HFC网络中数据业务的QoS技术研究

论文摘要

双向HFC网络的树状拓扑结构,决定了下行通信是一点对多点的广播信道,上行通信是多点对一点的共享信道。并且由于上、下行信道在频段上相互隔离,处于分支节点处的用户设备无法监听上行信道上的信号,也就无法检测共享信道的使用冲突,因此它们对上行共享信道的使用完全是随机的、异步的。当有多个用户同时上行发送数据时,便会产生冲突。在这种情况下,建立一套有效的上行信道管理机制,是在HFC网络中提供双向数据业务的基础。DOCSIS协议在HFC网络中的广泛应用,使其已成为事实的标准。DOCSIS协议中对上行信道进行时分复用。上行信道被划分为一个个连续的微时隙（mini-slot）。并通过“请求-授权”机制对它们作出分配。这种机制能够较好地协调各个CM的上行信道接入,以减少数据冲突,提高上行信道带宽利用率。但它不能很好地保证实时业务（如VoIP,视频会议等）的QoS。为了在HFC网络中更好地支持实时数据业务的QoS,DOCSIS定义了五种QoS业务流类型,即UGS,UGS-AD,rtPS,nrtPS以及BE业务流。本文主要研究了DOCSIS协议中的UGS业务流与rtPS业务流,它们分别为实时CBR、VBR数据流提供QoS服务。主要工作包括:1.提出了一种UGS业务流的接入允许控制算法,以降低多个UGS业务流之间的QoS冲突,提高服务质量。同时提出了一种UGS业务流的带宽分配策略,通过仿真发现,该策略可以为多个UGS业务提供有效的带宽分配方案,减少QoS冲突概率。2.在分析了DOCSIS协议中rtPS业务流的QoS机制与实时VBR数据流特点的基础上,针对实时VBR数据流提出了一种主动授权与捎带请求相结合的QoS支持方案,PUGS。通过性能分析,PUGS在上行信道平均带宽利用率,以及实时VBR数据流的平均时延性能等方面,较rtPS有一定改善。3.分析并给出了竞争时隙吞吐量的计算公式,在此基础上介绍了提高竞争时隙吞吐量,减少数据冲突概率的几种方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的动机与目的
• 1.3 章节安排
• 第2章 DOCSIS 标准中的 MAC 层协议简介
• 2.1 向 HFC 网络中相关标准简介
• 2.1.1 IEEE 802.14 标准
• 2.1.2 DOCSIS 标准简介
• 2.1.3 EURODOCSIS 标准
• 2.1.4 各种标准比较
• 2.2 DOCSIS 标准中的 MAC 层协议简介[4]
• 2.2.1 基于 DOCSIS 的 HFC 数据网络系统结构
• 2.2.2 DOCSIS 相关协议结构
• 2.2.3 MAC 层主要功能
• 2.2.3.1 上行带宽分配机制
• 2.2.3.2 CMTS 与 CM 之间的时隙同步
• 2.2.3.3 上行信道竞争冲突解决
• 第3章 DOCSIS 标准中的QoS 体系
• 3.1 DOCSIS 标准中的业务流管理[9]
• 3.2 上行业务流调度类型
• 3.2.1 主动授权业务（UGS）
• 3.2.2 实时轮询业务（RTPS）
• 3.2.3 带活动检测的主动授权业务（UGS-AD）
• 3.2.4 非实时轮询业务
• 3.2.5 尽力传输服务
• 3.3 DOCSIS 标准中 QoS 业务总结
• 第4章 UGS 业务的 QoS 研究
• 4.1 UGS 业务的接入允许控制研究
• 4.1.1 研究动机与目的
• 4.1.2 UGS 业务的接入允许控制算法
• 4.1.2.1 可用带宽判断
• 4.1.2.2 QoS 判断
• 4.2 UGS 业务的带宽分配策略
• 4.2.1 研究动机与目的
• 4.2.2 UGS 业务的两步带宽分配算法
• 4.2.3 两步带宽分配算法流程
• 4.3 仿真与性能分析
• 4.3.1 仿真工具简介
• 4.3.2 仿真的环境
• 4.3.3 仿真结果与性能分析
• 4.3.3.1 UGS 业务的 QoS 冲突率
• 4.3.3.2 UGS 业务包间间隔对于 QoS 冲突率的影响
• 4.3.3.3 最大授权周期抖动对于 QoS 冲突率的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 实时 VBR 业务的 QoS 实现机制研究
• 5.1 研究动机与目的
• 5.2 DOCSIS 中的 RTPS业务
• 5.3 PUGS 业务
• 5.3.1 捎带请求机制（PIGGYBACKING MECHANISM）
• 5.3.2 PUGS 业务
• 5.3.3 PUGS 业务中 GRANT SIZE 大小确定
• 5.4 仿真与性能比较
• 5.5 本章小结
• 第6章 DOCSIS MAC 层性能研究
• 6.1 研究动机与目的
• 6.2 竞争时隙的吞吐量
• 6.3 捎带请求机制与回退窗口大小
• 6.4 竞争时隙个数
• 6.5 本章小结
• 第7 章 本文总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文