毕业设计（论文）基于HFC下行信道DTV和IP业务动态带宽分配的机制和算法

1、山东轻工业学院2007届本科生毕业设计（论文）摘 要有线数字电视标准此前已确定采用欧洲标准dvb-c，而随着电缆调制解调器cm和电缆调制解调器终端系统cmts在我国的逐渐推广和应用，随着docsis协议的不断发展和推广，通过hfc网络实现宽带接入成为访问互联网的一种重要手段，在双向hfc有线电视网络中,下行采用dvb-c标准,上行采用docsis标准,上下行采用非对称结构,可以实现终端用户和内容及服务的互动,为有线电视网实现双向增值业务提供有效的手段和技术基础，因此基于hfc网络下行传输的信道中不仅有多媒体数据，而且也存在ip数据。如何充分有效的利用各种措施实现dvb视音频数据和ip数据在下行

2、传输的动态带宽分配成为当前研究的一个热点。目前hfc网络为每路电视节目分配的带宽并不一定被完全利用，往往被空包所填充，因此基于一种优先级机制，我们可以通过实际调整两者速率，把ip数据插入到dtv中。本文通过研究dvb以及mpeg-2的相关标准，首先掌握mpeg-2编解码的原理与系统结构、工作方式，底层mpeg-2传输流的格式及流信息psi,si的含义与 作用，给出一种基于hfc下行信道dtv和ip业务动态带宽分配的机制和算法使下行信道带宽的利用率达到最高。关键词：数字有线广播 混合传输 ip mpeg-2 动态分配abstractcable digital tv standards, whic

3、h had been set to adopt 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 down

4、link uses dvb-c standard 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

5、 data, but also ip data 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 bandwid

6、th that the each channel 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

7、and system structure, the 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 channe

8、l achieve maximum utilization.key words: dvb-c; mix transmission; ip; mpeg-2; dynamic allocation第一章 绪论1.1研究背景与选题意义1993年dvb(digital video broadcasting,数字视频广播)标准的制定，为在有线电视网络、卫星网络、地面广播系统等领域开展数字电视业务提供了技术上的指导。在dvb标准上提出的ip over dvb技术就是将ip数据包封装成符合dvb标准的ts(transport stream)格式，通过系统运营商在已有的dvb平台传输。采用ip over dv

9、b技术传输数据，不仅具有传输频带宽、传输速度高、便于功能扩展、不需要太多额外的投入的优点，而且可以将互联网中丰富的广播数据资源通过dvb平台传输，大大扩展了dvb的业务范围。自1950年美国诞生公用天线电视以来，有线电视网把电视和视频广播信号送到了千家万户。从1996年下半年以来，国际上陆续出现了多个关于hfc接入网的标准，规范和协议，经过几年的比较和竞争，由美国comcast, cox，tel-communication, time warner等公司组成的mcns财团所制定的docsis(data over cable service interface specification)规范已

10、经成为hfc接入网事实上的标准。1982年3月，itu组织接受了mucn的docsis标准，制定了itu-t j.112协议，确定了在hfc网络内进行高速数据的规范，为线缆调制解调器（cable modem）系统的发展提供了保证。为了在有线电视网络前端和用户端设备之间透明地传输ip业务，mcns（multimedia cable network system）委员会定义了mac（media access control）协议，其重点在于定义上行信道的多路访问控制。由于hfc网络具有覆盖面广、频带宽、速度快、信道稳定、树状拓扑结构、成本低和频道资源丰富等特点，自从它生产以来，获得了飞速的发展。我

11、国现有有线电视用户9100万户，是世界上最大的有线电视网。hfc网络是由电缆电视网升级而来。电缆电视网是以同轴电缆为媒介分配电视和视频广播信号的，由前端、干线和分配三部分组成。网络是单向广播型的，传输的典型信号是模拟调频和调幅。电缆电视网的网络结构是树型分支型，结构如图1-1所示：配线网放大器放大器放大器放大器放大器干线前端引入端引入端引入端引入端引入端引入端放大器图1-1 电缆电视网结构图与电缆电视网相比，hfc网络的网络结构有了很大的变化，其结构如图1-2所示：前端光纤同轴光 纤节 点分支器主线 桥接放大器用户同轴线路放大器馈线网配线网引入线电话数据vodcatv供电主干线和配线图1-2

12、hfc网络结构图馈线网只于用数字终端（hdt）到服务区（sa）的光网络单元（onu）之间的部分，大致对应于catv网的干线段。区别在于从hdt到每一服务区的光线节电都有一专用的直接的广线连接，即用一根单模光纤代替了传统的粗大的干线电缆和一连串几十个有源干线放大器。目前，一个服务区的用户数为500户，将来可进一步降到125户左右。配线网在传统的catv网中，指干线/桥接放大其余分支点之间的部分，而在hfc网络中，指服务区onu与分支点之间的部分，采用树形-分支同轴电缆网，覆盖范围大。用户引入线指分支点到用户之间的部分，与传统的catv相同，分支点的分支器是配线网与用户引入线的分界点。分支器是信号

13、分路器和方向耦合器结合的无源器件，负责将配线网送来的信号分配给每一用户。引入线负责将射频信号从分支器经无源引入线送给用户，传输距离仅为几十米，与配线网使用的同轴电缆不同，引入线采用灵活的软电缆。为了传输电话，用户侧需要一用户接口单元，成为网络接口电源（niu）。hfc网络的拓扑结构为星、树型，由于光缆和同轴电缆的带宽资源丰富，所以hfc网络的入户带宽较大（通常为5001000mhz），特别适合模拟的电视和声音广播业务的有线接入，同时还可实现广播式数字视频、语音、数据等业务的接入。hfc利用频率分段实现了5750mhz上同时传输电话、模拟电视信号和压缩数字视频信号。频率分配如图1-3：频率5 6

14、5 87 110 1000 mhz图1-3 hfc网络频谱分割图根据最新的广电总局频率分配方案：565mhz是r波段，传送数据、电话、vod点播的上行,称为反向通道，数据速率视不同厂家的产品而不同。6587mhz是x波段，过渡带。87108mhz是fm波段，广播业务。1101000mhz是a波段，传送模拟有线电视、电话、数据的下行、mpeg-2数字电视、vod点播下行等信号。现在的有线电视一般是星树型拓扑结构的单向光纤同轴混合网,它采用单模光纤作为传输干线，同轴电缆作为接入介质，在有线电视的前端用模拟光发射机将catv信号转换成光信号后传输到服务小区的光接收机，由光接收机将光信号转换成电信号在

15、经同轴电缆分配网络传送到最终用户。目前，国外利用hfc网络，通过docsis协议上网，已经成为了现实，这种方式前期投入小，可以通过已有的有线电视光缆进行网络建设，而国内利用hfc网络上网在许多城市也在试点，hfc网络也是一种非对称式的网络，通过hfc网络所传输的数据上行数据流量非常小，一般的鼠标点击所形成的流量都可以传输，所以上行所需要的带宽也很小，但是下行所需要的带宽非常大，因为下行的数据都是用户所需要的，比如视频等。这就需要划分出很大的一部分带宽进行传输。上面提到过，一般每条信道都被划分为6m，但是有时下行信道传输的数据流量不足6m，这就需要我们动态的调整数据流量，利用这些剩余的信道，传输

16、部分的ip信息。1.2研究目标与主要工作学习和掌握数字电视传输的标准，特别是有线数字电视传输的标准dvb-c，学习和掌握mpeg-2，电缆调制解调器cm和电缆调制解调器终端系统cmts，docsis协议，hfc网络。不管是dvb视音频数据还是ip数据在下行传输都是通过mpeg-2数据包，给下行传输的动态带宽分配提供了一个思路。给出一种基于hfc下行信道dtv和ip业务动态带宽分配的机制和算法，此机制能够实时的调整基于dvb-c的dtv业务还是基于docsis的ip业务之间的带宽，在保证各自qos的基础上，提出自己的算法，使下行信道带宽的利用率达到最高。1.3论文的内容安排本章主要叙述了论文研究

17、内容的背景，介绍了现在中国数字有线电视的发展状况和hfc网络和数字平台的历史现状，频谱特性以及工作原理，提出了利用dvb传输ip数据的必要性和可行性。第二章介绍了dvb-c标准，mpeg-2标准以及mpeg-2数据包的封装。第三章着重介绍了docsis标准及各层工作技术指标，docsis1.0的特点和电缆调制解调器的概念原理第四章介绍混合传输，并给出一种基于hfc网络ip与dvb数据混合传输动态分配带宽的算法。第五章是对本文的总结，提出了一些不足，并对基于hfc网络ip与dvb数据混合传输动态带宽分配做出了一些展望。第二章 dvb-c标准简介2.1.1dvb-c标准简介1993年9月，为了有利

18、于数字电视工业的发展，欧洲广播联盟开始了dvb项目的研制。dvb项目的目标是建立一个和mpeg-2有着友好接口的数字电视服务框架。dvb标准由欧洲电信标准协会(european telecommunications standards institute,简称etsi)发布，目前已经有超过25个国家的200多个组织为其成员。dvb标准制定了在卫星、有线电视系统、地面广播系统、多点分布式系统、卫星共用天线系统、交互式电视、数据广播业务、条件接收(ca系统)、字幕等数据服务、与光纤等网络的接口技术等一系列标准。dvb标准的部分相关协议如表2-1所示：表2-1 dvb标准相关部分协议dvb类别主题参

19、考标准卫星digital satellitetransmission systemsets 300 421有线电视digital cable deliverysystemets 300 429地面digital terrestrialbroadcasting systemsets 300 744数据广播specification for the transmission of data in dvbbitstreamts/en 301 1922.1.2dvb-c数据广播数据广播作为一种新兴的信息服务结构，开始在宽带系统中崭露头角。数据广播的链路层在宽带系统上广泛采用dvb标准。如数字卫星采用d

20、vb-s，物理层采用qpsk调制；有线电视网采用dvb-c，物理层采用qam调制等。在dvb系统中的数据广播是由dvb en 301 192等标准定义的。在网络层，数据广播通常采用tcp/ip协议中的全网(子网)广播或多路广播(broadcasting或multicasting)的形式；同时dvb的数据链路还支持点到点通信以及跨网集成的tcp数据通信，以提供跨网集成的高速internet互连接入服务。dvb系统通常提供了可以通过形形色色传输介质的分发mpeg-2传输(transport streams，简称ts流)的方式。传统的mpeg-2 ts流面向的是包含mpeg-2视频与音频的应用。数据

21、广播可以认为是基于dvb传输标准的对mpeg-2的重要扩展。数据广播的典型应用，如通过卫星、有线电视网或地面无线通信链接下载软件、电子文档，通过广播通道(ip channel)、交互式电视、stb、计算机接收终端分发internet热点服务等等。dvb数据广播中的数据传输明确指定了五种不同的典型应用途径，以支持多种数据传输方式：（1）数据管道(data piping)：数据管道描述了支持数据广播服务的一种简单、异步、点到点的dvb广播网络数据分发方式。遵循数据管道标准的数据广播由mpeg-2 ts包直接封装派发。（2）数据流(data steaming)：数据流描述了支持数据广播服务的一种面向

22、流式的、点到点的数据分发方式，其中数据流既可以是异步的、也可以是同步的或同化的派发方式。遵循数据流标准的数据广播由mpeg-2系统定义的pes(program elementary stream)包封装。（3）多协议封装(multiprotocol encapsulation)：多协议封装描述了通过dvb广播网络支持数据广播服务的通信数据报文的传送派发方式，遵循多协议封装标准的数据报文由mpeg-2系统定义的dsm-cc段的封装。ip是一种无连接数据报协议，其基本工作机制是寻径路由，将从信源主机发出的ip数据包送至信宿主机。ip既不考虑传送的可靠性，也不保证传送的顺序性，因此必须由上层协议为可

23、靠性做出保证，ip的特点使得对其进行链路层封装非常简单，只要在宽带系统前端利用宽带路由器将所收到的ip包，按照某种规则进行封装。在dvb系统中，此工作由数据广播中定义的多协议封装完成。然后交给宽带调制设备发送到相应的宽带传输介质中。（4）数据传送带(data carousels)：数据传送带描述了支持数据广播服务的一种面向周期性数据单元传送的业务应用。在数据传送带的应用模式中，这些数据单元能够被动态、及时地更新、增加和删除。（5）对象传送带(object carousels)：加入对象传送带模式是为了支持数据广播服务所需要的用户到用户对象的dsm-cc段周期性广播，以便加强dvb系统在交互式服务方面的应用。作为互连网数字信息服务的核心协议ip，其在dvb兼容网络上合理的运行体制是非常重要的。dvb en 30l l92标准描述了如何将数据报文封装到符合mpeg-2为私有数据封装定义的dsm-cc-section格式datagram-sections段中,在dvb数据广播标准中，定义的多协议封装(multiprotocol encapsulation)，可将ip报文封装在mpeg-2的传输流中。2.2.1mpeg-2标准简介以及数字电视功能分析mpeg（motion pictu