有线电视宽带接入网的稳定性研究

2022-09-11

近年来以现有CATV网络为基础的混合光纤同轴电缆 (HFC) 网在宽带接入网络中占有越来越重要的地位, 逐渐成为国家信息基础设施 (NII) 的重要组成部分。HFC系统的M A C协议大部分是预约型的ALOHA协议, 都采用了基于随机访问机制的竞争时隙, 这些竞争送预约请求, 这种访问方式有可能产生碰撞, 产生碰撞后, 采用指数退避算法来重发, 预时隙的功能主要是利用竞争时隙来进行预约请求, 因此竞争时隙的性能关系到整个MAC协议的性能。本文根据局域网性能分析的一些基本方法, 对基于HFC网络的MAC协议中竞争时隙所采用的IE的分配机制和窗口回退的性能进行了分析, 提出了冲突的解决方案。

1 上行带宽分配

上行带宽分配是HFC网中线缆调制解调器CM接入控制的主要内容。CMTS通过周期性地发出MAP帧来控制CM对某一个上行通道的使用。这里有两种情况需要考虑: (1) 当某个CM要发送带宽独占型的数据时, 它将如何获取发送这个数据的上行机会; (2) 当某个CM要发送带宽共享型的数据时, 它又该如何处理。通过一个实例来分析这两情况的处理, 在这个实例中, CM需要发送一个PDU数据给CMTS。在这个过程中, CM先发送一个 (竞争性的) 带宽请求帧, 在获取到所需带宽后 (即, CMTS同意这个请求) , 通过MAP帧中的 (长/短) 数据准许IE提供的机会传输CM的PDU数据 (独占型) , 其过程如图1所示。

整个传输过程如下。

(1) CMTS在t1时刻发出一个含有请求IE的MAP帧, 这个请求IE所描述的时段要求CM通过竞争才能获取。假设这个MAP帧的有效开始时间是t3 (t3根据下行时延、CM对这个MAP帧的处理时间、以及上行时延估算) , 请求IE的开始时间从t5开始。

(2) 在t2时刻CM收到这个MAP帧。MAP帧的分析过程是, CM首先从MAP帧中IE部分查找针对自己的IE (通过IE域的SID号确定) , 然后从MAP帧中找到请求IE (通过IUC域) , 并分析这个IE所描述的时段 (通过前后两个分量之差计算出来) 。为了减少在这个时段上的冲突, CMTS要求CM根据MAP帧中的数据回退开始字段计算一个随机数作为CM在发送请求的时间调整, 如图1中的t6。

(3) CM根据t6和测距出来的上行时延计算出请求帧的发送时刻t4, 这样可保证请求帧在t6时刻到达CMTS。CM发送PDU数据所需的带宽 (以微时隙计算) , 包含在请求帧中。

(4) CMTS在t6时刻收到CM发来的请求帧, 然后根据带宽资源情况决定对这个请求帧的处理, 如果CMTS认为带宽资源能够满足CM的要求, 那么它将在下一个MAP帧中答复CM。

(5) 于是, CMTS在t7时刻发出带有让这个CM使用上行带宽的MAP帧。这个MAP帧中含有一个数据IE, 它的SID域指明了这个IE所描述的时段用于这个CM。假设第二个MAP帧的有效开始时间是t9, 而数据IE所描述的时段从t11开始。

(6) 第二个MAP帧在t8时刻被送达CM, CM对它进行扫描分析, 计算出在t11时刻必须把数据送到CMTS。

(7) 类似第三步, CM根据t11和测距结果计算出t10, 并在t10发送数据PDU帧。

在上述过程中, 如果CM在请求帧发送之前就保持着一个发送请求帧的时段机会表, 那么第1、2步将不会是产生访问时延的因素, 即CM随时都会有发送请求帧的机会。由于此时是用的竞争性的时段发送请求帧, 因此在第3步的中要考虑到自己发送的请求帧可能与其它CM的请求帧冲突而被丢失。

2 冲突解决

CMTS通过MAP帧控制CM对上行通道的使用, 但并非每个上行时段都留给固定的CM使用, 因此会有冲突发生, 冲突发生的原因是由于HFC接入控制机制中的随机接入特性造成的。请求帧和数据PDU帧都有可能在传输时发生冲突, 冲突解决的方法关系到HFC网络的性能好坏。

2.1 IE的分配机制

要理解冲突解决机制, 必须先知道竞争性IE (它所描述的时段需要CM通过竞争才能获取) 的进一步划分。IE的进一步划分如图2所示。对于描述竞争性的时段的IE, 它由传输机会组成, 传输机会又由微时隙组成。微时隙还可以进一步划分为以6.25微秒为最小单位的时间单位。在图2中, IE1由两个传输机会组成, 传输机会1由4个微时隙组成, 传输机会2也由4个微时隙组成, IE2是一个非竞争的IE。对于一个竞争性的IE包含的传输机会个数中是由两个量决定的, 其中一个量是一个传输机会中包含的微时隙个数, 记为n2, 它是由CMTS周期性发出的称为UCD (Upstream Channel D e sc r ip t o r) 帧中的脉冲串描述符 (B u r st Descriptor) 字段中TLV形式的最大脉冲串描述符 (Maximum Burst Descriptor) 值决定, 因此同一个IE中的各传输机会所含的微时隙个数是相同的 (此例中为4) 。

2.2 窗口回退机制

HFC网中冲突的解决方法基于窗口回退机制, CMTS控制着初始回退窗口和最大回退窗口。这两个窗口大小的值是通过M A P帧中的某些字段传送给C M的, 在MAP帧中这些字段的值表示一个以2为底的幂的指数。例如, 表示窗口大小的字段的值是4, 那么这表示一个0～15的窗口, 如果表示窗口大小的字段的值是10, 那么这表示一个0～1023的窗口。

当CM要发送一个参与竞争的帧时, 它先把内部回退窗口的大小设为MAP帧中数据回退开始字段定义的大小一样。注意, MAP帧必须是当前正在起作用的MAP帧。然后CM从内部回退窗口中随机地选取一个数, 它表示CM在传输这个竞争帧之前必须等待的竞争传输机会数, 这里的传输机会是指同种性质的传输机会, 即, CM在识别传输机会时, 它只考虑用于本次竞争性帧的传输机会。例如, CM要传输测距请求帧, 它从回退窗口中选取了一个随机数3, 那么, CM只有等待第4次测距机会来临时, 它才能去竞争测距 (发测距请求帧) 。可能发生的情况是, 这个请求IE包含有4个以上的请求机会, 那么, CM就可以在本次IE的时段中发出请求帧。如果IE包含4次以下的请求机会, 那么CM只有等到下一个请求IE的出现, 而下一个请求IE可能与本次IE相距多个IE, 甚至在下一个MAP帧中才有这种机会。不过需要注意的是, 从选取了随机数后, CM等待发送而放弃的传输机会是累计计算的, 即使这些请求机会可能不在同一个IE, 甚至也不在同一个MAP帧中。

当CM传输了竞争性的帧后, 它将等待CMTS的响应, CMTS和CM的处理流程如图3所示。第一种情况是竞争成功, CMTS收到了这个CM帧, 如果CM发送的是请求帧, 它等到的响应是数据准许IE, 在这里, 根据HFC中带宽资源的情况, CM收到的数据准许IE的长度可能是0;如果CM发送的是数据PDU帧, 它可能等到的结果是数据确认IE。第二种情况是竞争失败, CMTS没有收到这个CM的帧, 那么CM也不会收到CMTS的响应, 具体表现是, 如果CM发送的是请求帧, 那么CM紧接着收到的MAP帧中没有针对自己的数据准许IE, 如果CM发送的是数据PDU帧, 那么MAP帧中没有数据响应IE。

当CM竞争失败后, 它必须增大回退窗口一倍, 但不能超过最大回退窗口。然后CM在新窗口中选择一个随机数, 又重新开始上面的过程。当重试次数大于16后, CM将不再传送这个帧, 重传最大次数的值与窗口大小无关。一方面, CMTS可以把MAP帧中的数据回退开始字段的值设为0, 数据回退结束字段的值设为10, 那么此时HFC具有以太网风格的回退机制, 它具有公平和效率高的特点。另一方面, CMTS可以使这两个字段的值经常改变, 以至CM能够用到同样优化的回退窗口。

3 结语

随着HFC网络向交互式、综合业务方向发展, 如何有效共享HFC系统的上行信道已成为HFC网络建设的主要问题。本文对基于HFC网络的MAC协议中竞争时隙所采用的访问机制的性能进行了分析, 运用基于窗口回退机制来解决HFC网中冲突的解决方法。实验结果表明运用这种冲突解决办法可以提高HFC接入网的稳定性。

摘要：光纤同轴电缆混合网 (hybrid fiber/coax, HFC) 以其高带宽和用户覆盖面广等优势成为为家庭用户提供宽带接入的重要手段之一。作为商用网络接入网的稳定性是有线宽带网络营运商重点关心的问题。本文针对有线电视宽带网络接入网的稳定性进行了模型分析, 提出了系统中出现冲突的解决方案以提高有线电视宽带接入网的稳定性。

关键词：光纤同轴电缆混合网,数据业务,输控制协议,带宽分配算法