HiNOC技術(shù)原理及技術(shù)成熟度

065M860M廣播電視頻域帶外頻域065M860M廣播電視頻域帶外頻域HiNOC技術(shù)由于光通信的強(qiáng)大能力，“光進(jìn)銅退”將是提高用戶(hù)接入速率的必經(jīng)之路。但光纖入戶(hù)及光纖到桌面還面臨著如保留現(xiàn)有布線的平滑過(guò)渡、工程施工標(biāo)準(zhǔn)、特種光纖、廉價(jià)連接方式等問(wèn)題需要解決，數(shù)年內(nèi)難以大規(guī)模工程實(shí)現(xiàn)。將光節(jié)點(diǎn)推進(jìn)到距離用戶(hù)100米甚至更近，采用FTTB+xDSL或FTTB+CAT5或FTTB+WIRELESS等技術(shù)延伸最后100米是當(dāng)前提高用戶(hù)接入速率的有效方案。而有線電視網(wǎng)現(xiàn)有的同軸電纜傳輸帶寬明顯高于雙絞線接入和無(wú)線接入，當(dāng)光節(jié)點(diǎn)更加靠近用戶(hù)，每個(gè)光節(jié)點(diǎn)下的用戶(hù)數(shù)量減少，避免了同軸電纜過(guò)多用戶(hù)共享所造成的諸多問(wèn)題后，采用同軸電纜的接入技術(shù)能為用戶(hù)提供高帶寬的接入方式，HiNOC技術(shù)正是基于同軸電纜的有效解決方案。HiNOC使用頻域我國(guó)有線電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同軸電纜860MHz以下的頻帶用于廣播電視信號(hào)傳輸，860MHz以上頻帶均未使用，稱(chēng)為帶外信道，帶外信道的傳輸特性為：整個(gè)系統(tǒng)的傳輸特性在1.2GHz以下變化不大，在-20dB左右，在16MHz的帶寬內(nèi)，頻譜幾乎為平的。在1.2GHz到1.5GHz之間下降很快，到1.5GHz時(shí)衰減達(dá)到-50dB以下。在1.5GHz以?xún)?nèi)（尤其是1.2GHz以?xún)?nèi)）的頻段，比較有利用價(jià)值，1.5GHz以上頻段衰減較大，而且匹配差，反射大，多徑嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)成本較高。因此，HiNOC使用800M~1.5G的頻域，并將其分為等頻寬的多個(gè)信道。1.5G圖同軸電纜頻譜分割示意圖HiNOC調(diào)制技術(shù)由于同軸電纜在860MHz以上屏蔽效應(yīng)好，用戶(hù)分配網(wǎng)絡(luò)中噪聲的主要來(lái)源是基礎(chǔ)熱噪聲，根據(jù)《有線電視網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》860MHz以下頻段用戶(hù)分配網(wǎng)中的噪聲不得超過(guò)-80dBm/MHz，這里以此為參照，認(rèn)為860MHz以上頻段的噪聲最大為-80dBm/MHz。在這樣的噪聲環(huán)境下，可以使用效率較高的調(diào)制方式，如256QAM，128QAM等。綜合考慮實(shí)現(xiàn)難度和同軸電纜帶外信道條件比較差、一致性不好的情況，本方案擬采用的最高調(diào)制方式為256QAM。根據(jù)調(diào)制方式和誤碼率、信噪比SNR的計(jì)算公式，得到在誤碼率為1e-9時(shí)，采用256QAM所需要的SNR為40.5dB，在860MHz到1.2GHz之間的大部分頻點(diǎn)可以采用256QAM調(diào)制技術(shù)，并可根據(jù)信道實(shí)際的SNR要求自適應(yīng)地使用128QAM，64QAM，32QAM，16QAM，8QAM直到QPSK，BPSK調(diào)制。由于分支分配器等器件與電纜在連接處不匹配，會(huì)引起反射從而形成多徑效應(yīng)，在時(shí)域上表現(xiàn)為沖擊響應(yīng)脈沖被展寬。多徑主要是由匹配性能較差的分配器和用戶(hù)終端盒引起，多徑的延遲與反射較大端口相連的電纜長(zhǎng)度成正比。為避免多徑引發(fā)碼間干擾，同時(shí)考慮到信道利用率，HiNOC選擇多載波OFDM體制傳輸數(shù)據(jù)。HiNOC物理層數(shù)據(jù)幀主要由兩部分組成，訓(xùn)練前導(dǎo)和傳輸數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)部分全部是頻域信號(hào)，通過(guò)OFDM調(diào)制輸出，訓(xùn)練前導(dǎo)分為頻域前導(dǎo)和時(shí)域前導(dǎo)，頻域信號(hào)每個(gè)子載波用BPSK調(diào)制，時(shí)域信號(hào)采用單載波JI/4-BPSK調(diào)制。信道編碼模塊這兩個(gè)數(shù)據(jù)模塊主要對(duì)信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼。擾碼模塊為了降低峰均比，用PN序列對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行擾碼。加頻域的訓(xùn)練前導(dǎo)頻域前導(dǎo)信號(hào)由兩個(gè)完全相同的OFDM符號(hào)組成，兩個(gè)符號(hào)間沒(méi)有CP,直接相連，在第一個(gè)符號(hào)前有一個(gè)CP,如圖所示，頻域前導(dǎo)主要用于接收機(jī)進(jìn)行信道估計(jì)。［先CECECPDatatPData圖頻域前導(dǎo)映射模塊根據(jù)探測(cè)幀進(jìn)行信道估計(jì)，得到每個(gè)子載波調(diào)制的星座圖，按照星座圖把數(shù)據(jù)映射上去，每個(gè)子載波可以調(diào)制0,1,2……8個(gè)比特，分別對(duì)應(yīng)未調(diào)制，BPSK,QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM,128QAM,256QAM調(diào)制。IFFT模塊IFFT模塊是把64個(gè)子載波的頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)，參見(jiàn)圖16。加循環(huán)前綴模塊為了減少OFDM符號(hào)間干擾，采用循環(huán)前綴(CP)，即把IFFT的輸出符號(hào)的最后NCp個(gè)取樣添加到符號(hào)之前。插值模塊加窗模塊為了減少輸出的帶外頻譜，在時(shí)域上用一個(gè)窗函數(shù)(比如升余弦函數(shù))乘以一個(gè)OFDM符號(hào)，相當(dāng)于頻率上做卷積，因?yàn)樯嘞液瘮?shù)的頻譜比方脈沖對(duì)應(yīng)的Sine函數(shù)的頻域特性要好，可以有效的降低帶外噪聲。加時(shí)域訓(xùn)練前導(dǎo)模塊訓(xùn)練前導(dǎo)主要有兩部分組成，短序列和長(zhǎng)序列，在接收機(jī)做同步和AGC。數(shù)字IQ調(diào)制把輸入的數(shù)據(jù)分開(kāi)為兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，一個(gè)數(shù)據(jù)流與正弦波相乘，一個(gè)數(shù)據(jù)流與余弦波相乘，這兩個(gè)波形相加就形成了中頻子載波。射頻的相位噪聲模塊射頻部分振蕩器的抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相位噪聲，在仿真時(shí)，我們用相位噪聲模塊來(lái)模擬。載波調(diào)制模塊功率放大器非線性模塊由于OFDM調(diào)制峰均比有可能過(guò)大，在功率放大器處可能進(jìn)入功率放大器的非線性區(qū)，造成時(shí)域波形尖峰被削平。接收機(jī)模型：接收機(jī)的模塊與發(fā)射機(jī)的模塊相對(duì)應(yīng)，但加上了同步(頻率同步和時(shí)間同步)與載波調(diào)制相對(duì)應(yīng)，在解調(diào)過(guò)程中，由于接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的振蕩頻率不完全相同，易發(fā)生頻偏。線性放大器對(duì)接收的基帶信號(hào)進(jìn)行放大，使接收機(jī)后續(xù)處理的信號(hào)功率保持恒定，放大的倍數(shù)受AGC控制。幀同步，AGC,粗頻偏估計(jì)這一模塊對(duì)位于傳輸信息最前端的時(shí)域前導(dǎo)中的短序列進(jìn)行處理，首先對(duì)接受信號(hào)能量進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)大于域值時(shí),即發(fā)現(xiàn)該幀；根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)能量反饋給前一個(gè)模塊線性放大器，使其輸出保持恒定的功率完成AGC;利用時(shí)域前導(dǎo)短序列采用最大似然算法進(jìn)行頻率偏差的粗估計(jì)。符號(hào)同步和細(xì)頻率同步符號(hào)同步是指求出OFDM符號(hào)的開(kāi)始和接受的精確時(shí)刻，該模塊是基于接收機(jī)已知的時(shí)域前導(dǎo)中的長(zhǎng)序列,因此可以利用簡(jiǎn)單的基于互相關(guān)系數(shù)的符號(hào)定時(shí)算法。細(xì)頻偏估計(jì)的算法和粗頻偏估計(jì)一樣,只是使用長(zhǎng)序列比短序列要精確,細(xì)頻偏估計(jì)的結(jié)果輸送給數(shù)字頻偏校正單元對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行頻偏校正。5） 去CP（加CP的逆過(guò)程）6） FFT（IFFT的逆過(guò)程）7） 信道估計(jì)利用頻域前導(dǎo)或訓(xùn)練序列，完成對(duì)子載波的頻響的的估計(jì)，估計(jì)的結(jié)果送給信道校正進(jìn)行頻域均衡。8） 相位跟蹤跟蹤由于相位噪聲，頻偏，取樣頻率偏差等引起的相位偏移，并控制相位補(bǔ)償模塊進(jìn)行補(bǔ)償。9） 信道校正頻域均衡，通過(guò)探測(cè)幀做信道估計(jì)得到的每個(gè)子載波處的頻域響應(yīng)，消除頻率選擇性衰落。相位補(bǔ)償是指對(duì)由于相位噪聲，頻偏，取樣頻率偏差等引起解調(diào)模塊星座圖的旋轉(zhuǎn)，因此要對(duì)其引起的相位偏移進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，主要受相位跟蹤模塊控制補(bǔ)償?shù)摹?0） 解調(diào)（根據(jù)星座圖，把每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)解調(diào)下來(lái)）11） 解擾（擾碼的逆運(yùn)算，算法與擾碼完全相同）12） 信道解碼13） 探測(cè)幀的傳輸除了一般的數(shù)據(jù)之外，在信道建立的時(shí)候，收發(fā)端先發(fā)出探測(cè)幀對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)。探測(cè)幀也有頻域和時(shí)域之分，頻域探測(cè)幀主要用來(lái)進(jìn)行信道性能的探測(cè)，進(jìn)一步得出每個(gè)子載波的調(diào)制方式。時(shí)域探測(cè)幀主要用來(lái)測(cè)量信道的多徑情況，結(jié)果則決定了OFDM符號(hào)中CP的長(zhǎng)度。MAC技術(shù)

121223Cable圖FTTB+樓內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式

圖中左右兩個(gè)圈分別代表兩個(gè)獨(dú)立的有線電視樓內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)。利用FTTB，GbE信號(hào)通過(guò)HiNOC頭端設(shè)備（HB）進(jìn)入樓內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)，并被調(diào)制到Cable的一個(gè)16MHz帶外信道內(nèi)，經(jīng)分配網(wǎng)絡(luò)到達(dá)處于同一16MHz信道的HiNOC調(diào)制器（HM），經(jīng)HM解調(diào)后傳送到終端設(shè)備（PC或STB）。從圖中可以看到，一個(gè)樓內(nèi)分配網(wǎng)絡(luò)可以支持多個(gè)HiNOC信道，各信道之間按照FDM方式分隔。在單個(gè)HiNOC信道內(nèi)，其物理和邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型。如圖所示。HBHM HM HM HMHM HMHM HM HM HMHM HM圖總線型物理拓?fù)錇楦弥С謽I(yè)務(wù)的QoS和優(yōu)先級(jí)等特性，必須對(duì)該網(wǎng)絡(luò)施以更多的控制，因此HiNOC的MAC層采用以下架構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)采用中心結(jié)點(diǎn)控制的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)HB最多支持32個(gè)HM；采用全協(xié)同的TDD/TDMA；采用預(yù)約/許可協(xié)議的MAC策略，保證各結(jié)點(diǎn)收發(fā)過(guò)程中無(wú)碰撞發(fā)生；支持不同級(jí)別的QoS和各結(jié)點(diǎn)靈活的帶寬分配。圖MAC層幀結(jié)構(gòu)MAC層的幀結(jié)構(gòu)如圖所示，包括MAC首部，載荷和尾部三部分。MAC幀分為數(shù)據(jù)幀和控制幀兩大類(lèi)，當(dāng)為數(shù)據(jù)幀時(shí)，載荷域包含上層PDU圖MAC層幀結(jié)構(gòu)MAC層的幀結(jié)構(gòu)如圖所示，包括MAC首部，載荷和尾部三部分。MAC幀分為數(shù)據(jù)幀和控制幀兩大類(lèi)，當(dāng)為數(shù)據(jù)幀時(shí)，載荷域包含上層PDU，當(dāng)為控制幀時(shí)，載荷域包含著實(shí)現(xiàn)MAC控制機(jī)制的相關(guān)信息，如接納信息或資源分配信息；尾部是校驗(yàn)序列，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷域的校驗(yàn)。MAC層首部結(jié)構(gòu)如圖12所示。位15 位01234567發(fā)送時(shí)鐘幀類(lèi)型幀子類(lèi)型版本號(hào)源結(jié)點(diǎn)地址目的結(jié)點(diǎn)地址幀長(zhǎng)度預(yù)留首部校驗(yàn)和首部載荷尾部圖MAC幀首部結(jié)構(gòu)各幀的首部結(jié)構(gòu)是相同的，主要包含以下信息：發(fā)送時(shí)鐘、源結(jié)點(diǎn)地址、目的結(jié)點(diǎn)地址、幀類(lèi)型及幀子類(lèi)型、幀長(zhǎng)度、首部校驗(yàn)和等。其他域的功能比較容易理解，這里主要介紹發(fā)送時(shí)鐘域的作用。由于MAC層的傳輸是完全協(xié)同（同步）的，網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間（SystemTime），網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)結(jié)點(diǎn)必須與該系統(tǒng)時(shí)間同步，該系統(tǒng)時(shí)間來(lái)自HB。其他結(jié)點(diǎn)通過(guò)讀取來(lái)自HB的MAC幀首部的發(fā)送時(shí)鐘域獲得系統(tǒng)時(shí)間。該系統(tǒng)時(shí)間的精度不小于20ns。由于網(wǎng)絡(luò)范圍距離非常小，信號(hào)在電纜媒質(zhì)上的傳輸時(shí)延非常小（以電信號(hào)在電纜上2x108n/s的傳輸速率計(jì)算，則距離為100m的傳輸時(shí)間為500ns）,因此各點(diǎn)的時(shí)鐘偏差很??；同時(shí)，為防止各結(jié)點(diǎn)時(shí)鐘不同步導(dǎo)致的傳輸沖突，各幀之間還應(yīng)預(yù)留足夠的幀保護(hù)間隔。MAC層協(xié)議主要包括結(jié)點(diǎn)接納過(guò)程，數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程和鏈路維護(hù)過(guò)程幾部分。由于采用完全協(xié)同的TDD/TDMA機(jī)制，所有的過(guò)程都在HB的控制下完成。

圖接入網(wǎng)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)帶寬據(jù)國(guó)內(nèi)外信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和IPTV等流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的情況，單用戶(hù)接入帶寬不小于40Mbps才能滿足未來(lái)若干年的發(fā)展需要。業(yè)務(wù)帶寬(Mbps)總帶寬(Mbps)HDTV25Mbps25MbpsSDTV6Mbps12Mbps(2streams)Picture-in-Picture0.8Mbps0.8MbpsHigh-speedInternet3Mbps(Peakrate)1MbpsVoIP128kbps500kbps(4user)Total39.3Mbps為了在每個(gè)帶寬上達(dá)到40Mbps的速率，可使用了多個(gè)子載波的OFDM,每個(gè)子載波上的調(diào)制方式可選擇BPSK,QPSK,8QAM,16QAM,32QAM,64QAM,128QAM,256QAM，最高物理層速率可達(dá)80Mbps，MAC層速率達(dá)到44Mbps(MAC層速率與物理層的速率之間的系數(shù)取0.55)。網(wǎng)絡(luò)管理要求HiNOC設(shè)備必須提供SNMP和Web兩種網(wǎng)絡(luò)管理接口，供運(yùn)維人員進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程的