（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于docsis的hfc寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

電子 羹大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 摘要 當(dāng)今社會已經(jīng)進入了信息社會 對信息的獲取和傳送方式提出了極高的 要求 傳統(tǒng)的電話接入網(wǎng)方式已經(jīng)很難再繼續(xù)滿足目益增長的帶寬需求了 h f c 寬帶接入網(wǎng)正在成為一大主流 它具有覆蓋面廣和帶寬資源豐富的特 點 d o c s i s 協(xié)議在h f c 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛 佼其已成為事實的標(biāo)準(zhǔn) 由于 h f c 寬帶接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點 上行信道是多點對單點的通信 并且采用了時 分復(fù)用和帶寬請求 授權(quán)機制 所以存在一系列的技術(shù)難點 上行信道長期以 來一直備受重視 是h f c 寬帶接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的研究熱點 本文對基于d o c s i s 的h f c 寬帶接入網(wǎng)上行信道的幾個關(guān)鍵技術(shù)做了詳 細的研究 主要分成三個部分 1 分析了上行信道存在的主要問題 提出了對h f c 網(wǎng)絡(luò)的改進 從 而使c m t s 具有了檢測沖突的能力 設(shè)計了基于沖突檢測的競爭解決算法 可以根據(jù)沖突的劇烈程度 調(diào)整回退窗口的大小 有效地減少沖突 以適應(yīng) 用戶數(shù)目的不斷變化 2 研究了沖突解決和接入延時之問的矛盾問題 設(shè)計了基于優(yōu)先級 的沖突解決算法 成功解決了這一矛盾 本算法使高優(yōu)先級用戶獲得了低延 遲的接入 按照優(yōu)先級的高低 既保障了高優(yōu)先級用戶的沖突解決和首次接 入 又盡可能地服務(wù)于低優(yōu)先級用戶 3 分析了競爭時隙和數(shù)據(jù)時隙之間存在的互動關(guān)系 根據(jù)這個關(guān)系 設(shè)計了動態(tài)的時隙分配算法 驗證了該關(guān)系在網(wǎng)絡(luò)運作中的實際作用 關(guān)鍵詞 h f cd o c s i s 沖突解決時隙分配 電子科技大學(xué)碩士論文 基4 二d o c s i s 帶 h f 寬帶網(wǎng)上彳j 信道關(guān)鍵技術(shù)研究 a b s t r a c t n o w a d a y s t h es o c i e t yh a sb e c o m e i n t b r m a t i o ns o c i e t y p e o p l e d e m a n d m u c hm o r ee f f e c t i v em a n n e r st o g a i na n dt r a n s m i ti n f o r m a t i o n t h et 1a d i t i o n a l p s t na c c e s sn e t w o r kc a n n o ts a r i s f yt h e u r g e n tn e e da n ym o r e t h u s h f c b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ki sn o wc o m i n go nt h e s t a g e w i t ht h e s p e c i a l t y w i d e l yc o v e r i n g a n da b u n d a n c eb a n d w i d t h t i l ed o c s i s s p e c i f i c a t i o n i s e s t a b l i s h e da st h ep r i m a r yh f cn e t w o r kd a t ac o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d b e c a u s e o ft h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro fh f c d o c s i sm a k e su s eo fu p s t r e a mc h a n n e li n t d m am o d ea n da l l o c a t ei tb y r e q u e s t g r a n t m e c h a n i s m s ot h e r ea r eas e r i e s o ft e c h n i c a ld i f f i c u l t y t h et e c h n o l o g yo fu p s t r e a mc h a n n e la c c e s si s ak e y t e c h n o l o g y a n d i ti sa l w a y st h ef o c u so ft h er e s e a r c h t h e k e yt e c h n o l o g i e so fu p s t r e a n ac h a n n e lo f t h eh f ca r eu n d e rr e s e a r c h b a s e o nd o c s l s t h i s p a p e ri sc o n c e n t r a t e do n t h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s 1 t h ep r i m a r yp r o b l e m so fu p s t r e a mc h a n n e la r ea n a l y z e d a n dt h em e n do f h f ci s p r e s e n t i tm a k e sc m t st ob ep r o v i d e dw i t ht h ea b i l i t y t od e t e c tt h e c o l l i s i o n t h ec o l l i s i o nr e s o l u t i o n a l g o r i t h m b a s e do n d e t e c t i n g c o l l i s i o ni s d e s i g n e d i t c a na d j u s tt h e b a c k o f fw i n d o w s a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo f c o l l i s i o n t h u s i tc a nd e c r e a s et h ec o l l i s i o ne f f e c t i v e l yt oa d a p tt h ec h a n g eo f u s e t 2 t h ec o n t r a d i c t i o no f c o l l i s i o nr e s o l u t i o na n da c c e s sd e l a yi sr e s e a r c h e d t h e c o l l i s i o nr e s o l u t i o n a l g o r i t h m b a s e do n p r i o r i t y i s d e s i g n e d t os o l v et h e c o n t r a d i c t i o n i tm a k e st h e h i g hp r i o r i t y u s e rt oh a v el o w e ra c c e s sd e l a y a c c o r d i n g t ot h ep r i o r i t y t h ec o l l i s i o nr e s o l u t i o na n dt h ef i s t t i m ea c c e s so ft h e h i g hp r i o r i t yu s e ra r eg u a r a n t e e d a n dt h el o wp r i o r i t yu s e ri s s e r v e db yi t sb e s t e f f o r t 3 t h ec o n n e c t i o no fc o n t e n t i o ns l o t a n dd a t as l o ti sa n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ec o n n e c t i o n t h ed y n a m i ca l l o c a t i o no fs l o t si sd e s i g n e d i tv a l i d a t e st h ee f f e c t o ft h ec o n n e c t i o ni nt h en e t w o r k s k e y w o r d s h f c d o c s i s c o l l i s i o nr e s o l u t i o n s l o ta l l o c a t i o n i l 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的 研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機 構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的資料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻 均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 簽名 墟日期 z 礎(chǔ)年 月叫日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 有 權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和借 閱 本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進 行查閱 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 簽名 量逸導(dǎo)師簽 日期 川年 月 屯子奉 技大學(xué)碩士論文基于d o c s i s 的i t f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 c d r c m c o i l s a n tb i tr a t e c a b l em o d e m 縮略語 恒定數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 電纜調(diào)制解調(diào)器 c m t sc a n em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m 電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng) c s m ac a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 載波監(jiān)聽多路訪問 c s m a c dc a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n 載波偵聽多路訪問 沖突檢測 d o c s i sd a t ao v e rc a b l es y s t e mi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n h f c m a c h y b r i df i b e rc o a x i a l m e d i aa c e c s sc o n t r o m c n s m u l t i m e d i ac a l b en e t w o r k ss y s t e m p s t n v o d v o l p p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k v i d e oo nd e m a n d v o i c e0 v e ri p i l l 電纜數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口規(guī)范 光纖同軸混合網(wǎng) 媒體接入控制 多媒體電纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 公共電話交換網(wǎng) 視頻點播 語音l p 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s l s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 1 1 概述 第1 章引言 當(dāng)今社會已經(jīng)進入了信息社會 信息對于人們的生活和工作起到了至關(guān)重 要的作用 大量信息極大地改變了工作和生活的方式 同時 人們對信息的依 賴和需求又不斷增加 因此 這就對信息的獲取和傳送方式提出了極高的要求 近十多年來 網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展正是這一需求的最直接體現(xiàn) 正如半導(dǎo)體行業(yè)的 摩爾定律 即微處理器的速度每1 8 個月增長一倍 揭示了芯片的發(fā)展 網(wǎng)絡(luò)上 的業(yè)務(wù)量也在以極快的速度成倍增長 據(jù)不完全統(tǒng)計 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量每6 個月就 會增加一倍 近年來 各種多媒體服務(wù)出現(xiàn)并迅速增長 如視頻會議 視頻點 播 v o d v i d e oo nd e m a n d v o l p v o i c e o v e ri p 網(wǎng)絡(luò)游戲等等 增長 的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量對網(wǎng)絡(luò)帶寬有了更高的需求 這就對傳統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)提出了挑戰(zhàn) 傳統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)使用的是電話網(wǎng)絡(luò) 即p s t n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k 通過不同的調(diào)制方法 可以得到不同的帶寬 過去使用i s d n 其 帶寬只能到達1 2 8 k b p s 即便是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的a d s l 其理論上行帶寬也只 有2 m b p s 下行8 m b p s 傳統(tǒng)的電話接八網(wǎng)方式已經(jīng)很難再繼續(xù)滿足日益增長 的帶寬需求了 因此其它的寬帶接入網(wǎng)方式也就應(yīng)運而生 其中 h f c 寬帶接 入網(wǎng)正在成為一大主流 h f c h y b r i df i b e r c o a x i a l 即混合光纖同軸電纜 而建立在此基礎(chǔ)上的即 是c a t v c o m m u n i t y a n t e n n at e l e v i s i o n 網(wǎng)絡(luò) h f c 寬帶接入網(wǎng)有其特有的 優(yōu)勢 首先 帶寬資源非常豐富 下行方向的帶寬可達幾百m h z 數(shù)據(jù)傳輸速 率為2 4 0 m b p s 其次洧線電視網(wǎng)在世界上許多國家覆蓋面非常廣 已經(jīng)建設(shè) 完善 易于控制潛在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)客戶的接八成本 我國有世界上最大的有線電視 網(wǎng)絡(luò)和最多的有線電視用戶 所以在我國發(fā)展h f c 寬帶接入網(wǎng)絡(luò)前景廣闊 因此 研究h f c 寬帶接入網(wǎng)有著重要的意義 現(xiàn)在世界上已經(jīng)有多個成熟 的h f c 寬帶接入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 我們選用了其中使用最為廣泛的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 標(biāo)準(zhǔn) 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵披術(shù)硼究 1 2 主要工作 本文主要醪究了基于d o c s i s 標(biāo)準(zhǔn)的h f c 寬帶接入網(wǎng)上行信道的幾個關(guān) 鍵技術(shù) 由于h f c 寬帶接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點一 行信道是多點對單點的通信 并 且采用了時分復(fù)用和帶寬清求 授極機制 所以存在一系列的技術(shù)難點 因此 如何合理有效地安排網(wǎng)絡(luò)運作一直是研究者的熱點問題 本文的研究內(nèi)容主要分成了三個部分 1 研究了上行信道的沖突解決 對h f c 網(wǎng)絡(luò)提出了改進 進而設(shè)訓(xùn)了新的競爭解決算法 2 研究了 上行信 道的時隙分配和延時特性的關(guān)系 設(shè)計了新的時隙分配和沖突解決算法 3 研究了時隙間存在的互動關(guān)系 分析和設(shè)計了在這種關(guān)系下的時隙分配 1 3 本文的組織 本文的內(nèi)容安排如下 第二章對h f c 寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展和和架構(gòu)做了一個簡要介紹 對現(xiàn)有成 熟的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)做了介紹 并比較了標(biāo)準(zhǔn)問的異同點 第三章分析了d o c s i s 標(biāo)準(zhǔn)的基本架構(gòu) 以及物理層和m a c 層的定義 重點研究了上行信道的帶寬分配和沖突解決是如何運作的 第四章分析了上行信道存在的主要問題 提出了對h f c 網(wǎng)絡(luò)的改進 實現(xiàn) 了對上行信道的沖突檢測 然后設(shè)計了基于沖突檢測的競爭解決算法 第五章研究了沖突解決和接入延時之間的矛盾問題 設(shè)計了基于優(yōu)先級的 沖突解決算法 第六章分析了競爭時隙和數(shù)據(jù)時隙之間存在的互動關(guān)系 研究了基于這種 動態(tài)過程的時隙分配 第七章總結(jié)了全文的工作 論述了以上三個研究部分之間的聯(lián)系 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 第2 章h f c 寬帶接入網(wǎng)及其標(biāo)準(zhǔn)簡介 2 1 基于h f c 的c a t v 寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展 2 1 1 c a t v 的發(fā)展 c a t v 發(fā)展比較早 最早于1 9 5 0 年在美國出現(xiàn)了小區(qū)共同天線 c o m m u n i t y a n t e n n at e l e v i s i o n 1 后來這種系統(tǒng)逐漸發(fā)展到服務(wù)商接收電視訊號 或者自 行制作節(jié)目 再配送到用戶家中 此種方式能提供更豐富的頻道節(jié)目 稱為有 線電視 c a b l et v 或c a t v 到7 0 年代 有線電視開始在美國大中城市出現(xiàn) 據(jù)調(diào)查在1 9 9 6 年時 約有 8 9 6 0 萬戶的家庭連接有線電視網(wǎng)絡(luò) 普及率約在6 3 以上 在美國大幅開放電信 業(yè)務(wù)的政策下 一些有線電視公司紛紛跨入電信的領(lǐng)域 只是目前在美國的有 線電視公司的規(guī)模和電話公司相去甚遠 造成有線電視公司在新技術(shù)的研發(fā)能 力和電話公司相比起來就顯得吃力了些 但是由于有線電視網(wǎng)絡(luò)先天具有高頻 寬及高普及率的特性 使得許多有線電視服務(wù)商還是積極投入于交互式多媒體 應(yīng)用的研究 所以未來有線電視在美國還是頗有發(fā)展?jié)摿Φ?在歐洲 荷蘭 比利時 盧森堡等國有線電視網(wǎng)絡(luò)普及率高達9 0 以上 英 國在歐洲國家中 其對有線電視網(wǎng)絡(luò)的政策開放程度是首屈一指的 從1 9 8 3 年 起就出現(xiàn)了第一個雙向系統(tǒng)的有線電視網(wǎng)絡(luò) 之后也開放有線電視得以經(jīng)營電 信業(yè)務(wù) 其自由化程度為世界之冠 也因此英國是世界上第一個使用有線電視 網(wǎng)絡(luò)傳送電話的國家 在1 9 9 5 年7 月英國有線電視網(wǎng)絡(luò)上的電話用戶己高達一百 萬戶 因此有線電視網(wǎng)絡(luò)在英國發(fā)展是一片看好 中國有線電視的發(fā)展 走的是一條由局部到整體的路線 各地有線電視的 發(fā)展一般都是由最初的居民樓閉路電視 發(fā)展到小區(qū)有線電視互聯(lián) 進而整個 城域 行政區(qū)轄 有線電視的互聯(lián) 2 1 自1 9 9 0 年以后 中國有線電視從各自獨立 的 分散的小網(wǎng)絡(luò) 向以部 省 地市 縣 為中心的部級干線 省級干線和城 域聯(lián)網(wǎng)發(fā)展 并成為全球第一大有線電視網(wǎng) 到1 9 9 8 年底 全國有線電視網(wǎng)絡(luò) 線路長度超過2 4 0 多萬公里 其中光纜網(wǎng)超過3 0 萬公里 有線電視用戶數(shù)達8 0 0 0 多萬 并仍以每年5 0 0 萬戶以上的速度增長 有線電視用戶數(shù)已穩(wěn)居世界第一位 有線電視成為我國家庭入戶率最高的信息工具 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h i c 寬帶網(wǎng)上行話道關(guān)鍵技充研究 2 1 2 h f c 寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展 進入9 0 年代以后 廣播電視全面數(shù)字化和因特網(wǎng)的迅速發(fā)展給干線電視形 成有力的挑戰(zhàn) 同時也給有線電視的發(fā)展帶來了千載難逢的機遇 在廣播電視 數(shù)字化方面 除美國走在了發(fā)展的前列阱外 德國 西班牙 澳大利亞 英國 日本甚至臺灣也制定出了數(shù)字化發(fā)展計劃 充分挖掘其雙向傳輸能力 真正實 現(xiàn)寬帶高速接入 使有線電視網(wǎng)絡(luò)在2 1 世紀(jì)的信息時代更緊密地與用戶連接在 一起 針對機遇與挑戰(zhàn) 各有線電視公司采取了一些促進技術(shù)及業(yè)務(wù)發(fā)展的措施 首先是對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)改造 許多國家花巨資進行光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代h f c 網(wǎng)的改 造 使得有線電視的光節(jié)點盡量靠近家庭 例如每一個光節(jié)點僅帶不n 2 0 0 個家 庭 其次是在業(yè)務(wù)開展方面 通過數(shù)字技術(shù)的引入 為用戶提供上百套的數(shù)字 電視節(jié)目和新型的寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 目前在美國 有線電視公司紛紛采用電纜調(diào) 制解調(diào)器 即c a b l e m o d e m 后文將詳細講解 實踐證明 c a b l em o d e m 女g 對 于電信公司的a d s l 有更先進的優(yōu)越性 所以計算機公司如微軟 電信公司如 a t t 紛紛把眼光看向了有線電視 我國新建網(wǎng)c a t v 網(wǎng)絡(luò)大部分為h f c 網(wǎng) 廣電 總局要求新建h f c 網(wǎng)每個光結(jié)點用戶在2 0 0 0 戶以下 有利于數(shù)據(jù)傳輸和寬帶接 入 目前 我國正在建更大規(guī)模的h f c 寬帶接入試驗網(wǎng) 現(xiàn)在 h f c 已經(jīng)成為有線電視系統(tǒng)的主要模式 隨著社會信息化的進程 有線電視網(wǎng) 電信網(wǎng)和計算機網(wǎng) 三網(wǎng)融合 在發(fā)達國家已經(jīng)開始 h f c 網(wǎng)絡(luò) 的發(fā)展進入一個全新的時期 2 2 h f c 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 最初的c a t v 網(wǎng)絡(luò)使用的是同軸電纜 但是隨著技術(shù)和對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的要求 的提高 同軸電纜早已不能滿足需要了 于是c a t v 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從單向的模擬視 頻信道廣播轉(zhuǎn)變?yōu)閕 光纖 同軸混合網(wǎng) h f c 并且正在從單向發(fā)展到雙向 同時能傳送模擬 數(shù)字視頻信道和高速數(shù)據(jù) h f c 網(wǎng)絡(luò)可以分成三個部分 3 頭 端 h e a d e n d 傳輸線路 用戶端 如圖2 1 所示 4 皇王壁墊盔堂霹士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 用戶端 圖2 1h f c 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 頭端 h e a d e n d 是負責(zé)控制及維護整個有線電視網(wǎng)絡(luò)的運作 傳統(tǒng)有線電視 網(wǎng)絡(luò)的頭端 單純只負責(zé)播放節(jié)目或接收衛(wèi)星節(jié)目訊號 并把節(jié)目內(nèi)容經(jīng)傳輸 線路 傳送到客戶端 但是現(xiàn)今有線電視網(wǎng)絡(luò)均被要求能傳送數(shù)字的雙向信號 頭端要負責(zé)協(xié)調(diào)雙向數(shù)據(jù)的傳送順序 因此頭端的工作加重了許多 傳輸線路是負責(zé)傳送頭端及客戶端兩者間信號 依照其布線位置還可分為 干線 饋線等多個部分 目前h f c 網(wǎng)主干部分采用光纖 光節(jié)點到配線盒使用同 軸電纜 配線盒到用戶端使用樹枝狀結(jié)構(gòu)分配型同軸引入線 客戶端是指使用t t f c 網(wǎng)的用戶家中 在傳統(tǒng)的c a t v 網(wǎng)中 用戶使用選臺器 或電視機和h f c 網(wǎng)連接 但在數(shù)字傳送的h f c 網(wǎng)中 用戶則是使用電纜調(diào)制解 調(diào)器 c a b l em o d e m 或機頂盒 即有線電視譯碼器 連接h f c 網(wǎng)絡(luò) 2 3 i i f c 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) h f c 網(wǎng)絡(luò)是一個樹型的拓撲網(wǎng)絡(luò) 下行信道只能由頭端使用來給用戶端傳 送數(shù)據(jù) 所以下行方向的傳送相對容易 但是上行信道是共享信道 多個用戶 端對一個頭端 即多點對單點的傳輸 所以當(dāng)多個站點同時進行上行傳輸時就 會發(fā)生沖突 造成傳輸錯誤 因此 為了能在h f c 網(wǎng)絡(luò)上成功有效地傳送數(shù)據(jù) 必須要有一個針對h f c 網(wǎng)絡(luò)特性所設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn) 世界上有多個組織都制定了各 自的標(biāo)準(zhǔn) 其中一些已經(jīng)成為了較為通用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 下面介紹其中影響最大 e 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d c s i s 艙h f c 寬帶網(wǎng)上 信道關(guān)鍵技術(shù)硼究 的幾個枉 準(zhǔn) 2 3 1 i e e e8 0 2 4 標(biāo)準(zhǔn) 1 9 9 4 年5 月 國際電子 電機工程師協(xié)會1 4 1 i e e e 8 0 2 1 4 6 工作小組成立 這是最早的標(biāo)準(zhǔn)制定組織 該標(biāo)準(zhǔn)主要包括線電視軸纜網(wǎng)絡(luò)的媒體控制層 m a c l a y e r m e d i a a c c e s sc o n t r o ll a y e r 和物理層 p h y s i c a l l a y e r 的制定 其主要特點是 第一次傳送規(guī)則為帶有優(yōu)先級的先進先出 f i f o 機制 而重 傳規(guī)則是n 元樹算法 n a r y t r e ea l g o r i t h m 2 3 2 d o c s i s 標(biāo)準(zhǔn) 由于i e e e8 0 2 1 4 進展緩慢 美國的有線電視商于1 9 9 5 年成立多媒體有 線電視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) m c n s 5 組織 1 9 9 5 年1 2 月 m c n s 組織先后發(fā)表了m c n g 的八個文件 統(tǒng)稱為 電纜數(shù)據(jù)射頻接口規(guī)范 即后來的d o c s i s l 5 1 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 標(biāo)準(zhǔn) 該標(biāo)準(zhǔn)獲得全美百分之八十的c a b l e m o d e m 制造商的支持 使得此標(biāo)準(zhǔn)成為h f c 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)的主力 在1 9 9 8 年3 月 國際電信聯(lián)盟接受d o c s l s 標(biāo)準(zhǔn) 作為c a b l em o d e m 的標(biāo)準(zhǔn) 1 9 9 9 年 美國c b f c a b l eb r o a d b a n df o r u m 根據(jù)d o c s i s 標(biāo)準(zhǔn)決定各家調(diào)制解調(diào)器產(chǎn) 品的兼容性 并交由m c n s 所成立的c a b l e l a b s 給予認證 到目前為止 d o c s i s 已被廣泛的使用在世界大部份的地區(qū) 其最新的版本為d o c s i s 2 0 2 3 3 d v b d a v i c 標(biāo)準(zhǔn) 歐洲的標(biāo)準(zhǔn)體系組織包括d v b 7 數(shù)字視頻廣播 d a v i c t 7 1 數(shù)字音視 頻理事會 以及e c c a 歐洲有線電視運營商聯(lián)盟 三個組織 d v b 和d a v i c 組織長期致力于數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)的制訂 d v b d a v i c 是d o c s i s 標(biāo)準(zhǔn)在歐洲的 強有力的挑戰(zhàn)者 e u r oc a b l el a b s 歐洲有線電視實驗室 在歐洲有線電視聯(lián)盟 的指導(dǎo)下 一直支持以d v b d a v i c 的為基礎(chǔ)的 歐洲調(diào)制解調(diào)器 1 9 9 9 年5 月歐洲有線電視實驗室發(fā)布了基于d v b d a v i c 的e u r om o d e m 規(guī)范 d v b c a b l em o d e m 是歐洲經(jīng)營者的首選 2 3 4 標(biāo)準(zhǔn)問的比較 上述標(biāo)準(zhǔn)體系的頻帶劃分 帶寬及信道參數(shù)等方面的規(guī)定 都存在較大差 異 因而互不兼容 北美標(biāo)準(zhǔn)是基于i p 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 側(cè)重于對系統(tǒng)接口的 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 規(guī)范 具有靈活的高速數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢 歐洲標(biāo)準(zhǔn)是基于a t m 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 側(cè)重于d v b 交互信道的規(guī)范 具有實時視頻傳輸優(yōu)勢 它們之間的比較詳見 表2 1 8 9 1 表2i d o c s i s i e e e 8 0 2 1 4 和d a v i c d v b 比較 d 0 c s i si e e e8 0 2 1 4 d a v l c d v b 上行調(diào)制方式1 6 q a m 6 4 q a mo p s k 1 6 q a mo p s k 下行調(diào)制方式6 4 q a m 2 5 6 q a b l6 4 q a i v l 2 5 6 q a mq p s k 上行信道接入方式 f d m a t d m a c d m af d m a t d m af d m a t d m a q o s u g s r t p s u g s a d c i rc r b v b r a b r 安全 r s a d e sr s a d e s 沖突解決二進制指數(shù)后退n 元樹算法二進制指數(shù)后退 分組格式i p 分組a t m 信元a t m 信元 上行速率3 0 m b p sl o m b p sl o m b p s 下行速率4 0 m b p s3 0 m b p s 1 0 m b d s 2 4 小結(jié) 本章對h f c 寬帶接入網(wǎng)的發(fā)展和架構(gòu)做了一個簡要介紹 指出了在我國發(fā) 展h f c 寬帶接入網(wǎng)的重要意義 對現(xiàn)有成熟的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)做了介紹 并比較了標(biāo) 準(zhǔn)間的異同點 7 電子科技大學(xué)碩士論文基予d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 第3 章d o c s i s 協(xié)議分析和研究 3 1 d o c s i s 的基本架構(gòu) d o c s i s 制訂的主要目的是在于讓客戶端的計算機的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過c m c a b l em o d e m 電纜調(diào)制解調(diào)器 連接 至f h f c 有線電視網(wǎng)絡(luò)上 并經(jīng)由頭端 和外界網(wǎng)絡(luò)做雙向的溝通 圖3 1 所示即說明了這種架構(gòu) 圖中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 電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng) 即是指頭端 圈囂圈 蹦 髻 圖3 1d o c s i s 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖 叫用戶曹導(dǎo) 設(shè)備接口 酗 用戶設(shè)備 c m 系統(tǒng)的主要功能是在c m t s 和用戶之間透明傳輸數(shù)據(jù)包 為此d o c s i s 專門制定了r f 接口的通信協(xié)議棧 如圖3 2 1 5 1 所示 物理層包括與實際物理媒 質(zhì)有關(guān)的子層 p m d 和下行傳輸匯聚子層 t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e 物 理層之上的數(shù)據(jù)鏈路層包括媒質(zhì)接入控制層 m a c 鏈路安全子層 l i n k s e c u r i t y 邏輯鏈路控制子層 l l c m a c 層定義的規(guī)程和參數(shù)使c m 和c m t s 能夠相互作用 以便于下行和上行信道能夠支持各種業(yè)務(wù) 鏈路安全子層提供 i l 包傳輸所需的安全性 d o c s i s 的規(guī)范主要是關(guān)于物理層和m a c 層 m a c 層 以上的各層均采用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的協(xié)議 如t c p i p 協(xié)議簇 所以高層的協(xié) 議和規(guī)范并不是d o c s l s 規(guī)范關(guān)心的問題 它需要解決的是如何在h l c 網(wǎng)絡(luò)特有 的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)上的通信問題 電子科技大學(xué)碩士論文 基 j 二d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 s n m pt f t pd h c p ll u d p p c m p l l ll 斛 l l c d i x l i i n k i l t r a n s m b 3 i o ni g o n v e r g e n e e l f d o w n s t r e a mc t f l l y li l 圖3 2r f 接口的d o c s i s 通信協(xié)議棧 圖3 3 5 1 所示即為c m 和c m t s 拱j 數(shù)據(jù)傳送 需要特別注意的是 m a c 層里 上行和下行信道之間的數(shù)據(jù)傳送和傳統(tǒng)的局域網(wǎng) l a n 不同 因為上行信道是 在共享媒質(zhì)上進行點到點的傳輸 而下行信道是在共享媒質(zhì)上進行點到多電的 傳輸 圖3 3 通過c m 和c m t s 進行數(shù)據(jù)的傳送 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研冤 下面的章節(jié)將對d o c s i s 協(xié)議比較重要的幾個部分竹 介紹 3 2 物理層 c a t v 網(wǎng)絡(luò)露來是為傳輸單向的模擬信號的電視節(jié)目麗設(shè)計的 原來的單向 的模擬信號的傳輸頻率是從5 0 m h z 到4 5 0 m h z 由于采用h f c 后 傳輸?shù)念l率已經(jīng) 提高到7 5 0 m h z 或更高 1 g h z 這樣就為雙向業(yè)務(wù)的開展提供了便利的條件 d o c s i s 協(xié)議中規(guī)定 5 m h z 到4 2 m h z 用于上行信道的傳輸 5 0 m h z 至0 4 5 0 m h z 用于模 擬信號的電視節(jié)目傳輸 4 5 0 m h z 至u 1 0 0 0 m h z 用于下行數(shù)字信號的傳輸 包括數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)和數(shù)字電視節(jié)目等 如圖3 4 所示 同時 由于原有的模擬信號是按照每6 m h z 劃分為一個頻道 所以h f c 寬帶接入網(wǎng)的下行方向也按照6 m h z 劃分為一個信道 翻3 4h f c 網(wǎng)絡(luò)頻率分配 物理層規(guī)定了前向糾錯 f e c 采用r s r e e d s o l o m o n 編碼 下行信道 采用廣播的通信方式 調(diào)制方式為6 4 q a m 或者2 5 6 q a m 上行調(diào)制方式為 1 6 q a m 或者6 4 q a m 需要特別注意的是 由于h f c 網(wǎng)的特殊性 即多用戶共 享上行信道 所以上行信道按 n f d m a 頻分多址 被劃分成多個子信道 而 每個子信道內(nèi)采用t d m a 時分多址 的接入方式 這成為了h f c 網(wǎng)絡(luò)有別與 其他接入網(wǎng)的最大的特點之一 下行比特流被定義為長度為1 8 8 字節(jié)的m p e g 數(shù)據(jù)包 其中包括4 字節(jié)的包 頭和1 8 4 字節(jié)的載荷 m p e g 數(shù)據(jù)包用束承載d o c s i sm a c 幀 m a c 幀可以從 m p e g 數(shù)據(jù)包中的任意位置開始 而且?guī)讉€m a c 幀可以同時包含在一個m p e g 數(shù)據(jù)包中 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 3 3 m a c 層 d o c s i s 中的m a c 層定義了c m 和c m t s 相互配合的進程和參數(shù) 以支持下 行和上行信道的各種業(yè)務(wù) 由于h f c 網(wǎng)絡(luò)的拓撲特點 所以開發(fā)一個適合的 m a c 層協(xié)議就顯得尤為重要 同時也相對困難 下面將詳細講解m a c 層的規(guī) 定和運作 m a c 子層協(xié)議的主要特征包括 在c m t s 控制下的上行帶寬分配 上行數(shù)據(jù)流被分為許多的微小時隙 基于競爭和基于保留的上行數(shù)據(jù)流傳輸機會的動態(tài)管理 q o s 如數(shù)據(jù)包分類 動態(tài)服務(wù)的建立等 在數(shù)據(jù)鏈路層提供安全功能擴展 支持較大范圍的數(shù)據(jù)速率 3 3 1 m a c 層的重要定義 1 m a c 域 m a c s u b l a y e r d o m a i n m a c 域是多個上行信道和下行信道的集合 這些信道使用單個m a c 分配 和管理協(xié)議 它包括一個c m t s 和多個c m c m t s 必須為所有的上行和下行信 道服務(wù) 而一個c m 可以選擇多個上行及下行信道 但是一次只能接入一個上 行和一個下行信道 m a c 域定義了該m a c 層的范圍和c m t s 對c m 的m a c 地址 的管理 2 服務(wù)流 s e r v i c ef l o w s 服務(wù)流是d o c s i sm a c 層協(xié)議的基礎(chǔ)部分 服務(wù)流是m a c 層傳送的業(yè)務(wù) 它在c m 和c m t s 之間提供數(shù)據(jù)包的單向傳送 服務(wù)流還可以根據(jù)q o s 的業(yè)務(wù)量 參數(shù)對業(yè)務(wù)量進行整形 提出策略和優(yōu)先級確定 在m a c 域中 c m t s 用服務(wù)號s i d s e r v i c ei d 來標(biāo)識每一個c m s i d 既 是一個設(shè)備標(biāo)識號 同時也是對服務(wù)級別的一種管理 而一個服務(wù)流號s f i d s e r v i c ef l o wi d 定義了一個c m t s 與c m 之間的單向映射 上行帶寬被分配 給s i d c m t s 可以給一個c m 分配一個或多個s f i d 這種映射可以在c m 向 c m t s 注冊時協(xié)商 或通過 動態(tài)服務(wù)建立 來實現(xiàn) s f i d 的長度為3 2 b i t s i d 電子科技大二碩士論文 瓢于d o c s i s 眈h f c 一帶嘲上行涪道關(guān)鍵技術(shù) f 寬 的長度為 4 b i t 但有時以1 6 b i t s 的開曩 傳輸 任何時候 一個c m 都必塤有一個 活動的上行服務(wù)流和一個活動的一一亍服務(wù)流 它化被稱為上行 下彳j 摹本服務(wù) 流 而分配了上行基本服務(wù)流的s j d 被稱為基本s i d 所有的s f i d 在m a c 域內(nèi) 都是獨一無二的 3 上行傳輸機會間隔時間 微時隙 微時隙 m i n i s l o t 是上行傳輸機會間隔時間 u p s t r e a m i n t e r v a l s j 的單位 個微時隙等于2 的n 次冪乘以6 2 5 微秒 這里的n 由u c dm e s s a g e 來定義 而 上行傳輸機會間隔時間包含整數(shù)個微時隙 4 m a c 幀 m a cf r a m e m a c 幀如圖3 5 5 所示 包含一個m a c 幀頭 h e a d e r 和變長數(shù)據(jù)p d u m a c 幀是c m t s 和c m 在m a c 子層傳輸數(shù)據(jù)的基本單元 包括上行及下行 m a c 的幀頭唯一標(biāo)識了m a c 幀的內(nèi)容 它支持四種不同類型的數(shù)據(jù)p d u 可 變長度數(shù)據(jù)包 a t m 數(shù)據(jù)包 m a c 層專用數(shù)據(jù)包 如請求 測距 帶寬分配信 息等 預(yù)留的p d u l p m do v e r 1 0 a d l u p s t r e t l f t i a ch e a o e rd o t 8p d u o p t i o n a l 圖3 5m c 幀格式 3 3 2 上行信道帶寬分配 由于采用時分復(fù)用 所以上行信道是以時隙 s l o t 的形式傳輸數(shù)據(jù)的 c m t s 必 須為這些時隙制定相對應(yīng)的時間 并且要能控制c m 對這些時隙的使 用 舉個例子 c m t s 可能會準(zhǔn)許一些連續(xù)的時隙給一個c m 以讓此c m 可以 傳輸一個數(shù)據(jù)p d u c m 會依c m r s n n g 的時隙來計算傳輸?shù)臅r間 而c m t s 會在它所定義給c m 的相對時間得到c m 所傳送的數(shù) 據(jù)p d u 在上行信道帶寬分配機制中 最基本的就是利m a p 如圖3 6 j 所示 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 m a p 是 個靠c m t s 利用下行信道傳輸?shù)膍 a c 管理訊息 m a n a g e m e n t m e s s a g e 在m a p 中 明確指定了每一個時隙的使用者和用途 比如 描述哪些 時隙是用來讓某些特殊使用者 特定的一個或者幾個c m 傳輸數(shù)據(jù) 哪些時隙 是用來讓有上行傳輸需要的c m 發(fā)出傳輸請求之用 哪些時隙是用來讓新加電 的c m 加入網(wǎng)絡(luò)之用 圖3 6m a p 幀格式 m a p 幀中包含了固定長度的幀頭和不同數(shù)量的信息元素 叫作i e i n f o r m a t i o ne l e m e n t s 每一個i e 定義了一定范圍時隙的使用 每一個i e 是由一 個1 4 b i t 的s i d 一個4 b i t 的t y p ec o d e 和一個1 4 b i t 的s t a r t i n go f f s e t 所組成 其中 用來為有需要的c m 發(fā)出它的傳輸請求的i en q 做r e q u e s ti e 所有的c m 必須掃 描m a p 中所有的i e 來獲知上行信道是如何分配的 而c m t s 不是直接繪出每個i e 管理的時隙的時問范圍 而是通過i e 的s t a r t i n go f f s e t 字段 以m i n i s l o t 為單位 給出一個相對于該m a p 的有效開始時間的一個偏移量 i e 在m a p 中的順序要嚴 格遵守各種i e 的s t a r t i n go f f s e t 蜈序 考慮到網(wǎng)絡(luò)延時 c m t s 需要在m a p 幀的 有效時間 即m a p 幀中的 a l l o cs t a r t t i m e 之前發(fā)送 每個m a p 所描述的 m i n i s l o t 個數(shù)都可以不相同 一個m a p 最少可以描述一個m i n i s l o t 最多可以 描述2 4 0 個i e 每一個單獨的i e 最大可以描述2 5 6 個m i n i s l o t 而它們所描述的 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶網(wǎng)上行信道關(guān)鍵技術(shù)礎(chǔ) 究 總的m i n i s l o t 不能超過4 0 9 6 個 因此 上行信道帶寬分配機制所包含基本的要求總結(jié)如下 1 每一個c m 都南一個1 4 b i t 的s i d 以及一個4 8 b i t 的m a c 地址 并且每 一個c m 都可以向c m t s 發(fā)出帶寬分配申請 2 上行信道可以被切割成由多個時隙所組成的數(shù)據(jù)流 而時隙的編號是 由c m t s 來管理 時隙的時間關(guān)系是由同步 s y n c 數(shù)據(jù)包來告知給所有的c m 3 當(dāng)c m 需要帶寬時 必須要i h c m t s 提出帶寬的要求 4 c m t s 會在a l l o c a t i o nm a p 幀中 定義所有準(zhǔn)許被使用的時隙 并以 下行信道來傳輸這些a l l o c a t i o nm a p 幀 下面以舉例詳細說明當(dāng)c m 有數(shù)據(jù)請求時與c m t s 能j 交互運作 如圖3 7 捫 洲t s 寸 l 專i 弋 葉 m 矗p d u r e q s t a a pp d u d a mp d c m 二 乇l 乓 斗 圖3 7c m 與c m t s 的運作 1 在t l 時刻 c m t s 實際發(fā)送m a p 幀的時刻 c m t s 發(fā)送一個m a p 給 c m 這個m a p 的有效開始時間是t 3 在這個m a p 中存在著一個r e q u e s t i e 即 該i e 分配給c m 的發(fā)送時刻是t 5 t l 和t 3 之間的吲間差 主要基于以下幾點考慮 下行傳播時延 以便于c m 能接收到此m a p c m 對m a p 的處理時間 比如c m 對收到的m a p 的解析 并從中得出傳 輸機會 上行傳播時延 以便于c m 發(fā)送的酋個上行數(shù)據(jù)能夠在t 3 時刻到達c m t s 2 在t 2 時刻 c m 接收至 j c m t s 發(fā)出的m a p 然后c m 對其進行解析并尋找 傳輸機會 為了降低沖突概率 c m 選擇t 6 時刻作為其發(fā)送 之所以選擇t 6 時刻 則是基于 截短的二進制指數(shù)回退算法 將在后面講解 3 在t 4 時刻 c m 發(fā)送出請求幀 在該幀中 包含t c m 為了發(fā)送自己的 數(shù)據(jù)p d u 所需要的m i n i s l o t 個數(shù) 為了補償h f c n 絡(luò)的延時 使得對t c m t s 來 電子科技大學(xué)碩士論文 基于d o c s i s 的h f c 寬帶剛上行信道關(guān)鍵技術(shù)研究 講 它所規(guī)定的c m 的發(fā)送時刻即等于c m t s 的接收時刻 所以c m 必須提前發(fā) 送數(shù)據(jù)包 這個提前量是由初始的定時和測距決定的 這里 c m 就必須在提 前于t 6 時刻的t 4 時刻發(fā)送 以使該請求幀能夠在t 6 時刻準(zhǔn)時達至i j c m t s 4 在t 6 時刻 c m t s 接收到c m 發(fā)出的請求幀 然后在下一個m a p 中為 其分配帶寬 但是 在實際情況下 c m t s 將不一定能夠滿足這個c m 的上行信 道帶寬申請 c m t s 究竟為哪一個c m 分配帶寬 這取決于c m t s 采用的分配算 法 5 在t 7 時刻 c m t s 給它將要為其分配帶寬的c m 發(fā)送下一個m a p 該 m a p 的有效開始時間是t 9 在這個m a p 中 將包含 個s h o r t l o n gd a t ag r a n t i e 這個i e 規(guī)定c m 在t 1 1 時刻開始發(fā)送數(shù)據(jù)p d u 6 在t 8 時刻 c m 接收到c m t s 發(fā)給它的帶寬分配m a p 于是 它對其 進行解析并尋找授權(quán)給它的發(fā)送機會 7 在t 1 0 時刻 c m 發(fā)送它的數(shù)據(jù)p d u 之所以選擇t 1 0 發(fā)送 也是跟步 驟3 中的原因一樣 為了補償上行延時 以便于這個數(shù)據(jù)p d u 能夠在c m t s 規(guī)定 的t 11 時刻到達c m