CATV网络上行传输的原理

1 CATV网络上行传输的原理

CATV网络的上行传输是一个多点对单点的传输[1]，必须考虑共享媒体的接入控制问题。DOCSIS是由美国电缆实验室开发的应用于CATV网络的媒体接入控制规范，现在已经被业界普遍采用。DOCSIS规定CATV网络的上行传输采用FDMA和TDMA。DOCSIS将上行信道按频率分成几个子信道，在每个子信道内采用TDMA，按时间将其划分成很小的时段，叫做微时隙，规定每个站点只能在规定的时隙内传输。时隙主要分为两种类型：竞争时隙和授权时隙。每个将要进行上行传输的站点首先在竞争时隙内向头端发送请求，头端收到并处理请求后，向站点发送授权信息(MAP)，站点收到授权信息后等待在授权的时隙内传输。因为可能有多个站点同时接入同一个竞争时隙，造成传输冲突。冲突解决算法的优劣直接影响到整个上行传输的接入延迟等特性，因此研究冲突解决算法有重要的意义。

2 冲突解决算法
2.1 二进制指数后退算法
DOCSIS采用的冲突解决算法是二进制指数后退算法(binary exponential backoff, BEB)[2]，原理如下：
1) 当发生冲突，backoff = random(0, exp(2, BS＋k))；
2) 站点等待backoff个时隙后尝试重传。
变量BS为后退开始值，由头端规定，变量k是站点重传的次数，变量backoff是站点重传前需要等待的时隙数，函数exp(2, k)计算2的k次幂，函数random(x，y)得到一个随机数r且x2.2 BEB不适合DOCSIS的原因
BEB最初应用于IEEE 802.3，并不完全适合DOCSIS。首先，IEEE 802.3的站点自身具备检测冲突的能力。当发生冲突时，站点立刻能检测到，然后按照冲突解决算法进行后退，等待重传。但是DOCSIS的站点不能检测冲突，当发生冲突时，站点并不知道，只有当新的MAP到来后，站点发现没有自己的请求授权或挂起信息，才知道上次的请求发送冲突了，DOCSIS的站点此时才能按照冲突解决算法进行后退，等待重传。由于每次的请求和授权阶段时间较长且固定，所以如果发送请求能尽量避免发生冲突，那么接入延迟特性就会相对较好。

图1所示是IEEE 802.3与DOCSIS的接入方式比较。图中可以看出，IEEE 802.3的站点可以在任何时候接入信道，而DOCSIS的站点在一次MAP之内只能接入一次，如果冲突，必须等待下一次的MAP到来。这说明当DOCSIS的站点冲突时，其接入时延会超出一次MAP的时间，它不象IEEE 802.3的站点可以立刻按照冲突解决算法进行后退，等待重传。
2.3 逆向二进制指数后退算法
基于上面的分析，现在提出一种全新的冲突解决算法——逆向二进制指数后退算法(backward binary exponential backoff, BBEB)，原理如下：
1) 当发生冲突，backoff = random(0, exp(2, BS－k))；
2) 站点等待backoff个时隙后尝试重传。
由于后退开始BS设置较大，所以站点第一次发生冲突的概率较小。如果发生冲突，后退窗口变小，所有发生冲突的站点可以选择接入较早的时隙。

基于DOCSIS的冲突解决算法的研究