CN108260022A - 一种基于广电单向hfc接入网的宽带混合网络及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络及其运行方法，该混合网络中的网络路由器实现IP数据流的转换，使来自互联网IP数据流被网络调制器所解析，网络调制器数据流经广电单向HFC接入网络入户，针对无内置解码芯片的家庭网关，一路同轴电缆线连接家庭机顶盒，另一路连接家庭网关；针对有内置解码芯片的家庭网关，网关可直接取代机顶盒，同轴电缆将IP下行数据流和TS数据流传送到家庭网关和单向机顶盒，家庭网关通过3G、4G或地面波模块向移动互联网单向传送上行IP数据流。本发明的动态分配网络路由器频点、控制网络数据传输平均延迟、控制网络丢包率等方法及宽带混合网络TCP/IP优化算法，还给出了无线传输环境感知的智能家庭电视路由分发策略。

Description

一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种将宽带网络电信网络与广电网络相融合的混合网络，涵盖了数字广播技术、移动通讯技术、IP网络技术，尤其为一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络及其运行方法。

背景技术

目前，三网融合是大的发展趋势，包括业务融合、网络资源互用。另一趋势是无线700M网络资源的开发利用。三网融合，广电网络是一个重要平台，因为广电有线网络用户接入同轴电缆具有最高可达4.8Gbps带宽的稳定承载能力，在有线广播电视传输数字化、IP化发展趋势下，将可释放出大量的富余带宽。

目前国内广电有线网络的宽带常见接入方式分为DOCSIS、EOC和FTTH三大类，如中国专利CN201210196157.7公开的一种广电网络，提供了第三方运营商用户宽带上网的方法。但是，在我国广大地区，尤其是地级市以下地区，广电用户仍是基于单向HFC网络，是通过单向机顶盒来收看普通数字电视。中国专利CN201410315597.9虽然给出了基于广电单向HFC网络的能实现点播业务的系统，该系统是基于智能移动终端设备APP（手机、iPad）、DVB网络、面向现有的单向机顶盒终端以及前端推流系统，实现节目点播、时移回看、快进快退的视讯业务。但如何为众多广电单向HFC接入网用户融入宽带业务，这是摆在广电人面前的一项亟待解决的重要课题。

发明内容

本发明的一个目的是，针对仍在使用广电单向HFC接入网的广大用户，提供一种无需进行网络双向改造即可融入宽带业务的混合网络技术方案。

本发明的另一个目的是，针对已经部署宽带的广电网络，提供增加宽带带宽的高效、可靠的运行方法。

为实现上述第一个发明目的，本发明的技术方案是，一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络，其构成包括有，混合网络路由器、IPQAM网络调制器、家庭网关、3G、4G或广电地面波模块，其特征在于：所述网络路由器的一端连接互联网出口，网络路由器的另一端连接IPQAM网络调制器数据流入口，网络路由器实现IP数据流的转换，使来自互联网的IP数据流能被IPQAM网络调制器所解析，IPQAM网络调制器数据流出口连接广电单向HFC接入网络，广电单向HFC接入网络的入户电缆分为两路，一路同轴电缆线连接到家庭单向机顶盒，另一路同轴电缆线连接至家庭网关，同轴电缆将IP下行数据流和TS数据流传送到家庭网关和单向机顶盒，家庭网关通过3G、4G或地面波模块向移动互联网单向传送上行IP数据流；家庭网关也可以包含单向机顶盒的全部功能，不仅提供宽带接入，还可内置解码芯片，替代用户的单向机顶盒。

上述技术方案中，所述家庭网关通过EOC、FTTH或CMTS-CM系统作为回传通道。

上述技术方案中，所述家庭网关包括高频头、主芯片CPU、安全芯片和3G、4G或广电地面波模块，高频头将视频流送到安全芯片，安全芯片将连接保护TS流和IP流送至主芯片，主芯片与安全芯片之间实现过程控制并输出A/V。

上述技术方案中，所述安全芯片包括有DCAS、CDRM、算法集、安全存储、UTI和WiFi。

本发明所给出的宽带混合网络是以单向HFC网络作为下行链路，采用已有的电信和广电双向网络作为上行链路，构成双向通道的宽带接入网络系统，既可实现互联网宽带接入、又可实现电视直播/点播业务，成为家庭智能宽带路由器。本发明所给出的宽带混合网络是充分利用了广电网络下行带宽优势，结合移动网络上行快捷优势，形成的一种新型网络，是一种网络技术上的嫁接，如同苹果与梨的嫁接，最终形成优质的苹果梨这一新品种水果一样。

为实现上述第二个发明目的，本发明的技术方案是，宽带混合网络由混合网络路由器、网络调制器IPQAM、家庭网关构成，其中家庭网关6中包括有高频头、主芯片CPU、安全芯片和WiFi模块，家庭网关6与现有宽带网络之间建立回传IP数据流的上行通道，家庭网关6可以通过局域网或无线WiFi模块与用户家中的笔记本电脑9、台式电脑10、平板电脑11、手机12和OTT盒传输IP数据流和TS流。网络路由器2将来自互联网1的IP数据流进行解析，转换成广电网络调制器3能够解读的IP数据流，网络调制器3将解析后的IP数据流与广电视频TS流（IP over TS流）一并通过广电的HFC网络5输送到每个广电用户家中，进入用户家庭的同轴电缆分为两路，一路与家庭网关6连接，另一路与单向机顶盒7连接，单向机顶盒7连接家庭电视机8。

本发明给出的宽带混合网络运行过程中，动态频点分配是在下行网络中根据每个频点的负荷状态，动态分配网关IP报文到相应频点上，保证资源的复用率。在混合网络路由器上进行频点资源动态分配算法，是实现动态频点分配的关键。本发明频点动态分配方法如下，（1）采用加权轮询对频点做初始分配，即在终端网关注册处理时，选择负载量最小、使用率最低的一个频点，作为初始接入频点；（2）基于max-min fairness算法进行动态带宽分配调整，采用这种算法可以防止任何网关的流量被‘饿死’，同时在一定程度上尽可能提升每个网关速率，是一种很好平衡有效性和公平性的分配策略；（3）终端网关动态频点切换处理，通过这个动态调整机制，最大限度地提高了频点的使用率，合理利用已有的资源。

本发明给出的宽带混合网络运行过程中，动态频点切换是实现信道动态切换、快速链路恢复的机制。本发明动态频点切换方法如下，（1）基于预测的频点切换时机处理，基于输入流、缓存量、预测流量进行预测分析，评估频点负荷状况，保证频点不会出现切换振荡，频点切换效率高；（2）频点和网关切换处理的策略是采用频点和网关筛选机制，根据各网关缓存量、频点连续流量等因素进行分析，选择最优的切换频点和切换网关；（3）采用稳定、可靠的频点切换流程，实行同一网关频点错位切换、实时状态检测、缓存待发、切换异常恢复，保证频点切换期间数据不丢失；（4）实行快速的频点切换，通过HFC下行网络传递切换信令，极大减少传输时间，在终端上快速响应处理，保证整个切换流程在1秒内完成。

本发明给出的宽带混合网络运行过程中，由于混合网络是建立在移动网络和广电DVB-C/S/T网路融合基础上的一种新型异构网络，因此如何控制网络数据传输平均延迟必要有整体规划和设计，为达到这个目的，本发明采取了以下方法：（1）下行传输IPover TS。由于广电DVB-C/S/T网路具有天然的下行带宽优势，因此将所有的下行IP数据转为TS格式,以达到最佳的传输速度。为此，专门设计了IP-TS MUX模块，该相当实现了MAC层的功能，而HFC通路则实现了PHY层的功能，这样使IP网络与ＨＦＣ网络完美地兼容。（2）Max-minFairness算法进行动态带宽分配。在大流量与小流量数据并发的场景下，采用这种算法有效解决了小流量数据的传输速率、提高用户链路的响应速度，同时在一定程度上尽可能提升每个网关速率。（3）自动ACK机制。在无线信道里面, RTT 并不是很稳定, 导致TCP/IP协议栈无法准确估计延迟时间，这样就会导致TCP降低发送速率。针对这些问题, 专门进行了研究和探索,通过在HNR上设计特定针对TCP优化的模块，监听TCP建立连接的三次握手的交互, 建立对应TCP连接的本地映射HASH表, 然后截取 TCP连接中接收者上报的带有ACK 标志报文,通过做报文的平滑,自动构造并发送ACK 报文给TCP连接中的发送方,以控制发送发均匀的发送数据。（4）快速路由与路径规划。为了保证下行通路畅通无阻，快速无误地到达接收终端，通过在混合路由器上设计的网络规划信息、IPQAM的地址端口信息、路径权值等数据关系模型，进行路径运算，生成到达终端的最短路径，保证下行IP数据报文能准确可靠地找到下一跳路径，以最小路径把报文传输到终端。

本发明给出的宽带混合网络运行过程中，会出现网络丢包现象，为对网络丢包率进行控制，本发明采取以下方法：（1）特定的PID表。为了保证IP over TS帧能安全可靠地在DVB-C/S/T网络上传输，定义了特别的PID表，用于传输控制处理，实现差错校验、信息同步，保障高可靠传输。（2）Max-min Fairness算法进行动态带宽分配。通过这个动态调整机制，最大限度地提高了频点的使用率，合理利用已有的资源。（3）限流整形和令牌桶算法形成的QoS保障机制。为了保证了下行数据流在DVB-C/S/T网络传输的稳定、可靠，使下行延时更小，不会产生丢包状况，采用限流整形的算法原理，综合令牌桶算法的精髓，保证每频点（通道）的发送码率不超过单个频点在64QAM调制模式下38Mbps带宽，使频点发送码率不会溢出造成丢包。

本发明给出的宽带混合网络运行过程中，由于宽带混合网络不同于传统的IP网络，因此传统的TCP/IP技术不能满足新型混合网络的需求，必须对TCP/IP技术进行优化。TCP/IP优化算法是基于混合网络下行网络低延时、可靠性高的特点，可降低TCP传输层ACK的数量,从而达到减少上行带宽的需求和提升下行传输速率。混合网络是用户TCP链路的路由节点,通过侦听拦截TCP传输协议过程IP数据报文，进行自动ACK回应，从而实现报文的平滑。本发明给出的宽带混合网络TCP/IP优化算法如下，（1）采集RTT信息, 计算TCP的平均延迟；（2）通过TCP 三次握手包的监测,在HNR建立 TCP 连接实体,创建本地对应的TCP连接对象，通过源IP-源端口-目的IP-目的端口, 在 HASH 表中建立对于这个TCP连接表的映射；（3）通过对于TCP 断开连接四次握手包的监测和超时处理, 将原有的TCP连接对象销毁；（4）查找TCP的ACK包；（5）缓存TCPACK包；（6）基于TCP包的状态机,在特定的条件下将缓存的ACK包发出，达到控制TCP数据发送的平顺性，抵抗网络波动；（7）报文异常处理,处理网络抖动导致报文乱序等问题；（8）构造ACK报文的处理。

1.本发明宽带混合网络业务的开通，可为广电单向用户提供高速的宽带接入服务。此业务结合网管系统，可平滑升级至下一代CDN融合网络，实现自身CDN的无缝扩容及多种类型网络（Cable、IP网络等）的无缝衔接和融合。融合CDN系统可针对Cable及IP通道的实时数据监测及用户行为分析统计，当热播节目的点播量发生井喷时，自动将此节目作为广播式频道进行轮播，极大降低运营商Cable、IP的带宽资源占用率。相当于将同等带宽资源10倍甚至100倍化扩容利用。将广电的直播、VOD/时移、宽带接入等多种业务在接入网集中统一由边缘IPQAM进行入户分配。

2.广电运营商可充分利用现有网络（无需双向化网改）及单向机顶盒实现绝大部分互动业务和宽带接入业务，节省大量双向网改及互动机顶盒平移的投资成本。以最低成本、快速地实现高质量宽带入户，可解决光纤、EOC、CM实际渗透率不足问题。

3.本发明宽带混合网络中的家庭网关集成了诸多功能，取代了无线路由和内置解码芯片家庭网关可以取代用户的机顶盒，使广电单向用户增开宽带业务时不用再向其它互联网运营商申请买宽带和买出口，也不需要互联网运营商再次布线，降低了成本和施工量。

4.本发明宽带混合网络使广电HFC网络的带宽资源得以充分发掘和利用。也为广电地面波网络的规划和落地，为广电地面波应用奠定基础。

5.本发明宽带混合网络技术正是基于广电HFC的单向网络、频谱带宽资源宽、音视频传输质量稳定特点，借助无线或有线等网络作为上行网络实现双向宽带业务，不仅可以充分利用电信和广电现有网络基础设施，挖掘HFC网络频谱带宽利用潜力，克服EoC、DOCSIS等技术中上行改造中的难题，还可拥有高码率、低延时的高质量互联网音视频传输与用户体验的竞争优势。该宽带混合网络技术将为国家产业标准形成、自主知识产权的确立做好理论与技术上的储备。

附图说明

图1是本发明采用3G/4G移动通道作为回传通道的混合网络构成图（实施例一）。

图2是本发明采用EOC或CMTS-CM作为回传通道的混合网络构成图（实施例二）。

图3是本发明采用无头网关与宽带ISP对接形成回传通道的混合网络构成图（实施例三）。

图4是本发明宽带混合网络系统应用模型示意图。

图5是本发明宽带混合网络体系结构示意图。

图6是本发明宽带混合网络体系中混合网络路由器体系结构示意图。

图7是本发明宽带混合网络体系中混合网络路由器HNR数据流输入输出处理示意图。

图8是IP-TS MUX模块协议封装示意图。

图9是令牌桶算法实现原理图。

图10是本发明宽带混合网络体系中是家庭网关Gateway系统结构示意图。

图11是本发明宽带混合网络体系中家庭网关硬件体系示意图。

图12是本发明宽带混合网络体系中家庭网关软件体系示意图。

图13是动态频点分配逻辑图。

图14是混合网线网关频点资源分配图。

图15是频点1码率及网关数目图。

图16是频点2码率及网关数目图。

图17是本发明宽带混合网络系统接口关系示意图。

图18是数字电视家庭路由分发应用模型图。

图19是数字电视家庭路由分发原理图。

图20是家庭智能宽带路由器多模无线通讯芯片集成示意图。

以上附图中，1是互联网，2是网络路由器，3是网络调制器IPQAM，4是移动机站，5是广电HFC网络，6是家庭网关，7是广电单向机顶盒，8是电视机，9是笔记本电脑，10是台式电脑，11是平板电脑，12是手机，13是OTT盒子，21是EOC或CMTS-CM设备，22是宽带ISP。

具体实施方式

实施例一，本实施例系统构成如附图1所示，本实施例是在广电单向HFC接入网络基础上接入宽带的系统。

网络路由器2将互联网1与广电单向HFC网络中的网络调制器3连接。网络路由器2将来自互联网1的IP数据流进行解析，转换成广电网络调制器3能够解读的IP数据流，网络调制器3将解析后的IP数据流与广电视频TS流（IP over TS流）一并通过广电的HFC网络5输送到每个广电用户家中，进入用户家庭的同轴电缆分为两路，一路与家庭网关6连接，另一路与单向机顶盒7连接，单向机顶盒7连接家庭电视机8，家庭网关6中包括有高频头、主芯片CPU、安全芯片、3G/4G模块和WiFi模块，家庭网关6中的3G/4G模块与三大移动运营商之一机站之间建立回传IP数据流的上行通道。家庭网关6可以通过局域网或无线WiFi模块与用户家中的笔记本电脑9、台式电脑10、平板电脑11、手机12和OTT盒传输IP数据流和TS流。本实施例建立的混合网络的下行带宽可以达到20Mbps-100Mbps。

混合网络路由器（HNR）除了普通的路由功能，还需要将下行到智能家庭网关（Gateway）的流量，调制成TS over UDP的方式发给网络调制器（IPQAM）， IPQAM将其转化为TS/DVB 信号发到网关上，而网关则将 TS/DVB 信号还原成 IP 包。混合网络智能家庭网关Gateway 是用户通过HNR实现宽带接入的关键， Gateway 有两个接口，一个是 RF 接口，一个是双向网络接口，比如3G/4G/700M/以太网等。资源管理（RMM）获取Gateway的注册信息，维护所有Gateway的信息，根据这些信息得到Gateway对应的IPQAM 区域和频点已经相关的发流IP和端口。网络调制器（IPQAM）使用通用的IPQAM设备，QAM除了接入广播，VOD以外还有端口作为HNR的端口。QAM将HNR发来的TS流转化为TS/DVB型号发给Gateway。

本实施例混合网络除建立了广电用户运行所需要的OSS管理系统和NMS管理系统，还建立了宽带用户管理系统（SMS）该系统能实现设备管理和客户管理，即能对网关设备进行查询、添加及删除，能实现客户所要求的宽带开户、宽带产品购买等要求。

本实施例构成的混合网关可实现以下功能：（1）将广电的TS（视频流）接入家庭网络；（2）实现TS与IP协议的转换；（3）可以支持多信道接入和输出；（4）将广电IP视频流输出到电视机、电脑、Pad和手机等多种家庭网络智能终端；（5）支持CA解码和DCAS功能，通过内置DRM实现广电网络前端对家庭网络和智能终端的管理与控制；（6）可以将广电或其它宽带网络接入家庭网络；（7）可以支持智能终端实现VOD、时移等广电互动业务；（8）可以支持智能终端实现互联网全业务；（9）可以支持WiFi等无线互联；（10）可以支持局域网和WiFi路由功能。

本实施例中，家庭网关是关键设备，其性能特点：（1）功耗低，支持365x7x24常年开机；（2）内置SD卡插槽，支持内容下载和推送服务；（3）支持USB外接硬盘，实现大容量视频存储；（4）支持USB内部接口或直接集成芯片对接3G/4G等回传设备；（5）支持系统下载更新。

本实施例虽然是利用三大移动运营商的无线网络作为回传通道。但本实施例也可平滑升级到广电地面波无线回传通道，若广电运营商建设地面波基站，主要可实现广电其他无线类增值业务，而本实施例仅仅需要在家庭网关中内置地面波芯片作为上行回传链路，占用带宽极小，成本可忽略不计。

针对广电单向HFC网络用户而言，本实施例与目前广电有线网络的宽带常见的三类接入方式DOCSIS、EOC和FTTH比较，在建设成本、工程施工量等方面具有明显的优势。

实施例二，系统构成如附图2所示。

本实施例与实施例一的区别在于采用广电运营商现已建设EOC或CMTS-CM系统作为上行IP数据流的回传通道，因此无额外月租费用。用户端营销维护成本仅为混合网络家庭网关的购置。

本实施例的混合网络在广电网络应用中可实现部署最快、成本最低。

实施例三，系统构成如附图3所示。

本实施例将无头网关直接对接宽带ISP，可以充分利用广电网络同轴电缆的带宽资源，将带宽进行10倍以上的扩容。

实施例四，宽带混合网络系统应用模型如附图4所示。

在本实施例中，宽带混合网络是指以单向的广电HFC网络、数字电视地面波、数字电视卫星传输网络作为下行链路，3G、4G或地面波无线网络提供上行链路所构成用户互联网宽带接入网络。混合网络应用的核心意义是在不改造广电单向广播数字电视网络的情况下，结合3G、4G或地面波无线网络资源，利用其下行的带宽优势提供高速的互联网宽带服务。广电HFC单向网络在没有进行双向改造的情况下，下行具有很大的带宽，但是没有上行链路。混合网络路由技术基于宽带数据通讯上、下行流量不对称的特性，尤其是视频业务，具有极高的占用带宽比（下行/上行）。因此，可以充分利用广电广播电视网络下行带宽大、单向网络的特性，通过混合网络路由技术，可以在单向的广电HFC网络、数字电视地面广播（DTMB）、卫星基础上实现高带宽、低成本的宽带接入。混合网络路由技术适用于具备广电HFC网络但没有双向改造、数字电视地面广播网络，以广电网络作为下行链路，借助3G、4G或地面波无线网络或其它低速宽带接入提供的上行链路，构建成可满足广电双向业务开展需求的双向网络，这样可充分挖掘广电网络的频谱资源利用率以及2K、4K等高码率极清视频的网络传输优势。在混合网络中，TCP/IP包的数据流向和宽带接入的主要步骤如下：（1）网关上电，通过接入认证A接口得到数据通路和频点等信息。（2）网关将上行TCP/IP 包通过上行的通路发送给混合路由器。（3）混合路由器将上行TCP/IP数据包转发到互联网络。（4）混合路由器将下行TCP/IP包打包成TS流发送给IPQAM。（5）IPQAM将TCP/IP下行包通过DVB-C/S/T网络传送给网关。（6）网关解码TS流，恢复出TCP/IP下行包。

在本实施例中，宽带混合网络体系结构如附图5所示。

在该网络体系中，混合网络路由器HNR除了普通的路由功能，还需要将下行到Gateway的流量，调制成TS over UDP的方式发给IPQAM， IPQAM将其转化为 TS/DVB 信号发到网关上，而网关则将 TS/DVB 信号还原成 IP 包。混合网络智能家庭网关Gateway 是用户通过HNR实现宽带接入的关键， Gateway 有两个接口，一个是 RF 接口，一个是双向网络接口，比如3G/4G/700M/以太网等。RMM资源管理获取Gateway的注册信息，维护所有Gateway的信息，根据这些信息得到Gateway对应的IPQAM 区域和频点已经相关的发流IP和端口。IPQAM使用通用的IPQAM设备，QAM除了接入广播，VOD以外还有端口作为HNR的端口。QAM将HNR发来的TS流转化为TS/DVB型号发给Gateway。

该宽带混合网络体系中，混合网络路由器HNR体系如附图6所示。该混合网络路由器HNR架构主要分为3个层：数据面、管理面和控制面，对应的是数据面处理模块、session池和控制面处理模块。控制面主要实现与外部设备的信令交换，数据面主要实现数据的处理，session池可以看成是一个快速访问的数据库，进行资源的存储访问。

在控制面层中，DACM模块是指Device Access Control Interface Module，即设备访问控制接口，是实现混合路由器A接口模块，是进行用户管理、设备管理、资源分配管理的重要模块，这模块主要实现：（1）与Gateway设备交互，完成Gateway设备的接入认证、资源申请请求，保持与Gateway设备的通路检测，定时检测Gateway状态。（2）与BRAM和SDMM模块通信，转发Gateway设备认证请求给BRAM，Gateway资源申请请求给SDMM，并处理返回的结果。（3）分配GatewayIP地址。（4）更新Gateway相关资源信息到session池。BRAM模块是指Band Resource Allocation Interface Module，即频带资源分配接口模块，是混合路由实现B接口的模块，主要实现以下功能：（1）B接口功能实现，对外访问VOD服务器，获取GW资源。（2）接收DACM模块请求，并把处理结果返回。SDMM模块是指Subscriber-Device ManagementInterface Module，即用户设备管理接口模块，是混合路由实现C接口的模块，主要实现以下功能：（1）C接口功能实现，对外访问AAA服务器，获取GW认证结果。（2）接收DACM模块请求，并把处理结果返回。

在数据面层中，Session lib模块是对GW设备进行上下文管理的数据库，包含每个GW设备的通讯状态、数据流量等信息，提供接口给各个模块进行访问，需实现下面功能：（1）组织GW session的数据结构，实现session的快速插入、删除操作，提供给各模块快速访问、统一的读写接口。（2）实现资源互斥访问功能，保证各模块数据读写准确性。核心数据处理模块是混合路由器的主处理模块，实现下行数据包的转发控制处理，承担快速进行数据处理的重任，主要实现功能：（1）下行数据的路由转发处理，根据数据流向策略，使数据流向不同的通道，使资源得到合理利用。（2）IP数据到广电ts数据的转化工作，对IP封装成ts流，根据路由策略，转发到特定的IPQAM设备上去。（3）带宽资源分配，对资源进行优化配置，同时对下行流量进行控制处理。OAM模块实现混合路由器的网络管理功能，依据与NMS的网络管理接口，实现对混合路由器的信息查看、配置管理、性能统计、诊断测试等功能。日志管理模块是根据日志管理的配置策略，统一对log信息的管理，使GW连接log、系统运行log保存到相应文件，或重定向到其它终端。

通过研究设计混合网络的传输数据帧结构/协议、路由算法、路径规划、QoS保障，实现上下行通讯链路跨异构网络传输的路由机制。图7给出了HNR数据流输入输出处理示意图。如图7，混合路由器核心处理模块通过在TCP/IP协议栈处理引擎中引入数据帧封装处理、路由及路径规划转发处理、流量控制、Qos保障，保证数据包实现异构网络的稳定、可靠的转换传输。广电DVB-C/S/T网络是以MPEG-TS格式封装和传输的，传输载体主要以音视频等媒体流为主，以单向广播的性质存在，而互联网数据主要以IP包的方式传输交换，IP数据报文如需在DVB-C/S/T网络在传输，势必在数据封装及传输控制方面作优化处理。IP-TSMUX模块正是为达成这一目标的，通过相应协议规范对IP数据报文进行优化、巧妙封装，使之能通过DVB-C/S/T网络传输，终端通过对应的协议进行DEMUX处理，封装协议栈参见图8。图8中可看出，IP-TS MUX模块相当实现了MAC层的功能，而HFC通路则实现了PHY层的功能，这样使IP网络与ＨＦＣ网络完美地兼容，IP-TS封装协议规范起到了至关重要的作用。为了保证IP over TS帧能安全、可靠地在DVB-C/S/T网络上传输，主要作了以下优化：（1）TS帧封装规范与原有一致，保持兼容性，对TS帧头PID字段作了特别定义，PID信息与终端协商一致，为了更好解复用处理；（2）利用好TS头部的扩展域部分，更好实现IP拆包和粘包处理；（3）定义特别PID表，用于传输控制处理，在单向通道的基础上实现差错校验、信息同步，保障高可靠传输。通过优化处理，取得了以下成效：（1）遵循ISO/IEC_13818-1的要求，与原来规范兼容，保证下行数据流能稳定可靠地通过DVB-C/S/T网络传输；（2）并末改变TCP/IP网络的性质；（3）提供了链路层可靠机制，保证下行DVB-C/S/T网络传输的稳定性；（4）支持安全加密及差错校验机制，保证数据的安全传输。为了保证下行通路畅通无阻，快速无误地到达接收终端，必须作路由及路径规划转发处理，保证下行IP数据报文能准确可靠地找到下一跳路径，以最小路径把报文传输到终端，主要算法包含两部实现：（1）路由表生成，根据用户终端上报的IP地址、区域号、网关终端标识等信息，根据混合路由器上已有配置的网络规划信息、IPQAM的地址端口信息、路径权值等，进行路径运算，生成到达此终端的最短路径，存入特定的HASH MAP项。（2）路由表项寻找，通过目标IP地址，利用相应的HASH函数换算可快速找到对应ＨＡＳＨ ＭＡＰ项，从中取得需要转发的下一跳地址和端口，算法复杂度实现为O(1)。流量控制、QoS机制保证了下行数据流在DVB-C/S/T网络传输的稳定、可靠，使下行延时更小，不会产生丢包状况。因Internet数据流量的无规则性，突发数据较多，而DVB-C/S/T网络带宽资源有限，如果不实现流量控制，会导致溢出丢包。流量控制采用限流整形的算法原理，综合令牌桶算法的精髓，保证每频点（通道）的发送码率不超过单个频点在64QAM调制模式下38Mbps带宽，使频点发送码率不会溢出造成丢包。

附图9还给出了令牌桶算法实现原理图。通过按一定的速率往令牌桶注入令牌，数据发送时查看桶中令牌数目，还有的话允许发送，并减少相应令牌数目，反之丢弃。在这基础上针对我们的系统作了些优化改进，主要有：（1）发送过来的IP数据报文先作缓存，暂不进行令牌发送，这可保证超出部分不会立即丢弃；（2）添加令牌的时间粒度精算到毫秒级，这样保证发送速率更均匀，保证IPQAM不会产生缓存溢出；（3）对发送速率的精度要求更准，因IP包大小不一，在每个时间粒度上速率发送会产生一定的偏差，在下一个发送时隙上，发送速率需进行偏差调整，保证总的发送速率的精确度。这样，通过实现发送时间粒度精算到毫秒级，发送包长度计算精确到微秒级，计划发送与实际发送偏移值迭代运算，保证发送速率的精确率，达到了引入时延小于5ms，达到流量的整形、均匀发送，最大限度地提高转发效率。

该宽带混合网络体系中，家庭网关Gateway系统结构如附图10所示，家庭网关硬件体系如附图11所示，家庭网关软件体系如附图12所示。

混合网络网关构成：（1）SNAT : 终端是通过网关的SNAT才能接入混合网络的,SNAT隔离了终端和主要的混合网络处理。（2）Uplinker: 从IP协议栈截取分离上行IP数据包。（3）DownLinker: 下行TCP/IP包入协议栈处理。（4）TS to TCP/IP: 将TS包转换为 TCP/IP 包。（5）HNR Agent: 实现和HNR的接口通信。（5）NMS Agent: 网管接口。

在本实施例中，混合路由网络是下行网络网关共享频点，由于用户上网行为的随机性，会出现某些频点出现超负荷、而某些频点比较空闲的状况，导致频点过载而丢失链路数据包。因此必须采用频点负载均衡机制和算法，将超负荷的频点负载分流到空闲频点上。动态频点分配是在下行网络中根据每个频点的负荷状态，动态分配网关IP报文到相应频点上，保证资源的复用率。在混合网络路由器上进行频点资源动态分配算法，是实现这个技术的关键。采用三个创新策略：（1）加权轮询的频点初始分配。在终端网关注册处理时，选择负载量最小、使用率最低的一个频点，作为初始接入频点。（2）基于max-min fairness算法进行动态带宽分配调整。采用这种算法可以防止任何网关的流量被‘饿死’，同时在一定程度上尽可能提升每个网关速率，是一种很好平衡有效性和公平性的分配策略。（3）终端网关频点切换处理是通过HNR和网关终端双方协商，建立快速频点切换、恢复机制。主要技术有：（a）基于预测的频点切换时机处理。基于输入流、缓存量、预测流量进行预测分析，评估频点负荷状况，保证频点不会出现切换振荡，频点切换效率高。（b）频点和网关切换处理策略。采用频点和网关筛选机制，根据各网关缓存量、频点连续流量等因素进行分析，选择最优的切换频点和切换网关。（c）稳定、可靠的频点切换流程。实行同一网关频点错位切换、实时状态检测、缓存待发、切换异常恢复，保证频点切换期间数据不丢失。（d）快速的频点切换。通过HFC下行网络传递切换信令，极大减少传输时间，在终端上快速响应处理，保证整个切换流程在1秒内完成。通过这个动态调整机制，最大限度地提高了频点的使用率，合理利用已有的资源。

图13为动态频点分配逻辑图。本实施例通过研究多级/分层网络拓扑结构下广电DVB-C/S/T网络频带资源分配算法，实现充分挖掘频带资源利用率、降低网络建设成本。通过对用户上网行为的研究，发现用户单位时间内所占的带宽是极其低的，采用频分复用的方式，是极其浪费带宽和频点资源的，而采用频点多用户共享方式，将极大地提高资源复用率，是一种很生态、环保的方式。在HNR上进行频带资源动态分配算法，是实现这个技术的关键。如图13所示，有N个终端网关的IP报文经过HNR转发，共有M个频点，动态频点分配需根据每个频点的负荷状态，动态分配网关的IP报文到相应的频点上，保证资源的复用率，实现上包含三步策略：

（1）终端网关频点初始分配，在终端网关注册处理时，需进行锁定频点资源的初始分配，分配策略采用加权轮询的机制，轮询目前所有频点的负载情况，选择负载量最小、使用率最低的一个频点，作为初始接入频点。

（2）频点发送数据分配，由于频点带宽有限，单位时间内发送的最大流量是固定的，而一个频点同时有多个终端网关共享，此前需合理分配每个网关的流量。采用max-minfairness算法进行分配，可以防止任何网关的流量被‘饿死’，同时在一定程度上尽可能增加每个网关流的速率，是一种很好权衡有效性和公平性的自由分配策略。在实际应用中，优先满足了实时性强、数据交互量小的应用，同时也保障了数据量大、持续性长的业务，如视频、下载业务等。具体到混合网络中，利用max-min fairness算法进行频点资源分配的：在每一个时间粒度上，计算单频点可发送资源为RS，共有n个网关通过此频点分配资源，每个网关待分配资源为S1……Sn,则每个网关可分配资源R1……Rn，满足：

①计算平均资源avg=RS/n;

②计算每个网关可分配资源Ri，当Si<=avg，Ri=Si，RS=RS-Ri，余量Ai=avg-Si;

③如果没有分配完，剩余分配网关数为m，继续迭代分配，重计算资源量RS=RS+∑Ai，avg =RS/m，重复②的过程；

④当所有的Si满足Si >avg，则Ri =avg;

这样，直到所有资源都分配完毕。

图14为混合网线网关频点资源分配图。图14记录了某段时间某个频点资源分配的情况，共有18个终端网关在线上网，并分配在此频点上，通过频点分配算法可看到每个终端的分配是比较均匀的。

（3）终端网关频点切换处理，当有的频点不堪重负，会极大影响终端用户的使用体验，此时需进行终端网关的频点迁移，把某些网关从此频点中切换出去。通过这个动态调整机制，最大限度地提高了频点的使用率，合理利用已有的资源。通过上述三步进行频点资源动态分配，使频点资源得到了最大限度利用，使混合网络的处理效率更高。

在本实施例中，由于混合网络是建立在移动网络和广电DVB-C/S/T网路融合基础上的一种新型异构网络。混合网络不同于传统的IP网络，因此传统的TCP/IP技术不能满足新型混合网络的需求，必须对TCP/IP技术进行优化。由于混合网络是用户TCP链路的路由节点,通过侦听拦截TCP传输协议过程IP数据报文，进行自动ACK回应，从而实现报文的平滑。因此采用的优化算法包括: (1)采集RTT信息, 计算TCP的平均延迟。(2)通过TCP 三次握手包的监测。在HNR建立 TCP 连接实体,创建本地对应的TCP连接对象，通过源IP-源端口-目的IP-目的端口, 在 HASH 表中建立对于这个TCP连接表的映射。(3)通过对于TCP 断开连接四次握手包的监测和超时处理, 将原有的TCP连接对象销毁。(4)查找TCP的ACK包。(5)缓存TCPACK包。(6)基于TCP包的状态机,在特定的条件下将缓存的ACK包发出，达到控制TCP数据发送的平顺性，抵抗网络波动。(7)报文异常处理。处理网络抖动导致报文乱序等问题。(8)构造ACK报文的处理。上述TCP/IP优化算法是基于混合网络下行网络低延时、可靠性高的特点，可降低TCP传输层ACK的数量,从而达到减少上行带宽的需求和提升下行传输速率。

通过优化TCP/IP传输控制算法，提高在高码率情况下的网络传输稳定性、降低网络时延。在解决方案里面, 本身下行的DVB-C/S/T网络还是非常可靠的，丢包率很低。上行通道往往是使用3G/4G/700M等无线通路, 而这个无线通路往往不是很稳定, 会导致传输带宽不稳,时延大等问题。由于混合网络是一个非对称的传输网络，我们希望TCP也能应用在这些环境中，并能获得较好的性能。然而正是由于带宽非对称和其它的非对称特性（例如媒体接入非对称和误码率非对称等）使得TCP 的性能达不到人们期望的水平。TCP 协议的流控算法是确认包(ACK) 自封闭型的，信源依靠信宿回送的ACK 来调节滑动窗口的大小和数据包发送的流量，因此反向信道的ACK 的到达将在很大程度上影响正向的吞吐量。而带宽非对称时反向链路速率可能很低(比正向低几倍到几十倍)，因此反向很容易拥塞和大量丢包，从而导致TCP 性能的劣化。

（1）混合网络数据模型，在混合网络的视频数据流的发送是单向的，从信源到信宿的方向定义为正向。信源通过正向链路将视频数据流发送给信宿，信宿在收到后通过反向链路回送确认包给信源。正向链路的主要参数包括：缓冲区容量Bf（数据包）；平均包长Lf（字节）；链路速率Rf（bit/s）；队列服务速率μf（包/s）；链路的传播时延τf（s）。类似地，反向链路的主要参数包括：缓冲区容量Br；平均包长Lr；链路速率Rr；队列服务速率μr以及链路的传播时延τr，其中μf = Rf / Lf，μr = Rr / Lr。

（2）归一化带宽比，模型中数据传送是单向的，在正向链路中只有数据包，在反向链路中只有确认包，通常数据包的长度比确认包要大得多。因此简单地用正反向的带宽比并不能表明其对TCP协议带来的影响，所以这里我们定义一个归一化的带宽比k来表征链路的非对称化的程度，它的值等于正反向的链路速率比除以正反向的平均包长度比即k=μr /μr。因此，也可以认为k是正反向队列服务速率的比值。这也就意味着如果对每k个数据包有超过一个确认包的话，反向瓶颈链路就将先于正向瓶颈链路出现拥塞，导致反向队列的大量丢包。

（3）不同反向链路速率下平均吞吐量的公式推导，推导平均吞吐量的计算公式时，考虑到用数学手段分析网络流量的复杂性及可行性，假定最简单的情况，即只有一个连接，并且反向队列容量不受限，接收端每收到一个数据包都立即回送给发送方一个确认包，主要参数的设置同上。TCP的发送窗口为拥塞窗口和接受方通告窗口的最小值。拥塞窗口增长分为两个阶段：慢启动阶段和拥塞避免阶段。慢启动时源端每收到一个确认包，拥塞窗口值增加1个最大段长，窗口呈指数增长；拥塞避免阶段则增加MSS×MSS / Cwnd，窗口呈线性增长（MSS为TCP的最大段长度的默认值，即536 字节；Cwnd为拥塞窗口值）。在实现中不考虑接收方通告窗口的影响，认为接受方有足够的缓存来容纳数据包，因此通告窗口将保持窗口缺省最大值64k（不考虑窗口扩展选项）。源端的慢启动门限也设为64k（缺省值）。平均吞吐量的计算公式为

QUOTE （1）

其中，T为总的时间； QUOTE 为瞬时流量。考虑到TCP 的窗口增长的阶段性以及带宽非对称给TCP 带来的影响，流量的计算可分为以下3个阶段进行（由于非对称网络中时延通常较大，因此慢启动阶段不能忽略）。

阶段1：此时拥塞窗口增长为慢启动阶段，并且反向链路尚未被完全利用。

设阶段1 的持续时间为t1，结束时窗口值为W1，整个环回的传输时延和传播时延的和(不包括排队时延) 为Tmin。这里传输时延 = 包长度 / 链路速率；传播时延 = 距离/ 媒体中传播速率，通常认为按光速传播。本方案中正反向传播时延分别为τf（s）和τr（s）。由于反向链路尚未充分利用，可认为往返时延（RTT）近似等于Tmin。这样，一个往返时延（RTT）周期反向链路可服务的包个数为μrTmin。因为发送窗口值表示了一个往返时延（RTT）内源端能发送数据包的最大数目，根据慢启动时拥塞窗口的指数增长特性，第1阶段需QUOTE 个往返时延（RTT），即

QUOTE （2）

根据该阶段窗口的指数增长特性，在第1阶段结束时，窗口值W1和流量λ1分别为

QUOTE （3）

阶段2：窗口增长仍为慢启动阶段, 但反向链路已完全利用

设阶段2持续时间为t2，结束时窗口值为W2。由于是在慢启动阶段，拥塞窗口的增长（dW）与确认包增长（da）的数目比为dW / da =1，又由于反向链路已完全利用，有da / dt =μr。因此拥塞窗口随时间的增长为dW / dt = μr，从而可得阶段2中窗口值为

QUOTE （4）

根据假设条件，慢启动门限与接受方通告窗口值Wad相等，为缺省最大窗口值64k，即有W2=Wad，代入上式可解得

QUOTE （5）

由于在慢启动阶段每一个确认包将引发两个数据包，可近似认为反向队列的输入速率为2μr，则队列长度（q）随时间的变化dq / dt = 2μr - μr= μr。队列呈线性增长，这样解得队列长度为

在队列中的排队等待时延为

QUOTE （6）

再根据little定理及式（1），可得第2阶段的流量为

QUOTE （7）

阶段3：拥塞避免阶段

该阶段持续时间t3=tall - t1-t2，拥塞窗口的增长与确认包的数目比为dW / da = 1/ W，但由于此时发送窗口已达到最大值Wad，故发送窗口不再增大。再根据little定理及式（1），可得第3阶段的流量为

QUOTE （8）

其中，tall为总时间。将式（3）～（8）代入式（1），可得平均吞吐量的计算公式为

QUOTE （9）

其中，y、t2分别由式（2）及式（5）可得。

需要说明的是，当归一化带宽比k>1时，反向带宽不足以提供确认包的服务，反向链路必将被完全利用，上述分类是可行的。当归一化带宽比k≤1时，反向带宽足够大，因此反向链路将不会被完全利用，阶段2将不存在。按上述公式将会计算出t2为负值，这时只需将t2置为0，则平均吞吐量公式（9）仍然适用。

由以上的理论分析和平均吞吐量公式（9）可以看出：当反向队列容量不受限时，吞吐量与反向速率呈线性变化。由于这种情况下没有分组丢失，反向速率越大，反向传输时延与排队时延越小，ACK到达越快，吞吐量越大。当反向队列容量有限时，吞吐量与反向链路速率呈非线性变化；并且队列容量越小，平均吞吐量增大，同时丢包率（丢弃分组数 / 到达分组数）上升。这是因为ACK有累积特性，丢失的ACK的功能将由随后成功到达的ACK来完成。由于ACK一次确认的数据量增大，正向突发相应增大。而时延较大时，时延带宽乘积大，网络对分组的容纳能力大，并且正向速率匹配，所以没有出现由于正向缓冲不足产生的丢包。这样，随着带宽的增大，一方面ACK的传输加快，另一方面每个ACK确认的数据段减小，这两方面的作用使得吞吐量呈现非线性变化。传统的TCP视线里面, TCP要获得稳定带宽的重要因素是获取一个较为稳定的RTT值, 在无线信道里面, RTT 并不是很稳定, 导致TCP协议栈无法准确估计延迟时间, 而且偶然性的会发生几个包延迟增加, 或者丢包的现象, 这样就会导致TCP降低发送速率.无线链路的最大的三个问题就是: 延迟忽然增长, RTT和带宽频繁变化有限和无线链路混合组成传输路径,有线链路和无线链路的特性不同, 针对TCP协议的优化很难同时适应有线和无线链路. 在高带宽的视频应用中, 对于无线带宽的稳定性提出了很高要求, TCP连接的传输带宽的下降,必然影响到视频观看的效果,甚至导致图像卡顿,迟滞,马赛克等现象。针对这些问题, 我们专门进行了研究和探索, 业界对于TCP协议的优化,通常是基于通讯的两端来进行,比如fast TCP, 但是问题在于, 通信的两端, 一方面是互联网的服务器,一方面是用户的上网设备比如手机/电脑,都不是我们可以控制的, 我们采用其它的方式对TCP的算法和传输进行了优化：

图14给出了混合网络TCP/IP的ACK处理机制图。混合网络系统本身并非TCP 连接的两端, 我们的设备是 TCP 连接经过的中间节点, 我们在HNR上有特定的针对TCP优化的模块。该模块监听TCP建立连接的三次握手的交互, 建立对应TCP连接的本地映射HASH表, 然后截取 TCP 连接中接收者上报的带有ACK 标志的报文,通过这些报文, 我们做报文的平滑,构造 ACK 报文发送给TCP连接中的发送方,以控制发送发均匀的发送数据。算法包括几部分:（1）采集RTT信息, 计算TCP的平均延迟。（2）通过TCP 三次握手包的监测,在HNR建立TCP 连接实体, 假如报文中带有 SYN 和 ACK,表示已经创建了TCP连接,需要创建本地对应的TCP连接的对象。通过源IP-源端口-目的IP-目的端口, 在 HASH 表中建立对于这个TCP连接表的映射。（3）通过对于TCP 断开连接四次握手包的监测和超时处理, 将原有的TCP连接对象销毁. 假如报文带有 TCP 标志 RST 或者 FIN, 表示实际的TCP连接已经结束, 需要查找本地的对应对象,发送缓存的报文, 在RST 或者 FIN 报文超过一定时间后(比如30秒.,销毁该TCP连接对应的对象。（4）TCP 包的查找:假如发现特定的 TCPACK 包,通过源IP-源端口-目的IP-目的端口的四元组, 找到相应的 TCP 连接表的条目。（5）TCP包的缓存，将特定的ACK 包缓存起来。（6）TCP 包的状态机. 在HNR建立TCP包的状态机, 在特定的条件下, 将缓存的ACK包发出. 用来控制源服务器TCP数据发送的平顺性. 抵抗网络波动。（7）处理报文的异常情况. 假如发现新收到的ACK报文比已经记录的报文的ACK值要小,这说明碰到了异常的情况,常见的是网络抖动导致报文乱序等, 这需要我们进行错误处理。（8）构造ACK报文的处理。该实现的优势:（1）这个TCP协议的优化对于TCP连接的两端完全透明, 它们不需要更改目前任何的TCP实现, 也不需要更改应用层的编程方法。（2）对于常见上网场景特别是视频观看场景有明显的优化作用。

本实施例中，采用了多信道捆绑机制，将2个、4个或更多频点进行信道捆绑传输，使终端具备100Mbps以上带宽接入能力。HFC网络单频点的最大传输速率为38Mbps，如果要实现50Mbps或100Mbps的带宽接入能力，HNR需支持多信道捆绑传输，同时终端能锁定多个频点。实现多信道捆绑机制，扩大了带宽接入能力，同时提高了网络的健壮性和稳定性。而要实现多信道捆绑传输，主要完成以下这些关键核心技术：

（1）实现多信道之间相互独立，抗干扰能力强；多信道分别位于不同的频点上，相互之间不会产生干扰，保证了传输的效率；同时，采用多信道传输，保证了网络的稳定性，通过信道检测技术，发现如有信道不能正常工作时，停止在这个信道上的传输，转移到其它信道上，保证了网络不会造成中断。

（2）实现多信道环保机制，同步机制是指HNR充分利用资源的基础上，最大限度地减少能耗，达到生态环保的效益。具体措施上有：当终端网络使用率较低时，流量较少，HNR优先保证只把数据传递到终端主频点上，这样终端只在一个频点上收数据，使接收效率更高，减少终端计算量，减轻终端的CPU使用率、内存及功耗；HNR上作session分析，尽量把同一session的数据往同一信道上发送，这样减少终端上进行包重组、重序的时间；终端网关上实现快速重组机制，对不同信道过来的IP数据进行分析、重组，对终端可能出现假性TCP快速重传问题进行规避。

（3）实现信道动态切换、快速恢复机制；因为混合路由网络是多网关共享频点方式，用户上网行为的随机性，会出现某些频点出现超负荷、而某些频点比较空闲的状况，这个时候需要进行频点负载均衡，对超负荷的频点，切换一些终端网关到空闲频点上。通过HNR和网关终端双方协商，建立快速频点切换、恢复机制，攻克了这一技术难题，主要技术有：（a）恰当的频点切换时机处理，建立一个稳定可靠的频点切换侦测机制，基于输入流、缓存量、预测流量进行预测分析，评估频点负荷状况，保证频点不会反复切换，频点切换效率高。（b）合理的频点切换处理策略，当发现频点超负荷时，采用频点内网关筛选机制，根据各网关缓存量、频点进行分析，选择最优的切换网关。同时，切入频点筛选机制，也根据频点连续流量、已有网关数目等因素进行评估，选择最优频点进行切入。（c）稳定、可靠的频点切换流程，保证频点切换期间数据不丢失。主要技术包括实行同一网关频点错位切换、实时状态检测、缓存待发、切换异常恢复等。（d）保证频点切换时间短，尽量缩短频点切换的时间，通过DVB-C/S/T下行网络传递切换信令，极大减少传输时间，在终端上快速响应处理，保证整个切换流程在1秒内完成。通过实现以上频点切换技术，合理利用频点间的资源互补优势，极好地支持了多信道捆绑的实现。

图15和图16提取了二个频点在码率及网关数目测试数据上的分析，其中频点1在输入码率较大，频点负荷满的情况下，发生了频点切换，此频点网关的数目在递减；频点2此在比较空闲的情况下，有网关引入，网关数目递增。这说明，频点切换处理起到了至关重要的作用。

本混合网络给出了家庭智能宽带路由器的接入协议，设计和实现宽带网络接入的信令过程、用户/设备认证机制和过程、业务控制以及网络QoS保证等协议,实现家庭智能宽带路由器与前端系统无缝对接。混合网络中包含多个网元，各个网元在其中充当了不同的角色，如果没有一个完整、稳定的接口协议和生态系统，那么混合网络就缺失了一个安全故障的平台，随时都会瘫痪。设计一个终端与前端协商交互，稳定连接的协议是至关重要的。

图17为混合网络系统接口关系示意图。图17中终端HGW与前端网元的接入、信令交互的接口，包含A、B、C、D四个接口，其中A接口与HNR实现资源分配与在线检测控制、B接口由HNR通过DVB-C/S/T广播实现终端零配置、C接口与OSS交互实现终端接入认证、D接口与NMS实现远程管理。这一套终端与前端网元的接口是相互关联，把整个系统紧紧地捆在了一起。

具体过程从终端上电到业务接入开始，接口流程是：（1）启动终端零配置功能，在营业厅开通的智能网关终端，接到用户家中后，不需作什么配置，即可实现在线接入，自动化配置功能，减轻安装人员的工作量。自动化配置项包含接入HNR地址、区域号等信息。（2）实现终端接入认证；终端在上电启动后，接入DVB-C/S/T网络后，即可收到广播的全局配置消息，此消息包含系统接入地址、终端区域等信息，终端收到此信息后启动接入认证。终端网关通过密文方式上报身份信息，身份信息包含终端标识、营业厅开通的服务密码、时间戳、随机码等字段，由支撑运营平台进行身份鉴权，同时向HNR报告此终端用户申请的带宽、服务时间等信息。（3）实现动态资源申请；通过注册认证后，终端需要发起资源申请，HNR根据终端请求的终端标识、区域号等信息，分配网关频点资源、上行资源，下行通道解扰信息。（4）实现在线检测机制；终端网关接入线上服务后，需周期实时进行健康状态检查，上报自身状态给HNR，HNR据此更新网关状态，同时启动心跳超时机制，对末及时上报心跳的终端，上报NMS异常告警，并作异常处理。（5）重建连接机制；当终端网关发现自己异常，或在检测在线时HNR告知需重连时，会发起重建连接机制，此时网关释放已有资源，同时再发起接入认证和申请资源的流程。（6）可维护、可管理机制；前端通过配置NMS网元，实现对终端网关、HNR平台的设备管理，包含配置管理、版本升级、诊断测试、告警管理等功能。

通过设计这一套从终端到前端的可管理、可维护、稳定的系统，保证了混合网络的正常、可靠地运行，达到了如下技术要求：（1）基于TCP的可靠协议实现，保证协议传输的稳定可靠；（2）基于短连接的实现方式，减轻了服务器负担和网络的压力；（3）支持HTTPS安全连接方式，保证连接的安全可靠；（4）同时支持TCP/IP网络和DVB-C/S/T网络的通道传输，多样化传输使系统更稳定可靠。

在本实施例中，由于混合网络是建立在移动网络和广电DVB-C/S/T网路融合基础上的一种新型异构网络，因此如何控制网络数据传输平均延迟必要有整体规划和设计，为达到这个目的，本实施例采取了以下方法：（1）下行传输IPover TS。由于广电DVB-C/S/T网路具有天然的下行带宽优势，因此将所有的下行IP数据转为TS格式,以达到最佳的传输速度。为此，专门设计了IP-TS MUX模块，该相当实现了MAC层的功能，而HFC通路则实现了PHY层的功能，这样使IP网络与ＨＦＣ网络完美地兼容。（2）Max-min Fairness算法进行动态带宽分配。在大流量与小流量数据并发的场景下，采用这种算法有效解决了小流量数据的传输速率、提高用户链路的响应速度，同时在一定程度上尽可能提升每个网关速率。（3）自动ACK机制。在无线信道里面, RTT 并不是很稳定, 导致TCP/IP协议栈无法准确估计延迟时间，这样就会导致TCP降低发送速率。针对这些问题, 专门进行了研究和探索,通过在HNR上设计特定针对TCP优化的模块，监听TCP建立连接的三次握手的交互, 建立对应TCP连接的本地映射HASH表, 然后截取 TCP连接中接收者上报的带有ACK 标志报文,通过做报文的平滑,自动构造并发送ACK 报文给TCP连接中的发送方,以控制发送发均匀的发送数据。（4）快速路由与路径规划。为了保证下行通路畅通无阻，快速无误地到达接收终端，通过在混合路由器上设计的网络规划信息、IPQAM的地址端口信息、路径权值等数据关系模型，进行路径运算，生成到达终端的最短路径，保证下行IP数据报文能准确可靠地找到下一跳路径，以最小路径把报文传输到终端。

在本实施例中，网络丢包率控制方法为：（1）特定的PID表。为了保证IP over TS帧能安全可靠地在DVB-C/S/T网络上传输，定义了特别的PID表，用于传输控制处理，实现差错校验、信息同步，保障高可靠传输。（2）Max-min Fairness算法进行动态带宽分配。通过这个动态调整机制，最大限度地提高了频点的使用率，合理利用已有的资源。（3）限流整形和令牌桶算法形成的QoS保障机制。为了保证了下行数据流在DVB-C/S/T网络传输的稳定、可靠，使下行延时更小，不会产生丢包状况，采用限流整形的算法原理，综合令牌桶算法的精髓，保证每频点（通道）的发送码率不超过单个频点在64QAM调制模式下38Mbps带宽，使频点发送码率不会溢出造成丢包。

该宽带混合网络体系中，家庭网关采用多模无线通信芯片模块集成与射频电路设计，该设计与已有电信和广电双向网络多模芯片接口通信、无线信号参数监测、共模射频电路及天线相适应和优化，实现通讯模块硬件与软件的集成设计。家庭智能宽带路由器采用无线通讯网络作为上行网络，集成3G、4G或地面波多模无线通讯芯片模块，可支持FDD-LTE、TDD-LTE制式和广电地面波网络。

图19给出了家庭智能宽带路由器多模无线通讯芯片集成示意图。如图19所示，集成的3G、4G或地面波模块通过USB接口与SoC通讯，经由路由模块可实现家庭内部网络与外部无线网络之间的通讯。混合网络网关在无线多模无线通讯芯片模块的天线部分采用2x2的MIMO天线，具有较好的无线发射和接收性能。随着移动通信技术的演进发展，2G/3G/LTE等多制式移动通信网络共存将成为必然趋势。为满足用户漫游及多种业务需求，移动终端产品需要有支持多模、多频段的多天线。同时由于在移动终端上尺寸受限，因此还必须使天线尽量小型化，提高天线集成度。天线隔离度对整个MIMO通信系统的分集增益起着重大的影响，当隔离度不佳时，系统的分集增益大大降低，因此高隔离度、高集成度、多模、多频段的多天线将成为一个重要技术点。本实施例中，家庭网关可根据实际使用的无线通讯网络启用相应的无线通讯制式，由于家庭智能宽带路由器是家庭长期上电工作的设备，为保证无线网络稳定工作状态，需要进行周期性无线信号参数监测，根据监测结果对无线链路实施维护和故障诊断。

综上所述，本发明宽带混合网络研究目的是充分利用广电HFC已有的网络资源基础条件，融合3G、4G或地面波无线网络等成熟技术构成的双向网络，可以实现建设周期短、施工复杂度低、成本低的优点，适应城乡宽带建设，满足“宽带中国”战略中确定到2020年带宽达到城市50Mbps、农村12Mbps要求。混合网络技术研究正是基于广电HFC的单向网络、频谱带宽资源宽、音视频传输质量稳定特点，借助3G、4G或地面波等网络作为上行网络实现双向宽带业务，不仅可以充分利用电信和广电现有网络基础设施，挖掘HFC网络频谱带宽利用潜力，克服EoC、DOCSIS等技术中上行改造中的难题，还可拥有高码率、低延时的高质量互联网音视频传输与用户体验的竞争优势。

Claims (5)

1.一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络，其构成包括有，混合网络路由器、IPQAM网络调制器、家庭网关、3G、4G或广电地面波模块，其特征在于：所述网络路由器的一端连接互联网出口，网络路由器的另一端连接IPQAM网络调制器数据流入口，网络路由器实现IP数据流的转换，使来自互联网的IP数据流能被IPQAM网络调制器所解析，IPQAM网络调制器数据流出口连接广电单向HFC接入网络，广电单向HFC接入网络的入户电缆分为两路，一路同轴电缆线连接到家庭单向机顶盒，另一路同轴电缆线连接至家庭网关，同轴电缆将IP下行数据流和TS数据流传送到家庭网关和单向机顶盒，家庭网关通过3G、4G或地面波模块向移动互联网单向传送上行IP数据流；家庭网关也可以包含单向机顶盒的全部功能，不仅提供宽带接入，还可内置解码芯片，替代用户的单向机顶盒。

2.根据权利要求1所述的一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络，其特征在于：所述家庭网关通过EOC、FTTH或CMTS-CM系统作为回传通道。

3.根据权利要求1所述的一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络，其特征在于：所述家庭网关包括高频头、主芯片CPU、安全芯片和3G、4G或广电地面波模块，高频头将视频流送到安全芯片，安全芯片将连接保护TS流和IP流送至主芯片，主芯片与安全芯片之间实现过程控制并输出A/V，所述安全芯片包括有DCAS、CDRM、算法集、安全存储、UTI和WiFi。

4.一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络运行方法，所述宽带混合网络由混合网络路由器、网络调制器IPQAM、家庭网关、3G、4G或地面波模块构成，其中家庭网关中包括有高频头、主芯片CPU、安全芯片、3G/4G模块和WiFi模块，家庭网关中的3G/4G模块与三大移动运营商之一机站之间建立回传IP数据流的上行通道，家庭网关可以通过局域网或无线WiFi模块与用户家中的笔记本电脑、台式电脑、平板电脑、手机和OTT盒传输IP数据流和TS流，网络路由器将来自互联网的IP数据流进行解析，转换成广电网络调制器能够解读的IP数据流，网络调制器将解析后的IP数据流与广电视频TS流（IP over TS流）一并通过广电的HFC网络输送到每个广电用户家中，进入用户家庭的同轴电缆分为两路，一路与家庭网关连接，另一路与单向机顶盒连接，单向机顶盒连接家庭电视机，其特征在于：

在所述宽带混合网络运行过程中，混合网络路由器频点动态分配方法如下，（1）采用加权轮询对频点做初始分配，即在终端网关注册处理时，选择负载量最小、使用率最低的一个频点，作为初始接入频点；（2）基于max-min fairness算法进行动态带宽分配调整，采用这种算法可以防止任何网关的流量被‘饿死’，同时在一定程度上尽可能提升每个网关速率，是一种很好平衡有效性和公平性的分配策略；（3）终端网关动态频点切换处理，通过这个动态调整机制，最大限度地提高了频点的使用率，合理利用已有的资源；

在所述宽带混合网络运行过程中，控制网络数据传输平均延迟采取了以下方法（1）下行传输IPover TS，由于广电DVB-C/S/T网路具有天然的下行带宽优势，因此将所有的下行IP数据转为TS格式，以达到最佳的传输速度，为此，专门设计了IP-TS MUX模块，该相当实现了MAC层的功能，而HFC通路则实现了PHY层的功能，这样使IP网络与ＨＦＣ网络完美地兼容；（2）Max-min Fairness算法进行动态带宽分配，在大流量与小流量数据并发的场景下，采用这种算法有效解决了小流量数据的传输速率、提高用户链路的响应速度，同时在一定程度上尽可能提升每个网关速率；（3）自动ACK机制，在无线信道里面, RTT 并不是很稳定,导致TCP/IP协议栈无法准确估计延迟时间，这样就会导致TCP降低发送速率，针对这些问题, 专门进行了研究和探索，通过在HNR上设计特定针对TCP优化的模块，监听TCP建立连接的三次握手的交互, 建立对应TCP连接的本地映射HASH表， 然后截取 TCP连接中接收者上报的带有ACK 标志报文，通过做报文的平滑,自动构造并发送ACK 报文给TCP连接中的发送方，以控制发送发均匀的发送数据；（4）快速路由与路径规划，为了保证下行通路畅通无阻，快速无误地到达接收终端，通过在混合路由器上设计的网络规划信息、IPQAM的地址端口信息、路径权值等数据关系模型，进行路径运算，生成到达终端的最短路径，保证下行IP数据报文能准确可靠地找到下一跳路径，以最小路径把报文传输到终端；

在所述宽带混合网络运行过程中，为对网络丢包率进行控制采取以下方法（1）特定的PID表，为了保证IP over TS帧能安全可靠地在DVB-C/S/T网络上传输，定义了特别的PID表，用于传输控制处理，实现差错校验、信息同步，保障高可靠传输；（2）Max-min Fairness算法进行动态带宽分配，通过这个动态调整机制，最大限度地提高了频点的使用率，合理利用已有的资源；（3）限流整形和令牌桶算法形成的QoS保障机制，为了保证了下行数据流在DVB-C/S/T网络传输的稳定、可靠，使下行延时更小，不会产生丢包状况，采用限流整形的算法原理，综合令牌桶算法的精髓，保证每频点（通道）的发送码率不超过单个频点在64QAM调制模式下38Mbps带宽，使频点发送码率不会溢出造成丢包；

在所述宽带混合网络运行过程中，对宽带混合网络TCP/IP优化算法如下，（1）采集RTT信息, 计算TCP的平均延迟；（2）通过TCP 三次握手包的监测,在HNR建立 TCP 连接实体,创建本地对应的TCP连接对象，通过源IP-源端口-目的IP-目的端口, 在 HASH 表中建立对于这个TCP连接表的映射；（3）通过对于TCP 断开连接四次握手包的监测和超时处理, 将原有的TCP连接对象销毁；（4）查找TCP的ACK包；（5）缓存TCPACK包；（6）基于TCP包的状态机,在特定的条件下将缓存的ACK包发出，达到控制TCP数据发送的平顺性，抵抗网络波动；（7）报文异常处理,处理网络抖动导致报文乱序等问题；（8）构造ACK报文的处理。

5.根据权利要求4所述的一种基于广电单向HFC接入网的宽带混合网络运行方法，其特征在于：所述的动态频点切换方法如下（1）基于预测的频点切换时机处理，基于输入流、缓存量、预测流量进行预测分析，评估频点负荷状况，保证频点不会出现切换振荡，频点切换效率高；（2）频点和网关切换处理的策略是采用频点和网关筛选机制，根据各网关缓存量、频点连续流量等因素进行分析，选择最优的切换频点和切换网关；（3）采用稳定、可靠的频点切换流程，实行同一网关频点错位切换、实时状态检测、缓存待发、切换异常恢复，保证频点切换期间数据不丢失；（4）实行快速的频点切换，通过HFC下行网络传递切换信令，极大减少传输时间，在终端上快速响应处理，保证整个切换流程在1秒内完成。