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随着三网融合与宽带中国战略的推进,有线电视网络传输技术研究的需求日益增加。与此同时,消费者的需求也在发生变化,用户不再满足于传统的电视广播业务,而是追求更高质量、更快速度、更个性化的服务。用户需求的变化对有线电视网络性能提出了更高的技术要求,如何提高入户带宽与频谱效率成为急需解决的问题。目前国内的有线电视接入网技术有C-HPAV、C-DOCSIS、HINOC等,其中HINOC是我国自主设计研发的新型接入方案;国外的有线电视接入网技术主要有DOCSIS、FTTH等,其中DOCSIS系列国际标准由有线电缆标准组织CableLabs制定,基于有线电视系统光纤同轴混合网络(Hybrid Fiber Coaxial Network,HFC)传输,是有线电视接入技术经典规范。DOCSIS系列规范包括1.0、1.1、2.0、3.0、3.1几代技术,其中,于2013年10月发布的DOCSIS 3.1通过引入新技术与改善原有技术将数据传输速率提高了一个数量级,最高可达下行10Gbps与上行1Gbps;于2017年9月发布的全双工DOCSIS 3.1标准,进一步改善了上下行传输速率不对称的缺陷,可提供下行最高10Gbps与上行最高2.5Gbps的传输速率,是目前有线电视网络的最新超高速标准。本文工作主要围绕DOCSIS 3.1 MAC层协议仿真系统的设计与机制性能的仿真研究展开。在深入研究协议机制的基础上,基于仿真平台框架设计搭建了仿真系统,完成了多种场景下协议机制的测试分析,对仿真中发现的问题作出了针对性研究,基于多调制图样(multi-Profile,多Profile)机制框架提出了一种解决终端节点(Cable Modem,CM)分组问题以实现系统性能近似最优化的优化模型,采用遗传算法予以求解,并通过仿真验证算法的有效性与正确性。本文首先对协议工作机制作深入研究,主要包括拓扑结构与协议栈、频谱规划与带宽要求、数据封装、信道规划、信道绑定、信道接入、可变比特填充与多Profile管理等;其次基于现有仿真平台框架,设计专用于DOCSIS 3.1 MAC层协议的仿真系统,主要包括数据收发、信道规划、动态带宽分配、优先级支持等模块,为协议研究构建了仿真环境;然后利用仿真系统设置多种仿真场景测试协议性能,采用系统吞吐量、时延及时延抖动作为衡量MAC协议性能的主要指标,并针对仿真发现的问题作进一步研究;针对对系统性能有较大影响的多Profile机制,以最大化网络吞吐量为优化目标,以CM分组方案为优化变量,在CM与Profile个数、信道条件等限制下建立CM分组优化模型,采用遗传算法求解,并通过仿真验证该算法对网络性能的提升。本文工作既为DOCSIS 3.1 MAC协议的研究提供了工作成果与思路,也为自主设计万兆同轴技术提供了有意义的借鉴与参考。