（通信与信息系统专业论文）一种利用降频wifi的同轴线接入方案.pdf

中文摘要 当前 基于数字电视的v o d 业务是有线电视网络改造的主要业务动力 而 解决宽带互联 支持宽带上网 v o l p i p t v 也即将成为广电网的迫切需求 从 全国h f c 网双向改造的情况来看 h f c 的光传输段的问题已经基本解决 因此 解决同轴电缆的数据接入 即在同轴电缆中建立回传信道成为了h f c 网双向改造 的关键 目前较为主流的技术有c a b l em o d e m e o c h o m e p n a m o c a 和w i f i o v e rc a b l e 等 根据这一背景潮流 t h o m s o n 公司研究 提出了一种新同轴电缆数据业务 接入技术 a d o c 技术 a d o c 是一种借鉴无线局域网i e e e8 0 2 1 1 标准 经过 改造其物理层调制技术 o f d m 和链路层接入控制技术 m a c 构成适用于 同轴电缆的数据业务接入技术 该系统硬件以汤姆逊公司的变频芯片6 2 0 0 a 和无 线局域网控制芯片5 4 2 0 b 为主 天津大学合作组的工作是通过改写5 4 2 0 b 的固件 代码 使其适应a d o c 方案的要求 本文主要工作是在充分学习和理解了a d o c 基本原理和相关知识后 负责编 写a d o c 系统中的w l a n 控制芯片5 4 2 0 中的固件在l i n u x 下的驱动程序 名为 m a xa p i 以方便编写上层程序的编程人员在此基础上对5 4 2 0 b 的固件代码进 行改写 从而进一步实现对a d o c 系统的接入点设备进行的设计开发 m a xa p i 的主要任务是 对下 和5 4 2 0 b 中的固件w i l dm a c 进行交互 完成w i l dm a c 的升级要求和日常工作的基本设置等 对上 为上层应用提供这些功能的a p i 接口 为其他编程人员继续开发提供便利 该程序的主要原理是利用l i n u x 下 m a c 层的p c a p 库函数发送或者接收5 4 2 0 b 的数据帧 并通过在帧中填写特定 格式的消息达到控制5 4 2 0 b 芯片的目的 是进而实现a d o c 同轴电缆的数据业 务接入技术的基础 最后 本课题利用汤姆逊公司提供的接入点设备和多台计算机组成了模拟用 户终端网络 并基于该网络建立了a d o c 系统性能测试平台 进行了程序可用性 测试 经过本人测试及其他开发人员的使用 证明本论文中实现的m a xa p i 能 较好地为上层应用服务 并且也可以在其他普通应用中作为数据收发部分的一般 原型来使用 关键词 无线局域网 非对称同轴数据接入 w i f i 降频 驱动程序 a b s t r a c t n o w e r d a y s t h em a i nd r i v eo ft h er e f o r m a t i o no fh f cc a i vn e t w o r k s1 sv o d b a s e do nd t v a l s o t h eb r o a db a n di n t e r c o n n e c t i o n v o l p i p t va r ea b o u tt ob ei n e m e r g e n c y s e e i n gf r o mt h eh f cn e t w o r kr e f o r n a t i o ni nc h i n aa tp r e s e n t t h eo p t i c a l t r a n s m i s s i o ni sn ol o n g e rap r o b l e m s ot h et a s kn o wi st os o l v et h ed a t aa c c e s s i n gi n c o a x i a lc a b l e t h a tm e a n s t ob u l i dar e t u r nc h a n n e l i nc a b l eb e c o m e st h ek e yo ft h e r e f o r m a t i o no fh f cc a t vn e t w o r k s t h e r ea r es o m ep o p u l a rt e c h n o l o g i e ss u c ha s c a b l em o d e m e o c h o m e p n a m o c a w i f io v e rc a b l ea n ds oo n c o n s i d e r i n gt h e s eb a c k g r o u n da n df a s h i o n t h o m s o nh a sr e s e a r c h e da n d p r o p o s e da n e wd a t aa c c e s s i n gt e c h n o l o g yi nc a b l e a d o c a d o cr e f e r st o w l a ni e e e 8 0 2 1 1 p r o t o c 0 1 a n dr e f o r m st h ep h ym o d u l a t i o na n dt h em a c t e c h n o l o g y t os u i tf o r t h ec a b l ea c c e s s i n g t h eh a r d w a r ei s m a i n l ym a d eo f t h o m s o n sr fi c6 2 0 0 aa n dw l a nc o n t r o li c5 4 2 0 b o u rw o r ki st or e w r i t et h e f i r m w a r ec o d eo f5 4 2 0 bt of i tt h ea d o cm e t h o d m yw o r kf o c u s e so nw r i t i n gt h ed r i v e ro ff i r m w a r ei nw l a nc o n t r o li c5 4 2 0 b i nl i n u x w h i c hi sn a m e dm a xa p i t h em a xa p ii sc o n v e n i e n tf o rt h eo t h e r p r o g r a m m e rt ow r i t eu p p e ra p p l i c a t i o np r o g r a m m e i nal o n gr u n t or e a l i z et h ed e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fa c c e s s i n gd e v i c eo fa d o c t h em a i nt a s ko fm a xa p ii st o c o m m u n i c a t ew i t hf i r m w a r ei n5 4 2 0 bc a l l e dw i l dm a ca n dc o m p l a t et h ed a i l y s e t t i n g sa n du p d a t i n gn e e d s a n dt os u p p o r ta p if o ru p p e ra p p l i c a t i o nf o ro t h e r p r o g r a m m e r s t h ep r i n c i p l eo fm yd r i v e ri st os e n do rr e c e i v ed a t af r a m e sf r o m 5 4 2 0 bb yt h ep c a pl i b r a r yf u n c t i o n si nm a c a n dw r i t em e s s a g e sw i t hc e r t a i nf o r m a t i nf r a m e st oc o n t r o l5 4 2 0 b i ti st h eb a s eo f a d o ct e c h n o l o g y a tl a s t im a d eas i m u l a t i o nu s e rt e r m i n a ln e t w o r kb ys e v e r a lc o m p u t e r sa n d t h o m s o n sa pd e v i c e t h e nib u i l tas y s t e r mp e r f o r m a n c et e s t i n gp l a t f o r mt ot e s t t h eu s a b i l i t yo fm yd r i v e r a f t e rt h et e s ta n do t h e rp r o g r a m m e r su s e t h ed r i v e ri s p r o v e dt ob eu s e f u lf o ru p p e ra p p l i c a t i o n s a n dt h ed r i v ec a nb eu s e dt oo r d i n a r yd a t a r e c e i v i n ga n ds e n i n gp a r t k e y w o r d s w l a n a d o c r e d u c i n gf r e q u e n a c yt ow i f i d r i v e r 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和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处辨 论文中不包含其健入已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得丞垄蠢鲎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 作了明确的说暖并表示了谢意 学位论文作者签名 伺笱 签字嘞砌孑年矿月 墨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一苤盗苤堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据痒进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学盈论文傣者签名 同讶 导师签名 j 签字日期 2 卯p 年 月 多日签字同期 踟嚣年多月 日 第一章绪论 第一章绪论 随着我国电信运营商纷纷开震i p t v 业务 我国的电信业已经开始向广电领 域业务进军 面对电信运营商的外部竞争 有线网络运营商开展双向业务的局面 越来越迫近 双方在业务上的交叉与融合的趋势也越来越明显 根据我囡广电总 扁的意见 有线电视运营商要掌握好电视传播主渠道的堍像 不但要迅速实现数 字化 而且有条件的地方要实现双向互动的升级改造 发展互动业务 有线电视 数字化在 十一五 期间部署的发展方向是双向 交互 多功能 多业务 在这 种背景下 全国已经有许多城索完成了整体平移 其链城带也已经全谣底动有线 电视数字化进程 在双向网改造过程中 对于有线电视网络运营商来说关键是要充分利用原有 网络的资源 避免双向改造的不合理成本 保护已有投资 从技术角度 就是要 选择合适的同辅电缆接入技术 在不影响系统提供给焉户原有c a t v 业务的情况 下 基于用户的同轴电缆开通双向的i p 数据业务 论文所述的a d o c 技术就是一种全面符合以上要求的技术 a d o c a s y n c h r o n o u sd a t ao v e rc o a x 是汤姆逊t h o m s o n 公司提出的一 种适合我国h f c 双向改造的丽轴电缆接入技术 a d o c 经汤姆逊宽带中圈和我 校的共同研究 历经多次方案调整 采用了 种类似i e e e8 0 2 1 1 的 宪全适合 同轴线i n t e r n e t 接入的链路层 物理层协议 并对网络层保持透明 不假实现了 l p 数据业务和c a t v 业务的共缆 丽虽药i n t e m e t 用户提供了高速的数据监务连 接 该技术完全利用现有有线电视网络中的闯轴电缆布线 仅通过增加接入点设 备a p 以及用户端设备m o d e m 便可在不影响原有c a t v 业务的情况下实现高速 和高质的数据业务接入 c h e s t n u t 是a d o c 技术的硬件解决方案 该方案采雳基带处瑾芯片 t h o m s o n 5 4 2 0 频带处理芯片t h o m s o n 6 2 0 1 2 4 g h u 9 0 0 m h z 频率变换芯 片t h o m s o n 6 2 1 0 既可以作为用户端的m o d e m 独立工作 也可以通过 t h o m s o n 5 4 2 0 上的m i i 接翻与另羚的主橇h o s t 相连实现接入点设备a p 本 论文在对a d o c 技术进行分析的基础上 对c h e s t n u t 系统的h o s t 主桃驱程进行 了深入研究和开发 编写出的驱程经过测试和使用被证实能较好地为上层应用提 供接口 是完整实现a p 接入点设备应用所必不可少的 个环节 第二章有线电视网及其发展方向 第二章有线电视网及其发展方向 a d o c 技术的出现 是有线电视双向网改造带来众多机会的必然结果 所以 在介绍a d o c 之前 有必要对有线电视网的现状及其发展做一个简单的介绍 2 1 砉线电视网络基本结构 原有的有线电视网络是一个单方向传输宽带广播式信号的信道 广播信道基 本结构摸型通常由一个总嚣端和若干个分前端 一级和二级传输隧 接入分配曜 三大部分组成 有线电视双向网络是通过建立双向的城域网和接入网为用户提供综合业务 的双向传输系统 双向网络基本结构模型通常由城域网 接入弼 用户端等几部 分组成 城域网 有线电视双向网的城域网由两部分构成 第一部分为总前端和分前 端构成的广播网络 第二部分为由i p 网络核心路由 交换和传输以及汇聚交换 构成酶高速数据主于网络 广播网络一般采雳星型架构 能够提供数字程模损电 视广播的功能 数据主干网络一般采用网状联结 具有提供大容量高速数据路由 交换 转发以及汇聚的功能 接入网 有线电视双向网的接入网有两种基本结构 一种是基于光纤和同 轴电缆的双向数据传输网络 另一种是基予光纡帮五类线的双向数据转输曛络 用户端 有线电视双向网的用户端接入线路有两种类型 一类采用同轴电 缆入户的接入类型 另一类是采用五类线入户的接入类型 c a t v 网络的视频信号可以直接进入耀户豹电视机 由于有线电视网当初是 用于广播式的电视传播 也就是说是单向的 所以 要用于以太网络 必须对现 有的网络前端和用户端进行改造 采用新的数字调制技术和数字压缩技术 使之 具有双向传输功能 2 2 有线电视网的基本特征 1 模拟移数字信号共存 在h f c 两传送的信号中 在目前的一段时间蠹 模拟电视信号仍将占据很 2 第二章有线电视网及其发展方向 大的比重 而数字信号主要应用于交换业务之中 如传输计算机数据业务等 当 然 随着数字电视和各种增值业务的引入 数字信号的比重将逐渐增加 2 频分复用和时分复用共存 在h f c 网中 各种业务的复用采用频分复用的方式 如模拟电视信号 数 字电视信号 电话信号以及交互式数字信号分别占用不同的频谱 在信道的竞争 传输过程中采用时分复用的方式 以 微时隙 为基本单位进行传输 3 光纤网和同轴电缆网共存 h f c 网是一种经济的接入方式 经过双向改造的h f c 网具有f t b f t c 的 功能从而以相对较低的价格实现高速接入 4 信号分配和信号交换同时共存 传统的电视广播是单向的分配系统 而交互式业务则是信息的双向交换过 程 因此传统的电视广播仅仅是一个信号分配的过程 而h f c 网因引入了交互 式业务使信号分配和信号交换同时存在 2 3 有线电视网络现状 经过2 0 多年的建设和发展 我国有线电视网络作为国家重要的信息化基础 设施 已成为世界上用户规模最大的有线电视网络 2 0 0 6 年底 全国拥有1 3 9 亿有线广播电视用户 其中农村用户约为4 6 0 0 多万户 近3 3 0 0 个有线电视前 端 国家级光缆线路4 万公里 省级及地市光缆线路超过1 0 万公里 地市 县 分配网近3 0 0 万公里 百余家有线网络公司开始播出有线数字电视 截止到2 0 0 7 年第一季度 有线数字电视用户总量达到1 5 0 0 万户 多个城市完成了有线数字 电视整体转换 为用户提供多种广播式业务 部分网络公司在有线电视网络中率 先实现了宽带数据接入 视频点播等双向功能业务 目前 国内大部分有线电视网络是单向广播式网络 用户到广电中心的回传 通道尚未建立 部分地区有线电视网络仍为5 5 0m h z 以下的系统 有线电视网 络这种状况不能满足电视终端用户开展双向业务的迫切需求 有线电视网络亟待 双向化改造 2 4 国家对有线电视网络发展提出的新要求 十一五 间 我国已经初步建立了有线电视技术新体系 探索出了用信息 化推动数字化的整体转换模式 初步走出了一条符合中国国情的有线电视数字化 发展之路 有线电视数字化扩展了广电网络的服务功能 提升了应用水平 为构 第二章有线电视网及其发展方向 建以数字电视网为基础的满足多业务需求的下一代网络创造了条俘 国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要 明确指出 加强宽带通信 网 数字电视网 下一代互联网等基础设施建设 推进 兰网融合 健全信息安 全保障体系 国家中长期科学和技术发展规划纲要 和 国家 十一五 期文 傀发展援划纲要 等文件中也对广播电视的发展提鲞了相应要求 因此 十一 五 期间 贯彻落实国家关于推进三网融合的总体要求 加快建设双向 交互 多功能的新一代数字电视网络 提升有线电视网络在国家信息化建设中的地位和 作用 是广播毫视行业肩负的重要任务 2 s 双向化改造是有线电视网络未来发展的必然要求 圭以上会绍可觅 随着数字技术 网络技术的快速发展和普及应震 謦前世 界广播影视正处在从模拟技术向数字技术全面转换的关键时期 各国政府正大力 推进广播影视数字化 发展广播影视数字内容产业 在囡内 相关行业巴完成从 模拟技术向数字技术的转换 具备了提供音视频服务的能力 广播电视与通信 互联网等行韭正处在敲合 汇聚 转壅过程中 伴随广大人民群众物质文化和精 神生活的提高 人们对交互电视业务的需求日益增加 相关行业利用数字技术 采用各种方式正力图进入传统的广播影视服务领域 收音机 电视机和银幕已不 褥是广播影褫独享的接收和显示终端 技术与业务的不龄融合导致传统的行业界 限正在模糊 新兴产业群不断出现 开放与融合己成为当今技术发展的主流 信 息传播正在从单向单一形态向双向多元形态 从资源垄断向资源共享 从自成体 系向开放体系转变 与此同时 无源光网等网络技术的飞速发展以及大量应用 用户终藕宽带接入技术的层擞不穷 都在极力促使全国各地有线电视网络双向纯 改造建设的发展 有线电视网络双向化改造可以为广大人民群众提供更为个性 化 专业化 多样化的广播电视和信息服务 有利于国家信息化 社会信息化和 家庭信息化建设 是推进 融合 的有效途径 本论文课题a d o c 技术研究立足 于这一背景 非常具有社会意义和经济意义 4 第三章有线电视双向化改造项目 第三章有线电视双向化改造技术 鉴于有线电视网络城域网的发展已基本定型 本文所指的有线电视网络双向 化改造技术主要包括接入网光传输改造技术和用户接入改造技术两部分内容 有线电视网络双向化改造要通过建立回传通道以满足终端用户的双向化需 求 目前 国内部分网络双向化改造采用了有线电视电缆调制解调技术 以太网 接入技术 无源光网络技术以及各种新的双向接入技术 从技术发展趋势上看 这些技术都是向f t t h f i b e rt ot h eh o m e 光纤到户 发展的过渡技术 各地 有线电视网络运营单位可以根据现有网络基础 投资成本 技术成熟度 双向综 合业务的发展规划采用不同的网络双向化改造技术 3 1 接入网光传输改造技术 光网传输技术 通常分为有源光网络 a o n 和无源光网络 p o n 两大 类 有源光网络的局端设备和远端设备通过有源光传输设备相连 其传输技术在 骨干网中已经大量采用 如s d h 和p d h 技术 以s d h 技术为主 有源光网络 的拓扑结构通常采用星型或环型 其技术特点是 传输容量大 目前s d h 传输 设备一般提供1 5 5 m b p s 6 2 2 m b p s 2 5 g b p s 的速率 无中继情况下传输距离可 达1 0 0 公里以上 用户信息隔离度好 有源光网络的拓扑结构无论是星型还是环 型 从逻辑上看 其传输方式一般采用点到点方式 无源光网络一般是基于点对多点的传输方式 多采用树型或星型 多级星型 的拓扑结构 是多用户共享系统 无源光网络具备拓扑结构简单 设备成本低 消除了局端与用户端之间的有源设备等特点 由于p o n 技术的网络拓扑与有线 电视网络的拓扑结构相类似 无源光网络技术成为一种在广电网上应用的新技 术 3 2 用户接入改造技术 有线电视网络双向化改造的用户接入技术种类较多 基本上可分为h f c 网 络用户接入技术 基于以太网协议的用户接入技术 其它用户接入技术等几类 第三章有线电视双向化改造项目 这几类用户接入技术的共性为 广播电视业务可以通过同轴电缆传输 双向数据 业务可以使用i p 协议实现 均支持电视广播 宽带互联网接入 语音服务 视 频点播 网络游戏等业务 3 2 1c a b l em o d e m 技术 该类技术是基于h f c 网络的射频调制类用户接入技术 系统一般通过数字调制技术实现双向数据信号和有线电视广播信号的混合 共缆传输 在用户端信号由相应的终端设备提取 从而提供基于有线电视同轴电 缆的数据接入技术 大多数系统采用上 下行非对称信道的传输方式 采用q p s k 或者q a m 等数字调制技术 c a b l em o d e m 接入方式的物理基础是双向h f c 网络 双向h f c 网络可在单 向h f c 基础上进行改造 配加回传通道形成 主要包括以下几个部分 系统采用上 下行非对称信道的传输方式 在h f c 网络下行带宽a 波段 g y t 1 0 6 1 9 9 9 韵电视频道中划分出一条到多条8 m h z 带宽信道 中心频率 小于8 5 8 m h z 用于以广播形式的下行数据发送 当信号采用2 5 6 q a m 正交 调幅 调制方式时 每个8 m h z 带宽信道最高速率可达5 1 m b p s r e e d s o l o m o n 编码后 上行数据通过5 一6 5 m h z 进行回传 c m t s c a b l e m o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m c m t s 作为系统的核心 它 提供对c a b l em o d e m 的s n m p 接口 对节点内所有c a b l em o d e m 进行注册登录 管理和控制 可根据带宽实际消耗情况 自动完成上行5 6 5 m h z 和下行1 0 8 8 6 2 m h z 数据传输频率间的转换 平衡分配 能基于信道特征自适应的调整下行 发送数据和上行接收数据的调制信号及调制方式 c m t s 支持t c p i p d h c p t f t p s n m p 等协议 c m t s 节点内i p 地址由头端d h c p 服务器动态获得 通 过f e 或g e 接口与骨干网相连 接入i n t e r n e t 接入管理系统一般由t f t p 服务 器 d h c p 服务器 t o d 服务器等设备组成 有线宽带网络接入系统是基于d o c s i s 标准来设计的 系统主要由前端设 备 c m t s 如图3 1 所示 和c a b l em o d e m 组成 c m t s 是作为前端路由器 交 换集线器与c a t v 网络之间的连接设备 而c m 是通过c m t s 与广域网 i n t e r n e t 实现连接1 2 j 6 第三章有线电视毅向化改遗项习 十 机房 图3 1c m t s 系统示意图 c a b l em o d e m 接八方式采用非对称性接入方式 下行采用6 4 q a m 2 5 6 q a m 调制方式时 每8 m h z 频道可以提供3 8 5 1 m b p s 的数据数率 上行依据网络状况 可以选用q p s k 6 q a m 6 4 q a m 等调制方式 调制带宽从2 0 0 k h z 到64 m h z 不等 提供带宽从2 0 0 1 b p s 到3 0 r o p s 不等 并可实现多通道捆绑 c a b l em o d e m 接入方式主要有以下技术特点 l 具备较完善的国际协议体系支撑 形成了完整的业务体系 运营支撑体 系 技术较成熟 得到全球范围内的广泛应用 系统前端 终端和管理系统之间 的兼容性好 具备可运营 可管理特性 2 具备业务流的分类 q o s 策略和严格的带宽保障机制 具备严格的接入 终端鉴权和数据安全传输能力 具备开放的业务控制接r a 规范 可架构可管理的 i p 网络 3 具备业务接入时用户不需要重新布线的特点 并且用户家庭中的有线电 视终端盒处都有数字媒体 宽带接入能力 适应交互媒体业务的发展 4 双向网络的覆盖可依据用户规模 业务发展逐步安装数据前端设各 组 网方式灵活 适合宽带业务的逐步发展 并通过使用多个数据频道或频道捆绑技 豳固 潮一固豳 一 h l 一卜 一 呵 一 第三章有线电视双向化改造项目 本 系统可平滑扩容以满足业务发展的带宽需求 5 线路维护与单向h f c 网络维护使用相同的技术规范 仪器仪表 维护效 率高 但双向h f c 网络的维护比起单向网络需要更严格的维护规程 6 数据前端设备放置在分前端机房 覆盖用户规模较大 数据前端设备具 备较好的性价沈 满足双囊业务的高可靠性要求 c a b l em o d e m 技术比较成熟 其接入方式对网络质量和技术维护要求较高 适用于上行带宽有线业务的开展 3 2 2e o c 技术 e o c e t h e m e to v e rc a b l e 是基于裔线电视同轴电缆鼷使用以太网协议的 接入技术 e o c 传输技术基本原理是 利用有线电视信号在l l1 8 6 0 m h z 频率传输 基带数据信号在0 2 0 m h z 频率传输的特性 可以使两者在一根同轴电缆中传输 掰互不影响 把电视信号与数据信号通过会路器 利用有线电视网络送至用户 在用户端 逶过分离器将电视信号与数据信号分离开来 接入相应的终端设备 e o c 对现有的有线电视网络系统改造工作量较小 也不用其它有源设备 可以作为有线电视网络双向改造的一种经济实用的技术方案 e o c 特点有 l 即插即用 无需在客户端进行复杂的调试 2 用户端设备为无源设备 3 运营维护简单 费藤低 4 可以为每个焉户提供1 0 m b p s 全双工带宽 由于用户终端为无源设备 系统传输损耗容限约为1 2 d b 左右 故从楼栋以 太同轴网桥到用户终端之间不能有任何分支器和损耗较大的分配器 3 2 3m o c a 技术概述 m o c a 技术孛局端与小区闻采用光纤连接 小区的复篇区内电视信号分配 便用现有的同轴电缆进行各住户闻的连接 使用的频率因地区而异 如美国使用 8 6 0 15 5 0 m h z 频带 日本使用7 7 卜10 3 0 m h z 频带 相溺予每一信道使用5 0 m h z 的带宽 理论上最大可以获得2 7 0 m b p s 的传输速度 使用多个信道之后 理论上 可以获褥 g b p s 以上豹传输速率 该方式魏特点是 1 可实现最高物理速度2 7 0 m b p s 的高速传输 第三章有线电视双向化改造项目 2 可使用同轴电缆中的空余频率 与区内共享信号 3 用户家里不需要对调制解调器进行各种设置 4 在同一频带内进行双向通信 不需要专门留出上行带宽 3 2 4w i f io v e rc a b l e 同轴电缆传输性能优异 在高达2 4 g h z 的频段仍具备高速数据传输的潜力 因而将w i f i 8 0 2 1 l 系列无线局域网 的技术成熟 接入便捷与同轴电缆的高 带宽相结合 便产生了同轴w i f i 技术 图3 2 是w i f io v e rc a b l e 的系统连接图 糟户 图3 2 同轴w i f i 系统连接示意图 厂1 r l 悖律j 辩辫蘑i 篓氅 i 此类技术在入户的最后一段距离内 将w i f ia p 的2 4 g h z 射频信号经阻抗 变换后 送入同轴电缆传输 接入端既可使用专用的接收设备 也可使用市场上 普遍销售的8 0 2 1l 系列无线网卡 无线网卡接收既可以使用无线方式 也可用 同轴电缆有线连接 采用8 0 2 1l g 标准 p h y 速率可达5 4 m b p s 实际吞吐量可 达2 2 m b p s 此类技术的优势在于w i f i 技术成熟 无论a p 还是无线网卡 全球范围内 出货量都很大 并且不用进行集中分配改造 劣势在于a p 网卡均为有源设备 网卡的安装也要费一番工夫 有一定的运维成本 3 3 光纤到户 f t t h 是指将光网络单元 o n u 安装在用户处 其显著技术特点是提供更 大的带宽且增强了网络对数据格式 速率 波长和协议的透明性 在以上介绍的几种技术之中 目前中国已经双向化的地区多采用了c a b l e 第三章有线电视双向化改造项目 m o d e m 技术 比如北京地区 然而由于每种技术都有自己的优缺点和适用情况 而新技术又层出不穷 因此各个方案争相角逐不断改进 都有机会和空间占领这 一巨大的市场 而本课题所采用的a d o c 方案 从很多角度来看 是一个极为有 市场价值的方案 下一章将对a d o c 技术进行详细讲述 l o 第四章a d o c 技术 第四章a d o c 技术 在介绍a d o c 技术方案之前 有必要先简单介绍一下w l a n 和w i f i 的相关 知识 以便对a d o c 芯片工作原理有更深刻的理解 4 1 无线局域网的概念 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物 从技术角度来分 析 无线局域网是利用了无线多址信道和宽带调制技术来提供统一的物理层平 台 并以此来支持计算机和相关设备之间的数据通信 并为通信的移动化 个性 化和多媒体应用提供了可能 无线局域网的通信范围相比传统有线网络受环境条件的限制更小一些 网络 的传输范围会大大拓宽 在开放地带 最大传输范围可以达到几十公里 通过定 向天线 有线局域网中 两个终端的距离在使用铜缆时被限制在5 0 0 米 即使 采用单模光纤也只能达到3 0 0 0 米 而在目前的应用中 无线局域网中两个站点 间的距离目前可达到5 0 公里以上 距离数公里的建筑物中的网络可以集成在同 一个局域网中 此外 无线局域网具备一定的抗干扰能力 网络保密性好 相对于有线网络 无线局域网的组建 配置和维护更为容易 一般计算机工作人员都可以胜任网络 的管理工作 通常来说 无线局域网具有如下一些优点 移动性 易用性 灵活 性 安全性掣4 4 2 无线局域网的标准 i e e e8 0 2 11 协议族 i e e e8 0 2 1 1 是无线局域网的主流标准之一 又称w i f i 主要规范了物理层 p h y 和介质访问层 m a c 的特性 该标准采用2 4 g h z 的i s m 频段进行 通信 具体是从2 4 到2 4 8 3 g h z 这一频段被分成最多1 4 个信道 根据不同的 地区 这个数值会有所变化 8 0 2 1 l 定义的理论传输速率分为1 m b p s 和2 m b p s 在8 0 2 1 1b 中 由于改进了调制方式 传输速率又增加了5 5 m 和1 1 m 两个级别 标准中定义了两种设备 接入点 a c c e s sp o i n t 简称a p 移动站 s t a t i o n 简 称s t a 第四章a d o c 技术 为了适应无线环境下的数据传输 8 0 2 1 l 自身有一些相应的特点 m a c 层 数据的收发是基于c s m a c a 载波侦听多路访问 冲突避免 算法 就是说 如 果根据监测机制发现介质忙 系统会根据退避算法进行延迟 然后再进行检测 直到检测到介质空闲为止 而不像有线网络中的c s m a c d 那样 在检测到冲突 后广播该信息 在物理层 为了适应无线介质下数据的收发 系统对m a c 层的 数据包进行了一定的处理 主要在m a c 帧前加上了数据收发时用于同步的前导 码头和该数据帧的一些基本信息 长度 速率 等等 总的来说 8 0 2 1 1 包括了 以下一些具体的功能 数据帧的收发 通过分布式系统 如以太网 在扩展区域内连续服务 通过数据加密以提高安全性 调节适应1 m b p s 和2 m b p s 的传输速率 对于8 0 2 1 1 理论的传输速率可以 提高到l l m 网络管理服务 注册和认证服务 功率管理 4 3i e e e8 0 2 11 网络拓扑结构 由8 0 2 11 的标准设备a p 和s t a 出发 可以根据需要组成多种网络拓扑结 构 总的来说 这些拓扑结构可以划分为以下三种 基本服务集 b a s i cs e r v i c es e t b s s 网络 独立基本服务集 i n d e p e n d e n tb s s i b s s 网络 扩展服务集 e x t e n ts e r v i c es e te s s 网络 b s s 是8 0 2 1 l 标准中定义的一个基本模型 它提供一个覆盖区域 覆盖区 的范围由a p 或s t a 的射频信号覆盖范围决定 并使该区域内的s t a 保持与网 络的连接 一个s t a 可以在该区域内自由移动 通常应用中的b s s 网络 是在 该区域内 由a p 提供认证 接入和管理服务 下联多个s t a 组成一个封闭的 局域网络 b b s 的网络结构如图4 1 所示 第四章a d o c 技术 广 1 l t a il i 一j 图4 1b s s 网络图 i b s s 作为无中心的对等网络 a dh o c 是一个独立的b s s 没有a p 进行控 制 i b s s 至少包括两个s t a i b s s 的网络结构如图4 2 所示 图4 2i b s s 网络图 在i e e e 8 0 2 1 1 中 结构化的w l a n 系统是由许多b s s 共同建成的扩展网 络形式 b s s 是这种网络的一个模块 用来实现b s s 间互连的体系叫做分布式 系统 d i s t r i b u t i o ns y s t e m d s 这里的分布式系统实际上是一个逻辑上的概念 它会根据不同的组网方式而产生不同的拓扑结构 d s 的基本功能就是把分散的 b s s 连接起来 使它们能够相互通信 其介质可以是有线 也可以是无线 具体 的使用情况可以根据网络环境的不同而变化 e s s 的网络结构如图4 3 所示 图4 3e s s 网络图 第四章a d o c 技术 利用d s 和b s s 这两个结构的特征 i e e e 8 0 2 1 l 可以灵活地组成大小和结 构复杂性不同的无线网络 i e e e 8 0 2 1 1 将这种类型的网络称为扩展服务集网络一 e s s 4 4i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 m a c 层的目的是为上层提供对共享介质p h y 的访问控制功能 8 0 2 1 1 标准 采用c s m a c a 载波监听多路访问 冲突避免 而标准以太网采用c s m a c d 载波监听多路访问 冲突监测 由于在同一个信道上利用无线收发机无法同时 进行收发 因此 8 0 2 11 采取措施仅是为了避免冲突 而不对冲突进行广播 m a c 层具有以下主要功能 无线介质访问 网络连接 提供身份认证和数据保密服务 在数据帧发送之前 m a c 必须首先利用下面的两种方式之一获得网络连接 载波监测多路访问 一个类似于8 0 2 3 的线路争用协议 8 0 2 1 l 规范称之为 分布式访问控制方式 d i s t r i b u t i o nc o n t r o lf u n c t i o n d c f 给予优先级别的访问 一个无竞争访问协议 对介质的访问受到统一的控 制 8 0 2 1 1 规范称之为中心网络控制方式 p c f p o i n tc o n t r o lf u n c t i o n d c f 方式可以在大多数情况下满足数据的传输 这也是8 0 2 1 1 无线局域网 对介质获取访问权的主要方式 这里介绍一下d c f 的工作方式c s m a c a c s m a c a 的含义是载波侦听多路访问 冲突避免 为了确保监测信息的正确 性 该方式同时采用两种方式来对信道进行监测 物理监测和虚拟载波监测 物 理监测是对介质进行实际的监测 具体的做法是监测射频单元是否收到信号 虚 拟载波监听事实上是一个计数器 叫做n a v n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r n a v 计数器的初始值是上一次发送帧的持续时间字段值 8 0 2 1 1m a c 帧头的内容 如果是在网络的初始阶段 则该值定义在网络的管理信息库中 然后倒计时至0 在计时的同时 该计数器的值从a p 定期发送的信标 b e a c o n 中不断得到更新 当n a v 值减到0 且p h y 控制机制表明信道空闲时 这个工作站就可以发送帧 了 当物理信道检测和n a v 的值同时满足需求时 工作站才能够发送帧 如果 物理信道检测为空闲 但n a v 值并没有减至0 那么依然不能传送 相反 如 果n a v 值为0 但物理信道检测为繁忙 则m a c 协议执行退避算法 如果二者 均为可行 那么工作站将等待规定的帧间隔时间 i f s i n t e r f r a m es p a c e 若这 1 4 第四章a d o c 技术 段时间内 物理检测信道一直为空闲 则可以发送数据 否则 工作站将执行退 避算法 并且n a v 也被重新赋值 当工作站的物理和逻辑检测机制确定介质处于繁忙状态时 c s m a c a 协议 利用随机退避时间控制对介质的访问权 可以避免各个工作站间共享介质时可能 造成的碰撞和冲到1 1 4 5i e e e8 0 2 11 的p h y 层 8 0 2 1 1 的物理层的射频信号工作在2 4 g h z 的i s m 工业 科研 医疗 频 段上 带宽为8 3 5 m h z 最多可以划分成1 4 个信道 每个信道的带宽为2 2 m h z 可以看出 如果信道利用率比较高 那么信道之间的重叠就会很大 干扰随之也 会增大 事实上 在该频段上 完全没有重叠的信道只有3 个 协议定义的物理 层有三种形式 跳频 f r e q u e n c eh o p p i n g 直扩 d i r e c ts p r e a ds p e c t r u m 和红 外的方式 能够提供理论值为i m 和2 m b p s 的数据速率 在基带调制方面 在 通常的系统中采用的都是直扩方式 提供的伪随机码为长度为1 1 b i t s 的巴克码 可以为系统带来1 0 4 d b 的处理增益 在频带调制方面采用了以下两种方式 l 差分四相相移键控 d q p s k 调制的2 m 数据速率 2 差分二相相移键控 d b p s k 调制的1 m 数据速率 8 0 2 1 1 9 是i e e e 为了解决8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 l b 的互通而出台的一个标准 它 是8 0 2 11 b 的延续 两者同样使用2 4 g h z 通用频段 互通性高 被看好为新一 代的w l a n 标准 容量方面 8 0 2 1 l g 的速率上限由1 1 m b p s 提升至5 4 m b p s 但由于2 4 g h z 频段干扰过多 在传输速率上低于8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 同时兼容是 8 0 2 1 l g 的一大亮点 它同时支持8 0 2 1 1 b 的c c k 和8 0 2 1 l a 的o f d m 8 0 2 1l g 还支持p b c c 分组二进制卷积码 技术 8 0 2 1 l g 中规定的调制方式有两种 一为原i n t e r s i l 公司提案采用的c c k o f d m 另一为t i 公司提案采用的 c c k p b c c 调制方式 其中c c k p b c c 保持了对i e e e 8 0 2 1 1 b 的完全兼容 并 使最高传输速率达到了2 2 m b p s 目前已经有不少符合该标准的产品 l 4 1 4 6a d o c 技术 a d o c a s y m m e t r i cd a t ao v e rc o a x 是一种很适合我国h f c 双向改造的同 轴电缆接入技术 a d o c 技术将成熟的w i f i 技术通过降频应用于同轴电缆分配 网络 为在有线电视h f c 网络开展交互式业务提供一种便捷的双向网络建设途 第四章a d o c 技术 径 它属于套源e o c 技术范畴 4 7a d o c 可行性分析 当前 h f c 的光传输段的闻题已经基本解决 因此 解决同轴电缆的数据接 入 即在同轴电缆中建立回传信道成为了h f c 网双向改造的关键 在光节点之下 同轴电缆网络一般采用 树型 和 星型 的拓扑结构 为保护现有的资源 保 护现有投资 接入技术宣采取数据信号弱原有数字电视 模拟电视信号共缆技术 a d o c 技术采用成熟的w l a n 技术 1 e e e8 0 2 1l 技术 作为雏形 拥有成熟 的技术标准 采用广泛生产的w i f i 标准芯片使a d o c 技术拥有适中的成本 加之 w l a n 本身具有的高性能 从而使a d o c 技术真正实现了高性能与低成本 市场 可行性与技术可行性均很强 4 8a d o c 方案原理 w i f i i e e e