数据帧要 先通过比特0 填充，使其长度变为4 7 2 比特或4 3 2 比特的整数倍，然后再封装到 p h y 层d d d u 帧中的负载段中。采用4 7 2 比特对应于( 5 0 8 ，4 7 2 ) b c h 截短码， 采用4 3 2 比特对应于( 5 0 4 ，4 3 2 ) b c h 截短码。 控制帧和数据帧 堕塑鍪塑星塑 d d d u 帧 首部 载荷尾部填充 一一一一一一一一一一4 7 五i 裔西五赫丽i 瓣一一一一一一一一一叫 广一一一j l 一一j i 堕呈堡型! l垒整堡! _ j 图2 5 控制帧和数据帧封装方式 当物理层不采用前向纠错时，数据帧和控制帧不需要进行比特填充，直接封 装到d 栅) u 的负载段中即可。 对于数据帧和控制帧，o f d m 调制中各子载波的调制方式将根据节点接纳 链路维护过程中的信道训练结果，自适应采用从q p s k 1 0 2 4 q a m 的调制方式。 信令帧分为下行信令帧和上行信令帧，其帧结构包括首部和载荷两部分，由 p h y 层的p d p u 帧承载。若信令帧长度小于p h y 层p d p u 帧中的最大有效信令 数据长度，则通过比特0 填充至最大有效信令数据长度。如图2 6 所示。 图2 6 信令帧的封装方式 若信令帧长度超过最大有效信令数据长度，发送端应当通过分片机制将信令 帧分为多片分别传送。分片机制如图2 7 所示。接收端必须将属于同一信令帧的 多个分片重新聚合后再处理。 第二章h i n o c 技术7 图2 7 信令帧的分片 对于信令帧不进行前向纠错编码，o f d m 调制的各子载波固定采用d q p s k 的调制方式。 2 1 3 2 汇聚子层( c s ) c s 负责接收高层的协议数据单元( p d u ) ，并将高层p d u 映射到c p s ，以及 进行反方向的操作。高层p d u 为以太网m a c 帧，e m a c 帧。c s 实现的具体功 能包括：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。 其中数据帧打包功能是将发往同一个h i n o c 目的结点且优先级相同的多个 e m a c 帧组合成一个h i m a cp d u 后，在h i n o c 网络内发送。打包后的h i m a c 帧结构如图2 8 所示。每个s d u 表示一个e m a c 帧。 e m a c 帧 打包 数据帧 图2 8h i n o c 对e m a c 帧的打包 子帧长度( s u b f r a m eu n g t h ) 域的取值等于子帧长度域与其后s d u 域 的长度之和。h i m a cp d u 最大长度限制为4 6 0 0 字节。 打包机制旨在提高h i n o c 网络的传送效率。同时，为了保证各类业务通过 h i n o c 网络的时延特性，协议规定，在实现打包时，只要符合以下两个条件之一， 8h i n o c 系统的调度机制研究 都应将s d u 队列中已有的各s d u 立即打包构成一个h i m a cp d u ：一是当多个 s d u 打包构成的h i m a cp d u 达到最大长度限制；二是s d u 队列内各s d u 的最 大排队时延达到设定门限。各时延门限的取值，与网络整体结构、应用场景和业 务特性等因素有关。 打包之后传输的h i m a cp d u 在到达h i n o c 目的结点c s 后，进行相应拆包， 还原出各个e m a c 帧并交给高层。对控制帧，不进行打包操作。 优先级映射是确定高层p d u 与h i n o c 优先级之间的映射关系。上层以太网 帧在进入h i n o c 网络时，根据e m a c 帧内指示的优先级等参数，将上层以太网 业务映射为h i n o c 网络内的相应优先级。 h 1 n o c 网络可以提供8 个优先级，从高到低分别为优先级7 一o 。优先级的 映射策略应根据实际的应用场景、业务类型及其特性等确定。 协议规范给出了优先级3 一o 的映射建议( 其余优先级值保留) ：优先级类型 3 对应网络管理帧；优先级类型2 对应以v o i p 为代表的迟延敏感的实时交互性业 务；优先级类型1 对应以口t v 为代表的流媒体业务；优先级类型0 对应b e 业务。 2 1 3 3 公共部分子层( c p s ) c p s 实现信道的访问控制与带宽分配。其信道分配的主要机制如下： ( 1 ) 各个h m 必须先接纳到h i n o c 网络后，才能访问信道。 ( 2 ) h m 被接纳到网络后，其对信道的访问完全在h b 的集中控制下进行。 ( 3 ) h b 将信道划分为在时间轴上连续且互不重叠的时间段，每个时间段称 为一个m a p 周期。在每个m a p 周期中h b 通过发送一种特定的m a p 帧向各结 点发布下一m a p 周期的起止时刻以及该周期内的信道分配方案。 ( 4 ) 各h m 通过预约肼可机制实现信道访问。在每个m a p 周期内，h b 为 h m 分配预约帧发送时隙，h m 利用各自的预约时隙向h b 预约信道。h b 收到预 约帧后，通过m a p 帧发布信道分配方案。下行数据不需要预约信道，由h b 直 接在m a p 帧中规定发送时隙。 ( 5 ) 在信道分配的过程中，协议支持基于优先级的q o s 保障。 下文中的常量参数的具体数值，请参考协议规范。 第二章h i n o c 技术9 2 1 3 3 1 预约许可机制 1 ) 脚周期 h i m a c 协议中整个信道( 物理层p d 、p u 帧除外) 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 周期内有一个m a p 帧。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，由上一m a p 周期的m a p 帧进行规划。 如图2 9 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。 图2 9 信道上的m a p 周期 一个m a p 周期内可以发送多个预约帧和上下行数据帧，但只能包含一个 m a p 帧。 m a p 周期取值为t m a p 嗍e 。 m a p 周期内各帧之间要保留一定的帧间隔。相邻上行( 或下行) 各帧间的帧 间隔称为i f g ，其取值为t i f g 。下( 上) 行帧和相邻上( 下) 行帧之间的帧间隔 称为ri f g ，其取值为t r 鹏。 m a p 周期的规划方案建议如图2 1 0 所示；图中所示的一个m a p 周期内，信 道上依次发送上行数据帧、预约帧、下行数据帧、m a p 帧。 ： 删 预约帧朦下行数据帧 下行数据帧 目m a p 帧荟 l 上行数据帧 上行数据帧 、墨 预约帧 i 剽 r , n 图2 1 0m a p 周期的规划 一个m a p 周期内最后一个预约帧结束时刻和m a p 帧开始时刻的最小时间间 隔为t p a , l ；当前m a p 周期内m a p 帧结束时刻和下一个m a p 周期内第一个预约 帧开始时刻的最小间隔为t m r 。 m a p 帧帧结构如图2 1 1 所示，其载荷部分包括m a p 子首部、一个或多个许 可单元( g e ) 。 m a p 子首部用来指明下一m a p 周期的起止时刻。一个g e 对应h b 规划的 一个m a c 帧。g e 用来指明下一m a p 周期内对应m a c 帧的信息，包括目的源 结点标识( d e s t i n a t i o nn o d ed s o u r c en o d ei d ) 、帧类型 ( f r a m en 旧e ) 、许可单元i d ( g ei d ) 、所占用的o f d m 符号个数 1 0 h i n o c 系统的调度机制研究 ( 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 u r a t i o n ) 。 图2 1 1m a p 帧结构 m a p 帧内的最大g e 个数为n g e 。 h i n o c 网络以p d 帧的起始时刻作为网络统一的时间基准，每个m a p 周期 起止时刻均是相对于所属p d 周期( 长度为t p dc y c l e ) 中p d 帧起始时刻的偏移时 间。m a p 周期不能跨越p d 、p u 帧。 p d 帧和m a p 帧的联系是：在p d 帧中，指出了其后第一个m a p 帧的起止位 置。 p d p u 帧与其相邻的h i m a c 帧之间，应保留一定的帧间隔，称为pi f g ，其 取值为t pi f g 。 2 ) 预约 各h m 使用预约帧向h b 请求带宽。预约帧的格式如图2 1 2 所示。其载荷部 分包括一个预约子首部( r e s e r v a t i o ns u b h e a d e r ) ，并紧跟零个或多个预约单元 ( i 也) 。预约子首部包括本预约帧中预约单元的个数( r en u m ) 、链路维护请求 ( l m _ r e q ) 、继续预约标识( r e s e r v a t i o n f l a g ) 及其优先级( p r i n e x t ) 。 每个预约单元( r e ) 中包含预约一个帧的相关信息，包括该帧类型 ( f r a m e t y p e ) 、预约单元标识( r e i d ) 、优先级( p r i ) 、所占用的o f d m 符号个数( o f d mn u m ) 和信道占用时长( d u r a t i o n ) 。 j 二二二二! ：二二 二：三 ，竺搴燮竺竺= f = = 二二= i = = ：娶= ：二辱雩蒡i 。r e i 到堂h 釜lr e ，l ”j r e n l 同面亘一叵盛豇面司 图2 1 2 预约帧格式 各h m 必须按照m a p 帧的规定，在h b 分配给自己的预约时隙发送预约帧。 h b 收到该预约后，若同意其发送，则在后续的m a p 帧中为其分配上行数据帧发 送时隙。之后，h m 在规定的时机向h b 发送信息。 每个m a p 周期最多分配n r s 个预约帧发送时隙。 每个m a p 周期内为每个h m 只能分配一个预约帧发送时隙。 h b 要保证在n m a pc y c l e 个m a p 周期内，为每个h m 至少分配一次预约帧 发送时隙。 第二章h i n o c 技术1 1 获得预约帧发送时隙的h m 每次可以为自己预约多个数据帧的传输时隙。每 个预约的数据帧用一个r e 描述。 r ei d 用于区别预约帧中的不同r e 。h m 必须保证预约帧各r e 中r ei d 的唯一性。 p r i 域指示所预约发送帧的优先级。h m 在生成预约帧时，应当按照优先级 高低顺序安排各r e 内容，即将高优先级帧的r e 放在低优先级i 也的前面。 当h b 给某个h m 分配了预约帧发送时隙，该h m 不论是否有数据要发送， 都必须返回一个预约帧。如果没有数据要发送，该预约帧不包含任何r e 。 如果h m 在连续n n or s v 个预约帧发送时隙中都没有发送预约帧，则f i b 应 将其从网络中删除，不再为其分配信道资源。如果h m 在t n or s v 内没有获得预 约帧发送机会，则认为已被h b 从网络中删除。如果该h m 希望再次加入这个 h i n o c 网络，只能通过新结点接纳流程加入。预约帧内的l m 域用于req h m 向h b 请求进行链路维护。当h m 发现链路状况发生变化时，通过该域向h b 指 示，请求启动h b 针对该h m 的链路维护过程。 r e s e r v a t i o nf l a g 域用于继续预约指示。当h m 还有数据要发送，希望 尽快再次获得预约帧发送时隙时，将该域置为l ，并利用p r in e x t 域指示要发 送数据的优先级。 3 ) 许可 h b 收到预约帧后，利用m a p 帧发布下一m a p 周期的信道分配方案。 m a p 帧中的一个g e ，对应下一m a p 周期内要传送的一个上行下行帧。对 于上行数据帧，一个g e 表示对h m 发送的预约帧中某个r e 单元的许可。h b 必 须保证m a p 帧中每个g e 的g ei d 与对应r e 中的r ei d 相同。 对于来自某个h m 的预约帧，h b 必须在为h m 规划下一个预约帧之前要么 在m a p 帧中准许该预约帧中某个r e 的带宽请求，要么拒绝其带宽请求。如果一 个h m 在发送下一个预约帧之前还没有收到来自h b 对前一个预约帧中某个r e 的许可，则认为前一次发送的r e 被h b 拒绝，h m 在新预约帧中可以重新发送 对该帧的预约。 h b 在分配信道时，优先为高优先级的帧分配信道。 对于具有相同优先级的所有r e ，h b 必须保证对来自同一h m 的各r e 的许 可顺序与该结点预约帧中r e 的排列顺序相同。 2 1 3 3 2 节点接纳 结点接纳过程是指一个新的h m ( n h m ) 设备上电( 或初始化) 后，加入到 现有h i n o c 网络的过程。该过程的信令交互图如图2 1 3 所示。接纳过程包括如 h i n o c 系统的调度机制研究 下7 个状态： 1 ) 0 态：进行网络搜索，进行下行信道训练。 2 ) l 态：交互接纳请求和接纳响应帧。 3 ) 2 态：交互下行信道训练报告。 4 ) 3 态：进行上行信道训练。 5 ) 4 态：交互上行信道训练报告。 6 ) 1 0 态：发布新的广播信道参数。 7 ) 5 态：稳态，新结点完成接纳，开始收、发m a c 层数据。 第二章h i n o c 技术 1 3 n h mh b e m p t y ( 0 ，0 ) e m p t y ( 0 ，0 ) a d m _ r e q 。 r adm r e s a d ma c k 。 e m p t y ( x ，1 ) d l i n k r e p o r t 分片1 。 a c k d l i n k _ r e p o r t 分片1 1 a c k 1 一 e m 口t y l e m p t y ( x ，1 ) 1 e m p t y u l i n kr e p o r t 分穴1 j 一 a c k u l i n k _ r e p o r t 分穴r l a c k c m pr e p o r t 分片l c m pr e p o r t 分片2 j j 1 l i n ku p d a t e j 一 正常通信 图2 1 3 接纳过程信令交互流程图 1 4 h i n o c 系统的调度机制研究 节点接纳过程除了对新节点完成接纳控制外，最重要的功能是通过信道训练 过程获取信道参数，从而确定o f d m 调制中各子载波的调制方式。 在h i n o c 系统工作过程中，h b 和各h m 之间链路的信道特性有可能发生变 化，为维持系统稳定工作，设计了链路维护过程，主要是获取新的信道参数，以 适应信道特性的变化。链路维护的过程与节点接纳过程中获取信道参数的过程类 似，在此不再赘述。 2 2h i n o c 系统原型样机平台简介 下面的介绍以h b 为例，h m 类似。 2 2 1 整体架构 ( 1 ) 原型样机h b 的框图如图2 1 4 所示。 h i m a c j h i p h y 接口 u t 膏 ，1 剖管七h h i p h y 模块 f l i ，j f i一偎伏 广 h i p h yf p g a h i m a c刊! ：竺竺卜_- a d ，d a f p g a 每一d p r a mk 叶 i n t e l _ 1p a r a m e t e rr r f 模块 哪p h y p x a 2 7 0 k b il s 医丑 p n 、e r p r o c e s s r ft x o n p h y i n t 0 l r fr x o n m a c c m d 0 1 上1 2 cb u st 图2 1 4h b 原型样机框图 原型样机共分为三部分：p h y 板、m a cc p u 和m a c 加速板。p h y 板对应 p h y 层协议的实现，m a c 加速板和m a cc p u 合在一起为m a c 板，对应m a c 层协议的实现。p h y 板负责基带信号的p h y 层算法处理、信号的调n 解调、射 频信号收发、物理时钟维护等；m a c 加速板是一块f p g a ，是m a c 层c s 的硬 件实现，负责数据流分类、优先级映射、打包拆包、地址学习等功能；m a cc p u 采用的是i n t e l 的p x a 2 7 0 处理器，负责信令处理、调度、各部分之间的协调等功 能。m a c 板和p h y 板之间通过总线连接，通过中断信号线进行事件的交互，由 c p u 进行协调和控制，m a c 加速板和m a cc p u 通过总线仲裁器共享和p h y 板 之间的总线。 ( 2 ) c p u 与p h y 板之间的信号线连接 第二章h i n o c 技术 地址总线：2 6 根，只使用其中2 0 根。 数据总线：3 2 根，c p u 以4 字节为单位对p h y 板存储区进行读写。 中断信号线：4 根，用于m a c 板和p h y 板之间的事件通知，均为单向。 包括p h y i n t 0 l ( 从p h y 板到m a c 板) 、m a c c m d 0 1 ( m a c 板到p h y 板) 。 ( 3 ) m a c 板和p h y 板之间交互用的地址空间分配如图2 1 5 所示。 图2 1 5m a c p h y 交互地址空间分配 d p r a mp a r a m e t e r 含接收发射帧控制和状态信息，主要包括m a p 周期内发 送接收指令、信道参数( 包括幅度和相位) 、发送接收调制格式、信道的信噪比 ( s n r ) 估计等方面。 r e g i s t e r 区放置各种控制和状态寄存器。 数据r a m 区域包含：d p r a mr j t d a t aa b 区，用于m a c 和p h y 传输 数据帧和控制帧，d p r a mm s gt r 用于传输信令帧。 ( 4 ) m a c 加速板的原理框图如图2 1 6 所示。 鲫 刚 缸 缸 1 6h i n o c 系统的调度机制研究 图2 1 6m a c 加速板的原理框图 m a c 加速板的对外接口有三种形式： 1 ) 与以太网的接口：完成以太网帧的接收和发送，实现m a c 加速板与高层 数据业务的交互。 2 ) 与p h y 板的接口：完成h i m a c 帧的组帧和拆帧，实现m a c 板和p h y 板之间数据帧的搬移。 p h y 板和m a c 板之间交互数据帧和控制帧的处理流程为：p h y 板接收到 h i n o c 帧后，产生中断触发中断处理程序；c p u 执行中断处理程序，读取帧头 信息判断帧的类型；如果是控制帧，交给c p u 处理，如果是数据帧，交给m a c 加速板处理。反方向则由c p u 控制加速板在正确的时机将数据帧写入p h y 板。 3 ) 与c p u 的接口：完成c p u 对数据帧的捕获和插入以及控制信息交互。 其中控制信息交互接口如下： h i m a c 数据请求信息f i f o ：存储加速板中的h i m a c 帧信息。 h i m a c 数据发送控制f i f o ：存储要发送的h i m a c 帧的相关信息。 f i f o 状态寄存器：存储请求信息f i f o 和发送控制f i f o 的状态信息。 总线仲裁寄存器：用于c p u 向加速板申请占用总线。 读写触发寄存器：c p u 通过读写触发寄存控制加速板进行数据收发。 第二章h i n o c 技术 1 7 2 2 2m a c 软件模块划分 h bm a c 软件结构框图如图2 1 7 所示。 m a c 加速板接口 jljji 信息 r 、 fo 队1争盆 ， 誉 i j ，7弋 理j ， 蚤 、i jl 、- r 板、 霞影信嗨j f 信乓 裁 塞r 动 影删能涮厂、-拶 一 帧 作 控 制 r - 0 一 数 ， 据 m a 搬 0 移 m ap 控信 帧制 信 息 指 令 令 帧 f -磊 、r 1r 1 r1 r1r l phy板接口 图2 1 7h bm a c 软件结构框图 图中箭头表示程序执行流程转移或调用关系，其余箭头表示数据指令 传送方向。条件l 表示任意一个p h y 板中断。条件2 表示数据帧控制帧发送接 收完成中断。 整个h bm a c 软件嵌在中断处理程序中执行，各模块功能如下： 信令处理模块：当p d p u 中断到来时，处理节点接纳链路维护过程中的信 令信息，依据协议信令交互状态机生成相应的信令帧。 帧信息管理模块：依据从p h y 板读取的r 帧信息，建立基于h m 优先级 的上行预约队列；依据从加速板读取的数据帧信息，建立基于i - i m 优先级的下行 数据帧信息队列。 调度模块：运行调度算法，对帧信息管理模块建立的队列中的帧进行准许 拒绝，生成m a p 帧，将调度准许的帧信息写给加速板。 事件队列模块：由于下行数据帧要由加速板写到p h y 板，而m a p 帧要由 c p u 写入p h y 板，而写入顺序由调度结果决定，所以根据调度结果对每个准许 1 8 h i n o c 系统的调度机制研究 的下行帧生成一个事件节点，由事件队列控制下行帧的写入顺序。 m a c 板控制模块：当p h y 板数据帧或控制帧发送完成中断到来时，m a c 板控制模块要根据事件队列队头事件决定是由c p u 向p h y 板填写m a p 帧还是 控制加速板向p h y 板填写数据帧；当p h y 板数据帧或控制帧接收完成中断到来 时，m a c 板控制模块要判断帧类型，如果是r 帧则由c p u 读到c p u 的本地存 储器，如果是上行数据帧则控制加速板将数据帧读到加速板的存储器。 p h y 板控制：依据调度结果生成p h y 板的收发控制指令并写给p h y 板。 2 3h i n o cm a c 协议性能分析 本节主要从m a c 层吞吐量和传送时延两方面对