HiNOC技術原理及技術成熟度

065M860M廣播電視頻域帶外頻域065M860M廣播電視頻域帶外頻域HiNOC技術由于光通信的強大能力，“光進銅退”將是提高用戶接入速率的必經之路。但光纖入戶及光纖到桌面還面臨著如保留現有布線的平滑過渡、工程施工標準、特種光纖、廉價連接方式等問題需要解決，數年內難以大規(guī)模工程實現。將光節(jié)點推進到距離用戶100米甚至更近，采用FTTB+xDSL或FTTB+CAT5或FTTB+WIRELESS等技術延伸最后100米是當前提高用戶接入速率的有效方案。而有線電視網現有的同軸電纜傳輸帶寬明顯高于雙絞線接入和無線接入，當光節(jié)點更加靠近用戶，每個光節(jié)點下的用戶數量減少，避免了同軸電纜過多用戶共享所造成的諸多問題后，采用同軸電纜的接入技術能為用戶提供高帶寬的接入方式，HiNOC技術正是基于同軸電纜的有效解決方案。HiNOC使用頻域我國有線電視標準規(guī)定，同軸電纜860MHz以下的頻帶用于廣播電視信號傳輸，860MHz以上頻帶均未使用，稱為帶外信道，帶外信道的傳輸特性為：整個系統(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，頻譜幾乎為平的。在1.2GHz到1.5GHz之間下降很快，到1.5GHz時衰減達到-50dB以下。在1.5GHz以內（尤其是1.2GHz以內）的頻段，比較有利用價值，1.5GHz以上頻段衰減較大，而且匹配差，反射大，多徑嚴重，開發(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信道。1.5G圖同軸電纜頻譜分割示意圖HiNOC調制技術由于同軸電纜在860MHz以上屏蔽效應好，用戶分配網絡中噪聲的主要來源是基礎熱噪聲，根據《有線電視網系統(tǒng)技術規(guī)范》860MHz以下頻段用戶分配網中的噪聲不得超過-80dBm/MHz，這里以此為參照，認為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制方式，如256QAM，128QAM等。綜合考慮實現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制方式為256QAM。根據調制方式和誤碼率、信噪比SNR的計算公式，得到在誤碼率為1e-9時，采用256QAM所需要的SNR為40.5dB，在860MHz到1.2GHz之間的大部分頻點可以采用256QAM調制技術，并可根據信道實際的SNR要求自適應地使用128QAM，64QAM，32QAM，16QAM，8QAM直到QPSK，BPSK調制。由于分支分配器等器件與電纜在連接處不匹配，會引起反射從而形成多徑效應，在時域上表現為沖擊響應脈沖被展寬。多徑主要是由匹配性能較差的分配器和用戶終端盒引起，多徑的延遲與反射較大端口相連的電纜長度成正比。為避免多徑引發(fā)碼間干擾，同時考慮到信道利用率，HiNOC選擇多載波OFDM體制傳輸數據。HiNOC物理層數據幀主要由兩部分組成，訓練前導和傳輸數據，其中數據部分全部是頻域信號，通過OFDM調制輸出，訓練前導分為頻域前導和時域前導，頻域信號每個子載波用BPSK調制，時域信號采用單載波JI/4-BPSK調制。信道編碼模塊這兩個數據模塊主要對信源數據進行信道編碼。擾碼模塊為了降低峰均比，用PN序列對頻域信號進行擾碼。加頻域的訓練前導頻域前導信號由兩個完全相同的OFDM符號組成，兩個符號間沒有CP,直接相連，在第一個符號前有一個CP,如圖所示，頻域前導主要用于接收機進行信道估計。［先CECECPDatatPData圖頻域前導映射模塊根據探測幀進行信道估計，得到每個子載波調制的星座圖，按照星座圖把數據映射上去，每個子載波可以調制0,1,2……8個比特，分別對應未調制，BPSK,QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM,128QAM,256QAM調制。IFFT模塊IFFT模塊是把64個子載波的頻域信號轉換成時域信號，參見圖16。加循環(huán)前綴模塊為了減少OFDM符號間干擾，采用循環(huán)前綴(CP)，即把IFFT的輸出符號的最后NCp個取樣添加到符號之前。插值模塊加窗模塊為了減少輸出的帶外頻譜，在時域上用一個窗函數(比如升余弦函數)乘以一個OFDM符號，相當于頻率上做卷積，因為升余弦函數的頻譜比方脈沖對應的Sine函數的頻域特性要好，可以有效的降低帶外噪聲。加時域訓練前導模塊訓練前導主要有兩部分組成，短序列和長序列，在接收機做同步和AGC。數字IQ調制把輸入的數據分開為兩個獨立的數據流，一個數據流與正弦波相乘，一個數據流與余弦波相乘，這兩個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會產生相位噪聲，在仿真時，我們用相位噪聲模塊來模擬。載波調制模塊功率放大器非線性模塊由于OFDM調制峰均比有可能過大，在功率放大器處可能進入功率放大器的非線性區(qū)，造成時域波形尖峰被削平。接收機模型：接收機的模塊與發(fā)射機的模塊相對應，但加上了同步(頻率同步和時間同步)與載波調制相對應，在解調過程中，由于接收機和發(fā)射機的振蕩頻率不完全相同，易發(fā)生頻偏。線性放大器對接收的基帶信號進行放大，使接收機后續(xù)處理的信號功率保持恒定，放大的倍數受AGC控制。幀同步，AGC,粗頻偏估計這一模塊對位于傳輸信息最前端的時域前導中的短序列進行處理，首先對接受信號能量進行檢測,當大于域值時,即發(fā)現該幀；根據檢測到的信號能量反饋給前一個模塊線性放大器，使其輸出保持恒定的功率完成AGC;利用時域前導短序列采用最大似然算法進行頻率偏差的粗估計。符號同步和細頻率同步符號同步是指求出OFDM符號的開始和接受的精確時刻，該模塊是基于接收機已知的時域前導中的長序列,因此可以利用簡單的基于互相關系數的符號定時算法。細頻偏估計的算法和粗頻偏估計一樣,只是使用長序列比短序列要精確,細頻偏估計的結果輸送給數字頻偏校正單元對數據流進行頻偏校正。5） 去CP（加CP的逆過程）6） FFT（IFFT的逆過程）7） 信道估計利用頻域前導或訓練序列，完成對子載波的頻響的的估計，估計的結果送給信道校正進行頻域均衡。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，并控制相位補償模塊進行補償。9） 信道校正頻域均衡，通過探測幀做信道估計得到的每個子載波處的頻域響應，消除頻率選擇性衰落。相位補償是指對由于相位噪聲，頻偏，取樣頻率偏差等引起解調模塊星座圖的旋轉，因此要對其引起的相位偏移進行跟蹤補償，主要受相位跟蹤模塊控制補償的。10） 解調（根據星座圖，把每個子載波上的數據解調下來）11） 解擾（擾碼的逆運算，算法與擾碼完全相同）12） 信道解碼13） 探測幀的傳輸除了一般的數據之外，在信道建立的時候，收發(fā)端先發(fā)出探測幀對信道進行估計。探測幀也有頻域和時域之分，頻域探測幀主要用來進行信道性能的探測，進一步得出每個子載波的調制方式。時域探測幀主要用來測量信道的多徑情況，結果則決定了OFDM符號中CP的長度。MAC技術

121223Cable圖FTTB+樓內分配網絡的組網方式

圖中左右兩個圈分別代表兩個獨立的有線電視樓內分配網絡。利用FTTB，GbE信號通過HiNOC頭端設備（HB）進入樓內分配網絡，并被調制到Cable的一個16MHz帶外信道內，經分配網絡到達處于同一16MHz信道的HiNOC調制器（HM），經HM解調后傳送到終端設備（PC或STB）。從圖中可以看到，一個樓內分配網絡可以支持多個HiNOC信道，各信道之間按照FDM方式分隔。在單個HiNOC信道內，其物理和邏輯拓撲結構為總線型。如圖所示。HBHM HM HM HMHM HMHM HM HM HMHM HM圖總線型物理拓撲為更好支持業(yè)務的QoS和優(yōu)先級等特性，必須對該網絡施以更多的控制，因此HiNOC的MAC層采用以下架構：網絡采用中心結點控制的星型拓撲結構，一個HB最多支持32個HM；采用全協(xié)同的TDD/TDMA；采用預約/許可協(xié)議的MAC策略，保證各結點收發(fā)過程中無碰撞發(fā)生；支持不同級別的QoS和各結點靈活的帶寬分配。圖MAC層幀結構MAC層的幀結構如圖所示，包括MAC首部，載荷和尾部三部分。MAC幀分為數據幀和控制幀兩大類，當為數據幀時，載荷域包含上層PDU圖MAC層幀結構MAC層的幀結構如圖所示，包括MAC首部，載荷和尾部三部分。MAC幀分為數據幀和控制幀兩大類，當為數據幀時，載荷域包含上層PDU，當為控制幀時，載荷域包含著實現MAC控制機制的相關信息，如接納信息或資源分配信息；尾部是校驗序列，用于實現對載荷域的校驗。MAC層首部結構如圖12所示。位15 位01234567發(fā)送時鐘幀類型幀子類型版本號源結點地址目的結點地址幀長度預留首部校驗和首部載荷尾部圖MAC幀首部結構各幀的首部結構是相同的，主要包含以下信息：發(fā)送時鐘、源結點地址、目的結點地址、幀類型及幀子類型、幀長度、首部校驗和等。其他域的功能比較容易理解，這里主要介紹發(fā)送時鐘域的作用。由于MAC層的傳輸是完全協(xié)同（同步）的，網絡中建立一個系統(tǒng)時間（SystemTime），網絡中每一個結點必須與該系統(tǒng)時間同步，該系統(tǒng)時間來自HB。其他結點通過讀取來自HB的MAC幀首部的發(fā)送時鐘域獲得系統(tǒng)時間。該系統(tǒng)時間的精度不小于20ns。由于網絡范圍距離非常小，信號在電纜媒質上的傳輸時延非常?。ㄒ噪娦盘栐陔娎|上2x108n/s的傳輸速率計算，則距離為100m的傳輸時間為500ns）,因此各點的時鐘偏差很?。煌瑫r，為防止各結點時鐘不同步導致的傳輸沖突，各幀之間還應預留足夠的幀保護間隔。MAC層協(xié)議主要包括結點接納過程，數據收發(fā)過程和鏈路維護過程幾部分。由于采用完全協(xié)同的TDD/TDMA機制，所有的過程都在HB的控制下完成。

圖接入網邏輯拓撲結構數據帶寬據國內外信息網絡技術的發(fā)展和IPTV等流媒體業(yè)務發(fā)展的情況，單用戶接入帶寬不小于40Mbps才能滿足未來若干年的發(fā)展需要。業(yè)務帶寬(Mbps)總帶寬(Mbps)HDTV25Mbps25MbpsSDTV6Mbps12Mbps(2streams)Picture-in-Picture0.8Mbps0.8MbpsHigh-speedInternet3Mbps(Peakrate)1MbpsVoIP128kbps500kbps(4user)Total39.3Mbps為了在每個帶寬上達到40Mbps的速率，可使用了多個子載波的OFDM,每個子載波上的調制方式可選擇BPSK,QPSK,8QAM,16QAM,32QAM,64QAM,128QAM,256QAM，最高物理層速率可達80Mbps，MAC層速率達到44Mbps(MAC層速率與物理層的速率之間的系數取0.55)。網絡管理要求HiNOC設備必須提供SNMP和Web兩種網絡管理接口，供運維人員進行本地和遠程的