HiNOC技术原理及技术成熟度

HiNOC技术

由于光通信的强大能力，“光进铜退”将是提高用户接入速率的必经之路。但光纤入户及光纤到桌面还面临着如保留现有布线的平滑过渡、工程施工标准、特种光纤、廉价连接方式等问题需要解决，数年内难以大规模工程实现。将光节点推进到距离用户100米甚至更近，采用FTTB+xDSL或FTTB+CAT5或FTTB+WIRELESS等技术延伸最后100米是当前提高用户接入速率的有效方案。而有线电视网现有的同轴电缆传输带宽明显高于双绞线接入和无线接入，当光节点更加靠近用户，每个光节点下的用户数量减少，避免了同轴电缆过多用户共享所造成的诸多问题后，采用同轴电缆的接入技术能为用户提供高带宽的接入方式，HiNOC技术正是基于同轴电缆的有效解决方案。

1. HiNOC使用频域

我国有线电视标准规定，同轴电缆860MHz以下的频带用于广播电视信号传输，860MHz以上频带均未使用，称为带外信道，带外信道的传输特性为：整个系统的传输特性在1.2GHz以下变化不大，在-20dB左右，在16MHz的带宽内，频谱几乎为平的。在1.2GHz到1.5GHz之间下降很快，到1.5GHz时衰减达到-50dB以下。在1.5GHz以内（尤其是1.2GHz以内）的频段，比较有利用价值，1.5GHz以上频段衰减较大，而且匹配差，反射大，多径严重，开发成本较高。因此，HiNOC使用800M~1.5G的频域，并将其分为等频宽的多个信道。

65M

860M

1.5G

广播电视频域

带外频域

图 同轴电缆频谱分割示意图

2. HiNOC调制技术

由于同轴电缆在860MHz以上屏蔽效应好，用户分配网络中噪声的主要来源是基础热噪声，根据《有线电视网系统技术规范》，860MHz以下频段用户分配网中的噪声不得超过-80dBm/MHz，这里以此为参照，认为860MHz以上频段的噪声最大为-80dBm/MHz。在这样的噪声环境下，可以使用效率较高的调制方式，如256QAM，128QAM等。

综合考虑实现难度和同轴电缆带外信道条件比较差、一致性不好的情况，本方案拟采用的最高调制方式为256QAM。根据调制方式和误码率、信噪比SNR

的计算公式，得到在误码率为1e-9时，采用256QAM所需要的SNR为40.5dB，在860MHz到1.2GHz之间的大部分频点可以采用256QAM调制技术，并可根据信道实际的SNR要求自适应地使用128QAM，64QAM，32QAM，16QAM，8QAM直到QPSK，BPSK调制。

由于分支分配器等器件与电缆在连接处不匹配，会引起反射从而形成多径效应，在时域上表现为冲击响应脉冲被展宽。多径主要是由匹配性能较差的分配器和用户终端盒引起，多径的延迟与反射较大端口相连的电缆长度成正比。为避免多径引发码间干扰，同时考虑到信道利用率，HiNOC选择多载波OFDM体制传输数据。

HiNOC物理层数据帧主要由两部分组成，训练前导和传输数据，其中数据部分全部是频域信号，通过OFDM调制输出，训练前导分为频域前导和时域前导，频域信号每个子载波用BPSK调制，时域信号采用单载波Л/4-BPSK调制。

图 发射机模块

1) 信道编码模块

这两个数据模块主要对信源数据进行信道编码。 2) 扰码模块

为了降低峰均比，用PN序列对频域信号进行扰码。 3) 加频域的训练前导

频域前导信号由两个完全相同的OFDM符号组成，两个符号间没有CP，直接相连，在第一个符号前有一个CP，如图所示，频域前导主要用于接收机进行信道估计。

图 频域前导

4) 映射模块

根据探测帧进行信道估计，得到每个子载波调制的星座图，按照星座图把数据映射上去，每个子载波可以调制0，1，2……8个比特，分别对应未调制，BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM,128QAM,256QAM调制。

5) IFFT模块

IFFT模块是把64个子载波的频域信号转换成时域信号，参见图16。 6) 加循环前缀模块

为了减少OFDM符号间干扰，采用循环前缀（CP），即把IFFT的输出符号的最后NCP个取样添加到符号之前。

7) 插值模块 8) 加窗模块

为了减少输出的带外频谱，在时域上用一个窗函数（比如升余弦函数）乘以一个OFDM符号，相当于频率上做卷积，因为升余弦函数的频谱比方脉冲对应的Sinc函数的频域特性要好，可以有效的降低带外噪声。

9) 加时域训练前导模块

训练前导主要有两部分组成，短序列和长序列，在接收机做同步和AGC。 10) 数字IQ调制

把输入的数据分开为两个独立的数据流，一个数据流与正弦波相乘，一个数据流与余弦波相乘，这两个波形相加就形成了中频子载波。

11) 射频的相位噪声模块

射频部分振荡器的抖动会产生相位噪声，在仿真时，我们用相位噪声模块来模拟。

12) 载波调制模块

图 时域前导

13) 功率放大器非线性模块

由于OFDM调制峰均比有可能过大，在功率放大器处可能进入功率放大器的非线性区，造成时域波形尖峰被削平。

接收机模型：

接收机的模块与发射机的模块相对应，但加上了同步（频率同步和时间同步）和信道估计的功能。模块组成如图20所示：

图 接收机模型

1) 载波解调

与载波调制相对应，在解调过程中，由于接收机和发射机的振荡频率不完全相同，易发生频偏。

2) 线性放大器

对接收的基带信号进行放大，使接收机后续处理的信号功率保持恒定，放大的倍数受AGC控制。

3) 帧同步，AGC，粗频偏估计

这一模块对位于传输信息最前端的时域前导中的短序列进行处理，首先对接受信号能量进行检测，当大于域值时，即发现该帧；根据检测到的信号能量反馈给前一个模块线性放大器，使其输出保持恒定的功率完成AGC；利用时域前导短序列采用最大似然算法进行频率偏差的粗估计。

4) 符号同步和细频率同步

符号同步是指求出OFDM符号的开始和接受的精确时刻，该模块是基于接收机已知的时域前导中的长序列，因此可以利用简单的基于互相关系数的符号定时算法。

细频偏估计的算法和粗频偏估计一样，只是使用长序列比短序列要精确，

细频偏估计的结果输送给数字频偏校正单元对数据流进行频偏校正。

5) 去CP（加CP的逆过程） 6) FFT（IFFT的逆过程） 7) 信道估计

利用频域前导或训练序列，完成对子载波的频响的的估计，估计的结果送给信道校正进行频域均衡。

8) 相位跟踪

跟踪由于相位噪声，频偏，取样频率偏差等引起的相位偏移，并控制相位补偿模块进行补偿。

9) 信道校正

频域均衡，通过探测帧做信道估计得到的每个子载波处的频域响应，消除频率选择性衰落。

相位补偿是指对由于相位噪声，频偏，取样频率偏差等引起解调模块星座图的旋转，因此要对其引起的相位偏移进行跟踪补偿，主要受相位跟踪模块控制补偿的。

10) 解调（根据星座图，把每个子载波上的数据解调下来） 11) 解扰（扰码的逆运算，算法与扰码完全相同） 12) 信道解码 13) 探测帧的传输

除了一般的数据之外，在信道建立的时候，收发端先发出探测帧对信道进行估计。探测帧也有频域和时域之分，频域探测帧主要用来进行信道性能的探测，进一步得出每个子载波的调制方式。时域探测帧主要用来测量信道的多径情况，结果则决定了OFDM符号中CP的长度。

3. MAC技术

图 FTTB + 楼内分配网络的组网方式

图中左右两个圈分别代表两个独立的有线电视楼内分配网络。利用FTTB，GbE信号通过HiNOC头端设备(HB)进入楼内分配网络，并被调制到Cable的一个16MHz带外信道内，经分配网络到达处于同一16MHz信道的HiNOC调制器（HM），经HM解调后传送到终端设备（PC或STB）。从图中可以看到，一个楼内分配网络可以支持多个HiNOC信道，各信道之间按照FDM方式分隔。

在单个HiNOC信道内，其物理和逻辑拓扑结构为总线型。如图 所示。

HB

......

HMHMHMHMHMHM

图 总线型物理拓扑

为更好支持业务的QoS和优先级等特性，必须对该网络施以更多的控制，因此HiNOC的MAC层采用以下架构：网络采用中心结点控制的星型拓扑结构，一个HB最多支持32个HM；采用全协同的TDD/TDMA；采用预约/许可协议的MAC策略，保证各结点收发过程中无碰撞发生；支持不同级别的QoS和各结点灵活的带宽分配。

图 MAC层帧结构

MAC层的帧结构如图 所示，包括MAC首部，载荷和尾部三部分。MAC帧分为数据帧和控制帧两大类，当为数据帧时，载荷域包含上层PDU，当为控制帧时，载荷域包含着实现MAC控制机制的相关信息，如接纳信息或资源分配信息；尾部是校验序列，用于实现对载荷域的校验。MAC层首部结构如图12所示。

图 MAC帧首部结构

各帧的首部结构是相同的，主要包含以下信息：发送时钟、源结点地址、目的结点地址、帧类型及帧子类型、帧长度、首部校验和等。其他域的功能比较容易理解，这里主要介绍发送时钟域的作用。由于MAC层的传输是完全协同（同步）的，网络中建立一个系统时间（System Time），网络中每一个结点必须与该系统时间同步，该系统时间来自HB。其他结点通过读取来自HB的MAC帧首部的发送时钟域获得系统时间。该系统时间的精度不小于20ns。由于网络范围距离非常小，信号在电缆媒质上的传输时延非常小（以电信号在电缆上2×108m/s的传输速率计算，则距离为100m的传输时间为500ns），因此各点的时钟偏差很小；同时，为防止各结点时钟不同步导致的传输冲突，各帧之间还应预留足够的帧保护间隔。

MAC层协议主要包括结点接纳过程，数据收发过程和链路维护过程几部分。由于采用完全协同的TDD/TDMA机制，所有的过程都在HB的控制下完成。

图 接入网逻辑拓扑结构

4. 数据带宽

据国内外信息网络技术的发展和IPTV等流媒体业务发展的情况，单用户接入带宽不小于40Mbps才能满足未来若干年的发展需要。

为了在每个带宽上达到40Mbps的速率，可使用了多个子载波的OFDM，每个子载波上的调制方式可选择BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM，256QAM，最高物理层速率可达80Mbps， MAC层速率达到44Mbps（MAC层速率与物理层的速率之间的系数取0.55）。

5. 网络管理要求

HiNOC设备必须提供SNMP和Web两种网络管理接口，供运维人员进行本地和远程的安装调试。

HiNOC可提供一种自动配置的方法，方便设备的安装。具体方法为：将全网HiNOC设备的配置统一生成到一个配置服务器（Configure Server），工程人员只需要将设备放置到相应的位置，HiNOC设备可自动连接配置服务器，并根据MAC进行选择和自己匹配的配置文件，并下载到本地使用生效。