畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于HFC下行信道DTV和IP業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)帶寬分配的機(jī)制和算法

1、摘 要有線數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)此前已確定采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)dvb-c，而隨著電纜調(diào)制解調(diào)器cm和電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)cmts在我國(guó)的逐漸推廣和應(yīng)用，隨著docsis協(xié)議的不斷發(fā)展和推廣，通過(guò)hfc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶接入成為訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的一種重要手段，在雙向hfc有線電視網(wǎng)絡(luò)中,下行采用dvb-c標(biāo)準(zhǔn),上行采用docsis標(biāo)準(zhǔn),上下行采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)終端用戶(hù)和內(nèi)容及服務(wù)的互動(dòng),為有線電視網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙向增值業(yè)務(wù)提供有效的手段和技術(shù)基礎(chǔ)，因此基于hfc網(wǎng)絡(luò)下行傳輸?shù)男诺乐胁粌H有多媒體數(shù)據(jù)，而且也存在ip數(shù)據(jù)。如何充分有效的利用各種措施實(shí)現(xiàn)dvb視音頻數(shù)據(jù)和ip數(shù)據(jù)在下行傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)帶寬分配成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前

2、hfc網(wǎng)絡(luò)為每路電視節(jié)目分配的帶寬并不一定被完全利用，往往被空包所填充，因此基于一種優(yōu)先級(jí)機(jī)制，我們可以通過(guò)實(shí)際調(diào)整兩者速率，把ip數(shù)據(jù)插入到dtv中。本文通過(guò)研究dvb以及mpeg-2的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，首先掌握mpeg-2編解碼的原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作方式，底層mpeg-2傳輸流的格式及流信息psi,si的含義與 作用，給出一種基于hfc下行信道dtv和ip業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)帶寬分配的機(jī)制和算法使下行信道帶寬的利用率達(dá)到最高。關(guān)鍵詞：數(shù)字有線廣播 混合傳輸 ip mpeg-2 動(dòng)態(tài)分配abstractcable digital tv standards, which had been set to adopt

3、 the european standard dvb-c. with the promotion and the application of cm and cmts in our country. with the development and the promotion of docsis protocol, it has become an important way that access to the internet through hfc network. in a two-way hfc network, and the downlink uses dvb-c standar

4、d and the uplink uses docsis standards, the uplink and downlink use nonsymmetric structures, can achieve terminal and content and interactive services. to achieve two-way increment business offer an effective way and technical bases for hfc. so there is not only the multimedia data, but also ip data

5、 based on the hfc network downlink transmission channel. how to make effective use of various measures for the realization of dvb video and audio data and ip data transmission in the downlink dynamic bandwidth allocation become a hot research.now the hfc network is the bandwidth that the each channe

6、l television program assign not necessary complete exploitation, usually filled by empty pack, so based on a priority mechanism, we can insert the ip data to the dtv by adjust their rates.in this paper, by studying dvb and mpeg-2 standards, first master mpeg-2 codec principle and system structure, t

7、he way of working, the format of the bottom mpeg-2 transport stream and the stream information psi, sis meaning and function, based on the hfcs downlink channel, show a dtv and ip business dynamic bandwidth allocation mechanism and algorithm, and make downlink bandwidth channel achieve maximum utili

8、zation.key words: dvb-c; mix transmission; ip; mpeg-2; dynamic allocation第一章 緒論1.1研究背景與選題意義1993年dvb(digital video broadcasting,數(shù)字視頻廣播)標(biāo)準(zhǔn)的制定，為在有線電視網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面廣播系統(tǒng)等領(lǐng)域開(kāi)展數(shù)字電視業(yè)務(wù)提供了技術(shù)上的指導(dǎo)。在dvb標(biāo)準(zhǔn)上提出的ip over dvb技術(shù)就是將ip數(shù)據(jù)包封裝成符合dvb標(biāo)準(zhǔn)的ts(transport stream)格式，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商在已有的dvb平臺(tái)傳輸。采用ip over dvb技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，不僅具有傳輸頻帶寬、傳輸速度高

9、、便于功能擴(kuò)展、不需要太多額外的投入的優(yōu)點(diǎn)，而且可以將互聯(lián)網(wǎng)中豐富的廣播數(shù)據(jù)資源通過(guò)dvb平臺(tái)傳輸，大大擴(kuò)展了dvb的業(yè)務(wù)范圍。自1950年美國(guó)誕生公用天線電視以來(lái)，有線電視網(wǎng)把電視和視頻廣播信號(hào)送到了千家萬(wàn)戶(hù)。從1996年下半年以來(lái)，國(guó)際上陸續(xù)出現(xiàn)了多個(gè)關(guān)于hfc接入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和協(xié)議，經(jīng)過(guò)幾年的比較和競(jìng)爭(zhēng)，由美國(guó)comcast, cox，tel-communication, time warner等公司組成的mcns財(cái)團(tuán)所制定的docsis(data over cable service interface specification)規(guī)范已經(jīng)成為hfc接入網(wǎng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。1982年3月

10、，itu組織接受了mucn的docsis標(biāo)準(zhǔn)，制定了itu-t j.112協(xié)議，確定了在hfc網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的規(guī)范，為線纜調(diào)制解調(diào)器（cable modem）系統(tǒng)的發(fā)展提供了保證。為了在有線電視網(wǎng)絡(luò)前端和用戶(hù)端設(shè)備之間透明地傳輸ip業(yè)務(wù)，mcns（multimedia cable network system）委員會(huì)定義了mac（media access control）協(xié)議，其重點(diǎn)在于定義上行信道的多路訪問(wèn)控制。由于hfc網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣、頻帶寬、速度快、信道穩(wěn)定、樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、成本低和頻道資源豐富等特點(diǎn)，自從它生產(chǎn)以來(lái)，獲得了飛速的發(fā)展。我國(guó)現(xiàn)有有線電視用戶(hù)9100萬(wàn)戶(hù)，是世界上最大的

11、有線電視網(wǎng)。hfc網(wǎng)絡(luò)是由電纜電視網(wǎng)升級(jí)而來(lái)。電纜電視網(wǎng)是以同軸電纜為媒介分配電視和視頻廣播信號(hào)的，由前端、干線和分配三部分組成。網(wǎng)絡(luò)是單向廣播型的，傳輸?shù)牡湫托盘?hào)是模擬調(diào)頻和調(diào)幅。電纜電視網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是樹(shù)型分支型，結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：配線網(wǎng)放大器放大器放大器放大器放大器干線前端引入端引入端引入端引入端引入端引入端放大器圖1-1 電纜電視網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖與電纜電視網(wǎng)相比，hfc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有了很大的變化，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示：前端光纖同軸光 纖節(jié) 點(diǎn)分支器主線 橋接放大器用戶(hù)同軸線路放大器饋線網(wǎng)配線網(wǎng)引入線電話數(shù)據(jù)vodcatv供電主干線和配線圖1-2 hfc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖饋線網(wǎng)只于用數(shù)字終端（hdt）

12、到服務(wù)區(qū)（sa）的光網(wǎng)絡(luò)單元（onu）之間的部分，大致對(duì)應(yīng)于catv網(wǎng)的干線段。區(qū)別在于從hdt到每一服務(wù)區(qū)的光線節(jié)電都有一專(zhuān)用的直接的廣線連接，即用一根單模光纖代替了傳統(tǒng)的粗大的干線電纜和一連串幾十個(gè)有源干線放大器。目前，一個(gè)服務(wù)區(qū)的用戶(hù)數(shù)為500戶(hù)，將來(lái)可進(jìn)一步降到125戶(hù)左右。配線網(wǎng)在傳統(tǒng)的catv網(wǎng)中，指干線/橋接放大其余分支點(diǎn)之間的部分，而在hfc網(wǎng)絡(luò)中，指服務(wù)區(qū)onu與分支點(diǎn)之間的部分，采用樹(shù)形-分支同軸電纜網(wǎng)，覆蓋范圍大。用戶(hù)引入線指分支點(diǎn)到用戶(hù)之間的部分，與傳統(tǒng)的catv相同，分支點(diǎn)的分支器是配線網(wǎng)與用戶(hù)引入線的分界點(diǎn)。分支器是信號(hào)分路器和方向耦合器結(jié)合的無(wú)源器件，負(fù)責(zé)將配線網(wǎng)

13、送來(lái)的信號(hào)分配給每一用戶(hù)。引入線負(fù)責(zé)將射頻信號(hào)從分支器經(jīng)無(wú)源引入線送給用戶(hù)，傳輸距離僅為幾十米，與配線網(wǎng)使用的同軸電纜不同，引入線采用靈活的軟電纜。為了傳輸電話，用戶(hù)側(cè)需要一用戶(hù)接口單元，成為網(wǎng)絡(luò)接口電源（niu）。hfc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星、樹(shù)型，由于光纜和同軸電纜的帶寬資源豐富，所以hfc網(wǎng)絡(luò)的入戶(hù)帶寬較大（通常為5001000mhz），特別適合模擬的電視和聲音廣播業(yè)務(wù)的有線接入，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)廣播式數(shù)字視頻、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的接入。hfc利用頻率分段實(shí)現(xiàn)了5750mhz上同時(shí)傳輸電話、模擬電視信號(hào)和壓縮數(shù)字視頻信號(hào)。頻率分配如圖1-3：頻率5 65 87 110 1000 mhz圖1-3 h

14、fc網(wǎng)絡(luò)頻譜分割圖根據(jù)最新的廣電總局頻率分配方案：565mhz是r波段，傳送數(shù)據(jù)、電話、vod點(diǎn)播的上行,稱(chēng)為反向通道，數(shù)據(jù)速率視不同廠家的產(chǎn)品而不同。6587mhz是x波段，過(guò)渡帶。87108mhz是fm波段，廣播業(yè)務(wù)。1101000mhz是a波段，傳送模擬有線電視、電話、數(shù)據(jù)的下行、mpeg-2數(shù)字電視、vod點(diǎn)播下行等信號(hào)?，F(xiàn)在的有線電視一般是星樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單向光纖同軸混合網(wǎng),它采用單模光纖作為傳輸干線，同軸電纜作為接入介質(zhì)，在有線電視的前端用模擬光發(fā)射機(jī)將catv信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后傳輸?shù)椒?wù)小區(qū)的光接收機(jī)，由光接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)在經(jīng)同軸電纜分配網(wǎng)絡(luò)傳送到最終用戶(hù)。目前，國(guó)外利

15、用hfc網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)docsis協(xié)議上網(wǎng)，已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)，這種方式前期投入小，可以通過(guò)已有的有線電視光纜進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，而國(guó)內(nèi)利用hfc網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)在許多城市也在試點(diǎn)，hfc網(wǎng)絡(luò)也是一種非對(duì)稱(chēng)式的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)hfc網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)上行數(shù)據(jù)流量非常小，一般的鼠標(biāo)點(diǎn)擊所形成的流量都可以傳輸，所以上行所需要的帶寬也很小，但是下行所需要的帶寬非常大，因?yàn)橄滦械臄?shù)據(jù)都是用戶(hù)所需要的，比如視頻等。這就需要?jiǎng)澐殖龊艽蟮囊徊糠謳掃M(jìn)行傳輸。上面提到過(guò)，一般每條信道都被劃分為6m，但是有時(shí)下行信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量不足6m，這就需要我們動(dòng)態(tài)的調(diào)整數(shù)據(jù)流量，利用這些剩余的信道，傳輸部分的ip信息。1.2研究目標(biāo)與主要工作學(xué)習(xí)和

16、掌握數(shù)字電視傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，特別是有線數(shù)字電視傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)dvb-c，學(xué)習(xí)和掌握mpeg-2，電纜調(diào)制解調(diào)器cm和電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)cmts，docsis協(xié)議，hfc網(wǎng)絡(luò)。不管是dvb視音頻數(shù)據(jù)還是ip數(shù)據(jù)在下行傳輸都是通過(guò)mpeg-2數(shù)據(jù)包，給下行傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)帶寬分配提供了一個(gè)思路。給出一種基于hfc下行信道dtv和ip業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)帶寬分配的機(jī)制和算法，此機(jī)制能夠?qū)崟r(shí)的調(diào)整基于dvb-c的dtv業(yè)務(wù)還是基于docsis的ip業(yè)務(wù)之間的帶寬，在保證各自qos的基礎(chǔ)上，提出自己的算法，使下行信道帶寬的利用率達(dá)到最高。1.3論文的內(nèi)容安排本章主要敘述了論文研究?jī)?nèi)容的背景，介紹了現(xiàn)在中國(guó)數(shù)字有線電視的發(fā)展?fàn)?/p>

17、況和hfc網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字平臺(tái)的歷史現(xiàn)狀，頻譜特性以及工作原理，提出了利用dvb傳輸ip數(shù)據(jù)的必要性和可行性。第二章介紹了dvb-c標(biāo)準(zhǔn)，mpeg-2標(biāo)準(zhǔn)以及mpeg-2數(shù)據(jù)包的封裝。第三章著重介紹了docsis標(biāo)準(zhǔn)及各層工作技術(shù)指標(biāo)，docsis1.0的特點(diǎn)和電纜調(diào)制解調(diào)器的概念原理第四章介紹混合傳輸，并給出一種基于hfc網(wǎng)絡(luò)ip與dvb數(shù)據(jù)混合傳輸動(dòng)態(tài)分配帶寬的算法。第五章是對(duì)本文的總結(jié)，提出了一些不足，并對(duì)基于hfc網(wǎng)絡(luò)ip與dvb數(shù)據(jù)混合傳輸動(dòng)態(tài)帶寬分配做出了一些展望。第二章 dvb-c標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介2.1.1dvb-c標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介1993年9月，為了有利于數(shù)字電視工業(yè)的發(fā)展，歐洲廣播聯(lián)盟開(kāi)始了dvb

18、項(xiàng)目的研制。dvb項(xiàng)目的目標(biāo)是建立一個(gè)和mpeg-2有著友好接口的數(shù)字電視服務(wù)框架。dvb標(biāo)準(zhǔn)由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(european telecommunications standards institute,簡(jiǎn)稱(chēng)etsi)發(fā)布，目前已經(jīng)有超過(guò)25個(gè)國(guó)家的200多個(gè)組織為其成員。dvb標(biāo)準(zhǔn)制定了在衛(wèi)星、有線電視系統(tǒng)、地面廣播系統(tǒng)、多點(diǎn)分布式系統(tǒng)、衛(wèi)星共用天線系統(tǒng)、交互式電視、數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)、條件接收(ca系統(tǒng))、字幕等數(shù)據(jù)服務(wù)、與光纖等網(wǎng)絡(luò)的接口技術(shù)等一系列標(biāo)準(zhǔn)。dvb標(biāo)準(zhǔn)的部分相關(guān)協(xié)議如表2-1所示：表2-1 dvb標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)部分協(xié)議dvb類(lèi)別主題參考標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星digital satellitet

19、ransmission systemsets 300 421有線電視digital cable deliverysystemets 300 429地面digital terrestrialbroadcasting systemsets 300 744數(shù)據(jù)廣播specification for the transmission of data in dvbbitstreamts/en 301 1922.1.2dvb-c數(shù)據(jù)廣播數(shù)據(jù)廣播作為一種新興的信息服務(wù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)始在寬帶系統(tǒng)中嶄露頭角。數(shù)據(jù)廣播的鏈路層在寬帶系統(tǒng)上廣泛采用dvb標(biāo)準(zhǔn)。如數(shù)字衛(wèi)星采用dvb-s，物理層采用qpsk調(diào)制；有線電視網(wǎng)采

20、用dvb-c，物理層采用qam調(diào)制等。在dvb系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)廣播是由dvb en 301 192等標(biāo)準(zhǔn)定義的。在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)廣播通常采用tcp/ip協(xié)議中的全網(wǎng)(子網(wǎng))廣播或多路廣播(broadcasting或multicasting)的形式；同時(shí)dvb的數(shù)據(jù)鏈路還支持點(diǎn)到點(diǎn)通信以及跨網(wǎng)集成的tcp數(shù)據(jù)通信，以提供跨網(wǎng)集成的高速internet互連接入服務(wù)。dvb系統(tǒng)通常提供了可以通過(guò)形形色色傳輸介質(zhì)的分發(fā)mpeg-2傳輸(transport streams，簡(jiǎn)稱(chēng)ts流)的方式。傳統(tǒng)的mpeg-2 ts流面向的是包含mpeg-2視頻與音頻的應(yīng)用。數(shù)據(jù)廣播可以認(rèn)為是基于dvb傳輸標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)mpeg-

21、2的重要擴(kuò)展。數(shù)據(jù)廣播的典型應(yīng)用，如通過(guò)衛(wèi)星、有線電視網(wǎng)或地面無(wú)線通信鏈接下載軟件、電子文檔，通過(guò)廣播通道(ip channel)、交互式電視、stb、計(jì)算機(jī)接收終端分發(fā)internet熱點(diǎn)服務(wù)等等。dvb數(shù)據(jù)廣播中的數(shù)據(jù)傳輸明確指定了五種不同的典型應(yīng)用途徑，以支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式：（1）數(shù)據(jù)管道(data piping)：數(shù)據(jù)管道描述了支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播服務(wù)的一種簡(jiǎn)單、異步、點(diǎn)到點(diǎn)的dvb廣播網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)方式。遵循數(shù)據(jù)管道標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)廣播由mpeg-2 ts包直接封裝派發(fā)。（2）數(shù)據(jù)流(data steaming)：數(shù)據(jù)流描述了支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播服務(wù)的一種面向流式的、點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)分發(fā)方式，其中數(shù)據(jù)流既可以

22、是異步的、也可以是同步的或同化的派發(fā)方式。遵循數(shù)據(jù)流標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)廣播由mpeg-2系統(tǒng)定義的pes(program elementary stream)包封裝。（3）多協(xié)議封裝(multiprotocol encapsulation)：多協(xié)議封裝描述了通過(guò)dvb廣播網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播服務(wù)的通信數(shù)據(jù)報(bào)文的傳送派發(fā)方式，遵循多協(xié)議封裝標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)報(bào)文由mpeg-2系統(tǒng)定義的dsm-cc段的封裝。ip是一種無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，其基本工作機(jī)制是尋徑路由，將從信源主機(jī)發(fā)出的ip數(shù)據(jù)包送至信宿主機(jī)。ip既不考慮傳送的可靠性，也不保證傳送的順序性，因此必須由上層協(xié)議為可靠性做出保證，ip的特點(diǎn)使得對(duì)其進(jìn)行鏈路層封裝

23、非常簡(jiǎn)單，只要在寬帶系統(tǒng)前端利用寬帶路由器將所收到的ip包，按照某種規(guī)則進(jìn)行封裝。在dvb系統(tǒng)中，此工作由數(shù)據(jù)廣播中定義的多協(xié)議封裝完成。然后交給寬帶調(diào)制設(shè)備發(fā)送到相應(yīng)的寬帶傳輸介質(zhì)中。（4）數(shù)據(jù)傳送帶(data carousels)：數(shù)據(jù)傳送帶描述了支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播服務(wù)的一種面向周期性數(shù)據(jù)單元傳送的業(yè)務(wù)應(yīng)用。在數(shù)據(jù)傳送帶的應(yīng)用模式中，這些數(shù)據(jù)單元能夠被動(dòng)態(tài)、及時(shí)地更新、增加和刪除。（5）對(duì)象傳送帶(object carousels)：加入對(duì)象傳送帶模式是為了支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播服務(wù)所需要的用戶(hù)到用戶(hù)對(duì)象的dsm-cc段周期性廣播，以便加強(qiáng)dvb系統(tǒng)在交互式服務(wù)方面的應(yīng)用。作為互連網(wǎng)數(shù)字信息服務(wù)的核心協(xié)議ip，其在dvb兼容網(wǎng)絡(luò)上合理的運(yùn)行體制是非常重要的。dvb en 30l l92標(biāo)準(zhǔn)描述了如何將數(shù)據(jù)報(bào)文封裝到符合mpeg-2為私有數(shù)據(jù)封裝定義的dsm-cc-section格式datagram-sections段中,在dvb數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)中，定義的多協(xié)議封裝(multiprotocol encapsulation)，可將ip報(bào)文封裝在mpeg-2的傳輸流中。2.2.1mpeg-2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介以及數(shù)字電視功能分析mpeg（motion pictures expert group）